專利名稱：吸熱反應(yīng)催化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述的吸熱反應(yīng)催化反應(yīng)器。該類反應(yīng)為例如碳?xì)浠衔锿ㄟ^汽化重整產(chǎn)生氫氣的過程和脫氫過程，如由苯乙烷生成苯乙烯或由丙烷生成丙烯或由丁烷生成異丁烯。
由EP 0 380 192 B1公開一種催化反應(yīng)器，其外部呈圓柱形，反應(yīng)室橫截面為環(huán)形，要催化的原料從下面輸入到塞滿催化劑的反應(yīng)室，在反應(yīng)室的上端得到催化轉(zhuǎn)換的產(chǎn)物。該已知的反應(yīng)器可由裝在反應(yīng)室基平面以下的燃燒器加熱。該燃燒器在其燃燒帶周圍包有一層的耐涂料，其火焰方向與反應(yīng)室縱軸同軸，燃燒器的向上運(yùn)動(dòng)的燃燒氣體產(chǎn)物在熱分配器中幾乎通過反應(yīng)室的全長引導(dǎo)，該熱分配器由熱良導(dǎo)體材料制成管狀并直接連在耐火的燃燒室壁上。在管狀熱分配器和環(huán)形反應(yīng)室內(nèi)擋壁之間留有一環(huán)形間隙。產(chǎn)生的高溫燃燒氣體產(chǎn)物首先通過熱分配器向上流動(dòng)，到達(dá)熱分配器頂端轉(zhuǎn)向進(jìn)入環(huán)形間隙，然后自上而下流過環(huán)形間隙，此時(shí)通過內(nèi)擋壁向反應(yīng)室放熱。同時(shí)向下流經(jīng)熱分配器壁的氣體產(chǎn)物從在熱分配器內(nèi)部向上流動(dòng)的高溫燃燒氣體產(chǎn)物中吸熱，這樣使位于環(huán)形間隙的氣體溫度幾乎保持恒定。以這種方式該已知裝置可作為實(shí)用的等溫反應(yīng)器工作。
由EP 0 380 192 B1公開的另一種實(shí)施形式的反應(yīng)器用多個(gè)平行熱分配器代替了中心安裝熱分配器。該裝置也只有一個(gè)燃燒器，與其燃燒室一起裝于反應(yīng)室基平面以下。因?yàn)槿紵覍?shí)際不向外放熱，所以填入燃料的燃燒在絕熱條件下進(jìn)行，因而視燃料不同可能使火焰溫度過高。為降低燃燒氣體產(chǎn)物的溫度，雖然可以將過剩空氣量從通常的10％大幅度提高(比如到50°％)，但這將不可避免地導(dǎo)致相應(yīng)廢氣量的提高并兼有不希望的熱量損失。EP 0 380 192 B1提供了另一種降低溫度的方法，即燃燒帶的廢氣再循環(huán)。該方法主要有附加造價(jià)高的缺點(diǎn)。
由EP 0369 566 B1公開了另外一種吸熱反應(yīng)器，其中填滿催化劑的反應(yīng)室是底部封閉的套管形式，套管內(nèi)安裝一豎管，這樣待反應(yīng)原料可對(duì)流穿越反應(yīng)室一方面流經(jīng)套管和豎管之間的環(huán)形腔，另一方面流經(jīng)豎管。該裝置中用于加熱反應(yīng)室的高溫氣體產(chǎn)物在一單獨(dú)的設(shè)備件中絕熱條件下產(chǎn)生并接著從反應(yīng)室底部區(qū)域側(cè)進(jìn)入以一定間距圍環(huán)著反應(yīng)器的耐火殼體內(nèi)。為避免高溫氣體產(chǎn)物直接到達(dá)反應(yīng)室壁上引起高溫?fù)p傷，氣體產(chǎn)物輸入殼體內(nèi)應(yīng)先達(dá)到一管狀耐火材料阻擋層，然后向上，到達(dá)耐火阻擋層頂端再沿用熱良導(dǎo)體材料制成的第二個(gè)管狀阻擋層向下。到達(dá)第二個(gè)阻擋層的下端燃燒氣體產(chǎn)物才能再向上流動(dòng)并與反應(yīng)室壁進(jìn)行熱交換。同時(shí)對(duì)流的燃燒氣體產(chǎn)物流之間也通過第二個(gè)阻擋層的熱傳導(dǎo)壁進(jìn)行熱交換。通過這種防護(hù)措施如由EP 0 380 192 B1已知的該裝置可使氣體產(chǎn)物的溫度明顯降低，從而使反應(yīng)室壁免受過高(不允許)的熱負(fù)荷，但該反應(yīng)器的反應(yīng)室限制用一個(gè)反應(yīng)容器，所以不同功率的設(shè)備必須配有相應(yīng)不同尺寸的反應(yīng)容器。此外的不利方面在于置于高溫中的阻擋層是磨損件，工作一定時(shí)間后必須更換。
本發(fā)明目的在于，改進(jìn)此類吸熱反應(yīng)催化反應(yīng)器，以避免反應(yīng)容器的熱損傷，而又不會(huì)使造價(jià)很高或廢氣量過高以及填入燃料的能量利用不足等。
此類反應(yīng)器由權(quán)利要求1的特征來實(shí)現(xiàn)其目的。本發(fā)明有利的改進(jìn)由從屬權(quán)利要求2至14給出。
按本發(fā)明首要的是，燃燒在不絕熱條件下進(jìn)行，這樣在燃燒過程中熱量就從火腔散出，從而使所產(chǎn)生的最高的火焰溫度明顯降低、這可通過布置多個(gè)燃燒器和多個(gè)催化劑容器(后者插入燃燒器的火腔)來實(shí)現(xiàn)。在火腔內(nèi)催化劑容器各包有一個(gè)阻擋層，下面稱熱分配器，因?yàn)樗蔁崃紝?dǎo)體材料制成可吸熱并盡可能均勻地分散熱量、催化劑容器總是裝在燃燒器之間。
下面參照

圖1至7所示實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，圖中示出圖1按本發(fā)明的反應(yīng)器縱剖面。
圖1a圖1中X局部細(xì)節(jié)圖。
圖2圖1中A橫截面。
圖3圖1中B橫截面。
圖4一種變型反應(yīng)器的縱剖面。
圖4a圖4中反應(yīng)容器底部放大圖。
圖5按本發(fā)明的等溫反應(yīng)器縱剖面。
圖6圖5中C橫截面。
圖7圖5反應(yīng)器的放大詳圖。
在圖1至3以不同截面表示的催化反應(yīng)器共安裝了五個(gè)在垂直的縱向平行排列的管狀催化劑容器10。它們的縱軸線位于一個(gè)共同平面H中。每兩個(gè)相鄰的催化劑容器10之間最好等距(圖3)。平面H兩側(cè)與催化劑容器10隔一定距離各裝一排4個(gè)燃燒器15，其相互間與容器10同樣等距排列。燃燒器15的縱軸線相對(duì)催化劑容器10縱軸線的位置應(yīng)這樣交錯(cuò)設(shè)置，使兩排燃燒器15分別以有利的方式對(duì)置于兩個(gè)催化劑容器10之間的中間區(qū)域。燃燒器15和催化劑容器10亦可不鏡對(duì)稱設(shè)置，而用其他方式，例如讓燃燒器列同心地布置在圓形分布的催化劑容器10內(nèi)或周圍，這樣也是一種對(duì)稱布置形式。原則上燃燒器15和催化劑容器10也可不規(guī)則分布。但考慮到熱效果要盡可能均勻，對(duì)稱布置形式顯然非常有利。
一種較佳的方式是燃燒器及其火焰方向鉛垂定位，即從上指向下。雖然平行安裝方式對(duì)溫度均勻分布有利，但原則上燃燒器可相對(duì)于催化劑容器10縱軸線傾斜甚至垂直安裝。在本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)中一排催化劑容器10可改成多排，并與燃燒器列交錯(cuò)平行分布。以該種方式幾乎可實(shí)現(xiàn)任意所期望的反應(yīng)器效率，而無須改變單個(gè)催化劑容器10的結(jié)構(gòu)。
如圖1縱剖面所示，按本發(fā)明反應(yīng)器實(shí)施例中有一主要由耐火材料制成的殼體13，殼體13下部擴(kuò)展成輻射腔14，該腔頂部開口裝有燃燒器15。催化劑容器10(圖中只給出其中一個(gè)的縱剖面)從上部插入輻射腔14中，并且在腔14中部分大約全長的三分之一。每個(gè)催化劑容器10都有一個(gè)氣體輸入管道17以輸入催化轉(zhuǎn)換的原料。本例中氣體輸入管道17裝于殼體13上端一側(cè)，由于通過催化劑容器10全長的豎管18與催化劑容器10同心安裝，所以輸出催化反應(yīng)產(chǎn)物的氣體輸出管道19可同樣裝于容器10上部一側(cè)。這樣做的好處是催化劑容器10可自由固懸于殼體13的上端。因?yàn)橹挥性陟o態(tài)時(shí)容器10距殼體13底部有足夠大的距離，才能使容器10在工作狀態(tài)受熱膨脹時(shí)能自由向下延展。若將生成氣體輸出管道19直接接在催化劑容器10與處理氣體輸入通道17相對(duì)的底部。則必須采取費(fèi)用較高的結(jié)構(gòu)措施來補(bǔ)償熱膨脹，避免管道損傷。
因?yàn)樘幚須怏w輸入管道17和氣體輸出管道19不是位于催化劑容器的最上端，而緊貼其下面，所以可在上端面設(shè)置一個(gè)拆裝方便的蓋板12。通過此蓋板可填入催化材料并在必要時(shí)更換(催化材料)。催化劑容器10插入輻射腔14的全長距一定距離外套一管狀熱分配器16，熱分配器由熱良導(dǎo)體，最好由耐高溫鋼環(huán)繞制成，這樣在催化劑容器10壁和熱分配器16之間形成一環(huán)形間隙21。這在對(duì)圖1中X局部放大并詳細(xì)標(biāo)明的圖1a中有進(jìn)一步的表述。
催化劑容器10在其下端用一底密封。從上而下流過位于環(huán)形腔11內(nèi)催化劑堆10的氣體到達(dá)端面時(shí)轉(zhuǎn)向并通過一環(huán)形通道隙流進(jìn)豎管18，然后向上排出。該通道隙由豎管18與催化劑容器10底部的很小間距形成。氣體輸出管道19與豎管18相連(圖1)并通過催化劑容器10壁導(dǎo)出。管狀熱分配器16固接于輻射腔14頂部。熱分配器16的長度應(yīng)考慮殼體13底板與分配器16端面之間在工作狀態(tài)受熱線膨脹時(shí)仍有足夠大的距離，使高溫氣體產(chǎn)物能夠從下通過進(jìn)氣隙流入熱分配器16的催化劑容器10之間的環(huán)形間隙21。某些情況下也可在熱分配器16的壁上開一些槽使燃燒氣體產(chǎn)物進(jìn)入間隙21。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是，可以僅僅通過選擇槽的數(shù)目和大小即可按目標(biāo)調(diào)節(jié)燃燒氣體產(chǎn)物的流量比例，而無須改變熱分配器16和催化劑容器10的外部尺寸。
吸熱反應(yīng)所必需的熱量由燃燒氣體產(chǎn)物通過間隙21的分流導(dǎo)進(jìn)催化劑容器10的處理氣體。由于熱分配器16導(dǎo)熱，所以燃燒氣體產(chǎn)物流在放熱的同時(shí)也從輻射腔14內(nèi)通過熱分配器16壁吸熱，這樣，在氣流到達(dá)輻射腔14頂部時(shí)幾乎保持相同溫度。該溫度明顯低于絕熱火焰溫度，因?yàn)槿紵袩崃坎粩噌尫沤o處理氣體以完成吸熱催化轉(zhuǎn)換。
在輻射腔14頂端上方，催化劑容器10以其與熱分配器16相應(yīng)的方式隔很小間距外套殼體13的耐火材料層，這樣間隙21向上繼續(xù)延伸。當(dāng)然也可以將熱分配器16通到殼體13上端，殼壁包繞在熱分配器的上部。在催化劑容器10的上部，即圖1中大約2/3全長部分，由于連續(xù)放熱而沒有吸熱，使燃燒氣體產(chǎn)物溫度不斷降低。冷卻后的氣體產(chǎn)物通過廢氣出口22排出反應(yīng)器，并可在一更復(fù)雜的整套設(shè)備(未述)的對(duì)流器中繼續(xù)利用。
圖4和4a所示為按本發(fā)明反應(yīng)器變型的一種實(shí)施例，功能相同的部分如圖1至3同樣標(biāo)出，這里就不再重復(fù)。與第一個(gè)實(shí)施例不同的是該反應(yīng)器在環(huán)形間隙21內(nèi)部有一螺旋形導(dǎo)向板24，該導(dǎo)向板使直流的氣體產(chǎn)物附加了一個(gè)繞催化劑容器10縱軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，由此產(chǎn)生的燃燒氣體流的螺旋線形合成運(yùn)動(dòng)使在加熱反應(yīng)器時(shí)溫度分配更加均勻。
催化劑容器10下端及熱分配器16如圖4a局部放大圖所示。圖4示出了豎管18內(nèi)部的一個(gè)作為熱交換傳送器23的內(nèi)部裝置，其形狀主要是個(gè)管狀排流體且同軸地在豎管18的幾乎全長上延伸。該排流體外徑小于豎管18的內(nèi)徑，這樣在兩者之間產(chǎn)生一環(huán)形腔25。熱交換傳送器23的管狀排流體內(nèi)部密封(比如在底部)，這樣催化生成氣離開填滿催化劑的環(huán)形腔11后只能通過這個(gè)環(huán)形腔25向上流向燃?xì)廨敵龉艿?。以這種方式迫使燃?xì)馀c向下流動(dòng)待加熱的過程氣體通過豎管18的壁進(jìn)行密切熱交換。當(dāng)然，管狀熱交換傳送器也可使用一實(shí)心體。
圖5至7所示為本發(fā)明的另一種實(shí)施形式，其中圖5和6示意示出了殼體13的結(jié)構(gòu)及燃燒器15和催化劑容器10的布置，而圖7更具體地顯示出了催化劑容器10。功能相同部分的標(biāo)號(hào)同前。該形式與第一個(gè)實(shí)施例的不同在于輻射腔14實(shí)際占據(jù)了整個(gè)殼體13，熱分配器16基本上通過催化劑容器10的軸向全長。該種方式通過間隙21向上流動(dòng)的燃燒氣體產(chǎn)物在整段位移中都向過程氣體放熱并同時(shí)通過熱分配器16壁吸熱，這樣其溫度在該段通道上實(shí)際保持恒定。以此方式形成一等溫催化反應(yīng)器。與此相應(yīng)地，通過豎管18向上流動(dòng)的生成氣體也具有與通過環(huán)形腔11向下流動(dòng)的處理氣體相同的溫度，這使該兩氣流之間不發(fā)生熱交換，因此可取消豎管中排流的內(nèi)部裝置。
本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)在于，無須改變單個(gè)催化劑容器10而只改變催化劑容器10和燃燒器15的數(shù)目即可改變?cè)ù呋磻?yīng)器的效率到一更大極限。由于非絕熱燃燒，火焰溫度大大降低，從而不需復(fù)雜而昂貴的耐高溫結(jié)構(gòu)。此外管狀熱分配器的熱負(fù)荷也相對(duì)較小。
圖1至4實(shí)施例的相應(yīng)結(jié)構(gòu)主要適用于碳?xì)浠衔锏臍饣卣?，而圖5至7所示等溫反應(yīng)器對(duì)開頭所提到的脫氫過程特別有利。
權(quán)利要求
1.吸熱反應(yīng)催化反應(yīng)器，它具有一耐高溫材料制成的殼體(13)，殼體內(nèi)部由通過廢氣出口(22)向外排出的燃燒氣體產(chǎn)物加熱，殼體(13)內(nèi)至少裝有一個(gè)管狀催化劑容器(10)，并至少在容器外壁附近填充催化劑，所述容器(10)裝有一待催化處理原料的氣體輸入管道(17)和一催化反應(yīng)產(chǎn)物的氣體輸出管道(19)，并且至少一個(gè)催化劑容器(10)至少其軸向的一部分留有一狹長環(huán)形間隙(21)，以使高溫燃燒氣體產(chǎn)物從由熱良導(dǎo)體材料，主要是金屬，制成的管狀熱分配器(16)穿過，其特征在于殼體(13)內(nèi)間隔布置有多個(gè)催化劑容器(10)，多個(gè)燃燒器(15)的布置使催化劑容器(10)位于其間，為保證非絕熱燃燒將燃燒器(15)的火焰區(qū)位于熱分配器(16)的區(qū)域內(nèi)。
2.按權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，催化劑容器(10)豎直并基本相互平行安裝，各相鄰催化劑容器(10)之間等距，燃燒器(15)對(duì)稱于催化劑容器(10)安裝。
3.按權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其特征在于，至少部分催化劑容器(10)其縱軸線位于同一平面，與這些催化劑容器(10)相配的燃燒器并列兩排鏡面對(duì)稱安裝于該催化劑容器(10)縱軸平面兩側(cè)。
4.按權(quán)利要求2或3所述的反應(yīng)器，其特征在于，燃燒器(15)、其火焰方向——主要是從上指向下的火焰方向——為豎直的。
5.按權(quán)利要求3至4所述的反應(yīng)器，其特征在于，可設(shè)置多行相互交錯(cuò)平行安裝的催化劑容器(10)和燃燒器(15)。
6.按權(quán)利要求2至5之任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其特征在于，與一行催化劑容器(10)相應(yīng)的燃燒器(15)，其縱軸線相對(duì)于該行催化劑容器(10)縱軸線的安裝方式應(yīng)使一燃燒器行中的一個(gè)燃燒器(15)與另一燃燒器行的一個(gè)燃燒器(15)對(duì)置于兩催化劑容器(10)之間的中間區(qū)域。
7.按權(quán)利要求1至6之任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的熱分配器(16)基本通過催化劑容器(10)的全長形成等溫反應(yīng)器。
8.按權(quán)利要求1至6之任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的熱分配器(16)只通過催化劑容器(10)軸長的一部分，主要是下部，催化劑容器(10)的軸長繼續(xù)延展有狹長的環(huán)形間隙(21)的其余部分被殼體(13)的耐火層包圍。
9.按權(quán)利要求1至8之任一項(xiàng)所述反應(yīng)器，其特征在于，所述的環(huán)形間隙(21)內(nèi)安裝一螺旋形導(dǎo)向板(24)，使通過間隙(21)流動(dòng)的燃燒氣體產(chǎn)物繞催化劑容器(10)外圍沿螺旋線旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。
10.按權(quán)利要求1至9之任一項(xiàng)所述反應(yīng)器，其特征在于，在下端密封的催化劑容器(10)內(nèi)，有一同軸安裝并基本通過全軸長的豎管(18)，它與催化劑容器(10)底部留有很小間距作穿透縫隙，豎管(18)與催化劑容器(10)之間形成環(huán)形腔(11)，該環(huán)形腔內(nèi)自上而下流通過程氣體并填滿催化劑，氣體輸出管道(19)接于豎管上端。
11.按權(quán)利要求10所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的豎管(18)內(nèi)裝有一個(gè)尤其能形成管狀排流體的熱交換傳送器(23)，并形成第二個(gè)同軸流過豎管幾乎整個(gè)軸長的環(huán)形腔(25)，氣體自下而上流過該腔。
12.按權(quán)利要求1至11之任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其特征在于，催化劑容器(10)上端面殼體外部有一可密閉的蓋(12)，通過此蓋可填充催化劑，處理氣體輸入管道(17)和生成氣輸出管道(19)在蓋(12)下部分別從催化劑容器(10)兩側(cè)導(dǎo)出。
13.按權(quán)利要求1至12之任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的催化劑容器(10)和熱分配器(16)自由懸固于殼體(13)上端，它們各自底部與殼體(13)底板的間距應(yīng)保證在工作狀態(tài)受熱線膨脹時(shí)仍能自由懸固并留有進(jìn)氣縫隙(20)使燃燒氣體產(chǎn)物自由流入環(huán)形間隙(21)。
14.按權(quán)利要求1至13之任一項(xiàng)所述反應(yīng)器，其特征在于，所述熱分配器(16)在其下端壁上開槽，使燃燒氣體產(chǎn)物由此進(jìn)入環(huán)形間隙(21)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種吸熱反應(yīng)催化反應(yīng)器。催化劑位于耐火材料制成的殼體(13)內(nèi)，該殼體內(nèi)部最少裝有一個(gè)管狀催化劑容器(10)。為使催化反應(yīng)器能避免反應(yīng)容器的熱損傷而又不會(huì)帶來造價(jià)高，廢氣量過高以及裝入燃料能量利用不足等缺點(diǎn)，本發(fā)明提出，在殼體(13)內(nèi)安裝多個(gè)相互隔一定距離的催化劑容器(10)，同時(shí)多個(gè)燃燒器(15)的安裝應(yīng)使催化劑容器(10)位于其間并且燃燒(15)的火焰區(qū)在熱分配器(16)范圍內(nèi)用于保證一個(gè)非絕熱燃燒。
文檔編號(hào)C07C5/00GK1133570SQ94193908
公開日1996年10月16日 申請(qǐng)日期1994年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月29日
發(fā)明者弗朗西斯科·賈科比 申請(qǐng)人:曼內(nèi)斯曼股份公司, K·T·I·集團(tuán)公司