CN108854880B - 用于进行放热平衡反应的反应器 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于进行放热平衡反应、特别是用于通过合成气的非均相催化转化来进行甲醇合成的反应器，该反应器使得能够沿着反应器的纵坐标重新调整并因此优化反应条件。为此目的，根据本发明，将该反应器分成多个串联连接的反应池，其中每个反应池包括预热区、冷却反应区、可冷凝反应产物的一个或多个冷却区和沉积区。以这种方式，反应条件可针对反应混合物的各自的局部组成进行调整，并且在反应器长度上是可变的。

Description

用于进行放热平衡反应的反应器
技术领域
本发明涉及一种用于进行放热平衡反应的反应器，其中气态进料混合物至少部分地在固体催化剂上转化成产物混合物。一个应用实例是通过经固体催化剂非均相催化转化包含氢气和碳氧化物的合成气来实现甲醇合成。
背景技术
用于进行放热平衡反应的反应器在本领域已经长期已知。具有特别工业重要性的这种类型的反应是通过非均相催化转化合成气(即氢和碳氧化物的混合物)的甲醇合成。Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Chemistry[乌尔曼工业化学百科全书]，第6版，1998年电子发行，“甲醇”章节，第5.2分章“合成”描述了通过催化转化包含氢和碳氧化物的合成气制备甲醇的各种基本方法，其中使用了此类反应器。
例如从欧洲专利说明书EP 0 790 226 B1已知用于制备甲醇的现代的两阶段方法。甲醇在循环方法中制备，其中将新鲜和部分反应的合成气的混合物首先进料到水冷反应器中并且然后进入气冷反应器中，其中合成气在每种情况下经铜基催化剂转化为甲醇。将在该方法中制备的甲醇从待再循环的合成气中分离出来，然后将该待再循环的合成气作为冷却剂以逆流方式引导通过气冷反应器，并在将其引入到第一合成反应器中之前预热至220℃至280℃的温度。将待再循环的合成气的一部分作为吹扫流从该方法中移除以防止惰性组分积聚在合成回路内。该措施也在德国公开说明书DE 2934332 A1和欧洲专利申请EP1016643 A1中传授。
合成气(CO、CO2、H2)的主要转化典型地在水冷反应器阶段中实现，并且大部分反应热被移除，然而不过相当大比例的合成气在较温和条件下在气冷阶段中转化。
在一些设备配置中，在这两个反应阶段之间额外提供中间冷凝阶段，以便降低至第二反应阶段的进料气体中形成的反应产物(主要为甲醇和水)的比例，并因此进一步增加可实现的反应物转化率。例如在德国专利说明书DE 10 2008 049 622 B4中传授了这种类别的设备配置。
水冷反应器(WCR)典型地是具有相应管板的管式反应器，其中催化剂被引入管中，而冷却通过围绕管的壳程上的沸水或蒸汽产生进行。在气冷反应器(GCR)中，用进料气体进行冷却，将该进料气体引导通过管并在其至第一反应阶段(WCR)的途中加热，同时将催化剂引入管周围，并且反应在GCR的壳程上发生。就它们的标称宽度而言，反应阶段连接到大管道或非常大的管道；根据设备容量，最高达1m的管直径是可能的。这特别是因为再循环到第二阶段(再循环气体)并与新鲜气体(即来自气体生产的新鲜合成气)混合的大量气体。所得的再循环气体和新鲜气体的气体混合物在GCR中预热之后被进料到第一反应阶段(WCR)。再循环气体的体积典型地远大于新鲜气体的量，并且取决于在反应器区段中实现的转化率。再循环气体体积(R)与新鲜气体体积(F)的再循环比RR(RR＝R/F)通常超过2并且在一些情况下甚至超过3.5。合成气通过反应器区段的单程转化率越低，达到足够产率所需的再循环比RR越高。
这相应地增加了循环气体体积，从而增加了反应器上的应力并且需要连接管道的更大的标称管道宽度，并且还导致对压缩能量的更高需求(更高的流量和压降)。
发明内容
因此，本发明解决的问题是指定一种反应器，该反应器不具有从现有技术中已知的反应器的所述缺点，并且特别是基于反应器单程的放热反应的目标产物以及重新调整并因此优化沿着反应器的纵坐标的反应条件的选择产生高转化率，这例如在甲醇合成的情况下导致再循环比降低至更小值，如在使用从现有技术中已知的反应器的情况下已知的。
该问题通过具有如权利要求1所述的特征的反应器得以解决。本发明的进一步配置将从从属权利要求中是明显的。
本发明的反应器：
一种用于进行放热平衡反应的反应器，其中气态进料混合物至少部分地在固体催化剂上转化成产物混合物，该产物混合物包含在反应器压力下和在低于反应器温度的温度下可冷凝的至少一种液体反应产物，该反应器包括至少两个串联连接的反应池，这些反应池处于彼此流体连接并且被安排在共同的反应器壳体中，其中每个反应池包括以下处于彼此流体连接的串联连接的组件：
(a)预热区，其适合于加热该进料混合物或来自上游反应池的气态产物流，其中该预热区可任选地在该气态进料混合物的流动方向上在该第一反应池中省去，
(b)至少一个反应区，其包括关于有待进行的该放热平衡反应是活性的催化剂和与该催化剂处于热交换关系的冷却设备，
(c)至少一个冷却区，其包括适合于将已载有可冷凝反应产物并从该反应区离开的部分转化的气态产物流冷却至低于该气体的露点的温度的冷却设备，
(d)沉积区，其包括用于将从该冷却区离开的产物流分离成已经没有冷凝物的气态产物流和包含液体反应产物的冷凝物流的相分离设备，
(e)排出该包含液体反应产物的冷凝物流的装置和任选地将该冷凝物流进料到该反应产物的处理设备的装置，
(f)排出已经没有冷凝物的该气态产物流的装置和将该气态产物流进料到安排在下游的后续反应池的装置和/或从该反应器中排出该气态产物流的装置。
本发明的反应器的两个区域之间的流体连接应理解为意指能够使流体例如原料气体流或合成气产物流从这两个区域中的一个流动到另一个的任何种类的连接，而不管任何中间连接的区域或部件。
热交换关系意指在根据本发明的反应器的两个区域之间热交换或热传递的可能性，其中所有的热交换或热传递机制，例如热传导、热辐射或对流传热，可能显现出来。间接热交换关系尤其应理解为意指通过壁(称为热通道)的热交换或热传递方式，其包括从流体1到壁表面的热传递阶段、通过壁的热传导阶段以及从壁表面到流体2的热传递阶段。
引入装置、排出装置等应理解为意指能够使所讨论的流体离开所讨论的空间区域(例如容器)的所有设备、设备组成部分、组件和部件。这尤其应理解为意指管道、泵、压缩机、其他输送装置以及容器壁中的相应通道孔。
催化活性，尤其与两种不同催化剂的比较的不同催化活性有关，应理解为意指从反应物到产物的每单位长度的催化剂床实现的转化程度。活性受催化剂材料的化学组成、掺杂、中毒、可用表面积等的影响，但也受催化剂颗粒的几何形状和催化剂床的结构参数(例如其孔隙率或填充密度)的影响。由于所讨论的反应的放热性，高催化活性与每单位长度的催化剂床的高热释放相关。
权利要求1.(a)中提及的可以省去在气态进料混合物的流动方向上的第一反应池中的预热区的选择尤其当存在安排在根据本发明的反应器的外部并连接到其上游的加热设备时实施，这确保了在进入第一反应区之前设定反应温度。
本发明基于以下发现：最佳温度状况和从反应区反复移除产物可显著提高沿反应路径的生产率或时空产率。沿反应路径的温度分布曲线通过使用多阶段反应体系得到显著改善，该反应体系实现了明显更高的单程转化率。
与现有技术相比，当使用根据本发明的反应器时，甲醇合成中的副产物形成也减少。
原则上还可以借助于催化剂层管理实现反应器中改进的温度分布曲线。在这种情况下，较低活性的催化剂将用于预期最高转化率(放热性)和因此最高温度的区域中，并且较高活性的催化剂将用于预期较低转化率的区域中。然而，此种催化剂层管理是相对不灵活的，因为必须基于特定的催化剂活性和相应的气体组成来选择和固定各个催化剂层。然而，催化剂活性由于其在合成设备中在其运行时间内逐渐失活的结果而变化。
层管理和反应床的相应冷却必须相互匹配。在催化剂运行时间和相关的催化剂失活期间，条件改变、以及调节反应温度和相应的冷却/冷却温度是希望的，以便至少部分地补偿失活并确保高转化率与低副产物形成。在从现有技术中已知的反应器的情况下，可以仅对整个反应器进行冷却的调整；但并非所有的催化剂层典型地在工作时间内都失活到相同的程度。因此建立特定的反应条件始终是折中。
通过根据本发明的方法，相比之下，不同反应池中的反应条件也可以根据催化剂活性、气体组成在每个阶段的运行时间内单独适配。以这种方式，在各个反应池中实现了高转化率和低副产物形成。
在优化的温度状况下，催化剂床中的最高温度(和温度峰值，称为热点)也降低。除了从反应体系中排出副产物，例如甲醇合成中的水，这对催化剂运行时间具有积极影响。已知催化剂床中的高温和反应气体中的高水浓度二者导致更加快速的催化剂失活。
利用所提出的概念，实现了提高的时空产率；因此也能够显著减少再循环气体体积(气体循环)。原则上，可以因此减小反应器的尺寸并且也可以降低压降。再循环气体体积减少的另一个结果是合成气回路中累积的惰性气体(例如来自合成气生产的未转化的甲烷)的量和浓度显著降低，并且因此整个甲醇合成循环(包括反应器阶段、循环压缩机和另外的设备)的负担减少。最佳条件可以被认为是反应器单程的完全转化，其中将能够完全省去合成气回路，并且因此不再发生惰性气体的累积。此种方法对于具有高惰性气体组分的其他进料气体组合物(例如在使用空气的合成气生产中高比例的氮气)也是特别有意义的，因为待在合成气回路中循环的惰性气体的体积增加。
通过在单独的反应池中受控沉积液体产物和温度控制，避免了催化剂床中的冷凝并且节约了催化剂。
具有不同比例的甲醇分离出来的冷凝物可以在不同条件下纯化，或者直接用作下游过程的进料，这导致蒸馏的能源节省。
为了保持设备复杂性和资本成本低，根据本发明，在一个反应器中实施多个反应阶段或反应池以及还有多个中间冷凝以及冷却和加热阶段。尽可能避免连接管道，以降低管道的资本成本和压降，并降低由热机械应力造成的管道上的应力。将方法介质尽可能在设备内从方法阶段引导到方法阶段。
本发明的优选配置
在根据本发明的反应器的优选配置中，冷却区包含在组件(c)中的以下各项：
(c1)第一冷却区，其包括适合于将已载有可冷凝反应产物并从该反应区离开的部分转化的气态产物流冷却至低于该反应区中的温度的温度的冷却设备，
(c2)第二冷却区，其包括适合于将已载有可冷凝反应产物并从该第一冷却区离开的部分转化的、预冷却的气态产物流进一步冷却至低于该气体的露点的温度的冷却设备。
借助于具有第一和第二冷却区的组件(c)的配置，关于进行已载有可冷凝反应产物并且从反应区离开的部分转化的气态产物流的冷却有更多的自由度。例如，在第一冷却区中，可以进行初步冷却，但不低于气体的露点。然后在第二冷却区中将温度降低到低于露点以冷凝。可替代地，已经有可能在第一冷却区中进行显著冷却，其中温度低于露点。在那种情况下，第二冷却区用于进一步冷凝仍保持处于气相但可冷凝的成分。最后，可以在第一和第二冷却区中在不同的温度水平下使用不同的冷却介质或相同的冷却介质。这实现了关于根据本发明的反应器或用其进行的方法的改进的热整合。
所使用的热载体(加热介质)或冷却介质优选是接近其沸点并因此容易蒸发(冷却介质)或冷凝(热载体)的介质。这凭借就蒸发或冷凝介质而言的良好热传递确保了良好的热量去除，并且允许通过压力进行精确的温度调节。为了在各个阶段建立不同的温度条件，对于每个阶段单独调节就热载体或冷却介质而言的压力。随着催化剂运行时间的增加，通过适当设定冷却介质侧的压力来调节条件，并且因此重新调整反应温度以保持相应高的转化率。
关于所希望的反应条件，水或蒸汽可用作甲醇合成中的热载体。然而，发现，当使用水时，必须为所希望的温度范围建立相对较大的压差，以便覆盖宽的温度范围(例如250℃：约40巴，264℃：约50巴)。相比之下，如果在用于蒸汽产生的回路中使用蒸发热载体油(例如道氏热载体A)，则可以在非常紧的压力范围内工作并且然而覆盖宽的温度范围(例如：255℃：0.97巴，305℃：2.60巴，对应于50℃的温度范围，其中压差仅1.6巴。以这种方式，可以在相应的设备水平(约20至25m)下使用简单的热载体油/蒸汽锅筒工作，并单独使用最短线的进料高度以建立单独的压力或温度范围。
在冷却区和/或冷凝区中可以使用冷却水或蒸发热载体，而在加热区中可以使用冷凝或液体热载体。
在根据本发明的反应器的另一优选配置中，该壳体相对于由重力赋予的垂线水平或竖直地安排，其中在两种情况下该气态进料混合物或来自该上游反应池的气态产物流通过这些反应池的流动都是竖直的。这实现了关于催化剂在反应池中的安排的优点，因为气态进料混合物或来自上游反应池的气态产物流通过所述催化剂的流动是竖直的并且因此其可以是呈简单床的形式并且仅必须通过支承网格或类似装置保持在其下端。
在根据本发明的反应器的替代配置中，该壳体相对于由重力赋予的垂线水平或竖直地安排，其中在两种情况下该气态进料混合物或来自该上游反应池的气态产物流通过这些反应池的流动都是水平的。在这种情况下，催化剂在反应池中的固定更加复杂，但是产生关于催化剂交换的优点，该催化剂交换然后可以通过在反应器壳体中为此目的提供的检查孔在水平方向上进行，例如通过抽吸。
在壳体的竖直安排的情况下，当气态进料混合物或来自上游反应池的气态产物流通过反应池的流动是水平的并且是在径向方向上时是进一步优选的。除了上述关于催化剂交换的优点之外，还产生了另外的优点：在这种安排的情况下，在相等或降低的压降下通过催化剂床的较长路径成为可能。
当预热区(a)和第一冷却区(c1)在空间上或功能上重合并且处于彼此热交换关系时是特别优选的。在这种情况下，在第一冷却区中加热或部分蒸发的冷却介质可以同时用作预热区中的热载体，这实现了关于根据本发明的反应器或用其进行的方法的改进的热整合。
在根据本发明的反应器的另一方面，反应区(b)配备有热板，其中这些热板由两个各自彼此结合的片材组成，其中该复合物在其内侧具有紧密密封与外部隔离的空腔并且流体冷却介质或热载体流过该空腔，其中该催化剂在该反应区中以片形式或微粒形式作为安排在两个相邻热板之间的固体材料床存在，在每种情况下其方式为使得来自该气体进料混合物或该上游反应池的气态产物流可竖直或水平地流过其中，并且其中该催化剂和该冷却介质处于间接热交换关系。热板是值得注意的，因为它们需要少量的空间，同时具有良好的热交换特性。另一个优点是它们可以同时用作催化剂床的保持或分开装置。
在替代配置中，预热区、反应区或冷却区或这些组件中的多于一个组件作为层状热交换器执行。这些优点基本上对应于使用热板的上述讨论的配置的优点。
所使用的该冷却介质优选是来自蒸汽发生器的热冷凝物，其中该冷却介质吸收该反应区(b)中释放的反应热的至少一部分并且部分蒸发，并且其中所获得的冷凝物/饱和蒸汽混合物或饱和蒸汽至少部分地再循环到该蒸汽发生器和/或作为热载体被引导到同一反应池的预热区(a)。该介质可以特别有效地吸收在反应区中进行的放热反应中释放的反应热，因为从液体到蒸气的相变与焓的特别大的变化相关。当所形成的饱和蒸汽作为热载体被引导到同一反应池的预热区时，另外的优点与此相关。在此蒸发焓通过冷凝到待加热的介质而特别有效地释放。
进一步优选地，包括以下装置，这些装置允许将从一个或多个反应池移除的冷凝物/饱和蒸汽混合物或蒸汽组分至少部分地仅再循环至该蒸汽发生器并且将从该蒸汽发生器抽取出的饱和蒸汽作为输出蒸汽至少部分地释放给外部消耗者。
在根据本发明的反应器的具体配置中，该反应器包括以下装置，这些装置允许在该预热区(a)中，通过与来自蒸汽发生器的热冷凝物的间接热交换加热该进料混合物或来自该上游反应池的气态产物流，以获得冷却的热冷凝物流。所提及的类型的装置可以是管道，诸如阀等闭环控制单元，以及适用于此目的的其他装置。
在根据本发明的反应器的另外的具体配置中，该反应器包括以下装置，这些装置允许从该第一冷却区(c1)供应从该预热区(a)移除的冷却的热冷凝物流作为安排在上游的前一反应池中的冷却介质，随后将其再循环到该蒸汽发生器。以这种方式，根据本发明的反应器内的热整合得到改善，并且进入和离开蒸汽发生器的输入和输出流被减少。
优选地，在根据本发明的反应器中，这些冷却区和/或预热区中的至少一些被配置为具有热板的板式热交换器。热板是值得注意的，因为它们需要少量的空间，同时具有良好的热交换特性。当反应区也配备有热板时，会产生关于更一致的反应器构造和替换零件的库存持有的物流优势的另外的优点。
在根据本发明的反应器的另一方面，该反应器包括以下装置，这些装置允许将尚未部分转化的新鲜进料混合物供应到安排在该第一反应池下游的随后反应池中的一个或多个中。可替代地或另外地，也可以在甲醇合成的情况下供应单独的反应物，例如CO、CO2或H2，以便对反应的动力学或平衡位置具有有利影响。所提及的类型的装置可以是管道，诸如阀等闭环控制单元，以及适用于此目的的其他装置。在此有利的是，利用尚未预转化的新鲜供应的进料混合物子流的较高的化学反应势能，并且因此平衡反应向目标产物的方向移动。
在根据本发明的反应器的另外的具体配置中，在至少一个反应池中，该反应区(b)配备有关于该放热平衡反应具有不同活性的至少两种催化剂。安排在上游的第一催化剂层的催化活性可以例如高于安排在下游的第二催化剂层的催化活性，活性应理解为意指每单位长度的催化剂床催化剂的转化程度。
提供具有较高催化活性的第一上游催化剂材料层在催化剂床开始时实现合成气的高转化率并释放相应大量的热量。这实现了对反应最佳的大约250℃的温度。具有较低催化活性的另外的催化剂层防止或减少可能迅速恶化催化剂活性的显著热点的形成。随着工作时间的增加，发展中的热点首先是尖锐的且高的，变得越来越宽且平坦，并且此外向下游迁移。
有利地，将第一上游催化剂层的层厚度选择为远小于下游层的层厚度。在这种情况下，上游高活性催化剂层用于将催化剂床加热至最佳温度。在催化剂床的进一步下方，即在具有较低活性的第二下游催化剂层的区域中，释放较少的热量并防止催化剂失活。选择第一催化剂层的层厚度，使得在该薄层内不会获得能够发展显著热点的温度。
进一步可能的配置由在不同反应区和/或不同催化剂层中使用不同形式的催化剂产生。这提高了每催化剂粒料的效率，并且其结果是额外地增加了转化率。
本发明还涉及根据上述配置之一的反应器用于通过包含氢气和碳氧化物、尤其是二氧化碳的合成气进料的转化来制备甲醇的用途。在此特别有利的是，通过技术上简单的措施，甲醇反应产物可以在单独的反应池中冷凝出来。
工作实例
本发明的发展、优点和可能的用途也将从下面的工作实例和附图的描述中是明显的。本发明由附图中所描述和/或示出的所有特征单独地或以任何组合形成，而不管它们在权利要求或其依赖性参考中的集合。
附图示出：
图1本发明的第一实施例中的反应器中的反应池，
图2本发明的第二实施例中的反应器中的反应池，
图3本发明的第三实施例中的反应器中的反应池，
图4本发明的第四实施例中的反应器中的反应池，
图5根据本发明的反应器中的两个连续反应池的连接的第一实例，
图6根据本发明的反应器中的两个连续反应池的连接的第二实例，
图7根据本发明的具有蒸汽发生器的反应器中的反应池的连接的工作实例。
图1是本发明的第一实施例中的反应器1中的反应池3的示意图。反应池n在反应器壳体2内，该反应器壳体的内壁形成反应器的向外物理边界并且承受选择用于进行放热平衡反应的压力。
经由导管10，预热区20在反应池n中供应有来自安排在上游的前一反应池n-1的气态预反应产物流。如果反应池n在流动方向上是第一反应池，则将进料混合物经由导管10进料。
在预热区20中，将气态产物流或进料混合物加热至反应温度。这是通过与经由导管22进料到热交换器24中的加热流体的间接热交换进行的，在该热交换器中将其热含量传递到气态产物流或进料混合物。冷却的加热流体经由导管26从热交换器中移除并且在图中未示出的加热设备中被加热，以便将其进料回至热交换器24。
将加热的进料混合物或加热的气态产物流经由导管28进料到反应区30，该反应区含有关于有待进行的放热平衡反应是活性的催化剂床31和与催化剂处于热交换关系的冷却设备34。由放热反应释放的反应热通过与冷却流体(任选地呈部分蒸发的形式)的间接热交换被移除，该冷却流体经由导管32被进料到热交换器34，并且在吸收在催化剂床中释放的反应热之后经由导管36被移除。加热的冷却流体再次在图中未示出的冷却设备中被冷却，以便将其进料回至热交换器34。
在反应区中，在选择的反应条件下，进料混合物或来自反应池n-1的气态产物流在催化剂床中部分转化为载有可冷凝反应产物的气态产物流，该气态产物流经由导管38从反应区中移除并且被进料到第一冷却区40。
在第一冷却区40中，载有可冷凝反应产物的气态产物流进行初步冷却，其中可能已经获得第一比例的冷凝物，该冷凝物可以经由图中未示出的沉积设备和导管从反应器1中排出。可替代地，初步冷却也可以在第一冷却区中进行，其方式为使得温度还没有低于气体流的露点。初步冷却通过与冷却流体的间接热交换进行，该冷却液体经由导管42被进料到热交换器44并且在吸收热量之后经由导管46被移除。加热的冷却流体再次在图中未示出的冷却设备中被冷却，以便将其进料回至热交换器44。
已经预冷却但仍载有至少一部分的可冷凝反应产物的气态产物流经由导管48从第一冷却区中排出并进料到第二冷却区50。在第二冷却区50中，载有可冷凝反应产物的气态产物流进一步冷却，低于其露点。这提供了液体冷凝物，该液体冷凝物借助于整合到第二冷却区中的沉积设备51与气体流分离，并借助于导管53从反应器中排出并进料到图中未示出的产物处理系统。冷却通过与冷却流体的间接热交换进行，该冷却液体经由导管52被进料到热交换器54并且在吸收热量之后经由导管56被移除。加热的冷却流体再次在图中未示出的冷却设备中被冷却，以便将其进料回至热交换器54。
已经冷却并且没有冷凝物的气态产物流经由导管60从第二冷却区50中排出并因此也从反应池n中排出。然后将其进料到下游反应池n+1，以使气态反应物能够进一步转化为目标产物。如果气态反应物的进一步转化不是希望的或可能的，则剩余的尾气经由导管60从反应器中排出并被送至进一步处理或处置。可替代地，尾气流可以在再循环并与新鲜进料混合物混合后再次施用于反应器。
在图2至图7中以示意形式示出的本发明反应器的配置中，相同的参考号原则上对应于如图1在阐述本发明的第一配置中已经描述的设备组成部分。除非在下文中有不同的描述，否则相应的操作步骤和工艺条件也是相同的。
与第一配置相对比，在图2中，将通过吸收反应区30中的反应热被加热的冷却流体经由导管36引导到预热区20的热交换器24，在那里其被用作加热流体用于加热进料混合物或来自上游反应池的气态产物流。以这种方式，反应器内的热整合得到改善。当(部分)蒸发的冷却介质在反应区30中使用并且在预热区20中再次至少部分地冷凝(在该预热区中其被用作加热介质)时，这种选择是特别有意义的。在下方具有反应区的预热区(在顶部)的竖直安排的情况下，这可以以简单的方式用包含没有催化剂的上部预热区和包含催化剂的下部反应区的单一安排来实现，所述区在热交换器侧上直接连接。从反应区形成的蒸汽上升并且至少部分用作预热区中的加热介质；冷凝的蒸汽以液体形式流回反应区。通过与导管10中供应的气体流的热交换冷却的加热流体可以随后，任选地在图中未示出的冷却设备中进一步冷却之后，作为冷却流体经由导管32再循环到反应区30的热交换器34。
与第一配置相对比，在图3中，经由导管38从反应区30中排出的产物流作为加热流体被引导到预热区20的热交换器24，在那里它用来加热进料混合物或经由导管10从上游反应池引入的气态产物流。预热区20和第一冷却区40因此重合。同样以这种方式，反应器内的热整合得到改善。通过热交换冷却的产物流然后经由导管26被引导到第二冷却区50。
与根据图3的上述阐明的配置相对比，图4中的反应区含有关于放热平衡反应具有不同活性的两个催化剂床31、33，进料混合物或来自上游反应池的气态产物流相继流动通过这些催化剂床。在所示的配置中，只有下游催化剂床31借助于冷却设备34冷却。一种可能的配置设想了催化剂床33含有与催化剂床31相比具有更高活性的催化剂。以这种方式，可首先启动催化转化，并且释放的热量有助于将反应混合物加热至进入催化剂床31的选定的入口温度，这意味着预热区20中的热交换器24在尺寸上可以减小。对于这种作为点火催化剂的功能，经验表明，关于主催化剂床31小或短的催化剂床是足够的。主催化剂床31中的反应然后更均匀地进行，因为反应物浓度的峰值已经在催化剂床33中降低，并且此外，催化剂床31被冷却。这避免了热点的形成。
可替代地，在催化剂床33中可以使用与催化剂床31相比具有更低活性的催化剂。当在反应区中发生的气体混合物的反应势能高时，这是特别可取的。在图4所示的配置中就是这种情况，因为经由导管35，反应区30在反应池n中供应有新鲜的，即尚未预反应的进料混合物或单独的反应物。以这种方式，反应以较慢且更受控的方式启动，并且大部分的反应热在冷却的催化剂床31中释放。
新鲜的、尚未预反应的进料混合物或单独的反应物向n＞1的反应池中的进料结合这里已经讨论的根据本发明的反应器的其他配置也可以是可行的。另外，可能有利的是将新鲜的、尚未预反应的进料混合物进料到n＞1的多于一个反应池中。
在图5中以示意形式示出的根据本发明的反应器的配置示出了两个连续的反应池n和n+1的一种可能的连接。反应池n+1的相应设备组成部分在相应的参考号后用撇号′标识出。在这种情况下，来自反应池n+1的预热区20′的冷却的加热流体经由导管26′被进料到反应池n的第一冷却区40中的热交换器44，在那里它用于预冷却经由导管38从反应区30中移除的气体流。相应地，来自反应池n的预热区20的冷却的加热流体经由导管26被进料到反应池n-1的第一冷却区中的相应的热交换器。以这种方式，实现了反应器内甚至进一步的热整合，其现在延伸到多个反应池上。在热交换器44中被加热的加热流体经由导管46被进料到热交换器24，在那里它用于预热经由导管10进入反应池n的混合物。
与根据图5的上述讨论的配置相对比，在图6的工作实例中，另外，从对应的第一冷却区40、40′等中移除的加热的冷却剂被进料到对应的上游反应区30、30′等的热交换器中作为冷却剂。随后在反应区中进一步加热的该冷却剂作为加热流体被进料到对应的上游预热区的热交换器中。该配置可能尤其适合于进行适度放热反应。在这种配置的情况下仍然是有利的是使用具有高热吸收和热释放能力的冷却流体/加热流体；用于此目的的合适的流体尤其是当用作冷却流体或加热流体时具有液体-蒸气相变或反之亦然的那些流体。最后，可能可取的是借助于图中未示出的另外的冷却设备来冷却反应区，以便具有更强的冷却效果和关于反应区中的温度状况的更多自由度。
在所讨论的根据本发明的反应器的最后两种配置中，可能另外可取的是首先将加热的冷却流体或冷却的加热流体进料到安排在反应器外部的一个或多个冷却或加热设备中，以恢复对应流体的全部热吸收或热释放能力。这些外部冷却或加热设备可以例如安排在导管26、26′等(加热)，46、46′等(冷却)或36、36′等(冷却)的流动路径内。
在图7所示的配置中以示意形式示出了与外部冷却或加热设备的连接，其中蒸汽发生器70被安排在反应器外部。将热冷凝物从其中抽取出并作为冷却剂经由导管32进料到反应区30的热交换器34，在那里其部分蒸发。所得到的呈液体/蒸气形式的两相混合物经由导管36再循环至蒸汽发生器。
来自蒸汽发生器70的热冷凝物也可以用作第一冷却区40中的冷却剂；这通过虚线导管47以示意形式示出。
还从蒸汽发生器70中抽取出的是饱和蒸汽，其经由导管22被进料到预热区20的热交换器24。至经由导管10引入的流的热量释放至少导致部分冷凝。所得到的流可以经由导管26直接再循环到蒸汽发生器或者可以借助于其他设备(图中未示出)被收集，并且然后至少部分地再循环回至蒸汽发生器，以便在那里再次蒸发。
在图7的工作实例中，此外，饱和蒸汽可以经由导管78从蒸汽发生器70中移除，并作为输出蒸汽释放给外部消耗者。
所使用的热载体或冷却介质优选是接近其沸点并因此容易蒸发(冷却介质)或冷凝(热载体、加热介质)的介质。这凭借就蒸发或冷凝介质而言的良好热传递确保了良好的热量去除，并且允许通过压力精确调节温度。为了在各个阶段建立不同的温度条件，就热载体或冷却介质而言对于每个阶段单独地调节压力。随着催化剂运行时间的增加，通过适当设定冷却介质侧的压力来调节条件，并且因此重新调整反应温度以保持相应高的转化率。
关于所希望的反应条件，例如可以在甲醇合成中使用蒸汽作为热载体。然而，发现，当使用水时，必须为所希望的温度范围建立相对较大的压差，以便覆盖宽的温度范围(例如250℃：约40巴，264℃：约50巴)。相比之下，如果在用于蒸汽产生的回路中使用蒸发热载体油(例如道氏热载体A)，则可以在非常窄的压力范围内工作并且然而覆盖大的温度范围(例如：255℃：0.97巴，305℃：2.60巴，对应于50℃的温度范围，其中压差仅1.6巴。以这种方式，可以在适当的设备水平(约20至25m)下使用简单的热载体油/蒸汽锅筒工作，并单独使用高度差异以建立单独的压力或温度范围。
在冷却区和/或冷凝区中可以使用冷却水或蒸发热载体，而在加热区中可以使用冷凝或液体热载体。
在根据本发明的反应器的许多配置中，例如在上面讨论的所有配置中，可以有利的是借助于至少一个热板形成每个热传输空间。热传输空间应理解为意指反应器中存在含有反应物或反应产物的气流与加热或冷却流体之间的热交换的区域，即预热区、反应区和冷却区。
本发明上下文中的热板由两个片材组成，这两个片材在边缘处结合，优选焊接在一起，并且具有分布在其表面上的同样将板彼此连接的多个附加的结合，优选点焊。这种种类的板可以通过机器人或机器以自动方式制造，并且因此处于非常有利的成本。在焊接之后，通过液压成形(通常在高压下注入液体)使片材膨胀，这在片材之间产生垫形通道，加热或冷却流体可以通过该通道。借助于热传输空间，因此，热能可以通过加热或冷却流体的通过被供应到反应器的特定区域或从反应器的特定区域被移除。
当使用热板时，反应区可以被配置为使得两个热板首先在反应器中安排为基本上平行。本发明上下文中的“基本上平行”意指热板的相对排列与平行相差最大+/-20°、优选最大+/-10°、更优选最大+/-5°、最优选最大+/-2°。因此，热板之间的净空间可以填充有固体、粒状、微粒状或球状催化剂的床，在这种情况下，所得到的催化剂床的侧向闭合由网眼、网格、多孔板、格栅、惰性材料床和/或内部反应器壁形成。
更优选地，该安排被至少一个、优选多于一个平行安排的间隔开的另外的热板邻接，总体上导致板组件，其中热板之间的净空间填充有催化剂床。以这种方式，在反应区中获得具有在反应区长度上延伸的强冷却设备的紧凑的夹层状结构。在此单独的催化剂床平行地装载有反应气体混合物。基于填充有催化剂的净空间，板组件可以平行排列或与反应器的纵向轴线成直角排列。
根据待进行的反应的放热性选择热板之间的距离：对于高度放热的反应，选择的距离小于对于更弱的放热反应的距离。在这种情况下，优选在第一反应区中较小的板距离，因为在此实现了最大的转化率，并且必须实施最大的热量去除。在甲醇合成的情况下，第一反应区中的热板距离优选为20至45mm。该距离基于从中心线到中心线的距离，意味着根据热板厚度和空腔的膨胀，板之间的净距离相应地较小。此外，该距离与催化剂颗粒的尺寸相匹配，以确保在填充和排空催化剂而没有桥形成的情况下最佳的热量去除和良好的松散材料特性。在第二和后续的反应区中，选择的距离典型地较大。
尤其是水平安排反应器与同时在反应区中竖直安排催化剂床的情况下，为了催化剂交换的目的，存在从反应器中简单移除催化剂的可能性。在这种情况下，为了排空，应该在反应器壳体中提供适当的检查孔，这些检查孔例如借助于翼片或滑动机构来致动。滑动机构可以以非常节省空间的方式执行；在此有利的是当相邻反应区的支承格栅可以借助于适当的导轨而一个在另一个之上移动时，使得相邻的区域可以连续排空。
在具体配置中，可以在冷却板组件的下游和上游都提供绝热的(即未冷却的)反应器床。这可能是有意义的，特别是当仅剩余转化率仍待实现，并且由于小的热量放出反应的冷却不再是必需的时，或在进入反应阶段(其中有利的是在反应物进入反应区的冷却区域之前实现温度的快速增加)时。
同样在预热区和冷却区的配置的情况下，热板可以有利地以板式热交换器的方式使用。在此在壳管式热交换器的情况下根据需要可以省去管端板的使用。此外，由于反应器的不同部件的数量以及因此设备的复杂性减少，获得了物流和制造优势。
根据本发明的反应器的另外可能的配置通过借助于替代热板的使用或除了热板的使用之外的层状热交换器(板翅式热交换器)的热量传输空间的配置成为可能。
数值实例
根据本发明的反应器与从现有技术中已知的反应器的比较
在下面的表格中，将根据本发明的反应器的特征数据与从现有技术中已知的用于从合成气非均相催化合成甲醇的反应器进行比较。
在第一比较情况中，将具有三个反应池的根据本发明的反应器与包括并联连接的两个水冷反应器WCR、接着是下游气冷反应器GCR的三阶段工业反应器进行比较。该工业设备在WCR与GCR之间没有任何中间冷凝。在两种情况下，进料气体就其组成和流量而言是相同的；其是具有以下组成的合成气：按体积计8.4％的CO2、按体积计20.1％的CO、按体积计68％的H2，其余为惰性组分。在每种情况下进入反应器的入口压力为75巴表压。在表1中，这两个反应器的基本比较数据是相关的。在表中，X单程(k)意指通过反应器的组分k的单程转化率，以及X总(k)意指其在包括气体循环的反应器内的总转化率。STY是基于一升催化剂体积的甲醇的时空产率，以kg/h计。
表1：具有三个反应池的根据本发明的反应器与根据现有技术的三阶段甲醇合成反应器(两个平行的WCR+GCR)的特征数据的比较。
Figure BDA0001655902080000171
从表1中整理的数据明显的，在两种情况下，整个反应器的碳氧化物的转化率是可比较的；然而，对于根据本发明的反应器，反应器单程的转化率高得多。对于后者，此外，催化剂床的最高温度、副产物的浓度和所要求的再循环比更低。
下表2比较了用于甲醇合成的一阶段水冷反应器与根据本发明的包含四个反应池的反应器，根据本发明的反应器在无再循环的情况下运行。在两种情况下，进料气体关于组成和流量是相同的；其是具有以下组成的合成气：按体积计7％的CO2、按体积计16％的CO、按体积计73％的H2，其余为惰性组分。进入每个反应器的入口压力为75巴表压。
表2：在无再循环的情况下具有四个反应池的根据本发明的反应器与一阶段水冷甲醇合成反应器的特征数据的比较
Figure BDA0001655902080000181
具有四个反应池的根据本发明的反应器在无再循环的情况下实现了约15％的甲醇的较高时空产率。更具体地，反应器的单程CO2转化率比对比实例高得多。
根据本发明的反应器中的工艺条件的优化
下表指示了根据本发明的反应器的单独反应池中的具体工艺参数在从合成气非均相催化合成甲醇中的影响。其他工艺条件对应于来自表2中所示的实例的那些(在表3至表5中被称为参考)。
表3：催化剂体积分布的变化
Figure BDA0001655902080000182
表4：催化剂床中的冷却温度T冷却的变化
Figure BDA0001655902080000191
表5：冷凝温度T冷凝的变化
Figure BDA0001655902080000192
工业实用性
本发明提出了一种用于进行放热平衡反应、尤其是用于通过合成气的非均相催化转化来进行甲醇合成的反应器，该反应器使能够沿着反应器的纵坐标重新调整并因此优化反应条件，例如在甲醇合成的情况下该反应器导致再循环比降低至更小值，如在使用从现有技术中已知的反应器的情况下已知的。相应的再循环导管、循环压缩机等因此可以具有更小的配置，或者可以能够完全省去它们。这减少了相应的资本成本。
沿着反应器的纵坐标的反应条件的优化还减少了不需要的副产物的形成，这提供了更纯的目标产物并降低了纯化的复杂性。
附图标记清单
[1]反应器
[2]反应器壳体
[3]反应池
[10]导管
[20]预热区
[22]导管
[24]热交换器
[26]导管
[28]导管
[30]反应区
[31]催化剂床
[32]导管
[33]催化剂床
[34]热交换器
[35]导管
[36]导管
[38]导管
[40]第一冷却区
[42]导管
[44]热交换器
[46]导管
[47]导管
[48]导管
[50]第二冷却和沉积区
[51]沉积设备
[52]导管
[53]导管
[54]热交换器
[56]导管
[60]导管
[70]蒸汽发生器
[78]导管

Claims (15)

1.一种用于进行放热平衡反应的反应器，其中气态进料混合物至少部分地在固体催化剂上转化成产物混合物，该产物混合物包含在反应器压力下和在低于反应器温度的温度下可冷凝的至少一种液体反应产物，该反应器包括至少两个串联连接的反应池，这些反应池处于彼此流体连接并且被安排在共同的反应器壳体中，其中每个反应池包括以下处于彼此流体连接的串联连接的组件：
(a)预热区，其适合于加热该进料混合物或来自上游反应池的气态产物流，其中该预热区可任选地在该气态进料混合物的流动方向上在第一反应池中省去，
(b)至少一个反应区，其包括关于有待进行的该放热平衡反应是活性的催化剂和与该催化剂处于热交换关系的冷却设备，
(c)至少一个冷却区，其包括适合于将已载有可冷凝反应产物并从该反应区离开的部分转化的气态产物流冷却至低于该气态产物流的露点的温度的冷却设备，该冷却区包括在组件(c)中的以下各项：
(c1)第一冷却区，其包括适合于将已载有可冷凝反应产物并从该反应区离开的部分转化的气态产物流冷却至低于该反应区中的温度的冷却设备，
(c2)第二冷却区，其包括适合于将已载有可冷凝反应产物并从该第一冷却区离开的部分转化的、预冷却的气态产物流进一步冷却至低于该气体的露点的温度的冷却设备，
(d)沉积区，其包括用于将从该冷却区离开的产物流分离成已经没有冷凝物的气态产物流和包含液体反应产物的冷凝物流的相分离设备，
(e)排出该包含液体反应产物的冷凝物流的装置和任选地将该冷凝物流进料到该反应产物的处理设备的装置，
(f)排出已经没有冷凝物的该气态产物流的装置和将该气态产物流进料到安排在下游的后续反应池的装置和/或从该反应器中排出该气态产物流的装置。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，该壳体相对于由重力赋予的垂线水平或竖直地安排，其中在两种情况下该气态进料混合物或来自该上游反应池的气态产物流通过这些反应池的流动都是竖直的。
3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，该壳体相对于由重力赋予的垂线水平或竖直地安排，其中在两种情况下该气态进料混合物或来自该上游反应池的气态产物流通过这些反应池的流动都是水平的。
4.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于，该壳体相对于由重力赋予的垂线竖直地安排，其中该气态进料混合物或来自该上游反应池的气态产物流通过这些反应池的流动是水平的并且是在径向方向上。
5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，该预热区(a)和该第一冷却区(c1)在空间上或功能上重合并且处于彼此热交换关系。
6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，该反应区(b)已经配备有热板，其中这些热板由两个各自彼此结合的片材组成，其中该两个各自彼此结合的片材在其内侧具有紧密密封与外部隔离的空腔并且流体冷却介质流过该空腔，其中该催化剂在该反应区中以片形式或微粒形式作为安排在两个相邻热板之间的固体材料床存在，在每种情况下其方式为使得该气体进料混合物或来自该上游反应池的气态产物流可竖直或水平地流过其中，并且其中该催化剂和该冷却介质处于间接热交换关系。
7.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，该预热区、该反应区或这些冷却区或这些组件中的两者或更多者以层状热交换器的形式执行。
8.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于，所使用的该冷却介质是来自蒸汽发生器的热冷凝物，其中该冷却介质吸收该反应区(b)中释放的反应热的至少一部分并且部分蒸发，并且其中所获得的冷凝物/饱和蒸汽混合物或饱和蒸汽至少部分地再循环到该蒸汽发生器和/或作为热载体被引导到同一反应池的预热区(a)。
9.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于，包括以下装置，这些装置允许将从一个或多个反应池移除的冷凝物/饱和蒸汽混合物或蒸汽组分至少部分地仅再循环至该蒸汽发生器并且将从该蒸汽发生器抽取出的饱和蒸汽作为输出蒸汽至少部分地释放给外部消耗者。
10.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，包括以下装置，这些装置允许在该预热区(a)中，通过与来自蒸汽发生器的热冷凝物的间接热交换加热该进料混合物或来自该上游反应池的气态产物流，以获得冷却的热冷凝物流。
11.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于，包括以下装置，这些装置允许从该第一冷却区(c1)供应从该预热区(a)移除的冷却的热冷凝物流作为安排在上游的前一反应池中的冷却介质，随后将其再循环到该蒸汽发生器。
12.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，这些冷却区和/或预热区中的至少一些被配置为具有热板的板式热交换器。
13.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，包括以下装置，这些装置允许将尚未部分转化的新鲜进料混合物或单独的反应物供应到安排在该第一反应池下游的随后反应池中的一个或多个中。
14.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，在至少一个反应池中，该反应区(b)配备有关于该放热平衡反应具有不同活性的至少两种催化剂。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的反应器用于通过转化含有二氧化碳的合成气进料来制备甲醇的用途。
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