包括交替排列的第一和第二流动通道的催化反应器的制作方法

专利名称：包括交替排列的第一和第二流动通道的催化反应器的制作方法
包括交替排列的第 一 和第二流动通道的催化反应器
本发明涉及用于化学反应(例如燃烧)的催化反应器，其中该反 应物可能经历爆燃或爆震，该反应器抑制这种有害现象。
WO2005/102511 ( GTL Microsystems AG )中描述了装置和工艺， 其中曱烷与蒸汽在第一催化反应器中反应，生成一氧化碳和氢气；然 后在第二催化反应器中使用该所得到的气体混合物进行费托合成。该 重整反应通常在约80(TC的温度进行，所需的热量可以由与进行重整 的那些相邻的通道中的催化燃烧提供，该燃烧通道包含可以包括以金 属基体上的薄涂层形式的在氧化铝载体上的钯或钯/铂的催化剂。将易 燃气体混合物(例如甲烷或氢气和空气的混合物)提供到燃烧通道中。 在催化剂的表面发生燃烧，没有火焰，但存在该气体混合物可能经历 爆燃或爆震的风险，这些现象的区别在于该燃烧波或火焰分别比未燃 烧气体混合物中的声速更低或更高。无论作为爆燃或爆震，防止火焰 通过该可燃气体混合物传播都将是需要的，因为这种火焰传播将改变 反应器中的温度曲线图，并且可能造成机械损坏。
依照本发明，提供了紧凑型催化反应器，该反应器限定了多个交 替排列的第一和第二流动通道，该第一流动通道具有不超过10mm的 横向尺寸，为可燃反应物提供流路，且包含用于催化该反应物的燃烧 的催化剂结构，该第 一流动通道具有用于至少 一种反应物的至少 一个 入口，其中各第一流动通道包括与各入口相邻的插件，该插件对该燃
烧反应没有催化作用。
优选该非催化插件是不形成氧化铝表面涂层的材料，因为已经发 现甚至在不存在催化材料(例如钯)的情况下，这种氧化铝涂层本身 也有略微一些催化作用。例如，适合的金属是用于高温应用的铁/镍/ 铬合金，例如Haynes HR-120或Incoloy 800HT (商标)、不锈钢或类 似材料。
该反应器可以包含一堆才反材。例如，该第一和第二流动通道可以 由各自板材中的凹槽限定，将该板材堆积，然后粘合在一起。可替代 地，该流动通道可以由薄金属片材限定，其构成堞形，并与平板交替堆置；该流动通道的边缘可以由密封条限定。为了确保所需的良好热 接触，该第一和第二气体流动通道的深度可以为10mm~2mm,优选 深度小于6mm,更优选在3mm~ 5mm范围内。用于形成该反应器才莫 件的板材堆例如通过扩散粘结、铜焊或热等静压方式粘合在一起。
该催化剂结构优选具有金属基体，用以提供强度和提高通过传导 的热传递，以防止热点。通常该金属基体覆盖有陶瓷涂层，在该陶瓷 涂层中添加了活性催化材料。优选该用于催化剂结构的金属基体与该 非催化性插件不同，是钢合金，在加热时其形成了氧化铝的粘着表面 涂层，例如铝支撑《失素体钢(例如Fecralloy ( TM))。当该金属在 空气中加热时，其会形成氧化铝的粘着氧化物涂层，这会保护该合金 不会进一步氧化和腐蚀。在该陶瓷涂层是氧化铝的情况下，其显示出 粘合到该表面上的氧化物涂层。优选各催化剂结构经成形使得将该流 动通道细分成多个平行的流动通道，在各这种分通道中的表面上具有 活性材料。该基体可以是金属箔片、金属丝网或毡片，其可以是皱紋 状、波紋状或折叠状的；该优选的基体是皱紋状的薄金属箔片，例如 厚度小于100(im。
如US2006/0035182中描述的， 一个用于评价反应通道是否能够 经历火焰传播的参数已知为安全淬火距离或淬火间隙，其是确保在特 定压力和温度下抑制所有火焰传播的最大通道宽度。如果该通道间隙 大于该淬火间隙，那么火焰传播是可能的，火焰可能变成爆燃，即以 亚音速传播的燃烧波。在实际中，至少对于矩形横截面的通道，最大 间隙(在该间隙下火焰传播得以抑制)事实上明显大于该淬火间隙， 约等于爆炸单元尺寸。这些两个参数取决于该可燃烧材料的性质，取 决于该组合距离化学计量比的接近程度，以及取决于温度和压力。作 为实例，对于初始状态为1大气压和约25。C的氢气和空气(作为氧气 来源)的化学计量混合物，该淬火间隙约为O.lmm，但最大间隙尺寸 约为5mm。氢气在氧气中的最大间隙尺寸约为1.2mm。随着温度升高， 这些用于最大间隙尺寸的数值会降低，且随着压力提高，其也会降低。 对于其他燃料混合物，该数值通常更大，例如对于曱烷在空气中，淬 火间隙约为1.5mm (最大间隙尺寸约为50mm)。
如果输送到该入口的气体自身是可燃烧的，例如有燃料和空气的 混合物组成，那么该非催化性插件优选将与该入口相邻的第 一流动通道的一部分细分成多个窄流径，其比用于防止火焰传播的最大间隙尺 寸更窄。在这种情况下，该非催化性插件可以是一堆纵向波紋状箔片。 这种窄流径也促进层流。这优选与热交换装置相结合以确保该非催化 性插件保持在比第一流动通道中的燃烧催化剂更低的温度。可替代地 或除此之外，在通过集管将这种可燃烧气体输送到多个第一流动通道 的情况下，那么在该集管中也可以提供这种非催化性插件。
可替代地，输送到该入口的气体可以仅包含该燃烧反应器中的一 种(例如仅包含空气)，在这种情况下，其他反应物(燃料)可以通 过朝向该第一流动通道的开孔输送。在这种情况下，该箔片插件可以 经成形以将该注入的反应物和通过该入口进入的反应物完全混合。该 其他反应物可以在沿该第 一流动通道的不同位置上分阶段添加，使得 在该第 一 流动通道的长度上该第 一 流动通道中的气体混合物始终适 当地低于化学计量比，以及有该催化剂结构限定的流动通道充分窄以 防止火焰传播。可替代地，如果所有其他反应物都添加到该第一流动 通道大的入口附近，那么可以存在第一非催化性插件以形成完全混 合，后面立即是用于限定窄通道以促进层流和抑制火焰传播的第二非 催化性插件，该第二非催化性插件位于该第一非催化性插件和该燃烧 催化剂之间。
现在仅以实施例的方式参照附图进一 步且更特别地描述本发明，
其中


图1显示了适用于蒸汽/曱烷重整的反应器块的部分截面视图，为 清楚起见部件单独显示；
图2显示了组装好的反应器块沿图1中的A-A线的横截面视图； 图3显示了可替代性反应器的横截面视图； 图4显示了图3的反应器沿B-B线的部分横截面视图； 图5显示了图3和4的反应器的插件形成部分的透视图。 蒸汽重整反应是如下发生的将蒸汽和曱烷混合，在升高温度下 使该混合物和适合的催化剂接触，使得蒸汽和曱烷反应以生成 一 氧化 碳和氢气。重整器反应器中的温度通常从入口处的约450。C提高到出 口处的约800~ 850°C。该蒸汽重整反应是吸热反应，该热量由例如与 空气混合的烃和氢气的催化燃烧提供。该燃烧是在该重整反应器内的 相邻流动通道内的燃烧催化剂上发生的。现在参照图1,示出了适用作蒸汽重整反应器的反应器10。该反 应器10由在平面图中为矩形的一堆板材构成，各板材是耐腐蚀性高 温合金，例如Inconel 625、 Incoloy 800HT或Haynes HR-120。平板12 通常厚度在0.5 4mm范围内，在该实例中厚度为lmm，其与堞形板 14、 15交替设置，其中该堞形使得从该板的一侧到另一侧限定了直通 通道16、 17。该堞形板14和15在该堆中交替设置，使得该通道16、 17在交替堞形板中以正交方向定向。该堞形板14和15的厚度(通常 在0.2~ 3.5mm范围内)在各实例中为0.75。该堞形的高度(通常在2~ 10mm范围内)在该实例中为4mm，沿侧边提供相同厚度的实心棒材 18。在限定燃烧通道17的堞形板15中，堞形的波长使得连续的纽带 间距25mm,而在限定重整通道16的堞形板14中，连续的纽带间距 15mm。
现在参照图2，其显示了穿过该组装好的反应器10的横截面视图， 各板材12是宽600mm且长1400mm的矩形；该横截面在与一块这种 板材12平行的平面中。用于燃烧通道17的堞形板15是面内的相同 区域，堞形纵向延伸。用于该重整通道16的堞形板14是600mmx 400mm,三块这种板材14并排设置，其中间有边缘条18,通道16横 向延伸；具有相同堞形的堞形板34设计中为600mmx 200mm，与一 块板材14并排设置。在该堆的各端部的集管22能够将燃烧气体通过 管道24输送到燃烧通道17中以及从其中排出废气。小集管26(如所 示的右下部和左上部)能使用于重整反应的气体混合物输送到第 一堞 形板14中的通道16中；双倍宽的集管28(如所示的右上部和左下部) 能使气体混合物从一块堞形板14流到下一块。单独的小集管36连接 由板3 4限定的通道。总的结果是经过重整的气体继续到蛇形路径中， 其通常相对于通过燃烧通道17的流动是同向的。
如上所述组装该堆，并通过扩散粘结、铜焊或热等静压方式粘结 在一起。然后将波紋状金属箔片催化剂载体20(在图1中仅示出两组) 插入各通道16和17中，负载由用于两种不同反应的催化剂。该金属 箔片优选是含铝的钢合金，例如Fecralloy，其覆盖有包含该催化剂的 陶资涂层。在该重整通道16 (在板14中)中，该催化剂载体20延伸 该通道的全部长度。在该燃烧通道17中，该催化剂载体20长1200mm, 使得其沿着该重整通道16的边延伸；各通道17的第一 200mm长度改为由两个波紋箔片和平坦箔片的堆制成的非催化性波紋箔片插件
40 (在图1中仅示出一个)占据，波紋的长度使得该流动通道明显陷 于通过催化剂载体20的那些，在该实例中该箔片是不锈钢。在插入 该催化剂载体20和该非催化性插件40之后，将集管22、 26、 28和 36连接到该堆的外部，如图2中所示。图2中未示出催化剂载体20 和非催化性插件40，其仅在图1中图解示出。
在使用中，将蒸汽和曱烷的混合物输送到入口集管26 (如所示的 右手侧)，使得该蒸汽/曱烷混合物遵循如上所述的蛇形路径。燃烧燃 料(例如曱烷和氢气)通过爆炸防止器42输送到入口集管22 (如所 示的下端)并与空气混合，其部分直接输送，部分通过集管36和待 预加热的堞形板34中的流动通道输送。通过该堞形板34中的通道输 流动的空气与包含非催化性插件40的通道17的入口部分相邻流动， 并且帮助保持该插件40的温度低于通道17的剩余部分，并同时对该 空气进4亍预加热。该插件40限定的流动通道内最大间隙约为lmm， 其足够小以确保该特定的气体混合物不会传播爆炸；该窄间隙还有利 于层流，其有助于抑制火焰传播的风险。而且，尽管通道17的下游 部分中的催化剂载体20的温度可能大于600°C ,例如为800或850°C ， 但流动通过该板34中的通道的空气连同燃料和空气的流入混合物一 起确保了该非催化性插件40的温度明显更低，例如400°C。
应当理解该图中所示的反应器设计仅为示例性的，以及本发明可 应用于任何其中反应物可能经历爆炸的催化反应器中。例如，其同样 适用于其中流动通道由平板中的凹槽或由棒材和平板限定，或者实际 上流动通道是由板中的开孔所限定的反应器。还应当理解该反应器可 以与所示的不同，但仍保持在本发明的范围内。该非催化性插件40 通常长为50~ 500mm,流动路径的最大宽度在0.1 ~ 3mm范围内，箔 片厚度通常在20~ 300(mi范围内。该插件14方使j也由平坦的和波紋 状的箔片制成，但应当理解其可以以不同方式构造。在一些实例中， 不需要为该在堞形板34中的空气流动提供的非催化性插件40提供另 外的冷却，因为其可以得到流入的燃料/空气混合物的充分冷却。应当 理解如果需要另外进行冷却，那么可以在堞形板34的通道内进行吸 热反应来代替。
也应当理解除了非催化性插件40,燃烧火焰传播可以通过另外的步骤进行进一步防止，例如通过在燃料/空气混合物中添加基本为惰性 的组分，例如蒸汽或二氧化碳，因为这样将会降低燃烧动力学，使火 焰传播更不可能。还应当理解也可以在燃烧通道17的出口端提供包
含这种非催化性插件40的另外的淬火区域，以防止出口 (集管22中) 处的火焰传播或者通过输送罐24的爆炸时间传播，尤其是在启动过 程中。可替代地，该燃料/空气混合物可以包含过量的氧气(过量的空 气)，使得其化学计量过量，这样也会抑制火焰传播。
可替代地或除此之外，可以在入口集管22和非必要地也在出口 集管22内提供以蜂窝状结构形式的非催化性插件44 (在图2中以虚 线显示)。这种蜂窝状插件44限定了与插件40的那些类似的通道， 其足够窄以防止火焰传播以及防止爆炸。例如各通道可能宽0.5mm或 0.8mm。这种蜂窝状插件44可以设置面临该堆的正面，该燃烧通道 17的开口端位于其中，适宜地，该蜂窝状插件44和该集管22的周围 壁之间的任何隙距也足够窄以防止火焰传播。
可替代地，该燃料可以沿该燃烧通道17的长度分阶段输送(通 过两个或多个入口 )，以确保该燃料/空气比例总是适当地低于化学计 量。这具有另一个优点，增大了所需的淬火间隙。现在参照图3，示 出了与图i和2具有一些相似点的反应器50,相同的组件由相同的参 考数值表示。在该实例中，用于燃烧和用于蒸汽/曱烷重整的通道51 和52由棒材18限定在平板12之间。图3显示了一组燃烧通道51在 平面内的横截面视图；这种燃烧通道与用于蒸汽/曱烷重整的横向通道 52在集管26、 28、 28和26之间交替堆置。催化剂载体20a和20b (与 相应通道宽度相同)分别提供在各通道51和52中。入口集管53和 54分别与和燃烧通道51的入口端相邻且在用于蒸汽/曱烷重整的第二 和第三横向通道52之间的横向通道55和56 (虚线所示)相连；横向 通道55和56的另一段通过响应的侧面棒材18(类似图1中所示的那 些)封闭。板材12中的狭槽58使得流体在该横向通道55和56和燃 烧通道51之间流动。
在反应器50的使用中，将蒸汽/曱烷混合物输送到入口集管26以 遵循如前所述的蛇形路径，同时将空气输送到入口集管22中。同时 参照图4,其示出了该反应器50的部分横截面视图，将燃料输送到入 口集管53和54，由此进入横向通道55和56,由此通过狭槽58进入燃烧通道51。在该狭槽58附近的该部分燃烧通道51包含由箔片构成 的非催化性插件60,其经成形以增强湍流，使得在注入燃料是该空气 或热燃烧气体是湍流的，和该湍流继续该狭槽58下游的较短距离， 足以确保完全混合。然后该混合物到达催化剂载体20a，以发生燃烧。 在各阶段燃料与空气之比适当地低于化学计量值，确保不会发生爆 炸。(图3中^f义示出了一个通道51中的插件60和载体20a)。
作为实施例，该插件60具有如图5中所示的形状，由具有多个 平行狭缝的平坦箔片切件制成，各狭缝的相反侧上的该部分箔片各自 变形成峰和槽，使得在该箔片宽度上峰和槽交替。沿着箔片的长度可 以峰接着峰，槽接着槽，如图所示；或者沿长度的任何线，峰和槽可 以依次交替。沿该燃烧通道51的长度分阶段添加燃料确保在该通道 51的长度上燃料和空气之比始终适当低于化学计量值，因此由波紋状 箔片催化剂载体20a限定的间隙可以小于用于防止火焰传播的最大间 隙尺寸。
即使所有燃料都引入到燃烧通道的入口端附近，该将燃料引入通 道中的方法也是适用的。在这种情况中，特别地，除了在燃料入口狭 槽58的附近提供涡流增强插件60之外，也可以存在非催化性插件40 以增强层流且具有比用于防止火焰传播的最大间隙尺寸更窄的间隙。 这种插件4 0可以提供在燃料注入该气流中的位置的上游和下游。
权利要求
1. 紧凑型催化反应器，该反应器限定了多个交替排列的第一和第二流动通道，该第一流动通道具有不超过10mm的横向尺寸，并为可燃反应物提供流路，且包含用于催化该反应物的燃烧的可移动的且可渗透流体的催化剂结构，该第一流动通道具有用于至少一种反应物的至少一个入口，其中各第一流动通道包括与各入口相邻的插件，该插件对该燃烧反应没有催化作用。
2. 权利要求1的反应器，其中该非催化性的插件是不形成富含氧 化铝的表面涂层或催化活性氧化物膜的材料。
3. 权利要求1或权利要求2的反应器，其中输送到该入口的气体 是可燃烧的，该非催化性的插件将与该入口相邻的该第 一 流动通道的 部分细分成多个窄流径，其比用于防止火焰传播的最大间隙尺寸更 窄。
4. 权利要求3的反应器，其中设置热交换装置以将该非催化性插 件保持在比该第 一 流动通道中的该燃烧催化剂更低的温度。
5. 前述权利要求中任一项的反应器，其中输送到该第一流动通道 的入口的气体是可燃烧的，而且该气体通过集管输送到多个入口，其 中在与该入口相邻的该机关中设置非催化性插件，而且该插件限定了 多个与该入口相连的窄流径，该流动通道比用于防止火焰传纟番的最大 间隙尺寸更窄。
6. 权利要求1或权利要求2的反应器，其中输送到该入口的气体 仅包含燃烧气体混合物的 一 部分，该反应器现定了用于将其他反应物 直接输送到该第 一流动通道中的开孔，以及其中该非催化性插件经成 形以将该注入的反应物和通过该入口进入的反应物完全混合。
7. 权利要求6的反应器，其中在沿该第一流动通道的不同位置上 将反应物分阶段添加到该第一流动通道中，使得在该第一流动通道的 长度上该第一流动通道中的气体混合物始终适当地低于化学计量比， 以及有该催化剂结构限定的流动通道充分窄以防止火焰传播。
8. 权利要求6或权利要求7的反应器，其中各第一流动通道包含 用于发生完全混合的第一非催化性插件和用于限定窄通道以促进层 流并抑制火焰传播的第二非催化性插件，该第二非催化性插件位于该 第一非催化性插件和用于催化燃烧的该催化结构之间。
9.用于进行蒸汽曱烷重整反应的装置，包括前述权利要求中任一 项的反应器。
全文摘要
紧凑型催化反应器限定了多个交替排列的第一和第二流动通道，该第一流动通道的深度不超过10mm，为可燃反应物提供流路，且包含用于催化该反应物的燃烧的催化剂结构，且具有用于至少一种反应物的至少一个入口。该第一流动通道还包括与各入口相邻的插件，该插件对该燃烧反应没有催化作用该插件可以限定比用于防止火焰传播的最大间隙尺寸更窄的间隙。该反应器可用于蒸汽甲烷重整装置。
文档编号B01J19/24GK101437607SQ200780016646
公开日2009年5月20日 申请日期2007年4月19日 优先权日2006年5月8日
发明者D·J·韦斯特, M·J·鲍, R·F·吉勒斯皮, R·皮特, S·布雷邦 申请人:康帕克特Gtl有限公司