[发明专利]用于实施吸热反应且在反应管中形成流化层的方法和装置

说明书

本发明涉及一种用于实施吸热反应，特别是需要大量能量的强吸热反应的方法和 装置。

吸热催化反应通常处于化学工业价值链的顶端，例如原油级分的裂化、天然气或 石脑油的重整、丙烷的脱氢或甲烷脱氢芳构化以获得苯。这些反应是强吸热的。从烷烃分子 中消去两个氢原子所需的能量为约100-125kJ/mol。必须使用500-1200℃的温度以获得工 业和经济上有吸引力的产率。这主要是由于平衡转化的热力学限制所致。在该温度水平下 提供反应所需的热量是一个巨大的技术挑战。有机化合物在高温下的结焦倾向提供了另一 个挑战。焦炭沉积在催化剂表面上，优先沉积在反应器内部表面上，例如沉积在传热表面 上。这使得催化剂失活且还降低传热性能。这导致反应器生产能力降低。现有技术的吸热非 均相催化气相反应在固定床反应器或流化床反应器中实施。

在固定床反应器中，所需的工艺热量通常由盐熔体或烟道气提供，且由传热介质 通过管壁间接传递给催化剂(Ullmann’sEncyclopediaofIndustrialChemistry，第7 版，Wiley，2010；CatalyticFixed-bedReactors，GerhartEigenberger，Wilhelm Ruppel)。间接传热避免了产物料流因废气燃烧而造成的污染或稀释。为了实现有效的温度 控制，固定床反应器包括组合以形成管束的薄反应管。管束反应器的容量可可靠地放大，这 是因为这可通过反应管的数量实现。该构造可归因于固定床的λ_径向≤10W/(m·K)的低径向 热导率，即固定床中的传输因热导率的有效径向系数而受到限制。因此，尽管反应管具有高 长细比，在产生大量热量的反应中，在管壁和管轴之间产生明显的热径向温度梯度。这可导 致选择性损失和非均匀的催化剂失活。工业管束反应器包括至多35000个直径为16mm至不 超过100mm的单独管。其缺点在于，管束反应器的构造变得不便且昂贵。不仅设备变得极其 复杂，而且尽管使用精细程序来用催化剂填充反应管，也极难确保流动在所有反应管中均 匀分布。

特别是对高生产能力的方法而言，已证明流化床反应器本身是优选的技术理念。 特别是对产生大量热量的反应而言，流化床反应器提供了高轴向和横向热导率(λ>100W/ (m·K))的优点，这导致在反应室中获得均匀的温度范围。

通常构造的流化床是连续的。该构造的优点是使得横向流动平衡成为可能。然而， 该构造还具有各种缺点。例如，流化床反应器具有小长细比或长径比(L/D比)。L/D比通常为 1-3。这导致在可流化材料和反应混合物二者中产生显著的轴向反混，这通常对反应产率具 有不利影响。此外，反应器壁的强度必须非常高，从而确保机械稳定性，尤其是当在压力下 运行时。

现有技术公开了各种用于将热量引入流化床中的技术方案。热量通常由浸没式管 状线圈提供(参见“HandbookofFluidizationandFluid-ParticleSystems”，Wen- ChingYang；MarcelDekker，Inc.，2003)。该理念需要很少的资金支出，且类似于管束固定 床反应器，提供了间接传热的优点，即反应气体和传热介质之间的物料隔离。该类反应器是 不利的，因为在吸热反应期间，在换热器管内部上产生高温。因此，金属管壁直接暴露于热 传热介质(燃料气，废气)中。该事实以及使用合适且昂贵的高温合金这一要求通常使得方 法变得不经济。

此外，由于其高长细比，换热器管对由流化床脉动所引发的共振敏感。成泡流化床 振动/脉动的频率主要取决于气泡的频率。这通常为2-14Hz(参见Fluidization Engineering，第2版，Butterworth-Heinemann，1991；DaizoKunii，OctaveLevenspiel)。 通常所用的长度L＝10m且外径D_a＝100mm的钢制换热器管的本征频率为约3Hz。由于换热器 管的该本征频率与流化床振动/流化床脉动的频率具有相同的数量级，因此存在共振且因 此破坏换热器管的可能性。