用于进行平衡受限反应的方法技术

用于进行平衡受限反应的方法，该方法包括将反应物提供至具有壳的反应器，其包含：位于该壳内的一个或多个反应器管，所述一个或多个反应器管包含多个含有催化剂的催化剂贮器；用于将传热流体提供到该反应器壳以使该传热流体接触该一个或多个管的装置；用于将反应物提供到该反应器管的入口；和用于从该反应器管回收产物的出口；其中处于管内的多个含有催化剂的催化剂贮器包括至少两种构造的含有催化剂的催化剂贮器。的催化剂贮器。的催化剂贮器。

【技术实现步骤摘要】
用于进行平衡受限反应的方法
[0001]本申请是基于申请号为201680030053.5、申请日为2016年3月 24日、专利技术名称为“方法”的中国专利申请的分案申请。
[0002]本专利技术涉及一种在非均相催化剂存在下进行平衡受限反应的方法。更具体地，它涉及一种方法，其中温度受控，并且该方法得到优化。仍然更具体地，它涉及一种生产三氧化硫的方法。
[0003]许多化学反应是可逆的。在这些反应中，反应物到所需产物的正向反应伴随着可逆反应，其中所需产物复原为反应物。这些方法将达到平衡，其中正向反应的速率与逆反应的速率匹配的。称这样的反应为平衡受限的。
[0004]许多反应属于这类。经常用于说明平衡受限反应的一个例子是二氧化硫氧化来形成三氧化硫，其根据下面的反应式来进行：
[0005][0006]在这类平衡反应中，存在平衡常数K
c
，其通常表达为产物与起始材料的浓度之比。
[0007]二氧化硫的氧化是一种高度放热反应，并且从范托夫方程，可以理解平衡常数对于反应温度的依赖。典型地，范托夫方程表达为：
[0008][0009]其中K1是在绝对温度T1的平衡常数，K2是在绝对温度T2的平衡温度，R是通用气体常数，和ΔH
r
是反应热。
[0010]这个方程显示了随着温度的增加，放热反应的平衡常数值降低，因此该反应的平衡位置朝左边移动。所以将理解，为了实现反应物到产物高的转化率，反应器的温度必须充分降低，以使得平衡常数有利于比反应物更高的产物浓度。
[0011]对于二氧化硫氧化成三氧化硫的具体平衡反应，平衡常数温度依赖性经常被描述为显示转化成三氧化硫的二氧化硫的量相对于温度的图表。这个图表的一个例子显示在图1中。通常已知的是，温度更高，则动力学反应速率更高，但是因为在更高的温度，平衡常数有利于更高浓度的反应物，因此限制了能够实现的转化成所需产物的量。在二氧化硫氧化成三氧化硫中，转化率定义为氧化成所需产物的二氧化硫的百分比。因此，随着反应进行和温度升高，必需冷却反应物，以使得平衡常数增加和使二氧化硫的转化率最大化。
[0012]在常规工业方法中，使用简单的催化剂固定床。这些床将绝热操作，并且在反应物沿着床中的催化剂流动时，温度快速上升。结果是每个床在达到平衡限度之前，仅可以进行有限量的氧化。一旦达到这个点，气体必须从绝热床中回收，并冷却以远离平衡点。冷却的气体然后供给到新的绝热固定床，从而可以发生进一步的氧化。图2显示了用于包括这种中间冷却的反应的典型的温度曲线。
[0013]虽然已经参考二氧化硫的氧化讨论了与平衡受限反应相关的问题，但是将理解问题同样适用于任何其他平衡受限反应例如用于氨和甲醇的反应的那些。
[0014]与二氧化硫的氧化相关的另一问题是在反应结束时保留的任何未反应的二氧化硫代表了环境问题，其需要在其可以排放到大气之前从废气中除去。所以，令人期望的是确
保转化率尽可能高，以使二氧化硫排放最小化。
[0015]可以通过使二氧化硫经过一系列绝热床，直到典型地它的 90％
‑
95％转化成三氧化硫来实现二氧化硫到三氧化硫的转化率。那么，为了使气体组合物进一步远离平衡位置，将该气体冷却和用稀硫酸洗涤。这个洗涤步骤吸收产物三氧化硫。形成的贫含产物的气体流然后可以重新加热，并供给到一个或多个另外的反应床，在那里发生进一步的反应来实现二氧化硫典型地大于99.7％的转化率。这被认为是最小可接受的转化率水平，其允许废气排放到大气而无需进一步处理。但是，将理解在气流送到吸收器之前必需冷却它。这种对于冷却、吸收器本身和吸收后再加热的需要明显增加了方法的资金和操作成本。
[0016]图3是用于这种布置的反应器系统的图示，其包括位于最后床之前的中间吸收。在所示的例子中，在管线1中供给到第一绝热床2的气体将是二氧化硫、氧气和氮气的混合物。这在约690K的温度供给到床。在气体经过床时，发生反应，并且二氧化硫的约60％
‑
约70％被氧化。未反应的气体和形成的三氧化硫的料流在管线3中除去。该料流将加热到约870K的温度。其然后在热交换器4中冷却，并且热在管线5中回收。气体冷却到约700K，然后在管线6中送到第二催化剂床7，在这里发生进一步的氧化。在管线8中回收的气流将包含约 90％的二氧化硫，并且将加热到约750K。这然后在热交换器9中冷却，并且热在管线10中回收。气体在管线11中送到第三催化剂床12，在这里发生进一步的反应。管线13中回收的气体流将包括约95％的二氧化硫，并且温度将是约720K。其然后在热交换器14中冷却，然后送到中间吸收器15，在其中通过用硫酸洗涤来回收产物。未反应的二氧化硫在管线16中送到热交换器17，在那里将它加热到约690K，然后在管线18中送到第四催化剂床19。在这个床中进行进一步的反应，并且产物流在管线20中在约700K的温度除去。二氧化硫的约99.9％将被转化。四个反应床2、7、12和19可以位于同一反应器壳21中。在这种布置中，不渗透板22位于催化剂床2、7、12和19之间。
[0017]这种方案的成本影响(cost implication)是禁止的，这里仅加工了小体积的二氧化硫。在这些情况中，所用的方法是接受较低的二氧化硫转化水平和省略中间吸收阶段。在这种方案中，在除去产物三氧化硫之后，经由管处理系统的端部除去任何剩余的二氧化硫。虽然这种方法不具有与吸收系统相关的高成本，但是对提供和操作管处理系统的端部的需要确实增加了方法的成本。
[0018]无论使用何种系统，总是存在着反应器后吸收阶段，在其中三氧化硫被吸收到硫酸中。包括在最终的催化剂床之前的吸收步骤的系统被称作“双接触酸设备”，而具有仅管处理系统端部的那些被称作“单接触酸设备”。
[0019]类似的加工问题发生于其他平衡反应中。
[0020]与平衡受限反应相关的又一问题与最佳反应温度有关。具体使用了具有中间冷却的绝热多级反应器，其中反应选择性地进行以产生单个产物，但是受到平衡条件的限制。如上所讨论的，使用中间冷却来使气体温度移向更高平衡转化的方向。在放热反应中，例如在氨、三氧化硫和甲醇的生产中，到目标产物的平衡转化随着温度的增加而降低。这显示在Ullmann
’
s Encyclopedia of Industrial Chemistry，B4 卷，1992的图4.2A中。
[0021]对于给定的转化率，在低温催化剂活性降低，反应将缓慢进行。随着温度增加，催化活性增加，反应速率也增加。但是，随着温度接近平衡点，反应速率将逐渐降低，直到正向反应匹配逆反应，净反应速率降低到0。
[0022]因此，可以发现就产物而言反应速率变得最大的温度。这个温度将低于平衡温度，但是将不会低到反应变得对于动力学操作该反应来说过慢。可以绘制这些点来形成最大反应速率曲线，其被称作最佳反应速率轨迹或最大速率轨迹(MRL)。这显示在Ullmann
’
s Encyclopediaof Industrial本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于进行平衡受限反应的方法，该方法包括将反应物提供至反应器，该反应器具有壳，并且包含：位于该壳内的一个或多个反应器管，所述一个或多个反应器管包含多个含有催化剂的催化剂贮器；用于将传热流体提供到该反应器壳以使该传热流体接触该一个或多个管的装置；用于将反应物提供到该反应器管的入口；和用于从该反应器管回收产物的出口；其中处于管内的多个含有催化剂的催化剂贮器包括至少两种构造的含有催化剂的催化剂贮器。2.根据权利要求1所述的方法，其中该含有催化剂的催化剂贮器在该贮器内催化剂的类型，该贮器内催化剂的量，从该贮器去除的热的量，或者这些的组合方面不同。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中该含有催化剂的催化剂贮器的构造使得在给定的转化率水平，反应温度处于平衡温度的100℃内。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的方法，其中存在3、4、5、6、7、8、9或10种不同构造的含有催化剂的催化剂贮器。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的方法，其中该催化剂贮器包含：包含催化剂的容器，所述容器具有封闭该容器的底表面，和顶表面；载体外壁，其从所述容器的该底表面延伸到该顶表面；密封件，其从该容器延伸超过该载体外壁的距离；所述载体外壁具有位于该密封件之下的孔。6.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的方法，其中该催化剂贮器包含：环形容器，所述容器具有限定出内通道的穿孔的内容器壁，穿孔的外容器壁，封闭该环形容器的顶表面，和封闭该环形容器的底表面；表面，其封闭由该环形容器的该内容器壁形成的所述内通道的底部。7.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的方法，其中含有催化剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：庄信万丰戴维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：