專利名稱：催化反應(yīng)器和催化劑結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于執(zhí)行牽涉熱交換的化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器，該反應(yīng)器限定了其中存在催化劑結(jié)構(gòu)的通道，本發(fā)明還涉及用于此類反應(yīng)器中的催化劑結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
例如在WO 03/033131中描述了由限定第一和第二流動(dòng)通道的一堆金屬片組成的催化反應(yīng)器的使用，其中，在諸如流動(dòng)通道內(nèi)的波狀箔的可去除插入物上提供催化劑，WO03/033131描述了用于執(zhí)行例如費(fèi)一托合成法、蒸汽甲烷重整或燃燒的各種化學(xué)反應(yīng)的此類反應(yīng)器的使用。W02010/067097還描述了一種催化反應(yīng)器，其中，催化劑插入物可包括一個(gè)或多個(gè)波狀箔。兩組通道使得能夠在那些通道的內(nèi)容物之間進(jìn)行熱傳遞。例如，蒸汽甲烷重整是吸熱反應(yīng)，要求通常高于750°C的高溫；并且可以通過在催化反應(yīng)器內(nèi)的另一組通道中發(fā)生的燃燒反應(yīng)來提供所需的熱量。費(fèi)一托合成法是放熱反應(yīng)，因此在這種情況下，與用于合成反應(yīng)的那些通道相鄰的通道可以攜載冷卻劑。不僅反應(yīng)器內(nèi)的熱梯度趨向于導(dǎo)致形成反應(yīng)器的材料內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力，而且還存在熱逸潰的進(jìn)一步風(fēng)險(xiǎn)。在一些放熱催化反應(yīng)的情況下，反應(yīng)速率可以隨著溫度增加而增加；并且在這種情況下，在反應(yīng)器內(nèi)的溫度和反應(yīng)速率之間存在正反饋。這可能導(dǎo)致溫度的快速增加，稱為熱逸潰，并且這可能導(dǎo)致對(duì)催化劑或?qū)Ψ磻?yīng)器或兩者造成損壞，并將減少反應(yīng)器的有用壽命。局部熱點(diǎn)還對(duì)反應(yīng) 器的一致操作有害。在上述類型的反應(yīng)器中提供可去除的催化劑攜載插入物是有利的，因?yàn)檫@使得反應(yīng)器的壽命能夠超過催化劑的壽命，有可能超過數(shù)倍。然而，為了將新的催化劑部署到反應(yīng)器中，必須去除插入物并且插入新的插入物。為了有助于方便的插入物更換，優(yōu)選的是最小化必須插入反應(yīng)器的分離部件的數(shù)量。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種反應(yīng)器，其限定了反應(yīng)器內(nèi)的第一和第二流動(dòng)通道，第一流動(dòng)通道和第二流動(dòng)通道沿著它們的長度的至少主要部分在平行的方向上延伸，可去除催化劑插入物設(shè)置在反應(yīng)將要發(fā)生的那些通道中，催化劑插入物包括結(jié)合在一起的多個(gè)箔并且其將流動(dòng)通道分成多個(gè)流動(dòng)子通道，并且其中，催化劑插入物的至少一個(gè)端部沒有活性催化材料。雖然已經(jīng)提及了用于第一和第二流體的第一和第二流動(dòng)通道，但應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，反應(yīng)器可以限定用于多于兩種不同流體的流動(dòng)通道。沒有活性催化材料的那個(gè)端部在流動(dòng)通道的該部分抑制反應(yīng)，從而降低流動(dòng)通道的該部分處的任何熱傳遞的要求。這在如下的情況下是尤其有利的:第一或第二流動(dòng)通道包括進(jìn)口或出口部分，該進(jìn)口或出口部分連接到進(jìn)口或出口端口或連接到集管并且沿著與流動(dòng)通道的長度的主要部分的方向不平行的方向延伸。優(yōu)選地，活性催化材料僅僅設(shè)置在催化劑插入物的位于反應(yīng)器的如下區(qū)域中的那些部分上:在該區(qū)域中，第一和第二流動(dòng)通道在平行的方向上延伸。至少一組流動(dòng)通道中的催化劑插入物可略微長于那些流動(dòng)通道的長度，從而從流動(dòng)通道的端部突出。優(yōu)選地，突出長度不超過20 mm,更優(yōu)選地不超過10 mm,例如5 mm。該突出長度可使得催化劑插入物的后續(xù)移除更加容易。用于箔的優(yōu)選材料是高溫耐腐蝕鋼合金，例如含鋁鐵素體鋼，尤其是已知為Fecralloy(商標(biāo)名)的類型，其具有高至20%鉻、0.5-12%鋁以及0.1_3%釔的鐵。例如，其可包括具有15%鉻、4%鋁以及0.3%釔的鐵。當(dāng)該金屬在空氣中被加熱時(shí)，其形成氧化鋁的粘附氧化物表面，該氧化鋁的粘附氧化表面保護(hù)合金抵抗進(jìn)一步氧化。該氧化物表面層還保護(hù)合金抵抗例如在甲烷氧化反應(yīng)器或蒸汽/甲烷重整反應(yīng)器中的普遍條件下的腐蝕。在該金屬用作催化劑襯底并且涂覆有陶瓷涂層(催化劑材料并入該陶瓷涂層中)的情況下，金屬上的氧化鋁表面被認(rèn)為與陶瓷涂層結(jié)合，從而確保催化材料粘附到金屬襯底。這種合金材料可能不是立刻具有合適的長度。例如，流動(dòng)通道中的催化劑插入物的總長度可大于500 mm，例如是600 mm或800 mm。這可由多個(gè)端對(duì)端放置的分離的插入物組成，或者替代地，每個(gè)流動(dòng)通道可包含單個(gè)插入物。該插入物可包括一堆箔，所述一堆箔中的至少一些是波狀的，堆的每層包括端到端布置的多段箔，其中，在相繼的層中，箔的端部相遇處的位置是交錯(cuò)的。這使得不需要將端到端布置的箔直接彼此結(jié)合，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^結(jié)合到堆中的相繼一個(gè)或多個(gè)箔而相連。箔可通過銅焊結(jié)合到一起，并且可沿著波狀褶皺的每個(gè)峰的整個(gè)長度結(jié)合到一起。替代地，它們可例如通過點(diǎn)焊被焊接到一起。對(duì)于800 mm的插入物長度，優(yōu)選地至少600 mm設(shè)置有催化劑，從而沒有催化劑的部分不大于200 mm ;也就是說，沒有催化劑的部分不超過總長度的25%。例如，可能在每個(gè)端部存在100 mm的部分沒有催化劑,或者可能在一個(gè)端部存在200 mm的部分。在箔是波狀的情況下，波狀褶皺可以在橫截面上是正方形的或矩形的；或者是弓形的或正弦曲線形的；或者它們可以是限定三角形波狀褶皺的Z字形，或者鋸齒形，例如具有被平的峰連接的斜坡部分。波狀褶皺通常平行于箔的長度延伸。在一些替代構(gòu)造中，波狀褶皺可以不平行于或者甚至垂直于箔的長度。如果波狀褶皺設(shè)置成與箔的長度成銳角并且相繼的波狀箔具有鏡像取向的波狀褶皺，則氣體將會(huì)橫向地流過通道，由此通過當(dāng)反應(yīng)物沿著交替取向的流動(dòng)路徑經(jīng)過通道時(shí)使得能夠在箔堆內(nèi)的多個(gè)水平之間混合而降低側(cè)向和豎直溫度變化。箔中的至少一些可以是穿孔的。如果波狀箔所具有的波狀褶皺可使得相鄰箔能夠相互嚙合，則波狀箔可由扁平或基本扁平的箔間隔開，以確保它們不會(huì)相互嚙合。如果相鄰箔所具有的波狀褶皺不平行，則此類扁平箔不是必需的。扁平箔也可以在非常小的幅度上是波狀的，例如提供小于約0.2mm(例如0.1 mm)的總高度，因?yàn)檫@使得它們略微較不柔軟從而更易于在組裝期間工作?；颈馄讲牟铖薨櫟姆较蚩梢匝刂强v向的，或者替代地，可以是橫向的。扁平箔的波狀褶皺的形狀可以是鋸齒形的或波紋形的。優(yōu)選地，箔的厚度在20-150微米的范圍內(nèi)，例如50微米。較厚的箔(例如100微米厚河提供優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)熱傳遞。憑借例如通過提供扁平箔或通過使相鄰箔具有非平行的波狀褶皺來防止波狀箔的相互嚙合，插入物的高度相比部署了相同波狀箔的堆是更加可重復(fù)的且更加可控的。因此，催化劑插入物可包括被結(jié)合到一起的一堆波狀箔(C)和基本扁平箔(f)。該堆可使得波狀箔作為最外層，或者可 使得基本扁平箔作為最外層。以波狀箔作為最外層的堆趨向于比以扁平箔作為最外層的堆略微更加柔性，并且提供到通道的壁的增強(qiáng)的熱傳遞，然而以扁平箔作為最外層的堆提供用于催化劑的更大的表面積。此外，如果最外箔具有波狀褶皺，不管是小的或大的幅度，則減小了在插入催化劑插入物期間與反應(yīng)器通道的壁相聯(lián)系的表面積，并且這可以減小對(duì)于插入物的插入的摩擦和阻力。作為示例，插入物可具有構(gòu)造fcfcfcfcf (即，被4個(gè)波狀箔分隔的5個(gè)扁平箔)，或者cfcfcfc (即，被3個(gè)扁平箔分隔的4個(gè)波狀箔)，或者CfC (即，被I個(gè)扁平箔分隔的2個(gè)波狀箔)。為了形成催化劑插入物，箔結(jié)構(gòu)可在其表面的至少一部分上設(shè)置有催化材料。例如，其可涂覆有例如基于氧化鋁的陶瓷載體材料，并且這可浸潰有適合于將要在對(duì)應(yīng)通道中進(jìn)行的反應(yīng)的活性催化材料。可例如通過浸潰涂覆或噴涂的技術(shù)來施加陶瓷涂層，以根據(jù)所述反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)10微米和100微米之間的陶瓷厚度，并且可在單獨(dú)的箔被組裝到催化劑插入物之前或者在所述箔已經(jīng)結(jié)合到一起之后將涂層施加到單獨(dú)的箔。所述箔的一些或者所述箔的表面的一些可在沉積陶瓷涂層期間被掩蓋。如果箔的構(gòu)造是外側(cè)為扁平箔的構(gòu)造，則外部扁平箔的外表面可涂覆有陶瓷并且設(shè)置有活性催化材料，因?yàn)樵谕獗砻婧屯ǖ赖谋谥g可存在窄間隙，其否則可提供用于反應(yīng)物氣體的旁路；然而，如果箔插入物緊配合在通道中，則外表面可以被留下不涂覆，因?yàn)檫@提供了與通道壁的金屬到金屬的接觸，從而增強(qiáng)了到壁的熱傳遞。箔中的一些可沒有催化劑。具體地，可能希望留下一些子通道沒有催化劑，以允許一些氣體繞過催化劑插入物，以便在下游使用。在形成插入物的箔堆的中心附近提供未涂覆的箔所具有的益處是降低插入物的中心附近的反應(yīng)速率，從而降低最高溫度處的產(chǎn)熱率(在放熱反應(yīng)的情況中)或降低最低溫度處的除熱率(在吸熱反應(yīng)的情況中)。無論如何，催化涂層可在不同的箔之間或者在不同的子通道之間是不同的，或者可沿著催化劑插入物的長度是不同的。在反應(yīng)器內(nèi)，可以由被布置為堆的板中的凹槽或由成堆的板和間隔條(該堆然后被結(jié)合在一起)來限定第一和 第二流動(dòng)通道。替代地，可以由堞形的且與扁平片交替地堆疊的薄金屬片來限定流動(dòng)通道；可以由密封條來限定流動(dòng)通道的邊緣。形成反應(yīng)器的板堆例如通過擴(kuò)散結(jié)合、銅焊或熱等靜壓被結(jié)合在一起。板堆提供了所需的結(jié)構(gòu)以確保反應(yīng)器可防止在操作期間施加差動(dòng)壓力和熱應(yīng)力；催化劑插入物不提供結(jié)構(gòu)性支撐。通道可以在橫截面上是正方形的或者其高度可以大于或小于寬度；高度指的是沿堆的方向(也就是說沿?zé)醾鬟f方向)的尺寸。為了保證良好熱接觸，第一和第二流動(dòng)通道兩者可以在20 mm和I mm高之間；每個(gè)通道可以具有在約1.5 mm和150 mm之間的寬度。舉例來說，板(在平面圖中)可具有在0.05 m直至I m范圍內(nèi)的寬度以及在0.2 m直至2 m范圍內(nèi)的長度，并且流動(dòng)通道優(yōu)選地具有在2 mm和10 mm之間的高度(取決于化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì))。例如，板可以是0.5 111寬和1.0 m長，或者0.6 m寬和0.8 m長；并且其可以限定7 mm高、6 mm寬的通道，或3 mm高、10 mm寬的通道，或10 mm高、5 mm寬的通道。在堆中交替地布置第一和第二流動(dòng)通道有助于保證那些通道中的流體之間的良好熱傳遞。例如，第一流動(dòng)通道可以是用于燃燒(以產(chǎn)生熱量)的通道且第二流動(dòng)通道可以用于蒸汽/甲烷重整(其需要熱量)。催化劑插入物被插入通道中且可以被去除以進(jìn)行替換。此類反應(yīng)器可用于多種反應(yīng)，包括費(fèi)一托合成法以及例如通過蒸汽甲烷重整的合成氣體發(fā)生。如果所期望的反應(yīng)是放熱的，則相鄰?fù)ǖ揽稍O(shè)置有冷卻劑以將反應(yīng)熱吸出反應(yīng)器。相反，如果所期望的反應(yīng)是吸熱的，則必須將熱量提供到流動(dòng)通道。這可通過使熱流體(優(yōu)選地，氣體)流過通道或者通過在相鄰?fù)ǖ乐羞M(jìn)行放熱反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。催化燃燒可用于提供熱量，并且在這種情況中，在用于燃燒的每個(gè)流動(dòng)通道的進(jìn)口處提供火焰清除器以保證火焰不能傳播回被供應(yīng)到燃燒通道的可燃?xì)怏w混合物中。這可以在每個(gè)燃燒通道的進(jìn)口部分內(nèi)，例如采取非催化插入物的形式，其將鄰近于進(jìn)口的燃燒通道的一部分細(xì)分成不寬于最大間隙尺寸的許多窄流動(dòng)路徑以便防止火焰?zhèn)鞑?。例如，此類非催化插入物可以是縱向波狀箔或成堆的多個(gè)縱向波狀箔。然而，在通過集管來供應(yīng)可燃?xì)怏w的情況下，則優(yōu)選地在集管內(nèi)提供此類火焰清除器。在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種反應(yīng)器，其限定了反應(yīng)器內(nèi)的第一和第二流動(dòng)通道，第一流動(dòng)通道和第二流動(dòng)通道沿著它們的長度的至少主要部分在平行的方向上延伸，可去除催化劑插入物設(shè)置在反應(yīng)將要發(fā)生的那些通道中，催化劑插入物包括結(jié)合在一起的多個(gè)箔并且其將流動(dòng)通道分成多個(gè)流動(dòng)子通道，其中，至少一組流動(dòng)通道中的催化劑插入物略微長于那些流動(dòng)通道的長度，從而從流動(dòng)通道的端部突出。優(yōu)選地，突出長度不超過20 mm,更優(yōu)選地不超過10 mm。在本發(fā)明的又一方面中，提供了一種反應(yīng)器，其限定了反應(yīng)器內(nèi)的第一和第二流動(dòng)通道，可去除催化劑插入物設(shè)置在反應(yīng)將要發(fā)生的那些通道中，催化劑插入物包括結(jié)合在一起的多個(gè)箔并且其將流動(dòng)通道分成多個(gè)流動(dòng)子通道，其中，每個(gè)催化劑插入物包括一堆箔，所述一堆箔中的至少一些是波狀的，并且其中，所述堆的層中的至少一些包括端到端布置的多段箔。優(yōu)選地，在所述堆中存在相鄰的層，其各自包括端到端布置的多段箔，并且箔的端部在那些相鄰層中相遇處的位置是交錯(cuò)的。本發(fā)明還提供了一種反應(yīng)器，其限定了反應(yīng)器內(nèi)的第一和第二流動(dòng)通道，可去除催化劑插入物設(shè)置在反應(yīng)將要發(fā)生的那些通道中，其中，每個(gè)催化劑插入物包括一堆經(jīng)結(jié)合的箔，所有箔是波狀的，其中，所述堆的交替層的箔中的波狀褶皺沿不同取向延伸。在又一方面中，本發(fā)明提供了一種在此類反應(yīng)器中使用的催化劑插入物，所述催化劑插入物包括結(jié)合在一起的多 個(gè)箔并且其限定多個(gè)流動(dòng)子通道。具體地，催化劑插入物的至少一個(gè)端部可以沒有活性催化材料。在本發(fā)明的每個(gè)方面中，反應(yīng)器自身提供了結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度來承受操作期間所經(jīng)歷的應(yīng)力。因此，在每個(gè)情況中，催化劑插入物可以是非結(jié)構(gòu)性的，因?yàn)槠洳槐卦诓僮髌陂g將通道的壁保持隔開。因此，其可由薄金屬箔制成。


現(xiàn)在將僅以示例的方式并參考附圖來進(jìn)一步且更特別地描述本發(fā)明，在附圖中: 圖1部分地以截面示出適合于蒸汽/甲烷重整且包括催化劑插入物的反應(yīng)器塊的一部
分的示意性透視圖(截面在圖2的線1-1上)；
圖2示出圖1的組裝的反應(yīng)器塊的側(cè)視圖，示出了流動(dòng)路徑；
圖3a和3b示出組裝期間的圖1的反應(yīng)器塊的各部分的平面 圖4示出替代的催化劑插入物的剖視圖；并且 圖5a和5b示出組裝期間的替代反應(yīng)器塊的各部分的平面圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明適用于許多不同的化學(xué)過程，并且例如可適用于通過蒸汽重整從天然氣產(chǎn)生合成氣(也就是說一氧化碳和氫氣的混合物)的過程。該合成氣可以例如隨后用來通過費(fèi)一托合成法產(chǎn)生更長鏈的烴。通過將蒸汽和甲烷混合并使混合物在高溫下與適當(dāng)?shù)拇呋瘎┙佑|，從而蒸汽和甲烷反應(yīng)以形成一氧化碳和氫氣來進(jìn)行蒸汽重整反應(yīng)。蒸汽重整反應(yīng)是吸熱的，并且可以通過例如烴和/或混有空氣的氫氣的催化燃燒來提供熱量，因此，在重整反應(yīng)器內(nèi)的相鄰流動(dòng)通道內(nèi)的燃燒催化劑上發(fā)生燃燒。現(xiàn)在參考圖1，示出了反應(yīng)器塊10，其適合于用作蒸汽重整反應(yīng)器或供在蒸汽重整反應(yīng)器中使用。反應(yīng)器塊10限定用于催化燃燒過程的通道和用于蒸汽甲烷重整的通道。反應(yīng)器10由在平面圖中為矩形的一堆板組成，每個(gè)板是耐腐蝕高溫合金制成的，諸如鉻鎳鐵合金625、耐熱鎳鉻鐵合金800HT或海納合金HR-120。扁平板12通常具有0.5至4 mm范圍內(nèi)的厚度，在這種情況下為2.0 _厚，并且與堞形板14或15交替地布置，從而堞垛限定了通道16或17。堞形板14和15被交替地布置在堆中。堞形板14和15的厚度通常在0.2和3.5 mm之間的范圍內(nèi)，并且在每種情況下為0.9 mm。堞垛的高度通常在2_10 mm的范圍內(nèi)，并且在每種情況下為6.0 mm，并且沿著側(cè)面提供了實(shí)心桿18。堞形板14和15中的堞垛的波長可以相互不同，但是如優(yōu)選實(shí)施例的圖中所示，波長是相同的，使得在每種情況下，相繼的翅片或系帶分開7.0 mm。可以將堞形板14和15稱為翅片結(jié)構(gòu)。平的端板19位于堆的每個(gè)端部處，端板19也可具有2.0 _的厚度。雖然在圖1中示出每個(gè)堞形板14或15僅限定五個(gè)通道，但在實(shí)際的反應(yīng)器中，在約500 mm的全寬的反應(yīng)器塊10中可能存在更多、例如超過七十個(gè)通道。通常將通過擴(kuò)散結(jié)合、銅焊或熱等靜壓將板堆組裝并結(jié)合在一起。然后向通道16和17中的每一個(gè)中插入各自的催化劑插入物22或24 (在圖1中示出每個(gè)的僅一個(gè))，攜載用于各自反應(yīng)的催化劑。這些插入物22和24包括金屬襯底和充當(dāng)用于活性催化材料的載體的陶瓷涂層。每個(gè)插入物22、24的金屬襯底包括一堆波狀箔和扁平箔，占據(jù)了各自的流動(dòng)通道16或17，每個(gè)箔具有小于0.2 mm的厚度，例如50微米或100微米；圖1所示的堆由被兩個(gè)扁平箔分隔的三個(gè)波狀箔組成，所述箔被結(jié)合在一起。催化劑插入物22和24占據(jù)通道16和17，并且插入物為5.4 mm高和6.6 mm寬，這些尺寸允許足夠的間隙來適應(yīng)通道尺寸中的公差?，F(xiàn)在參考圖2，示出了組裝的反應(yīng)器塊10的側(cè)視圖。經(jīng)歷燃燒的氣體混合物在反應(yīng)器塊10的一個(gè)端部(頂部，如圖所示)處進(jìn)入集管30，并且在經(jīng)過擋板火焰清除器31之后遵循流動(dòng)通道17，流動(dòng)通道17沿著反應(yīng)器10的大部分長度筆直地延伸。朝向反應(yīng)器塊10的另一個(gè)端部，流動(dòng)通道17轉(zhuǎn)向90°以在反應(yīng)器10的另一個(gè)端部的側(cè)面(如圖所示，右下方)處連接到集管32，此流動(dòng)路徑被示為虛線C。將要經(jīng)歷蒸汽甲烷重整反應(yīng)的氣體混合物在反應(yīng)器塊10的一個(gè)端部的側(cè)面(如圖所示，左上方)處進(jìn)入集管34，經(jīng)過擋板35，并且然后轉(zhuǎn)向90°以流過沿著反應(yīng)器塊10的大部分長度筆直地延伸的流動(dòng)通道16，以通過集管36出現(xiàn)在另一個(gè)端部(如圖所示，底部)處，此流動(dòng)路徑被示為點(diǎn)劃線S。因此，該布置使得流動(dòng)是同向流動(dòng)；并且使得流動(dòng)通道16和17中的每一個(gè)沿著其大部分長度是筆直的，并與反應(yīng)器塊10的端部處的集管30或36連通， 使得能夠在附接集管30或36之前容易地插入催化劑插入物22和24。
在本示例中，圖1所示的每個(gè)扁平板12具有500 mm寬和1.0 m長的尺寸且其因此是反應(yīng)器塊10的橫截面區(qū)域?，F(xiàn)在參考圖3a，示出組裝期間的反應(yīng)器塊10的一部分的平面圖，示出了堞形板15 (此視圖在平行于圖2的視圖的平面中)。堞形板15具有800 mm的長度和460 mm的寬度，并且側(cè)桿18具有20 mm的寬度。堞形板15的頂端與扁平板12的頂邊緣對(duì)準(zhǔn)，從而其是開放的(以與集管30連通)。側(cè)桿18中的一個(gè)(如圖所示，左側(cè)的一個(gè))是1.0 m長，并且被結(jié)合到跨越端部延伸的對(duì)應(yīng)端桿18a。因此，在右下拐角處存在180 _寬的間隙(以與集管32連通)。堞形板15的底端和端桿18a之間的矩形區(qū)域被堞形板的兩個(gè)三角形部分26和27占據(jù):第一部分26具有平行于端桿18a的堞垛，并延伸至堆的邊緣(從而與集管32連通)，而第二部分27具有與堞形板15中的那些平行的堞垛。參考圖3b，示出了與圖3a對(duì)應(yīng)的視圖，但示出堞形板14。在這種情況下，堞形板14再次地具有800 mm的長度和460 mm的寬度，并且側(cè)桿18具有20 mm的寬度。堞形板14的底端與扁平板12的底邊緣對(duì)準(zhǔn)，從而其是開放的(以與集管36連通)。側(cè)桿18中的一個(gè)(如圖所示，右側(cè)的一個(gè))是1.0 m長，并且被結(jié)合到跨越端部延伸的對(duì)應(yīng)端桿18a。因此在左上拐角處存在180 mm寬的間隙(以與集管34連通)。在堞形板14的頂端和端桿18a之間的矩形區(qū)域中存在堞形板的三角形部分26和27:第一部分26具有平行于端桿18a的堞垛，并延伸至堆的邊緣(從而與集管34連通)，而另一部分27具有與堞形板14中的那些平行的堞垛。應(yīng)認(rèn)識(shí)到的是，可以使用堞形板的各部分的許多其它布置來實(shí)現(xiàn)氣流方向的這種變化。例如，堞形板15和堞形板的一部分27可以相互成一整體，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤移叫械能Χ?；并且類似地，堞形?4和相鄰的堞形板的一部分27可以相互成一整體。優(yōu)選地，三角形部分26和27上的堞垛具有與通道限定部分14或15上的那些相同的形狀。在一些情況中，可省略三角形部分26和27，以在扁平板12之間留出氣體分布空間，氣體通過該氣體分布空間在堞形板14或15的端部和塊10的側(cè)面處的集管32、34之間流動(dòng)。如前所述，在板堆12、14、15已被組裝之后，催化劑插入物22和24被插入反應(yīng)通道16和17中。催化劑插入物24具有800 mm的長度并且沿其長度的600 mm包括活性催化材料，對(duì)應(yīng)于筆直通道的下四分之三，如圖3a中的平面圖所示，此部分由箭頭P指示，并且在由箭頭Q指示的另外200 mm上，插入物24是非催化的。類似地，在用于蒸汽重整氣體混合物S的通道16中，催化劑插入物22具有800 mm的長度，并且如箭頭R所指示的，沿著占據(jù)筆直通道的上四分之三的那個(gè)部分提供活性催化材料，如圖3b中的平面圖所示；如箭頭Q所指示的插入物22的長度的另外200 mm是非催化的。在插入催化劑插入物22和24之后，可以跨越反應(yīng)器塊10的底端附接金屬絲網(wǎng)(未示出)，使得催化劑插入物22不會(huì)在反應(yīng)器塊10處于其直立位置(如圖2所示)時(shí)落到流動(dòng)通道16之外。因此，將認(rèn)識(shí)到的是，僅在流動(dòng)通道16和17的直接相互鄰近的那些部分P和R中存在插入物22和24上的活性催化材料。將認(rèn)識(shí)到的是，然后可以將集管30、32、34和36附接到反應(yīng)器塊10。替代地，提供更大容量的反應(yīng)器可能更加方便，并且這可以通過在附接集管之前將多個(gè)此類反應(yīng)器塊組合在一起來實(shí)現(xiàn)。 如上所述，插入物22和24包括金屬襯底和充當(dāng)催化劑載體的陶瓷涂層。每個(gè)插入物22、24的金屬襯底包括波狀箔和扁平箔的堆疊組件，該堆疊組件占據(jù)了各自的流動(dòng)通道16或17，每個(gè)箔的厚度小于0.2 mm，例如為50微米或100微米；圖1的那些由被兩個(gè)扁平箔分隔的三個(gè)波狀箔組成，其被結(jié)合到一起。每個(gè)插入物22和24的總長度為800 mm。所有的箔可具有期望的長度，在該示例中為800 mm。替代地，扁平箔可具有期望的長度，而波狀箔由端到端放置的多段更短長度構(gòu)成。該組件被堆疊和結(jié)合以形成一體結(jié)構(gòu)，其中，每個(gè)箔段被結(jié)合到堆中的相繼的箔段。作為進(jìn)一步的替代示例，堆中的每個(gè)扁平箔由端到端布置的長度為100 mm、300 mm、300 mm和100 mm的四段扁平箔構(gòu)成；而每個(gè)波狀箔由端到端布置的長度為300 mm、300 mm和200 mm的三段波狀箔構(gòu)成，波狀褶皺沿其長度延伸。這確保了堆的相繼層中的箔段相遇處的位置是交錯(cuò)的。該方案基于期望金屬合金的長度高至300 mm的箔的可利用性。如果400 mm長的箔是可用的，則例如800 mm長的插入物可包括端到端放置的長度為400 mm的波狀箔，其與長度為例如200 mm、400 mm和200 mm的扁平箔交錯(cuò)。在優(yōu)選制造技術(shù)中，此類組件被用比所需的顯著更寬的箔來堆疊并結(jié)合到一起，例如500 mm或1000 mm寬；然后，該組件被切割成用于通道16、17的適當(dāng)寬度的條，其在該情況中為6.6 mm。這可使用激光切割。在將箔結(jié)合到一起之后，并且在切割到通道尺寸的條之前或之后，提供催化劑。這可通過如下方式提供:將活性金屬浸入氧化鋁或陶瓷載體中，其然后被形成為水洗涂層(washcoat)，將箔浸入水洗涂層中。替代地，可沉積陶瓷涂層，例如通過浸潰涂覆成含泥漿的氧化鋁，使該涂層干燥和燒結(jié)，然后將該涂層浸潰有對(duì)應(yīng)于所需反應(yīng)的催化性活性材料。通常，催化性活性材料將以鹽的形式被引入，其然后被煅燒并且如果必要的話被還原以提供材料的活性形式。每個(gè)堆疊組件的一部分未設(shè)置有陶瓷涂層或催化性活性材料，這是在一個(gè)端部處的200 mm長的部分。因此，插入物22和24的每一個(gè)具有在一個(gè)端部處的200mm長的非催化部分，對(duì)應(yīng)于圖3a和3b中所示的部分Q。將會(huì)意識(shí)到的是上述催化劑插入物22和24僅僅是示例。插入物22和24的波狀箔被示出為具有三角形或Z字形波狀褶皺，但將會(huì)意識(shí)到的是波狀褶皺可具有其他形狀。相繼的波狀箔中的波狀褶皺可彼此對(duì)準(zhǔn)，峰在峰之上或者峰在谷之上，即波狀褶皺同相或異相；或者相繼的波狀箔中的波狀褶皺之間的相位關(guān)系可以是隨機(jī)的。插入物22和24被示出為包括由兩個(gè)扁平箔分隔的三個(gè)波狀箔，但其他組合也是可能的，例如四個(gè)基本扁平箔可由三個(gè)波狀箔分隔，以形成具有扁平箔作為最外部件的催化劑插入物。作為進(jìn)一步的改型，催化劑插入物 (至少是用于蒸汽甲烷重整反應(yīng)的流動(dòng)通道16中的那些)可略微長于所述通道，例如為805 mm長，并且在該情況中，非催化部分可以是205 mm長。因此，催化劑插入物的短的部分可超出反應(yīng)器的底端，這可簡化催化劑耗盡時(shí)的去除?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4，示出了穿過用于流動(dòng)通道42 (由虛線表示)中的催化劑插入物40的剖視圖。該催化劑插入物40由成形為矩形堞垛的兩個(gè)波狀箔43組成，從而限定2.5 mm高和1.1 mm寬的子通道，這些箔43被結(jié)合到1.1 mm厚的扁平箔44的相對(duì)面。在該情況中，兩個(gè)箔43中的堞垛彼此異相地對(duì)準(zhǔn)，一個(gè)箔43中的峰與另一箔43中的槽對(duì)準(zhǔn)。如上面關(guān)于插入物22和24所述，該插入物40可通過如下方式制成:首先準(zhǔn)備箔的堆疊且結(jié)合到一起的組件，所述箔比所需要的顯著更寬，例如500 mm或1000 mm寬；然后將該組件切割成用于通道42的適當(dāng)寬度的條。這可使用激光切割、機(jī)械切割或其他類似技術(shù)。在將箔結(jié)合到一起之后，并且在切割到通道尺寸的條之前或之后，可如前所述地沉積陶瓷涂層和活性催化材料。每個(gè)堆疊箔組件的一部分未設(shè)置有陶瓷涂層或催化性活性材料，這是在一個(gè)端部處的200 mm長的部分。因此，插入物40具有在一個(gè)端部處的200 mm長的非催化部分。類似于前面描述的，催化劑插入物40被插入反應(yīng)器塊中的通道42。矩形堞垛的峰和槽提供在頂部和底部處的通道壁的附近的大面積，從而增強(qiáng)熱傳遞；堞垛的中間部分平行于熱傳遞的方向延伸，這也增強(qiáng)了熱傳遞。將會(huì)意識(shí)到的是催化劑插入物40僅僅是示例，并且其他改型可例如包括被褶皺成矩形堞垛且被兩個(gè)扁平箔分隔的三個(gè)箔。所提供的包括非催化段的催化劑插入物22、24或40簡化了反應(yīng)器的組裝，因?yàn)槊總€(gè)通道16、17僅僅必須容納一個(gè)這種插入物。插入物上的催化材料的布置確保了催化材料僅僅沿著流動(dòng)通道中如下的那些部分設(shè)置:在所述部分處，相鄰流動(dòng)通道中的流是平行的并且是同向流動(dòng)，對(duì)應(yīng)于圖3a和3b中所示的區(qū)段P和R，其改善了反應(yīng)器中的溫度分布。在上述反應(yīng)器塊10中，每個(gè)流動(dòng)路徑C和S是L形的，具有與塊的一個(gè)端部處的集管30或36直接連通的筆直區(qū)段以及連接到塊的一側(cè)處的集管32或34的分布器區(qū)段?；瘜W(xué)反應(yīng)在兩組通道中進(jìn)行，從而催化劑插入物22、24被插入筆直區(qū)段中。本發(fā)明的概念可等同地應(yīng)用到用于其他化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器中。例如，類似的反應(yīng)器可用于諸如費(fèi)一托合成法的反應(yīng)中，其中，化學(xué)反應(yīng)在一組通道中進(jìn)行，而熱傳遞介質(zhì)在相鄰的一組通道中流動(dòng)。在該情況中，在攜載熱傳遞介質(zhì)的通道中不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而在那些通道中不需要催化劑插入物。因此，用于化學(xué)反應(yīng)的通道可穿過反應(yīng)器塊從一端到另一端筆直延伸，而用于熱傳遞介質(zhì)的通道可包括中心區(qū)段和每個(gè)端部處的分布器區(qū)段，中心區(qū)段平行于用于化學(xué)反應(yīng)的通道，分布器區(qū)段連接到塊的該側(cè)面或兩個(gè)側(cè)面處的集管。圖5a和5b中示出了此類反應(yīng)器，現(xiàn)在參照?qǐng)D5a和5b。在圖5a中，示出了用于費(fèi)一托反應(yīng)的反應(yīng)器塊的一部分在組裝期間的平面圖。如在上述反應(yīng)器塊10中那樣，用于費(fèi)一托反應(yīng)的反應(yīng)器塊由一堆扁平板和堞形板組成。所述板可以如上所述是高溫合金，但是由于反應(yīng)溫度較低，所述板可以替代地是其他材料，例如不銹鋼或鋁合金。在該示例中，扁平板具有500臟寬和1.0 m長的尺寸，并且這因此是反應(yīng)器塊的橫截面區(qū)域。圖5a示出了堞形板55，堞形 板55限定用于費(fèi)一托反應(yīng)物的流動(dòng)通道F。堞形板55為1000 mm長和460 mm寬，并且沿每側(cè)是20 mm寬的側(cè)桿18。堞形板55的頂端和底端與相鄰扁平板的頂邊緣和底邊緣對(duì)準(zhǔn)，從而由板55限定的通道在每個(gè)端部是開放的。參照?qǐng)D5b，示出了對(duì)應(yīng)于圖5a的視圖，但是示出了堞形板56，堞形板56限定用于冷卻劑的流動(dòng)通道。此類堞形板56與堞形板55交替地布置在堆中，被扁平板分隔。在該情況中，堞形板56具有800 mm的長度和460 mm的寬度，并且側(cè)桿18具有20 mm的寬度。每個(gè)側(cè)桿18具有900 mm的長度，并且被結(jié)合到跨越端部延伸的對(duì)應(yīng)端桿18a。因此，在左上和右下拐角處存在80 _寬的間隙，冷卻劑通過所述間隙分別流入和流出，如箭頭H所示。在堞形板56的端部和端桿18a之間的矩形區(qū)域中，存在堞形板的三角形部分57和58:第一部分57具有平行于端桿18a的堞垛，并延伸至堆的邊緣，從而與集管(未示出)連通，而另一部分58具有與堞形板56中的那些平行的堞垛。催化劑插入物被設(shè)置在堞形板55中所限定的通道中，并且攜載用于費(fèi)一托反應(yīng)的催化劑。這些催化劑插入物延伸每個(gè)通道的整個(gè)長度，也就是說1000 mm，但是催化材料僅僅設(shè)置在標(biāo)記為S的中心800 mm區(qū)段上，從而在每個(gè)端部存在100 mm長的非催化部分。因此，催化劑部分S與冷卻劑通道的如下部分鄰近:在所述部分中，冷卻劑流平行于反應(yīng)通道中的流。
將會(huì)意識(shí)到的是關(guān)于圖5a和5b所述的反應(yīng)器塊僅僅是示例。例如，反應(yīng)器塊可具有不同于上述的長度或 寬度。
權(quán)利要求
1.一種反應(yīng)器，限定所述反應(yīng)器內(nèi)的第一和第二流動(dòng)通道，所述第一流動(dòng)通道和所述第二流動(dòng)通道沿著它們的長度的至少主要部分在平行的方向上延伸，可去除催化劑插入物設(shè)置在反應(yīng)將要發(fā)生的那些通道中，所述催化劑插入物包括結(jié)合在一起的多個(gè)箔并且其將所述流動(dòng)通道分成多個(gè)流動(dòng)子通道，其中，所述催化劑插入物的至少一個(gè)端部沒有活性催化材料。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中，所述第一或第二流動(dòng)通道包括進(jìn)口或出口部分，所述進(jìn)口或出口部分連接到進(jìn)口或出口端口或連接到集管并且沿著與所述流動(dòng)通道的長度的主要部分的方向不平行的方向延伸。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其中，活性催化材料僅僅設(shè)置在所述催化劑插入物的位于所述反應(yīng)器的如下區(qū)域中的那些部分上:在該區(qū)域中，所述第一和第二流動(dòng)通道在平行的方向上延伸。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，至少一組流動(dòng)通道中的催化劑插入物略微長于那些流動(dòng)通道的長度，從而從流動(dòng)通道的端部突出。
5.如權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其中，突出長度不超過20mm，優(yōu)選地不超過10 mm。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，每個(gè)催化劑插入物包括一堆箔，所述一堆箔中的至少一些是波狀的，所述堆的每層包括端到端布置的多段箔，其中，在相繼的層中，箔的端部相遇處的位置是交錯(cuò)的。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，每個(gè)催化劑插入物包括一堆箔，所述一堆箔中的至少一個(gè)是基本扁平的并且至少一個(gè)是波狀的，并且其中，所述扁平箔具有與所述插入物相同的長度，并且其中，所述堆中的所述波 狀箔包括端到端布置的多段波狀箔。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，所述箔中的至少一些是波狀的，并且所述箔被沿著波狀褶皺的每個(gè)峰的整個(gè)長度結(jié)合到一起。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，所述催化劑插入物的沒有活性催化材料的長度不超過所述催化劑插入物的總長度的30%，優(yōu)選地不超過25%。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，所述催化劑插入物包括波狀箔和基本扁平箔的組件，所述波狀箔和基本扁平箔交替地布置在堆中并且結(jié)合到一起。
11.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，構(gòu)成所述催化劑插入物的箔中的一些沿它們的長度沒有催化劑。
12.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其中，一些子通道沿著它們的長度沒有催化劑。
13.一種反應(yīng)器，限定所述反應(yīng)器內(nèi)的第一和第二流動(dòng)通道，可去除非結(jié)構(gòu)性催化劑插入物設(shè)置在反應(yīng)將要發(fā)生的那些通道中，所述催化劑插入物包括結(jié)合在一起的多個(gè)箔并且其將所述流動(dòng)通道分成多個(gè)流動(dòng)子通道，其中，每個(gè)催化劑插入物包括一堆箔，所述一堆箔中的至少一些是波狀的，并且其中，所述堆的層中的至少一些包括端到端布置的多段箔。
14.如權(quán)利要求13所述的反應(yīng)器，其中，在所述堆中存在相鄰的層，其各自包括端到端布置的多段箔，并且箔的端部在那些相鄰層中相遇處的位置是交錯(cuò)的。
15.一種在如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器中使用的催化劑插入物，所述催化劑插入物包括結(jié)合在一起的多個(gè)箔并且其限定多個(gè)流動(dòng)子通道。
全文摘要
一種反應(yīng)器(10)限定反應(yīng)器內(nèi)的第一和第二流動(dòng)通道(16，17)，第一流動(dòng)通道和第二流動(dòng)通道沿著它們的長度的至少主要部分在平行的方向上延伸?？扇コ墙Y(jié)構(gòu)性催化劑插入物(22，24)設(shè)置在反應(yīng)將要發(fā)生的那些通道(16，17)中，催化劑插入物包括結(jié)合在一起的多個(gè)箔并且其將流動(dòng)通道分成多個(gè)流動(dòng)子通道。催化劑插入物(22，24)的至少一個(gè)端部(Q)沒有活性催化材料。沒有活性催化材料的端部(Q)抑制在流動(dòng)通道的該部分中的反應(yīng)，從而降低流動(dòng)通道的該部分處的任何熱傳遞的要求。
文檔編號(hào)B01J19/24GK103228352SQ201180048323
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2011年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月7日
發(fā)明者N.馬克思泰德, R.皮特, R.A.摩根 申請(qǐng)人:康帕克特Gtl有限責(zé)任公司