本发明专利技术涉及一种辐射壁催化反应器，其用于通过辐射16提供来自反应室1的内壁表面8的热量，以维持在所述反应室1中发生的总体上吸热的气相化学反应，所述反应器包括具有入口2和出口3的所述反应室1，所述入口2将气态反应物以连续的方式引入所述反应室1，所述出口3使气态产物能够以连续的方式离开所述反应室1，其中，所述反应室1包括多个催化剂段(A)5和多个空位段(B)6，在所述催化剂段(A)5中，气体流流经并接触催化剂材料4，在所述空位段(B)6中，从空位段(B)6中的内壁表面8向催化剂段表面9辐射热量，所述催化剂段表面9构成所述催化剂段(A)5和所述空位段(B)6之间的接触面；其中，通过辐射发出的热通量穿过所述内壁表面8发生在一个或多个段(A)5，并且是在15至100kW/m2范围内；其中，所述催化剂段(A)5的两侧各有一个空位段(B)6；并且其中空位段(B)6包含支撑构件10；制成所述反应室1的材料适于耐700℃以上的温度；并且加热装置用于加热所述反应室1，使所述反应室1的外壁表面15的温度高于所述反应室1的所述内壁表面8的温度。本发明专利技术还涉及在这种反应器中实施化学反应的方法。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】
技术介绍
本专利技术涉及具有改进的热传递的反应器，以及在此反应器中实施总体上吸热的气相化学反应的方法。具体地说，本专利技术涉及一种辐射壁催化反应器，其通过辐射提供来自反应室的内壁的热量以维持在反应室中发生的吸热反应，所述反应器包括具有入口和出口的反应室，所述入口将气态反应物以连续的方式引入反应室，所述出口使气态产物能够以连续的方式离开反应室。本专利技术还涉及在此反应器中实施化学反应的方法，所述方法包括通过辐射的热传递的改进。在此类反应器中实施的化学反应通常涉及通过反应室的壁的大量的热的传递(例如，在D.Lihou公开的Heaters for Chemical Reactors, 1975中，报告了含有催化剂的管表面面积的15至100kW/m2的范围内的热通量)。如果反应是高度吸热的，则必须提供足够的热量以维持预期的反应，而这可以以各种方式提供。当反应的温度需要被维持在高温(例如700°C以上)时，那么反应室可以是被安装在燃料(气体或液体燃料)燃烧炉内的管(含有催化材料的)的形式，所述燃烧炉提供来自通过燃烧燃料维持的所述炉内的热区(例如1200至1500°C)的必要的外部热源。从火焰及附近的气态热区而来的热量通过辐射和对流的结合被传递至管(反应室)的外表面。通常，这样的炉内有多个管(反应室)。在单个的用作反应器的管内，热量通常通过对流、传导和辐射的结合从管的内壁被传递至流动流体和催化床。在迄今已知的反应器中，在管(反应室)的横截面之上发生温度的变化，该变化可能是显著的，并且具有若干缺点。换言之，为了预期的吸热化学反应，反应室的外表面可能需要被加热至非常高的温度，以确保反应室的内部中的足够高的温度。然而，反应器材料的寿命极大地取决于温度，并且一旦达到过高的温度，寿命就会急剧缩短。另一方面，在壁附近的高温下，可能发生非预期的化学反应。例如，这些反应可能导致碳沉积的形成，碳沉积将增加局部位置的热传递的阻力，从而可导致反应室的内壁附近的热点。或者，从管(反应器)的壁到中心的大的温度梯度能导致管(反应器)的中心的低温区，这可能导致中心附近的不完全反应，从而需要更长的反应器长度以实现必要的转化。人们已经进行了各种尝试以克服此情况并减轻与此相关的影响。美国专利第4，042，334号公开了一种高温化学反应器，它包括限定了反应室的管，用于将惰性流体引入反应器管以为管的内表面提供保护性的覆盖层的方法；用于将反应物引入反应室的方法，所述反应物通过所述保护性的覆盖层被限制在反应室的中心；以及用于产生高强度辐射能的方法，该辐射能被引入反应室以与反应物的至少部分路径一致。美国专利第5，322，116号公开了一种用于从高温流体流动区向低温流体流动区传递热量的高温流体至流体热交换器，其包括用来分隔高温流体流动区和低温流体流动区的中间艾莉雅壁(alia wall)装置，以及占据大部分低温流体流动区的多孔陶瓷泡沫材料。陶瓷泡沫材料被放置在所述壁装置的附近，用于吸收来自所述壁装置的大部分辐射热，其中所述陶瓷泡沫不与所述壁装置接触，从而在壁装置和陶瓷泡沫材料之间形成狭窄的间隙，陶瓷泡沫材料具有的孔隙率足以允许沿其边缘的流体的预定的流速。Nijemeisland等(2004)描述了计算机流体动力学仿真如何被用于模拟装有催化剂颗粒物的蒸汽甲烷重整反应器的近壁区中的热传递。这篇论文的有趣之处在于其合作者之一来自制造和销售用于这类应用的商业催化剂的大公司Johnson MattheyCatalysts(UK)。在他们的论文中(第5186页)，他们声明“本文提出的仿真中忽略了辐射，因为早期的工作表明，相比对流热传递过程，辐射是无足轻重的”。这是重要的声明，因为它提供了这样的证据:此专家认为热传递的方式本质上主要是对流传递。M.Nijemeisland, A G Dixon, E.H.Stitt, (2004) Catalyst design by CFDfor heat transfer and react1n in steam reforming, Chemical EngineeringScience,59 (2004)5185-5191。WO 2009/109379 Al公开了一种反应器，它是一种包括一个或多个反应器管(或“管道”)的吸热催化反应器，所述反应器管(或“管道”)由在管道中形成环形区的内管/管道和外管/管道形成。所述内管/管道含有催化剂，例如形成催化剂固定床的颗粒，或包覆或浸渍在布置在内管道中的结构元件上的催化剂，从而所述结构元件是例如整块石料。特别公开了用贵金属催化剂和Ni基催化剂包覆的整块石料。在催化剂之间布置了流体检测器，其促使流体经过外管道(环形区)流入含有催化剂的内管道。同时，流体检测器还促使流体经过内管道流入外管道。例如，所述反应器管包含若干管段，例如十四管段，每管段包含催化剂、环形区和流体检测器。因此，流体的一个支流经过外管道，即环形区，被流体检测器促使进入具有催化剂的内管道，经过催化剂后，被下一个流体检测器促使再次进入外管道，而流体的另一个支流经过相同的内管道，被流体检测器促使进入外管道，然后被下一个流体检测器促使再次进入内管道。因此，流体的每个支流交替地经过催化剂和外管道，从而经过反应器管的每个第二管段的催化剂。流过环形区的支流通过外源而被加热，流过内管的支流通过发生在例如催化结构元件上的吸热重整而被冷却。因此，经过具有催化剂的内部管道的支流已经在其中被冷却，然后在经过外部管道时被加热。该催化反应器可用于蒸汽重整。US 2011/0 194 991 Al公开了一种管式反应器，其包括具有多个杯状结构的内部催化插入物，从而，所负载的催化剂被安置或放置在多个杯状结构的每个的中心空间内。两个杯状结构之间可有一段距离。所述杯状结构具有用于形成流体喷嘴的孔，使流体冲击管壁。此喷嘴冲击被用于增强管中的流体和管壁之间的热传递。这样的管式反应器可用于例如吸热反应，例如蒸汽甲烧重整。WO 2008/040999 A2公开了一种反应器，其用于实施至少一种气态反应物和至少一种液相反应物的非均相催化反应。该反应器包括依序布置的且各自含有催化材料的至少第一和第二反应区。催化材料可以是颗粒的形式，或是为反应物气体/液体混合物限定路径的单一体的形式，在一个特别优选的实施方式中，每个反应区包含具有平行通道的整块石料的形式的结构化的催化剂床，例如，Pt催化剂分布在整块石料的形式的碳载体上。在依序布置的反应区之间设有热传递区，热传递区可具有与其帮助维持反应器的内容物的温度在预期范围内的功能有关的任何合适的结构。通常，热传递区限定封闭的通道，在所述通道内，热传递流体可以与反应器的过程流体分隔地但热交换形式地流动。热传递区中使用的合适的热传递装置包括管或紧凑的板型的热交换器。美国专利第3，617，227号公开了一种用于使用蒸汽和/或二氧化碳作为重整氧化剂的气态烃类的催化重整(例如蒸汽甲烷重整)的装置。烃类和氧化剂经过在整个长度上被基本均匀地加热(例如加热至1800-2200 °F)的管，所述管包含邻近进气口的耐火预热颗粒和在预热颗粒和管出口中间的催化颗粒。催化剂是例如用镍浸渍过的2英寸至3英寸的刚铝玉(Alundum)块。如果催化剂管被加热本文档来自技高网...
【技术保护点】
辐射壁催化反应器，其用于通过辐射(16)提供来自反应室(1)的内壁表面(8)的热量，以维持在所述反应室(1)中发生的总体上吸热的气相化学反应，所述反应器包括具有入口(2)和出口(3)的反应室(1)，所述入口(2)将气态反应物以连续的方式引入所述反应室(1)，所述出口(3)使气态产物能够以连续的方式离开所述反应室(1)，其特征在于，所述反应室(1)包括多个催化剂段(A)(5)和多个空位段(B)(6)，在所述催化剂段(A)(5)中，气体流流经并接触催化剂材料(4)，并且在所述空位段(B)(6)中，从空位段(B)(6)中的内壁表面(8)向催化剂段表面(9)辐射热量，所述催化剂段表面(9)构成所述催化剂段(A)(5)和所述空位段(B)(6)之间的接触面；其中，通过辐射发出的热通量穿过所述内壁表面(8)发生在一个或多个段(A)(5)，并且是在15至100kW/m2范围内；其中，所述催化剂段(A)(5)的两侧各有一个空位段(B)(6)；并且其中空位段(B)(6)包含支撑构件(10)；所述反应室(1)由适于耐700℃以上的温度的材料制成；并且加热装置用于加热所述反应室(1)，使所述反应室(1)的外壁表面(15)的温度高于所述反应室(1)的内壁表面(8)的温度。...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：S·T·柯莱克扎库斯基，D·纽曼，S·萨贝里，B·萨贝里，
申请(专利权)人：艾蓝腾欧洲有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE
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