[发明专利]催化反应器

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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，本发明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。

背景技术

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。

Haldor Topsoe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：