專利名稱：制備甲醇的反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過在甲醇合成催化劑的存在下轉化含有氫氣，一氧化碳和二氧化碳 的合成氣，來工業(yè)生產甲醇。本發(fā)明具體涉及一種反應器，其能夠改進甲醇反應平衡條件，并由此在甲醇從合 成氣中形成時，通過原位分離甲醇來減少或者取消合成氣再循環(huán)。
背景技術：
甲醇的制備是基于下面的三個平衡反應(1)C0+2H2 < = > CH3OH(2) C02+3H2 < = > CH30H+H20(3) C0+H20 < = > C02+H2由于平衡，僅僅一部分的合成氣被轉化成為甲醇，而將其余部分的合成氣再循環(huán)。 甲醇從合成氣中的原位分離公開在US專利No. 4731387中。在氣固滴流反應器中，通過吸 收材料除去甲醇，并由此改善平衡條件。在已經通過反應器之后，將甲醇從該吸收材料上解 吸，并將該吸收材料再循環(huán)向反應器入口。這樣的系統(tǒng)的缺點在于該系統(tǒng)的復雜性，其導致 了操作困難和更高的投資成本?？朔胶饩窒薜牧硗庖环N方式公開在US專利No. 5262443中，這里該催化反應器 運行在這樣的溫度和壓力，在其中一部分所產生的甲醇在催化床中冷凝。通過應用該發(fā)明， 能夠減少或者消除昂貴的合成氣再循環(huán)。但是，以這種方式運行時存在著兩個缺點。為了在氣體露點之下運行，催化劑的溫度必須降低到催化反應的最佳溫度之下。 該較低的溫度產生了較低的活性，這提高了必需的催化劑體積和反應器成本。第二個問題涉及甲醇在多孔催化劑中的冷凝。合成氣必須擴散到催化劑內部，通 過該孔體系來引發(fā)催化反應。如果該孔填充有甲醇，則擴散速率和催化活性會明顯降低。這兩個問題使得催化劑活性比在常規(guī)的甲醇合成方法中所獲的活性低了幾倍。作 為該活性降低的后果，冷凝反應器必須增大尺寸，這導致該反應器比常規(guī)的具有合成氣再 循環(huán)的反應器更昂貴。

發(fā)明內容
本發(fā)明一般性地提供了改進設計的催化方法和反應器，其用于在平衡條件下生產 甲醇，由此在甲醇形成時將它從反應器中的氣態(tài)相中分離到液體相中，而不降低甲醇催化 劑的催化活性。這是如下來實現的調整與催化劑粒子間接接觸的液體冷卻劑的沸點或者 溫度和提供催化劑床體積與冷卻表面積之間特定的比例。由此，當甲醇在氣態(tài)相中形成時， 將它在均勻排列分布在反應器中的冷卻表面上進行冷凝。更具體的，本發(fā)明是一種根據權利要求1-3的用于生產甲醇的反應器。該反應器的一種具體的實施方案定義在權利要求4中。本發(fā)明提供了根據權利要求5-7的另外一種生產甲醇的方法。本發(fā)明的具體實施方案將從本發(fā)明的具體實施方式
中變得顯而易見。
具體實施方式
通常，本發(fā)明所用的反應器的類型是不太重要的。所需溫度或者沸點的液體冷卻 劑將與任何的反應器類型是同等重要的，并且在修正了不同的幾何形狀之后，催化劑體積 比冷卻表面積也是同等重要的。液體冷卻劑的“溫度”是這樣的平均溫度，其定義為在接受一半的總傳遞熱之后的 冷卻劑的溫度。對于蒸氣上升類型的反應器來說，平均溫度將接近于該液體冷卻劑的氣泡 點溫度。最有用的甲醇反應器是蒸氣上升類型的反應器。三種主要的蒸氣上升甲醇反應器 類型是反應器類型1，這里合成氣在催化床頂部進入，并且該催化劑床被液體冷卻劑間接 的包圍，合成氣和冷凝的液體甲醇同向向下移動。這樣的反應器的一個例子表示在附圖8 中。反應器類型2，這里合成氣在催化床頂部進入，并且液體冷卻劑間接的被催化劑床 包圍著，合成氣和冷凝的液體同向向下移動。這樣的反應器的一個例子表示在附圖9中。反應器類型3，這里合成氣垂直于圓柱形反應器軸進入，并且液體冷卻劑間接的被 催化劑床包圍著，合成氣和冷凝的液體甲醇以放射狀方式通過反應器。這樣的反應器的一 個例子表示在附圖11中。此處和下面所述的術語“間接包圍著”指的是公知的間接熱交換原理，其中冷卻劑 或者加熱劑是與另外一種流體間接熱接觸的，該另外一種流體是通過傳熱表面與該冷卻/ 加熱劑隔開的，該傳熱表面處于例如熱交換器的管或板壁的形式。為了獲得在甲醇在催化劑床中形成時，在冷卻表面上充分冷凝甲醇，根據本發(fā)明， 必須滿足兩個矛盾的措施1.為了在催化劑床中具有足夠高的溫度，熱通量必須小。這可以通過降低冷卻面 積或者提高冷卻劑溫度來實現。2.足夠高的溫度需要高的熱產生或者高的反應速率。如果甲醇合成氣處于與甲 醇的熱力學平衡狀態(tài)，則該催化反應將靜止，并因此將不產生熱。因此必需確保所產生的甲 醇以高的速率傳送到冷卻表面。這可以通過增大冷卻面積或者降低液體冷卻劑的溫度來實 現。根據本發(fā)明，通過調整催化劑體積和冷卻表面積之間的比例來避免冷凝，同時使 用下面詳細描述的特定溫度的液體冷卻劑，而保持了高的催化活性。將在催化劑床中所產生的甲醇的傳輸路徑的長度調整為這樣的長度，在該長度時 催化床中的甲醇濃度是合適的低的，這樣反應熱升高到這樣的溫度，在這里它補償了通過 相同的傳輸長度所除去的熱量。同時保證了冷卻表面的溫度(該溫度足夠低來進行冷凝) 和催化床溫度(該溫度足夠高來避免在催化劑上的冷凝和保持高的反應速率)。這種效應可以在特定溫度的冷卻表面上實現。需要從反應器上除去的熱處于這樣 的量級，即，對于任何實際的原因來說，它可以僅僅通過蒸發(fā)熱或者通過液體冷卻劑的熱交 換來除去。冷卻區(qū)域的表面溫度接近于該液體冷卻劑的溫度。為了避免甲醇在催化劑床中的冷凝，所產生的熱必須足夠高，來補償在冷卻區(qū)域上，通過提高催化劑體積與冷卻表面積的比例所除去的熱，并且該催化劑體積與冷卻表面 積的比例必須足以將所產生的甲醇蒸氣傳輸到該冷卻表面。優(yōu)選的是基本減少或者避免液體甲醇的重新夾帶。液體的重新夾帶可以通過減少 在冷卻表面上向下流動的原料甲醇的流阻來避免，這是通過使用例如當量直徑大于0. 002m 的催化劑粒子和/或依靠液體膜穩(wěn)定劑來避免的，如圖1-7所示。液體甲醇重新夾帶到催化劑床中還可以通過將加熱區(qū)域引入到反應器中，將催化 劑床的溫度保持在甲醇的露點之上來避免。該加熱區(qū)域還在這樣的情況中將催化劑溫度保 持在露點之上，即，在這里所產生的熱足以將催化劑溫度保持在露點以上。就冷卻區(qū)域來 說，該加熱區(qū)域應當均勻的分布在催化劑床中，目的是在該床中獲得強制的溫度梯度。因為 與反應器出口側相比，在反應器合成氣入口處所產生的熱更高，因此該加熱區(qū)域可以冷卻 在反應器的入口區(qū)域，并且在反應器出口區(qū)域中僅僅加熱該催化劑床。優(yōu)選的是將冷卻劑 以與合成氣同向流動的方向引入。由此，反應器的出口區(qū)域可以通過來自入口區(qū)域的多余 的熱來重新加熱。用于該加熱區(qū)域的加熱劑優(yōu)選是鍋爐供水，蒸氣或者它們的混合物。該 加熱劑的壓力優(yōu)選是大約2. 3MPa-大約6. 4MPa。本發(fā)明的方法和反應器的主要優(yōu)點是在反應器中甲醇合成 氣高的轉化率，這是通 過在冷卻表面上，通過冷凝從氣態(tài)相中將所形成的甲醇連續(xù)的除去到液體相中來獲得的。 因此，該甲醇方法可以一次通過性模式中進行，而無需再循環(huán)未轉化的合成氣。與常規(guī)的沸水甲醇反應器相比，本發(fā)明的優(yōu)點是增加的蒸氣產生，因為冷凝熱在 反應器中被用于產生蒸氣，這里該冷凝熱典型的是在隨后的水冷卻的冷凝器中被除去的。 如果通過加熱鍋爐供水來除去反應熱，則該鍋爐供水隨后可以通過所形成的蒸氣在外部閃 蒸鼓中的閃蒸來冷卻。如同常規(guī)的甲醇方法一樣，形成了一些副產物，在它們中是丙酮和甲乙酮，其難以 通過蒸餾除去。因為氫化反應是非?？斓?，因此該酮類在給定溫度的反應器中將處于熱力 學平衡狀態(tài)。該酮類主要溶解在冷卻表面上冷凝的原料甲醇中，在這里熱力學平衡更有利 于將該酮類轉化為相應的醇類。這導致了與常規(guī)運行的甲醇反應器相比，在所產生的甲醇 中含有更低的酮。上述加工參數和反應器設計和尺寸可以依靠下面的等式(等式1-等式3)和預定 值來計算P[MPa]是在反應器入口處的合成氣的絕對壓力；MW[kg/kmol]是在反應器入口的合成氣的平均分子量；Y (χ)[摩爾分數]是在反應器入口的每個組分的濃度；因此等式1 :Η = Ε*Εχρ (-3978/(TBW [ "C ]+273)+12. 3) * (1+3978*E* (220_TBW[ "C ])/ ((TBff [°C ]+273)2))/ (D*P*9. 87)；這里TBW是該冷卻劑的平均溫度，該平均溫度定義為在接受了一半的總傳遞熱之后的 冷卻劑溫度。M= (Y (H2) -Y (CO2)) / (Y (CO) +Y (CO2)) ；(Λ 口氣體模值)A=LO-Y (CO) -Y (H2) -Y (CO2) -Y (CH3OH) -Y (H2O)；(惰性物質分數)
B = Y (CO) /Y (CO2) ； (CO 與 CO2 的比例)如果M 小于 2. 0，則 C = 1. 0，否貝丨J C = Exp (0. 2* (M-2. 0))；(Exp是自然逆對數或者指數函數，基數是2. 71828)D = (0. 072*Ln (B) +0. 244) *C* (1. 125-2. 5*Α) *0· 478+Ρ/25. 2)；LN是自然對數，基數是2.71828)。E = Exp ((Ρ-13. 2) /30. 1)；已經計算了該液體冷卻劑的平均溫度之后，催化劑體積與冷卻表面積的比例可以 通過等式2，使用設計值L來計算，其具有0. 4-5的值等式2 VCAT/AC00L [m3/m2] = K*L* ((G*DEQ [m] * (220-TBff))0.5)這里如果M 是大于 2. 0，則 J = (Y (CO) +Y (CO2))，否則 J = Y (H2) * (B+l) / (2*B+3)；G = MW-Y (CH3OH) *32_15. 5*J) / ((I-D) *29*J)；K是幾何常數，取決于所使用的上述反應器類型1-3 反應器類型1 :K = 0. 027 ；反應器類型2 :Κ = 0. 045 ；反應器類型3 :Κ = 0. 02 ；并且這里DEQ[m]是催化劑粒子的當量直徑，其是作為與該催化劑粒子相同體積的球體的直 徑來計算的，DEQ= (6*(粒子體積[!113])/3.14)°_33)。如果使用大于一種的粒子尺寸，則重 均當量直徑計算為DEQ=(乙《(1)*_(^))3廣33，這里《(土)是當量直徑為DEQ(i) [m]的 催化劑粒子的重量分數。VCAT[m3]是反應器中催化劑的沉降總體積(bulk volume)；和AC00L[m2]是甲醇在其上發(fā)生冷凝的冷卻表面的傳熱面積。對于反應器類型1來說，ACOOL是催化劑管的總內面積。如果該催化劑管具有縱 向內翅，則ACOOL是被該翅狀管所包圍的最大圓柱體的外部面積。對于反應器類型2和3來說，ACOOL是該冷卻管的總外部面積，該冷卻管含有平均 溫度為TBW的液體冷卻劑。如果該催化劑管具有縱向翅，則ACOOL是包圍著該翅狀管的最 小圓柱體的外部面積。如果使用平板熱交換器，則ACOOL是包圍著該熱交換板的最小矩形的總外部面 積。如果發(fā)生液體重新夾帶到催化劑床中或者如果反應熱產生過低而不能將催化劑 保持高于甲醇露點，則優(yōu)選的是將第二加熱區(qū)域AREHEAT[m2]引入到前面所定義的反應 器類型2和3中。該第二加熱區(qū)域將確保催化劑溫度保持在甲醇的露點之上。在該加 熱區(qū)域中所用的加熱劑可以是鍋爐供水，蒸氣或者它們的混合物，該液體介質的沸點是 2200C _280°C，或者蒸氣的露點是220°C _280°C。


圖IA和IB表示了用于本發(fā)明中的金屬絲網內部件裝置。液體冷卻介質1處于鋼管2的外面。冷卻管在它的內壁上具有與該壁隔開的圓柱體絲網3(細部A)。管2支持著 固定催化劑床4。甲醇冷凝物膜5在床4內部的氣態(tài)相冷凝物中，作為在內管壁上的膜而產 生，并且在該內壁和金屬細絲網之間向下流動。該排列可以以這樣的方式反轉，即，使得冷 卻劑處于所述管內，金屬細絲網圓柱處于該管外面，催化劑床處于該金屬細絲網圓柱外面。
圖2是本發(fā)明所用的鋼螺旋體內部件裝置。液體冷卻劑1處于鋼管2外面。鋼螺 旋體3排列在支持固定催化劑床4的管2中。甲醇冷凝物膜5在該螺旋體的下側上向下流 動。圖3表示了本發(fā)明所用的鋼螺旋線內部件裝置。液體冷卻劑1在鋼管2的外面流 動。鋼螺旋線3排列在固定催化劑床4中。甲醇冷凝物膜5在內壁管2上向下流動，并且 由于離心力而被驅使向壁2，該離心力是通過合成氣在管2的軸向上通過的受迫轉動而產 生的。管2可以裝備有兩個螺旋線3，每個螺旋體彼此180°布置。圖4A和4B表示本發(fā)明所用的多孔纖維內部件裝置。液體冷卻劑包圍著冷卻管2， 管2在管2內壁上裝備有機織纖維圓柱體3或者陶瓷粘合纖維氈圓柱體。固定催化劑床4 排列在管2中。甲醇冷凝物膜5在該多孔纖維內部件裝置內部向下流動。該排列可以以這 樣的方式反轉，即，冷卻劑處于管2內部，并且裝置3處于該管之外，催化劑床4處于裝置3 之外。圖5是本發(fā)明所用的內部帶翅的催化劑管2的橫截面圖。液體冷卻劑1處于縱向 帶翅的鋼管2之外，這里內翅的數目優(yōu)選大于3. 14乘以名義內管直徑，除以催化劑粒子的 當量直徑。該內翅將在鋼壁和催化劑床之間產生空間，使得甲醇冷凝物以較小的阻力向下 流動。固定催化劑床3排列在該管內部，并且甲醇冷凝物膜4在內管壁和催化劑床4之間 向下流動。圖6是本發(fā)明所用的外部帶翅的冷卻管的橫截面圖。液體冷卻劑1處于縱向帶翅 的鋼管2之外，這里該外翅的數目優(yōu)選大于3. 14乘以名義外管直徑，除以催化劑粒子的當 量直徑。該外翅將在鋼壁和催化劑床之間產生空間，使得甲醇冷凝物膜4以較小的阻力在 內管壁上流動。圖7是用作本發(fā)明冷卻區(qū)域的波紋板熱交換器。液體冷卻劑1通過入口 Ia引入， 其以氣態(tài)形式2通過出口 2a離開該熱交換器。固定催化劑床3包圍著該平板交換器。該 熱交換器具有正弦曲線波紋表面4，其在催化劑粒子和熱交換器表面之間提供了空間，使得 冷凝的甲醇5以較小的阻力在該表面上流動。該正弦曲線波紋的波長小于催化劑的當量直徑。圖8表示了根據本發(fā)明一種具體實施方案的多管式甲醇反應器的縱視圖。該反應 器在它的壓力殼14中具有合成氣入口 1，檢修孔2，液體冷卻劑入口 4，冷卻介質的液體-蒸 氣混合物出口 5，未轉化的合成氣和液體原料甲醇的出口 9和液體鶴管(liquid train) 12。 在反應器頂部部分3處，上部管片6，頂部部分3可以任選的部分填充有催化劑。在該反應器 的出口區(qū)域中是下部管片7，惰性球的支撐床8和穿孔的支撐柵格11 (其支持該惰性床)。 多個管13填充有甲醇催化劑，這些管每個可以帶有上述的液體穩(wěn)定裝置。該管是三角形傾 斜排列的。在該管內形成的甲醇在該用冷卻劑冷卻的管的內壁上冷凝的，并且向下流向出 Π 9。圖9是根據本發(fā)明一種具體實施方案的甲醇反應器的縱視圖，具有催化床8和排列在該催化劑床中的管式熱交換器11。甲醇合成氣通過入口 1引入，并且通過催化劑床8。 液體冷卻劑經由入口集管4引入管式熱交換器11中，并且以蒸氣-液體混合物的形式從出 口集管5抽出。在該反應器的底部，穿孔的支撐柵格6支持著惰性球的支撐床9。大部分 的催化劑位于熱交換器11之間，該熱交換器11由多個管，在外表面上的具有液體膜穩(wěn)定劑 的管，縱向帶翅管或者波紋熱交換板組成。當甲醇在催化劑床中形成時，該甲醇在熱交換器 11的表面上冷凝，并且在液體相中由出口 10中抽出。圖10是根據本發(fā)明一種具體實施方案的甲醇反應器的縱視圖，該反應器具有甲 醇催化劑8的固定床。在床8中安裝有管式熱交換器11形式的冷卻表面和管式熱交換器 15形式的加熱表面。在該反應器的底部，穿孔的支撐柵格6支持著惰性球的支撐床9。甲 醇合成氣經由入口 1引入床8中。加熱劑經由入口集管13引入熱交換器15中，并且通過 出口集管14抽空。液體冷卻劑經由入口集管4引入到熱交換器11中，并且通過出口集管 5抽出。在床8中形成的甲醇在熱交換器11的冷卻表面上冷凝，并且在液相中經由出口 10 從該反應器中抽出。熱交換器11的冷卻表面由多個管，在外表面上的具有液體膜穩(wěn)定劑的 管，縱向帶翅管或者波紋熱交換板(原料甲醇在這里冷凝)組成。熱交換器15將催化劑床 的溫度保持在所形成的甲醇的露點之上，并且由多個管或者熱交換板組成。圖11是根據本發(fā)明一種具體實施方案的徑向流動甲醇反應器的截面圖。甲醇合 成氣經由入口 1引入該反應器中。該合成氣在徑向上穿過該催化劑床14，該徑向是從該反 應器的外周通過圓柱形多孔轉筒7，該轉筒支撐催化劑床，并且使得入口合成氣通向穿孔的 中心管6，在這里與催化劑接觸來使得所形成的殘留的合成氣和液體原料甲醇通過出口 13 抽出。排列在催化劑床14中的熱交換器9形式的冷卻表面是由多個管，在外表面上的具有 液體膜穩(wěn)定劑的管，縱向帶翅管或者波紋熱交換板組成。將液體冷卻劑經由入口 4引入到 熱交換器中，并且通過出口 5抽出。該冷卻劑是通過環(huán)形集管10分布到熱交換器上的，并 且在出口處通過出口集管11從熱交換器上收集。圖12表示了根據本發(fā)明的一種制備甲醇的工藝流程圖。甲醇合成氣1是壓縮機 壓縮的合成氣，并且通向在今天的工業(yè)中典型使用的常規(guī)的多管式沸水反應器5。將來自 反應器5的含有甲醇和未轉化的合成氣的流出物通向分離器9，并且分離成富含合成氣的 流10和富含甲醇的流17。將流10引入根據本發(fā)明設計的甲醇反應器11中。將沸點為 60°C-160°C的冷卻劑經由入口 13弓丨入到反應器11中，并且從出口 12抽出。將加熱劑通過 入口 18引入，并且通過出口 19抽出。將來自反應器11的含有液體甲醇和未轉化的合成氣 的流出物通向分離器15，并且分離成合成氣流16和液體甲醇流20，其與來自反應器9的甲 醇流在管線17中合并。
實施例根據本發(fā)明的一種實施方案，用于上述類型1的方法和反應器的反應器設計和加 工條件是依靠下面的等式，基于預定的值來確定的在合成氣入口的反應器壓力P = 12. 55MPa ；在反應器入口的合成氣分子量麗=18. 89kg/kmol 在反應器入口的合成氣組成=Y(CH3OH) = 0. 255 ；Y (H2) = 0. 438 ；Y (CO) = 0. 148 ； Y (CO2) = 0. 075 ；Y (H2O) = 0. 006
催化劑粒子的當量直徑DEQ = 0. 006m
反應器類型1。具有預定的設計值H = 1. 0和L = 1. 1時，可以確定下面的在反應器內部具有最 佳的甲醇冷凝的反應器設計M = 1. 63A = O. 078B= 1. 97C = 1D = O. 2656E = O. 9788通過上面所公幵的等式1，在H = 1時TBW = 125°C。對于反應器類型1來說，J = O. 187G = 1.9589K = 0.027VCAT/AC00L = 0. 03081m(等于 0. 1233m 的內管直徑)。
權利要求
一種用于生產甲醇的反應器，其包含在共同的殼中的多個催化劑管，并且在該催化劑管的管側上具有沉降的催化劑粒子，用于合成氣的轉化，所述合成氣包含氫氣、一氧化碳和二氧化碳，其各自的量提供了入口模值M，并且含有一部分的惰性物質A，和在催化劑管的殼側上的處于壓力下的液體冷卻劑，該冷卻劑具有沸點溫度(TWB)，這產生了根據等式1的0.5 1.8的值H，并且沉降的催化劑粒子總體積與催化劑管表面的比例(VCAT/ACOOL)具有根據等式2的0.4 5的值L，和其中等式1H＝E*Exp( 3978/(TBW[℃]+273)12.3)*(1+3978*E*(220 TBW[℃])/((TBW[℃]+273)2))/(D*P*9.87)；等式2VCAT/ACOOL[m3/m2]＝K*L*((G*DEQ[m]*(220 TBW))0.5)；這里M＝(Y(H2) Y(CO2))/(Y(CO)+Y(CO2))；A＝1.0 Y(CO) Y(H2) Y(CO2) Y(CH3OH) Y(H2O)；B＝Y(CO)/Y(CO2)；如果M小于2.0，C＝1.0，否則C＝Exp( 0.2*(M 2.0))；D＝(0.072*Ln(B)+0.244)*C*(1.125 2.5*A)*0.478+P/25.2)；E＝Exp((P 13.2)/30.1)；K＝0.027(幾何常數)；G＝(MW Y(CH3OH)*32 15.5*J)/((1一D)*29*J)；如果M大于2.0，J＝(Y(CO)+Y(CO2))，否則J＝Y(H2)*(B+1)/(2*B+3)；對于相同尺寸的催化劑粒子來說，DEQ1＝(6*(甲醇合成催化劑粒子的體積[m3]/3.14)0.33，并且對于不同尺寸的催化劑粒子來說DEQ2＝(∑w(i)*DEQ(i)3)0.33，w(i)是當量直徑為DEQ(i)[m]的催化劑粒子的重量分數；和P[MPa]是在反應器入口處的合成氣的絕對壓力；MW[kg/kmol]是在反應器入口的合成氣的平均分子量；Y(x)[摩爾分數]是在反應器入口的每個組分的濃度；LN是自然對數，基數是2.71828；和Exp是自然逆對數或者指數函數，基數是2.71828。
2.一種用于生產甲醇的反應器，其包含在共同的殼中的催化劑床，該催化劑床帶有 催化劑填料，用于將合成氣轉化成為甲醇，該合成氣包含氫氣、一氧化碳和二氧化碳，其各 自的量提供了入口模值Μ,并且含有一部分的惰性物質Α，和在該催化劑填料中的熱交換 單元，該熱交換單元由多個管或者帶有翅片的管或者多個平板熱交換器組成，該交換器均 勻分布在催化劑填料中，并且形成冷卻表面，該熱交換單元是通過加壓的液體冷卻劑來進 行冷卻的，其中該液體冷卻劑的沸點溫度為沸點溫度(TWB)，這產生了依靠等式1計算的 0. 5-1.8的值H，并且其中將該催化劑填料總體積與熱交換單元表面的比例(VCAT/AC00L) 進行調整，來產生依靠等式2計算的0. 4-5的值L，和其中等式 1 :H = E*Exp(-3978/(TBW[ °C ]+273) 12. 3)*(1+3978*E*(220_TBW[ "C ])/ ((TBff [ °C ] +273)2)) / (D*P*9. 87)；等式 2 :VCAT/AC00L[m3/m2] = K*L*((G*DEQ[m]*(220_TBW))0·5)；這里M = (Y (H2) -Y (CO2)) / (Y (CO) +Y (CO2))； A=LO-Y (CO) -Y (H2) -Y (CO2) -Y (CH3OH) -Y (H2O)； B 是 Y(CO)/Y(CO2)；如果 M 小于 2. 0，C = 1. 0，否則 C = Exp (-0. 2* (M-2. 0))； D = (0. 072*Ln(B)+0. 244)*C*(1. 125-2. 5*Α)*0· 478+Ρ/25. 2)； E = Εχρ((Ρ-13· 2)/30. 1)； Κ = 0·045(幾何常數)； G= (MW-Y (CH3OH) *32-15· 5*J)/( (I-D) *29*J)；如果 M 大于 2. 0，J = (Y (CO) +Y (CO2))，否則 J = Y (H2) * (B+l) / (2*B+3)； 對于相同尺寸的催化劑粒子來說，DEQ1= (6*(甲醇合成催化劑粒子的體積 [m3]/3. 14)°_33，并且對于不同尺寸的催化劑粒子來說DEQ2 = ( Σ w⑴*DEQ⑴3)°_33，這里w(i)是當量直徑為DEQ(i) [m]的催化劑粒子的重 量分數；和P[MPa]是在反應器入口處的合成氣的絕對壓力； MW[kg/kmol]是在反應器入口的合成氣的平均分子量； Y (x)[摩爾分數]是在反應器入口的每個組分的濃度； LN是自然對數，基數是2. 71828 ；和 Exp是自然逆對數或者指數函數，基數是2. 71828。
3. 一種用于生產甲醇的反應器，其包含在共同的殼中的催化劑床，該催化劑床含催化 劑粒子，用于將合成氣轉化成為甲醇，所述合成氣包含氫氣、一氧化碳和二氧化碳，其各自 的量提供了入口模值Μ,并且含有一部分的惰性物質Α，并且該反應器還包含用于提供垂直 于反應器殼的軸的合成氣的流向的裝置，和排列在該催化劑床中的熱交換單元，該熱交換 單元由多個管、帶有翅片的管或者多個平板熱交換器組成，該交換器均勻分布在催化劑床 中，形成冷卻表面，其中該熱交換單元是通過加壓的液體冷卻劑來進行冷卻的，該液體冷卻 劑具有沸點溫度(TWB)，這產生了依靠等式1計算的0. 5-1. 8的值H，并且其中將該催化劑 粒子的總體積與熱交換單元表面的比例(VCAT/AC00L)進行調整，來產生依靠等式2計算的 0. 4-15的值L，和其中等式 1 :Η = Ε*Εχρ(-3978/(TBW[ "C ]+273) 12. 3)*(1+3978*E*(220_TBW[ "C ])/ ((TBff [°C ]+273)2))/ (D*P*9. 87)；等式 2 :VCAT/AC00L[m3/m2] = K*L*((G*DEQ[m]*(220_TBW))0·5)； 這里M = (Y (H2) -Y (CO2)) / (Y (CO) +Y (CO2))； A=LO-Y (CO) -Y (H2) -Y (CO2) -Y (CH3OH) -Y (H2O)； B 是 Y(CO)/Y(CO2)；如果 M 小于 2. 0，C = 1. 0，否則 C = Exp (-0. 2* (M-2. 0))； D = (0. 072*Ln(B)+0. 244)*C*(1. 125-2. 5*Α)*0· 478+Ρ/25. 2)； E = Εχρ((Ρ-13· 2)/30. 1)； Κ = 0·020(幾何常數)；G= (MW-Y (CH3OH) *32-15. 5*J)/( (I-D) *29*J)；如果 M 大于 2. 0，J = (Y (CO) +Y (CO2))，否則 J = Y (H2) * (B+l) / (2*B+3)； 對于相同尺寸的催化劑粒子來說，DEQ1= (6*(甲醇合成催化劑粒子的體積 [m3]/3. 14)°_33，并且對于不同尺寸的催化劑粒子來說DEQ2 = ( Σ w⑴*DEQ⑴3)°_33，這里w(i)是當量直徑為DEQ(i) [m]的催化劑粒子的重 量分數；和P[MPa]是在反應器入口處的合成氣的絕對壓力； MW[kg/kmol]是在反應器入口的合成氣的平均分子量； Y (x)[摩爾分數]是在反應器入口的每個組分的濃度； LN是自然對數，基數是2. 71828 ；和 Exp是自然逆對數或者指數函數，基數是2. 71828。
4.根據任何一個前述權利要求的用于生產甲醇的反應器，其包含在共同的殼中的加熱 裝置，其適于用加熱劑來將催化劑粒子的溫度間接保持在甲醇的露點之上，該加熱裝置具 有這樣的表面積，以使得該加熱裝置與冷卻裝置的表面積之比為0. 3-3. 0。
5.一種在權利要求1或者4的反應器中生產甲醇的方法，其包含步驟在反應器中轉 化甲醇合成氣，該反應器包含在共同的殼中的多個催化劑管，該催化劑管在催化劑管的管 側上具有沉降的催化劑粒子，并且該沉降的催化劑粒子的總體積與該催化劑管的表面的比 例(VCAT/AC00L)具有根據等式2的0. 4-5的值L，所述合成氣包含氫氣、一氧化碳和二氧化 碳，其各自的量提供了入口模值Μ,并且含有一部分的惰性物質Α，和在催化劑管的殼側上 的處于壓力下的液體冷卻劑的存在下，反應該合成氣，其中將該液體冷卻劑調整到沸點溫 度(TWB)，這產生了根據等式1的0. 5-1. 8的值H，并且其中等式 1 :H = E*Exp(-3978/(TBW[ °C ]+273) 12. 3)*(1+3978*E*(220_TBW[ "C ])/ ((TBff [°C ]+273)2))/ (D*P*9. 87)；等式 2 :VCAT/AC00L[m3/m2] = K*L*((G*DEQ[m]*(220_TBW))0·5)； 這里M = (Y (H2) -Y (CO2)) / (Y (CO) +Y (CO2))； A=LO-Y (CO) -Y (H2) -Y (CO2) -Y (CH3OH) -Y (H2O)； B = Y (CO) /Y (CO2)；如果 M 是小于 2· 0，C = 1. 0，否則 C = Exp (-0. 2*(Μ_2· 0))； D = (0. 072*Ln(B)+0. 244)*C*(1. 125-2. 5*Α)*0· 478+P/25. 2)； E = Εχρ((Ρ-13· 2)/30. 1)； Κ = 0·027(幾何常數)； G= (MW-Y (CH3OH) *32-15· 5*J)/( (I-D) *29*J)；如果 M 是大于 2.0, J = (Y (CO) +Y (CO2))，否則 J = Y (H2) * (B+l) / (2*B+3)； 對于相同尺寸的催化劑粒子來說，DEQ1= (6*(甲醇合成催化劑粒子的體積 [m3]/3. 14)°_33，并且對于不同尺寸的催化劑粒子來說DEQ2 = ( Σ w⑴*DEQ⑴3)°_33，這里w(i)是當量直徑為DEQ(i) [m]的催化劑粒子的重 量分數；和P[MPa]是在反應器入口處的合成氣的絕對壓力；MW[kg/kmol]是在反應器入口的合成氣的平均分子量；Y(χ)[摩爾分數]是在反應器入口的每個組分的濃度； LN是自然對數，基數是2. 71828 ；和Exp是自然逆對數或者指數函數，基數是2. 71828。
6.一種在權利要求2或者4的反應器中生產甲醇的方法，其包含步驟在反應器中轉 化甲醇合成氣，該反應器包含在共同的殼中的催化劑床，該催化劑床帶有催化劑填料，用于 將合成氣轉化成為甲醇，和在該催化劑填料中的熱交換單元，該熱交換單元由多個管或者 帶有翅片的管或者多個平板熱交換器組成，該交換器均勻分布在催化劑填料中，并且形成 冷卻表面，該熱交換單元是通過加壓的液體冷卻劑來進行冷卻的，所述合成氣包含氫氣、一 氧化碳和二氧化碳，其各自的量提供了入口模值Μ,并且包含一部分的惰性物質Α，其中將 該液體冷卻劑的沸點溫度調整為溫度(TWB)，這產生了依靠等式1計算的0. 5-1. 8的值H， 并且其中將該催化劑填料總體積與熱交換單元表面的比例(VCAT/AC00L)進行調整，來產 生依靠等式2計算的0. 4-5的值L，和其中等式 1 :H = E*Exp(-3978/(TBW[ °C ]+273) 12. 3)*(1+3978*E*(220_TBW[ "C ])/ ((TBff [°C ]+273)2))/ (D*P*9. 87)；等式 2 :VCAT/AC00L[m3/m2] = K*L*((G*DEQ[m]*(220_TBW))0·5)； 這里M = (Y (H2) -Y (CO2)) / (Y (CO) +Y (CO2))； A=LO-Y (CO) -Y (H2) -Y (CO2) -Y (CH3OH) -Y (H2O)； B 是 Y(CO)/Y(CO2)；如果 M 小于 2. 0，C = 1. 0 ；否則 C = Exp (-0. 2* (M-2. 0))； D = (0. 072*Ln(B)+0. 244)*C*(1. 125-2. 5*Α)*0· 478+Ρ/25. 2)； E = Εχρ((Ρ-13· 2)/30. 1)； Κ = 0·045(幾何常數)； G= (MW-Y (CH3OH) *32-15· 5*J)/( (I-D) *29*J)；如果 M 大于 2. 0，J = (Y (CO) +Y (CO2))，否則 J = Y (H2) * (B+l) / (2*B+3)； 對于相同尺寸的催化劑粒子來說，DEQ1= (6*(甲醇合成催化劑粒子的體積 [m3]/3. 14)°_33，并且對于不同尺寸的催化劑粒子來說DEQ2 = ( Σ w⑴*DEQ⑴3)°_33，這里w(i)是當量直徑為DEQ(i) [m]的催化劑粒子的重 量分數；和P[MPa]是在反應器入口處的合成氣的絕對壓力； MW[kg/kmol]是在反應器入口的合成氣的平均分子量；Y(x)[摩爾分數]是在反應器入口的每個組分的濃度； LN是自然對數，基數是2. 71828 ；和Exp是自然逆對數或者指數函數，基數是2. 71828。
7.—種在權利要求3或者4的反應器中生產甲醇的方法，其包含步驟在反應器中轉 化甲醇合成氣，該反應器包含在共同的殼中的催化劑床，該催化劑床含催化劑粒子，用于將 合成氣轉化成為甲醇，并且該反應器還包含排列在該催化劑床中的熱交換單元，該熱交換 單元由多個管、帶有翅片的管或者多個平板熱交換器組成，該交換器均勻分布在催化劑床中，形成冷卻表面，使得該合成氣以垂直于反應器殼的軸的流向通過該催化劑床，該合成氣 包含氫氣、一氧化碳和二氧化碳，其各自的量提供了入口模值M，并且含有一部分的惰性物 質A，其中該熱交換單元是通過加壓的液體冷卻劑來進行冷卻的，該液體冷卻劑具有沸點溫 度(TWB)，這產生了依靠等式1計算的0. 5-1. 8的值H，并且其中將該催化劑粒子的總體積 與熱交換單元表面的比例(VCAT/AC00L)進行調整，來產生依靠等式2計算的0. 4-15的值 L，和其中等式 1 :H = E*Exp(-3978/(TBW[ °C ]+273) 12. 3)*(1+3978*E*(220_TBW[ "C ])/ ((TBff [°C ]+273)2))/ (D*P*9. 87)； 等式2 VCAT/AC00L[m3/m2] = K*L*((G*DEQ[m]*(220_TBW))0.5)； 這里M = (Y (H2) -Y (CO2)) / (Y (CO) +Y (CO2))； A=LO-Y (CO) -Y (H2) -Y (CO2) -Y (CH3OH) -Y (H2O)； B = Y (CO) /Y (CO2)；如果 M 小于 2. 0，C = 1. 0 ；否則 C = Exp (-0. 2* (M-2. 0))； D = (0. 072*LN(B)+0. 244)*C*(1. 125-2. 5*Α)*0· 478+Ρ/25. 2)； E = Εχρ((Ρ-13· 2)/30. 1)； Κ = 0.02(幾何常數)；G= (MW-Y (CH3OH) *32-15· 5*J)/( (I-D) *29*J)；如果 M 大于 2. 0，J = (Y (CO) +Y (CO2))，否則 J = Y (H2) * (B+l) / (2*B+3)； 對于相同尺寸的催化劑粒子來說，DEQ1= (6*(甲醇合成催化劑粒子的體積 [m3]/3. 14)°_33，并且對于不同尺寸的催化劑粒子來說DEQ2 = ( Σ w⑴*DEQ⑴3)°_33，這里w(i)是當量直徑為DEQ(i) [m]的催化劑粒子的重 量分數；和P[MPa]是在反應器入口處的合成氣的絕對壓力； MW[kg/kmol]是在反應器入口的合成氣的平均分子量； Y (x)[摩爾分數]是在反應器入口的每個組分的濃度； LN是自然對數，基數是2. 71828 ；和 Exp是自然逆對數或者指數函數，基數是2. 71828。
全文摘要
改進設計的催化反應器，其用于在平衡條件下生產甲醇，由此在甲醇形成時將它從該反應器中的氣態(tài)相中分離到液體相中，而不降低甲醇催化劑的催化活性。這是如下來實現的調整與催化劑粒子間接接觸的液體冷卻劑的沸點和提供特定比例的催化劑床體積與冷卻表面積。由此，當甲醇在氣態(tài)相中形成時，將它在均勻分布在反應器中的排列的冷卻表面上和在催化劑床的非常有限的區(qū)域中進行冷凝。
文檔編號B01J8/06GK101959586SQ200980106401
公開日2011年1月26日 申請日期2009年2月12日 優(yōu)先權日2008年2月25日
發(fā)明者M·索爾豪格 申請人:赫多特普索化工設備公司