用于催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】一種用于催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)器，在催化劑殼體中包括支承催化劑床的穿孔的催化劑支承板，該穿孔的催化劑支承板由多個(gè)長(zhǎng)型支承元件支承，催化劑床中的催化劑粒子被安置在長(zhǎng)型支承元件外側(cè)，該穿孔的催化劑支承板被裝接在該長(zhǎng)型支承元件的下端，該穿孔的催化劑支承板被劃分成多個(gè)穿孔的催化劑支承板斷片，至少一個(gè)穿孔的催化劑支承板斷片由長(zhǎng)型支承元件支承。
【專利說明】用于催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)器
[0001]本申請(qǐng)是2007年6月18日提交的、名稱為“用于催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)器”、申請(qǐng)?zhí)枮?00580043458.4的中國(guó)專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種催化反應(yīng)器，其被構(gòu)造成減小反應(yīng)器內(nèi)部的變形和破裂。特別地，本發(fā)明涉及一種帶有改進(jìn)了的催化劑殼體的催化反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0003]多相化學(xué)反應(yīng)中常常需要固體催化劑粒子進(jìn)行催化。這些催化劑粒子通常位于催化劑床上，并且在反應(yīng)流體通過催化劑床的過程中，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由此將反應(yīng)流體轉(zhuǎn)化為想要的產(chǎn)物或化學(xué)成分不同于反應(yīng)流體的產(chǎn)物的混合物。
[0004]反應(yīng)器內(nèi)部的零件通常稱為反應(yīng)器內(nèi)部部件。催化劑床通過反應(yīng)器內(nèi)部部件被保持在反應(yīng)器中的位置上，該內(nèi)部部件允許流體來回通過催化劑粒子。這通常通過將與催化劑粒子接觸的反應(yīng)器內(nèi)部部件穿孔而實(shí)現(xiàn)。穿孔的特性決定了流體在催化劑床內(nèi)部的流動(dòng)模式。
[0005]用于將催化劑床保持在適當(dāng)位置的反應(yīng)器內(nèi)部部件通常是催化劑支承板，其中催化劑支承板沿其邊受到支承，并且/或者在與催化劑側(cè)相反的自由側(cè)受到支承。在某些情況下，在該自由側(cè)支承催化劑支承板是不可行的，例如，在催化劑粒子和催化劑支承板由于內(nèi)部部件的熱膨脹而經(jīng)受大的移動(dòng)的情況下。
[0006]催化劑床通常具有自由上表面和由水平的穿孔的催化劑支承板支承的下表面。催化劑床通過催化劑殼體的豎直的未穿孔的壁和穿孔的催化劑支承板保持在位置上。氣體從自由上表面?zhèn)冗M(jìn)入催化劑床，并通過位于催化劑床下面的穿孔的催化劑支承板離開催化劑床。催化劑支承板沿其邊固定到豎直的催化劑殼體壁上，并且通常不在其自由側(cè)從下方得到支承。當(dāng)反應(yīng)器被加熱時(shí)，催化劑床和豎直的催化劑殼體壁或其他反應(yīng)器內(nèi)部部件的熱膨脹會(huì)導(dǎo)致催化劑床和反應(yīng)器內(nèi)部部件沿軸向向下變形。
[0007]在反應(yīng)流體通過催化劑床和催化劑支承板的過程中，反應(yīng)流體經(jīng)歷壓降，這與催化劑粒子施加在催化劑支承板上的重力結(jié)合，將會(huì)導(dǎo)致催化劑支承板的變形。當(dāng)催化劑支承板僅沿其邊受到支承時(shí)，將使得催化劑支承板的表面面積存在一上限。若超出該上限，則需要對(duì)催化劑支承板進(jìn)行不切實(shí)際或不經(jīng)濟(jì)的加強(qiáng)，例如使用非常厚的催化劑支承板。
[0008]一種可選的支承催化劑支承板的方法，是使用各種位于催化劑床中并固定在催化劑支承板上的支承構(gòu)件。與將支承板固定在催化劑殼體壁上相比，這種方法允許使用較大的催化劑支承板?？墒褂霉潭ㄔ诖呋瘎┲С邪迳系闹е戎С袠?gòu)件。支柱為這樣的支承元件，其在一端固定在第一構(gòu)件上，在其另一端固定在第二構(gòu)件上，為構(gòu)件中的一個(gè)或兩個(gè)提供支承。
[0009]然而，支柱或類似的支承構(gòu)件會(huì)由于反應(yīng)器內(nèi)部溫度分布不均而具有不同的熱膨脹。這將沿軸向方向在催化劑支承板內(nèi)和支柱內(nèi)引起高的應(yīng)力影響，導(dǎo)致催化劑支承板和支柱的變形或破裂。這些特定的反應(yīng)器內(nèi)部部件所承受的徑向力，與軸向方向的力相比可以忽略不計(jì)。
[0010]日本專利申請(qǐng)N0.49010172的英文摘要公開了一種催化反應(yīng)裝置，其對(duì)于在高溫催化反應(yīng)中避免催化劑支承板破裂是有用的。催化劑支承板具有孔，并被劃分成為一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，還具有用于支承催化劑支承板的支承器。它們都用豎直螺栓固定?？赏ㄟ^松動(dòng)位于支承板與其支承器之間的螺栓，使得它們彼此可相對(duì)滑動(dòng)，來吸收催化劑支承板的熱膨脹。
[0011]該申請(qǐng)描述了一種催化反應(yīng)裝置，其中催化劑支承板中的應(yīng)力僅在徑向上被減小了。其中并沒有介紹如何減小軸向的應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]因此，本發(fā)明的目的是提供一種催化反應(yīng)器，其中反應(yīng)器內(nèi)部部件上的熱應(yīng)力在軸向上被減小。這將相應(yīng)減小反應(yīng)器內(nèi)部部件的變形和破裂。
[0013]本發(fā)明包括催化反應(yīng)器，其具有反應(yīng)器內(nèi)部部件，該反應(yīng)器內(nèi)部部件包括由長(zhǎng)型支承元件支承的分割式催化劑支承板，其中反應(yīng)器內(nèi)部部件在高溫下承受的應(yīng)力在軸向上被減小。
[0014]本發(fā)明包括一種催化反應(yīng)器，其具有技術(shù)方案I所描述的特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1，2，3為示意圖，表示本發(fā)明的三個(gè)不同實(shí)施例中的分割式催化劑支承板的橫截面。
[0016]圖4為帶有支柱的催化劑殼體的縱向剖面圖，其中支柱在下端固定到分割式催化劑支承板上。
[0017]圖5為帶有管的催化劑殼體的縱向剖面圖，其中管在下端固定到分割式催化劑支承板上。
[0018]圖6為帶有雙層管的催化劑殼體的縱向剖面圖，其中雙層管在下端固定到分割式催化劑支承板上。
[0019]圖7為分割式支承板的橫截面圖，其中斷片裝接到催化劑殼體壁上，或者裝接到長(zhǎng)型支承元件上。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明的催化反應(yīng)器包括催化劑殼體，催化劑殼體包括多個(gè)長(zhǎng)型支承元件。在催化劑殼體中有用于支承催化劑粒子的床的穿孔的催化劑支承板。長(zhǎng)型支承元件在它們的下端固定到穿孔的催化劑支承板上，例如通過焊接方式。穿孔的催化劑支承板是分割式(segmented)的，每個(gè)催化劑支承板斷片由長(zhǎng)型支承元件支承。由分割式催化劑支承板和固定在這些催化劑支承板斷片上的長(zhǎng)型支承元件構(gòu)成的組件由管片或板支承，其中長(zhǎng)型支承元件的上端被固定在管片或板上。
[0021]催化劑床被定位在穿孔的催化劑支承板的上表面上。因此催化劑粒子圍繞長(zhǎng)型支承元件的外表面。進(jìn)入催化反應(yīng)器中的生產(chǎn)氣體被導(dǎo)向催化劑床用于反應(yīng)。催化劑支承板上的孔眼允許反應(yīng)后的生產(chǎn)氣體流過催化劑床和催化劑支承板到達(dá)催化劑支承板的下側(cè)。
[0022]分割式催化劑支承板，例如可以通過將一張具有適合于反應(yīng)器裝置的大的催化劑支承板切割成較小的獨(dú)立的催化劑支承板斷片而制備。催化劑支承板可以采用例如水噴射切割法進(jìn)行切割，或采用其他任一種現(xiàn)有技術(shù)中已知的合適方法進(jìn)行切割。穿孔可以在催化劑支承板斷片上進(jìn)行，或者，在將大的催化劑支承板切割成獨(dú)立斷片之前對(duì)該大的催化劑支承板進(jìn)行穿孔。
[0023]催化劑支承板斷片可以具有任何能被安置在反應(yīng)器裝置中的合適形狀或形狀的組合，以形成能定位催化劑床的表面。催化劑支承板斷片例如可以具有三邊(三角形)、四邊、五邊或六邊。
[0024]催化劑支承板斷片可以彼此邊靠邊靠近安置，各斷片之間有或沒有縫隙。如果縫隙存在，則重要的是要防止催化劑粒子從縫隙落入催化劑支承板下面的空間中。
[0025]為了避免這種情況，每個(gè)催化劑支承板斷片的最小厚度，應(yīng)該在所有的處理、啟動(dòng)和關(guān)閉狀態(tài)下都至少等于兩相鄰長(zhǎng)型支承元件之間在伸展程度上的最大可能差異。
[0026]分割式的催化劑支承板可以由任何合適的材料形成。例如鎳合金和不銹鋼。
[0027]長(zhǎng)型支承元件可以具有圓柱形的橫截面。也可以具有其他的橫截面形狀，如六邊形或矩形截面。換句話說，橫截面可以是多邊形形狀。
[0028]本發(fā)明的催化反應(yīng)器適合在大的溫度范圍中使用。特別適合在反應(yīng)器中以高于700°C的溫度使用，這里支柱能經(jīng)受大的溫度變化，而大的該溫度變化將引起熱膨脹方面的
顯著變化。
[0029]每個(gè)催化劑支承板斷片被裝接到至少一個(gè)長(zhǎng)型支承元件上。然而，鄰接催化劑殼體壁的催化劑支承板斷片可可選地固定到該壁上，而將其余的催化劑支承板斷片裝接到長(zhǎng)型支承元件的下端。
[0030]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的催化反應(yīng)器中，長(zhǎng)型支承元件為支柱，催化劑支承板斷片被裝接到這些支柱上。
[0031]本發(fā)明的另一實(shí)施例的催化反應(yīng)器中，長(zhǎng)型支承元件為管，例如傳熱管，催化劑支承板斷片被裝接到這些管上。
[0032]本發(fā)明的又一實(shí)施例的催化反應(yīng)器中，催化劑支承板斷片裝接到其上的長(zhǎng)型支承元件為同心雙層管，例如，在內(nèi)管的內(nèi)部有催化劑。同心雙層管的環(huán)狀空間，也就是環(huán)形腔，提供了例如可用于生產(chǎn)氣體的傳輸?shù)耐ǖ馈?br> [0033]下面將更詳細(xì)地描述本發(fā)明及其實(shí)施例。
[0034]圖1為表示分割式催化劑支承板I的橫截面的示意圖。在該實(shí)施例中，催化劑支承板I被切成多個(gè)斷片，包括中心的催化劑支承板斷片2和外圍的催化劑支承板斷片3，這些斷片相應(yīng)地由位于中心的安置于孔4的長(zhǎng)型支承元件和外圍的安置于孔5的長(zhǎng)型支承元件支承。每個(gè)催化劑支承板斷片具有多個(gè)孔眼6，這些孔眼用于使穿過催化劑床和催化劑支承板斷片的生產(chǎn)氣體均勻分布。在該實(shí)施例中，催化劑支承板斷片2和3各具有六個(gè)邊和四個(gè)邊。
[0035]然而，每個(gè)催化劑支承板斷片可以被切割成不同的形狀，如圖2所示。圖2為本發(fā)明的催化反應(yīng)器的催化劑殼體的橫截面圖，其中反應(yīng)器包括多個(gè)長(zhǎng)型支承元件4，而長(zhǎng)型支承元件4被固定到多個(gè)帶有孔眼6的催化劑支承板斷片2和3上。該實(shí)施例表示了分別具有六邊形和五邊形形狀的催化劑支承板斷片2和3，并且催化劑支承板斷片的邊長(zhǎng)可以不同，即各邊長(zhǎng)度不相等，如催化劑支承板斷片2那樣。本發(fā)明的催化反應(yīng)器中也可使用形狀為三角形或矩形的催化劑支承板斷片。因此催化劑支承板斷片2可為多邊形形狀。在該實(shí)施例中，長(zhǎng)型支承元件為圓柱狀，由同心雙層管構(gòu)成。
[0036]圖3表示了圖1所示實(shí)施例的變形。在該實(shí)施例中，省略了中心的催化劑支承板斷片，外圍的催化劑支承板斷片3被切割成，使得它們與安置于孔4中的中心長(zhǎng)型元件鄰接。在這種情況下，孔4中的中心長(zhǎng)型元件不支承任何一塊催化劑支承板斷片3。
[0037]所有的催化劑支承板斷片都得到支承。然而并不是所有的催化劑床中的長(zhǎng)型元件都對(duì)催化劑支承板斷片提供支承。長(zhǎng)型支承元件的數(shù)目可以根據(jù)反應(yīng)器的大小而有所不同，但是其數(shù)量通常為I到1000個(gè)。不提供支承的長(zhǎng)型元件可以為管狀，用于流體的傳輸。
[0038]在實(shí)踐中，催化劑支承板斷片的整個(gè)表面中所承受的溫度差異可以大范圍變化。然而，相鄰長(zhǎng)型支承元件之間的局部溫度差異不大。這意味著相鄰長(zhǎng)型支承元件所承受的局部膨脹非常相近。因此任一長(zhǎng)型支承元件與其最近的長(zhǎng)型支承元件大致膨脹相同長(zhǎng)度。
[0039]本發(fā)明的另一實(shí)施例顯示在圖4中。圖4顯示了本發(fā)明的催化反應(yīng)器I的縱向剖面圖。催化反應(yīng)器I包括催化劑殼體2和多個(gè)支柱3，其中支柱3排列在殼體2內(nèi)部。圖中顯示了兩個(gè)支柱3。每個(gè)支柱3在其下端支承催化劑支承板斷片4。支承板斷片4具有孔眼5，并且彼此邊靠邊安置，支承板斷片4的邊之間有或沒有縫隙6。
[0040]因此支承板斷片4形成了類似于單一大催化劑支承板的表面，適合于支承催化劑床7。
[0041]生產(chǎn)氣體通過入口 8進(jìn)入催化劑殼體2中，并穿過催化劑床7，用于在所需的溫度下進(jìn)行催化反應(yīng)。催化反應(yīng)后，生產(chǎn)氣體穿過孔眼5和縫隙6 (如果縫隙6存在的話)，進(jìn)入催化劑床7下游的空間9中。
[0042]本發(fā)明的另一實(shí)施例表示在圖5中。在該實(shí)施例中，本發(fā)明的催化反應(yīng)器類似于圖4中所描述的反應(yīng)器，區(qū)別在于長(zhǎng)型支承元件為管3，生產(chǎn)流體能經(jīng)管3流動(dòng)，并且管的下端固定到催化劑支承板斷片4上。圖中僅示出了催化劑殼體及其內(nèi)部部件。生產(chǎn)流體通過入口 8進(jìn)入催化劑殼體2中，并在穿過催化劑床7的過程中被轉(zhuǎn)化。穿過支承板斷片4后，反應(yīng)后的生產(chǎn)氣體進(jìn)入空間9中，之后經(jīng)管3的下端流過管3。在穿過管3的過程中，反應(yīng)后的生產(chǎn)氣體能間接與催化劑床7中的正在反應(yīng)的生產(chǎn)氣體進(jìn)行熱交換。
[0043]該實(shí)施例適合用于蒸汽重整反應(yīng)，在該反應(yīng)中甲烷與蒸汽反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣。吸熱性蒸汽重整反應(yīng)在催化劑床7中進(jìn)行，生成的氣體進(jìn)入空間9中，并與從入口 10進(jìn)入的熱氣體混合。之后混合氣體在經(jīng)過管3傳輸?shù)倪^程中，通過與催化劑床7中進(jìn)行的反應(yīng)進(jìn)行熱交換而被冷卻。反應(yīng)后的氣體通過出口 12排出催化劑殼體2。
[0044]圖5所示的實(shí)施例特別用于蒸汽重整反應(yīng)，該反應(yīng)中所經(jīng)歷的溫度高達(dá)1000°C。在這樣的反應(yīng)器中，反應(yīng)器管的長(zhǎng)度可為12米，在這樣的溫度下可以承受例如160_長(zhǎng)度的膨脹，這取決于管金屬的熱膨脹系數(shù)。由于反應(yīng)器管在其上端固定在管板11上，所以在其下端膨脹最大。
[0045]反應(yīng)器中溫度的不均分布能導(dǎo)致反應(yīng)器中每個(gè)獨(dú)立的管的膨脹不同。如果催化劑支承板不是分割式的，將最終導(dǎo)致催化劑支承板的變形和破裂。當(dāng)使用分割式的催化劑支承板時(shí)，允許反應(yīng)器管存在不同的膨脹，而不會(huì)造成任何內(nèi)部部件的破裂。[0046]本發(fā)明的又一實(shí)施例顯示在圖6中。圖中僅顯示了催化劑殼體及其內(nèi)部部件。在該實(shí)施例中，本發(fā)明的催化反應(yīng)器與圖5的類似，區(qū)別在于長(zhǎng)型支承元件為同心雙層管3，該同心雙層管3的外管在下端固定到催化劑支承板斷片4上。生產(chǎn)流體可在同心雙層管3的環(huán)形腔5中流動(dòng)，內(nèi)管6的空間內(nèi)可填滿催化劑粒子。分割式的催化劑支承板4在同心雙層管3的外側(cè)支承催化劑床7。
[0047]下面詳細(xì)介紹圖6。生產(chǎn)流體例如生產(chǎn)氣體通過入口 8進(jìn)入催化劑殼體2，并在穿過輔助催化劑床11的過程中被轉(zhuǎn)化，其中輔助催化劑床11位于同心雙層管3的內(nèi)管6的空間13中。生產(chǎn)氣體同時(shí)在通過安置于同心雙層管3外側(cè)的催化劑床7的過程中被轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化后的生產(chǎn)氣體離開同心雙層管3的內(nèi)管6的空間13，進(jìn)入空間9中。轉(zhuǎn)化后的生產(chǎn)氣體還通過穿孔的分割式催化劑支承板4而離開催化劑床7，進(jìn)入空間9中。然后，空間9中的轉(zhuǎn)化后生產(chǎn)氣體能夠與通過入口 10進(jìn)入催化劑殼體2中的另一氣體混合。然后，生產(chǎn)氣體混合物通過同心雙層管3的環(huán)形腔5被傳輸?shù)匠隹?12。
[0048]在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的催化反應(yīng)器中，催化劑支承板斷片被固定在長(zhǎng)型支承元件上，或者被固定在催化劑殼體的豎直壁上，如圖7所示。在該實(shí)施例中，與催化劑殼體的豎直壁鄰接的一些催化劑支承板斷片I被固定到豎直壁上并被豎直壁支承。其余的催化劑支承板斷片2被固定到安置于孔3的長(zhǎng)型支承元件上并被其支承。
【權(quán)利要求】
1.一種用于催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)器，在催化劑殼體中包括支承催化劑床的穿孔的催化劑支承板，該催化劑支承板由多個(gè)長(zhǎng)型支承元件支承，催化劑床中的催化劑粒子被安置在長(zhǎng)型支承元件外側(cè)，該穿孔的催化劑支承板被裝接在該長(zhǎng)型支承元件的下端，該穿孔的催化劑支承板被劃分成多個(gè)穿孔的催化劑支承板斷片，至少一個(gè)穿孔的催化劑支承板斷片由長(zhǎng)型支承元件支承并且每個(gè)催化劑支承板斷片的最小厚度至少等于兩相鄰長(zhǎng)型支承元件之間在伸展程度上的最大可能差異，其中，所述長(zhǎng)型支承元件為管，生產(chǎn)流體能夠流動(dòng)穿過所述管，并且其中，在穿過所述管的過程中，反應(yīng)后的生產(chǎn)流體能間接與所述催化劑床中的正在反應(yīng)的生產(chǎn)流體進(jìn)行熱交換。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，與催化劑殼體的壁鄰接的至少一個(gè)另外的催化劑支承板斷片由該壁支承。
3.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述長(zhǎng)型支承元件具有圓柱形或多邊形截面。
4.如權(quán)利要求1一 3中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述長(zhǎng)型支承元件為同心雙層管。
5.如權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述管為傳熱管。
6.如權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述同心雙層管在內(nèi)管內(nèi)側(cè)容納催化劑，在環(huán)形腔中容納生產(chǎn)氣體。
7.如權(quán)利要求1一 3中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述催化劑支承板斷片為多邊形形狀。
8.權(quán)利要求1一 7中任一項(xiàng)所述的反應(yīng)器在蒸汽重整反應(yīng)中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】B01J8/00GK103537232SQ201310462254
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2004年12月17日
【發(fā)明者】N.埃里克斯特魯普, S.G.湯森, M.博 申請(qǐng)人:赫多特普索化工設(shè)備公司