CN102574089B - 管状反应器中容纳催化剂的容器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于***径向管状反应器中的催化剂承载器，该催化剂承载器包括：环形容器，用于容纳使用中的催化剂，所述环形容器具有：限定管的穿孔内壁；穿孔外壁；封闭所述环形容器的顶面以及封闭所述环形容器的底面；表面，封闭由所述穿孔内壁形成的所述管的底部；裙部，沿所述穿孔外壁从位于或接近所述容器的所述底面的位置向上延伸至密封件下方的位置；以及密封件，位于所述顶面或所述顶面的附近，并且从所述环形容器延伸至超出所述裙部的外表面的距离。

Description

管状反应器中容纳催化剂的容器

本发明涉及用于管状反应器的催化剂承载器。更具体地，本发明涉及用于进行放热反应或吸热反应的管状反应器的催化剂承载器。仍然更具体地，本发明涉及用于进行放热反应或吸热反应的反应器的催化剂承载器，其中该反应器包括多个所述催化剂承载器。

管状反应器包括多个管，管通常为圆筒形并且通常随机地填充有催化剂颗粒。传热装置将位于这些管的外部。在操作期间，气体、液体、或者气体和液体从管中流过并经过催化剂颗粒，从而发生所期望的反应。

对于许多反应，反应的热效应为中等。在这种情况下，可使用大直径的管使得大量催化剂分布在管内。然而，对于更多的放热和吸热反应，有必要通过管壁进行有效的热传递以控制反应器内的条件。这意味着分布在管内的催化剂颗粒的数量减少以及因此必须减少管的截面积。

在许多情况下，发生中等至高度放热反应的管状反应器受到热传递的限制。其缺点之一为，因为增加的生产率产生增加的热量，而必须以维持稳定的操作温度因此避免热失控的速率移除增加的热量，所以更活跃的催化剂的益处难以实现。当反应为中等至高度吸热反应时，问题可随着增加的发热而产生并且在一些***中可能破坏管壁。

已知的反应器具有使其变得不太理想的多个缺点。这些反应器注意的一个问题是，为了有效地提取反应热，管的直径必须相对较小以确保管的中心线仍然足够凉从而避免放热反应中的热失控或吸热反应中的淬冷。由于管必须相对较小，通常具有约15mm至40mm的内径，因此显著增加了反应器中需要容纳特定催化剂体积的管的数量并因此增加了管的重量，因而限制了具有合理装运尺寸和重量的单个反应器的生产率。

第二个问题在于，催化剂颗粒必须具有特定的尺寸和形状以及强度以便不会对合适的管长度造成过度的压降，并且这通常导致使用更大的催化剂颗粒。就其自身而言，这可能有问题，其中反应受质量或热传递限制，或者受两者限制。尽管这些问题中的一些可通过确保活性部位仅出现在催化剂颗粒的表面附近而得到缓解，但是这可能限制了可实现的生产率，因为可用的活性部位必须更努力地工作以提供合理的整体生产率，其可缩短催化剂的寿命。

因此希望提供一种使用具有粉末或高表面积结构化或发泡的催化剂的较大横截面积管的装置，该装置在高生产率下操作因此具有高的热输出，并维持约20m的长管和可接受的压降。

本发明通过提供一种催化剂承载器装置来解决上述问题，该催化剂承载器装置被配置于反应器内，并且在使用中优化管壁处的热传递，使得可使用具有较大量的较小催化剂颗粒的较大管，并且使得反应器可在高生产率下(甚至在放热或吸热反应中)操作且具有可接受的压降。

因此，根据本发明，提供了一种用于***管状反应器的管内的催化剂承载器，该催化剂承载器包括：

环形容器，用于容纳使用中的催化剂，该容器具有限定管的穿孔内壁、穿孔外壁、封闭环形容器的顶面以及封闭环形容器的底面；

表面，封闭由环形容器的内壁形成的管底部；

裙部，沿环形容器的穿孔外壁从位于或接近容器的底面的位置向上延伸至密封件位置之下的位置处；以及

密封件，位于顶面处或顶面附近，并且从容器延伸至超出裙部的外表面的距离。

为了避免不清楚，对易于参考的定向的任何讨论(例如，向上、在......之下、下以及诸如此类的词语)已参照附图中所示的催化剂承载器的方向进行了讨论。然而，本发明的催化剂承载器还可用于替代的定向，例如水平。因此，应在文中对应地理解这些术语。

容器的大小通常被设定使得容器的尺寸小于在使用中容器被置于其中的反应器管的内部尺寸。密封件的大小被设定为使得密封件在本发明的催化剂承载器在管内就位时与该反应器管的内壁相互作用。诸如承载器长度和直径的参数将被选择以适应不同的反应和配置。

在用于向下流的垂直反应器中时，反应物向下流过管，并且因此首先接触催化剂承载器的上表面。因为密封件阻止反应物绕容器的侧面通过，容器的顶面将其引导至由容器的内穿孔壁限定的管内。然后，反应物通过穿孔内壁进入环形容器，然后朝向穿孔外壁径向穿过催化剂床。在从内壁到外壁的通过期间，反应物接触催化剂并且发生反应。未反应的反应物和生成物然后通过穿孔外壁流出容器。然后，向上延伸的裙部将反应物和生成物在裙部内表面与环形容器的外表面之间向上引导直到它们到达密封件。然后密封件的下侧将反应物和生成物引导到裙部的末端之上，并且反应物和生成物在裙部的外表面与发生热传递的反应器管内表面之间向下流动。

将理解，反应器为向上流反应器或例如水平定向时，流动路径将与上述的流动路径不同。然而通过该容器的路径原理将如上所述。

通常，多个催化剂承载器将在反应器管内堆叠。在该配置中，反应物/生成物在第一承载器的裙部的外表面与反应器管的内表面之间向下流动直到它们接触第二承载器的上表面和密封件，并且被向下引导至由第二承载器的环形容器的穿孔内壁限定的第二承载器的管中。然后重复上文所述的流动路径。

催化剂承载器可由任意适当的材料形成。这种材料通常被选择为承受反应器的操作条件。通常地，催化剂承载器将由碳钢、铝、不锈钢、其他合金或能够承受反应条件的任意材料制造。

环形容器的壁可具有任意适当的厚度。适当的厚度为约0.1mm至约1.0mm，优选地为约0.3mm至约0.5mm。

环形容器的内壁和外壁中穿孔的大小可被选择为允许反应物和生成物均匀地流过催化剂，并且将催化剂容纳在容器内。因此，应该理解，穿孔的大小取决于所使用的催化剂颗粒的大小。在替代配置中，穿孔的大小可被设定为使得穿孔较大但是具有覆盖穿孔的过滤网以确保将催化剂维持在环形容器内。这使得能够使用较大的穿孔，较大的穿孔便于反应物自由移动而不造成显著的压力损失。

应理解，穿孔可具有任意适当的配置。实际上，在将壁描述为穿孔的情况下，所需要的是允许反应物和生成物通过壁的装置。这些装置可以是任何形态的小孔、可以是狭槽以及可由金属丝网筛或建立多孔或可透过表面的任意其它方式形成。

虽然封闭环形容器的顶面通常位于该环形容器的壁或每个壁的上边缘处，但是可按期望地使顶面位于该上边缘之下使得外壁的上边缘的一部分形成唇部。类似地，底面可位于环形容器的壁或每个壁的下边缘处，或者可按期望地定位底面使其位于环形容器的壁的底边缘之上，使得壁形成唇部。

可使环形件的底面和封闭管底部的表面形成为单个构件或可以连接在一起的两个分离件。这两个表面可共面，但是在优选配置中，它们位于不同的平面。在一个配置中，封闭管底部的表面位于低于环形容器的底面的平面中。当使用多个容器时，该配置用于帮助将一个承载器定位到布置在其下的承载器上。应理解，在替代的配置中，封闭管底部的表面可位于高于环形容器的底面的平面中。

尽管底面通常为实心的，但是其可包括一个或多个排出孔。在存在一个或多个排出孔的情况下，它们可由过滤网覆盖。

类似地，排出孔任选地由存在于封闭管底部的表面中过滤网覆盖。在承载器被用于非垂直定向时，存在的排出孔将位于替代位置，即使用中的承载器的最低点处。

一个或多个间隔装置可从环形容器的底面向下延伸。间隔装置可形成为单独的部件，或者它们可由底面中的凹部形成。在存在这些间隔装置的情况下，在使用过程中，间隔装置帮助提供使反应物和生成物在第一承载器的底面与第二承载器的顶面之间流动的清晰路径。该间隔件可为约4mm至约6mm深。可替代地或者另外地，间隔装置可存在于顶面上。

封闭环形容器的顶面可在其顶面上包括将容器抵靠堆叠在使用中的容器之上的催化剂承载器定位的装置。定位容器的装置可具有任何适当的配置。在一个配置中，该装置包括具有允许反应物进入的孔或空间的直立套环。

向上延伸的裙部可为平滑的或其可被成形。可使用任何适当的形状。适当的形状包括褶状、褶皱等类似物。通常会沿着承载器的长度纵向布置褶状、褶皱等类似物。直立裙部的成形增加了裙部的表面积，并且有助于将催化剂承载器***反应管，因为其允许反应器的内表面上的任何表面粗糙度或待适应的管的容限差异。

在向上延伸的裙部成形的情况下，通常会朝该向上延伸的裙部连接至环形容器的点使该向上延伸的裙部变平至平滑形态，以允许与环形容器形成气体密封件。该直立裙部通常会在环形容器的基部处或基部附近连接至环形容器的外壁。在裙部连接至壁的底部之上的点处的情况下，可使该壁在连接点之下的区域中无穿孔。该直立的裙部可为柔性的。

通常，该直立的裙部将在比环形容器的顶面短约0.5cm至约1.5cm，优选地约1cm处停止。

在不希望受任何理论约束的情况下，确信该直立的裙部用于使反应物/生成物从环形容器的穿孔外壁聚集，并且通过形状朝催化剂承载器的顶部引导它们，从而收集随着反应物/生成物向上移动而从环形容器的外壁出去的更多的反应物/生成物。如上所述，然后在管壁与直立的裙部的外侧之间向下引导反应物/生成物。通过此方法，热传递沿该承载器的整体长度向下增强，但是随着热交换与催化剂分离，可视需要使用较热或较冷的热交换流体，而不使管壁处的反应淬冷且同时确保合适地调整朝向承载器中心的催化剂的温度。

密封件可以任意适当的方式形成。然而，密封件通常可充分压缩以适应反应器管的最小直径。密封件通常为柔性的滑动的密封件。在一种配置中，可使用O型环。可使用可压缩的开口环或具有高膨胀系数的环。密封件可由任意适当的能承受反应条件的材料形成。在一个配置中，密封件可以是从承载器延伸的可变形的凸缘。该凸缘的大小可被设定为大于管的内径，使得随着将容器***管内，该凸缘变形以装配在管内且与管相互作用。

本发明的一个优点在于，可在本发明的承载器内向使用者提供催化剂，然后可以最小停机时间将本发明的承载器容易地安装在反应器管内。因此，可在催化剂制造现场将催化剂载入催化剂承载器中。可预还原催化剂且使催化剂稳定或封装催化剂，从而消除现场处理催化剂的需要。一旦催化剂耗尽，可容易地将承载器作为离散的单元从反应器移除，并且视需要容易地运输该承载器用于处理或再生。

本发明的另一优点在于，消除了现有技术配置中注意的确保均匀填充管状反应器的各管的问题。

本发明的催化剂承载器允许将介质中的高度颗粒化或结构化的催化剂用于高放热或高吸热的反应。装置允许使用大型管，从而导致给定容量的反应器的较大重量和成本的减少，因为热传递有效地发生在管壁处的微通道区域中。这给出到冷却/加热介质或来自冷却/加热介质的良好的热传递。此外，随着催化剂与冷却/加热介质分离，可在热交换效应与反应分离时允许较大的温差。将本发明的多个承载器***管中有效地提供了各管中的多个串联的绝热反应器。

催化剂承载器可用于范围广泛的工艺中。适当的工艺的实施例包括用于放热反应诸如制造甲醇的反应、制造氨气的反应、甲烷化反应变换反应、氧化反应(诸如顺丁烯二酸酐以及环氧乙烷的形成)、费托(Fischer-Tropsch)反应等的反应器。可在包括本发明的催化剂承载器的反应器中实现吸热反应，诸如预转化(pre-reforming)、脱氢作用等。

本发明的催化剂承载器可填满或部分填充有任意适当的催化剂。

根据本发明的第二方面，提供一种反应器管，其包括根据本发明中上文提及的第一方面所述的多个催化剂承载器。

根据本发明的第三方面，提供一种反应器，其包括根据上文第二方面所述的一个或多个反应器管。

根据本发明的第四方面，提供一种用于执行反应的方法，其中，反应物进入上述第一方面所述的催化剂承载器、上述第二方面所述的反应器管或上述第三方面所述的反应器。

通过催化剂床的反应物的流动优选地呈放射状。

本发明的催化剂承载器允许使用比在此之前已可行的反应器管更长的反应器管。

现在结合附图通过实施例描述本发明，其中：

图1是本发明的催化剂承载器的从上方观察的立体图；

图2是从下方观察的催化剂承载器的立体图；

图3是从侧面观察的部分截面图；

图4是本发明的催化剂承载器的简图；

图5是本发明的承载器位于管内时从下方观察的示意图；

图6是位于管内的三个催化剂承载器的示意性截面图；以及

图7是图6的截面A的放大截面图。

图1至图3示出了本发明的催化剂承载器1。该承载器包括具有穿孔壁3、4的环形容器2。内穿孔壁3限定管5。顶面6在顶部处封闭环形容器。顶面6位于朝向环形容器2的壁3、4的顶部的点处，从而形成唇部6。底面7封闭环形容器2的底部，表面8封闭管5的底部。表面8位于比底面7的平面更低的平面内。呈多个凹部9形式的间隔装置位于环形容器2的底面7上。排出孔10、11位于底面7和表面8上。

密封件12从上表面6延伸，并且提供与管5同轴的直立套环13。

折皱的直立裙部14围绕容器2。在朝向承载器1的基部的区域L中使折皱变平。

本发明的催化剂承载器1位于反应器管15内。图4通过箭头示意性地示出气流。

当本发明的多个催化剂承载器位于反应器管15内时，它们如图6和7所示进行互锁。图7所示的放大的截面图说明了对流动路径的影响。

下面将通过简化比较以图解方式说明本发明的原理。

比较具有相同的催化剂量和整体管长度的本发明的管状反应器和传统的管状反应器，传统的反应器可能需要12个25mm内径的管来容纳与包含本发明的催化剂承载器中的催化剂的单个100mm内径管相同的催化剂量(在允许承载器中的催化剂量损失之后)。

将产生或需要近似相同的热量，因此较大的管必须以每单位管表面积的较高速率传输该热量。

12个25mm内径的管具有为单个100mm内径管的表面积三倍的表面积。管壁处的微通道区域中引起的高热传递速率将补偿所减少的面积。

应该理解，虽然具体参考了在圆形横截面的管中的使用来描述催化剂承载器，但是该管可具有非圆形横截面，例如，其可为平板反应器。当管具有非圆形横截面时，承载器将具有合适的形状。在该配置中，环形将不再是圆环，应在文中对应地理解这些术语。

Claims (14)

1.一种催化剂承载器，用于***径向管反应器的管中，并包括：

环形容器，用于容纳使用中的催化剂，所述环形容器具有：限定管的穿孔内壁；穿孔外壁；封闭所述环形容器的顶面以及封闭所述环形容器的底面；

表面，封闭由所述穿孔内壁形成的所述管的底部；

裙部，沿所述穿孔外壁从位于或接近所述容器的所述底面的位置向上延伸至密封件下方的位置；以及

密封件，位于所述顶面或所述顶面的附近，并且从所述环形容器延伸至超出所述裙部的外表面的距离。

2.如权利要求1所述的催化剂承载器，其中所述底面中设有一个或多个排出孔。

3.如权利要求1或2所述的催化剂承载器，其中封闭所述管的底部的所述表面内设有一个或多个排出孔。

4.如权利要求1所述的催化剂承载器，其中从所述环形容器的所述底面向下延伸出一个或多个间隔装置。

5.如权利要求1所述的催化剂承载器，其中封闭所述环形容器的所述顶面包括：使所述环形容器与在使用中的所述容器上方堆叠的催化剂承载器抵靠定位的装置。

6.如权利要求1所述的催化剂承载器，其中向上延伸的所述裙部被成形。

7.如权利要求6所述的催化剂承载器，其中向上延伸的所述裙部上成形有褶皱。

8.如权利要求6或7所述的催化剂承载器，其中向上延伸的所述裙部朝向其与所述环形容器的连接点被变平，从而形成平滑配置。

9.如权利要求1所述的催化剂承载器，包括催化剂。

10.一种反应器管，包括如权利要求1至9中任一项所述的多个催化剂承载器。

11.一种反应器，包括如权利要求10所述的一个或多个反应器管。

12.一种用于执行反应的方法，其中，所述反应物进入如权利要求1至9中任一项所述的催化剂承载器、如权利要求10所述的反应器管或如权利要求11所述的反应器。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述反应物呈放射状地通过催化剂床。

14.如权利要求12或13所述的方法，其中所述反应是放热反应或吸热反应。