CN113056326B - 固定床装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于反应器的插入件形式的固定床装置，该反应器用于反应介质的催化转化，特别是用于具有氢气和二氧化碳的气体混合物的催化甲烷化，所述固定床装置具有在外套管内沿轴向延伸的容纳室，在反应器运行期间反应介质流过该容纳室，容纳室用于容纳催化剂材料和具有用于温度控制流体的流体流动路径的热交换器装置，该流体流动路径在空间上与容纳室隔开，用于去除热量和提供热量至/进入工艺过程。所述外套管至少在区域中由热交换器装置形成。所述固定床装置进一步包括用于反应介质的催化转化的反应器，特别是用于具有氢气和二氧化碳的气体混合物的催化甲烷化，所述反应器具有用于容纳反应介质的压力室，并且将该固定床装置插入压力室中。

Description

固定床装置

技术领域

本发明涉及一种用于反应器的插入件形式的固定床装置，该反应器用于反应介质的催化转化，特别是用于具有氢气和二氧化碳的气体混合物的催化甲烷化，所述固定床装置具有在外套管内沿轴向延伸的容纳室，在反应器运行期间反应介质流过该容纳室，所述容纳室用于容纳催化剂材料和具有用于温度控制流体的流体流动路径的热交换器装置，该流体流动路径在空间上与容纳室隔开，用于去除热量和提供热量至/进入工艺过程和用于反应介质的催化转化的反应器，特别是用于具有氢气和二氧化碳的气体混合物的催化甲烷化，并且将该固定床装置插入压力室中。

背景技术

现有技术已知，例如由DE 197 54 185 C1已知，并使用具有上述特征的固定床装置，例如甲烷化方法可以在具有所述固定床装置的反应器系统中进行。在这样的过程中，反应介质以离析气体的形式，所述离析气体包含适合甲烷生产的化学计量比的氢气和二氧化碳，此外，如果适用，还可以具有一氧化碳、甲烷或其他碳氢化合物的馏分、以及各种次要成分和插入气体（例如N₂）形式的杂质，该反应介质在预定温度和预定压力下插入反应器的压力容器中。具有设置于容纳室内的固定床装置（固定床催化剂）的插入件，其设于压力室中，该固定床装置支持形成CH₄总和的以下过程：

1. CO + H₂O<-> CO₂+ H₂，所谓的水煤气变换反应；

2. CO + 3 H₂<->CH₄+ 4 H₂O，CO甲烷化；以及

3. CO₂+ 4 H₂<->CH₄+ 2 H₂O，CO₂甲烷化。

因此，通过反应介质流经催化剂材料，例如钌、铂或镍。

由于反应在容纳室中发生，很大一部分反应热要被除去。为此，固定床装置具有热交换器装置。在其中提供了配置用于容纳合适温度控制流体的流体流动路径。因此，可以对温度控制流体和反应介质进行引导，例如以逆流法进行引导。

然而，关于DE 197 54 185 C1公开的固定床装置，热交换器装置以及因此固定床装置均要适应于反应器的压力容器的内壁。不过，这种适应在制造技术方面是复杂的，就压力容器来说，在这些压力下压力容器通常具有圆柱形状且因此价格昂贵。

为了简化固定床装置的系统和反应器的压力容器，EP 0 995 491 B1公开一种具有由带外壳（enclosure）的板组件构成的热交换器装置的反应器，其中，该密封板组件无需调整即在圆周侧（就流动方向而言）插入压力容器。结果，热交换器装置的安装不受压力容器形状的影响而得以简化。

因此，与DE 197 54 185 C1公开的反应器相比，EP 0 995 491 B1公开的固定床装置实现进一步的改进。

发明内容

本发明的目的是实现常规固定床装置和具有固定床装置的常规反应器的进一步改进，特别是在结构设计方面的改进。

该目的通过在开始时提到的固定床装置的进一步改进来实现，其本质特征在于，所述外套管至少在区域内由热交换器装置形成。

本发明基于以下发现，根据本发明的通过热交换器装置本身对外套管的至少一个区域的设计，可以实现相当大的结构简化，因为固定床装置的其他惯用外壳（enclosure），例如在EP 0 995 491 B1中公开的外壳，至少在（某些）区域被免除。然后，热交换器装置至少在（某些）区域接管（代替）催化剂材料的载体的功能。因此，外套管也可以主要地或甚至完全地通过热交换器装置形成。

插入件可以设计成悬挂式插入件的形式。这样，通过悬挂在反应器中，固定床装置可以容易地连接至反应器。另外，这样的实施例还使得更换固定床装置特别容易，例如出于维护和/或修理的目的。有鉴于此，悬挂式插入件可以设计成这样的方式如此它适合于反应器横截面形式并且可以具有支撑环。

在固定床装置的优选实施例中，至流体流动路径的连接线可以至少在轴向端以柔性方式形成，特别是在悬挂端。由此，由于连接线能够沿着所述反应器装置的纵向膨胀进行移动，热交换器装置的纵向热膨胀在反应器的运行期间可以被补偿。这样，避免了在温度升高的情况下由于材料膨胀引起的问题。

在本发明的实施例中，插入件的轴向端可以由筛网限制。筛网可以在重力方向上设置在插入件的下端。然后固定床催化剂可以被沉积在筛网上并由其被携带。在这方面，筛网优选地可相对于插入件移动。特别优选的是，该筛网可在与重力方向横向的方向上可移动，例如可伸缩。这使得以特别容易的方式更换催化剂材料成为可能。

在本发明的有利实施例中，所述热交换器装置具有至少一个第一热交换器板，特别是由导热板制成的热交换器板。因此，所述导热板可以在热交换器装置的外套管上形成区域。导热板例如为现有技术已知，且具有至少有两个优选由不锈钢制成的板片，该板片在预定点处焊接在一起并塑形形成缓冲垫（cusion formation），以这样的方式，例如，由于垫状设计椭圆流动通道出现，增加流动的湍流且由此导致特别有利的传热条件。因此，可以通过流动通道引导温度控制流体。导热板是自支撑的，而且使没有流动死区、具有大的加热表面密度的紧凑的热交换器的构造成为可能。例如，热交换器装置可以有导热板的板组件。

优选地，所述热交换器装置具有至少一个、基本上平行于所述第一换热器板设置的第二换热器板，其中第一热交换器板和第二热交换器板各自形成外套管的至少一个区域。第二热交换器板可以设计为导热板。通过两个热交换器板的平行布置，实现了插入件的基本盒形结构。在另一个实施例中，基本平行于第一热交换器板和第二热交换器板的另外的热交换器板，可以被设置在第一热交换器板和第二热交换器板之间并形成板组件。所有的热交换器板都可以配置为导热板。热交换器板彼此间隔开，并从而形成用于容纳催化剂材料的容纳室。然后，催化剂材料可以沉积在热交换器板之间。

第一热交换器板和第二热交换器板可以以介质密封的方式彼此连接，特别是通过U形轮廓连接。因此，第一热交换器板和第二热交换器板可以焊接在一起。这导致具有基本立方体构造的插入件，其中立方体的两个相对侧由热交换器板形成，立方体的另外两侧由U形轮廓形成，立方体的另外两个相对侧开放。优选地，两个开口侧形成插入件的上端和下端，其中下端可以由筛子限制。因此，有可能以特别简单的方式生产与反应器的压力容器的尺寸相对应的任何尺寸的热交换器装置。

此外，本发明涉及一种用于反应介质的催化转化的反应器，特别是用于具有氢气和二氧化碳的气体混合物的催化甲烷化的反应器，该反应器具有用于容纳反应介质的压力室、以及插入该压力室中和具有上述特征的固定床装置。在这方面，固定床布置可以插入到所述压力室并从压力室可拆卸。优选地，为此目的，反应器优选具有用于悬挂在固定床装置中的器件，特别是通过支撑环悬挂。这使得固定床装置的更换特别简单。

在反应器的优选实施例中，反应介质在反应器运行期间沿其流动的介质流动路径具有通过固定床装置的接收室的第一部分和位于固定床装置的外套管与压力室的壁之间的第二部分。在这种构造中，可以将离析气体从进料线引入压力容器中，然后它流经设置在插入件的容纳室中的固定床催化剂。在流经催化剂之后，反应介质作为产物气体从固定床装置的接收室中出现。产物气体通过热交换器装置中流动的温度控制介质相应地缓和，例如被冷却。但是，该温度控制也可以是加热。此后，产物气体被引导通过固定床装置的外套管与压力室的壁之间的第二部分。因此，由于固定床装置的外套管至少在（某些）区域通过热交换器装置形成，产物气体的进一步温度控制例如冷却得以实现。由于该进一步的温度控制步骤，不必为反应的温度而设计反应器夹套。因此，压力室的壁的温度负荷被限制在温度控制介质的温度，从而降低了对压力室的结构材料选择的要求。

在反应器的一个实施例中，垂直于所述轴向方向（A）延伸的所述插入件的切面的表面积F_E与所述垂直于轴向方向（A）延伸的压力室的切面的表面积F_D之比（V），V＝F_E/F_D，可以满足条件V＜2 /π，优选V＜0.5，特别优选V＜0.4，甚至更优选V＜0.3。

此外，沿壁的外侧，反应器的压力室可以设置绝缘材料。如此，可以减少反应器的热辐射。

附图说明

下文中将参考附图通过实施例的方式描述本发明。在附图中，

图1示出了根据本发明的反应器的压力容器的透视图；

图2a示出了根据本发明的固定床装置的透视图，该固定床装置是以用于如图1所示的压力容器的插入件的形式；

图2b示出了插入件的透视图，该插入件被插入图1的压力容器中，根据图2b压力容器没有圆柱形壁；

图3示出了压力容器和插入其中的插入件的示意性剖视图；

图4a示出了具有支撑环的压力室的平面图；

图4b示出了悬挂式插入件的平面图。

具体实施方式

图1示出了反应器100的压力室110的透视图。压力室110受到圆柱形壁112的限制。因此，圆柱的轴线限定了与重力方向平行的轴向A。压力室110在第一端（上端）被可拆卸的盖102封闭。通过拆下盖子102，可以进入压力室110的内部。因此，固定床装置可插入压力室110中并且可从中拆卸。

此外，反应器的压力室110具有不同的通道。离析气体，例如，含有基本上适合于甲烷生产的化学计量比的氢气和二氧化碳的离析气体，可以通过离析气体入口114引入压力室110中。离析气体通过后述的固定床流入并在此进行甲烷化处理后，生成的产物气体可以通过产物气体出口115从压力室中流出。为了消除反应发生期间产生的反应热，温度控制流体，例如水，可以通过温度控制流体入口116引入压力室110的内部。温度控制流体接收产生的热量之后，然后它可以通过温度控制流体出口117从压力室110流出。

图2a示出根据本发明的固定床装置以插入件1的形式用于插入图1所示的压力室110中。插入件1具有外套管10。在图2所示的示例性实施例中，外套管10由第一热交换器板31、大致平行于第一热交换器板31并与之隔开的第二热交换器板32、以及连接第一热交换器板31至第二热交换器板32的两个U形轮廓34形成。图3示出的用于容纳催化剂材料的容纳室20由此受到限制。在第一轴向端4（下端），容纳室20可以被筛网限制。与第一轴向端4相对的第二轴向端8（上端），插入件1具有第一支撑环2，如后述，插入件1可以通过该第一支撑环悬挂在压力室110中。

在第一轴向端4，插入件1具有温度控制流体入口36。温度控制流体入口36连接到压力室110的温度控制流体入口116，如此来自于外部的温度控制流体可以经由温度控制流体入口36和连接管线42引入插入件1的容纳室20（见图2b）。在根据本发明的示例中，在第一轴向端4以柔性方式形成连接线42。因此，在反应器的运行期间热交换器装置的热膨胀可以得到补偿。而且，在第二轴向端部8，插入件具有连接至温度控制流体出口37的连接线44。温度控制流体出口37可以连接到压力室110的温度控制流体出口117（见图2b）。结果是，温度控制流体接收反应期间产生的热量之后，可以从插入件1的容纳室20中导出并且从反应器的压力室110中导出到外部。

图2b示出图2a所示的插入件1插入到反应器100的压力室110的状态。压力室110的圆柱壁112(见图1)在该图中没有示出。

图3示意性示出了根据本发明的固定床装置以插入件1的形式插入上述压力室110的横截面。压力室110受到壁112的限制，并且在其上端具有可拆卸的盖102。插入件1还具有热交换器板31、32、33a、33b和33c形式的热交换器装置。第一热交换器板31、和平行于第一热交换器板31设置并且与其间隔开的第二热交换器板32形成容纳室20的外套管10的区域。在所示的实施例中，在第一热交换器板31和第二热交换器板32之间设置三个另外的热交换器板33a、33b和33c。然而，根据本发明的固定床装置不限于该实施例，而是可以设置在第一热交换器板31和第二热交换器板32之间的任何合适数量的热交换器板。

在反应器100的运行期间，用于供应和去除热量的温度控制流体可以通过插入件1的温度控制流体入口36被引导至具有热交换器板31、32、33a、33b和33c的热交换器装置30，所述温度控制流体入口被连接到所述压力室110的温度控制流体入口116。温度控制流体通过热交换器板31、32、33a、33b和33c从温度控制流体入口36的一侧开始流至插入件1的温度控制流体出口37的一侧。温度控制流体可以经由压力室110的温度控制流体出口117离开反应器100，所述温度控制流体出口连接至温度控制流体出口37。第一热交换器板31和第二热交换器板32通过未示出的U形轮廓34在它们的侧端彼此连接（见图4b）。

在插入件1的第一轴向端4（下端）的区域，插入件1受到筛网限制，这在图3的视图中看不到。催化剂材料可以在热交换器板31、32、33a、33b和33c之间沉积于支撑催化剂材料的筛网上。

在第二轴向端8（上端），插入件1具有第一支撑环2。第一支撑环2设计成与压力室110的第二支撑环121互补。插入件1因此可以被悬挂在压力室110中并且因此被设计为悬挂式插入件。

反应器100的运行期间，反应介质，例如通过离析气体入口114供应的离析气体，现在可以流经设置在容纳室20内的催化剂材料。在反应过程中需要的或者将被除去的热量，可以通过与流过热交换器装置30的温度控制流体的相互作用来提供或除去。在一个实施方案中，所得产物气体然后可以通过产物气体出口115‘离开反应器100。

在本发明的另一个实施例中，反应介质，例如离析气体，首先流过容纳室20内的第一段210（即，流过由第一热交换器板31、第二热交换器板31和U型轮廓限制的容纳室20），然后将其作为产物气体沿着固定床装置的外套管10与压力室110的壁112之间的第二段220引导至产物气体出口115而不是产物气体出口115‘（见图1）（图3中用虚线示出），然后离开压力室110。这意味着在该实施例中不存在产物气体出口115‘，而是，在压力室110的壁112中提供了产品气体出口115。由于外套管10在第二段220的区域至少在（某些）区域被第一热交换器板31和第二热交换器板32限制的的事实，所产生的产物气体能够经由热交换器装置30的热交换器板31、32交换额外的热量。由此，可以实现产物气体的特别良好的温度控制。

图4a和4b示出具有第一支撑环2（图4b）以及第二支撑环121（图4a）的悬挂式插入件的平面图。图4a示出被设计在压力室110处的第二支撑环121。在其中以固定床装置的插入件1的形式提供了用于插入件1的插入的凹槽。如图4b所示，插入件1具有相对于第二支撑环121以互补的方式设计的第一支撑环2。这允许在插入件1和压力室110之间获得介质密封的连接。第一支撑环2可以通过例如螺钉122的紧固装置被拧至第二支撑环121。

Claims (17)

1.一种用于反应器（100）的呈插入件（1）形式的固定床装置，所述反应器用于反应介质的催化转化，所述固定床装置具有沿轴向方向（A）延伸和限制用于接收催化剂材料的容纳室（20）的外套管（10），反应介质在反应器运行期间流过该容纳室，所述容纳室具有用于温度控制流体的流体流动路径的热交换器装置（30），该流体流动路径在空间上与容纳室（20）隔开，用于去除和提供热量至/进入工艺过程，其特征在于，所述外套管（10）至少部分地由热交换器装置（30）形成；所述热交换器装置（30）具有至少一个第一热交换器板（31）和至少一个第二热交换器板（32）；所述第一热交换器板和第二热交换器板（32）通过U形轮廓（34）连接。

2.根据权利要求1所述的固定床装置，其特征在于，所述反应器用于具有氢气和二氧化碳的气体混合物的催化甲烷化。

3.根据权利要求1所述的固定床装置，其特征在于，所述插入件（1）设计为悬挂式插入件的形式。

4.根据权利要求3所述的固定床装置，其特征在于，到流体流动路径的连接线（42）至少在轴向端以柔性方式形成。

5.根据权利要求4所述的固定床装置，其特征在于，到流体流动路径的连接线（42）至少在悬挂端以柔性方式形成。

6.根据权利要求1所述的固定床装置，其特征在于，所述插入件（1）的第一轴向端（4）由筛网限制。

7.根据权利要求6所述的固定床装置，其特征在于，所述筛网相对于所述插入件（1）是可移动的。

8.根据权利要求1所述的固定床装置，其特征在于，所述至少一个第一热交换器板（31）由导热板制成的热交换器板。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的固定床装置，其特征在于，所述第二热交换器板（32）平行于所述第一热交换器板（31）设置，并且其中所述第一热交换器板（31）和所述第二热交换器板（32）各自形成外套管（10）的至少一个区域。

10.一种用于反应介质的催化转化的反应器，其具有用于接收反应介质的压力室（110）和插入所述压力室（110）的根据权利要求1至9中任一项所述的固定床装置。

11.根据权利要求10所述的反应器，其特征在于，所述反应器具有用于悬挂在固定床装置中的器件。

12.根据权利要求11所述的反应器，其特征在于，所述器件通过支撑环（121）悬挂在固定床装置中。

13.根据权利要求10所述的反应器，其特征在于，在反应器运行期间反应介质沿其流动的介质流动路径具有通过固定床装置的接收室的第一段（210）和在固定床装置的外套管（10）和压力室（110）的壁（112）之间的第二段（220）。

14. 根据权利要求10至13中任一项所述的反应器，其特征在于，其中，垂直于轴向方向（A）的所述插入件（1）的切面的表面积F_E与垂直于轴向方向（A）的压力室（110）的切面的表面积F_D之比（V），V＝F_E/F_D，满足条件V＜2 /π。

15. 根据权利要求14所述的反应器，其特征在于， V＜0.5。

16. 根据权利要求15所述的反应器，其特征在于， V＜0.4。

17. 根据权利要求16所述的反应器，其特征在于， V＜0.3。