催化反应器的制作方法

专利名称：催化反应器的制作方法
催化鹏器本发明涉及一种适合用于将天然气转换为长链径的化学工艺的催化反应器， 和包括这类催化反应器以执行所述工艺的装置，特别涉及一种适用于重整工艺 的催化反应器。在WO01/51194与WO03/048034 (Accentusplc)描述的工艺中，甲烷与蒸 汽在第一催化反应器中发生反应，生成一氧化碳和氢气；所产生气体混^t/然 后在第二催化反应器用鄉行费-船成。離结果是将甲'離变为在环境^K牛下通常为液体的高好量烃类。这种工艺的两个阶段，蒸n/甲烷m和费-船成，需要不同的催化剂，和热量分别被转移到反应气体或者从反应气体移出， 因为所述反应分别是吸热和放热的。用于两个不同阶段的反应器必须符洽在某 种程度上不同的要求费-托合成通常在较高的压力下进行，但其温度比蒸^/ 甲烷重整的温度低；在费-托反应器传热通道中，只需要冷却剂流体，而蒸~ 甲烷重^^需的热量一般M催化燃棘获得，因此，需要魏的催化剂。在每种情况下，戶脱反应器雌形舰的叠层，在戶腿fe间限定流体鹏， 用于不同流体的流体通道在戶脱叠层交替。在那些需要催化剂的通道中，这优 选地采用波纹状金属基材形式，该基材负载陶瓷涂层中的催化剂，当催化剂耗 尽时，将这样的波纹状结构从戶;f^ffl道移除。然而，当两种流##在大的压差 处，将容易导致板弯曲，因此，在催化剂结构和板之间传热被fflih，并且这也 可能导lfo(隹以去除或更换催化剂结构；然而，如果要使板足够坚固至何以抵抗 戶腿压差，板将不得不增厚和/或使鹏变窄，那么^ #^只 ^反应器中所 占的体积比将变少。本发明提供一种用于重整反应的紧凑型催化反应器，包括反应^i块，该反 应器模块在模块内部限定出许多交替安排的第一和第二流体通道，该流体通道 用于传送第一和第二气流，反应器适合采用压力高于环境压力而且不低于第二 气流压力的第一气流；其中发生化学反应的每一流体通道包括结合了金属基材 的可除去的、可透气的催化剂结构；而且其中反应器模i央用压力容器封装，压 力容器内压力被安排为基本上第1流的压力。 如果压力容器内的压力基本上为第一气流的压力，那么反应器模块内的所有 流体通道赫处于环境压力下或者在压縮状态之下。因此，反应器模块没有任 何部份处在张力之下。雌地，安排第"^流流过压力容器的至少一部分，或者到达第一流体ffiii或者离开第一流体Mil。蒸n/甲烷重整反应一般在高于75(TC的皿下进行，而且构成Milit的材 料暴露于热的反应性气体中，因此，用于制造反应器模块的材料必须坚固而且 在这个温度下具有耐腐蚀性。合适的金属是用于高温的鋭ll/铬合金，例如 HaynesHR-120或Inconel800HT (商标)，或类似的材料。压力壳体不必处于 这样高的温度，可以采用比较低廉的，诸如職l之类的材料。，地，反应器 模土央设有热绝缘，用来减少损失到压力壳体并因此到环境的热。替代性地或额 外地，压力壳体的内表面也可以设有这样的热绝缘。由结构材料组成的反应器模块所占的体积比(催化剂除外)可少于60%，,少于50%，甚至可以小于40%。用于催化剂结构的金属基材优选合金钢，加热时形成附着的氧化铝表面涂 层，例如铝-载铁素体钢，例如含有15%铬，4%铝，以及0.3%紀的铁(例如 Fecralloy (TM))。当该金属在空气中受热时，它形成附着的氧化铝氧化物涂层， 这m户合金不受到，一im化和腐蚀。其中陶瓷涂层是氧化铝，这看起来好 像在表面上结合了氧化物涂层。基材可以是箔、金属丝网或超板，皿可以是 波纹状、涟漪或褶状；S^才ttii薄的金属箔，例如其厚度小于IOOmhi。可将这样结合着催化材料的波纹状St掘入流体通道中，用于M反应的流 体通道与用于提供热量的流体ilii交替分布。在流体通道内，催化剂结构的金 属S^才提高传热和催化剂表面积。催化剂结构可以从模块内鹏移除r以便催 化剂耗尽时，可以将其替换。其中压力容器与一系列流体通i!3i通，这样便不 用提微壬何与在模块一端的流体通道相连通的集管，以至于可以轻松实现催化 剂结构的移除和置换；这可能需要/Affi力容器除去反应器模块。反应器模块可包括叠板。例如，第一和第二流体fflil可以M各自板中的槽来限定，板相叠，然后结合在一起。或者，可以由齿形的薄金属片与扁平板交 替地相叠，从而限定出流体通道。流体通道的边缘可以由密封条限定。形成反 应器模±央的叠 过诸如扩散粘结、钎悍、或热静压之类的方式结合在一起。 可以按照本发明构造适于蒸n/甲烷重整反应的反应器。因此，用于处理天
然气从而获得较长链烃的装置可以结合本发明的蒸f(/甲烷重整反应器，用来将 甲烷与蒸汽反应形成合成气。为确保在蒸n/甲烷錢反应器中达至lj所需的良好热接触，第一与第二气^I道的深度可以是10mm至2mm，优选小于6，， 更雌是3mm至5腿。本发明将通过^f列，和结合附图参考，进一步和更详细的描述，其中

图1显示了结合本发明反应器的化工，流程图； 图2显示了适用于蒸~甲烷重整反应的反应器区部分的剖面图； 图3显示了结合了附图2反应器区的反应器的咅腼图。本发明涉及一种用于将天然气(主要是甲烷)转变为长链烃的化学工艺。该工 艺第一阶段涉及蒸汽转化，艮吓面戶脱的反应类型 恥+ CH4—CO + 3H2该反应是吸热的，且可以在第"^^Mt中由铑或欲铑催化齐,化。反应所需 热量可以M;燃烧诸如甲^m之类的易燃气体^JIf共，i^M烧反应是放热的， 且可以通过在相邻的第二气itt道中的钯催化剂来催化。在这两种情况下，催 化剂优选负载在稳定化的-氧化铝载体上，在所述金属基材上通常形成小于励Mm厚度的涂层。燃烧反应可以在大气压力下进行，MM反应在4到5个 大气压下进行。iM燃烧生成的热翻过隔离相邻鹏的金属板传导。通过蒸n/甲烷重整产生的气体混合物适于进行费-托合成，以生成长链烃，即n CO + 2nH2—( CH2) n + nH20该反应是放热反应，在诸如铁、钴，融磁铁矿之类的催化剂存在下，于高温 高压下进行， 一般为190。C至280。C， 1.8MPa至2.1 MPa (绝对值)。用于费-船成的催化剂雌包括Y -氧化铝涂层，该涂层比表面积为140—230 m2/ g， 且含有大约10-40%钴(以氧化铝的SMi十)，诸如钌、铂或,Lt类的助催化剂， 助催化剂少于钴重量的10%，以及诸如氧化镧之类的碱性助催化剂。现参考图1 ，总的化学工艺显示为流程图，其中显示了装置的各部件。天然 气进料5主要由甲;^且成，在该实施例中，还包括一定比例的高级烃CrCu。 一 般这些高级烃的量不高于10。/。v/v，具体量取决于天然气来源。例如气体进料5 的压力可以为1.0MPa (IO个大气压)。气体压力通过阀门8调节到0.6 MPa，然后在换热器10中Mil来自催化燃烧 的热废气将气体5预热到约400℃，然后送到固定床脱硫系统12。然后脱硫的 天然气5与蒸汽在如流体涡流混合器14中混合。气術蒸汽混合物在换热器16 中用来自催化燃烧的热鹏加热，以使气体混合物的^^达到500℃。混合物进 A^色热的固定床式预重整體18，在那里，混合物与f滅掛铑基甲烷化催化剂 接触。高级烃与蒸汽反应生成甲烷和CO。在通常45(TC的较低温下，从预魏體18中排放出气体。在SA魏驢 20以前，压力M阀门19降到0.45 MPa (纟树压力)。重整装置20是如上所 述的紧凑型催化反应器，由限定了用于吸热和放热反应的流动通道的叠板构成， 这些板具有良好的传热导性，并且在如波纹状的金属箔上还包括合适的催化剂。 在重整装置20的重整诵道包括重劍崔化剂，并且蒸汽和甲烷反应生成一氧化碳 和氢气。M装置中的St从入口处45(TC升高到出口处约800—850 °C。 |^合 混合器14的蒸汽和气^M可使供应给重整装置20的蒸汽与碳的摩尔比率为 1.2-1.6， iM为1.3-1.5。取决^体5中高级烃含量，在预M装置18入口处 蒸汽与碳的摩尔比剩每因此需要高一些。通过催化燃烧来自费-托合成的尾气22的短链烃类和氢的混，来^f共重 整反应器20的吸热反应所需的热量；尾气22与M^H机24提供的空气流混 合。在難反应器20内的相邻流体鹏内，燃烧鄉烧催化剂地亍。燃鹏 体路径与重整，气,行。催化剂包括涂有鄉销混^的Y-氧化铝作为载体。可以沿反应器20分阶段供给可燃气体混合物以便确保在^h燃,道长度内都能产鄉烧。从重整驢20排放出舰800°C的一氧化碳和氢的混，，通过蒸汽-提升换 热器26将，激冷到低于400°Co通过泵28提供供给该换热器26的水，而用 于重整工艺的蒸汽由ltkMS制阀30输憩U混合器14。在换繊32中进一步 采用7转咏将气体混合物冷却到大约6(TC，使得Ml冰凝结，并经由旋风分离 器33和分离器容器34的通道分离。气^M合物然后M压縮机36压縮到大约 2.5倍的压力，然后M换热器40再一次)ti卩，再M第二旋风分离器36和分 离器容器42去除招可凝结的水。分离的7jC帮盾环回到蒸汽-提升回路。气体然后 在第二压縮机44中压縮到20个大气压(2.0 MPa)。高压的一氧化碳和氢的气流然后供应到催化费-托合成反应器50，该反应器 包括冷却剂通道。
费-托合成法得到的，主要包括水和石蜡之类的烃类，的反应产物M换^^54^4卩以冷凝液体，并M旋风分离器56并继之以分离槽58分离成三相水、 烃类和尾气，烃类产品稳定在大气压下。收集并分离那些留在气相的烃类和过 剩的氢气(费-^^^M气22)。 一部分MilMBE阀60 ,用于在重整装置20 中进行的催化燃烧工序的燃料(如前戶腿)。剩余尾气62供应给燃气轮机63, 其用来驱动发电机64。燃气轮机64生^g所需所有的动九并具输出乘U余的能力。主要的體 电力需要是压縮机36和44，以皿24和28;电力还可以用^ii行真空蒸馏单 元以提供蒸汽发生所需的生产用水。附图2显示了适用于蒸汽M反应器20的反应器区70，为了清M^见，还 显示了1分反应器区70的截面图，以及與虫的部件。反应器区70由平面图 为矩形的叠板i^，每一块板都是如Inconel 800HT或Haynes HR - 120之类的 耐腐蚀高温的钢。lmm厚度的平板72与齿形板74、 75交替安排，其中齿形限 定了从板一逝U另一边的直接鹏76、 77。齿形板74和75在叠堆里交替安排， 使得通道76、 77在交替的齿形板74、 75中取向为正交方向。齿形板74和75 的厚度均为0.75就。在该实施例中，齿形的高度(一般为2 -10 mm)为4 mm， 并且沿侧边设有4腿厚度的固体纖条78。在限定燃^M 77的齿形板75 中，齿形的波长使连续联结部(ligament)间隔25 mm，而在限定M通道76 的齿形板74中，连续联结部间隔15mm。如上戶/M^配叠堆，并且将结合在一起，波纹#属箔催化剂载体80 (只显 示了其中的两个)插Affl道中，负载两个不同反应所用的催化剂。金属箔, 地为如Fecralloy之类的含铝合魅冈。魏的集管能附着在叠堆的夕卜面。现参考附图3，其显示了反应器区70的剖面图，每一±央板72都是矩形的， 宽度为600 mm且长度为1200 mm (取与一个该板72平行的平面为剖面)。用 于燃烧M 77的齿形板75俯视看具有相同的面积，齿形是纵向的。用于M 通道76的齿形板74长600 mm，宽400 mm，三±央这样的板74并排放置，在它 们之间具有驗条78，鹏76是横向地。在叠堆的每一个端部的集管82會, fM烧气体舰管84供给燃繊道77，湘防姊自燃鹏道77的废气。小集 管86 (图底部右边和顶部左ii^f示)使得用于M反应的气体混合物能掛共给 在第一齿形板74的通直76，而所得的混』从在第三齿形板74的通道排出； 二倍宽度的集管88 (图上部右边和底部左ii^f示)使得气体混合物會,从一个 齿形板74流到下一个。总的结果是气^&着之字形路线进行M化，通常相对 于M燃;^3I道77的流体保持平行。具有集管82、 86和88的反应器区70安装在鹏H压力壳体90内部，该壳体 90是圆柱形具有半球形端部。管84焊接到壳90上，并穿过去，且在至少一个 管84中设有膨胀伸縮管(bdlows)85以适应不同的热膨胀。在区70和集管82、 86和88的外表面上设有热屏障89 (例如喷凃的陶瓷热绝缘；只显示了1分)， 且壳90的内表面也设有热绝缘91 (只显示了一部分)。管92供给蒸汽和甲烷混 合物到壳90的内部空间，鹏部右边集管86具有开口以便蒸汽和甲烷混^tl 能、皿前述的MM76。蒸汽发生换，26 (参见图1)也位于壳90内；它 是环形结构，并围绕在igi^排出气体的管84的周围。顶部左边的集管86 M31 管94与换热器26相连，所f敦衬卩的合成气舰管96排出。在^ffl重整反应器20时，反应器区70和相连的集管82、 86和88所处的温 度高于80(TC， M通道76—般处于大约82(TC的，，燃^1道77处于大约 85(TC的温度；所有这些部件都^i^耐腐蚀高温钢。相对而言，壳体90只处 在大约50(TC的温度。如上戶，，以0.45MPa的压力供给蒸汽和甲烷混合物， 因此，这也是壳体90内的压力。所以反应器区70暴露于这个外部压力下。燃 烧通道77处在大气压Pf逝的压力下，且处于lffi縮剝牛下，但M过齿形板75 限定的联结部的间距和厚度育辦承受TO力而不会发生明显的变形。应当翻率结合附图2和3中所描述的反应器20仅是按照实施例的方式戶尼合 出的。例如齿形板74和75可以是不同的厚度， 一般为0.5-1.0111111，而相邻的 联结部的间距，对于難鹏一般为10 - 20 mm，对于燃^Iit一般为l(MO ■ 之间。反应器区70可以是与戶脱不同的尺寸，用于重整反应的横向ffiil数目可 以不同，可以更换为四或五个。应当 蒸汽发生换热器26可以不必在壳体90 之内。应当翻军结合附图2和3中所描述的反应器20仅是按照实施例的方式戶;f^合出的。例如齿形板74和75可以是不同的厚度， 一般为0.5-1.0皿，而相邻的 联结部的间距，对于難通道一般为10 - 20薩，对于燃,道一般为1040謹 之间。反应器区70可以是与戶脱不同的尺寸，用于重整反应的横向鹏数目可 以不同，可以更换为四或五个。应当理解蒸汽发生换热器26可以不必在壳体90 之内。应当理解采用外部压力壳体90有助于减少金属为反应器区70提供结构强 度的要求，从而提供更大的空隙体积，因此，每单位体积能够负载更多的催化 齐IJ。这是因为如72的板可能明显变薄，使得反应器区的体积的更大部分由流体 通道占用，因此，育,增加总的催化剂藏量。例如，结构材料构成的体积部分 (考虑没有催化剂插入部件80的反应翻莫块)可以为大约38%。这也最小化了 流体通道壁的弯曲力矩，从而M^、变形，提高了催化剂箔80和相邻壁的接触， 因此提高传热，同时也使得移除或插入更为容易。应当離压力壳体90具有比 较简单的几何结构，因此它能够按照现有压力容器规、皿行设计。同时在从反 应器区70渗漏盼瞎况下，它还能固有地ilf共第二级防漏；它的,便于绝缘， 并便于运输和安装；而反应器的总尺寸没有显著增加。还有一个成本好处，压力壳体90能够用比 ^介的，如職冈之类的材料制 成，因为在运行期间它的鹏明显比反应器区70的纟鹏低；虽然反应器区必须 用较高成^t才料制成，但是如上戶，，由于如果不^f共压力壳体，板可以明显 变薄，因此， >了这种材料的需要量。
权利要求
1、一种用于重整反应的紧凑型催化反应器，包括反应器模块，该反应器模块在模块内部限定多个交替安排的第一和第二流体通道，用于传送第一和第二气流，该反应器适于使用其压力高于环境压力，但不低于第二气流压力的第一气流；其中，在其中发生化学反应的每一流体通道包括结合了金属基材的可透气的催化剂结构；和其中反应器模块用压力容器封装，压力容器内的压力被安排处于基本上第一气流的压力。
2、 如权利要求1戶皿的反应器，其中第1流安排 ^压力容器的至少 一部分，以到达第一流体M或者离开第一流体M。
3、 如前述任一权利要求戶，的反应器，用于在高于60(TC的温度下进行反 应，其中反应器模块包含在臓反应驗下坚固且耐腐蚀的金属，反应器模块 设有热绝缘，并且压力壳^t才料与反应^t莫块的材料不同。
4、 如前述任一权利要求戶腿的反应器，其中由结构材料构成的反应器模土央 所占的体积比例少于60%。
5、 如权利要求4所述的反应器，其中所述比例少于50%。
6、 一种用于将天然气转化成长链烃的装置，该，结合了如前述任一权利 要求戶，的用于产生合成气的蒸汽M反应器，以及用于^长链径的费-托反 应器。
全文摘要
一种用于重整的紧凑型催化反应器(20)，包括反应器模块(70)，其限定了众多交替安排的第一和第二流体通道，上述流体通道用于传送第一和第二气流；还包括可除去的、可透气的催化剂结构(80)，该催化剂结构具有如金属箔之类的基材，且该催化剂结构提供在每一流体通道中，其中发生化学反应。反应器所使用的第一气流的压力高于环境压力且不低于第二气流的压力。反应器模块(70)可由板的叠层(72、74、75)形成。模块(70)封装在压力容器(90)内，压力容器内压力安排成基本上为第一气流的压力。因此，模块(70)没有任何部分处在张力作用下。这样简化了反应器模块的设计，并增加了催化剂所占的体积比。
文档编号C01B3/38GK101128260SQ200580046532
公开日2008年2月20日 申请日期2005年12月19日 优先权日2005年1月15日
发明者J·维图奇, M·J·鲍 申请人:康帕克特Gtl有限公司