CN110494210B - 等温反应器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于热化学反应的反应器(1)，该反应器(1)包括具有入口(2)和出口(3)的反应器壳体(13)。在反应区(4a，4b，4c)中设置固体催化剂(16)，在该反应区(4a，4b，4c)中进入反应器(1)的反应物的至少一部分经历热化学反应。在热交换区中设置热交换介质，使得在反应区(4a，4b，4c)和热交换介质之间交换热。一个或多个中空插入件(11)至少部分地延伸穿过反应区(4a，4b，4c)。中空插入件(11)被构造成形成用于将反应物的一部分从反应器的入口(2)或从一个反应区转移到不同的反应区的流动路径或者用于将热交换介质的一部分从一个热交换区转移到不同的热交换区的流动路径。

Description

等温反应器
技术领域
本公开涉及催化反应器，更具体地涉及用于热化学反应的催化反应器。更具体地说，本公开涉及用于减少进行热化学反应的反应器的温度变化和改进该反应器的性能的设备和方法。
背景技术
催化反应包括在催化剂的存在下将一种或多种反应物转化为一种或多种所需的产物，例如在Cu/ZnO催化剂的存在下在一氧化碳和氢气之间的反应以生产甲醇。许多催化反应都是热化学反应，即：放热反应，在该放热反应中在反应过程期间释放热；或吸热反应，在该吸热反应中在反应过程期间吸收热。然而，一些催化反应也是高度依赖于温度的，仅在窄的温度范围内有效地操作。
鉴于某些催化反应的温度依赖性和它们的热化学性质，催化反应通常在等温反应器中进行，该等温反应器旨在将包含催化剂的反应区的温度尽可能保持在最佳反应温度附近。等温反应器通常包括多个热交换器，以在反应进行时加热或冷却反应物，从而将温度维持在反应所需的温度范围内。例如，包括延伸穿过反应器的多个管的管式反应器可以用作用于催化反应的等温反应器。
管式反应器的一个实施例是多管式反应器，在该多管式反应器中催化剂容纳在延伸穿过反应器的多个管中。热交换流体流过该反应器，从而随着反应进行而加热(或冷却)反应管。在替代的构造中，管式反应器可以是管冷却式反应器，在该管冷却式反应器中催化剂放置在管之间的空隙中，并且热交换流体流过这些管。
在管冷却式反应器内维持基本等温的条件可能比较困难，特别是对于高度放热或吸热反应来说更是如此。在管冷却式反应器中的催化剂的温度可以从催化剂与管接触的位置到催化剂处于距管最远距离的位置径向地变化，导致潜在的“热点”(或“冷点”)，由此温度可能在用于反应的最佳范围之外。热点(或相反地，冷点)的形成可能导致管冷却式反应器的效率降低，并且潜在地导致在距离管最远的点处发生不期望的副反应。类似地，在多管式反应器中，热点或冷点可沿着管的轴线发展，在该管的轴线处催化剂处于距管壁处发生的热传递效应最远的点处。
管式反应器中催化剂的温度也可轴向变化。通常，由热化学反应释放或吸收的热能朝向反应器入口将比朝向反应器出口释放或吸收的热能高，因为可用于经历反应的反应物的浓度朝向反应器入口较高。
对已经包括在本说明书中的文献、法案、材料、装置、物品等的任何讨论不应被认为是承认这些内容中的任何内容或全部内容因为其存在于本申请的每个权利要求的优先权日之前而形成现有技术基础的一部分或者是与本公开相关的领域中的公知常识。
发明内容
在整个本说明书中，词语“包括”或其变型例如“包括(单数形式)”或“包括(动名词形式)”应理解为表示包含所述的元件、整体或步骤，或元件、整体或步骤的组，但不排除任何元件、整体或步骤，或元件、整体或步骤的组。
根据第一方面，提供了一种用于热化学反应的反应器，该反应器包括：
反应器壳体，该反应器壳体具有用于将反应物接收到反应器中的入口和用于从反应器移除产物的出口；
多个反应区，所述多个反应区包括固体催化剂，在所述多个反应区中，所述反应物的至少一部分经历热化学反应并形成产物和反应物的反应混合物；
多个热交换区，所述多个热交换区包括热交换介质；
多个管，所述多个管用于容纳反应区或热交换介质，其中，通过管的壁在至少一个反应区和热交换介质之间交换热；以及
一个或多个中空插入件，所述一个或多个中空插入件至少部分地延伸穿过一个或多个反应区，从而置换反应区中的固体催化剂并减小横跨反应区的温度变化，其中，每个中空插入件包括入口和出口，中空插入件被构造成：
或者形成用于将反应物或反应混合物的一部分从反应器的入口或从一个反应区转移到不同的反应区的流动路径；或者
形成用于将热交换介质的一部分从一个热交换区转移到不同的热交换区的流动路径。
根据第二方面，提供了一种用于热化学反应的反应器，该反应器包括：
反应器壳体，该反应器壳体具有用于将反应物接收到反应器中的入口和用于从反应器移除产物的出口；
多个热交换管，所述多个热交换管定位在壳体内；
至少一个反应区，所述至少一个反应区包括位于热交换管之间的空隙中的固体催化剂，在该热交换管中反应物的至少一部分经历热化学反应，其中，在至少一个反应区和热交换管之间交换热；以及
至少一个插入件，所述至少一个插入件至少部分地延伸穿过至少一个反应区，从而置换反应区中的固体催化剂并减小横跨至少一个反应区的温度变化。
根据第三方面，提供了一种用于热化学反应的反应器，该反应器包括：
反应器壳体，该反应器壳体具有用于将反应物接收到反应器中的入口和用于从反应器移除产物的出口；
定位在壳体中的多个反应管，每个反应管包括包含固体催化剂的至少一个反应区，在所述至少一个反应区中，反应物的至少一部分经历热化学反应；
热交换介质，该热交换介质位于反应管之间的空隙中，其中，通过反应管的壁在至少一个反应区和热交换介质之间交换热；以及
至少一个插入件，所述至少一个插入件至少部分地延伸穿过至少一个反应区，从而置换反应区中的固体催化剂并减小横跨至少一个反应区的温度变化。
本发明的反应器能够通过将插入件放置在反应区内以调节反应区内的热流，有利地避免反应区内的“热点或冷点”。这样做，可以提高反应器性能并减少所需固体催化剂的量。
在一些实施方式中，插入件是实心的，并且优选地具有比固体催化剂的导热率更大的导热率。插入件优选是惰性结构，该惰性结构用于置换一定体积的催化剂并有助于调节反应器内的温度。
使用插入件来转移部分热交换介质还可有助于调节反应器内的温度分布，并使得能够获得更多的反应器设计选择。
使用插入件来转移一部分反应物或反应混合物流使得能够控制反应器的空速分布。特别是在气态反应中，反应混合物的体积在反应器内可能显著改变，因此，调节反应器内的速度分布的能力提供了改进反应器性能的能力。
管优选是纵向延伸的管，不过根据反应器类型和构造可以使用不同的管构造。在某些实施方式中，反应区位于管内，并且反应器壳体被构造成接收用于与反应管交换热的热交换介质。在替代实施方式中，反应区位于壳体内，并且多个管被构造成接收用于与反应区交换热的热交换介质。
一个或多个插入件优选地包括中央芯部部件和腹板构件。在一些实施方式中，至少一个插入件利用腹板构件连接到一个或多个管。该腹板构件可以包括导热材料，优选地具有比固体催化剂更高的导热率。该(多个)腹板构件可以沿着插入件的长度连续地延伸。另选地，该(多个)腹板构件可以沿着(多个)插入件的长度以离散间隔延伸。
在一个实施方式中，热交换介质流过反应器。热交换介质可以相对于反应物的流动在逆流或横流方向上流动。另选地，热交换介质可以相对于反应物的流动在并流方向上流动。
在某些实施方式中，至少一个所述插入件沿着至少一个反应区的整个长度延伸。在替代实施方式中，至少一个所述插入件部分地延伸穿过至少一个反应区。任选地，可以提供这些实施方式的组合，其中一些插入件可以完全延伸穿过所述反应区或每个反应区，而其它插入件可以部分地延伸穿过所述反应区或每个反应区。
在某些实施方式中，至少一个所述插入件的直径可沿所述插入件的长度是恒定的。另选地，在其它实施方式中，至少一个所述插入件的直径可沿所述插入件的长度变化。例如，至少一个所述插入件的直径可沿插入件的长度连续地变化，或者至少一个所述插入件的直径可沿插入件的长度以离散间隔变化。
反应器还可以包括安装在反应器壳体的内壁上的一个或多个壁插入件。
在某些实施方式中，至少一个插入件是导热的，并且优选具有在293K下在大气压下测量的至少10W.m-1.K-1，更优选至少50W.m-1.K-1，甚至更优选至少100W.m-1.K-1的导热率。
多个反应区可以在反应器中顺序地布置，使得一种或多种反应物可以顺序地穿过反应区。
反应器还可以包括一个或多个无反应区。在一个实施方式中，一个或多个无反应区可以设置在顺序的反应区之间。
所述至少一个插入件可以在布置中在入口和选定的反应区之间限定流动路径，由此经由入口接收的反应物可以绕过一个或多个反应区并且直接流动到选定的反应区。该流动路径可由插入件中的至少一个纵向延伸孔限定。该流动路径还可以由与选定的反应区流体连通的至少一个横向延伸孔和至少一个纵向延伸孔限定。另选地，至少一个插入件可包括插入件部分的组件，当组装好时，这些插入件部分限定具有一个或多个横向延伸通道的纵向延伸通道。
所述一个或多个插入件优选地定位成使得固体催化剂和最近的热交换区之间的最大距离减小。优选地，一个或多个插入件具有大小被设计成足以减小固体催化剂和最近的热交换区之间的最大距离以便减小横跨至少一个反应区的温度变化的直径。例如，一个或多个插入件具有这样的直径，该直径使得固体催化剂和最近的热交换区之间的最大距离减小至少1％，在一些实施方式中减小至少5％，在另一些实施方式中减小至少10％。
优选地，一个或多个插入件通过固体催化剂与热交换区间隔开，使得插入件和/或热交换区之间的催化剂的量保持基本恒定。插入件的密度或数量横跨围绕反应器的纵向轴线的每个横截面象限可以是基本上恒定的。至少一个所述插入件可以与相邻的热交换区基本等距地间隔开。优选地，插入件相对于纵向轴线以对称布置的方式设置。
在某些实施方式中，至少一个所述插入件延伸穿过至少一个反应区。在替代实施方式中，至少一个所述插入件部分地延伸穿过至少一个反应区。可选地，可以提供这些实施方式的组合，其中一些插入件可以延伸穿过所述反应区或每个反应区，而其它插入件可以部分地延伸穿过所述反应区或每个反应区。
在一些实施方式中，至少一个插入件利用腹板构件连接到一个或多个相邻的热交换器。
反应器选自由以下构成的组：固定床反应器；壳体和管式反应器；U形管式反应器；流化床反应器；多阶段反应器；和双床反应器。优选地，反应器是固定床反应器。
根据第四方面，提供了一种设计反应器的方法，该方法包括以下步骤：
A.生成用于根据第一方面、第二方面或第三方面的反应器的热化学反应器模型；
B.沿反应器的纵向轴线将反应器分成一个或多个虚拟反应区；
C.使用反应器模型来确定横跨每个虚拟反应区的预期温度Tvri，以与目标温度Ttarget进行比较；
D.调整以下参数中的一个或多个：
i.一个或多个插入件的数量、直径、长度和/或定位；
ii.一个或多个插入件的入口点和出口点；
iii.反应器的每单位体积的催化剂的量；
iv.催化剂相对于热交换区、中空插入件和/或插入件的位置；
v.反应器内的反应物/反应混合物的空速，
从而满足Tvri的标准或使Tvri的标准接近等于Ttarget；
E.重复步骤D，直到满足所述标准。
设计根据本发明的反应器的方法使得插入件能够被战略性地定位以调节反应器的热分布和/或空速分布。通过用所执行的特定化学反应和优选固体催化剂特性作为武装，反应器可以被设计成具有增强的性能，同时与专用反应器系统相比，催化剂体积可以减小。
优选地，反应器模型包括以下微分方程中的一个或多个：
反应动力学微分方程；
能量平衡微分方程；和/或
压降微分方程。
优选地，步骤D还包括调节一个或多个插入件的数量、直径、长度和/或定位。插入件和/或中空插入件的调节长度优选地对应于一个或多个反应区的长度。这方便地使得能够针对每个反应区调节温度和/或空速。
反应器还可以包括一个或多个无反应区。
目标温度(Ttarget)优选地包括温度范围(ΔT)。优选温度范围的大小将由特定的反应器系统反映。通常，ΔT应该尽可能小，优选地在10℃和100℃之间，更优选地在20℃和50℃之间。
一个或多个反应区和/或无反应区可以是虚拟反应区或虚拟无反应区。也就是说，例如，催化剂分布可以沿着反应器的一部分连续，其中该部分被分成小的子部分，每个子部分代表一个反应区，其目的是为了计算用于在不同区之间转移反应物/反应物混合物的插入件(包括中空插入件)的数量配置。因此，虚拟区的使用在设计过程中特别有用，以确定插入件的定位，不过虚拟区可能导致或可能不会导致每个虚拟反应区或虚拟无反应区具有不同的反应器设计构造。
根据第五方面，提供了一种减小横跨用于热化学反应的反应器中的一个或多个反应区的温度变化的方法，其中所述反应器包括：
反应器壳体，该反应器壳体具有用于将反应物接收到反应器中的入口和用于从反应器移除产物的出口；
多个反应区，所述多个反应区包括固体催化剂，在所述多个反应区中，反应物的至少一部分经历热化学反应；
多个热交换区，所述多个热交换区包括热交换介质；以及
多个管，所述多个管用于容纳反应区或热交换介质，其中，通过管的壁在反应区和热交换介质之间交换热；
该方法包括：
引入一个或多个中空插入件，所述一个或多个中空插入件至少部分地延伸穿过一个或多个反应区，从而置换反应区中的固体催化剂并减小横跨反应区的温度变化，每个中空插入件包括入口和出口，中空插入件被构造成：
或者形成用于将反应物或反应混合物的一部分从反应器的入口或从一个反应区转移到不同的反应区的流动路径；或者
形成用于将热交换介质的一部分从一个热交换区转移到不同的热交换区的流动路径。
在上述减小横跨用于热化学反应的反应器中的一个或多个反应区的温度变化的方法中，可以使用根据第四方面的方法确定以下参数中的至少一个：
i.一个或多个插入件的数量、直径、长度和/或定位；
ii.一个或多个插入件的入口点和出口点；
iii.反应器的每单位体积的催化剂的量；
iv.催化剂相对于热交换区、中空插入件和/或插入件的位置；
v.反应器内的反应物/反应混合物的空速。
在第六方面，提供了根据本发明的第一方面、第二方面或第三方面的反应器或使用本发明的第四方面或第五方面设计的反应器的用途，该用途为使至少一种气态反应物反应。反应器优选地用于使至少两种或甚至更优选地至少三种气态反应物反应。
在一个实施方式中，气态反应物是合成气体的组分，包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳和氢气。优选地，所述反应器的用途是由合成气体或其组分生产甲醇，其组分包括：氢气和一氧化碳；或氢气和二氧化碳；或其组合。
在替代实施方式中，该反应器用于放热的甲烷化反应(例如将COx氢化以形成甲烷)或者作为产生合成气的步骤。例如，反应器可根据反应式1用于二氧化碳的甲烷化：
CO2+4H2→CH4+2H2O (1)
在另一实施方式中，反应器可以由合成气体或其组分生产费托(FT)产物。FT产物优选地包括含有至少四个碳原子的烃产物，并且更优选地包括在室温和常压下为液体的烃产物。FT反应优选地根据反应式2产生烷烃，其中n优选地在10和20之间。
(2n+1)H2+nCO→CnH2n+2+nH2O (2)
应当理解，本文所述的反应器不限于上述用途，而是可用于减小涉及气态反应物和产物的任何数量的催化热化学反应的温度变化。作为非限制性实施例，除了上述实施例之外，本文所述的反应器也可用于二甲醚(DME)合成(例如由合成气)、氨合成、氢化反应和烃重整工艺。
因此，在第七方面，提供了一种使至少一种气态反应物在热化学反应中反应的方法，该方法包括使至少一种气态反应物穿过根据第一方面、第二方面或第三方面中任一方面的反应器，其中，至少一部分气态反应物在反应区中经历热化学反应，并且其中一个或多个插入件至少部分地延伸穿过一个或多个反应区，从而置换反应区中的固体催化剂并减小横跨反应区的温度变化。
附图说明
现在将参照附图仅以实施方式的方式描述本公开的实施方式，在附图中：
图1是根据本公开的实施方式的反应器的示意性剖面侧视图；
图2是根据本公开的另一实施方式的反应器的示意性剖面侧视图；
图3是根据本公开的替代实施方式的反应器的示意性剖面侧视图；
图4是根据本公开的另一替代实施方式的反应器的示意性剖面侧视图；
图5是根据本公开的插入件的多个实施方式的横截面图；
图6是根据本公开的实施方式的反应器的剖面俯视图；
图7是根据本公开的实施方式的反应器的剖面俯视图；以及
图8是根据本公开的实施方式的反应器的剖面俯视图；
图9是根据本公开的实施方式的插入件的示意图；
图10是根据本公开的实施方式的插入件和热交换器的各种间距布置的示意图；
图11是根据替代实施方式的反应器的示意性剖面侧视图；
图12是根据图11所示的实施方式的插入件的横截面图；
图13a和图13b是根据本公开的又一替代实施方式的插入件的横截面图和纵向视图；
图14a和图14b是根据本公开的再一替代实施方式的反应器的示意性剖面侧视图；
图15是根据本公开的另一替代实施方式的反应器的示意图；
图16是用于在根据本公开的又一替代实施方式的多管式反应器中使用的反应管的立体图；
图17(a)是显示分流比对温度分布的影响的曲线图；
图17(b)是显示分流比对甲醇流动速率的影响的曲线图；
图18(a)是显示催化剂面积对温度分布的影响的曲线图；
图18(b)是显示催化剂面积对甲醇流动速率的影响的曲线图；
图19(a)是比较对分流和催化剂面积进行优化和不进行优化的反应器中的温度的建模数据的曲线图；
图19(b)是比较对分流和催化剂面积进行优化和不进行优化的反应器中的温度和甲醇产率的建模数据的曲线图；以及
图20是示出比较对分流和催化剂面积进行优化和不进行优化的实验室规模反应器的实验数据的曲线图。
具体实施方式
本公开在以下各种非限制性实施方式中描述，这些实施方式涉及等温反应器和用于在热化学反应发生在其中的反应器中维持基本均匀的温度分布的方法。
通用术语
在整个本说明书中，除非另外具体说明或上下文有另外需要，否则提到单个步骤、物质组成、步骤组或物质组成组应当被认为包括一个和多个(即一个或多个)那些步骤、物质组成、步骤组或物质组成组。因此，如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数方面，除非上下文清楚地另外指明。例如，提到“一”包括单个以及两个或多个；提到“一个”包括单个以及两个或多个；提到“该”包括单个以及两个或多个等等。
除非另外具体说明，否则本文所述的本公开的每个实施例在必要的变更下应用于每个和所有其它实施例。本公开的范围不受本文所述具体实施例的限制，所述具体实施例仅用于例证的目的。功能等同的产品、组成物和方法明显地在本文所述的公开的范围内。
术语“和/或”，例如“X和/或Y”应当理解为表示“X和Y”或“X或Y”，并且应当被认为提供对两种含义或两种含义中任一个的明确支持。
在整个本说明书中，词语“包括”或变型例如“包括(单数形式)”或“包括(动名词形式)”将被理解为表示包含所述的元件、整体或步骤，或元件、整体或步骤的组，但不排除任何其它元件、整体或步骤，或元件、整体或步骤的组。
可以清楚地理解，尽管本文参考了许多现有技术出版物，但这种参考并不构成承认这些文献中的任何文献形成了澳大利亚或任何其它国家的本领域公知常识的一部分。
除非另外定义，否则本文所用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。尽管与本文所述的那些类似或等同的方法和材料可用于本公开的实践或测试，但合适的方法和材料描述如下。在冲突的情况下，以本说明书(包括定义)为准。此外，材料、方法和实施例仅是说明性的，而不是限制性的。
特定术语
本文所用的术语“等温反应器”是指一种容器，该容器中限定有一个或多个腔室，在基本上恒定的温度条件下在该容器中进行反应。
本文所用的术语“反应区”是指反应器中的腔室或子腔室的任何部分或全部，在所述腔室或子腔室中在一种或多种反应物之间发生反应。可以在反应器中通过各种方式具体限定反应区，包括但不限于反应器中的深度、反应器中的容积、特定的温度或压力范围，或者通过多孔板或可渗透板来描绘一种或多种反应物(和产物)进入和离开反应区。
本文所用的术语“空速”是指反应物的进入体积流动速率除以反应器体积(或催化剂床体积)的商，其表示单位时间内可处理多少反应器进料体积。
本文所用的术语“管间距或管排列(tube pitch)”是指几何管布局布置，在该布置中，在反应器壳体内包括尽可能多的管以实现最大热传递面积。可以有四种管布局模式，包括：三角形(30°)或旋转三角形(60°)，其中管以其中心位于等边三角形的顶点处布置；以及正方形(90°)或旋转正方形(45°)，其中管以其中心位于正方形的拐角处布置。通常，管的传统布置既不是在规则的等边三角形上，也不是在正方形上。管布局布置中的“中点”是指或在正方形管布局布置中的四个相邻管之间或在三角形管布局布置中的三个相邻管之间等距地间隔开的点。
本文所用的术语“催化剂材料”和“固体催化剂”是指积极促进一种或多种反应物之间的反应的物质。本领域公知的支持材料如氧化铝、二氧化硅和其它催化剂支持材料包括在本文所用的催化剂材料的定义内。助催化剂、活化剂和促进催化剂的其它材料也包括在催化剂材料的定义内。催化剂材料也可包括不促进反应而是吸附它们所暴露的混合物的一种或多种组分的吸收剂材料。吸附剂也可具有催化特性，并且催化剂可作为吸附剂。
用于热化学反应的反应器
本公开涉及一种用于热化学反应的反应器。该反应器可以是在其中发生热化学反应的任何合适的反应器，该反应器通常包括反应器壳体13，该反应器壳体13具有用于接收一种或多种反应物的入口2和用于移除热化学反应的一种或多种产物的出口3。该反应器设置有包括固体催化剂16的至少一个反应区4a、4b、4c，在该反应区中，至少一部分反应物经历热化学反应。设置热交换区，该热交换区被构造成随着热化学反应的进行与至少一个所述反应区交换热。至少一个反应区4a、4b、4c或热交换区容纳在多个管14中。为了辅助加热或冷却反应区并减少反应区中的热点或冷点的形成，设置一个或多个插入件，该插入件至少部分地延伸穿过一个或多个反应区。
这些插入件包括通过固体催化剂16与热交换区间隔开的中央芯部。插入件的中央芯部和可选的腹板构件的定位通过调节参与吸热或放热反应的反应物和催化剂材料的量以及调节反应区和热交换区的相对分布来由此调节净热流而避免热点或冷点。
将在下面关于管式反应器即管冷却式反应器和多管式反应器更详细地讨论根据本发明的反应器。然而，将理解的是，本公开的插入件可被设置到用于热化学反应器的各种反应器，以在反应器中维持期望的温度分布。
管冷却式反应器
在一些实施方式中，本公开涉及其中多个管将热交换区容纳在其中的管冷却式反应器。
首先参考图1至图4，其中相同的特征用相同的标号表示，提供了用于在一种或多种反应物之间发生热化学反应的反应器1。反应器1包括反应器壳体13，该反应器壳体13具有用于接收一种或多种反应物的入口2和用于移除热化学反应的一种或多种产物的出口3。在该特定实施方式中，反应器设置有三个反应区4a、4b、4c和多个平行的纵向延伸的热交换器14，在该反应区中，一种或多种反应物的至少一部分经历热化学反应。
多个热交换器14纵向延伸穿过反应区4a、4b、4c。热交换器14可以是用于将热传递到反应区4a、4b、4c或从反应区4a、4b、4c传递热的任何合适的装置。在本实施方式中，热交换器14是热交换管，热交换流体(在该情况下为冷却流体)流穿该热交换管。
冷却流体可以相对于穿过反应器1的反应物的流动在逆流方向或并流方向上流动。在图1至图4所示的实施方式中，冷却流体在经由热交换流体分配器7被分配到热交换管14之前通过热交换流体入口6流入。冷却流体相对于反应器1中的反应物的流动在逆流方向上流过热交换管14，由此冷却流体经由热交换流体收集器8被收集，并且随后经由热交换流体出口9流出反应器1。
参照图6至图10，热交换管14可以以正方形排列布置。或者，热交换管14可以以三角形排列布置。反应器1中的热交换管14的数量、长度和外径确定了反应器1中的供一种或多种反应物流过的剩余空间。
催化剂材料16可以以不同的量、浓度、形式和构造存在于每个反应区4a、4b、4c中。本领域技术人员将理解存在将催化剂材料16定位在相应的反应区4a、4b、4c内所必需的任何机械设备。仅作为说明性实施例，这种机械设备可包括催化剂容器、保持器、筐、架或网。类似地，任何合适的构造都可以用于催化剂材料16。例如，可以使用固定床、流化床、浆相等。因此，催化剂材料16的尺寸和物理形式可以根据反应的类型和它们将在其中被使用的反应区4a、4b、4c而变化。
在该特定实施方式中，第一反应区4a包括催化剂材料16a的床，该催化剂材料16a包括活性催化剂的颗粒并可选地包括相对于反应器1中发生的反应惰性的惰性材料的颗粒。催化剂材料16a被支撑在其中具有多个开孔的支撑板5a上，以允许反应物和产物从第一反应区4a流动到第二反应区4b。
第二反应区4b和第三反应区4c类似地分别设置有支撑在支撑板5b、5c上的催化剂材料16b、16c。尽管反应区4a、4b、4c被描述为具有相同的高度，但是应当理解，反应区4a、4b、4c可以根据反应器1的要求在高度和/或体积上变化以及在催化剂材料的相对量(即催化剂与惰性材料的比率)上变化。
在相邻的反应区4a、4b、4c之间还可以设置一个或多个无反应区10，以有助于加热或冷却离开一个反应区并进入随后的反应区之前的反应物/产物混合物。无反应区10的体积可以根据反应器所需的热传递的量而变化，例如通过改变无反应区10的高度。
反应器1还包括多个纵向延伸的插入件11，这些插入件11与热交换器14间隔开并与热交换器14平行对齐。插入件11可定位在限定在以特定管布局布置方式布置的多个相邻热交换管14之间的空间中。
为了减小催化剂材料16相对于热交换管14的径向温度变化，每个插入件11可以与相邻的管14等距地间隔开。在优选实施方式中，每个插入件11在形成如图6所示的正方形排列的四个热交换器的中点处与热交换器14间隔开。这样，通过减小催化剂材料与最近的冷却管14的最大距离，可在反应器1中的任何反应区4内提供更均匀的温度分布。
在参照附图描述的实施方式中，每个插入件11的芯部与以正方形排列布置的四个相邻热交换器14之间的中点重合。本领域技术人员将理解，在热交换器14以三角形排列布置的替代实施方式中，每个插入件11可与三个相邻热交换器14之间的中点重合。
插入件11的作用是减少反应器1中的催化剂材料16a、16b、16c可以占据的可用空间。因此，可以减少反应器中使用的催化剂材料的体积，这继而可以减少由放热反应产生的热量。
将认识到，通过从相邻热交换器14之间的空隙置换适当体积的催化剂材料16，可以改变插入件11的形状和横截面面积，以在反应区4a、4b、4c中获得期望体积的催化剂材料16。
如以下参照图6更详细地描述的，除了减小反应器1中催化剂材料16a、16b、16c的有效体积之外，插入件11可以定位在相邻热交换器14之间的相应中点处，以减小催化剂材料16a、16b、16c和热交换器14之间的最大距离，从而提供横跨反应器1的更均匀的温度分布。
在图1所示的实施方式中，插入件11沿其长度可以具有恒定的直径，并且延伸穿过每个反应区4a、4b、4c。
然而，由热化学反应释放或吸收的热能在接近入口2处通常高于在接近出口3处释放或吸收的热能，因为可用于经力反应的反应物的浓度在接近入口2处更大。因此，可能并不总是需要使插入件11延伸穿过每个反应区4a、4b、4c。在图2所示的替代实施方式中，插入件11仅部分地延伸穿过第三反应区4c。在该实施方式中，插入件11延伸穿过最靠近入口2的反应区4a、4b，并且仅部分地延伸穿过最靠近出口3的反应区4c。如将理解的，一些插入件可延伸穿过每个反应区，而其它插入件可部分地延伸穿过反应区。
如上所述，反应释放或吸收的热能通常在最靠近入口2的第一反应区4a中较大，而在最靠近出口3的第三反应区4c中较低。为了在反应器1中提供从入口2到出口3的更均匀的温度分布，插入件11的横截面面积(例如直径)可以沿其长度变化，如图3和图4所示。在这些特定实施方式中，插入件11的直径沿插入件11的长度从其接近入口2的端部到其远离入口2的端部减小。这样，催化剂材料16a、16b、16c和热交换器14之间的最大距离以及催化剂材料的体积在最靠近入口2的反应区4a中小于在最靠近出口4的反应区4c中的催化剂材料的体积。
插入件11的横截面面积或直径可以如图3所示以离散的、阶梯状的方式变化，或者可以如图4所示以连续的方式变化。有利地，通过以这种方式改变插入件11的横截面面积或直径来减小催化剂体积，也可以避免当前实践，这种当前实践利用惰性材料给催化剂提供不同稀释以改变特定反应区中的催化剂体积。
图5示出了插入件11的几种可能的横截面形状。合适的横截面形状包括但不限于菱形、圆形、正方形、三角形、六边形、星形和具有弯曲凹形线的4边对称的形状。插入件11的形状和横截面面积也可以沿着反应器1的长度变化，以在反应器中的每个点处提供热传递面积与催化剂的体积的最佳比率。将认识到，根据反应器1的要求，可以使用上述插入件11的各种组合。插入件11的横截面形状也可以选择成改进反应物和产物穿过反应器1的流动。
插入件11的横截面形状可以选择成对应于管14的总体曲率。例如，在图6所示的实施方式中，具有凹形弯曲边缘的菱形形状的插入件11等距地定位在相邻的管14之间。插入件11的弯曲表面对应于管14的总体曲率，以围绕每个管14提供基本环形的空隙，这减小了横跨反应器的温度变化。在使用中，固体插入件11和管14之间的环形空隙被催化剂材料16占据。
在图6所示的实施方式中，热交换管14构造有沿热交换管14的长度延伸的多个翅片12，用于增加催化剂16和管14之间的热传递面积。翅片12增加了热传递面积，而放置在管14之间的插入件11减小了催化剂材料距相邻管14的表面的径向距离。根据不同放热或吸热反应的预期的热产生/吸收速率，可以改变翅片12的尺寸和插入件11的体积以维持期望的具体热传递面积。
在图7所示的另一实施方式中，热交换管23以正方形排列放置，其中插入件21放置在四个相邻管14之间的中点处。管14具有径向延伸的翅片12，该翅片12沿着插入件23的长度一体地连接。催化剂材料占据限定在插入件21和管23之间的空腔18。反应物流过保持在空腔18中的催化剂材料，并在催化剂存在下反应以形成产物并释放或吸收热。在管23内，热交换流体流过流动导管20。热交换流体将热传递到催化剂材料18或从催化剂材料18传递热，以便在反应器内维持稳态温度分布。
在典型的管冷却式反应器中，由于与在反应器的主体内相比，在壁表面处存在增加的催化剂体积，所以在反应器的壁表面处可能出现热点。这是由于外冷却管和壁之间的径向距离与相邻内冷却管之间的距离相比增大。此外，反应器的壁表面通常不被冷却。为了减轻在壁表面处形成热点，在图7所示的实施方式中，在反应器壳体19的内壁上还设置额外的插入件22。如图7所示，整个反应器壳体19也可覆盖有金属护套24，额外的热传递流体流过该金属护套24以将热传递到保持在空腔18中的催化剂材料和连接到反应器壳体19的额外的插入件22、23和从该催化剂材料和该额外的插入件22、23传递热。
根据认识到，本公开的插入件11、22可以改装到现有的催化反应器上。可以基于将要引入插入件的反应器的特性来选择类型、数量、位置、横截面形状、直径、长度和材料。
在图8所示的实施方式中，热交换管26和插入件11可铸造在单个块体27中。然后，块体27可以以一种布置定位在壳体28内，由此热交换流体流过包围块体27的环形空间(annulus)29。由催化剂空腔25提供的体积和由冷却管提供的热传递面积可以根据公知技术预先确定，以便在整个反应器中维持所需的具体热传递面积。
如下面更详细讨论的，也可以利用旁路来减少沿反应器的温度变化和/或优化反应器性能。例如，在管冷却式反应器的一些实施方式中，插入件11可以被构造成为一种或多种反应物提供流动路径以绕过反应器1中的一个或多个反应区。参见图11和图12，插入件11可设置有纵向延伸孔30，该纵向延伸孔30延伸穿过插入件11的整个长度。可以设置不同长度的多个插入件11，使得来自入口的未反应的反应物流沿着插入件11的长度直接流动到反应器1中的选定反应区4a、4b、4c、4d。
在图13a、图13b、图14a和图14b所示的替代实施方式中，除了设置有纵向延伸孔30之外，插入件11还可设置有一个或多个横向延伸孔31、32，这些横向延伸孔31、32与纵向延伸孔30和选定的反应区流体连通。这样，反应物可以经由横向延伸孔31、32流出(图14a)和流入(图14b)插入件11，使得至少一部分反应物流可以绕过一个或多个反应区4a、4b、4c、4d。
在一些实施方式中，如图13a所示，插入件11可包括插入件部分11a的组件，当组装好时，这些插入件部分11a限定具有一个或多个横向延伸通道31'、32'的纵向延伸通道30'。插入件部分11a的组件可以由反应器1中的催化剂材料支撑。或者，插入件部分11a的组件可以在反应器1中被支撑在框架中，或者如上所述铸造在块体27内，或者可以由支撑板5a、5b、5c支撑。
插入件11可由任何合适的不反应的材料形成。在优选的实施方式中，插入件11由导热材料例如金属形成，其允许热从较高温度的反应区4a传递到较低温度的反应区4c，因此也有助于最小化横跨反应器1的温度变化。
多管式反应器
在一些实施方式中，本公开涉及多管式反应器，在该多管式反应器中多个管容纳至少一个反应区。
多管式反应器类似于管冷却式反应器，然而在多管式反应器中，催化剂设置在纵向延伸穿过反应器壳体的多个反应管中，并且冷却介质与反应管的外表面接触地流过反应器壳体。
根据本公开的实施方式的用于热化学反应的多管式反应器包括反应器壳体，该反应器壳体具有用于将反应物接收到反应器中的入口和用于从反应器移除产物的出口。例如如图16所示，多个反应管14'在反应器壳体中纵向延伸。
每个反应管14'限定至少一个反应区，在该反应区中，至少一部分反应物经历热化学反应。反应器壳体被构造成接收用于与反应管14'交换热的热交换介质。例如，反应器壳体可以被构造成使得热交换介质流过位于反应器的一个端部处的入口，并流出位于反应器的另一端部处的出口。热交换介质可以与流过反应器的反应物逆流地或并流地流动。
催化剂材料可以设置在反应管中，用于促进反应物的热化学反应。对于管冷却式反应器，催化剂材料可以沿管的长度以不同的量、浓度、形式和构造存在。在相邻反应区之间的反应管内也可以设置一个或多个无反应区。催化剂材料也可以可选地包括相对于反应器中发生的反应惰性的惰性材料的颗粒。
反应管14'还包括在反应管14'中纵向延伸的插入件11。插入件11从反应管的中心置换催化剂，从而减小催化剂与热交换介质的加热或冷却效应的最大距离。参照图16所示的插入件，催化剂定位在限定在插入件11的外表面和反应管14'的内表面之间的空腔中。插入件11可以是任何合适的形状或材料。虽然示出为与反应管14'的内表面接触，但是插入件11也可与反应管14'的内表面间隔开。例如，插入件11可以是与反应管14'同轴延伸的实心圆柱形插入件。以上参照用于管冷却式反应器的插入件描述的任何附加特征也可适用于在多管式反应器中使用的插入件。
在一些实施方式中，插入件11可以被构造成为一种或多种反应物提供流动路径以绕过反应管14'中的一个或多个反应区。插入件11可以延伸反应管14'的部分长度，并且可以设置有延伸穿过插入件的整个长度的纵向延伸孔30。在替代实施方式中，例如图16所示，除了设置有纵向延伸孔之外，插入件11还可设置有一个或多个横向延伸孔32，该横向延伸孔32与纵向延伸孔30和选定的反应区流体连通。这样，反应物可以经由横向延伸孔32流出和进入插入件11，使得至少一部分反应物流可以绕过一个或多个反应区。
在一些实施方式中，插入件11可包括插入件部分的组件，例如，如上文关于图13a所述的组件。
插入件面积的计算
尽管已经针对在管式反应器中的使用讨论了本公开的插入件，但是将理解的是，本公开的插入件也可以用于许多反应器中，以控制这些反应器中的温度分布。下面提供了用于确定用于系统的插入件的尺寸和数量的计算的实施例。
参考图9，使用以下公式计算插入件11的面积：
插入件的面积＝P2–πr2
如果x＝0：
插入件的面积＝r2(4–π)
计算插入件、管和壳体直径的数量的通用公式
热交换管
热交换管的参数如下：
外径＝Dt
内径＝D′t
管的数量＝Nt
管的长度＝Lt
间距＝Zt
排列类型＝三角形/正方形/旋转三角形/旋转正方形计算不同形状的插入件的面积
对于星形形状：
Figure BDA0002205839440000181
其中：半径＝r
厚度＝X
间距(插入件)＝Pst
长度＝Lst
对于正方形/矩形形状：
面积(Ai)＝Psq*Lsq
其中：宽度＝Psq
长度＝Lsq
对于三角形形状：
面积(Ai)＝P′t*P″t*P′″t
其中：边1＝Pt'
边2＝Pt”
边3＝Pt”'
对于圆形形状：
Figure BDA0002205839440000191
其中：半径＝rcir
可以理解，插入件的面积可以针对任何形状类似地确定，并且不限于上述实施例。
导出具体热传递的通用公式
下面说明用于导出具体热传递的通用公式的方法，其中：
具体热传递＝Sht
排列的面积＝Ap
插入件的面积＝Ai
插入件的轴向长度＝Li
壳体直径(反应器)＝Ds
插入件的数量＝Ni
对于给定的壳体直径，根据管布局(通常由用于热交换器的管式交换器制造商协会(TEMA)规范的原理限定)，在一个方向上可以有最大数量的管。
对于根据本公开的反应器，在一个方向上的管的最大数量可以计算如下：
Figure BDA0002205839440000192
对于每个重复单元(该单元被定义为由至少多于一个的热交换管包围的插入件)，可以填充有催化剂材料的反应器的自由面积(Af)可以计算为：
Figure BDA0002205839440000193
其中，
Figure BDA0002205839440000201
并且αt被定义为热交换管暴露于单元的部分。例如，在正方形排列中，αt＝0.25，而在三角形排列中，αt＝0.33。
可以填充有催化剂材料的反应器的总自由面积
Figure BDA0002205839440000202
可以计算为：
Figure BDA0002205839440000203
假设插入件的形状在轴向方向上不改变，可以被装载的催化剂材料的体积(Vc)可以计算为：
Figure BDA0002205839440000204
如果ρc是催化剂材料的体积密度，则可以被装载的催化剂的最大重量(Wc)使用下式计算：
Wc＝Vc*ρc
应当注意，为了计算总热传递面积，必须考虑管布局以便确定热交换管的多少侧暴露于催化剂材料，并且还考虑在反应器壳体壁附近的边界效应。图10中示出了可以管理布局的四种潜在的排列类型。单元的最大数量(如图10所示)被定义为cmax。
对于每个单元，热传递面积
Figure BDA0002205839440000205
可以被写为：
Figure BDA0002205839440000206
其中：j＝4，用于正方形和旋转正方形排列；
j＝3，用于三角形和旋转三角形排列。
总热传递面积(Ht)可以计算为：
Figure BDA0002205839440000207
最后，具体热传递面积(Sht)可以计算为：
Figure BDA0002205839440000211
其中Sht的单位可以是m-1或m2kg-1。
旁路反应区
本公开还涉及用于热化学反应的反应器，该反应器包括用作分流器的中空插入件。
使用分流器还可通过引导反应物和/或热交换介质流穿过反应器而有助于使反应器中的温度变化最小化。分流器也可用于控制和平衡反应器内的空速以提高反应器性能。在这种反应器中，设置反应器壳体，该反应器壳体具有用于将反应物接收到反应器中的入口和用于从反应器移除产物的出口。该反应器包括两个或多个反应区，在该反应区中，至少一部分反应物经历热化学反应。在一些实施方式中，例如图11、图14a和图14b所示，设置多个分流器，以将部分反应物引导到选定的反应区，其中将至少一部分反应物引导到与至少另一部分反应物不同的反应区。应当理解，除了上述插入件之外或者作为上述插入件的替代，可以设置中空插入件。
在另一个实施方式中，上述实施方式中的一个或多个插入件可以被构造成还执行分流器的功能，其中中空插入件包括入口和出口，该入口和出口优选地是可密封的。在另一个实施方式中，入口和出口的开孔尺寸可以是可调节的，以使分流器能够被调节以微调反应器性能。微调被转移的一股流的比例的能力是有益的，因为除了反应物和反应混合物浓度和空速变化之外，反应器设计向现实的转变仍然易于在催化剂活性或分布方面发生变化，这在反应器的建模中不能准确地预料。因此，调节分流器内的流动速率和/或增加或减少分流器的数量的能力提供了增加的灵活性以维持高的反应器性能。在一个实施方式中，这些插入件的一部分或全部能够被转换成分流器。
在反应器的试运行阶段期间和在维护停机时期期间，如果需要催化剂活性随时间而改变，则插入件的功能可方便地调节，也可需要调节插入件构造和功能。
如上所述，对于放热反应，在标准反应器中产生的热通常朝向入口是最大的，在该入口处有最大浓度的反应物可用于与催化剂反应。随着越来越多的反应物反应而形成产物，由反应产生的热量沿着反应器朝向出口减少，从而降低了反应物的可用浓度。在该实施方式内，通过分流器从反应物进料或在第一反应区内或紧接第一反应区之后转移的反应物的比例按照体积计算优选地为反应物进料流或第一反应区的出口的至少20％、更优选地为至少40％，甚至更优选地为至少60％。类似地，反应区内插入件的体积优选地为总反应区空间(催化剂材料、插入件和用于反应物/反应混合物流动的空隙空间)的至少20％，更优选地为至少40％，甚至更优选地为至少60％。
根据本公开的某些实施方式，通过用分流器将反应物流引导到反应器的不同部分，可以减少沿反应器的长度的这种热产生变化。
在另一个实施方式中，可以设置反应器，在该反应器中，通过使用分流器来引导部分热交换介质流以与选定的反应区交换热量，减少了沿着反应器的温度变化，其中引导该热交换介质的至少一部分以与不同于该热交换介质的至少另一部分的反应区交换热量。
用于减少等温反应器中的温度变化的方法
本公开还涉及用于减少等温反应器中的温度变化的方法。
反应物通过入口1进入到第一反应区4a而被接收到反应器中。在与催化剂材料16a、16b、16c接触时，一种或多种反应物的一部分经历热化学反应。根据所使用的反应物和催化剂，反应可以是放热的，其中在反应的过程期间释放热。或者，反应可以是吸热的，其中在反应的过程期间吸收热。将针对放热反应进一步描述总体描述反应器1，然而，应当理解，反应器1也可以用于吸热反应，其中热交换器14加热而不是冷却反应区4a、4b、4c。
对于当前描述的放热反应，当反应物流过反应区4a、4b、4c时，一部分反应物在催化剂材料16a、16b、16c的存在下反应以产生产物并释放热。放热反应释放的热经由延伸穿过反应区4a、4b、4c的冷却管14从反应区4a、4b、4c消散。
在典型的管冷却式反应器中，催化剂材料的温度可从热交换管的表面径向变化。例如，对于放热反应，催化剂材料的温度在冷却管的表面处将是最低的，温度随着距冷却管的表面的径向距离而增加。相邻冷却管可以以正方形排列或三角形排列布置在管冷却式反应器中，由此催化剂的温度在相邻冷却管的表面处降至其最低温度之前在相邻冷却管之间的中点(即，距相邻冷却管的表面更远的距离)处达到最大值。
在本文所公开的实施方式中，多个插入件11与冷却管14以间隔开的平行布置的方式设置。插入件11的作用是减少反应器1中可由催化剂材料16a、16b、16c占据的可用空间。因此，可以减少反应器中使用的催化剂材料的体积，这继而可以减少由放热反应产生的热。
此外，插入件11设置在以正方形排列或三角形排列布置的相邻冷却管之间的中点处。插入件11有效地从中点置换催化剂，缩短了催化剂可从冷却管的外表面驻留的最大距离。因此，降低了驻留在冷却管的外表面与其距冷却管的外表面的最远点处之间的催化剂材料的温度梯度。
可替代地或另外地，可以通过将部分反应物转移到选定的反应区来操作用于热化学反应的反应器以降低反应器中的温度变化，其中将反应物的至少一部分引导到不同于所述反应物的至少另一部分的反应区。
在图15所示的一个实施方式中，进入反应器的反应物首先分成两股流动V1、V2，其中V1穿过第一反应区，以及V2经由分流器绕过第一反应区。V2然后与第一反应区的产物混合，该混合物的一部分被供给到第二反应区，其余部分经由分流器绕过第二反应区。这种模式可以沿着反应器的长度继续，其中在最终反应区中，所有的反应物/产物气体流都被供给到该反应区。进入和绕过任何一个反应区的气体流的比率可以根据反应器的需求而变化。
描述反应物的转移的其它实施方式在图11、图14a和图14b中示出，并在上面更详细地进行了讨论。
可替代地或另外地，用于热化学反应的反应器可以通过将部分热交换介质转移以与选定的反应区交换热量来进行操作，以减少反应器中的温度变化，其中引导热交换介质的至少一部分以与不同于所述热交换介质的至少另一部分的反应区交换热。
反应器性能的优化
进行建模以评估将多个反应区(如图15所示)的入口/出口流分流和催化剂面积对管式反应器的温度和产率的影响。该模型基于生产甲醇的鲁奇(Lurgi)管式反应器。
图17(a)和图17(b)表明了给定阶段的入口流的百分比对沿着反应器的长度的温度和甲醇浓度的影响。结果显示了反应器的每个阶段中的相等百分比分流。参照图15，对于100％分流，来自每个阶段的流动的100％流动到随后的阶段中。对于10％分流，来自前面阶段的出口和旁路的组合流动的10％流动到随后的阶段。
图18(a)和图18(b)表明了催化剂面积(即，假定一部分面积由于例如插入件的存在而未反应)对沿着反应器的长度的温度和甲醇浓度的影响。如图18(b)中所看到的，当催化剂的面积减少25％、50％和75％时，反应器的生产率提高。
然后运行优化算法以确定每个阶段的优化的分流比和催化剂面积。图19(a)和图19(b)中示出了基础鲁奇反应器和具有优化的分流比和催化剂面积的鲁奇反应器的性能的比较，示出了在优化的反应器中温度分布和甲醇产率都得到了极大改善。
不希望受理论的束缚，可以相信所观察到的改进主要归因于沿反应器的长度的改善热分布和反应物的优化部分压力。
还进行了实验室规模的测试以验证上述建模的发现。参考图20，可以看出，在每个阶段具有优化的分流比和催化剂面积的反应器中，反应器的峰值温度降低，并且甲醇产率增加。
本领域技术人员将理解，在不偏离本公开的宽泛的一般范围的情况下，可以对上述实施方式进行许多变化和/或修改。因此，当前这些实施方式在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (40)

1.一种用于热化学反应的反应器，所述反应器包括：
反应器壳体，所述反应器壳体具有用于将反应物接收到所述反应器中的入口和用于从所述反应器移除产物的出口；
位于所述反应器壳体内的多个反应区，所述多个反应区包括固体催化剂，在所述多个反应区中，所述反应物的至少一部分经历热化学反应并形成产物和反应物的反应混合物；
多个热交换区，所述多个热交换区包括热交换介质；
多个管，所述多个管用于容纳所述热交换介质，其中，通过所述管的壁在所述反应区和所述热交换介质之间交换热；以及
一个或多个中空插入件，所述一个或多个中空插入件至少部分地延伸穿过一个或多个反应区，从而置换所述反应区中的固体催化剂并减小横跨所述反应区的温度变化，每个中空插入件包括入口和出口，所述中空插入件被构造成形成用于将所述反应物或反应混合物的一部分从所述反应器的入口或从一个反应区转移到不同的反应区的流动路径，
其中，所述一个或多个中空插入件具有多边的横截面形状。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述横截面形状包括弯曲凹形线。
3.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述横截面形状被选择成对应于所述管的总体曲率，以围绕每个管提供基本环形的空隙。
4.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述横截面形状选自于如下：菱形、三角形、六边形、星形和具有弯曲凹形线的4边对称的形状。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述流动路径由所述中空插入件中的至少一个纵向延伸孔限定。
6.根据权利要求5所述的反应器，其中，所述流动路径还由与所述至少一个纵向延伸孔流体连通的至少一个横向延伸孔限定。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述中空插入件包括中空插入件部分的组件，当组装好时，这些中空插入件部分限定具有一个或多个横向延伸通道的纵向延伸通道。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述一个或多个中空插入件通过所述固体催化剂与所述热交换区间隔开，使得所述插入件和/或热交换区之间的催化剂的量保持基本恒定。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述一个或多个中空插入件定位成使得所述固体催化剂和最近的所述热交换区之间的最大距离减小。
10.根据权利要求9所述的反应器，其中，所述一个或多个中空插入件具有大小被设计成使得所述固体催化剂和最近的所述热交换区之间的所述最大距离减少至少10%的直径。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述插入件的密度或数量横跨围绕所述反应器的纵向轴线的每个横截面象限是基本上恒定的。
12.根据权利要求11所述的反应器，其中，所述一个或多个中空插入件与相邻的热交换区基本上等距地间隔开。
13.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述插入件相对于纵向轴线以对称布置的方式设置。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，至少一个所述插入件的宽度沿所述插入件的长度是恒定的。
15.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，至少一个所述插入件的宽度沿所述插入件的长度变化。
16.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，至少一个所述插入件的宽度沿所述插入件的长度连续地变化。
17.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，至少一个所述插入件的宽度沿所述插入件的长度以离散间隔变化。
18.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，所述反应器还包括安装在所述反应器壳体的内壁上的一个或多个壁插入件。
19.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述插入件是导热的，所述插入件的导热率大于所述固体催化剂的导热率。
20.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述不同的反应区位于所述中空插入件的入口的下游。
21.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述中空插入件的所述入口和/或出口是可再密封的。
22.根据权利要求1所述的反应器，其中，至少一个插入件利用腹板构件连接到一个或多个管。
23.根据权利要求22所述的反应器，其中，所述腹板构件包括导热材料。
24.根据权利要求22或23所述的反应器，其中，所述腹板构件沿所述插入件的长度连续地延伸。
25.根据权利要求22或23所述的反应器，其中，所述腹板构件沿所述插入件的长度以离散间隔延伸。
26.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，所述反应器还包括一个或多个无反应区。
27.根据权利要求26所述的反应器，其中，所述一个或多个无反应区设置在顺序的反应区之间。
28.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述管是纵向延伸的管。
29.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述反应器是固定床反应器。
30.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中，所述热化学反应是：
由合成气体生产甲醇；
由合成气体生产费托产物；
将COx反应物甲烷化；
由合成气体生产二甲醚（DME）；
生产氨；
氢化反应；或
烃重整工艺。
31.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述横截面形状为正方形。
32.一种设计反应器的方法，所述方法包括以下步骤：
A. 生成用于根据权利要求1的反应器的热化学反应器模型；
B. 沿所述反应器的纵向轴线将所述反应器分成一个或多个虚拟反应区；
C. 使用所述反应器模型来确定横跨每个所述虚拟反应区的预期温度Tvri，以与目标温度Ttarget进行比较；
D. 调整以下参数中的一个或多个：
i. 所述一个或多个插入件的数量、直径、长度和/或定位；
ii. 所述一个或多个插入件的入口点和出口点；
iii. 所述反应器的每单位体积的催化剂的量；
iv. 所述催化剂相对于所述热交换区、中空插入件和/或插入件的位置；和/或
v. 所述反应器内的反应物/反应混合物的空速，
从而满足Tvri的标准或使Tvri的标准接近等于Ttarget；
E. 重复步骤D，直到满足所述标准。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述反应器模型包括以下微分方程中的一个或多个：
反应动力学微分方程；
能量平衡微分方程；和/或
压降微分方程。
34.根据权利要求32或33所述的方法，其中，步骤D还包括调节一个或多个插入件的数量、直径、长度和/或定位。
35.根据权利要求32或33所述的方法，其中，插入件和/或中空插入件的调节长度对应于一个或多个反应区的长度。
36.根据权利要求32或33所述的方法，其中，Ttarget包括温度范围∆T。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述温度范围∆T为10℃和100℃之间。
38.根据权利要求32或33所述的方法，其中，所述一个或多个反应区和/或无反应区是虚拟反应区或虚拟无反应区。
39.一种减小横跨用于热化学反应的反应器中的一个或多个反应区的温度变化的方法，其中，所述反应器包括：
反应器壳体，所述反应器壳体具有用于将反应物接收到所述反应器中的入口和用于从所述反应器移除产物的出口；
位于所述反应器壳体内的多个反应区，所述多个反应区包括固体催化剂，在所述多个反应区中，所述反应物的至少一部分经历热化学反应；
多个热交换区，所述多个热交换区包括热交换介质；以及
多个管，所述多个管用于容纳所述热交换介质，其中，通过所述管的壁在所述反应区和所述热交换介质之间交换热，
所述方法包括：
引入一个或多个中空插入件，所述一个或多个中空插入件至少部分地延伸穿过一个或多个反应区，从而置换所述反应区中的固体催化剂并减小横跨所述反应区的温度变化，每个中空插入件包括入口和出口，所述中空插入件被构造成形成用于将所述反应物或反应混合物的一部分从所述反应器的入口或从一个反应区转移到不同的反应区的流动路径，
其中，所述一个或多个中空插入件具有多边的横截面形状。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，使用根据权利要求32的方法确定如下参数中的至少一个：
i. 所述一个或多个插入件的数量、直径、长度和/或定位；
ii. 所述一个或多个插入件的入口点和出口点；
iii. 所述反应器的每单位体积的催化剂的量；
iv. 所述催化剂相对于所述热交换区、中空插入件和/或插入件的位置；和/或
v. 所述反应器内的反应物/反应混合物的空速。
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