CN1186768A - 高效催化转化一氧化碳的方法 - Google Patents

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Abstract

高效催化转化一氧化碳(CO)为二氧化碳(CO2)的方法,包括步骤:以预定速度向反应区(3)通入含一氧化碳的气流,在反应区(3)中使所述一氧化碳反应得到含二氧化碳的气流,该方法的特征是以预备步骤在所述反应区(3)的上游加速含一氧化碳的所述气流。

Description

高效催化转化一氧化碳的方法
本发明涉及一种高效催化转化一氧化碳(CO)为二氧化碳(CO2)的方法，该方法包括下列步骤：
以预定速度将含有一氧化碳的气流供入反应区；
在此反应区将一氧化碳进行反应得到含二氧化碳的气流。
在下列描述中和下列权利要求中，术语″反应区″通常理解为由含催化剂装置构成的空间，在此空间内发生根据下式的由一氧化碳向二氧化碳的转化反应：
一氧化碳转化反应对工业来说是非常重要的，因为它可以得到用于许多合成反应(例如合成氨)的基本试剂之一，即，氢(H2)。
本发明还分别涉及用于实现上述反应的反应器和设备，以及分别采用上述反应器和设备催化转化一氧化碳的新方法。
已知在催化一氧化碳转化领域中，强烈地需要提供易于实施的转化方法，以便用低运转费用和低投资及低能耗得到较高的生产能力。
为了满足这个要求，有人建议在工业一氧化碳转化方法中，使气态反应剂以基本轴向的，径向的或轴向-径向运动流过由至少一种催化床构成的反应区。
此类方法的描述例如记载在EP-A-0372453中。
该技术尽管具有某种程度的优点，根据已有技术的方法，总是存在严重的缺点，即涉及在含一氧化碳的气流中夹带的--例如，以水滴的形式存在的--水。
的确，水与一氧化碳一同引入反应区不可逆地损坏了其中的催化剂的表面层，使其过于致密或填塞。
其原因特别是由于水与高温催化剂接触后立即蒸发造成的局部热冲击，以及部分地是由于水对催化剂的机械冲击。
这一催化剂表面层的填塞主要结果是造成穿过催化物质的气流较大的压力降，催化剂活性降低和相关的转化率降低(并关系到生产能力)以及高能耗。
现有技术的这种一氧化碳转化方法的重要缺点已经公知达二十多年了，迄今唯一的解决方法是用人工去除填塞的催化剂和用新的催化剂更换它。
此外，填塞催化剂层的形成是很频繁的，对转化总体工况不利，以至需在很短的时间间隔内进行上述处理，通常少于一年(3-9个月)。
易于想象，上述缺点的已有解决方法在工业要求上认为是不满意的，因为它涉及到实施转化工艺的工厂停工停产，并需高的维修和运转费用以及高的能耗。
基于这一问题，本发明提供一种一氧化碳转化方法，该方法可以获得高的生产能力，实施该方法不需高的运行和投资费用，也不需高的维修费和高的能耗。
特别地，基于这一问题，本发明提出一种有效的一氧化碳的转化方法，使用该方法后，不会发生现有技术的方法中存在的催化剂表面的填塞现象。
根据本发明，上述问题是通过上述类型的一氧化碳转化方法来解决的，该方法的特征包括如下预备步骤：
在反应区的上游加速含一氧化碳的气流。
有利的是，采用加速通入反应区进口的含有一氧化碳的气流的步骤，有可能使水分裂，其中夹带小直径的，例如直径在100-600μm之间的小水滴，以便促使通入的未被水蒸汽饱和的供给气流中的至少部分水蒸发。
此外，还惊奇地发现，在实施加速步骤后，分裂产生的水滴均趋向于浓缩-由于流体力学原因-并朝向供给气流的中心，使其只撞击反应区中包含的催化物质的很小区域部分，而严格地限制了由于催化剂填塞产生的压力降。
最后，作为上述水分裂成小直径水滴的结果，任何产生于机械冲击的催化剂的损害基本得以消除。
这样，本发明的方法，一方面至少有利地部分消除了在供给气流中夹带的水，另一方面大大地减少了被这种雾沫所撞击的催化剂部分及其有害后果。
上述加速优选提高含有一氧化碳的气流的速度大约1.5-5倍，由此使得气流中夹带的全部水发生有效的和完全的分裂。
含一氧化碳的气流基本上以径向或轴向/径向运动流过反应区更为有利。
在这种方式下，由于这些剩余的雾沫撞击的反应区部分是十分次要的和处于边缘，因此在供给的气流中痕量水的存在一般不会造成填塞问题和由此产生的压力降。
为实施上述方法，本发明给出一种反应器，用于将一氧化碳高效催化转化为二氧化碳，其型式包括：
一种基本是圆筒型的外壳；
上述壳内支撑的至少一个催化床；
与上述壳连接的一个流体进口喷嘴，将含有一氧化碳的气流输入所述的至少一个催化床；
进一步的特征还包括：
支撑在至少一个催化床上游，用于加速气流的装置。
作为另一个可供选择的方案，有利地由一种设备实施本发明，高效地催化转化一氧化碳成为二氧化碳，其型式包括：
一转化反应器，包括一基本是圆筒形的外壳，在该壳内支撑至少一个催化床；
一导管用于向反应器输送含一氧化碳的气流；
其进一步的特征包括：
支撑在导管内用于加速气流的装置。
本发明的另一方面，还可提供一种改良反应器的方法，用于将一氧化碳催化转化为二氧化碳，其型式包括：
一种基本是圆筒型的外壳；
在上述壳内支撑至少一个催化床；
一个与该壳连接的进气喷嘴，将含有一氧化碳的气流供给该至少一个催化床；
进一步的特征包括：
安装在所述至少一个催化床的上游，用于加速气流的装置。
根据本发明的再一方面，还可提供一种改良设备的方法，用于将一氧化碳催化转化为二氧化碳，其型式包括：
一转化反应器，包括一基本是圆筒形的外壳，在此壳内支撑至少一个催化床；
一导管用于向所述反应器输入含有一氧化碳的气流；
其特征包括：
在导管中安装用于加速气流的装置。
由于上述的新方法分别可以用于已有的反应器或设备，可得到一个易于实施的一氧化碳转化方法，能够以低运行费用和低能耗实现高生产能力，在该方法中不会发生在所述至少一个催化床中含有的催化剂的表面填塞现象。
本发明方法的特征和优点通过以下的非限制性实施例及参考附图所给出其方案的描述中得以体现。
图1是本发明的一氧化碳转化反应器的纵截面图示。
参见图1，数字1代表将一氧化碳高效地催化转化为二氧化碳的反应器主体。
一般，转化反应在温度180-500℃，压力1-100巴(bar)间进行。
设备1包括一个基本为圆筒形的外壳2，其中定义了反应区3，反应区中支撑一个含有催化剂5的催化床4。
在图1的实施例中，催化剂5全部装在单一的催化床4中。但也可提供一个反应区3，其中催化剂5分布在多个催化床4中，例如2个或3个催化床中。
催化床4是轴向/径向型的，其上端6和侧壁7可渗透气体。
在催化床4中，对液体流动也可提供可渗透的侧壁8与支管9流体联通，该支管9用于收集离开催化床4的气体。
此类型催化床在例如EP-A-0 372 453中有描述。
为了阻止催化剂5不希望的逃逸，通常端头6装有一个已知类型的栅盖(未示出)。
根据未示出的本发明的一个可供选择的实施例，催化床4可以是纯径向的，端头6是不可渗透气体的。
数字10和11分别代表气体进口喷嘴和气体出口喷嘴，并分别位于壳2的上端和下端。
有利的是，催化床4的上游合适地支持着由数字12所示的装置--用于加速输入反应区3的气流。
在图1的实施例中，装置12被置于气体入口喷嘴10处，并优选靠近壳2。
这一布置是特别优选的，因为它使得装置12易于制作，尺寸较小，并易于进行维护。
此处应注意，在壳2靠近气体入口喷嘴10的位置，通常提供一个开孔(未示出)，在工业中称为″人孔″(manhole)，用于对转化反应器1的检查和维修。
装置12包括瓶颈部件13，其通道直径小于气体入口喷嘴10的直径。例如，文丘里型的或校准盘型部件可以用作瓶颈部件13。
上述通道之间的直径比率介于0.45-0.85之间时，获得了特别满意的结果。
由于加速装置12，可在进料气流中夹带由水分裂成的小直径的水滴，以促进至少部分水的蒸发，在任何情况下大大降低了损害催化剂的危险。
图1中，箭头Fg表示随后在转化反应器中气流行走的各种路径，而数字14表示气流中夹带的水滴。
在穿过催化床4时，输入反应区3的含有一氧化碳和蒸汽的气流Fg的组分随着转化反应而变化，使在反应器1的出口，其主要含有二氧化碳和氢。
由于用装置12给气流Fg加速，液滴14在反应区中心带浓缩，并只撞击催化剂5的表面小而有限的部分。
此外，由于液滴14被分裂成可以忽略不计的大小，它们对催化物质的冲击并不造成任何特别的填塞问题。
本发明的催化转化方法，含有一氧化碳的气流Fg以预定的速度输入反应区3，在此一氧化碳发生反应，提供含二氧化碳的气流Fg。
有利的是，依照本方法的预备步骤，含一氧化碳的气流Fg在反应区3的上游被加速。
这样，在供入的气流中夹带的水滴14被分裂，结果至少有部分水蒸发，以防止或至少基本上减少了反应区3中含有的催化剂表面填塞层的形成。
上面已提及本方法的压力和温度操作条件，符合根据在先技术的催化一氧化碳转化方法的典型操作条件。
已发现，通过适当地提高气流Fg的速度，可使水滴14几乎全部蒸发。特别是当把气流Fg的速度提高到例如4-5倍的速率时，便会发生这种情况。
参见图1的反应器，上述速度提高的范围是通过优选使用文丘里型瓶颈部件13得到的，部件13通道直径与气体进口喷嘴10的通道直径比在0.45-0.50之间。
由于在反应区3中存在轴向/径向型的催化床4，导入气流Fg以基本轴向/径向运动有利地流入转化反应器1。
以此方式得到了双重优点：一方面补偿了由瓶颈部件13造成的压力降，另一方面得到了当其被填塞时必要情况下可牺牲的催化剂5表面的次要和边缘区域。
的确，就气流Fg以纯轴向穿过催化床而论，通过催化物质产生的压力降已大大降低了，以便面对不用特别限制生产能力，即使气流Fg通过瓶颈部件13时产生的压力降较高。
此外，如图1所示，水滴14被输送至催化床4的次要和边缘区，即床4的轴向部分中心区，从而防止了对催化剂5的剩余部分的任何损害，结果避免了在催化床4上形成额外的不需要的压力降。
从压力降的观点看，在纯径向催化床的情况下，相对于轴向/径向床来说，也获得了同样的优点。但在相同的条件下，催化物质的利用以及反应器的生产能力是较小的，因为由于缺少轴向部件，未能对催化物质作最佳利用。
根据本发明的特别优选的实施例，加速装置12包括一个文丘里部件13，相对于由校准盘类型或相似类型的瓶颈部件所造成的压力降来说，它以最小的压力降对输入气流Fg提供所希望的加速。
根据本发明，按照本方法的一个可供选择的实施方案，还可以提供一种设备(未示出)，该设备包括：
一转换反应器，具有基本是圆筒形的外壳和在壳内支持的至少一个催化床；
一导管，用于向反应器输入含一氧化碳的进料气流。
导管的功能通常是将反应器与布置在反应器上游的生产锅炉连在一起。
术语″生产锅炉″即指通过用含一氧化碳的热流和水流之间间接进行热交换的方法产生蒸汽的锅炉。这种锅炉一般是管巢状的，管的两端固定在两端的管板上。
有利的是，设备包括用于加速支持在导管内的进料气流Fg的装置。
加速装置优选包括瓶颈部件，其通道直径小于导管的通道直径。
上述通道直径之间的比例优选地在0.45-0.85之间，瓶颈部件是文丘里型的。
关于催化剂填塞问题，由这种类型设备得到的优点可以与以上根据图1的反应器讨论过的那些类型相比。
不过在此情况下，由于进料气流加速装置位于导管的内部，它们的安装和维修是较困难的。
本发明还分别提供了用于催化转化一氧化碳的反应器和设备的新方法。
有利的是，这些方法包括将装置布置在反应区上游的步骤，以便适当地加速含一氧化碳的进料气流。
在这种方式中，有可能以技术上简单的方法和较低的实施费用，及用现有的反应器或设备进行转化，以得到上述优点，消除先前技术中存在的不利之处。
加速装置优选装在一个气体进口喷嘴内，或装在进料导管内，并包括例如文丘里型的瓶颈部件，其通道直径小于含有它们的部件的通道直径。
由以上讨论，本发明所取得的众多优点是显而易见的，用易于实施的转换方法，即使不能完全消除反应区中产生的催化剂的表面填塞问题，但具备特别有效的抵消作用，以低运行费用和低能耗，获得高生产能力。

Claims (18)

1.高效催化转化一氧化碳(CO)为二氧化碳(CO2)的方法，包括以下步骤：
以预定速度向反应区(3)供入含有一氧化碳的气流；
在所述反应区(3)使所述一氧化碳反应得到含二氧化碳的气流；
其特征在于包括预备步骤：
在所述反应区(3)的上游，加速所述含一氧化碳的气流。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述加速是指将所述含一氧化碳的气流的速度提高1.5-5倍。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于所述含一氧化碳的气流以基本径向或轴向/径向运动通过所述反应区(3)。
4.高效催化转化一氧化碳(CO)为二氧化碳(CO2)的反应器，包括：
一个基本为圆筒形的外壳(2)；
所述壳(2)内支持至少一个催化床(4)；
与所述壳(2)相连接的一个流体入口喷嘴(10)，用于向所述至少一个催化床(4)输送含一氧化碳的气流；
其特征在于进一步包括：
支撑在所述至少一个催化床(4)上游的用于加速所述气流的装置(12)。
5.根据权利要求4的反应器，其特征在于所述装置(12)安装在所述喷嘴(10)内。
6.根据权利要求4的反应器，其特征在于所述装置(12)包括一个瓶颈部件(13)，该瓶颈部件(13)的通道直径小于所述喷嘴(10)的通道直径。
7.根据权利要求6的反应器，其特征在于所述瓶颈部件(13)的通道直径与所述喷嘴(10)的通道直径之比为0.45-0.85。
8.根据权利要求6的反应器，其特征在于所述瓶颈部件(13)是文丘里型。
9.根据权利要求4的反应器，其特征在于所述至少一个催化床(4)是径向或轴向/径向型的。
10.高效催化转化一氧化碳(CO)为二氧化碳(CO2)的设备，包括：
一转化反应器，包括基本是圆筒形的外壳和在所述壳内支持着至少一个催化床；
一导管，用于向所述反应器中输送含一氧化碳的气流；
其特征在于进一步包括：
支撑在所述导管中的用于加速所述气流的装置。
11.根据权利要求10的设备，其特征在于所述设备包括一个瓶颈部件，该瓶颈部件的通道直径小于所述导管的通道直径。
12.根据权利要求11的设备，其特征在于所述瓶颈部件的通道直径和所述导管的通道直径之比为0.45-0.85。
13.根据权利要求11的设备，其特征在于所述瓶颈部件是文丘里型。
14.改良用于高效催化转化一氧化碳(CO)为二氧化碳(CO2)的反应器的方法，其所说反应器包括：
一个基本为圆筒形的外壳(2)；
在所述壳(2)内支持着至少一个催化床(4)；
与所述壳(2)连接的流体进口喷嘴(10)，用于向所述至少一个催化床(4)输送含一氧化碳的气流；
其特征在于进一步包括：
在所述至少一个催化床(4)的上游安装用于加速所述气流的装置(12)。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于在所述喷嘴(10)内安装所述装置(12)。
16.根据权利要求14的方法，其特征在于所述装置(12)包括一个瓶颈部件(13)，该瓶颈部件(13)的通道直径小于所述喷嘴(10)的通道直径。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于所述瓶颈部件(13)是文丘里型。
18.改良用于催化转化一氧化碳(CO)为二氧化碳(CO2)的设备的方法，
所说设备包括：
一转化反应器，包括基本是圆筒形的外壳和在所述壳内支持的至少一个催化床；
一导管，用于向所述反应器中输入含一氧化碳的气流：
其特征在于包括：
在所述导管中安装用于加速所述气流的装置。
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