[发明专利]用于放热或吸热催化反应的反应器

说明书

本发明涉及用于放热或吸热催化反应的反应器。

更具体地，本发明涉及放热或吸热催化反应、以及多相反应的反应器。

还更具体地，本发明涉及用于费托反应的反应器。

在本发明中，所提及的所有信息以及操作和非操作条件，即使未明确说明，但也仍应解释为是优选的。

如已知的，费托反应为在基本上为三相体系中进行的化学反应，其中气相流动与固体催化剂接触，反应产物主要由液体烃和气体烃构成。特别地，反应中的气相为氢气和一氧化碳的混合物(合成气)，H₂/CO的摩尔比为1～3，液相基本上由具有高碳原子数的线性烃(链烷烃蜡)构成，固相由催化剂表示。

费托反应的放热性质(35～45千卡/mol)，使其需要采用换热设备以将温度控制在反应的运行界限以内，并防止形成局部“热点”，所述热点会造成催化剂的劣化。

例如，国际专利申请WO 2008/074496提出，在称作“浆体鼓泡塔”的反应器中实施费托反应，其中费托反应在三相体系中进行，其中合成气以气泡的形式在催化剂于反应液体中的悬浮液中汩汩流动。所述反应体系，通过上升的气流连续搅动，使得利用浸没入液体中的换热管系统可容易地将反应热除去，其中将冷却流体如水进行循环。

即使“浆体鼓泡塔”反应器使得可获得极其有利的反应收率以及有效地进行温度控制，但是其具有一系列操作问题。首先，必须将反应产物与催化剂分离：从反应器中收集催化剂在反应液体中的悬浮液，需要在反应器自身的内部或外部实施分离步骤。

其次，为了使得催化剂均匀分散，所述反应体系必须在适当的流体动力学条件下运行。

最后，用于费托合成的最新一代的工业反应器，尤其是采用“浆体鼓泡塔”技术的反应器，其尺寸巨大。例如，其具有60米高的圆柱形建筑物且直径为约10米。这些反应器的管理且特别是其维护例如换热设备的管的维护，是困难的。事实上，在40～60米高或更高的反应器中对换热设备的受损管进行简单的替换也不是简单的操作。

对“浆体鼓泡塔”反应器的一种替代是固定床反应器。这些反应器基本上由包括外壳或壳以及一对上部封闭元件和下部封闭元件的设备构成，其中通常具有反应物的进料装置和用于排放反应产物的装置。将多个管插入壳的内部，各个填充有催化剂，且所述催化剂为例如小球的形式。

反应物气体例如合成气在管内流动，与催化颗粒接触并反应。

通过冷却流体如水的连续流动将反应热移除，所述冷却流体占据壳的内部。

固定床构造的主要限制是基本上取决于粒子内的传质阻力(例如在费托反应的情况中造成对液体产物具有低活性和低选择性)和反应器内部的径向传热(其能够产生具有使得催化剂部分失活的潜能的局部“热点”)。此外，还能够发生压降、甚至相当高的压降，这取决于固定床的结构，特别地，取决于管的高度与直径之比以及催化剂颗粒的尺寸。总之，固定床反应器的特征在于，单位生产率(在所使用催化剂的单位体积上)非常低，鉴于此，为了提高所述单位生产率，必须使用特别大量的催化剂，因此反应器的尺寸巨大。

传统的固定床反应器或浆体鼓泡反应器的替代方案是具有独石催化剂的多管反应器。在公布的美国专利申请2005/0142049A1中能够发现这种方案的实例。

根据在该专利申请中所述的，能够在装载有导热性独石催化剂的多管反应器中实施放热反应，例如将苯或正丁烷选择性催化氧化成马来酸酐、将邻二甲苯氧化成邻苯二甲酸酐、或费托合成、或吸热反应例如将烃蒸汽重整成合成气(H₂和CO)。这些反应器包含容器，在所述容器内部放置多个管。管束的各个管包含由负载催化剂的金属独石蜂窝结构构成的催化剂。

在各个管中包括的独石结构由连续的圆柱体构成，在所述圆柱体内部存在多个平行通道。例如在美国专利6,881,703中也描述了这些独石结构。

利用“洗涂”技术将催化材料分布在独石通道的内壁上，从而与在独石的各个通道内流动的反应物接触。

独石结构确保了与在容器中且在管道外部循环的热调节流体的良好换热，因为独石材料的特征为具有良好的导热性，有利于热量的径向传递。

具有“洗涂的”独石催化剂的多管反应器的限制在于单位体积的反应器的催化活性相的可得性比传统反应器的低。鉴于此，为了具有良好的产率，必须提高反应体积。