專利名稱：用于化合物的非均相合成的反應器的制作方法
技術領域：
在其更一般的方面中，本發(fā)明涉及一種用于諸如甲醇和氨的化合物的非均相合成的反應器。具體地說，本發(fā)明涉及至少包括兩個串聯(lián)反應區(qū)的前述類型的反應器，其中所需化學反應在存在適合的催化劑的情況下進行。
背景技術：
如已知的，在用于諸如氨、甲醇、甲醛和苯乙烯的化學產品的工業(yè)合成的非均相催化反應的領域，存在對增加生產能力及轉化收率的不斷增長的需求，而同時，存在對減少能耗、安裝成本、操作校驗以及維護成本的不斷增長的需求。
以此為目標，在現(xiàn)有技術領域中，已提出了包括串聯(lián)布置的、形成反應區(qū)的多個絕熱催化床的多種反應器。使試劑氣體穿過適合溫度和壓力條件的催化床，以便借助于催化劑實現(xiàn)轉化成為最終產品。由于反應在基本上絕熱條件下進行，換言之，沒有去除熱量，因此在放熱反應的情況下，反應熱趨向于增加絕熱床的工作溫度，從而使反應的進程趨向不平衡。因此，前述反應器通常配置位于絕熱床之間的直接熱交換冷卻裝置，以便來自所述催化床的反應混合物的溫度條件回到更適合反應過程的溫度條件，例如通過與“新鮮”試劑氣體的部分混合。
即使這種方法在特定方面是有利的，但是前述反應器具有通常導致相當?shù)偷姆磻M程(轉化收率)水平的公認限制，因此不特別適合用于工業(yè)應用。因此，也導致所述反應器的生產能力很低。
在現(xiàn)有技術中，還提出了多種反應器，這些反應器包括串聯(lián)布置的一個或多個催化床(反應區(qū))，而通過將諸如板式熱交換器的間接熱交換裝置浸入催化床中，每個催化床在擬等溫條件下工作。
術語“擬等溫條件”指通過另外使用所述熱交換裝置，反應區(qū)中反應溫度被控制在預定最佳值(根據(jù)所需的轉化反應變化)周圍的值的有限區(qū)間內。
雖然從生產能力和反應量的觀點來看，前述反應器是有利的，但是由于在受控溫度值內，最終產品中試劑氣體的轉化反應在催化床中不變地進行，因此所述反應器需要與前述絕熱床反應器不相上下的工業(yè)應用設備(反應器)，從結構的觀點看，導致非常復雜，并需要高得多的運行、安裝和維護成本。
成為本發(fā)明基礎的技術問題是提供能夠以最高效的方式同時滿足前述需求的用于化合物的非均相合成的反應器。換言之，提供能夠保證高轉化收率和生成能力，而同時在工業(yè)水平允許減小建造、安裝、運行和維護成本的用于化合物的非均相合成的反應器。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，利用根據(jù)權利要求1和后續(xù)權利要求的用于化合物的非均相合成的反應器解決所述的問題。
已經驚奇地發(fā)現(xiàn)利用具有前述配置的反應器，可以獲得試劑氣體變成最終產品的高轉化收率；所述轉化收率完全可以比得上具有相同容量和帶有擬等溫催化床的傳統(tǒng)反應器獲得的產量。同時，當與具有擬等溫催化床的相應反應器所需的制造、安裝和維護成本相比時，所述反應器的構造更加簡單，而因此需要更低的制造、安裝和維護成本。成本僅略高于具有絕熱床的相應反應器所需的成本。
從下面通過示例參照附圖對化學反應器，特別是對用于生產甲醇的化學反應器的詳細描述，本發(fā)明的特征和優(yōu)點將更清楚，上述示例僅用于說明而非限制本發(fā)明。


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的化學反應器的示意縱剖視圖。
圖2顯示了沿圖1中顯示的描繪平面B-B的圖1的化學反應器的示意橫斷面視圖；圖3顯示了沿圖1中顯示的描繪平面C-C的圖1的化學反應器的示意橫斷面視圖。
具體實施例方式
參照前述圖，用于非均相催化反應，尤其用于生產甲醇，的化學反應器，通常由附圖標記10表示。
該化學反應器包括外殼12，該外殼12具有帶有垂直軸A-A且在相對的端部分別由兩個底部，即下底14和上底16，封閉的基本上圓筒形的形狀。在上底16上，管口或噴嘴17設置用作試劑氣體進入反應器10的入口，而管口或噴嘴18設置在下底14以從反應器10將反應混合物排出。
根據(jù)本發(fā)明，反應器10包括在基本上絕熱條件下操作的多個反應區(qū)22，23和24，所述多個反應區(qū)22，23和24在當前實施例中位于對應于反應器體積的近似一半的其上部20中；和在擬等溫條件下操作的反應區(qū)30，所述反應區(qū)30在反應器的下部21中。
更具體而言，在當前實施例中，反應器10包括在其上部20中的串聯(lián)布置的三個反應區(qū)，而更準確地說，三個反應區(qū)是上部反應區(qū)22；中部反應區(qū)23；和下部反應區(qū)24，在各反應區(qū)中分別支撐著催化床上部床25；中部床26；和下部床27，所述床用于填充適合的催化劑。
催化床25，26和27具有基本上環(huán)形斷面，并以同軸的方式支撐在所述外殼12內部，這在本領域是已知的，從而在這里不進行描述。它們彼此相距預定距離布置，以便在彼此之間確定相應的空的空間(emptyspace)41和42。此外，上部催化床25具有用于來自管口17的試劑氣體的入口的入口側25a和反應混合物的相對的出口側25b。以類似的方式，中間催化床26和下部催化床27具有分別用于來自上部催化床25和中間催化床26的反應混合物的對應的入口側26a和27a；和相應的出口側26b和27b。
在反應器10的下部21的反應區(qū)30中，催化床31被設置使適合的催化劑位于距反應器10的上部20的下部催化床27預定距離，從而確定了空的空間43。催化床31具有基本上環(huán)形斷面，并由惰性材料的下面的床39支撐在外殼12內部。在反應器10內部，在反應混合物出口管口18上還設有柵格40，以將惰性材料保持在反應器內部的位置。
反應器10在其上部20中還包括位于上部催化床25與中間催化床26之間的所述空間41中的冷卻裝置35；和位于中間催化床26和下部催化床27之間的所述空間42中的另外的冷卻裝置36。
冷卻裝置35和36優(yōu)選包括具有孔的管道系統(tǒng)，所述管道系統(tǒng)優(yōu)選為環(huán)形或螺旋管狀，用于分別通過入口管口或噴嘴35a和36a從外部饋送的冷卻流體(驟冷)引導到相鄰催化床之間的空的空間中。采用本領域已知的方式，所述冷卻裝置的螺旋管狀或環(huán)形管道系統(tǒng)支撐在所述外殼12內部，而因此不再進行描述。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，冷卻流體由“新鮮”試劑氣體組成，并且所述冷卻裝置35和36的螺旋管狀或環(huán)形管道系統(tǒng)配置有多個管口或噴嘴(未示出)，從而通過所述試劑氣體與來自位于冷卻裝置(驟冷)的上游的各個催化劑床25或26的反應混合物的混合提供直接交換。每種混合物以適合的方式調節(jié)，以便產生的反應混合物具有用于后面的催化床中反應的正確過程的適合溫度。
反應器10還包括浸入催化床31中由標號44總體指示的冷卻裝置。優(yōu)選所述冷卻裝置44包括傳統(tǒng)類型的多個間接熱交換器45，所述間接熱交換器45支撐和分布在催化床31的基本上環(huán)形部分中。熱交換器45優(yōu)選為平板形狀或板狀、矩形、盒子狀，而更優(yōu)選以徑向方式布置，其長邊45a平行于外殼12的軸A-A。
更具體而言，每個熱交換器45優(yōu)選由兩個并置的金屬板制成，兩個并置的金屬板利用適合的焊接法彼此以預定距離相互連接，以便以預定寬度在它們之間設置空的空間，以允許熱交換工作流體的流動。
優(yōu)選方式是，熱交換器45在其上部與所述熱交換器流體的對應分配器管46流體連通，而在其下部與所述工作流體的對應出口管47流體連通。
在圖1中所示的實例中，出口管47與基本上圓筒形且與所述外殼12同軸的中央歧管48流體連通；所述歧管從反應器10的下部21經催化床31，并經反應器的上部20的催化床27、26、25延伸，利用氣體分配器50在上部催化床25上方終止。
該分配器管46與外殼12外部的、用作熱交換操作流體的入口的入口管口或噴嘴51流體連通。
根據(jù)本發(fā)明的可選實施例，歧管48也可定位在反應器10外部。
優(yōu)選方式是，熱交換操作流體包括“新鮮”試劑氣體的一部分。應該指出根據(jù)本發(fā)發(fā)明，試劑氣體與穿過催化床31的反應混合物間接熱交換而有利地預熱，而因為此原因，它們能夠經出口管47和歧管48有益地供應到催化床上方，用于轉化。這有利地減小了能耗。
用于化合物的非均相合成，尤其用于甲醇合成，的上述反應器10的操作如下。
一部分試劑氣體，例如在甲醇合成的情況下，包括一氧化碳和氫的混合物通過入口管口17被引導到反應器10中，而可以利用上部催化床25上適合的分配器(未示出)以均勻的方式分配。因此，試劑氣體沿基本上軸向方向流入所述上部催化床中，以基本上絕熱條件獲得部分甲醇轉化。
因此，在上部催化床25的出口處，獲得利用直接熱交換器冷卻(驟冷)的包括甲醇和未反應氣體的反應混合物，或換言之，通過與來自螺旋管狀或環(huán)形管道系統(tǒng)35的適合數(shù)量的“新鮮”試劑氣體混合冷卻(驟冷)的包括甲醇和未反應氣體的反應混合物。然后，混合操作后產生的反應混合物穿過中間催化床26，在這里出現(xiàn)進一步的甲醇轉化，從而在中間催化床26的出口處獲得更富有甲醇的反應混合物。這種反應混合物由通過螺旋管狀或環(huán)形管道系統(tǒng)36供應的“新鮮”試劑氣體冷卻。然后，混合操作后產生的反應混合物穿過下部催化床27，在這里出現(xiàn)進一步的甲醇轉化，從而在所述催化床的出口處獲得更富有甲醇的反應混合物。
在此時，來自下部催化床27的反應混合物流入空的空間43，穿過下端部21中利用與熱交換器45的間接熱交換保持擬等溫條件的催化床31。采用這種方式，可以獲得高效的熱量控制和最佳地完成甲醇轉化。
穿過熱交換器45的“新鮮”試劑氣體的部分被有利地預先加熱，并且通過出口管44、歧管48和分配器50，被供應到上部催化床25的上方，在那里，它與通過入口管口17供應到反應器10的試劑氣體的部分混合。
來自催化床31的反應混合物穿過惰性材料39，并從反應器10的出口管口18出去，以被繼續(xù)傳送用于后續(xù)處理階段(例如，甲醇回收部分)。
除上面說明的優(yōu)點外，還應該指出本發(fā)明適用于改裝先前存在的化學反應器，而尤其是傳統(tǒng)的絕熱床反應器。
對于這種改裝，只更換絕熱床的部分就足夠了，換言之，只更換反應器的下部中的那些絕熱床，和具有擬等溫類型的催化床的相應制冷裝置就足夠了。與用擬等溫類型的床替換所有的絕熱催化床相比時，這顯著減小了改造成本，而同時，提供了比得上具有擬等溫類型的床的相應反應器的高反應產量和生產能力。
實例在甲醇合成領域，根據(jù)本發(fā)明的反應器的生產能力特性與具有絕熱催化床的相應傳統(tǒng)反應器的生產能力特性進行了比較，并與具有擬等溫催化床的相應反應器的生產能力特性進行了比較。
在如下所示的相同工作條件下，在每個前述反應器中進行甲醇合成。
供應到合成回路的供應氣體(補充氣體)的組成CH43.12mol％N21.14mol％H273.09molCO27.98mol％CO 14.67mol％至合成回路的補充氣體流量370700Nm3/h(370′700Nm3/h)。
反應器工作壓力80bar總的催化劑體積200m3冷凝溫度29℃。
這種比較在兩種情況下執(zhí)行一種情況是到合成回路的補充氣體是由蒸汽轉化器生成的氣體；而另一種情況是為了提高產量，將500MTD(公噸/每天)的二氧化碳加到由蒸汽轉化器產生的所述氣體。
在兩種情況下，在到反應器的入口處的氣體流量實際上保持不變1800000Nm3/h(1′800′000Nm3/h)。
結果如下面的表1和2所示表1

表2

上述表中顯示的結果清晰地顯示在檢驗的兩種情況中，與相應的絕熱催化床反應器相比，根據(jù)本發(fā)明的反應器產量具有略低于冷卻擬等溫催化床反應器的總的生產能力和產量增加。
然而，與后一反應器相比，由于本發(fā)明的更低的構造、安裝和維護成本，因此根據(jù)本發(fā)明的反應器的制造容易得多且廉價得多。
當然，為了滿足具體和可能的需要，本領域所屬技術人員能夠對所述化合物的非均相合成的反應器進行多種修改和變型，在任何情況下，所有這些修改和變型被權利要求確定的本發(fā)明的保護范圍覆蓋。
權利要求
1.用于化合物的非均相合成的反應器，特別是用于甲醇的非均相合成的反應器，包括由各個底部(14，16)在相對端封閉的基本上圓筒形的外殼(12)；至少一個第一絕熱催化床(25，26，27)，所述第一絕熱催化床(25，26，27)具有基本上環(huán)形斷面，同軸地支撐在所述外殼(12)內部、所述外殼的上部(20)中，所述至少一個催化床(25，26，27)具有用于試劑氣體或用于反應混合物的入口側(25a，26a，27a)；和用于反應混合物的出口側(25b，26b，27b)；第二擬等溫催化床(31)，所述第二擬等溫催化床(31)具有基本上環(huán)形斷面，支撐在所述外殼(12)內部、所述外殼的下部(21)中，相對于所述至少一個第一催化床且距所述至少一個第一催化床預定距離同軸地定位，所述第二催化床具有用于來自所述至少一個催化床(25，26，27)的反應混合物的入口側；和用于氣態(tài)反應產品的出口側；多個熱交換器(45)，所述多個熱交換器(45)支撐和分布在所述第二催化床(31)的各個環(huán)形部分中，熱交換器工作流體在所述熱交換器(45)內流動。
2.根據(jù)權利要求1所述的反應器，其中所述至少一個第一催化床包括串聯(lián)布置的多個第一催化床(25，26，27)，所述反應器還包括直接熱交換裝置(35，36)，所述直接熱交換裝置(35，36)被支撐在所述外殼(12)內部并布置在所述第一催化床(25，26，27)之間，以進行冷卻流體與來自各個第一催化床(25，26)的反應混合物之間的直接熱交換。
3.根據(jù)權利要求2所述的反應器，其中所述第一催化床(25，26，27)彼此相距預定距離布置，以便在它們之間確定空的空間(41，42)，并且其中所述直接熱交換裝置(35，36)被布置在所述第一催化床(25，26，27)之間的所述空的空間(41，42)中。
4.根據(jù)權利要求3所述的反應器，其中所述直接熱交換裝置(35，36)包括所述冷卻流體穿過且配置有多個孔的至少一根管，所述至少一根管優(yōu)選為螺旋管狀或環(huán)狀，以采用均勻的方式將預定量的所述冷卻流體與來自上游各個催化床(25，26)的反應混合物混合。
5.根據(jù)前述權利要求中的任意一項所述的反應器，其中所述多個熱交換器(45)為平板類型或板類型、盒子狀和基本上矩形形狀。
6.根據(jù)權利要求5所述的反應器，其中所述熱交換器(45)分別與工作流體分配器管(46)和用于所述工作流體的出口管(47)流體連通。
7.根據(jù)權利要求6所述的反應器，其中用于所述工作流體的所述出口管(47)與歧管(48)流體連通，以將所述工作流體供應到所述至少一個第一催化床(25)之上和上方。
8.根據(jù)權利要求7所述的反應器，其中所述歧管(48)形狀為基本上圓筒形、定位在所述反應器中央且與所述外殼(12)同軸；所述歧管(48)穿過所述第二催化床(31)和所述至少一個第一催化床(25，26，27)。
9.根據(jù)權利要求7所述的反應器，其中所述歧管(48)與定位在所述至少一個第一催化床(25)上方的分配器(50)流體連通。
全文摘要
用于化合物的非均相合成的反應器，特別是用于甲醇的非均相合成的反應器，包括外殼(12)；第一絕熱催化床(25，26，27)，所述催化床具有用于試劑氣體或用于反應混合物的入口側(25a，26a，27a)；和用于反應混合物的出口側(25b，26b，27b)；第二擬等溫催化床(31)，所述第二擬等溫催化床(31)相對于所述第一催化床且距所述第一催化床預定距離同軸地定位，所述第二催化床具有用于來自所述催化床的反應混合物的入口側；和用于氣態(tài)反應產品的出口側；和多個熱交換器(45)，所述多個熱交換器(45)支撐和分布在所述第二催化床(31)的各個環(huán)形部分中，熱交換器工作流體在所述熱交換器內流動。
文檔編號B01J8/04GK1846842SQ200610068310
公開日2006年10月18日 申請日期2006年3月29日 優(yōu)先權日2005年4月1日
發(fā)明者厄門諾·費利皮, 恩里科·雷資, 米爾科·塔勞佐 申請人:卡薩爾甲醇公司