CN1166445C - 一种多相合成反应器的原位现代化方法 - Google Patents

Abstract

多相合成反应器的原位现代化改进方法，包括：提供一个未穿孔筒状壁(15)，与在一种径向或轴径向型催化床(6)上的气体出口壁(8)同轴，该未穿孔筒状壁(15)从气体出口壁(8)的上端(8a)延伸出预定长度的一部分，从而在气体出口壁(8)与未穿孔壁(15)之间形成一个自由空间(16)，以便用作部分气体离开所述催化床(6)的通道，并且提供在气体出口壁(8)的上端(8a)附近封住未穿孔壁(15)与气体出口壁(8)之间的所述自由空间(16)的设备。

Description

一种多相合成反应器的原位现代化方法

本发明涉及一种多相合成反应器的原位现代化方法，特别地，涉及放热合成反应，如氨或甲醇的合成以及一氧化碳的转化，包括至少一个径向或轴径向型催化床，配有相向筒状孔壁用于气体的入口和出口。

在下文的描述和权利要求中，“原位现代化”术语理解为对已存在的反应器进行现场现代化以便改善其性能，并获得诸如能与新建反应器相比的生产能力和/转化率。

在本领域的术语中，这类现代化也称作改型或改进。

众所周知，在一般多相合成反应器领域，越来越多地需要改造已存在的合成反应器，使其适应总是增加反应活性的新概念催化剂，以达到在降低投资成本的同时提高转化率和降低能耗的目的。

实际上，实践高活性催化剂的连续进步已经导致-反应器的生产能力相同-加载于单个反应床的催化剂量显著低于催化床的设计最大填充量，从而节约了所述催化剂的成本。

在已存在的配有轴向型催化床的反应器中，使该反应器适应新的高反应活性催化剂不会引起特殊的问题，因为催化床可以在不进行重大改进的条件下，在同样的运行-特别是就流体动力学观点而言-中加载或多或少大量的催化剂，除了不同的压力降之外，而通过适当地改进反应器操作条件就可调节压力降。

相反，在已存在的包括径向或轴径向型催化床的反应器中，在催化床运行时加载的催化剂量不同于设计量包含严重的缺点。

径向型催化床仅部分填充催化剂，暴露在床上部的气体进口及气体出口壁上不可避免的存在数排孔，结果是反应气体通过这些孔形成不期望的旁路，而且相应的反应器转换率显著下降。

轴径向型催化床存在相同的问题，其中也缺乏催化剂通过反应气体的轴向交叉，与最佳加载的催化床相比，这又进一步降低了转换率。

特别是，轴径向催化床上的催化剂量减少，除了暴露一部分穿孔的气体入口和出口壁的孔外，还阻碍气体出口壁上部未穿孔部分所完成的功能，所述气体出口壁为气体进入所述床的径向路径。

尽管所谓已有反应器的改型越来越多地被接受，该技术的目的在于避免昂贵地更换反应器，而同时实现与可利用的反应容量相兼容的最大转换率和最小能源，但到目前为止，还没有提出一种方法能使配有径向或轴径向型催化床的已有反应器满足上述要求。

目前，由于缺乏有效的技术方案，已有反应器的径向或轴径向催化床仍加载传统的催化剂，不利于转换率的提高和能耗的降低，这本来是通过使用新的高反应活性催化剂能够实现的。

另外，为避免上述缺陷，通过使用高活性催化剂，总是需要完全填充可利用的径向或轴径向催化床的体积，因此使得-除提高转换率之外-已有反应器生产能力的增加，而这并不总是需要的或希望的，因为这种增加可能会，比如，包括替换位于合成反应器下游的设备，否则其尺寸不够，而更换又会伴随相对高的投资和建造成本。

此外，在原来设计适合使用传统的低活性催化剂的已有催化床上填充整个可利用的体积需要大量的高活性催化剂，这样又使得投资成本过高。

由于这些严重的缺陷，到现在为止，在已有的包含径向或轴径向催化床的多相合成反应器上使用高活性催化剂还未得到实质上的应用，尽管本领域对这一要求日趋增加。

本发明的目的是在于提供一种方法，对含有至少一种径向或轴径向床的多相合成反应器进行现代化改进，以便能够使用总是具有较高反应活性的新观念催化剂，从而以一种简单且可靠的方式实现转换率的提高和能耗的降低，亦即降低投资及操作成本。

通过上述方法解决了所述问题，其特征在于包括下列步骤：

-提供一个与所述催化床上的所述气体出口壁同轴的未穿孔筒状壁，所述未穿孔筒状壁从所述气体出口壁的上端延伸至一个预定的长度，从而在气体出口壁与未穿孔壁之间定义一个自由空间，以用作部分离开所述催化床的气体的通道；

-提供在气体出口壁的上端附近关闭未穿孔壁与气体出口壁之间的自由空间的设备，从而防止所述催化床的旁路或进入和离开反应器的气体循环进入催化床。

就优点而言，根据本发明的方法允许部分加载已有的径向或轴向催化床，以这种方式允许有效地使用新的高活性催化剂，而不会对床的运行产生不利影响，特别是能保持流体动力学和压降不变。

实质上，正是由于靠近气体出口壁上部的一个预定长度的未穿孔壁的存在，和在未穿孔壁与气体出口壁之间同时形成自由空间，使得以下详述的两个目的都能达到。

一方面，未穿孔壁使进入床层的气体进入到催化剂中，从而防止形成不希望的旁路，即：防止气体由于仅部分填充催化床而导致暴露直接流过气体出口壁的孔中而不通过催化床。

另一方面，自由空间的存在允许通过催化剂的气体由气体出口壁的所有孔排放，以便保持通过催化床的压降不变。

通过提供一种延伸一部分的未穿孔壁可获得特别令人满意的结果，延伸部分包含气体出口壁的5％至50％之间的长度，分别定义了基本环形的自由空间，厚度在0.5至10厘米之间。

以这种方式甚至能够加载相对少量的高活性催化剂，而不会冒催化床被合成气体旁路的危险，同时保持改型前的流体动力学和压降特性。

根据本发明，值得强调的是，在径向或轴径向型催化床上能部分加载催化剂-不会对运行产生不良影响-与现有技术形成鲜明对照，根据已有技术，使用径向或轴径向催化床，必须完全填充催化剂，以便防止不希望的反应气体的旁路。

实际上，由于这种床的本质特征，根据现有技术对径向或轴径向催化床部分加载是不可思议的。

只有在申请人的研究之后，通过对已有径向或轴径向催化床进行现代化改进允许-与现有技术相反-部分加载催化剂才可能解决上述技术问题。

下文参照附图的非限定性示例给出了根据本发明实现现代化改进方法的一个实例描述陈述了本发明的特征和优点。

图1示出了一个根据本发明的现代化方法进行适当改进的完成多相合成反应的已有反应器的轴向剖面图。

参考图1，编号1代表一个完整的多相合成反应器。

这类反应器特别适于进行高温高压下(20-300巴，180-550℃)的放热多相合成反应，比如氨或甲醇的生产，或把一氧化碳转化成二氧化碳。

反应器1包括一个管状外套或壳2，在顶部配有一个作为反应气体入口的管嘴3，在底部配有一个作为反应产物出口的管嘴4。

壳2还在顶部配有一个管口5，允许一个工人进入反应器1内完成各种装配操作及维护工作。这类管口对于本领域技术人员来说是常识，行话叫“人孔”。

在壳2内部，有一个轴径向型催化床6，两侧向分别为气体入口及出口的筒状穿孔壁7和8，由壳2底部支承。

催化床6的顶部不封死以允许部分反应气体轴向穿过催化床。为防止不希望的催化剂泄漏现象发生，密封网-本领域的技术人员一般都熟知，因而未示出-可安装于该催化床6上。

在图1的实例中，气体入口壁7靠近壳2，而气体出口壁8位于反应器1的中间。在壳2和气体入口壁6之间有一个自由空间9，它允许反应气体径向通过床6。气体出口壁8也在顶部用已知类型的气密性罩10封住。

最后在反应器1中提供一个内腔11，该腔11在壁8和罩10之间与催化床6同轴延伸，它使反应产物离开所述床到达管嘴4，通过管嘴4最终排出产物。

在气体入口壁7的顶部附近所示的虚线12界定催化床6内催化剂可达到的最高位置，并与侧壁7和8及壳2的底部一起确定反应器1的可利用的反应容量。

这一容量已根据设计反应器1时的市售催化剂的反应活性计算出来，可达到预定的反应能力。

因此，根据本发明进行现代化改进之前，反应器1仍具有的催化床6，其体积完全由一种传统催化剂占据。

相反，虚线13表明根据本发明进行优化改进的反应器1中催化剂所达到的位置。

催化床6内的催化剂-作为整体用14表示，具有这样的反应活性：即提供与该反应器的设计能力相等的生产能力，但占据的体积大大小于催化床6的体积。

换言之，由于较大的反应活性，只要反应器按照本发明方法进行改进，加载于反应器中的催化剂14的量-生产能力相同-将大大的小于改进前使用的催化剂量，因此节约了催化剂成本。

图1中的箭头F表明气体通过催化床6的各种路径。

按照本发明的改进方法的第一步，提供一个催化床6中与气体出口壁8同轴的本质上为筒状的未穿孔壁15。未穿孔壁15凸出于气体出口壁8的顶部8a，作为气体出口壁8的预固定部分，从而在气体出口壁8和未穿孔壁15之间形成一个环形自由空间16，部分离开所述催化床6的气体从此通过，如图1中的箭头F所示。

本方法的下一步，在气体出口壁8的顶部8a附近，提供了一种设备以封住未穿孔壁15和气体出口壁8之间的自由空间16，从而防止催化床6的旁路，或进入和离开反应器的气体循环进入催化床。

由于在气体出口壁的上顶部附近采取的未穿孔壁步骤，以及在所述壁之间形成的、用于反应气体通过的自由空间，其优点是能够在催化床上加载大大低于设计量的催化剂，且不会对相同的运行产生不利影响，特别是保持流体动力学和压降不变。

实际上，即使催化剂14的量保持在气体出口壁8的顶部8a之下(虚线13)，由此而使得该壁有几个孔被暴露，未穿孔壁15也能防止气体反应物穿过催化床6而不渗透至催化剂中，自由空间16允许使用壁8的所有孔作为反应产物的出口。

如果未穿孔壁15与气体出口壁8直接接触-不形成自由空间16-所得的催化床与未进行改进的催化床具有相同的流体动力学特性，但是，由于产物出口孔数的减少，压降将增加。

在图1的实例中，未穿孔壁15最好延伸部分包含气体出口壁8的长度的20％到40％之间。实际上，壁15优选延伸至这样一个长度，以便在仅部分加载催化剂14的催化床中再建一个反应气体轴向穿过的主区。

若催化床6仅为径向型，壁15几乎不超过催化剂14到达的虚线13，从而保证催化床基本为径向穿过。

而且，自由空间16应优选具有厚度1至5厘米。任何情况下，自由空间16的厚度必须足够大，以便允许气体通过而不会引起附加的压降。

从优选角度考虑，自由空间16于气体出口壁的上顶部8a附近处封住，以便防止不希望发生的进入催化床8的气体反应物的旁路，或反应产物循环到催化床。

为尽可能简化本发明的现代化改进方法的实施，未穿孔壁15适于用气体出口壁8支承。

比如，壁15可移动式固定于壁8上，在壁8的顶部8a附近，通过特殊支承设备悬挂于壁8上。

特别地，根据如图1所示的本发明的一个优选实施方案，未穿孔壁15-其直大于气体出口壁8-被水平气密式隔板17支承，该隔板凸出于气体出口壁8的上顶部8a并倚靠于8a上。

作为优选，壁15和隔板17形成一种气密式杯-比如由未穿孔板制成-该板反扣于气体出口壁8的罩10上。

一旦完成所述步骤，可获得一个反应器1，它允许以下列方式进行多相合成反应，且转化率高、能耗低。

气体反应物通过管嘴3进入反应器1，到达包含高活性催化剂14的催化床6。

根据反应类型，供给催化床6的气体反应物的温度和压力在反应器1的下游进行调节。

气体反应物以轴径向的向心流穿过催化床6。由于未穿孔壁15的存在，能使气体反应物偏离轴向流动，避免不希望的催化床6的旁路。

在催化床6中所得的反应产物穿过气体出口壁8，接着被收集在内腔11中，最终通过管嘴4离开反应器1。一部分(少量)反应产物最好沿自由空间16流动，以这种方式允许利用壁15包围的壁8的部分作为气体出口。

这样，就可能-已有反应器的生产能力相同-仅在催化床6上部分加载高活性催化剂，从而节约所述催化剂成本，同时保持催化床的流体动力学和压降不变。

若要求增加已有反应器的生产能力-这将包括完全利用催化床6的可利用体积，加载相同量的高活性催化剂-从反应器中取出未穿孔壁15以及支承15的隔板17，将催化床6恢复至初始构造就足够了。

本发明特别适于这样的多相合成反应：其中允许技术工艺开发总是增加反应活性的新型催化剂。

毫无疑问，一个非常有意义的领域是合成氨领域，正是由于本方法，现在可以有效地对已有反应器进行现代化改进，从而使用高活性催化剂，如石墨支承的钌基催化剂。

另一个特别有意义的领域是一氧化碳的转化，已有反应器(如图1所示的类型)可以加载较少量的高活性催化剂，如用于高温转化的含铜催化剂。

然而，根据本发明的现代化改进方法并不限于上述参考图1所示类型的反应器，还可应用于含有-比如在合适的支架内支承的-多个径向或轴径向床的反应器。

此外，为实施本方法的目的，反应气体穿过催化床是向心流还是离心流都毫无关系。当为离心流时，气体出口壁8可靠近壳2，而未穿孔壁15的直径应小于壁8的直径。

当希望减小已有反应器的生产能力时，显然也能使用本发明，因此，当需要减少反应器中(低转化率的)传统催化剂的加载量时，也能使用本发明。

由上所述，显然通过本发明可得到许多优点。特别是能够仅部分加载已有反应器的径向或轴径向催化床，以这种方式节约了催化剂成本，且不会对反应器的运行产生不利影响。

Claims (10)

1.一种多相合成反应器的原位现代化改进方法，该反应器包括一个外壳，该外壳包含至少一个径向或轴径向催化床(6)，配有相向的穿孔筒状壁用于气体的入口和出口(7，8)，所述方法包括以下步骤：

-提供一个未穿孔筒状壁(15)，与所述催化床(6)上的所述气体出口壁(8)同轴，所述未穿孔筒状壁(15)从所述气体出口壁(8)的上端(8a)延伸出预定长度的一部分，从而在气体出口壁(8)与未穿孔壁(15)之间形成一个自由空间(16)，以便部分气体从此通道离开所述催化床(6)；

-在气体出口壁(8)的上端(8a)附近提供封住未穿孔壁(15)与气体出口壁(8)之间的所述自由空间(16)的设备，从而防止所述催化床的旁路或进入和离开反应器的气体循环进入催化床。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述未穿孔壁延伸部分的长度为所述气体出口壁(8)长度的5％至50％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述自由空间(16)具有的厚度为0.5至10厘米。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述未穿孔壁(15)被所述气体出口壁(8)支承。

5.根据权利要求4所述的方法，所述气体出口壁(8)直径分别小于所述气体入口壁(7)和所述未穿孔壁(15)的直径，其特征在于：所述未穿孔壁(15)被一种气密式水平隔板(17)支承，该隔板凸出于所述气体出口壁(8)的上端(8a)并倚靠在上端(8a)上。

6.一种多相合成反应器，包括：

-一个外壳(2)；

-至少一种径向或轴径向催化床(6)，配有相向的在所述壳(2)中延伸的穿孔筒状壁用于气体的入口和出口(7，8)；

其特征在于：在所述催化床中进一步包括：

-一个未穿孔筒状壁(15)，与在所述催化床(6)中的所述气体出口壁(8)同轴，所述未穿孔筒状壁(15)从所述气体出口壁(8)的上端(8a)延伸出预定长度的一部分，从而在气体出口壁(8)与未穿孔壁(15)之间形成一个自由空间(16)，以用作部分气体离开所述催化床(6)的通道；

-在气体出口壁(8)的上端(8a)附近，封住未穿孔壁(15)与气体出口壁(8)之间的所述自由空间(16)的设备，从而防止所述催化床的旁路或进入和离开反应器的气体循环进入催化床。

7.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于：所述未穿孔壁(15)延伸部分长度为所述气体出口壁(8)长度的5％至50％。

8.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于：所述自由空间(16)基本上为环形的，且具有的厚度为0.5至10厘米。

9.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于：所述未穿孔壁(15)被所述气体出口壁(8)支承。

10.根据权利要求9所述的反应器，所述气体出口壁(8)直径分别小于所述气体入口壁(7)和所述未穿孔壁(15)的直径，其特征在于：所述未穿孔壁(15)被一种气密式水平隔板(17)支承，该隔板凸出于所述气体出口壁(8)的上端(8a)并倚靠在上端(8a)上。

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