催化反应器制造技术

本发明专利技术涉及适于放热反应的催化反应器，所述催化反应器具有径向工艺流体流动和工艺流体流动导路，其确保延长的流体流动路径以及更高的流动速度，由此确保反应器中催化剂床的增强冷却。

Catalytic reactor

The present invention relates to a catalytic reactor for exothermic reaction, the catalytic reactor with radial fluid flow process and process fluid flow guide way, ensure the fluid flow and flow path extending high speed, thereby ensuring enhanced cooling of catalyst bed in the reactor.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】催化反应器
本专利技术的实施例总体上涉及用于放热反应的催化反应器。更特别地，本专利技术涉及通过利用径向流动原理增加在反应器的催化剂床中的工艺流体流动速度来确保催化剂的冷却。
技术介绍
甲醇反应器是甲醇合成工艺的最重要的部分。由于合成反应强烈放热，因此除热是重要的工艺。高均值热通量导致管道更少，从而导致成本降低。由于甲醇反应是放热的，反应器的主要任务是控制温度。在商业背景中已经被广泛使用的反应器技术分为两个类别：多催化剂床反应器和单床转化器。多催化剂床反应器通过如下操作来控制反应温度，将催化剂物质分离成多个部分，在所述部分之间放置冷却设备。床尺寸通常设计成允许反应进行到平衡。HaldorTopsoe收集、混合、分布转换器是这样的多催化剂床反应器。该反应器具有由支撑梁分离的催化剂床。离开上游催化剂的气体接着被收集并与用于冷却的骤冷气混合。混合气体流均匀地扩散遍布下游催化剂床。反应温度降低，且单位通过速率的转化增加。另一类型的多催化剂床反应器为串联的绝热反应器。每个催化剂层被接纳在分离的反应器容器中，每个反应器之间设置有中间冷却器。原料气直接供给到第一反应器，所述第一反应器增加用于该反应的运动驱动力。与骤冷类型的反应器相比，这导致催化剂体积减小。另一类型的多催化剂床反应器为具有中间冷却的多级径向流动反应器。非直接冷却保持温度接近最大反应速率曲线（当针对温度来绘制甲醇浓度时）的路径。由此实现最大或接近最大的单位通过的转化。无论多床是由反应器中的结构和冷却设备分离、还是由分离的反应器分离，构造上述反应器都是昂贵的。作为替代，可选择单床反应器，其中通过到除热介质的热传递来从所述反应器连续除热。所述反应器作为热交换器有效地运行。在一种设计中，单床反应器具有嵌入催化剂床中的螺旋形卷绕的管道。与管内具有催化剂的反应器相比，催化剂侧的传热显著更高。结果是，由于需要更少的冷却面积，节省了材料成本。单床反应器的一种替代性的设计与热交换器很相似：其具有竖直的壳体和设置有固定的管道板的管道热交换器。管道中的催化剂被放置在惰性材料床上。反应的热产生蒸汽，所述蒸汽从上管板的下方排出。为实现反应温度的精确控制，施加蒸汽压力控制。在等温条件下操作使得能够在低再循环下实现高产率。另外，副产品的量被最小化。此外，另一替代性的单床反应器具有双管道，在内部管道和外部管道之间填充催化剂。原料进入内部管道并当流动通过管道时被加热。气体接着进入在内部管道和外部管道之间的空间，并流动通过催化剂床。在被内部管道中的气体冷却之外，催化剂还被双管道外部的锅炉水冷却。由于催化剂床温度在反应器入口附近更高且接着朝向出口降低，所以气体沿最大反应速率线行进。这意味着实现更高的单位通过率转化。降低设备成本的单床反应器利用径向流动原理。当设计高容量甲醇转化器时，如果利用径向流动原理将有许多潜在的优势，特别是压力下降非常小。然而，如果流动仅仅限制于直接从中心到外部圆周（反之亦然），则流动速度非常低。因为这需要冷却管道分布得非常靠近，而管道分布得非常靠近会在机械上具有挑战性且昂贵，因此这是存在问题的。常规的径向转化器倾向于面临催化剂床中的热点的问题，所述问题在一定程度上可能会受更高的流动速度限制。公知的技术几乎不提供对此问题的解决方案，这可从下文的参考文献中看出，其中：EP0359952A2描述了在用于甲醇合成的常规反应器在原处改进的系统。催化剂物质被划分到多个相串联的床中，每个床具有底部和锥形的隔膜，所述隔膜与下一催化剂床的自由表面被间隔开以使得形成空间，骤冷气体供给到所述空间的外部周围，以在所述空间中实现与已经轴向地流动通过上催化剂床的部分反应的气体的最佳混合，在上催化剂床的下方和中央引入有管道，从而在内部划定下床和上床的催化物质的界限；且通过引入与管道同轴的两个柱形壁，具有最大压降的单个或多个下床被转化为具有大体上径向流动的床，所述柱形壁大体上穿孔并且分别与外壳内壁以及与管道外壁形成空隙。WO9964145公开了用于构造填充床和整块反应器/转化器的方法，相对于常规的反应器/转化器，所述反应器/转化器能更弹性地耐受工艺扰动。这些稳定的反应器响应于意外的或计划的操作参数变化而产生瞬态热点的趋势降低，否则所述热点有可能损害安全且经济的反应操作。本专利技术涉及形成如下条件，在所述条件下由工艺扰动引起的瞬态热波在反应器的不同径向区域中以不同速度传播。结果是，所述热波积累相对于彼此的相移，且通过反应器间的径向热流动破坏性地干涉。这构成如下的适应机制：抑制放热反应器中的有害的高温波并影响放热反应器的增强的操作稳定性。稳定的反应器的应用领域包括化学和石油化学工业、以及车辆（车辆催化转化器）、环境（VOC焚化炉）和能量/热生成（催化燃烧器）应用。SR的优势为提高催化剂和其他反应器部件的安全性和使用寿命，以及在生产应用中改进生产能力、选择率和产品质量。EP1261419描述了分级绝热反应器类型的反应器，其包括至少一个热交换器板，优选地包括印刷电路热交换器板，其夹设在催化剂的绝热床之间，其中所述板的面部区域以及相应催化剂的表面面部区域大体上是相似的，且所述板包括限定用于处理反应物和热传递介质的分离的通道的装置，其中限定用于热传递介质的通道的装置提供用于热传递介质通过热交换器板的至少两个不同的流动路径方向，从而减少温度偏移或温差的发生。US2006171868公开了用于催化反应的伪等温径向化学反应器，所述反应器包括大体上柱形的外壳，所述外壳在相对的端由相应的基部板闭合，所述反应器还包括反应区域，在所述反应区域中支撑相应的催化剂床，且多个热交换器被放置在所述反应区域中。在下文中，管道应被解释为任何周向形状的围壁，特征仅为比截面距离更长。典型的管道为柱形的，但其也可具有非圆形的截面形状以及在管道长度上变化的截面形状。工艺流体被限定为在反应器中、进入或离开反应器以及正在反应器中经历反应的工艺流体（为任何相或相的混合、气体、蒸汽或液体）。然而更特别地，反应物被理解为即将反应或正在反应的工艺流体，产品是在反应器中已经反应的工艺流体。工艺流体是反应物以及工艺流体是产品的界限是浮动的，然而当工艺流体进入反应器时其被限定为是反应物，当工艺流体离开反应器时其被限定为是产品。
技术实现思路
本专利技术与传统的径向流动转化器的不同之处在于，因为流动面积减小且流动长度延长，所以流动速度更高。以此方式，牺牲了压力降低减小的优势中的一些，以限制下文提到的问题。此外，控制流动面积，并由此控制通过催化剂的工艺流体速度。本专利技术所解决的主要问题为许多冷却设备（通常为管道），传统上所述冷却设备要被装配在催化剂床中。本专利技术实现了一系列效果：-由更高的流动速度造成的更高的热传递；-更好的流动分布，从而更少的热点；-更少的歧管；-能够优化流动速度从而优化热传递，以匹配转化率和最佳温度。这是通过本专利技术来实现的，本专利技术是径向流动催化反应器，由于其具有使得能够冷却反应器的特征，因此其适于放热反应。反应器具有如下的构造：工艺流体入口（也被称作反应物入口），工艺流体出口（也被称作产品出口）以及设置在反应器中的流动导路，所述流动导路确保反应器中的工艺流体流具有比简单地从反应器中心朝向反应器外壳或从反应器外壳朝向中心更长的流动路径。因为如此，确保了更高的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用径向工艺流体流的用于放热反应的催化反应器，所述反应器包括：反应器外壳，具有设置成容纳至少一个催化剂床的反应器外壳体积；设置在所述反应器外壳内部的中心工艺流体通道；至少一个反应物入口和至少一个产品出口，其中所述反应器还包括至少一个工艺流体流动导路，当从所述反应器的截面平面中来看时，所述工艺流体流动导路适于将工艺流体流从所述至少一个反应物入口沿下述两种流动路径中的一种导向：在相对于所述反应器的中心轴线向外的方向上朝向所述反应器外壳流动以及从所述反应器外壳在相对于所述反应器的中心轴线向内的方向上朝向所述至少一个产品出口流动的流动路径；或在相对于所述反应器的中心轴线向内的方向上、接着在相对于所述反应器的中心轴线向外的方向上朝向所述反应器外壳和所述至少一个产品出口流动的流动路径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.15 DK PA2015004111.一种采用径向工艺流体流的用于放热反应的催化反应器，所述反应器包括：反应器外壳，具有设置成容纳至少一个催化剂床的反应器外壳体积；设置在所述反应器外壳内部的中心工艺流体通道；至少一个反应物入口和至少一个产品出口，其中所述反应器还包括至少一个工艺流体流动导路，当从所述反应器的截面平面中来看时，所述工艺流体流动导路适于将工艺流体流从所述至少一个反应物入口沿下述两种流动路径中的一种导向：在相对于所述反应器的中心轴线向外的方向上朝向所述反应器外壳流动以及从所述反应器外壳在相对于所述反应器的中心轴线向内的方向上朝向所述至少一个产品出口流动的流动路径；或在相对于所述反应器的中心轴线向内的方向上、接着在相对于所述反应器的中心轴线向外的方向上朝向所述反应器外壳和所述至少一个产品出口流动的流动路径。2.根据权利要求1所述的催化反应器，还包括至少一个外部工艺流体通道，其中所述中心工艺流体通道包括多个反应物入口，且所述至少一个外部工艺流体通道包括多个产品出口，由此所述工艺流体在反应器的径向平面中从所述反应物入口流动通过所述至少一个催化剂床，在所述至少一个工艺流体流动导路周围被导向到所述产品出口。3.根据权利要求1所述的催化反应器，还包括至少一个外部工艺流体通道，其中所述至少一个外部工艺流体通道包括多个反应物入口，且所述中心工艺流体通道包括多个产品出口，由此所述工艺流体在反应器的径向平面中从所述反应物入口流动通过所述至少一个催化剂床，在所述至少一个工艺流体流动导路周围被导向到所述产品出口。4.根据前述任意一项权利要求所述的催化反应器，其中所述反应器具有圆形截面，且所述至少一个外部工艺流体通道被径向地设置在所述中心工艺流体通道周围。5.根据前述任意一项权利要求所述的催化反应器，其中至少一个工艺流体流动导路被设置在每个外部工艺流体通道的一部分周围，从而在工艺流体能够流动到所述至少一个产品出口之前限制所述工艺流体从所述至少一个反应物入口以及在所述流动导路周围的流动。6.根据前述任意一项权利要求所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：AL克里斯坦森，EA特贾内霍夫，
申请(专利权)人：托普索公司，
类型：发明
国别省市：丹麦,DK