包括两个反应区的方法及其设备技术

用于进行化学反应的方法，其包括：向包含第一催化剂颗粒等效直径的第一催化剂的第一反应区(102)供给气态反应物(101)；运行所述第一反应区(102)以便当所述反应物与所述第一催化剂接触时，部分所述反应物转化为所需产物；取出包含未反应的反应物和所述所需产物的中间流(103)并且将所述流(103)传送至包括管式反应器的第二反应区(104)，其中所述管包括多个催化剂承载器，所述催化剂承载器包含具有第二催化剂颗粒等效直径的催化剂，所述第二催化剂颗粒等效直径小于所述第一催化剂的所述第一催化剂颗粒等效直径；运行所述第二反应区(104)以便当来自所述第一反应区(102)的所述流(103)中所述未反应的反应物与所述第二催化剂接触时，至少一些所述未反应的反应物转化为所述的所需产物；以及回收产物流(105)。还描述了用于进行所述方法的设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及用于进行化学反应的方法。更具体地，其涉及用于进行部分氧化反应的方法。还更具体地，其涉及用于通过甲醇的氧化或诸如甲缩醛的甲醇前体的氧化而制备甲醛的方法。在第二方面，本专利技术涉及用于进行所述方法的反应器。通常在近大气压下，在催化剂的存在下，通过甲醇的气相部分氧化制备甲醛。存在两种商业上公认的方法。在一种方法中，使用银催化剂。在该方法中，使甲醇、氮气和氧气穿过催化剂浅床。第二种方法使用金属氧化物催化剂，通常为铁氧化物和钼氧化物的混合物，其包含在管式反应器的管中。甲醇、氮气和氧气的混合物向下流动通过管并与催化剂接触，在此处反应发生。甲醇的氧化反应是高度放热的并因此利用在管外部循环或蒸发的冷却介质来去除反应热。在反应器管中发生两个主要反应。第一个是甲醇至甲醛的所需部分氧化以及第二个是所生成的甲醛至一氧化碳且可能甚至至二氧化碳的所不需要的进一步氧化或燃烧。应理解，可能发生诸如由甲醇形成二甲醚、形成甲酸甲酯等其他反应。然而，本申请涉及上述的主要反应。典型的甲醛反应器在高甲醇转化率(达到99％或更高的转化率)下运行。然而，从反应器中取出的甲醛的产率通常小于93％。这是因为在用以实现至甲醛的高甲醇转化率的反应器中的条件还适于甲醛至碳氧化物的所不需要的转化，而碳氧化物的形成降低了所需甲醛的总产率。对制备甲醛的运行成本的主要贡献因素是甲醇的消耗和电力的消耗。如果进料至反应器的甲醇尽可能多地转化为所需产物，则在一定程度上可以抵消这些成本的影响。所需电力的量与穿过催化剂床的压力降有关。这是因为穿过该床的较高的压力降意味着需要较高的入口压力，且因此向反应器供给氮气/氧气与甲醇的混合物的压缩机或鼓风机需要较高的电力消耗。因此，为使运行成本中的电力因素最小化，必须使穿过管下方的催化剂床的压力降最小化。这可以通过使用较大的催化剂颗粒尺寸来实现。由于催化剂颗粒可以是各种形状，因此它们的相对尺寸可以用催化剂颗粒等效直径来表达。这用具有与催化剂颗粒等效特性的球体的直径限定了尺寸。催化剂颗粒等效直径可以表达为6X(催化剂体积/颗粒表面积)。通常，用于甲醛过程中的催化剂形体的催化剂颗粒等效直径为1mm至6mm。这些形体可以是简单球体。可选地，更复杂的形体可以用作不仅使压力降最小化还使表面积最大化的形体。然而，当催化剂的催化剂颗粒等效直径可以有助于使压力降最小化时，该范围意味着颗粒的厚度对与所需反应和所不需要的反应有关的传质过程存在限制。对于需要的反应，甲醇和氧气分子扩散通过大部分催化剂颗粒直至反应物分子到达其中进行生成甲醛的反应的活性催化剂位点是必要的。因此，气体分子必须向下经过催化剂中的孔。一旦甲醛分子已经在催化剂颗粒的孔中形成，随后其就必须从催化剂颗粒中扩散出来进入流过催化剂床的主体气体中。如果在从催化剂中扩散出来的过程中，甲醛分子到达活性催化剂位点，将出现问题，因为如果氧原子也存在的话，有可能会发生所不需要的生成碳氧化物的反应。虽然催化剂颗粒等效直径的减小将使所生成的甲醛遇到催化剂颗粒中的另外的活性位点的风险最小化，但是催化剂颗粒等效直径的任何减小将导致压力降的不可接受的增加。因此，必须在可以实现的甲醛产率与经过床的压力降之间做出折中。该折中规定了工业工厂中常见的催化剂颗粒尺寸。此外，如果在床中使用精细分散的催化剂以减少生成碳氧化物的反应，则这除了导致与压力降有关的问题，其将还会导致反应速率增大，而接着将导致床温度峰值增加，因为热量难以从管中心的催化剂中去除。由于催化剂中的一些钼化合物的挥发性，催化剂床温度的任何显著的增加将导致催化剂寿命显著降低，因此这是成问题的。已经考虑改善该方法的一个途径是在沿反应器管轴向向下的方向上改变催化剂组成。在US6518463中，描述了用于将反应物气体进料流中的甲醇氧化成甲醛的方法和固定床反应器。该方法包括在氧化条件下，将反应物气体进料流引入包含第一金属钼酸盐催化剂(基本上不含挥发性的Mo/MoO3物种)的上游区，以形成部分氧化的反应物气体进料流。随后，在氧化条件下，将该部分氧化的流引入包含第二金属钼酸盐催化剂的下游区以进一步氧化包含在其中的任何残余甲醇。因此，在该方法的第一阶段中存在最热温度，而催化剂包含较少的挥发性钼物种，否则该挥发性钼物种将在操作条件下升华，由此降低催化剂寿命，同时所得的钼沿着管进一步向下沉积而增加了压力降。虽然该布置可以提供一些优势，但是注意到转化率仅为85％或更高以及选择性仅为90％或更高。在US8513470中讨论了替代途径。在该方法中，固定床用于将甲醇氧化成甲醛。该床包括具有不同催化活性的至少两层，较低活性的层包含在该床的其中反应物气体混合物进入并校准其活性的部分中，以便该层中的最高热点温度为350℃至430℃，且高于由纯催化剂形成的较高活性层的最高热点温度。在其中较低活性层的最高热点温度的情形保持在上述值的期间，提出甲醇的转化率高于96摩尔％。虽然这些建议提供一些优势，但是它们涉及使催化剂的寿命最大化。这些建议未解决与所需甲醛连续反应成一氧化碳和/或二氧化碳有关的低产率。因此，希望找到使甲醇至甲醛的转化率最大化同时通过使甲醛至一氧化碳的转化率最小化而使甲醛的产率最大化的方法。此外，期望作到如下：同时维持与常规反应器相当的压力降以避免增加电力成本，且同时维持不会导致催化剂寿命劣化的温度曲线，例如其中钼用作催化剂的情况下由钼的损失增加而导致的催化剂寿命劣化。本专利技术人已经注意到，在使用铁钼催化剂形成甲醛的常规管式反应器中，仅在一旦在流过反应器的气体中甲醛的固定浓度超过最低水平时一氧化碳的形成速率才变得显著。特别地，已经发现在甲醛至一氧化碳的任何显著的损失发生前，高达50％的甲醇可以转化为甲醛。然而，随着反应器气体沿着反应器管向下流动，由于甲醇浓度降低至目标出口浓度而生成越来越多的一氧化碳。注意到关于诸如部分氧化反应的其他反应的类似问题，在所述部分氧化反应中，在催化剂存在下化合物A反应成化合物B，并且如果化合物B未从催化剂上的活性位点去除，则化合物B可以进一步氧化成化合物C或者甚至氧化成诸如二氧化碳和水的完全氧化产物。特别是在其中所使用的催化剂为无承载器类型且由于催化剂孔尺寸及分散在该孔的内部或外部的化合物的尺寸和形状而使反应过程具有传质限制的情况下，加重了该问题。目前，已经发现可以通过以下来解决上述的一些或所有问题：在填充有具有常规的催化剂颗粒等效直径(即约1mm至约6mm的量级)的催化剂的常规管式反应器中进行第一部分的转化，并且随后在第二反应区中完成转化，其中将第二反应区配置为通过使所得的反应热有效地去除以便温度曲线得以控制而能够使用较小的催化剂颗粒等效直径。WO2011/048361，其内容通过引用并入本文，描述了用于颗粒状催化剂的承载器。该催化剂承载器包括：环形容器，其用于容纳使用中的催化剂，所述容器具有界定管的穿孔内壁、穿孔外壁、封闭该环形容器的顶面以及封闭该环形容器的底面；表面，其封闭由该环形容器的该内壁形成的所述管的底部；裙部，其从该环形容器的该穿孔外壁从所述容器的底面或底面附加的位置向上延伸至密封件位置下方的位置；以及密封件，其位于该顶面或该顶面附近并且从该容器延伸至超出所述裙部的外表面的距离。这些催化剂承载器使得反应中生成的热从催化本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于进行化学反应的方法，其包括：向包含第一催化剂颗粒等效直径的第一催化剂的第一反应区供给气态反应物；运行所述第一反应区以便当所述反应物与所述第一催化剂接触时，部分所述反应物转化为所需产物；取出包含未反应的反应物和所述所需产物的中间流并将所述流传送至包括管式反应器的第二反应区，其中所述管包括多个催化剂承载器，所述催化剂承载器包含具有第二催化剂颗粒等效直径的催化剂，所述第二催化剂颗粒等效直径小于所述第一催化剂的所述第一催化剂颗粒等效直径；运行所述第二反应区以便当来自所述第一反应区的所述流中的所述未反应的反应物与所述第二催化剂接触时，至少一些所述未反应的反应物转化为所述所需产物；以及回收产物流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.17 GB 1402782.51.用于进行化学反应的方法，其包括：向包含第一催化剂颗粒等效直径的第一催化剂的第一反应区供给气态反应物；运行所述第一反应区以便当所述反应物与所述第一催化剂接触时，部分所述反应物转化为所需产物；取出包含未反应的反应物和所述所需产物的中间流并将所述流传送至包括管式反应器的第二反应区，其中所述管包括多个催化剂承载器，所述催化剂承载器包含具有第二催化剂颗粒等效直径的催化剂，所述第二催化剂颗粒等效直径小于所述第一催化剂的所述第一催化剂颗粒等效直径；运行所述第二反应区以便当来自所述第一反应区的所述流中的所述未反应的反应物与所述第二催化剂接触时，至少一些所述未反应的反应物转化为所述所需产物；以及回收产物流。2.如权利要求1所述的方法，其中每个催化剂承载器包括：环形容器，其容纳使用中的所述第二反应催化剂，所述容器具有界定管的穿孔内壁、穿孔外壁、封闭所述环形容器的顶面以及封闭所述环形容器的底面；表面，其封闭由所述环形容器的所述内壁形成的所述管的底部；裙部，其从所述环形容器的所述穿孔外壁从位于或接近所述容器的所述底面的位置向上延伸至密封件位置下方的位置；以及密封件，其位于所述顶面或所述顶面附近，并且从所述容器延伸至超过所述裙部的外表面的距离。3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述第一反应区和所述第二反应区位于相同的容器中。4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述第一反应区和所述第二反应区位于不同的容器中。5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中在所述第一反应区与所述第二反应区之间提供级间冷却。6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述第一反应区包括管式固定床反应器。7.如权利要求6所述的方法，其中所述第一反应区和所述第二反应区中的所述管的数量和配置为相同的或不同的。8.如权利要求6或7所述的方法，其中第一区和第二区是连续的，并且在所述第一区中每个管填充有常规的催化剂且在所述第二区中每个管填充有载入催化剂承载器中的催化剂。9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述第一催化剂和所述第二催化剂为相同的或不同的。10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述第一反应区和/或所述第二反应区中的部分催化剂用惰性物质替代。11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述第一催化剂颗粒等效直径为约1mm至约6mm。12.如权利要求11所述的方法，其中所述催化剂为球体或具有较高表面积的形体。13.如权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述第二催化剂颗粒等效直径为约0.1mm至约3mm。14.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中将部分所述产物流再循环至所述第一反应区和所述第二反应区中的一个或两个。15.如权利要求1至14中任一项所述的方法，其中在将所述中间流添加至所述第二反应区之前，将一种或多种反应物添加至所述中间流。16.如权利要求1至15中任一项所述的方法，其中将一种或多种反应物添加至所述第二反应区。17.如权利要求1至16中任一项所述的方法，其中所述方法为部分氧化法。18.如权利要求1至17中任一项所述的方法，其中所述方法用于由甲醇或甲缩醛制备甲醛。19.如权利要求18所述的方法，其中所述催化剂为银...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓肯·大卫·霍尔兹沃思，朱利安·斯图尔特·格雷，
申请(专利权)人：约翰逊·马泰·戴维技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB