[发明专利]包括具有受控宏观孔隙和受控微观结构的多孔区域和具有标准微观结构的区域的催化反应器

说明书

技术领域

本发明的主题是一种催化反应器，该催化反应器包括至少一个组织结构和至少一个标准组织结构的催化反应器，所述至少一个组织结构包括具有受控宏观孔隙和受控微观结构的催化陶瓷或金属泡沫。标准组织结构应理解为指催化剂——即鼓状物、棒条、珠子、片状物等——的制造商通常采用的组织结构。

背景技术

固定床反应器——特别是蒸汽重整反应器——的性能与催化床的结构直接相关。催化床的结构应理解为指相关的工业反应器中相同或不同的组织结构（鼓状物、球体、棒条等）的催化剂堆。目前还没有以工业水平开发多孔结构。将举例说明各种水-气转化反应器堆（水-气反应中包括的反应器）（组织结构相同但微观结构不同的连续催化床）。在这些情形中，工业反应器中存在的催化床结构可以是体积为A的催化剂、体积为B的催化剂和体积为C的催化剂组成的连续催化剂堆叠。A、B和C因催化剂的组织结构（几何形式、堆叠孔隙率等）或微观结构（化学成分、微观孔隙的大小、活性相的大小和分布等）或组织结构/微观结构而异。通常，催化床的标准结构由包括一个或多个孔的鼓状物、珠体、板条、球体等组成。

高性能催化床结构必须同时：

-具备最大的表面积/体积比（m²/m³），以便增大用于交换反应的几何表面积并因此间接提高催化效率，

-与由常规结构（球体、珠体、圆柱体、鼓等）造成的随机填充相比提高了管的填充密度，

-使沿催化床（在催化反应器的入口与出口之间）的压降最小，

-提供最大轴向和/或径向效率改善的热传递。轴向应理解为指沿催化反应器的轴线，径向应理解为指从催化反应器的内壁或外壁到催化床的中心，

-满足催化床所承受的热机械应力和/或热化学应力。

固定床催化反应器的整体结构是多级“现象”：

-材料（催化剂）本身的微观结构，即其化学成分、微观孔隙和/或中孔隙；活性相的大小和分散；沉积层的厚度等，

-催化剂的组织结构，也就是催化剂的几何形式（颗粒、鼓状、蜂窝状整料、泡沫型多孔结构、球体、珠体、棒条等），

-反应器内的床的结构（在微观结构方面、组织结构方面或两方面不同的催化材料的若干个体积的连续堆叠），也就是催化反应器内的受控组织结构和/或受控微观结构的催化材料的布局。例如，作为催化床的结构，可以设想包括或不包括不同功能的非催化元素的连续堆叠。

因此，问题在于提供一种具备改善的性能的催化反应器。

发明内容

本发明的一种方案是催化反应器，该催化反应器包括：

-至少一个第一组织结构/微观结构（1），其包括：

陶瓷和/或金属多孔组织结构，其具有在平均直径下介于0.3175mm与12.7mm之间的以mm表示的孔隙大小[介于2ppi与80ppi（每英寸孔数）之间]和大于85%的宏观孔隙率，以及具有介于100nm与5μm之间、优选地介于200nm与3μm之间的颗粒大小和大于95%的骨架密实度的微观结构；以及

催化层，

-至少一个第二组织结构/微观结构（2），其包括：

球形或圆柱形几何形式的组织结构，其具有介于0.1μm与100μm之间的孔隙大小和小于60%的宏观孔隙率，以及具有介于20nm与10μm之间、优选地介于0.5μm与5μm之间的颗粒大小和介于20%与90%之间、优选地50%与80%之间的骨架密实度的微观结构；以及

催化层，

第一组织结构/微观结构和第二组织结构/微观结构堆叠在所述反应器内。

具体实施方式

图1中示出了两个组织结构的堆叠。应注意，不同组织结构的相对高度仅为指示性的。

陶瓷和/或金属骨架的密实度优选通过扫描电子显微镜检查法（SEM）或通过阿基米德原理测量。

孔隙大小应理解为由陶瓷和/或金属骨架形成的多微孔的容积。通常，在陶瓷和/或金属多孔组织结构的情况下，该多微孔容积很低（未形成特定微观孔隙或中孔隙）并且小于0.1g/cm³。这使得不存在微观孔隙和中孔隙。已有的孔隙是与形成多孔组织结构的陶瓷颗粒堆叠有关的宏观孔隙。在陶瓷和/或金属骨架的情形中，与鼓状物、珠体或棒条型等催化支承物的标准组织结构/微观结构相比较，当密实度大于95%时，残余宏观孔隙基本上被封闭。

颗粒大小应理解为特别是指具有介于100nm与5μm之间、优选200nm与3μm之间的大小的个别的陶瓷颗粒，所述大小对应于颗粒的直径。