[发明专利]用于放热反应的方法和反应器

说明书

本发明涉及用于放热反应的催化反应器，并涉及操作这种反应器的方法。

当在绝热反应器中进行放热反应如甲烷化反应、水气变换反应或甲醇合成反应时，反应将用新鲜催化剂在相对小的催化剂体积内实现所需转化。

然而，由于催化活性材料的热失活，例如因高操作温度而导致金属在该材料表面上烧结引起的，为了确保长的操作时间，可能需要过量的催化剂。

而且，当反应器开始的上游部分具有高反应温度时，反应器的下游部分也保持高温度；显著量的催化剂将失活并且甚至在需要其来催化反应之前已损失其一部分活性。

本发明的一个目的在于减少在需要催化剂来催化反应之前暴露于高温的催化剂的量。

在炼油工艺领域中，根据US 5,306,852，在于80-120℃下进行液体烯烃的氢化反应的反应器中，因副产物使催化剂中毒而引起的催化剂失活已被克服，在该反应器中将反应阶段分成多个步阶(催化反应器或催化剂床)，其中最初上游步阶被绕过，而仅使用最下游步阶。当催化剂失活时，少一个上游步阶被绕过，而使用最下游的两阶。重复反应步阶的这种渐进式活化直到所有的步阶均被活化，其优点在于仅使所需的催化剂床失活，因为反应混合物不接触其他催化剂床。

这种操作非常适合于因催化剂中毒如进料杂质或副反应产物而引起的催化剂失活。然而，当催化剂失活是由热效应如烧结引起时，在单个反应器中的操作流程(即US 5,306,852中的图2所示的)将失效，因为由于热气的热扩散和/或热循环，热在反应器中向上传播，并因而将在一段时间之后导致接近于活性床中的温度的均衡温度，进而导致活性床上方的闲置反应床的烧结。为了避免这样，单独的反应器是必需的(即，根据US 5,306,852的图1)，其增加了额外的费用，或者可以将单独的冷进料气如氢气引导到闲置的反应床。

在EP 1 114 669中提出了类似的配置，其中通过绕过个体反应床避免因灰尘导致的失活。

另一个问题可能是反应物、产物或副产物如水和烃类在催化剂上的冷凝，这些反应物、产物或副产物可能暂时地或永久性地限制催化剂的活性，最终，特别是对于高温反应，为确保在改变旁路配置时具有高活性，闲置催化剂的温度必须足以活化所催化的反应。

最后，具有反应区旁路的反应器需要适合该条件的料流控制装置。在US 5,306,852和EP 1 114 669中，在反应区上游放置阀，其非常适合操作具有热或腐蚀性产物的方法。

现根据本发明，提出了让气体反应物绕过催化剂床，同时确保非冷凝气体在足以保持快速活化闲置催化剂床但又足够低以避免闲置床热失活的温度下流动。以这种方式，避免不需要的催化剂体积的失活，但除了现有技术外，还避免了热失活和因例如水的冷凝而引起的暂时的或永久的损坏，并相应地将增加催化剂的使用寿命，因为闲置的催化剂在需要其来催化反应之前不暴露于高温，同时还确保了闲置的床随时准备运行。

就本申请的目的而言，考虑可配置成具有至少两个区域的反应器，其中至少一个作为活性区域运行，其余区域可以配置成作为活性区域或作为闲置区域运行。活性区域被定义为高流量的气体反应物被引导到该区域的区域，而闲置(或绕过或非活性)区域被定义为没有气体反应物或低流量的气体反应物被引导到该区域的区域。

对于本申请，活性区域和闲置或绕过区域(by-passed zone)两者的配置之间的区别通过在具有最高气体反应物流量的料流配置和具有最低气体反应物流量的配置中流向讨论中的区域的气体反应物料流之间的比值为至少2倍，优选至少5倍，更优选至少10倍来定义。术语绕过因此被解释为表示完全或部分绕过，而不是仅解释为绝对不存在料流。

就本申请的目的而言，催化活性材料的失活应被理解为使所述材料的催化活性降低的过程。

就本申请的目的而言，热失活应被解释为因高温而促成的任何失活机制，而不考虑失活机制是否为温度的直接效应，如例如通过热烧结催化活性部位导致催化活性较低的表面或者由于改变活性催化表面的热力学化学状态而减少活性催化表面积；或者为温度的间接效应，如中毒加重，即由于在较高的温度下副反应增多而化学或物理阻塞催化表面。

就本申请的目的而言，喷射器(ejector)被定义为一件设备，其通过将动力流压力转化成动力流和吸入流的动能，该动能又被转化成排出流的压力而提供泵效应(pump effect)。

就本申请的目的而言，气体的温差(temperature approach)应被理解为气体的实际温度和该气体组成的平衡温度之间的差值。