專(zhuān)利名稱(chēng)：在有外部中間調(diào)溫的多級(jí)反應(yīng)區(qū)中進(jìn)行加壓化學(xué)反應(yīng)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于在一個(gè)帶有外部中間調(diào)溫的多級(jí)反應(yīng)區(qū)中，在至少有一種固體催化劑的存在下，由反應(yīng)流體于壓力下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的一種方法。它也是關(guān)于使用此方法的反應(yīng)器和此反應(yīng)器和方法的應(yīng)用。
本發(fā)明特別適用于合成甲醇、氨以及催化重整、汽油穩(wěn)定加氫和重石油餾份加氫裂化。
本發(fā)明更普遍地用于所有多相催化方法中，其中的流體反應(yīng)物，或是液體、或是氣體、或者一些是液體和另外一些是氣體，將之通入連續(xù)的幾個(gè)催化床中進(jìn)行反應(yīng)，催化床由粒狀的、細(xì)粒狀的、球狀的或其它結(jié)構(gòu)更復(fù)雜或更簡(jiǎn)單的而加工成的固體成分組成。
所涉及的反應(yīng)經(jīng)常生成反應(yīng)熱，需要用外部介質(zhì)經(jīng)過(guò)一次或多次中間溫度調(diào)節(jié)。
在要進(jìn)行反應(yīng)熱大的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，眾所周知的是要進(jìn)行多步反應(yīng)，每步之后進(jìn)行一次中間溫度調(diào)節(jié)。
因此，在汽油催化重整中，例如(法國(guó)專(zhuān)利2160269-美國(guó)專(zhuān)利4210519-美國(guó)專(zhuān)利4233268)，通常用由兩個(gè)外部加熱爐分開(kāi)的三個(gè)固體催化劑床的反應(yīng)器。
這類(lèi)多級(jí)反應(yīng)器在設(shè)備、管道和安裝空間方面費(fèi)用大。
因此經(jīng)常提出將各種不同的反應(yīng)器集中在一個(gè)獨(dú)特的反應(yīng)器中，容器壁經(jīng)過(guò)計(jì)算能很好地耐受系統(tǒng)中相對(duì)高的內(nèi)部壓力。
在這種解決方法中，固體催化劑床均垂直重疊放并且或是放在支撐柵上或是直接放在水平隔板上(法國(guó)專(zhuān)利A-2·573·996)。
這些柵架和隔板應(yīng)當(dāng)一方面支撐催化床的重量，另一方面支撐由于反應(yīng)流體循環(huán)通過(guò)傳熱設(shè)備和催化床本身產(chǎn)生的壓降造成的應(yīng)力。
加上這兩種應(yīng)力的結(jié)果使負(fù)荷特別高，每平方米為50至100甚至150噸，而工業(yè)用板規(guī)格限制在大約每平方米0.5～1噸。
為了避免這些應(yīng)力累積，不論從支撐的工字鋼重量的觀點(diǎn)還是消滅死空間的觀點(diǎn)應(yīng)力累積使得用強(qiáng)制的機(jī)械解決辦法，特別是甲醇反應(yīng)器(HydrocarbonProcessing，1984年5月第95～100頁(yè))，已經(jīng)提出重疊，也不是軸向的而是徑向反應(yīng)器，其中催化劑放在一個(gè)甚至幾個(gè)中空的園柱形容器中，反應(yīng)流體或是以離心方式由內(nèi)部園柱體水平流向外部園柱體，或是以向心方式由外部園柱體流向內(nèi)部園柱體。
這種解決的方法優(yōu)點(diǎn)是消除了隔板由于反應(yīng)流體循環(huán)造成的應(yīng)力負(fù)荷，相反地，缺點(diǎn)是保留了許多死空間，特別是一個(gè)空中心，英國(guó)專(zhuān)利1140071介紹用熱交換器將其填滿(mǎn)。
美國(guó)專(zhuān)利4225562強(qiáng)調(diào)指出這種解決方法的缺點(diǎn)，造成難以很好地對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)園柱體的中心限定固體催化劑的環(huán)。由于這種偏心，造成流體束行程中的不均勻性，特別不利于很好地進(jìn)行基本反應(yīng)，并且造成溫度過(guò)高危及催化劑的穩(wěn)定性。
另外的一個(gè)缺點(diǎn)是必須裝入或排出催化的園柱體。為此，可以裝一些直徑與反應(yīng)器相同的法蘭，但是這種解決方法在加壓操作和反應(yīng)器大時(shí)也不是好辦法。因此建議將通常為半球形的封頭焊在園柱體上，但是為了排出催化劑，需要每次鋸開(kāi)所述的封頭取出園柱體，并在反應(yīng)器裝好料之后再焊上。這種操作時(shí)間長(zhǎng)、難進(jìn)行、每次都要經(jīng)管理部門(mén)同意和監(jiān)督。
另外，美國(guó)專(zhuān)利4225562介紹考慮與容器的軸平行安裝的平行六面體的間隔，所有間隔有相同的斷面和同樣的體積。
這種設(shè)備最好地利用了大部份有效的空間。除了機(jī)械復(fù)雜和設(shè)備費(fèi)用大之外，體積相同的間隔統(tǒng)一化使所采用催化劑的量不能適應(yīng)反應(yīng)速度的變化。因此，此專(zhuān)利只能用于進(jìn)行或者是只在動(dòng)力學(xué)上能說(shuō)明問(wèn)題的一級(jí)反應(yīng)或者是進(jìn)行其反應(yīng)速度不隨轉(zhuǎn)化率而變化的反應(yīng)(即零級(jí)反應(yīng))的反應(yīng)器。關(guān)于各種形式的徑向隔板反應(yīng)器，可以指出美國(guó)專(zhuān)利3898049提出的裝置，其中催化的園柱體分裝在縱向分隔的幾個(gè)區(qū)域內(nèi)。反應(yīng)流體沿反應(yīng)容器的縱向軸交替地由上至下和由下至上，順序流經(jīng)這些區(qū)域。不難懂得所提的這種設(shè)備只能適用于一些非常特殊的情況，在這些特殊的情況下行程的長(zhǎng)度和壓降都不大，因?yàn)榕c同樣高度的軸向反應(yīng)器相比，更不必說(shuō)與徑向反應(yīng)器相比，流體行程大大延長(zhǎng)，而且與含有園柱體的區(qū)域的數(shù)目成比例。
另外，已有技術(shù)是英國(guó)專(zhuān)利2，120，119介紹的，此專(zhuān)利敘述了一種進(jìn)行氣相化學(xué)合成用的縱向反應(yīng)器。這種反應(yīng)器包括一些平行六面體容器，在其中按反應(yīng)器軸裝有催化劑，形成這些容器的相對(duì)的隔板是可以滲透的，原料通過(guò)它進(jìn)行循環(huán)。流出物可以在內(nèi)部通過(guò)急冷冷卻，這限制了內(nèi)部可使用的空間。
法國(guó)專(zhuān)利-A-2573996也介紹一種合成氨和甲醇用的獨(dú)一間隔室的無(wú)內(nèi)部熱交換器的催化反應(yīng)器，由于空氣墊的存在其壁溫保持在不太高的水平上。
最后，西德專(zhuān)利-A-2929300介紹了一種在可變部份的催化區(qū)中軸向流動(dòng)的一種換熱反應(yīng)器，這些區(qū)是不相聯(lián)的。
本發(fā)明的一個(gè)主要目的是提出一種方法和一個(gè)帶有外部中間調(diào)溫的耐壓的多級(jí)反應(yīng)器，它們沒(méi)有上述的缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的特別是提出一種經(jīng)濟(jì)的、易于制造和容易加入和排出催化劑的反應(yīng)器。
另一目的是制造一種反應(yīng)器，其中所有可以使用的體積均可以裝滿(mǎn)催化劑。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是可以保證很好地控制流體通過(guò)催化床的速度分布，這樣就避免了局部過(guò)熱，必然不會(huì)使催化劑失活和縮短使用時(shí)間以及攪亂反應(yīng)進(jìn)展的程度。
在下邊的敘述中，可以看到本發(fā)明的其它目的和新的優(yōu)點(diǎn)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明是關(guān)于一種在一個(gè)反應(yīng)區(qū)中于壓力下進(jìn)行多種化學(xué)反應(yīng)的方法，反應(yīng)區(qū)至少有兩個(gè)間隔室，各自至少部份地含有至少一種固體催化劑，使反應(yīng)流體至少通入一個(gè)間隔室中，在所述的間隔室中循環(huán)所述的反應(yīng)流體，由所述的間隔室回收第一批流出物，在反應(yīng)區(qū)外部使第一批流出物和外部熱交換介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換，然后將所述的進(jìn)行過(guò)熱交換的第一批流出物至少通入一個(gè)后邊的間隔室中，使所述的第一批流出物在所述的后邊的間隔室中循環(huán)，并由所述的后邊的間隔室中回收第二批反應(yīng)流出物，所述反應(yīng)區(qū)是長(zhǎng)形的并且至少有一個(gè)構(gòu)成反應(yīng)器壁的外殼，所述的確定封閉的斷面的外殼位于斷開(kāi)所述反應(yīng)器壁平面中，此法特征在于將所述的反應(yīng)流體或所述的反應(yīng)流出物在所述的間隔室中以明顯地與所述反應(yīng)器壁相垂直的方式橫向地循環(huán)，所述的間隔室沿所述反應(yīng)器壁呈延長(zhǎng)形式和密封的，各個(gè)所述的間隔室與另一個(gè)或另外兩個(gè)其它的間隔室相鄰，每組兩個(gè)相鄰的間隔室有一個(gè)中間分界共有的或共有壁或者是明顯地平行于所述反應(yīng)器壁或者明顯地傾斜于所述反應(yīng)器壁。
在這些條件下，本反應(yīng)器表明在裝料和壓降程度之間呈現(xiàn)很好的折中，而且也可以使流體在催化床中能有規(guī)則地流動(dòng)。
反應(yīng)器可以有包括一些與另一些在同一方向交錯(cuò)排列的斷面的一個(gè)壁代替連續(xù)傾斜的分界共有壁，每個(gè)斷面都是平行于反應(yīng)器壁的但是整體是一個(gè)傾斜壁的等效體。
所有這些壁的斷面之間是相聯(lián)的，這樣對(duì)于流體講是密封的。這種特征表現(xiàn)出有利于改變反應(yīng)器中催化床的厚度，以改進(jìn)流體在全部催化物質(zhì)中的分布。
反應(yīng)器最好是園底園柱形。
各個(gè)間隔室和各個(gè)分界共有壁的長(zhǎng)度明顯為反應(yīng)區(qū)的長(zhǎng)度，間隔室的斷面可以明顯地內(nèi)接入外殼的斷面中。
當(dāng)反應(yīng)區(qū)(外殼的斷面)是有利地園形時(shí)，間隔室的斷面可以?xún)?nèi)接入由外殼斷面確定的園中或者同軸園中。
所有的間隔室均按流體動(dòng)力學(xué)隔開(kāi)的和密封的，這樣在各個(gè)間隔室之間在反應(yīng)區(qū)內(nèi)部不管用什么壁都沒(méi)有任何可能相通。流體或反應(yīng)流出物通常經(jīng)過(guò)與在間隔室內(nèi)部分配區(qū)相聯(lián)連的一個(gè)入口滲入間隔室中，經(jīng)橫向穿過(guò)整個(gè)催化床之后通過(guò)一個(gè)通常位于分配區(qū)相對(duì)位置的內(nèi)部收集區(qū)相聯(lián)的出口由間隔室出來(lái)。
間隔室的數(shù)目和中間熱交換的數(shù)目均按品種情況而異。間隔室的斷面和/或者體積可以相同或者不同，而且有利地決定于要進(jìn)行的過(guò)程的參數(shù)和應(yīng)力例如反應(yīng)速度隨轉(zhuǎn)化進(jìn)展程度而變化。
本發(fā)明同樣是關(guān)于實(shí)施本方法用的設(shè)備。
最普遍地它包括-一個(gè)能至少裝一種催化劑的反應(yīng)器，有一個(gè)同時(shí)為反應(yīng)器壁的基本上為園柱形的外殼，并且有第一、第二密封頭。
-在所述的反應(yīng)器中至少有兩個(gè)相鄰的密封間隔室，沿所述反應(yīng)器壁呈長(zhǎng)形，每?jī)蓚€(gè)相鄰的間隔室組有一個(gè)分界或公有壁，或者是明顯地平行于所述反應(yīng)器壁，或者明顯地傾斜于所述反應(yīng)器壁，各間隔室另外還至少有一個(gè)使反應(yīng)流體或反應(yīng)流出物進(jìn)入所述間隔室中的設(shè)備，和至少有一個(gè)使穿過(guò)所述間隔室的反應(yīng)流出物排出設(shè)備，所述的進(jìn)入和排出設(shè)備均通過(guò)所述的外殼與反應(yīng)器外部相通。
-各間隔室中至少有一個(gè)分配設(shè)備用于使反應(yīng)流體和反應(yīng)流出物以明顯地垂直于所述反應(yīng)器壁的方式，在各個(gè)間隔室中橫向分配，并且與所述的進(jìn)入設(shè)備相聯(lián)。
-至少一個(gè)由與所述的間隔室的出口設(shè)備相聯(lián)的各個(gè)間隔室收集反應(yīng)流出物的設(shè)備，和-至少一個(gè)在所述由一個(gè)間隔室排出反應(yīng)流出物的設(shè)備和所述的進(jìn)入后邊的間隔室中反應(yīng)流出物的設(shè)備之間安裝的熱交換設(shè)備。
根據(jù)另一種實(shí)現(xiàn)方法，另一種傳熱或熱交換方法是，用氣體和最好是流體或者新鮮的和相對(duì)冷的反應(yīng)流出物進(jìn)行混合，使至少?gòu)囊粋€(gè)間隔室的出口處流出和在送入下一個(gè)間隔室中之前的流出物冷卻，其優(yōu)點(diǎn)是取消了一個(gè)或幾個(gè)熱交換器。為此，反應(yīng)器通常有通入這種用于淬火(或者“急冷”)的氣體的設(shè)備，這些設(shè)備可以在反應(yīng)器內(nèi)部或者最好在外部。
長(zhǎng)形的，最好明顯為園柱形的反應(yīng)區(qū)或反應(yīng)容器，在長(zhǎng)的方向，更有利的是按明顯平行于反應(yīng)器壁的方向，通常用一些密封的隔板分成幾個(gè)間隔室，它們可直接與容器的外殼相聯(lián)。根據(jù)反應(yīng)器壁確定的密封隔板的長(zhǎng)度通常等于反應(yīng)器的長(zhǎng)度。
這樣確定的間隔室，預(yù)先裝滿(mǎn)固體催化劑，隨后通過(guò)反應(yīng)流體(或者氣體、或者液體或者氣液混合物)。
流體以及更明確地說(shuō)反應(yīng)流出物，在一個(gè)間隔室的催化床上部份反應(yīng)之后，由容器出來(lái)，穿過(guò)傳熱設(shè)備使之調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)臏囟?，又進(jìn)入容器以進(jìn)行下一個(gè)催化階段。各個(gè)間隔室的容積通常進(jìn)行調(diào)整以便在各個(gè)間隔室中間隔室的進(jìn)、出口之間溫度變化在1～200℃左右，最好為5～150℃。
流體這樣經(jīng)過(guò)造成壓降并在容器中的間隔室之間造成壓差。這些動(dòng)態(tài)壓差對(duì)間隔室壁可以產(chǎn)生相當(dāng)大的機(jī)械應(yīng)力，使金屬的厚度難以承受。
各種間隔室的中間分界共有壁可以是支撐的，垂直的或者傾斜的平板，或者更有利的是一些曲線形的、自承重的板。更為有利的是它們可以是明顯地平行于反應(yīng)區(qū)的壁。
當(dāng)壁板是平的和用作支撐物時(shí)，最好支撐物是明顯地垂直于壁板平面的拉力構(gòu)件，它一方面與隔板相聯(lián)，另一方面與反應(yīng)容器壁相聯(lián)。
當(dāng)壁板為自承重形式時(shí)，最好它們包括或者是一些成型板組裝件，或是一些園柱斷面，其延伸體的壁明顯地平行于反應(yīng)器壁而且其底部或者為半徑為反應(yīng)容器的0.1～100倍，最好為0.5～50倍的園弧，或者為二次曲線部份如拋物線、雙曲線或者橢園形。
將反應(yīng)流體或反應(yīng)流出物通入裝滿(mǎn)固體催化劑組份的間隔室內(nèi)，并且用構(gòu)成分配區(qū)的分配器使之分布并通過(guò)催化物質(zhì)。
這樣形成的流體流束在通過(guò)催化床之后集中并將之引向出口，通常因?yàn)槭占魑挥诜峙淦鲗?duì)面，從而構(gòu)成收集區(qū)。
分配器和收集器安置的方法是，反應(yīng)流體(和流出物)不在反應(yīng)區(qū)縱向循環(huán)，這會(huì)使流體的行程和造成的壓降明顯延長(zhǎng)和增大，而是橫向地以垂直于構(gòu)成容器的園柱體軸的方式循環(huán)。流體通過(guò)催化床的全部行程由切線到切線通?？梢缘陀谕鈿せ蚍磻?yīng)區(qū)園柱形壁長(zhǎng)度L的兩倍，最好低于或等于同一長(zhǎng)度L的一倍(見(jiàn)下邊

圖16)。
為此，分配器和收集器可以由一些管子組成，其斷面或者是一些園的、園扇形的、多邊形的斷面或平面，或者也可以是一些通常稱(chēng)為“扇貝形”的斷面。斷面的面積可以隨著通到其水平的流體量沿反應(yīng)器壁變化。
管子可以平行于反應(yīng)器壁，或者傾斜于反應(yīng)器壁。
流體或反應(yīng)流出物的進(jìn)入或排出設(shè)備可以安置在各個(gè)間隔室上的任何地方。它們按以下方式安裝有利，即進(jìn)入設(shè)備明顯地位于反應(yīng)器(或間隔室)的一端的同一水平面上，而出口設(shè)備則明顯地位于另外一端的同一水平面上。根據(jù)這種實(shí)現(xiàn)方法，在間隔室中進(jìn)口處分配管的斷面最好超過(guò)間隔室另一端同一的分配管的斷面，以使得在進(jìn)口同一水平面上氣體流量較大，相反地收集管的斷面在這一入口的同一水平面處比較小有利，因?yàn)樵谶@同一水平面上收集的氣體流量比間隔室的出口端同一收集管的小。
這種布置可以保持在分配器和收集器的所有點(diǎn)氣體速度恒定，這也使得間隔室的催化劑裝填量最佳化。
為了達(dá)到這一目的，根據(jù)一種特殊的實(shí)現(xiàn)方法，分配器和收集器壁在面對(duì)催化床的部份可以或者包括一個(gè)明顯平行于反應(yīng)器壁的分配和收集(例如柵)的斷面，或者至少一個(gè)明顯地傾斜于所述反應(yīng)器壁的分配和收集斷面，這些分配和收集斷面各自在同一方向一個(gè)與另一個(gè)交錯(cuò)排列，為了是使流體通過(guò)恒定厚度的催化床。
分配器的數(shù)目可以超過(guò)或低于收集器的數(shù)目。最好，分配器的數(shù)目與收集器的數(shù)目相同，這可以使氣體流速分布良好。
當(dāng)一個(gè)間隔室的分配器和收集器數(shù)目減少到等于或低于3時(shí)，它們可以安置對(duì)著容器壁在容器壁和中間分界共有壁之間的接合處附近。對(duì)于處理低流量來(lái)講，這種解決方法特別引人注意，而且使用也非常簡(jiǎn)單。流體和反應(yīng)流出物循環(huán)因而明顯地平行于中間分界共有壁。
最好，當(dāng)分配器或收集器數(shù)目等于或超過(guò)4時(shí)，它們沿中間分界共有的壁分布，如有必要時(shí)，安置在與這些同樣的中間分界共有的壁相對(duì)的容器壁上。這種布置可以處理大流量流體和反應(yīng)流出物。規(guī)定流體和反應(yīng)流出物以明顯垂直于間隔室中間分界共有的密封壁的方式循環(huán)。為了分配和或收集反應(yīng)流體，分配器和收集器可以或者打一些孔，或者由包括一些由金屬絲形成孔的柵組成，或者是交叉的，或者是平行的，并可研究其型面使之最大限度地有利于流體流動(dòng)。
在某些間隔室中，流束由分配器到收集器的平均行程，或者分配器和收集器之間的距離，由一個(gè)分配器到另一個(gè)是相同的，但是流束的平均行程由一個(gè)分配器到另一個(gè)可以有變化。
最好，在催化床上分配器和收集器(面對(duì)催化床)的開(kāi)口斷面隨著與這些元件有關(guān)的，即與分配器-收集器(面對(duì)的)距離有關(guān)的平均行程長(zhǎng)度而變化。
這些不同的特征以及綜合構(gòu)成本發(fā)明部份的其它部份在下邊的敘述中將更充分地加以敘述。
根據(jù)一種現(xiàn)實(shí)方法，反應(yīng)流體和流出物可以明顯地平行于限定兩個(gè)相鄰的間隔室的中間分界共有壁，當(dāng)在不同的間隔室內(nèi)之催化劑體積明顯地是同一等級(jí)時(shí)，是有利的。
根據(jù)本方法的另一種實(shí)現(xiàn)方法，當(dāng)分配器或收集器位于所述的壁上時(shí)，可以以明顯垂直于所述的壁的方式進(jìn)行循環(huán)。
當(dāng)在不同間隔室中的催化劑體積很不同時(shí)，這種實(shí)現(xiàn)方法特別有利。
在間隔室中流體的速度通常為1～200米/秒，最好為5～100米/秒，當(dāng)然這取決于反應(yīng)和所選定的操作條件。在不同的間隔室中流體的溫度通常100～800℃，最好是200～600℃之間。
通過(guò)實(shí)例和各圖以圖示的形式說(shuō)明本設(shè)備和方法，而非對(duì)之加以限制，這將會(huì)更好地理解本發(fā)明，而其優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)，其中-圖1a、1b、1c和1d表示實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法及反應(yīng)器的各種方法。
-圖2、3、4、5和6表示各種類(lèi)型的密封中間分界共有壁，-圖7、8、9、10、11、12和13表示各種類(lèi)型的分配器和收集器和流體與反應(yīng)流出物的各種循環(huán)方法，-圖14和15表示沿AA和BB明顯地在反應(yīng)器各端同一水平面上的部分橫斷面，和-圖16表示反應(yīng)器的縱切面。
在圖1a、1b、1c和1d中，用附有字母a、b、c、和d的同樣標(biāo)準(zhǔn)表示本發(fā)明的同樣的設(shè)備元件。
作為實(shí)例，用本發(fā)明的設(shè)備(圖1a)合成甲醇時(shí)，在裝有“AppliedIndustrialCatalysis”(第二卷、第6章，第226頁(yè)及以后各頁(yè))一書(shū)中所述類(lèi)型的催化劑的反應(yīng)器2a頂部由進(jìn)入管通入主要含氫、氧化碳的混合物。
包括一個(gè)園柱形斷面的外殼10和在兩頭用橢園形的底或者最好用半球形的底、封閉的園底的垂直的園柱體(圖16、30和31)的反應(yīng)器2用兩個(gè)平整的密封的內(nèi)壁分成內(nèi)部不相通的，體積分別加大的V1＜V2＜V3三個(gè)間隔室201a、202a、和203a，所述的壁可以例如焊在外殼10和已安置好的底30和31上，明顯地平行于反應(yīng)器201a的壁。
催化劑由反應(yīng)器頂加入各個(gè)間隔室中。間隔室的斷面整體內(nèi)接在園底的外殼10中。
預(yù)先調(diào)至8兆帕(MPa)壓力和大約250℃的反應(yīng)流體用至少一個(gè)通常面對(duì)收集器分散在外壁四周的有小孔開(kāi)口12的分配器20(圖8)。以明顯平行于中間分界共有壁的方式通入間隔室201a中。在間隔室中，與催化劑11接觸，氫與碳的氧化物結(jié)合，根據(jù)下式，生成甲醇
反應(yīng)(1)和(2)是放熱的，并且陸續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，流體或者反應(yīng)流出物的溫度升高。
當(dāng)反應(yīng)流體的溫度升高達(dá)到20～60℃時(shí)，相當(dāng)于氣體中存在大約1～3%(體積)的甲醇，用至少一個(gè)有小孔開(kāi)口的(圖8)或者帶柵12的收集器21取出甲醇，用位于底部中的管子3a送到本身已眾所周知的傳熱設(shè)備4a，例如一個(gè)外部致冷器，使之在進(jìn)入201a時(shí)明顯地達(dá)到其開(kāi)始時(shí)的溫度?？蓪⒅辽僖徊糠莘磻?yīng)流體或者冷流出物的通過(guò)設(shè)備4f管道，引向后邊的間隔室邊，由于有一些進(jìn)行淬火，來(lái)代替在4a上的熱交換。
氣體混合物由冷卻器4a經(jīng)過(guò)管子5a引到反應(yīng)器2a的頂部，在那里用至少一個(gè)分配器22通入與間隔室201a對(duì)稱(chēng)相對(duì)的間隔室202a中，冷卻器4a可以是一個(gè)強(qiáng)制通風(fēng)冷卻器，或者是一個(gè)回收熱量的預(yù)熱器，例如回收全部或部份原料或所產(chǎn)生的熱水或高壓水蒸汽的熱量。
當(dāng)由于反應(yīng)，氣體溫度與其進(jìn)入溫度相比重新由20℃升至60℃時(shí)，反應(yīng)流出物重新經(jīng)過(guò)至少一個(gè)收集器23，被從反應(yīng)器底部取出，用管道6a引到冷卻器7a中，使之重新調(diào)整到最初的最佳溫度。流體由7a取道管道8a到反應(yīng)器的頂部而后至少經(jīng)一個(gè)分配器24流到反應(yīng)器2a的間隔室203a中。
在203a出口處，最后含有2～12%(體積)甲醇的混合物在反應(yīng)器底部由收集器25和管道9a送至合成醇的冷凝和凈化裝置。
根據(jù)圖1a，明顯地以垂直于反應(yīng)器壁和平行于中間分界共有壁的方式將流體和反應(yīng)流出物橫向循環(huán)。
間隔室201a、202a、203a可以與占據(jù)中心位置的間隔室202a并排地安置。這種順序減小了在中間分界共有壁201a、211a上由于壓差產(chǎn)生的應(yīng)力。
比較好的安置是最后一個(gè)間隔室203a(圖1a)相對(duì)于前兩個(gè)201a和202a來(lái)講占據(jù)中心位置。
事實(shí)上，對(duì)比研究表明由最佳化有效利用空間的觀點(diǎn)來(lái)看，這是最有利的安置方法。
在上邊的敘述中(圖1a)，反應(yīng)器2a是以垂直的方式安置的。
當(dāng)受地區(qū)條件所迫時(shí)，例如土地松軟和不太堅(jiān)固時(shí)，根據(jù)另一種實(shí)現(xiàn)方法，反應(yīng)器2可以水平安置，如圖1b所示。
在這一種可供選擇的方案中，最好，管道1b、3b、5b、6b、8b和9b均放置成為使反應(yīng)流體以明顯地平行于中間分界共有壁并且由上往下循環(huán)，這就避免了由于催化劑顆粒吹起造成催化床不穩(wěn)定的危險(xiǎn)。
在說(shuō)明另外一種實(shí)現(xiàn)方法的圖1c中，介紹了一種吸熱的汽油催化重整用的反應(yīng)系統(tǒng)。此圖同時(shí)說(shuō)明了一個(gè)例子，其中流體和反應(yīng)流出物在間隔室201c和202c中，垂直于壁210c、211c進(jìn)行循環(huán)，而在間隔室203c中，平行于上述的壁進(jìn)行循環(huán)。
石腦油蒸氣和循環(huán)的氫氣在管道1c中循環(huán)。氣體和石腦油蒸氣的混合物在0.5～3兆帕下預(yù)先調(diào)節(jié)到大約500～530℃。在反應(yīng)器2c的間隔室201c中，可能是將鉑置于酸性載體上并且加有其它各種貴金屬例如錸的鉑重整催化劑使石腦油基本上進(jìn)行脫氫反應(yīng)，這使反應(yīng)流體的溫度大量下降至大約450～480℃。將這種流體由201c取出，用管道3c通到外邊的爐子4c上，爐子4c本身眾所周知的，再將流體重新升溫到大約500℃。
然后，流體經(jīng)管道5c送到間隔室202c中。在間隔室202c中，在脫氫反應(yīng)中增加了分子重排反應(yīng)，溫度下降很少。
當(dāng)溫度下降約10～30℃時(shí)，流體由第二個(gè)間隔室202c出來(lái)并且在爐子7c中重新加熱到500℃。
第三個(gè)間隔室203c實(shí)際上是等溫的。實(shí)際上，在脫氫和分子重排反應(yīng)中還增加了放熱的加氫反應(yīng)，其反應(yīng)熱實(shí)際上確切地講補(bǔ)償了重整的熱量。
根據(jù)圖1a、1b和1c本發(fā)明的方法可用于如下的各種反應(yīng)器，其中不同的間隔室可以串聯(lián)連接構(gòu)成從文字上講有動(dòng)力學(xué)含義的連續(xù)級(jí)。
它們同樣適用于多級(jí)反應(yīng)器，其某些間隔室可以平行相連接(圖1d)構(gòu)成或者第一或者最后的反應(yīng)級(jí)整體。
這種特殊的實(shí)現(xiàn)方法在某些情況下，特別是合成氨時(shí)可能有利。
實(shí)際上，已知目前可以在相對(duì)緩和的條件下(壓力約10兆帕，溫度大約400℃)進(jìn)行這種合成，而且在這些條件下，不再需要雙外殼來(lái)冷卻反應(yīng)容器的外壁。
相反地，對(duì)于這些稱(chēng)之為“熱壁反應(yīng)器”的非冷卻壁的反應(yīng)器，經(jīng)常提出由于氣體通過(guò)催化床時(shí)體積流量大造成壓降的問(wèn)題。
在臨界處將氣體流量一分為二就可以解決這個(gè)困難。
在圖1d上，介紹了根據(jù)本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)的合成氨反應(yīng)器圖。
含有約25%氮、75%氫、微量氨和氬(＜5%)的混合物在大約10兆帕和350～400℃下，通入管道1d。管道1d由管1d1和管1d2延長(zhǎng)，將這種氣體通入兩個(gè)間隔室201d1和201d2中，201d1和201d2體積相同，斷面相同，而且相對(duì)于構(gòu)成反應(yīng)體積的園柱體的軸來(lái)講對(duì)稱(chēng)地安置比較有利。
由于這種并聯(lián)，第一催化級(jí)的體積盡管相對(duì)于合成氣的體積流量來(lái)講較小，最后，氣體通過(guò)的阻力也不大。
在平行的間隔室201d1和202d2的出口，合成氣含有大約4～7%氨，其溫度升高到大約40～60℃。
氣體流量由管子3d1和3d2通到管3d到熱回收交換器4d中。
在熱交換器4d出口，冷卻到最佳溫度約300～400℃的氣體由管道5d通到反應(yīng)器2d的中心間隔室202d中。
含約8～14%(體積)的氨，并且大約為400～450℃，約10兆帕的反應(yīng)器2d的氣體流出物，用管道6d送到位于反應(yīng)區(qū)下部的調(diào)節(jié)和回收氨的裝置中。
在所述的反應(yīng)器中(圖1a、1b、1c)，隔板210～211如果卸下直接放在容器壁上的催化劑重量，此時(shí)一般可耐受由于中間分界共有的間隔室一方為201～203和另一方為203～202之間的壓差引起的推力。
由于通過(guò)催化床和傳熱設(shè)備的壓降造成的壓差為0.1～0.4兆帕，在有加熱爐例如在重整時(shí)，甚至可能達(dá)到1兆帕。
在圖1a表示的合成甲醇的反應(yīng)器的例子中，例如3200毫米寬和20毫米厚的壁210a預(yù)料可耐0.3兆帕的壓差。
當(dāng)使用與這些壁平面平行的支撐系統(tǒng)時(shí)，可以用1-1EM400型工字鋼例如分布在所有的500毫米處(圖2)用垂直的支撐系統(tǒng)，可以用例如一些直徑25毫米的拉力構(gòu)件，按每邊500毫米的方格形結(jié)構(gòu)布置，拉力構(gòu)件一方面與隔板210相連，另一方面與反應(yīng)容器壁10相連(圖3)。
帶有相對(duì)體積較大并且難以安裝的支撐系統(tǒng)的平整的壁，可以用簡(jiǎn)單的但是具有專(zhuān)門(mén)研究過(guò)的形式的壁代替，而且這種形式使之能單獨(dú)耐壓力。當(dāng)采用自承重形式時(shí)，特別是可以用同樣厚度的型材，例如圖4所示類(lèi)型的210a(20毫米)平整的壁的形式，其高度例如可以為300毫米，間距395毫米。
圖5和圖6表示本發(fā)明的凸向和凹向間隔室201和202的另一種自承重形式，也可以將這些不同的形式結(jié)合使用。這些形式比在圖4中表示的形式更好，因?yàn)樗鼈冇欣谶@些壁和反應(yīng)器園柱體壁之間的聯(lián)接。
壁210、211均為園柱體的斷面，其反應(yīng)器壁明顯地平行于反應(yīng)容器的壁體，而且其底均為園弧，園弧半徑為反應(yīng)容器的0.1～100倍，最好為0.5～50倍。
在根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器中，反應(yīng)流體以垂直于容器壁體的方式橫向循環(huán)。為此，分配器20、22、24和收集器21、23、25最好是由明顯地平行于這個(gè)反應(yīng)器壁的管道構(gòu)成，管道開(kāi)口12通常朝催化床的方向分布在它們的壁的四周。
最好，分配管道20、22、24和/或收集管道21、23、25的斷面能采取圖中所示的形式，或者是園的斷面(圖7)，或者在反應(yīng)壁和中間分界共有的分隔壁之間聯(lián)接處形成的封閉的和用一個(gè)平面封閉的(圖8)或者在園底處用一塊園柱體封閉的(圖9)斷面;這樣流體以明顯地平行于中間分界共有壁的方式循環(huán)。
當(dāng)分配器的總斷面或者收集器總斷面超過(guò)催化劑保留的斷面10%，最好20%時(shí)，分配器20、22、24和收集器21、23、25最好是由明顯平行而且沿中間分界共有壁210和需要時(shí)沿對(duì)面的反應(yīng)容器壁211分布的多管道構(gòu)成的;循環(huán)明顯地垂直于中間分界共有壁進(jìn)行。
橫斷的第一間隔20a、20b、20c……，橫斷的第二間隔22a、22b、22c……以及橫斷第三間隔24a、24b、24c的這些不同的分配管道，以及分別屬于第一、第二和第三間隔的21a、21b、21c、……，23a、23b、23c……，25a、25b、25c收集管道可以具有園的斷面(圖10)或者多邊形，例如三角形(圖12)，方形或矩形(圖11)的形式。同樣圖11說(shuō)明分配器24的數(shù)目少于收集器25……的情況。也完全可以很好地實(shí)現(xiàn)一種收集器數(shù)目比分配器少的反應(yīng)器。
圖13表示另一種分配器和收集器的實(shí)現(xiàn)方法，或者靠著外殼呈園弧形20、22，或者是平的21、22、24、25靠分界共有壁210和211。
根據(jù)各種實(shí)現(xiàn)方法，開(kāi)口12的較大斷面補(bǔ)償了分配器或收集器數(shù)目較少。
通入和收集流體的開(kāi)口12可以是任何形式的，例如園形的，而且它們的面積與每對(duì)分配器-收集器相應(yīng)的平均行程成比例，有利于減少氣流優(yōu)先通過(guò)。
如表示分配和收集設(shè)備實(shí)現(xiàn)方式的圖14、15和16所示，圖1a的管道1a明顯地位于反應(yīng)器一端30或者第一間隔室201a的水平上，而出口管3a明顯地位于反應(yīng)器另一端31或者第一間隔室的水平上。分配管的斷面，例如20，在201a間隔室中處于端30的水平上(圖14斷面AA)，大于在端31水平上的分配管斷面20(圖15斷面BB)而在端30水平上的收集管的斷面則小于在端31水平上的收集管21。對(duì)于其它間隔室的分配管22、24和收集管23、25的斷面(圖14、15)也屬同樣的情況。根據(jù)以特殊方式說(shuō)明這種實(shí)現(xiàn)方法的圖16，分配器20和收集器21壁面對(duì)催化床，可以包括明顯地平行于反應(yīng)器壁的在同一個(gè)方向一些與另一些交錯(cuò)排列的斷面(例如孔柵12)。因而流體穿過(guò)的床的厚度與反應(yīng)器長(zhǎng)度相同，而且所述的壁全部?jī)A斜于反應(yīng)器壁。
通?？梢杂煞磻?yīng)器頂上至少一個(gè)開(kāi)口32和最好由每個(gè)間隔室至少一個(gè)開(kāi)口加入催化劑。在有垂直的中間分界共有壁210b和211b(圖1b)的水平反應(yīng)器的情況下，由通常垂直安置在反應(yīng)器外殼上各個(gè)間隔室的開(kāi)口加入催化劑。
通常至少用一個(gè)排出口33和最好由各個(gè)間隔室中至少一個(gè)開(kāi)口從底部排料。這些加料和排料都容易實(shí)現(xiàn)而且長(zhǎng)期不移動(dòng)反應(yīng)器。
反應(yīng)器壁(外殼壁和/或中間分界共有壁)可以是絕熱的?？梢酝ㄈ爰訜峄蚶鋮s的中間流體。特別是于相鄰的間隔室中間分界共有壁的隔板中使之在這些壁內(nèi)循環(huán)。
在上邊圖中，為了清楚，只介紹了一種三間隔室的反應(yīng)器和兩種傳熱設(shè)備。顯然，根據(jù)本發(fā)明可以制造有多間隔室(如3～10個(gè))和有多種中間傳熱設(shè)備的反應(yīng)器。
權(quán)利要求
1.在一個(gè)以園斷面為基礎(chǔ)的至少有兩個(gè)間隔室，各間隔室至少部份地裝有一種固體催化劑的園柱形反應(yīng)器中，于壓力下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的方法，其中將反應(yīng)流體通入至少一個(gè)間隔室中，將所述反應(yīng)流體在所述間隔室中進(jìn)行循環(huán)，由所述間隔室回收第一批反應(yīng)流出物，在反應(yīng)區(qū)外部，使第一批流出物和外部熱交換介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換，然后將熱交換過(guò)的第一批流出物通入至少一個(gè)后邊的間隔室中，在所述的后邊的間隔室中循環(huán)所述第一批流出物并由所述的后邊的間隔室回收第二批反應(yīng)流出物，所述反應(yīng)區(qū)是長(zhǎng)形的并且有帶有至少一個(gè)反應(yīng)器壁的外殼，確定一個(gè)封閉斷面位于所述的斷面上的所述外殼，本方法的特征在于，將所述反應(yīng)流體或所述反應(yīng)流出物在所述間隔室中以明顯垂直于所述反應(yīng)器壁的方式循環(huán)，所述間隔室是沿所述反應(yīng)器壁延長(zhǎng)的形式和密封的，所述各個(gè)間隔室與一個(gè)或兩個(gè)其它間隔室相鄰，各組相鄰的兩個(gè)間隔室有一個(gè)共有的壁或中間分界共有的壁，或是明顯平行于反應(yīng)器壁，或是明顯傾斜于所述反應(yīng)器壁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將反應(yīng)流體通入第一間隔室中和反應(yīng)流出物通過(guò)至少一個(gè)分配區(qū)通入除了最后一個(gè)間隔室外的一個(gè)或多個(gè)其它的間隔室中，并且在所述流體或所述流出物經(jīng)過(guò)催化劑之后通過(guò)至少一個(gè)收集區(qū)將一種或多種反應(yīng)流出物回收。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中一項(xiàng)的方法，其中將所述反應(yīng)流出物與相對(duì)冷的氣體混合進(jìn)行熱交換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)的方法，其中將所述流體和所述流出物在所述間隔室中以在反應(yīng)區(qū)中整個(gè)行程低于所述反應(yīng)區(qū)長(zhǎng)度L的二倍的方式循環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任何一項(xiàng)的方法，其中將反應(yīng)流體和反應(yīng)流出物以明顯平行于所述中間分界共有壁的方式循環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5中任何一項(xiàng)的方法，其中將反應(yīng)流體和反應(yīng)流出物以明顯垂直于所述中間分界共有壁的方式循環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6中任何一項(xiàng)的方法，其中反應(yīng)區(qū)是水平的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任何一項(xiàng)的方法，其中反應(yīng)區(qū)是垂直的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中將反應(yīng)流體和反應(yīng)流出物由上至下在所述間隔室中循環(huán)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～9中任何一項(xiàng)的方法，其中反應(yīng)區(qū)至少包括3個(gè)間隔室，而且其中將反應(yīng)流體平行地在兩個(gè)間隔室中循環(huán)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～9中任何一項(xiàng)的方法，其中將反應(yīng)流體然后是反應(yīng)流出物在體積越來(lái)越大的連續(xù)的間隔室中循環(huán)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1～9中任何一項(xiàng)，其中將反應(yīng)流體和/或反應(yīng)流出物在串聯(lián)的各間隔室中循環(huán)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1～12中任何一項(xiàng)的方法，其中氣體速度為1米/秒至200米/秒之間。
14.為了使用根據(jù)權(quán)利要求1～13中任何一項(xiàng)的方法的設(shè)備，其特征在于它包括-適于裝有至少一種催化劑的一個(gè)反應(yīng)器(2)，有由至少一個(gè)構(gòu)成該反應(yīng)器的壁確定的基本為園柱形的外殼，還包括第一和第二密封端(30、31)，-在所述的反應(yīng)器中，按所述反應(yīng)器壁至少有兩個(gè)長(zhǎng)形的，密封的相鄰的間隔室(201、203)，每組相鄰的兩個(gè)間隔室包括一個(gè)中間分界共有壁(201)或者或是明顯平行于所述反應(yīng)器壁的，或是明顯傾斜于所述反應(yīng)器壁的共有的壁，各個(gè)間隔室另外至少有一個(gè)反應(yīng)流體或反應(yīng)流出物進(jìn)入所述間隔室的設(shè)備(1)和至少一個(gè)通過(guò)所述間隔室的反應(yīng)流出物排出設(shè)備(3)，所述的進(jìn)入和排出設(shè)備都通過(guò)所述外殼(10)與反應(yīng)器外部相通，-在各個(gè)間隔室中至少一個(gè)分配設(shè)備(20)以明顯垂直于所述反應(yīng)器壁的方式將反應(yīng)流體和反應(yīng)流出物橫向分配到各個(gè)間隔室中，并與進(jìn)入設(shè)備相聯(lián)，-至少一個(gè)與所述間隔室排出設(shè)備相聯(lián)的，由各個(gè)間隔室收集反應(yīng)流出物的設(shè)備(21)，和-至少一個(gè)安置在一個(gè)間隔室的反應(yīng)流出物的所述排出設(shè)備(3)和反應(yīng)流出物進(jìn)入后邊間隔室(203)中的進(jìn)入設(shè)備(8)之間的傳熱設(shè)備(4)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中所述間隔室一些斷面處于基本上為園柱形的反應(yīng)器外殼中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14和15中一項(xiàng)的設(shè)備，其中反應(yīng)器外殼(10)有園形斷面的底。
17.根據(jù)權(quán)利要求14～16中一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述的中間分界共有壁(210)有一些支撐平壁板。
18.根據(jù)權(quán)利要求14～16中一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述的中間分界共有壁(210)包括一些自承重曲線形的壁板。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的設(shè)備，其中曲線形自承重形式的平壁板有一個(gè)或是園弧形其半徑為反應(yīng)器的0.1至100倍，或是呈二次曲線部份的底。
20.根據(jù)權(quán)利要求14～19中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述分配設(shè)備和所述收集設(shè)備均以明顯平行于所述反應(yīng)器壁的形式安置在各個(gè)間隔室中。
21.根據(jù)權(quán)利要求14～20中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述的進(jìn)入(1)和排出(3)設(shè)備分別基本上位于反應(yīng)器的第一端(30)和第二端(31)的同一水平面上，其特征在于在所述第一端同一水平面上的分配設(shè)備的斷面(20，圖14)大于在第二端同一水平面上的分配設(shè)備的斷面(20，圖15)和在第一端同一水平面上的收集設(shè)備的斷面(21，圖14)小于在第二端同一水平面上的收集設(shè)備的斷面(21，圖15)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的設(shè)備，其中所述的分配和收集設(shè)備包括或是至少一個(gè)明顯平行于所述反應(yīng)器壁的分配和收集部份，或是至少一個(gè)明顯傾斜于所述反應(yīng)器壁的分配或收集部份，這些部份各個(gè)均在同一方向沿整個(gè)反應(yīng)器長(zhǎng)度一個(gè)和另一個(gè)交錯(cuò)排列。
23.根據(jù)權(quán)利要求14～22中任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中所述分配設(shè)備(20)和所述收集設(shè)備(21)包括多個(gè)沿所述設(shè)備安置的開(kāi)口(12)，而且其各自的部分均明顯地與所述分配設(shè)備和所述收集設(shè)備之間的距離成比例。
24.根據(jù)權(quán)利要求14～23中一項(xiàng)的設(shè)備，其中反應(yīng)器是水平的并且至少有一個(gè)明顯垂直的中間分界共有壁(210b，圖1b)。
25.根據(jù)權(quán)利要求14～24中一項(xiàng)的設(shè)備，包括安置在反應(yīng)流出物由一個(gè)間隔室出來(lái)進(jìn)入后邊的間隔室的出口處的通入冷氣體的設(shè)備(4f)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1～13中一項(xiàng)的方法或者根據(jù)權(quán)利要求14～25中一項(xiàng)的設(shè)備的用途，用于由氫和氮合成氨或者用于由氫和碳的氧化物合成甲醇或同系列的更高級(jí)的醇或者用于汽油催化重整。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于在一個(gè)帶有外部中間調(diào)節(jié)溫度的多級(jí)反應(yīng)區(qū)中，在一種固體催化劑存在下，于壓力下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的一種方法和一種設(shè)備。此法可用于合成氨、甲醇或者汽油重整。此法特征在于在至少一個(gè)間隔室中通入至少一種反應(yīng)流體，回收第一批反應(yīng)流出物，在反應(yīng)器外部在第一批流出物和外部換熱介質(zhì)之間進(jìn)行熱交換，然后將第一批流出物通入至少一個(gè)后邊的間隔室中，并由后邊的間隔室回收第二批應(yīng)流出物。另外，還將反應(yīng)流體或反應(yīng)流出物在間隔室中以明顯地垂直于反應(yīng)器壁的方式橫向循環(huán)。
文檔編號(hào)C10G11/02GK1030877SQ88100648
公開(kāi)日1989年2月8日 申請(qǐng)日期1988年1月21日 優(yōu)先權(quán)日1987年1月21日
發(fā)明者鄧武傳, 皮埃爾·阿姆, 丹尼爾·杰拉斯, 克里斯蒂安·勒格朗 申請(qǐng)人:法國(guó)石油公司