[发明专利]包括交替排列的第一和第二流动通道的催化反应器

说明书

本发明涉及用于化学反应(例如燃烧)的催化反应器，其中该反 应物可能经历爆燃或爆震，该反应器抑制这种有害现象。

WO2005/102511(GTL Microsystems AG)中描述了装置和工艺， 其中甲烷与蒸汽在第一催化反应器中反应，生成一氧化碳和氢气；然 后在第二催化反应器中使用该所得到的气体混合物进行费托合成。该 重整反应通常在约800℃的温度进行，所需的热量可以由与进行重整 的那些相邻的通道中的催化燃烧提供，该燃烧通道包含可以包括以金 属基体上的薄涂层形式的在氧化铝载体上的钯或钯/铂的催化剂。将易 燃气体混合物(例如甲烷或氢气和空气的混合物)提供到燃烧通道中。 在催化剂的表面发生燃烧，没有火焰，但存在该气体混合物可能经历 爆燃或爆震的风险，这些现象的区别在于该燃烧波或火焰分别比未燃 烧气体混合物中的声速更低或更高。无论作为爆燃或爆震，防止火焰 通过该可燃气体混合物传播都将是需要的，因为这种火焰传播将改变 反应器中的温度曲线图，并且可能造成机械损坏。

依照本发明，提供了紧凑型催化反应器，该反应器限定了多个交 替排列的第一和第二流动通道，该第一流动通道具有不超过10mm的 横向尺寸，为可燃反应物提供流路，且包含用于催化该反应物的燃烧 的催化剂结构，该第一流动通道具有用于至少一种反应物的至少一个 入口，其中各第一流动通道包括与各入口相邻的插件，该插件对该燃 烧反应没有催化作用。

优选该非催化插件是不形成氧化铝表面涂层的材料，因为已经发 现甚至在不存在催化材料(例如钯)的情况下，这种氧化铝涂层本身 也有略微一些催化作用。例如，适合的金属是用于高温应用的铁/镍/ 铬合金，例如Haynes HR-120或Incoloy800HT(商标)、不锈钢或类 似材料。

该反应器可以包含一堆板材。例如，该第一和第二流动通道可以 由各自板材中的凹槽限定，将该板材堆积，然后粘合在一起。可替代 地，该流动通道可以由薄金属片材限定，其构成堞形，并与平板交替 堆置；该流动通道的边缘可以由密封条限定。为了确保所需的良好热 接触，该第一和第二气体流动通道的深度可以为10mm～2mm，优选 深度小于6mm，更优选在3mm～5mm范围内。用于形成该反应器模 件的板材堆例如通过扩散粘结、铜焊或热等静压方式粘合在一起。

该催化剂结构优选具有金属基体，用以提供强度和提高通过传导 的热传递，以防止热点。通常该金属基体覆盖有陶瓷涂层，在该陶瓷 涂层中添加了活性催化材料。优选该用于催化剂结构的金属基体与该 非催化性插件不同，是钢合金，在加热时其形成了氧化铝的粘着表面 涂层，例如铝支撑铁素体钢(例如Fecralloy(TM))。当该金属在 空气中加热时，其会形成氧化铝的粘着氧化物涂层，这会保护该合金 不会进一步氧化和腐蚀。在该陶瓷涂层是氧化铝的情况下，其显示出 粘合到该表面上的氧化物涂层。优选各催化剂结构经成形使得将该流 动通道细分成多个平行的流动通道，在各这种分通道中的表面上具有 活性材料。该基体可以是金属箔片、金属丝网或毡片，其可以是皱纹 状、波纹状或折叠状的；该优选的基体是皱纹状的薄金属箔片，例如 厚度小于100μm。

如US2006/0035182中描述的，一个用于评价反应通道是否能够 经历火焰传播的参数已知为安全淬火距离或淬火间隙，其是确保在特 定压力和温度下抑制所有火焰传播的最大通道宽度。如果该通道间隙 大于该淬火间隙，那么火焰传播是可能的，火焰可能变成爆燃，即以 亚音速传播的燃烧波。在实际中，至少对于矩形横截面的通道，最大 间隙(在该间隙下火焰传播得以抑制)事实上明显大于该淬火间隙， 约等于爆炸单元尺寸。这些两个参数取决于该可燃烧材料的性质，取 决于该组合距离化学计量比的接近程度，以及取决于温度和压力。作 为实例，对于初始状态为1大气压和约25℃的氢气和空气(作为氧气 来源)的化学计量混合物，该淬火间隙约为0.1mm，但最大间隙尺寸 约为5mm。氢气在氧气中的最大间隙尺寸约为1.2mm。随着温度升高， 这些用于最大间隙尺寸的数值会降低，且随着压力提高，其也会降低。 对于其他燃料混合物，该数值通常更大，例如对于甲烷在空气中，淬 火间隙约为1.5mm(最大间隙尺寸约为50mm)。