CN105188903B - 辐射壁催化反应器及在此反应器中实施化学反应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种辐射壁催化反应器，其用于通过辐射16提供来自反应室1的内壁表面8的热量，以维持在所述反应室1中发生的总体上吸热的气相化学反应，所述反应器包括具有入口2和出口3的所述反应室1，所述入口2将气态反应物以连续的方式引入所述反应室1，所述出口3使气态产物能够以连续的方式离开所述反应室1，其中，所述反应室1包括多个催化剂段(A)5和多个空位段(B)6，在所述催化剂段(A)5中，气体流流经并接触催化剂材料4，在所述空位段(B)6中，从空位段(B)6中的内壁表面8向催化剂段表面9辐射热量，所述催化剂段表面9构成所述催化剂段(A)5和所述空位段(B)6之间的接触面；其中，通过辐射发出的热通量穿过所述内壁表面8发生在一个或多个段(A)5，并且是在15至100kW/m2范围内；其中，所述催化剂段(A)5的两侧各有一个空位段(B)6；并且其中空位段(B)6包含支撑构件10；制成所述反应室1的材料适于耐700℃以上的温度；并且加热装置用于加热所述反应室1，使所述反应室1的外壁表面15的温度高于所述反应室1的所述内壁表面8的温度。本发明还涉及在这种反应器中实施化学反应的方法。

Description

辐射壁催化反应器及在此反应器中实施化学反应的方法
背景技术
本发明涉及具有改进的热传递的反应器，以及在此反应器中实施总体上吸热的气相化学反应的方法。具体地说，本发明涉及一种辐射壁催化反应器，其通过辐射提供来自反应室的内壁的热量以维持在反应室中发生的吸热反应，所述反应器包括具有入口和出口的反应室，所述入口将气态反应物以连续的方式引入反应室，所述出口使气态产物能够以连续的方式离开反应室。本发明还涉及在此反应器中实施化学反应的方法，所述方法包括通过辐射的热传递的改进。
在此类反应器中实施的化学反应通常涉及通过反应室的壁的大量的热的传递(例如，在D.Lihou公开的Heaters for Chemical Reactors,1975中，报告了含有催化剂的管表面面积的15至100kW/m2的范围内的热通量)。如果反应是高度吸热的，则必须提供足够的热量以维持预期的反应，而这可以以各种方式提供。当反应的温度需要被维持在高温(例如700℃以上)时，那么反应室可以是被安装在燃料(气体或液体燃料)燃烧炉内的管(含有催化材料的)的形式，所述燃烧炉提供来自通过燃烧燃料维持的所述炉内的热区(例如1200至1500℃)的必要的外部热源。从火焰及附近的气态热区而来的热量通过辐射和对流的结合被传递至管(反应室)的外表面。通常，这样的炉内有多个管(反应室)。在单个的用作反应器的管内，热量通常通过对流、传导和辐射的结合从管的内壁被传递至流动流体和催化床。在迄今已知的反应器中，在管(反应室)的横截面之上发生温度的变化，该变化可能是显著的，并且具有若干缺点。换言之，为了预期的吸热化学反应，反应室的外表面可能需要被加热至非常高的温度，以确保反应室的内部中的足够高的温度。然而，反应器材料的寿命极大地取决于温度，并且一旦达到过高的温度，寿命就会急剧缩短。另一方面，在壁附近的高温下，可能发生非预期的化学反应。例如，这些反应可能导致碳沉积的形成，碳沉积将增加局部位置的热传递的阻力，从而可导致反应室的内壁附近的热点。或者，从管(反应器)的壁到中心的大的温度梯度能导致管(反应器)的中心的低温区，这可能导致中心附近的不完全反应，从而需要更长的反应器长度以实现必要的转化。
人们已经进行了各种尝试以克服此情况并减轻与此相关的影响。
美国专利第4,042,334号公开了一种高温化学反应器，它包括限定了反应室的管，用于将惰性流体引入反应器管以为管的内表面提供保护性的覆盖层的方法；用于将反应物引入反应室的方法，所述反应物通过所述保护性的覆盖层被限制在反应室的中心；以及用于产生高强度辐射能的方法，该辐射能被引入反应室以与反应物的至少部分路径一致。
美国专利第5,322,116号公开了一种用于从高温流体流动区向低温流体流动区传递热量的高温流体至流体热交换器，其包括用来分隔高温流体流动区和低温流体流动区的中间艾莉雅壁(alia wall)装置，以及占据大部分低温流体流动区的多孔陶瓷泡沫材料。陶瓷泡沫材料被放置在所述壁装置的附近，用于吸收来自所述壁装置的大部分辐射热，其中所述陶瓷泡沫不与所述壁装置接触，从而在壁装置和陶瓷泡沫材料之间形成狭窄的间隙，陶瓷泡沫材料具有的孔隙率足以允许沿其边缘的流体的预定的流速。
Nijemeisland等(2004)描述了计算机流体动力学仿真如何被用于模拟装有催化剂颗粒物的蒸汽甲烷重整反应器的近壁区中的热传递。这篇论文的有趣之处在于其合作者之一来自制造和销售用于这类应用的商业催化剂的大公司Johnson Matthey Catalysts(UK)。在他们的论文中(第5186页)，他们声明“本文提出的仿真中忽略了辐射，因为早期的工作表明，相比对流热传递过程，辐射是无足轻重的”。这是重要的声明，因为它提供了这样的证据：此专家认为热传递的方式本质上主要是对流传递。
M.Nijemeisland,A G Dixon,E.H.Stitt,(2004)Catalyst design by CFD forheat transfer and reaction in steam reforming,Chemical Engineering Science,59(2004)5185-5191。
WO 2009/109379 A1公开了一种反应器，它是一种包括一个或多个反应器管(或“管道”)的吸热催化反应器，所述反应器管(或“管道”)由在管道中形成环形区的内管/管道和外管/管道形成。所述内管/管道含有催化剂，例如形成催化剂固定床的颗粒，或包覆或浸渍在布置在内管道中的结构元件上的催化剂，从而所述结构元件是例如整块石料。特别公开了用贵金属催化剂和Ni基催化剂包覆的整块石料。在催化剂之间布置了流体检测器，其促使流体经过外管道(环形区)流入含有催化剂的内管道。同时，流体检测器还促使流体经过内管道流入外管道。例如，所述反应器管包含若干管段，例如十四管段，每管段包含催化剂、环形区和流体检测器。因此，流体的一个支流经过外管道，即环形区，被流体检测器促使进入具有催化剂的内管道，经过催化剂后，被下一个流体检测器促使再次进入外管道，而流体的另一个支流经过相同的内管道，被流体检测器促使进入外管道，然后被下一个流体检测器促使再次进入内管道。因此，流体的每个支流交替地经过催化剂和外管道，从而经过反应器管的每个第二管段的催化剂。流过环形区的支流通过外源而被加热，流过内管的支流通过发生在例如催化结构元件上的吸热重整而被冷却。因此，经过具有催化剂的内部管道的支流已经在其中被冷却，然后在经过外部管道时被加热。该催化反应器可用于蒸汽重整。
US 2011/0 194 991 A1公开了一种管式反应器，其包括具有多个杯状结构的内部催化插入物，从而，所负载的催化剂被安置或放置在多个杯状结构的每个的中心空间内。两个杯状结构之间可有一段距离。所述杯状结构具有用于形成流体喷嘴的孔，使流体冲击管壁。此喷嘴冲击被用于增强管中的流体和管壁之间的热传递。这样的管式反应器可用于例如吸热反应，例如蒸汽甲烷重整。
WO 2008/040999 A2公开了一种反应器，其用于实施至少一种气态反应物和至少一种液相反应物的非均相催化反应。该反应器包括依序布置的且各自含有催化材料的至少第一和第二反应区。催化材料可以是颗粒的形式，或是为反应物气体/液体混合物限定路径的单一体的形式，在一个特别优选的实施方式中，每个反应区包含具有平行通道的整块石料的形式的结构化的催化剂床，例如，Pt催化剂分布在整块石料的形式的碳载体上。在依序布置的反应区之间设有热传递区，热传递区可具有与其帮助维持反应器的内容物的温度在预期范围内的功能有关的任何合适的结构。通常，热传递区限定封闭的通道，在所述通道内，热传递流体可以与反应器的过程流体分隔地但热交换形式地流动。热传递区中使用的合适的热传递装置包括管或紧凑的板型的热交换器。
美国专利第3,617,227号公开了一种用于使用蒸汽和/或二氧化碳作为重整氧化剂的气态烃类的催化重整(例如蒸汽甲烷重整)的装置。烃类和氧化剂经过在整个长度上被基本均匀地加热(例如加热至1800-2200℉)的管，所述管包含邻近进气口的耐火预热颗粒和在预热颗粒和管出口中间的催化颗粒。催化剂是例如用镍浸渍过的2英寸至3英寸的刚铝玉(Alundum)块。如果催化剂管被加热，则催化剂块和预热块通过辐射和传导被间接加热。通过拥有大催化剂团块，单个颗粒直接暴露于管发出的辐射，并因而能够直接受益于热源。
发明内容
因此，本发明的一个目标是提供用于化学反应的反应器，它通过包括来自反应室的内壁的辐射的更大的贡献并允许同时有效实施预期的化学反应，能够使反应室内实现更好的热交换形式。优选地，可以实现反应室内更均匀的温度分布。
根据各项独立权利要求，通过辐射壁催化反应器和在辐射壁催化反应器中实施化学反应的方法实现了这个目标。在各项从属权利要求中，表明了该反应器和方法的优选实施方式。反应器的优选实施方式对应于方法的优选实施方式，反之亦然，即使没有明确表明时也是如此。
因此，本发明涉及一种辐射壁催化反应器(在下文中也被简称为“反应器”)，用于通过辐射提供来自反应室的内壁表面的热量以维持在反应室中发生的总体上吸热的反应，
所述反应器包括具有入口和出口的反应室，所述入口将气态反应物以连续的方式引入反应室，所述出口能够使气态产物以连续的方式离开反应室；
其中，所述反应室包括多个催化剂段(A)(也称为“催化床段(A)”)和多个空位段(B)，在催化剂段(A)中，气体流流经并接触催化剂材料，在空位段(B)中，从空位段(B)的内壁表面向催化剂段表面辐射热量，所述催化剂段表面构成催化剂段(A)与空位段(B)之间的接触面；
其中，通过辐射发出的穿过内壁表面的热通量发生在一个或多个段(A)内，并在15至100kW/m2范围内；
其中，催化剂段(A)的两侧各有一个空位段(B)，并且其中空位段(B)包含支撑构件；
所述反应室由适于耐700℃以上的温度的材料构成；
并且加热装置用于加热所述反应室，使反应室外壁表面的温度高于反应室的内壁表面的温度。
在一个优选的实施方式中，空位段(B)的内壁表面积(本文中称作“空位段表面”)至少等于或大于与其邻近的催化剂段(A)之一的催化剂段表面。
在本发明的反应器中，反应室通常包含催化活性材料，所述催化活性材料被保持在反应室内的多个催化剂段(A)(也可称为“催化剂床”)内，使得当反应物从入口流向出口方向时，反应物流经催化床并与催化活性材料接触。反应室包括多个催化剂段(A)，催化剂段(A)通常由合适的支撑构件支撑，使催化剂段(A)被保持在相互之间间隔规定的距离的位置。此外，反应室包括多个空位段(B)，使得通常一个空位段(B)邻接两个催化剂段(A)。因此，彼此面对的两个催化剂段(A)的催化剂段表面通常能够得到来自两个催化剂段(A)之间的空位段(B)中的内壁表面的辐射。
反应室的形状取决于将要在其内实施的化学过程，特别是取决于所需的热传递特征和化学过程中涉及的与反应物和产物相关的流动特性。
在反应器的一个优选的实施方式中，反应室具有管的形状，所述管在其第一端具有入口，在其第二端具有出口。
本文使用的术语“催化剂段(A)”通常是指包含催化剂的段。通常，在合适的支撑物上提供催化剂。催化剂——即催化活性材料——不受限制，只要其能够用于本发明的反应器中即可。通常，合适的催化活性材料包括表面上放置有非均相催化剂的支撑材料。通常，支撑材料是相对于反应器内实施的化学反应没有活性的材料。
催化剂段(A)可由密实的材料(例如多孔三维体)构成。特别地，本文理解的多孔三维体的实例是网或泡沫。作为替代材料或其他材料，催化剂段(A)可包括单独的颗粒物(pellet)，而颗粒物可包含多孔材料。优选地，所述多孔材料具有催化活性。
在反应器的一个优选的实施方式中，催化剂段(A)包含下列中的一种或由下列中的一种组成：颗粒物、挤出物、球体、整块石料以及其他包含催化剂的结构的和非结构的催化剂支撑物的结合。
在反应器的另一个优选的实施方式中，催化剂段(A)包含支撑催化剂或其自身作为催化剂的多孔金属泡沫结构，或由该结构组成。
催化剂段(A)的形状不受特别限制，只要它可用于本发明的反应器中，特别是用于本发明的反应器的反应室中即可。它取决于所用的催化剂材料的类型、反应器室的形状和将要在反应器中实施的化学过程的类型。
在反应器的一个优选的实施方式中，催化剂段(A)具有平盘或圆锥体的形状。这里应该注意，并非反应室内的所有催化剂段(A)都必须具有相同的形状。
本文使用的术语“空位段(B)”通常是指包含空位或由空位组成的段，其中，空位邻接反应室的内壁表面，并且因此在空位段(B)中至少能够部分地得到来自反应室的内壁表面的辐射。因此，本文使用的术语“空位”不是指不与反应室的内壁表面邻接的段内部的空位，所谓的内部空位也可能存在于本发明的反应器中，尽管这通常应该被避免。空位的形状不受特别限制，只要它允许反应室的内壁表面的辐射可到达空位段(B)和部分的催化剂段(A)即可。
段(A)和段(B)之间的接触面通常是催化活性材料与段(B)相邻接的表面，该接触面可具有各种形状，只要确保来自反应室壁的内表面的有效的热传递即可。例如，它可以是平坦或弯曲的。此外，可提供槽或升高的区域，比如突起，或者它可以具有简单的圆锥体形状。
催化剂段(A)还可相对于反应器的中心轴倾斜一个角度(即不需要与气体流动方向呈90°；例如可以呈30°或45°)。
段(A)和段(B)之间的接触面通常延伸进入反应室的内部。合适的接触面的选择通常受到待使用的反应室的类型和形状，以及在反应室中将要实施的化学反应的性质的影响。
空位的形状取决于反应室的形状。因此，在管式反应器中，空位可具有例如盘的形状，所述盘与纵轴垂直相交。在这种情况下，空位段(B)实际上是空位间隔区。空位的形状的其他实例为直的或弯曲的通道，或其他类型的空腔。通常，空位间隔区(空位段(B))的形状被调整为允许催化活性材料与来自反应室的内壁表面的辐射充分接触。
空位段(B)包含支撑构件，所述支撑构件通常用作其上面的催化剂段(A)(“催化剂床”(A))的机械支撑物，其提供邻近的催化剂床之间的必要的间隔距离。支撑构件，特别是管式反应器中的垂直支撑构件，不仅可支撑泡沫段，还可提供额外的辐射表面。
空位段(B)可包含与段(A)的中心轴对齐的陀螺形状的材料，所述材料吸收辐射并且还将辐射反射至该空位附近的催化剂段(A)的表面。或者，空位段(B)可由翼板(例如间隔120°的三个板)组成，在这种情况下，其可以支撑和维持邻近的催化剂段(A)之间的空位间隙，并且可用作热传递面，空位的内部高温壁将向其辐射热量。
因此，本文使用的术语“空位”通常是指紧邻反应室的内壁的空位空间。优选地，空位呈某种形状，使邻近空位或在空位内的固体材料的表面，通过直接和反射的辐射交换的结合，能够得到来自空位的内壁(处于高温)的足够量的辐射，达到至少30％的程度，优选地至少40％，更优选地至少70％。
除了段(A)和(B)，本发明的反应器还可包括其他类型的段，可能包含一些其他的可用于段(A)和(B)之间的且可能不同于支撑构件的材料的惰性材料，或由这些材料组成。
段(A)的厚度和段(B)的厚度可以变化，并且可根据在反应器内实施的化学过程适当地选择所述厚度。
通常，催化剂段(A)的厚度取决于待实施的化学反应，随之而来的在反应物和产物的温度和浓度的局部条件下的能量需求，以及如何提供能量以维持该催化剂段(B)中的反应的必要水平。例如，如果反应速度非常快且由于反应的吸热性质，需要大量的能量被传递至气体，则厚度应小于反应速率慢很多的情况下的厚度。
此外，催化剂段(A)的厚度取决于包含段(A)的各催化活性材料的位置(例如在管中)和向该结构中的辐射角系数。因此，段(A)的厚度还取决于辐射能量向段(A)的渗透。例如，对于金属泡沫，这取决于泡沫的孔径。在大孔中，角系数将更有利于使辐射更深入地渗透至该结构中。因此，对其他类型的催化活性材料也做相同的考虑，例如整块石料中(通道直径)和颗粒物中(颗粒直径、形状、颗粒中的孔、空位率)。
作为一个实施例，催化剂段(A)的厚度可以是10mm至100mm。
催化剂段(A)之间具有最小距离可能是有利的。例如，如果空位段(B)基本只由空位组成，而且如果反应器是内部半径为R的管式反应器，则催化剂段(A)之间的距离W优选为0.2R至3R，这也取决于催化剂段(A)的表面的形状和它们向空位段(B)中的空位空间突出了多少。
在本发明的反应器中，本发明用于当反应物和产物从入口流向出口方向时，反应物流经催化床并因而与催化活性材料接触。然而，这不排除内壁表面和催化剂段(A)之间的小间隙的存在。如果存在这种间隙，所述间隙通常较小，允许少部分的气体(优选地以体积计的1至7％)绕过催化剂段(A)，所述间隙的尺寸取决于反应器的横截面流动面积，然而，如果使用内径80mm的管，则间隙可在1至4mm范围内。这种间隙可以是不连续的，它可以包含障碍物，从而促使可能在间隙中流动的反应物在催化活性材料和间隙之间来回流动，和/或这样的障碍可以被设计为促进壁附近的对流热传递。
因此，根据反应器的一个优选的实施方式，反应室的内壁与催化剂段(A)之间存在小间隙，从而所述间隙允许以体积计的1至7％的气体绕过催化剂段(A)(5)。
通常，在本发明的反应器中实施的是由催化剂材料催化的化学反应。因此，反应物与催化剂段(A)中的活性催化材料之间的充分接触是必须的，并且实现此充分接触的方法在文献中是熟知的。
在一个优选的实施方式中，催化活性材料的表面组成物和/或结构与核内的组成物和/或结构是不相同的。例如，可对催化活性材料的表面进行修饰以更好地允许来自内壁表面的辐射能的吸收。因此，表面的催化特性可与核内的不同。
优选地，多孔体包含泡沫或由泡沫组成。此外，泡沫可以是陶瓷或金属泡沫。在一个优选的实施方式中使用金属泡沫。金属泡沫优选地包含至少一种选自Ni、Fe、Co、Cu、Ag、Au、Pt和Pd的金属，或包含一种或多种这些金属的合金。甚至更优选地，金属泡沫包含至少一种选自Ni、Co、Cu和Ag的金属。金属泡沫还可包含可滤出的金属，例如Al、Si或Zn。
当使用金属泡沫时，它能够用作非均相催化剂基底或催化剂。优选地，对金属泡沫的表面进行修饰以描述特定的催化特性。修饰金属泡沫的表面的一个方式是将金属泡沫基材与一种或多种合适的不同金属合铸，所述不同金属可以选自上面提及的金属。此外，促进剂，即改善金属泡沫的预期特性的促进剂元素被特别用于表面部分。促进剂可以是例如铬、锰、铁、钒、钽、钛、钨、钼、铼和/或铂系的金属、锗、锡、锑或铋。金属泡沫中的促进剂的量可变化很大，它取决于促进剂的类型和其预期用途，但通常在基于泡沫的总重量的最多为10wt％的范围内。例如，如果Cr或Mo被用作促进剂，它们的量通常在2至3wt％的范围内。
金属泡沫同样是已知的。可用于本发明的反应器中的金属泡沫不受特定限制。因此，可使用闭合孔室金属泡沫和开放孔室金属泡沫以及包含闭合孔室和开放孔室的泡沫。优选地，使用开放孔室金属泡沫。包括孔尺寸和形状、支柱厚度、表面密度、泡沫密度、几何表面积和孔隙率的形态特征可在很宽的范围内变化。此外，这些金属泡沫可通过各种方法获得。例如，可以用金属材料包覆由发泡聚合物制成的有机聚合物泡沫，然后去除有机聚合物泡沫，例如通过在高温下烧除或用合适的溶剂去除。通过将有机聚合物泡沫与包含金属材料的熔化物、溶液或悬浮液接触而实现包覆。例如，这可以通过用相应的包含第一金属材料的溶液或悬浮液喷涂有机聚合物泡沫或通过将有机聚合物泡沫浸入所述溶液或悬浮液中而方便地实施。或者，可以实施金属材料的干沉积，例如通过化学气相沉积。
在本发明的一个优选的实施方式中，可通过用包含预期的一种或多种金属的金属材料包覆聚氨酯(PU)泡沫，然后烧除聚氨酯(PU)泡沫，从而获得金属泡沫。包覆优选地受到聚氨酯(PU)泡沫上的金属材料的电解沉积的影响。为了此目的，在实施电解沉积之前，聚氨酯泡沫的表面被处理为导电的。
本发明的反应器中优选使用金属泡沫，因为金属泡沫表现出良好的结构同质性、高的孔隙率、轻的重量、大的表面积和可成形性。此外，关于流动、质量和热传递特征，由于薄的催化剂层，金属泡沫允许低的压力下降、增强的流动混合、高的热传递和质量传递速率、高的导热性和低的扩散阻力。应当注意，与陶瓷颗粒物相比，其能够实现更高的机械和热强度。最后，在具体的实施方式中，金属泡沫可表现出极好的抗氧化和抗腐蚀性。
在另一个优选的实施方式中，催化剂段(A)包含以合适的方式(特别是托盘)被保持的颗粒物。这些颗粒物可以是密实的颗粒或多孔颗粒。在两种情况下，颗粒都优选地被催化剂(例如非均相催化剂)包覆。
反应室可具有不同的形状和尺寸。通常，形状和尺寸的选择取决于在反应器中实施的化学反应。具体地，形状和尺寸取决于化学反应中涉及的热传递。
为了具有足够的生产量，通常使用多管结构来提供大的热传递表面积，这些管被放置在燃料燃烧炉内，所述炉内放置多个燃烧器，所述炉为维持管内发生的吸热反应提供必要的热量。
在一个实施方式中，假定管(反应器)以垂直方向被安装，在每个管中，水平间隔的金属泡沫盘呈圆锥体形状，其包含催化活性材料，从而形成催化床，所述催化床在管式反应器中也叫段(B)。
因此，在这种情况下，接触面将是圆锥体的形式，其突出至空位段(A)内。圆锥体的形状，为通过段(A)中的空位的内壁和其邻近的催化床之间的辐射的热传递的交换提供合适的表面。圆锥体可被围绕圆锥体的周长以120°安装的三个金属翼支撑和彼此分隔，所述圆锥体还将为从空位的侧壁至这些翼的辐射的交换提供额外的表面积，所述翼反过来通过对流将热量传递至流经它们的气体。
优选地，这样的金属泡沫可能包含至少一种选自Ni、Fe、Co、Cu、Ag、Au、Pt和Pd的金属，或包含一种或多种这些金属的合金。
当使用金属泡沫时，它可用作非均相催化剂基底，在其上附着催化活性材料(在它自身上或与高比表面积的额外的支撑物结合)，或其自身可用作催化剂。然而，它还必须具有很大百分比的开放孔室(例如孔隙率为0.5至0.99)，以允许气体流过此催化床。然而，根据应用，包括孔尺寸和形状、支柱厚度、表面密度、泡沫密度、几何表面积和孔隙率的形态特征可在很宽的范围内变化。
在管式反应器的情况下，即具有一个或多个管作为反应室的反应器的情况下，管的内径通常在10mm至200mm，更优选地75至120mm，甚至更优选90至110mm。
优选地，催化剂段(A)的数目至少是4个，更优选地至少6个，甚至更优选地至少10个，空位段(B)的数目优选地至少4个，更优选地至少6个，甚至更优选地至少10个。
通常段的数目更大，并且根据在管式反应器中实施的化学过程适当地选择其数目。例如，对于SMR(蒸汽甲烷重整)管式反应器，在SMR管式反应器中的管的全部10m的长度上，段(A)和(B)的总数目可能优选地为80至200个，更优选地100至180个。
因此，在本发明的反应器中，甚至更优选的是，催化剂段(A)的数目和空位段(B)的数目为至少100。
通常，反应器的壁(例如管壁)的温度可在600至1200℃之间，这极大地取决于管内的热通量和总的热传递系数。管内的压力可在1至70bar(g)之间，当然，应当适当地选择壁的材料，以适合于在该应用所选的温度和压力的条件下的操作。
根据本发明可使用的管的内径通常为10mm至200mm，更优选地75至120mm，甚至更优选地90至110mm。
此外，在这个实施方式中，优选段(A)和段(B)是与基本穿过入口和出口的轴垂直的盘。其一个实例是沿管式固定床反应器的方向放置的泡沫盘。
此外，优选管式反应器的入口和出口都设置有空位段(B)。因此，段的合适的顺序可以是：段(B)、段(A)、段(B)、段(A)、段(B)。
段可被适当地固定在反应室中。在这种情况下，对于颗粒物组成的催化活性材料，在被适当地固定在反应室中的托盘上提供这些颗粒物可能是有用的。然后，调整托盘的位置和间隔以适应使用的颗粒物的量，反之亦然，使得催化剂段(A)包含的颗粒物的厚度足以使所述颗粒物与将要由其催化的化学过程的反应物接触。
优选地，在本发明的反应器中，空位段(B)具有的形状使其邻近的催化活性材料的表面的至少10％能够得到来自反应室的内壁的直接辐射。
此外，基于空位段(B)的总体积，空位段(B)中的空位率优选地为20至90％。在本文，空位率是指作为空位空间的空位段(B)的体积的百分率。
此外，本发明涉及一种在辐射壁催化反应器中实施化学反应的方法，其通过辐射提供来自反应室的内壁的热量以维持反应室中发生的总体上吸热的反应，所述反应器包括具有入口和出口的反应室，所述入口将气态反应物以连续的方式引入反应室，所述出口能够使气态产物以连续的方式离开反应室；
其中，所述反应室包括多个催化剂段(A)和多个空位段(B)，在催化剂段(A)中，气体流流经并接触催化剂材料，在空位段(B)中，从空位段(B)中的内壁表面向催化剂段表面辐射热量，所述催化剂段表面构成催化剂段(A)和空位段(B)之间的接触面；
其中，通过辐射发出的热通量穿过内壁表面发生在一个或多个段(A)中，并且在15至100kW/m2范围内；
其中，催化剂段(A)的两侧各有一个空位段(B)，并且其中空位段(B)包含支撑构件；
所述反应室由适于耐700℃以上的温度的材料制成；
并且加热装置用于加热所述反应室，使反应室外壁表面的温度高于反应室的内壁表面的温度；
其中，通过入口引入反应物，使其流经反应室并与催化剂材料(即催化活性材料)接触，同时，通过来自内壁表面的辐射对催化剂段(A)的催化剂段表面加热以实施总体上吸热的反应。
本发明对在化学反应器中发生的总体上吸热的反应尤其重要。这不排除单个反应步骤中的某些步骤可以是放热的，只要总体上的反应结果是吸热反应即可，在这种反应中必须供应热量。因此，在本发明的方法的一个实例中，在总体上吸热的反应中发生至少一个单个的放热的反应。
此外，应当注意，化学反应接近平衡条件时，维持反应所需的热量可能较少。在一个吸热反应中，反应器的外壁通常被加热至足够高的温度，使得反应器的壁的温度高于流经它的气体的温度。这提供了从反应器壁至反应器内流动的流体的热传递的驱动力。反应器壁的加热，通常受来自燃料燃烧器产生的火焰和高温气态区的辐射和对流的结合导致的热传递的影响。
用于本发明的化学反应器中的反应物优选地是气相的。此外，本发明的反应器中的反应通常在1至70bar(g)的压力下实施，并且空位段(B)的壁的表面的温度可能大于700℃，在700℃以上，通过辐射的热传递变得更加显著。
在本发明的方法中，反应室的外壁表面(例如管壁)的温度通常在600至1200℃。此外，在一个优选的方法中，反应室的外壁表面被加热至800至1200℃范围内的温度。
本发明的化学反应器中使用的反应物是气相的。此外，本发明的反应器中的反应通常在1至70barg的压力下实施。
根据本发明的方法不受限制。然而，优选地，所述方法是涉及大的热通量的方法，在高度吸热的反应中就是这样。具体地说，所述方法涉及一个或多个段(A)中的由辐射产生的大的热通量。热通量的量取决于化学反应和反应器的形状。此外，即使使用管式反应器，热通量将取决于管的直径，并可沿管的长度相当大地变化。
本发明的方法涉及由辐射发出的在管式反应器的一个或多个段(A)中以15至100kW/m2穿过反应室的内壁表面的热通量，而此范围内的值取决于具体的应用。
因此，本发明的反应器通常被放置在包含燃烧器和例如管的炉中。在SMR过程的情况下，管被封装在段(B)中，例如段(B)中具有在多孔氧化铝支撑物上的或具有合适的镍泡沫的镍催化剂。其他催化剂，例如铑、钴、钌或铂也可用于SMR过程中。
本发明的反应器可有利地用于实施许多催化的化学反应，特别是涉及有机化合物的催化的化学反应，例如加氢、异构化、水合、氢解、还原胺化、还原烷基化、脱水、氧化、脱氢、重整和其他反应。
在一个非常优选的实施方式中，所述方法是蒸汽甲烷重整(SMR)方法。SMR方法涉及天然气的蒸汽重整，以提供许多化学和石油化工过程中需要的氢和合成气。SMR方法涉及使包含甲烷和水的混合物作为反应物反应以获得包含一氧化碳、二氧化碳、氢、未转化的反应物和惰性气体的混合物的步骤。
因此，本发明的反应器对于蒸汽甲烷重整过程(SMR过程)中的使用是尤其有用的。
本发明具有许多优势。所述反应器使得可以实施具有在反应室和外部热媒之间的改进的热交换的化学反应。这在涉及高度吸热的化学反应的过程中具有特别的优势。此外，在本方法的实施方式中，可以实现反应室内的更均匀的温度分布。在一项改进的应用中，可以实现总体上的穿过管壁的热通量的较高的速率——所以可提高工厂的吞吐量(即供给反应器的反应物的量)；或可以维持吞吐量相同，并且可以延长管的寿命(通过在较低的管金属表面温度下操作)。在一项新设计中，可以实现相似的热传递速率，但可以使用直径较小的管，或可以使用长度较短的管。所有这些特征都带来显著的节省。
下文通过参照图1至5，将更加详细地描述本发明。
图1示出了根据本发明的一个实施方式的反应器的反应室1。2表示反应器的气体入口，以及3表示反应器的气体出口。5表示具有催化剂材料(即催化活性材料4，在此以连续的方式存在)的催化活性段(A)(本文中也称为“催化床”)，以及6表示包含段(B)的空位。在这个实施方式中，反应室1具有管12的形状。7表示反应室1的壁，以及8表示反应室1的内壁表面。
图2示出了图1的反应室1的放大的局部图。因此，在这个实施方式中，反应室具有管12的形状。粗箭头表示反应室中将要实施的化学过程的反应物的流动方向。4表示在这里以连续的方式存在的催化活性材料，5表示催化剂段(A)，以及6表示空位段(B)。催化剂段表面9表示段(A)和(B)之间的接触面，其通常是段(A)中的催化活性材料的表面。为简单起见，段(A)和(B)在这里具有盘的形式。因此，催化剂段表面9构成圆环。11是反应室1的轴线。7表示圆柱状反应室1的壁，8表示反应室1的内壁表面。小粗箭头表示内壁表面8上的点，从该点发生沿催化剂段表面9方向的辐射16。辐射16的入射的点由长细箭头表示。
图3示出了图1的反应室的放大的局部图，不同之处在于这里的催化剂段(A)5具有内部放置了催化剂材料4的圆锥体形状。此示意图中只示出了一个催化剂段(A)，尽管上面和下面会堆叠相似形状的催化剂段(催化床)(A)，通常具有适当设计的支撑构件用于稳定催化床，所述催化床也作为间隔物以建立必要的空位。也可使用其他形状的催化床5。16表示来自反应室1的壁7的内壁表面8的辐射。15表示反应室1的外壁。
图4示出图1的反应室1的放大的局部侧视图，不同之处在于这里通过实例的方式示出了支撑构件10的用途，它在这里用作是，用作它上面的作为催化剂段(A)的催化床5的机械支撑，用作建立相邻的催化床5(用椭圆形虚线表示)之间的空位的间隔物；并且作为由来自反应室1的内壁8的辐射导致的热传递的额外的表面。这个具体实施方式中表示的形状是三个侧板翼，但也可使用其他形状。
图5示出了图1的反应室1的放大的局部侧视图，不同之处在于这里显示了在包含催化剂材料4的催化床5与反应室1的内壁表面8之间的壁7附近的间隙13的存在。这使部分气体能够绕过催化床5，并增强催化床5的位置附近的壁7处的对流热传递。
参考编号的列表
1 反应室
2 入口(用于气态反应物)
3 出口(用于气态产物)
4 催化剂材料；催化活性材料
5 催化剂段(A)
6 空位段(B)
7 反应室的壁
8 反应室的内壁表面
9 催化剂段表面；段(A)和段(B)之间的接触面；例如与段(B)邻接的催化活性材料的表面
10 支撑构件
11 轴
12 管
13 间隙
14 空位段表面；空位段(B)中的反应室的(辐射的)内壁表面
15 反应室的外壁表面
16 辐射

Claims (12)

1.辐射壁催化反应器，其用于通过辐射(16)提供来自反应室(1)的内壁表面(8)的热量，以维持在所述反应室(1)中发生的总体上吸热的气相化学反应，
所述反应器包括具有入口(2)和出口(3)的反应室(1)，所述入口(2)将气态反应物以连续的方式引入所述反应室(1)，所述出口(3)使气态产物能够以连续的方式离开所述反应室(1)，其特征在于，所述反应室(1)包括多个催化剂段A(5)和多个空位段B(6)，其中所述反应室被调整为使在所述催化剂段A(5)中，气体流流经并接触催化剂材料(4)，并且在所述空位段B(6)中，从空位段B(6)中的内壁表面(8)向催化剂段表面(9)辐射热量，所述催化剂段表面(9)构成所述催化剂段A(5)和所述空位段B(6)之间的接触面；并且加热装置用于加热所述反应室(1)，使所述反应室(1)的外壁表面(15)的温度高于所述反应室(1)的内壁表面(8)的温度；
其特征在于，所述反应室被调整为使通过辐射发出的热通量穿过所述内壁表面(8)发生在一个或多个催化剂段A(5)，并且是在15至100kW/m2范围内；
其中，所述催化剂段A(5)的两侧各有一个空位段B(6)；并且其中空位段B(6)包含支撑构件(10)；
所述反应室(1)由适于耐700℃以上的温度的材料制成；
并且其中所述催化剂段A(5)包含用于支撑催化剂或自身被用作催化剂的多孔金属泡沫结构，或由所述结构组成。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中空位段B(6)的内壁表面(8)的面积至少等于或大于与其邻近的催化剂段A(5)之一的催化剂段表面(9)的面积。
3.根据权利要求1或2所述的反应器，其中催化剂段A(5)的数目是至少4个，并且空位段B(6)的数目是至少5个。
4.根据权利要求1或2所述的反应器，其中反应室(1)具有管(17)的形状，所述管(17)在第一端具有入口(2)并且在第 二端具有出口(3)。
5.根据权利要求1或2所述的反应器，其中所述反应室(1)的所述内壁表面(8)与所述催化剂段A(5)之间存在小间隙(13)，而所述间隙(13)允许以体积计的1至7％的气体绕过所述催化剂段A(5)。
6.根据权利要求1或2所述的反应器，其中所述催化剂段A(5)具有平盘或圆锥体的形状。
7.根据权利要求1或2所述的反应器，其中所述催化剂段A(5)包含选自下列中的一种或由选自下列中的一种组成：颗粒物、挤出物、球体、整块石料以及其他包含催化剂的结构的和非结构的催化剂支撑物的结合。
8.根据权利要求1或2所述的反应器，其中所述空位段B(6)具有的形状使邻近的所述催化剂段A(5)的至少10％的所述催化剂段表面(9)能够得到来自所述反应室(1)的空位段表面(14)的直接辐射。
9.在辐射壁催化反应器中实施化学反应的方法，其通过辐射(16)提供来自反应室(1)的内壁表面(8)的热量以维持在反应室(1)中发生的总体上吸热的反应，
所述反应器包括具有入口(2)和出口(3)的所述反应室(1)，所述入口(2)将气态反应物以连续的方式引入所述反应室(1)，所述出口(3)使气态产物能够以连续的方式离开所述反应室(1)，
其中，所述反应室(1)包括多个催化剂段A(5)和多个空位段B(6)，其中所述反应室被调整为使在所述催化剂段A(5)中，气体流流经并接触催化剂材料(4)，并且在所述空位段B(6)中，从空位段B(6)中的内壁表面(8)向催化剂段表面(9)辐射热量，所述催化剂段表面(9)构成所述催化剂段A(5)和所述空位段B(6)之间的接触面；并且加热装置用于加热所述反应室(1)，使所述反应室(1)的外壁表面(15)的温度高于所述反应室(1)的所述内壁表面(8)的温度；
其中，所述反应室被调整为使通过辐射发出的热通量穿过所述 内壁表面(8)发生在一个或多个催化剂段A(5)，并且是在15至100kW/m2范围内；
其中，所述催化剂段A(5)的两侧各有一个空位段B(6)；并且其中空位段B(6)包含支撑构件(10)；
所述反应室(1)由适于耐700℃以上的温度的材料制成；
并且其中所述催化剂段A(5)包含用于支撑催化剂或自身被用作催化剂的多孔金属泡沫结构，或由所述结构组成；
其特征在于，通过入口(2)引入反应物，使其流经所述反应室(1)并与催化剂材料(4)接触，同时，通过来自反应室(1)的内壁表面(8)的辐射(16)加热催化剂段A(5)的催化剂段表面(9)以实施总体上吸热的反应。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述总体上吸热的反应中发生至少一个单一的放热的反应。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述反应室(1)的外壁表面(15)被加热至800至1200℃范围内的温度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述方法是蒸汽甲烷重整(SMR)方法。
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