催化反应器的制作方法

专利名称：催化反应器的制作方法
催化反应器本发明涉及一种能改变流体流经导管例如管过程中的流动方向的导流片(flow deflector)。导管可由内和外导管形成，所述内和外导管在导管中产生环形区域。导流片迫 使流经导管的环形区域的流体在内导管内流动，而流经内导管的流体被迫流经环形区域， 反之亦然。特别地，本发明涉及圆形导管，例如包含所述导流片并在内管中布置有催化剂的 管。所述管可被组装成长形管以形成反应管而用于催化反应器如蒸汽重整用管式重整器 中。常规蒸汽重整技术使用 不同尺寸和形状的颗粒形式的重整催化剂。所述颗粒被布 置在重整器管中而形成催化剂固定床。由于重整反应是吸热的，反应中所需的热常通过在 重整器管的外侧上合并辐射和对流热自管外环境供给。在管式重整器(辐射炉)中，供给 重整器管的外热主要是来自沿管式重整器的壁布置的燃烧器所产生的火焰的辐射热。所述 热通过热传导经管壁传至重整器管的内侧，然后通过对流传至气相，随后也通过对流传至 催化剂颗粒。为增强传热，已有提出使用其中催化剂层固定在另一材料表面如金属表面上 的催化剂体系，例如我们的美国专利6，746，624、US 6，319，877和US 6，576，158中描述为 “催化硬件(catalysed hardware) ”的催化剂体系。这样的金属表面用作支承结构而赋予 催化剂体系以强度。向催化剂的热传输通过从内管壁传导进行，这是比经由气相通过对流 传输高效得多的传输机制。支承或固定催化剂于另一材料的表面上如重整器管的壁中的概念已经证实可得 到紧凑型管式重整器，其传热优异、当使用贵金属催化剂时有使用低蒸汽-碳比率的自由、 压降小且热通量高。但在更换催化剂的能力方面存在不利，因为其还需要更换管，这被看做 是以其现有形式和状态使用该催化剂技术的阻碍因素。也有提出使用整体件如蜂巢形式的固体结构元件来进行催化吸热或放热反应。我 们的美国专利4，985，230描述了例如具有许多通道的结构元件的形式的催化剂的应用。通 过所述通道后，过程流体被细分成子流，所述子流相对于总的流体流动的长度方向以一定 角度流动。当到达封闭催化剂的一个壁时，子流的流向将改变。美国专利4，859，642中使用了各自隔开的蜂巢式催化剂元件与布置在所述各个 蜂巢式元件之间的惰性静态混合元件的形式的结构元件来形成固定床催化反应器管。进入 混合元件中心的气体被导向下游蜂巢式催化剂的侧面，而在混合元件的侧面处进入的气体 被导向下游蜂巢式催化剂的中心。因此，总的流动方向将保持且在反应器管中无环面区域。 被静态混合器占据的无催化剂的区域占管段长度的约50%。除静态混合元件上显著的压降 之外，此概念还常导致当进行吸热过程如重整时不适宜的“热带”的形成，这是由于高级烃 可能因与蜂巢式催化剂串联地布置的换热区(静态混合元件)而达到高温，同时热在整个 管长度上提供。由于烃因重整器管的一些区域中催化剂活性降低而达到高温，故“热带”通 常发生在管式重整器中。本发明的一个目的是设计一种管式重整器，所述管式重整器与其中催化剂层固定 在另一材料表面上的管式重整器性能接近，但其中更换催化剂时可无需更换管。本发明的另一目的是提供一种与常规管式重整器具有至少相同的性能但成本较低的管式重整器。本发明的再一目的是提供一种优异的反应器管，所述反应器管由压降较低且在管 式重整器中形成热带的风险较小的结构元件构成。这些及其他目的通过本发明得到了解决。在本发明的第一方面，提供了一种能使导管或通道中流体的流动转向的导流片。就其最广泛的形式而言，提供了一种包含第一构件和第二构件的导流片，其中所 述第一和第二构件中的任一个具有选自凹形、凸形、平面形、平-凹、平-凸及其组合的几何 形状，其中所述第一和第二构件相交并相对于彼此形成30° -150°的角α，第一构件提供 有限定所述第一构件上的内周界的孔，第一构件的所述内周界对应于第二构件的周界，所 述第二构件通过所述孔在第一构件上沿连接所述第一构件的内周界的两个直接相对的点 的线定位的交点处与所述第一构件相交。本文中用到的术语凹形构件指具有向内弯曲的表面的构件，术语凸形指和凹形相 反，术语平面形指平整表面，术语平_凹构件指在一侧上平整而在另一侧上凹形的构件，术 语平_凸构件指在一侧上平整而在另一侧上凸形的构件。其组合包括双凹、双凸和凸_凹 几何形状。在第一构件中提供孔后可出现其他几何形状；例如，在双凸的第一构件的中心处 提供孔(洞)将产生具有环形几何形状的环形构件。构件的周界与其厚度的比率至少为2、 优选至少为10或至少100。低到2的比率主要适用于平-凹或平-凸构件，而至少为10的 比率限定具有薄表面的具有任何上述几何形状的构件，但更优选具有凹形、凸形或平面形 几何形状的构件。应理解，导流片的构件的几何形状可不必相同。例如，第一构件可为平面形，而第 二构件可为凹形或相反。优选第一构件的孔与第一构件的其余部分同中心。在本发明的一个优选的实施方案中，第一和第二构件为平面形，第一平面形构件 沿第一平面延伸，第二平面形构件沿第二平面延伸。因此提供了第一平面形构件和第二平 面形构件的形式的导流片，所述第一平面形构件沿第一平面延伸，所述第二平面形构件沿 第二平面延伸，其中所述第一和第二平面形构件相交并相对于彼此形成30° -150°的角 α，所述第一平面形构件提供有限定所述第一平面形构件上的内周界的孔，第一平面形构 件的所述内周界对应于第二平面形构件的周界，所述第二平面形构件通过所述孔在第一平 面形构件上沿连接所述第一平面形构件的内周界的两个直接相对的点的线定位的交点处 与所述第一平面形构件相交。第一平面形构件的孔优选与第一平面形构件的其余部分同中心。在此优选的实施方案中，导流片可因此看做是在中间有孔的板(第一平面形构 件)，其被周界等于所述孔的周界的较小的板(第二平面形构件)穿过。所述孔被所述较小 的板以使两板相对于彼此形成角(α)的方式穿过。所述导流片优选相对于连接所述第一 平面形构件的内周界的两个直接相对的点的线对称；因此，所述线将所述第一平面形构件 分成基本相等的两半。所述导流片可易于通过简单地在第一平面形构件的中间切掉一个部分而产生孔 并同时自从第一平面形构件切除的所述孔部分形成第二平面形构件来产生。所形成的第二 平面形构件然后被翻转以形成所述角(α )。
由于第一构件较大，S卩比第二构件具有更大的周界，故本发明的导流片可有利地 适用于其中有必要将流动的行进方向由靠近导管壁区域变为向着导管中心区域或反过来 的导管，特别是在换热操作中。本发明因此还涵盖其中布置了所述导流片的导管。在一个实施方案中，所述导管 由内和外导管形成，其中所述内导管内的空间限定流道的内区域，所述内和外导管间的空 间限定流道的环形区域，第一构件与所述环形区域相交并以相对于导管的长度轴成角α /2 的方向延伸穿过所述环形区域直至沿第一构件的周界与外导管接触，第二构件与所述内区 域相交并延伸穿过所述内区域直至沿所述第二构件的周界与内导管接触。在另一实施方案中，例如在冷却的反应器特别是沸水反应器情况下，仅提供了单 个(外)导管。导流片被置于导管内，在导流片上下附近的区域中提供了内导管件以便让流 体流沿(外)导管的周界分布。所述内导管可具有从零一直到所述导管所提供的最大长度 的任何长度。但优选所述内导管不长于确保从导管中的周边流分出中心流所必须的长度。 该实施方案可在内导管件的两端上包含穿孔板或网格以防止催化颗粒进入导流片区域。沸 水反应器的一个实例为生产甲醇用的沸水反应器。本文中用到的术语“流体”指气体如超临界或亚临界气体、液体或其组合。 因此，第一构件的周界区域适于与外导管的壁配合，而第二构件的周界区域适于 与内导管的壁配合。换句话说，第一构件和外导管沿第一构件的周界线配合，而第二构件和 内导管沿第二构件的周界线配合。由于第一构件与导管的环形区域相交并以相对于导管的 长度轴成角α/2的方向延伸穿过所述环形区域直至沿第一构件的周界与外导管接触，故 环形区域中流体的方向被偏转，流体被迫流经导管的中心区域。同样，由于第二构件与导管 的内区域相交并延伸穿过所述内区域直至沿所述第二构件的周界与内导管接触，故内区域 中流体的方向被同时偏转，流体被迫流经导管的环形区域。在含导流片的导管的一个优选的实施方案中，所述第一和第二构件是平面形的。 因此，本发明也涵盖其中布置了导流片的导管，其中所述第一和第二构件是平面形的，第一 平面形构件沿第一平面延伸，第二平面形构件沿第二平面延伸，导管由内和外导管形成，其 中内导管内的空间限定流道的内区域，内和外导管间的空间限定流道的环形区域，第一平 面形构件与所述环形区域相交并以相对于导管的长度轴成角α/2的方向延伸穿过所述环 形区域直至沿第一平面形构件的周界与外导管接触，第二平面形构件与所述内区域相交并 延伸穿过所述内区域直至沿所述第二平面形构件的周界与内导管接触。限定导流片的第一和第二构件的相对位置的角α在30° -150°范围内，优选 60° -120°，更优选80° -100°，最优选约90°。为使角α独立于第一和第二构件的几 何形状，所述角由第二构件的周界至第一构件的外周界测量，即由第二构件的边缘至第一 构件的外边缘测量。由于第一构件(其优选平面形构件)相对于导管的长度轴的角度为 α /2 (长度轴平分α )，故第一构件相对于导管的长度轴倾斜，也优选为平面形构件的第二 构件也是如此。所述导管原则上可具有任何形状，但优选正方形导管、矩形导管、圆形导管如圆管 或管。导管形状的组合也是可能的。因此，外导管可为正方形或矩形，而内导管为圆形， 例如在正方形或矩形导管内含圆管。
更优选导管为其中内导管呈内管形式、外导管呈外管形式的管，内管还包含选自 形成催化剂固定床的颗粒、涂布或浸渍在布置在内管内的结构元件上的催化剂的催化剂及 其组合。这样可实现环面中高传热速率与管中心中催化剂部分可在较低线速度下提供气体 转化的组合。使用导流片，气体被迫在环面和中心之间改变位置。在现有技术系统如美国专利4，859，642的系统中形成换热区的静态混合器与结 构元件串联并因此按顺序地布置(蜂巢式催化剂)，与之相反，本发明环绕结构元件提供换 热区(环面)。管中的流动同时从环面改变位置到内管，因此，在吸热反应器如管式重整器 中形成“热带”的倾向显著降低。本文中用到的术语“结构元件”指包含多个层的设备，邻接的层间的流动通道形成 彼此交叉的流动通道或形成直通道。术语“结构元件”也指具有高表面积的元件如鲍尔环、 马鞍环(saddle ring)和拉西环。虽然可在内管中采用形成固定床的催化剂颗粒，但优选催化剂被涂布或浸渍 在内 管内布置的结构元件上。优选结构元件呈整体件形式如直通道整体件或交叉波纹整体件， 更优选直通道整体件以减少管中的压降。管中心中整体件的使用可实现管段中心上的低压降。与使用涂布或浸渍了催化剂 的整体件相比，重整器必须优选在高质量通量下运行以在环面中实现良好的传热，且由于 一半的流动在中心，故常规的固定催化剂床将产生高压降和环面宽度与重整器管直径间不 可行的比例。整体件的使用可减小管壁厚度，相应地可充分利用反应器管的内区域上较高 的传热系数的益处。此外，管式重整器中的管直径将不受催化剂颗粒直径与重整管的内径 间的关系限制，而在具有重整催化剂固定床的常规管式重整器中，较小的管必须装载较小 的催化剂颗粒，这将带来高压降。与现有技术管式重整器相比，由于现在可使用较小直径和因此较薄壁厚度和较高 热通量的重整管，故本发明还产生更紧凑的结构和因此更低成本的重整器。使用涂布的催 化剂时可使用贵金属催化剂而在低蒸汽-碳比率下运行，这也将减小工厂设备尺寸。与其 中催化剂层固定在另一材料表面上的所谓催化硬件概念相比，现在的一个优势在于更换催 化剂时可无需更换反应器管。与催化硬件概念相比，本发明还提供了可在重整器内提供更 多催化剂的优势。在本发明的一个特定的实施方案中，催化剂(优选重整催化剂)被涂布或浸渍在 与内管接触的整体式包装(monolith wrapping)的外侧上。整体式包装上即环面通道的内 壁上催化剂的存在因吸热重整反应而可使气体温度降低，这将在管的内壁与气体间提供较 大的温差并因此增加进入管中的热通量。相应地，一些重整活动被带到环面中进行，因此可 降低管壁温度。为进一步增强传热，管的环形区域可提供有促进流动中的湍流的静态混合元件而 不显著增大压降。因此，在本发明的另一实施方案中，管的环形区域提供有选自沿内管的外 壁配合的波纹表面、沿外管的内壁配合的波纹表面、沿管的宽度和长度延伸的螺旋形元件 及其组合的静态混合元件。波纹表面优选呈可适应管壁的带褶陶瓷或金属箔等形式。本发明使得可用含结构元件、环面和导流片的各管段由管段构造反应器管。管段 通常长约0. 5m,导流片占管段长度的5-30 %、优选约20%，这对应于0. 5m管段中的0. lm。 所述管然后被组装成9-15m长或其他适宜长度的反应器管形式的长形管以用于催化反应器如蒸汽重整用管式重整器中。相应地，本发明还提供了包含若干堆叠在彼此之上的如上 所定义的管的反应器管。如此形成的反应器管然后被用作催化反应器中的反应器内件。在一个优选的实施 方案中提供了一种包含一个或多个如上所定义的反应器管的反应器，其中所述反应器为吸 热催化反应器，优选管式重整器。在本发明的另一方面，提供了一种借助本发明的反应器管重整烃的方法。相应地， 提供了一种在根据权利要求11的反应器中重整烃进料的方法，所述方法包括(a)向至少一个反应器管传递所述烃进料，(b)将所述烃进料分成流经环形区域的子流和流经反应器管的内管的子流，(c)使流经所述内管的子流通过流经内管内布置的催化剂固定床和/或一个或多 个结 构元件而经历重整，(d)使离开催化剂固定床和/或一个或多个结构元件的子流偏转向环形区域并同 时使流经环形区域的子流偏转向内管，(e)进行步骤(C)和(d)至少一次，和(f)从反应器收回经重整的烃流。流经环面的子流被外部源加热，同时流经内管的子流经由例如其中布置的催化结 构元件上发生的吸热重整被冷却。在经过一个或多个结构元件后，离开结构元件的子流被 偏转向环面，同时，流经环面区域的子流被偏转向内管。因此，经冷却的部分重整的子流被 加热而环面中经加热的子流已准备好用于在内管中重整。本发明因此提供了从外部源如重 整器壁向过程气体(烃流)的高效传热。

图1为由两个在内部区域中含整体件、在环面区域中含换热器并在管段之间含导 流片的管段合成一体的反应器管的截面示意图。图2为图1的反应器管的截面透视图。图3为在单个反应器管中包含内管件和网格端件的导流片的透视图。通过本发明可将反应器内件构建为段。图1中示出了含外管2和内管3的反应器 管1的截面，其中个体管段4与个体管段5合并。各个管段含直通道整体件6、环面7和导 流片8。进入反应器管1的流动9被分成两个子流流经整体件6并因此经历吸热催化重整 的一个子流10和在整体件6外在环面7中流动而自管式重整器的壁接收热的另一子流11。 在各个段的出口处导流片8使流动改变方向以致在环面7中行进的被加热的气体在下一段 中流经内管3中的整体件6，反之亦然。导流片8含具有孔13的第一平面形构件12和第二 平面形构件14。所述第一和第二平面形构件相交并相对于彼此形成角α，在这里为90°。 第一平面形构件12与环面7相交并以相对于反应器管1的长度轴15成角α /2的方向延 伸穿过所述环面直至沿第一平面形构件12的周界与外管2接触。由此，环面7中的流动被 阻断并被迫采取向着内管3的路线。第二平面形构件14与由内管3产生的内区域相交并 延伸穿过所述内区域直至沿所述第二平面形构件14的周界与内管3接触。由此，内管3内 的流动被阻断并被迫采取向着环面7的路线。由于催化剂和环面路径的数量相等，故对称 性将保证入口处的进料流按50/50平分。图2为图1的反应器管的截面4的透视图，示出了导流片的详细情况。两图中使 用了相同的标号。在此实施方案中，孔13与第一平面形构件12的其余部分同中心。第一平面形构件可因此看做是环，而第二平面形构件14是实心的(无孔)。相应地，随着行进通 过反应管，流动将同时从环面转移向内管和从内管转移向环面。可以看到，第二平面形构件 14通过孔13在第一平面形构件上沿连接第一平面形构件的内周界的两个直接相对的点的 线A-A定位的交点“A”处与所述第一平面形构件12相交。连接交点“A”的线A-A将第一 平面形构件12分成基本相等的两半以便导流片8变得对称。该线A-A在其中点处与限定 管1的长度轴15的线相交。由孔13给出的第一平面形构件12的内周界对应于第二平面 形构件14的周界。第一平面形构件12延伸至与外管2的壁接触，而第二平面形构件延伸 至与内管3的壁接触。因此，第一平面形构件的周界区域适于与外管的壁配合，而第二平面 形构件的周界区域适于与内管的壁配合。换句话说，第一平面形构件和外管沿第一平面形 构件的周界线配合，而第二平面形构件和内管沿第二平面形构件的周界线配合。重整管(反应器管)设计为以常规方式通过燃烧器或者通过在反应器管外侧上的 催化燃烧自管式重整器室接收热。所述热通过环面被有效传至重整器反应器管内的气体， 在环面中，高线速度将提供高传热系数。中心中的直通道整体件的传热特性差并在接近绝 热的条件下运行。气体因此在环面中被加热并在整体件中通过重整反应而冷却。图3示出了其中在单个反应器管301/302中提供了导流片308的一个实施方案。 这样的单个管常用在冷却的反应器中。冷却的反应器包括充满催化颗粒的反应器管即所谓 的“Catit”或包含催化颗粒在反应器内但在管外并围绕管的反应器即所谓 的“Catot”。图 3示出了 Catit-反应器的实施方案，其中催化颗粒在反应器管内。反应器管中发生放热反 应，为控制温度，反应通过与反应器管的外表面接触的流体(例如水)冷却。在此实施方案 中，反应器管301仅由外管302组成，因此无具有将第一子流301与第二子流311分开的壁 的环面。尽管如此，在其中发生放热催化反应的这类反应器中，从反应器管的横截面的中心 部分到管的冷却边缘存在温度梯度，虽然没有分开这两个区的内管壁，但实际上将有温度 比边缘子流高的第一中心子流。因此为这些反应器管类型提供导流片308在许多情况下将 是有利的。在此实施方案中，导流片的运转确实与根据图2的导流片相似。但在此实施方案 中，在导流片轴向前后的短区域中任选提供短的内管件303以局部地分离第一子流310与 第二子流311并因此使被偏转向边缘区域的内子流能在此新区中均勻分布，并相反地使被 偏转向中心区的边缘第二子流311能在那里均勻分布。所述内管的长度可从零到(最大) 反应器长度。提供刚好足以确保分开两个子流的内管长度常是有利的。如果在导流片区域 中不希望有催化颗粒，则任选可在导流片的各端处提供可渗透屏障320如丝网、穿孔板等。 在Catot-反应器中，可在沿与流动方向大致垂直的方向上存在不希望有的温差的区域中 的催化材料中提供导流片。实施例1广泛研究了涂布贵金属催化剂和Ni-基催化剂的整体件。通过改造2050MTPD氨 厂的一段重整器(管式重整器)全面评价了本发明的概念。在此研究中，13m重整器管中装 入了 14个管段，发现容量可提高约20%而转化率、管温度和压降保持不变。选择改造研究 是为了为与常规管式重整器技术相比较提供具体的实例。使用带较小的管的专用重整器设 计获得了大得多的好处。实施例2下面示出了使用根据本发明的管式重整器的好处，其中将含固定床催化剂并在适于生产氨合成气的条件下作为一段重整器运行的常规管式重整器与在相同条件下运行的 根据本发明的管式重整器加以比较。发现对于给定的工业管式重整器，管材料的量可减少到1/3。根据本发明的反应器 的高传热速率可实现高生产量每体积反应器和反应器的每外部面积。为在常规管式重整器和根据本发明的管式重整器之间加以正确比较，使用相同的 入口条件(除吞吐量外)、反应器长度、外壁上的温度特性曲线及催化剂性能上相同的动力 学表达式将两种情况归一化。本发明的管式重整器设计为提供与常规管式重整器相同的产 品气体但反应器更紧凑。下表1中更详细地给出了入口和出口条件。表 1入口和出口条件
权利要求
包含第一构件和第二构件的导流片，其中所述第一和第二构件中的任一个具有选自凹形、凸形、平面形、平 凹、平 凸及其组合的几何形状，其中所述第一和第二构件相交并相对于彼此形成30° 150°的角α，所述第一构件提供有限定所述第一构件上的内周界的孔，所述第一构件的所述内周界对应于所述第二构件的周界，所述第二构件通过所述孔在所述第一构件上沿连接所述第一构件的内周界的两个直接相对的点的线定位的交点处与所述第一构件相交。
2.根据权利要求1的导流片，其中所述第一和第二构件是平面形的，所述第一平面形 构件沿第一平面延伸，所述第二平面形构件沿第二平面延伸。
3.根据权利要求1的导流片，其中所述第一平面形构件的所述孔与所述第一平面形构 件的其余部分同中心。
4.其中布置了根据权利要求1的导流片的导管，所述导管由内和外导管构成，其中所 述内导管内的空间限定流道的内区域，所述内和外导管之间的空间限定流道的环形区域， 所述第一构件与所述环形区域相交并以相对于所述导管的长度轴成角α/2的方向延伸穿 过所述环形区域直至沿所述第一构件的周界与所述外导管接触，所述第二构件与所述内区 域相交并延伸穿过所述内区域直至沿所述第二构件的周界与所述内导管接触。
5.根据权利要求4的导管，其中所述导管为正方形导管、矩形导管、圆形导管或管。
6.根据权利要求5的管，其中所述内导管呈内管形式，所述外导管呈外管形式，所述内 管还包含选自形成催化剂固定床的颗粒、涂布或浸渍在布置在所述内管内的结构元件上的 催化剂的催化剂及其组合。
7.根据权利要求6的管，其中所述结构元件呈整体件形式。
8.根据权利要求7的管，其中催化剂涂布或浸渍在与所述内管接触的整体式包装 (monolith wrapping)的夕卜侧上。
9.根据权利要求6的管，其中所述管的环形区域提供有选自沿所述内管的外壁配合的 波纹表面、沿所述外管的内壁配合的波纹表面、沿所述管的宽度和长度延伸的螺旋形元件 及其组合的静态混合元件。
10.包含若干堆叠在彼此之上的根据权利要求6的管的反应器管。
11.包含一个或多个根据权利要求6的反应器管的反应器，其中所述反应器为吸热催 化反应器。
12.在根据权利要求11的反应器中重整烃进料的方法，所述方法包括(a)向至少一个反应器管传递所述烃进料，(b)将所述烃进料分成流经所述环形区域的子流和流经所述反应器管的内管的子流，(c)使流经所述内管的子流通过流经所述内管内布置的催化剂固定床和/或一个或多 个结构元件而经历重整，(d)使离开所述催化剂固定床和/或一个或多个结构元件的子流偏转向所述环形区域 并同时使流经所述环形区域的子流偏转向所述内管，(e)进行步骤(c)和(d)至少一次，和(f)从所述反应器收回经重整的烃流。
13.根据权利要求1-10中的任一项的导流片在沸水反应器中的用途。
全文摘要
本发明提供了一种能改变流体流经导管过程中的流动方向的导流片。导管由内和外导管形成，内和外导管在导管中产生环形区域。导流片迫使流经导管的环形区域的流体在内导管内流动，而流经内导管的流体被迫流经环形区域。通过组装包含所述导流片并在内管中布置了催化剂的管形成用于催化反应器的反应器管。
文档编号C01B3/38GK101970095SQ200980108865
公开日2011年2月9日 申请日期2009年3月5日 优先权日2008年3月7日
发明者E·L·索伦森, J·诺斯克, N·雅各布森 申请人:赫多特普索化工设备公司