专利名称：吸热反应催化反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的吸热反应催化反应器。该类反应为例如碳氢化合物通过汽化重整产生氢气的过程和脱氢过程，如由苯乙烷生成苯乙烯或由丙烷生成丙烯或由丁烷生成异丁烯。
由EP 0 380 192 B1公开一种催化反应器，其外部呈圆柱形，反应室横截面为环形，要催化的原料从下面输入到塞满催化剂的反应室，在反应室的上端得到催化转换的产物。该已知的反应器可由装在反应室基平面以下的燃烧器加热。该燃烧器在其燃烧带周围包有一层的耐涂料，其火焰方向与反应室纵轴同轴，燃烧器的向上运动的燃烧气体产物在热分配器中几乎通过反应室的全长引导，该热分配器由热良导体材料制成管状并直接连在耐火的燃烧室壁上。在管状热分配器和环形反应室内挡壁之间留有一环形间隙。产生的高温燃烧气体产物首先通过热分配器向上流动，到达热分配器顶端转向进入环形间隙，然后自上而下流过环形间隙，此时通过内挡壁向反应室放热。同时向下流经热分配器壁的气体产物从在热分配器内部向上流动的高温燃烧气体产物中吸热，这样使位于环形间隙的气体温度几乎保持恒定。以这种方式该已知装置可作为实用的等温反应器工作。
由EP 0 380 192 B1公开的另一种实施形式的反应器用多个平行热分配器代替了中心安装热分配器。该装置也只有一个燃烧器，与其燃烧室一起装于反应室基平面以下。因为燃烧室实际不向外放热，所以填入燃料的燃烧在绝热条件下进行，因而视燃料不同可能使火焰温度过高。为降低燃烧气体产物的温度，虽然可以将过剩空气量从通常的10％大幅度提高(比如到50°％)，但这将不可避免地导致相应废气量的提高并兼有不希望的热量损失。EP 0 380 192 B1提供了另一种降低温度的方法，即燃烧带的废气再循环。该方法主要有附加造价高的缺点。
由EP 0369 566 B1公开了另外一种吸热反应器，其中填满催化剂的反应室是底部封闭的套管形式，套管内安装一竖管，这样待反应原料可对流穿越反应室一方面流经套管和竖管之间的环形腔，另一方面流经竖管。该装置中用于加热反应室的高温气体产物在一单独的设备件中绝热条件下产生并接着从反应室底部区域侧进入以一定间距围环着反应器的耐火壳体内。为避免高温气体产物直接到达反应室壁上引起高温损伤，气体产物输入壳体内应先达到一管状耐火材料阻挡层，然后向上，到达耐火阻挡层顶端再沿用热良导体材料制成的第二个管状阻挡层向下。到达第二个阻挡层的下端燃烧气体产物才能再向上流动并与反应室壁进行热交换。同时对流的燃烧气体产物流之间也通过第二个阻挡层的热传导壁进行热交换。通过这种防护措施如由EP 0 380 192 B1已知的该装置可使气体产物的温度明显降低，从而使反应室壁免受过高(不允许)的热负荷，但该反应器的反应室限制用一个反应容器，所以不同功率的设备必须配有相应不同尺寸的反应容器。此外的不利方面在于置于高温中的阻挡层是磨损件，工作一定时间后必须更换。
本发明目的在于，改进此类吸热反应催化反应器，以避免反应容器的热损伤，而又不会使造价很高或废气量过高以及填入燃料的能量利用不足等。
此类反应器由权利要求1的特征来实现其目的。本发明有利的改进由从属权利要求2至14给出。
按本发明首要的是，燃烧在不绝热条件下进行，这样在燃烧过程中热量就从火腔散出，从而使所产生的最高的火焰温度明显降低、这可通过布置多个燃烧器和多个催化剂容器(后者插入燃烧器的火腔)来实现。在火腔内催化剂容器各包有一个阻挡层，下面称热分配器，因为它由热良导体材料制成可吸热并尽可能均匀地分散热量、催化剂容器总是装在燃烧器之间。
下面参照
图1至7所示实施例进一步阐述本发明，图中示出图1按本发明的反应器纵剖面。
图1a图1中X局部细节图。
图2图1中A横截面。
图3图1中B横截面。
图4一种变型反应器的纵剖面。
图4a图4中反应容器底部放大图。
图5按本发明的等温反应器纵剖面。
图6图5中C横截面。
图7图5反应器的放大详图。
在图1至3以不同截面表示的催化反应器共安装了五个在垂直的纵向平行排列的管状催化剂容器10。它们的纵轴线位于一个共同平面H中。每两个相邻的催化剂容器10之间最好等距(图3)。平面H两侧与催化剂容器10隔一定距离各装一排4个燃烧器15，其相互间与容器10同样等距排列。燃烧器15的纵轴线相对催化剂容器10纵轴线的位置应这样交错设置，使两排燃烧器15分别以有利的方式对置于两个催化剂容器10之间的中间区域。燃烧器15和催化剂容器10亦可不镜对称设置，而用其他方式，例如让燃烧器列同心地布置在圆形分布的催化剂容器10内或周围，这样也是一种对称布置形式。原则上燃烧器15和催化剂容器10也可不规则分布。但考虑到热效果要尽可能均匀，对称布置形式显然非常有利。
一种较佳的方式是燃烧器及其火焰方向铅垂定位，即从上指向下。虽然平行安装方式对温度均匀分布有利，但原则上燃烧器可相对于催化剂容器10纵轴线倾斜甚至垂直安装。在本发明的进一步改进中一排催化剂容器10可改成多排，并与燃烧器列交错平行分布。以该种方式几乎可实现任意所期望的反应器效率，而无须改变单个催化剂容器10的结构。
如图1纵剖面所示，按本发明反应器实施例中有一主要由耐火材料制成的壳体13，壳体13下部扩展成辐射腔14，该腔顶部开口装有燃烧器15。催化剂容器10(图中只给出其中一个的纵剖面)从上部插入辐射腔14中，并且在腔14中部分大约全长的三分之一。每个催化剂容器10都有一个气体输入管道17以输入催化转换的原料。本例中气体输入管道17装于壳体13上端一侧，由于通过催化剂容器10全长的竖管18与催化剂容器10同心安装，所以输出催化反应产物的气体输出管道19可同样装于容器10上部一侧。这样做的好处是催化剂容器10可自由固悬于壳体13的上端。因为只有在静态时容器10距壳体13底部有足够大的距离，才能使容器10在工作状态受热膨胀时能自由向下延展。若将生成气体输出管道19直接接在催化剂容器10与处理气体输入通道17相对的底部。则必须采取费用较高的结构措施来补偿热膨胀，避免管道损伤。
因为处理气体输入管道17和气体输出管道19不是位于催化剂容器的最上端，而紧贴其下面，所以可在上端面设置一个拆装方便的盖板12。通过此盖板可填入催化材料并在必要时更换(催化材料)。催化剂容器10插入辐射腔14的全长距一定距离外套一管状热分配器16，热分配器由热良导体，最好由耐高温钢环绕制成，这样在催化剂容器10壁和热分配器16之间形成一环形间隙21。这在对图1中X局部放大并详细标明的图1a中有进一步的表述。
催化剂容器10在其下端用一底密封。从上而下流过位于环形腔11内催化剂堆10的气体到达端面时转向并通过一环形通道隙流进竖管18，然后向上排出。该通道隙由竖管18与催化剂容器10底部的很小间距形成。气体输出管道19与竖管18相连(图1)并通过催化剂容器10壁导出。管状热分配器16固接于辐射腔14顶部。热分配器16的长度应考虑壳体13底板与分配器16端面之间在工作状态受热线膨胀时仍有足够大的距离，使高温气体产物能够从下通过进气隙流入热分配器16的催化剂容器10之间的环形间隙21。某些情况下也可在热分配器16的壁上开一些槽使燃烧气体产物进入间隙21。这样做的优点是，可以仅仅通过选择槽的数目和大小即可按目标调节燃烧气体产物的流量比例，而无须改变热分配器16和催化剂容器10的外部尺寸。
吸热反应所必需的热量由燃烧气体产物通过间隙21的分流导进催化剂容器10的处理气体。由于热分配器16导热，所以燃烧气体产物流在放热的同时也从辐射腔14内通过热分配器16壁吸热，这样，在气流到达辐射腔14顶部时几乎保持相同温度。该温度明显低于绝热火焰温度，因为燃烧中热量不断释放给处理气体以完成吸热催化转换。
在辐射腔14顶端上方，催化剂容器10以其与热分配器16相应的方式隔很小间距外套壳体13的耐火材料层，这样间隙21向上继续延伸。当然也可以将热分配器16通到壳体13上端，壳壁包绕在热分配器的上部。在催化剂容器10的上部，即图1中大约2/3全长部分，由于连续放热而没有吸热，使燃烧气体产物温度不断降低。冷却后的气体产物通过废气出口22排出反应器，并可在一更复杂的整套设备(未述)的对流器中继续利用。
图4和4a所示为按本发明反应器变型的一种实施例，功能相同的部分如图1至3同样标出，这里就不再重复。与第一个实施例不同的是该反应器在环形间隙21内部有一螺旋形导向板24，该导向板使直流的气体产物附加了一个绕催化剂容器10纵轴线的旋转运动。这样，由此产生的燃烧气体流的螺旋线形合成运动使在加热反应器时温度分配更加均匀。
催化剂容器10下端及热分配器16如图4a局部放大图所示。图4示出了竖管18内部的一个作为热交换传送器23的内部装置，其形状主要是个管状排流体且同轴地在竖管18的几乎全长上延伸。该排流体外径小于竖管18的内径，这样在两者之间产生一环形腔25。热交换传送器23的管状排流体内部密封(比如在底部)，这样催化生成气离开填满催化剂的环形腔11后只能通过这个环形腔25向上流向燃气输出管道。以这种方式迫使燃气与向下流动待加热的过程气体通过竖管18的壁进行密切热交换。当然，管状热交换传送器也可使用一实心体。
图5至7所示为本发明的另一种实施形式，其中图5和6示意示出了壳体13的结构及燃烧器15和催化剂容器10的布置，而图7更具体地显示出了催化剂容器10。功能相同部分的标号同前。该形式与第一个实施例的不同在于辐射腔14实际占据了整个壳体13，热分配器16基本上通过催化剂容器10的轴向全长。该种方式通过间隙21向上流动的燃烧气体产物在整段位移中都向过程气体放热并同时通过热分配器16壁吸热，这样其温度在该段通道上实际保持恒定。以此方式形成一等温催化反应器。与此相应地，通过竖管18向上流动的生成气体也具有与通过环形腔11向下流动的处理气体相同的温度，这使该两气流之间不发生热交换，因此可取消竖管中排流的内部装置。
本发明的突出优点在于，无须改变单个催化剂容器10而只改变催化剂容器10和燃烧器15的数目即可改变原定催化反应器的效率到一更大极限。由于非绝热燃烧，火焰温度大大降低，从而不需复杂而昂贵的耐高温结构。此外管状热分配器的热负荷也相对较小。
图1至4实施例的相应结构主要适用于碳氢化合物的气化重整，而图5至7所示等温反应器对开头所提到的脱氢过程特别有利。
权利要求
1.吸热反应催化反应器，它具有一耐高温材料制成的壳体(13)，壳体内部由通过废气出口(22)向外排出的燃烧气体产物加热，壳体(13)内至少装有一个管状催化剂容器(10)，并至少在容器外壁附近填充催化剂，所述容器(10)装有一待催化处理原料的气体输入管道(17)和一催化反应产物的气体输出管道(19)，并且至少一个催化剂容器(10)至少其轴向的一部分留有一狭长环形间隙(21)，以使高温燃烧气体产物从由热良导体材料，主要是金属，制成的管状热分配器(16)穿过，其特征在于壳体(13)内间隔布置有多个催化剂容器(10)，多个燃烧器(15)的布置使催化剂容器(10)位于其间，为保证非绝热燃烧将燃烧器(15)的火焰区位于热分配器(16)的区域内。
2.按权利要求1所述的反应器，其特征在于，催化剂容器(10)竖直并基本相互平行安装，各相邻催化剂容器(10)之间等距，燃烧器(15)对称于催化剂容器(10)安装。
3.按权利要求2所述的反应器，其特征在于，至少部分催化剂容器(10)其纵轴线位于同一平面，与这些催化剂容器(10)相配的燃烧器并列两排镜面对称安装于该催化剂容器(10)纵轴平面两侧。
4.按权利要求2或3所述的反应器，其特征在于，燃烧器(15)、其火焰方向——主要是从上指向下的火焰方向——为竖直的。
5.按权利要求3至4所述的反应器，其特征在于，可设置多行相互交错平行安装的催化剂容器(10)和燃烧器(15)。
6.按权利要求2至5之任一项所述的反应器，其特征在于，与一行催化剂容器(10)相应的燃烧器(15)，其纵轴线相对于该行催化剂容器(10)纵轴线的安装方式应使一燃烧器行中的一个燃烧器(15)与另一燃烧器行的一个燃烧器(15)对置于两催化剂容器(10)之间的中间区域。
7.按权利要求1至6之任一项所述的反应器，其特征在于，所述的热分配器(16)基本通过催化剂容器(10)的全长形成等温反应器。
8.按权利要求1至6之任一项所述的反应器，其特征在于，所述的热分配器(16)只通过催化剂容器(10)轴长的一部分，主要是下部，催化剂容器(10)的轴长继续延展有狭长的环形间隙(21)的其余部分被壳体(13)的耐火层包围。
9.按权利要求1至8之任一项所述反应器，其特征在于，所述的环形间隙(21)内安装一螺旋形导向板(24)，使通过间隙(21)流动的燃烧气体产物绕催化剂容器(10)外围沿螺旋线旋转流动。
10.按权利要求1至9之任一项所述反应器，其特征在于，在下端密封的催化剂容器(10)内，有一同轴安装并基本通过全轴长的竖管(18)，它与催化剂容器(10)底部留有很小间距作穿透缝隙，竖管(18)与催化剂容器(10)之间形成环形腔(11)，该环形腔内自上而下流通过程气体并填满催化剂，气体输出管道(19)接于竖管上端。
11.按权利要求10所述的反应器，其特征在于，所述的竖管(18)内装有一个尤其能形成管状排流体的热交换传送器(23)，并形成第二个同轴流过竖管几乎整个轴长的环形腔(25)，气体自下而上流过该腔。
12.按权利要求1至11之任一项所述的反应器，其特征在于，催化剂容器(10)上端面壳体外部有一可密闭的盖(12)，通过此盖可填充催化剂，处理气体输入管道(17)和生成气输出管道(19)在盖(12)下部分别从催化剂容器(10)两侧导出。
13.按权利要求1至12之任一项所述的反应器，其特征在于，所述的催化剂容器(10)和热分配器(16)自由悬固于壳体(13)上端，它们各自底部与壳体(13)底板的间距应保证在工作状态受热线膨胀时仍能自由悬固并留有进气缝隙(20)使燃烧气体产物自由流入环形间隙(21)。
14.按权利要求1至13之任一项所述反应器，其特征在于，所述热分配器(16)在其下端壁上开槽，使燃烧气体产物由此进入环形间隙(21)。
全文摘要
本发明涉及一种吸热反应催化反应器。催化剂位于耐火材料制成的壳体(13)内，该壳体内部最少装有一个管状催化剂容器(10)。为使催化反应器能避免反应容器的热损伤而又不会带来造价高，废气量过高以及装入燃料能量利用不足等缺点，本发明提出，在壳体(13)内安装多个相互隔一定距离的催化剂容器(10)，同时多个燃烧器(15)的安装应使催化剂容器(10)位于其间并且燃烧(15)的火焰区在热分配器(16)范围内用于保证一个非绝热燃烧。
文档编号C07C5/00GK1133570SQ94193908
公开日1996年10月16日 申请日期1994年10月26日 优先权日1993年10月29日
发明者弗朗西斯科·贾科比 申请人:曼内斯曼股份公司, K·T·I·集团公司