專利名稱：在有外部中間調(diào)溫的多級反應區(qū)中進行加壓化學反應的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于在一個帶有外部中間調(diào)溫的多級反應區(qū)中，在至少有一種固體催化劑的存在下，由反應流體于壓力下進行化學反應的一種方法。它也是關于使用此方法的反應器和此反應器和方法的應用。
本發(fā)明特別適用于合成甲醇、氨以及催化重整、汽油穩(wěn)定加氫和重石油餾份加氫裂化。
本發(fā)明更普遍地用于所有多相催化方法中，其中的流體反應物，或是液體、或是氣體、或者一些是液體和另外一些是氣體，將之通入連續(xù)的幾個催化床中進行反應，催化床由粒狀的、細粒狀的、球狀的或其它結構更復雜或更簡單的而加工成的固體成分組成。
所涉及的反應經(jīng)常生成反應熱，需要用外部介質(zhì)經(jīng)過一次或多次中間溫度調(diào)節(jié)。
在要進行反應熱大的化學反應時，眾所周知的是要進行多步反應，每步之后進行一次中間溫度調(diào)節(jié)。
因此，在汽油催化重整中，例如(法國專利2160269-美國專利4210519-美國專利4233268)，通常用由兩個外部加熱爐分開的三個固體催化劑床的反應器。
這類多級反應器在設備、管道和安裝空間方面費用大。
因此經(jīng)常提出將各種不同的反應器集中在一個獨特的反應器中，容器壁經(jīng)過計算能很好地耐受系統(tǒng)中相對高的內(nèi)部壓力。
在這種解決方法中，固體催化劑床均垂直重疊放并且或是放在支撐柵上或是直接放在水平隔板上(法國專利A-2·573·996)。
這些柵架和隔板應當一方面支撐催化床的重量，另一方面支撐由于反應流體循環(huán)通過傳熱設備和催化床本身產(chǎn)生的壓降造成的應力。
加上這兩種應力的結果使負荷特別高，每平方米為50至100甚至150噸，而工業(yè)用板規(guī)格限制在大約每平方米0.5～1噸。
為了避免這些應力累積，不論從支撐的工字鋼重量的觀點還是消滅死空間的觀點應力累積使得用強制的機械解決辦法，特別是甲醇反應器(HydrocarbonProcessing，1984年5月第95～100頁)，已經(jīng)提出重疊，也不是軸向的而是徑向反應器，其中催化劑放在一個甚至幾個中空的園柱形容器中，反應流體或是以離心方式由內(nèi)部園柱體水平流向外部園柱體，或是以向心方式由外部園柱體流向內(nèi)部園柱體。
這種解決的方法優(yōu)點是消除了隔板由于反應流體循環(huán)造成的應力負荷，相反地，缺點是保留了許多死空間，特別是一個空中心，英國專利1140071介紹用熱交換器將其填滿。
美國專利4225562強調(diào)指出這種解決方法的缺點，造成難以很好地對準兩個園柱體的中心限定固體催化劑的環(huán)。由于這種偏心，造成流體束行程中的不均勻性，特別不利于很好地進行基本反應，并且造成溫度過高危及催化劑的穩(wěn)定性。
另外的一個缺點是必須裝入或排出催化的園柱體。為此，可以裝一些直徑與反應器相同的法蘭，但是這種解決方法在加壓操作和反應器大時也不是好辦法。因此建議將通常為半球形的封頭焊在園柱體上，但是為了排出催化劑，需要每次鋸開所述的封頭取出園柱體，并在反應器裝好料之后再焊上。這種操作時間長、難進行、每次都要經(jīng)管理部門同意和監(jiān)督。
另外，美國專利4225562介紹考慮與容器的軸平行安裝的平行六面體的間隔，所有間隔有相同的斷面和同樣的體積。
這種設備最好地利用了大部份有效的空間。除了機械復雜和設備費用大之外，體積相同的間隔統(tǒng)一化使所采用催化劑的量不能適應反應速度的變化。因此，此專利只能用于進行或者是只在動力學上能說明問題的一級反應或者是進行其反應速度不隨轉化率而變化的反應(即零級反應)的反應器。關于各種形式的徑向隔板反應器，可以指出美國專利3898049提出的裝置，其中催化的園柱體分裝在縱向分隔的幾個區(qū)域內(nèi)。反應流體沿反應容器的縱向軸交替地由上至下和由下至上，順序流經(jīng)這些區(qū)域。不難懂得所提的這種設備只能適用于一些非常特殊的情況，在這些特殊的情況下行程的長度和壓降都不大，因為與同樣高度的軸向反應器相比，更不必說與徑向反應器相比，流體行程大大延長，而且與含有園柱體的區(qū)域的數(shù)目成比例。
另外，已有技術是英國專利2，120，119介紹的，此專利敘述了一種進行氣相化學合成用的縱向反應器。這種反應器包括一些平行六面體容器，在其中按反應器軸裝有催化劑，形成這些容器的相對的隔板是可以滲透的，原料通過它進行循環(huán)。流出物可以在內(nèi)部通過急冷冷卻，這限制了內(nèi)部可使用的空間。
法國專利-A-2573996也介紹一種合成氨和甲醇用的獨一間隔室的無內(nèi)部熱交換器的催化反應器，由于空氣墊的存在其壁溫保持在不太高的水平上。
最后，西德專利-A-2929300介紹了一種在可變部份的催化區(qū)中軸向流動的一種換熱反應器，這些區(qū)是不相聯(lián)的。
本發(fā)明的一個主要目的是提出一種方法和一個帶有外部中間調(diào)溫的耐壓的多級反應器，它們沒有上述的缺點。本發(fā)明的目的特別是提出一種經(jīng)濟的、易于制造和容易加入和排出催化劑的反應器。
另一目的是制造一種反應器，其中所有可以使用的體積均可以裝滿催化劑。
本發(fā)明的另一個目的是可以保證很好地控制流體通過催化床的速度分布，這樣就避免了局部過熱，必然不會使催化劑失活和縮短使用時間以及攪亂反應進展的程度。
在下邊的敘述中，可以看到本發(fā)明的其它目的和新的優(yōu)點。更具體地說，本發(fā)明是關于一種在一個反應區(qū)中于壓力下進行多種化學反應的方法，反應區(qū)至少有兩個間隔室，各自至少部份地含有至少一種固體催化劑，使反應流體至少通入一個間隔室中，在所述的間隔室中循環(huán)所述的反應流體，由所述的間隔室回收第一批流出物，在反應區(qū)外部使第一批流出物和外部熱交換介質(zhì)之間進行熱交換，然后將所述的進行過熱交換的第一批流出物至少通入一個后邊的間隔室中，使所述的第一批流出物在所述的后邊的間隔室中循環(huán)，并由所述的后邊的間隔室中回收第二批反應流出物，所述反應區(qū)是長形的并且至少有一個構成反應器壁的外殼，所述的確定封閉的斷面的外殼位于斷開所述反應器壁平面中，此法特征在于將所述的反應流體或所述的反應流出物在所述的間隔室中以明顯地與所述反應器壁相垂直的方式橫向地循環(huán)，所述的間隔室沿所述反應器壁呈延長形式和密封的，各個所述的間隔室與另一個或另外兩個其它的間隔室相鄰，每組兩個相鄰的間隔室有一個中間分界共有的或共有壁或者是明顯地平行于所述反應器壁或者明顯地傾斜于所述反應器壁。
在這些條件下，本反應器表明在裝料和壓降程度之間呈現(xiàn)很好的折中，而且也可以使流體在催化床中能有規(guī)則地流動。
反應器可以有包括一些與另一些在同一方向交錯排列的斷面的一個壁代替連續(xù)傾斜的分界共有壁，每個斷面都是平行于反應器壁的但是整體是一個傾斜壁的等效體。
所有這些壁的斷面之間是相聯(lián)的，這樣對于流體講是密封的。這種特征表現(xiàn)出有利于改變反應器中催化床的厚度，以改進流體在全部催化物質(zhì)中的分布。
反應器最好是園底園柱形。
各個間隔室和各個分界共有壁的長度明顯為反應區(qū)的長度，間隔室的斷面可以明顯地內(nèi)接入外殼的斷面中。
當反應區(qū)(外殼的斷面)是有利地園形時，間隔室的斷面可以內(nèi)接入由外殼斷面確定的園中或者同軸園中。
所有的間隔室均按流體動力學隔開的和密封的，這樣在各個間隔室之間在反應區(qū)內(nèi)部不管用什么壁都沒有任何可能相通。流體或反應流出物通常經(jīng)過與在間隔室內(nèi)部分配區(qū)相聯(lián)連的一個入口滲入間隔室中，經(jīng)橫向穿過整個催化床之后通過一個通常位于分配區(qū)相對位置的內(nèi)部收集區(qū)相聯(lián)的出口由間隔室出來。
間隔室的數(shù)目和中間熱交換的數(shù)目均按品種情況而異。間隔室的斷面和/或者體積可以相同或者不同，而且有利地決定于要進行的過程的參數(shù)和應力例如反應速度隨轉化進展程度而變化。
本發(fā)明同樣是關于實施本方法用的設備。
最普遍地它包括-一個能至少裝一種催化劑的反應器，有一個同時為反應器壁的基本上為園柱形的外殼，并且有第一、第二密封頭。
-在所述的反應器中至少有兩個相鄰的密封間隔室，沿所述反應器壁呈長形，每兩個相鄰的間隔室組有一個分界或公有壁，或者是明顯地平行于所述反應器壁，或者明顯地傾斜于所述反應器壁，各間隔室另外還至少有一個使反應流體或反應流出物進入所述間隔室中的設備，和至少有一個使穿過所述間隔室的反應流出物排出設備，所述的進入和排出設備均通過所述的外殼與反應器外部相通。
-各間隔室中至少有一個分配設備用于使反應流體和反應流出物以明顯地垂直于所述反應器壁的方式，在各個間隔室中橫向分配，并且與所述的進入設備相聯(lián)。
-至少一個由與所述的間隔室的出口設備相聯(lián)的各個間隔室收集反應流出物的設備，和-至少一個在所述由一個間隔室排出反應流出物的設備和所述的進入后邊的間隔室中反應流出物的設備之間安裝的熱交換設備。
根據(jù)另一種實現(xiàn)方法，另一種傳熱或熱交換方法是，用氣體和最好是流體或者新鮮的和相對冷的反應流出物進行混合，使至少從一個間隔室的出口處流出和在送入下一個間隔室中之前的流出物冷卻，其優(yōu)點是取消了一個或幾個熱交換器。為此，反應器通常有通入這種用于淬火(或者“急冷”)的氣體的設備，這些設備可以在反應器內(nèi)部或者最好在外部。
長形的，最好明顯為園柱形的反應區(qū)或反應容器，在長的方向，更有利的是按明顯平行于反應器壁的方向，通常用一些密封的隔板分成幾個間隔室，它們可直接與容器的外殼相聯(lián)。根據(jù)反應器壁確定的密封隔板的長度通常等于反應器的長度。
這樣確定的間隔室，預先裝滿固體催化劑，隨后通過反應流體(或者氣體、或者液體或者氣液混合物)。
流體以及更明確地說反應流出物，在一個間隔室的催化床上部份反應之后，由容器出來，穿過傳熱設備使之調(diào)節(jié)到適當?shù)臏囟?，又進入容器以進行下一個催化階段。各個間隔室的容積通常進行調(diào)整以便在各個間隔室中間隔室的進、出口之間溫度變化在1～200℃左右，最好為5～150℃。
流體這樣經(jīng)過造成壓降并在容器中的間隔室之間造成壓差。這些動態(tài)壓差對間隔室壁可以產(chǎn)生相當大的機械應力，使金屬的厚度難以承受。
各種間隔室的中間分界共有壁可以是支撐的，垂直的或者傾斜的平板，或者更有利的是一些曲線形的、自承重的板。更為有利的是它們可以是明顯地平行于反應區(qū)的壁。
當壁板是平的和用作支撐物時，最好支撐物是明顯地垂直于壁板平面的拉力構件，它一方面與隔板相聯(lián)，另一方面與反應容器壁相聯(lián)。
當壁板為自承重形式時，最好它們包括或者是一些成型板組裝件，或是一些園柱斷面，其延伸體的壁明顯地平行于反應器壁而且其底部或者為半徑為反應容器的0.1～100倍，最好為0.5～50倍的園弧，或者為二次曲線部份如拋物線、雙曲線或者橢園形。
將反應流體或反應流出物通入裝滿固體催化劑組份的間隔室內(nèi)，并且用構成分配區(qū)的分配器使之分布并通過催化物質(zhì)。
這樣形成的流體流束在通過催化床之后集中并將之引向出口，通常因為收集器位于分配器對面，從而構成收集區(qū)。
分配器和收集器安置的方法是，反應流體(和流出物)不在反應區(qū)縱向循環(huán)，這會使流體的行程和造成的壓降明顯延長和增大，而是橫向地以垂直于構成容器的園柱體軸的方式循環(huán)。流體通過催化床的全部行程由切線到切線通常可以低于外殼或反應區(qū)園柱形壁長度L的兩倍，最好低于或等于同一長度L的一倍(見下邊

圖16)。
為此，分配器和收集器可以由一些管子組成，其斷面或者是一些園的、園扇形的、多邊形的斷面或平面，或者也可以是一些通常稱為“扇貝形”的斷面。斷面的面積可以隨著通到其水平的流體量沿反應器壁變化。
管子可以平行于反應器壁，或者傾斜于反應器壁。
流體或反應流出物的進入或排出設備可以安置在各個間隔室上的任何地方。它們按以下方式安裝有利，即進入設備明顯地位于反應器(或間隔室)的一端的同一水平面上，而出口設備則明顯地位于另外一端的同一水平面上。根據(jù)這種實現(xiàn)方法，在間隔室中進口處分配管的斷面最好超過間隔室另一端同一的分配管的斷面，以使得在進口同一水平面上氣體流量較大，相反地收集管的斷面在這一入口的同一水平面處比較小有利，因為在這同一水平面上收集的氣體流量比間隔室的出口端同一收集管的小。
這種布置可以保持在分配器和收集器的所有點氣體速度恒定，這也使得間隔室的催化劑裝填量最佳化。
為了達到這一目的，根據(jù)一種特殊的實現(xiàn)方法，分配器和收集器壁在面對催化床的部份可以或者包括一個明顯平行于反應器壁的分配和收集(例如柵)的斷面，或者至少一個明顯地傾斜于所述反應器壁的分配和收集斷面，這些分配和收集斷面各自在同一方向一個與另一個交錯排列，為了是使流體通過恒定厚度的催化床。
分配器的數(shù)目可以超過或低于收集器的數(shù)目。最好，分配器的數(shù)目與收集器的數(shù)目相同，這可以使氣體流速分布良好。
當一個間隔室的分配器和收集器數(shù)目減少到等于或低于3時，它們可以安置對著容器壁在容器壁和中間分界共有壁之間的接合處附近。對于處理低流量來講，這種解決方法特別引人注意，而且使用也非常簡單。流體和反應流出物循環(huán)因而明顯地平行于中間分界共有壁。
最好，當分配器或收集器數(shù)目等于或超過4時，它們沿中間分界共有的壁分布，如有必要時，安置在與這些同樣的中間分界共有的壁相對的容器壁上。這種布置可以處理大流量流體和反應流出物。規(guī)定流體和反應流出物以明顯垂直于間隔室中間分界共有的密封壁的方式循環(huán)。為了分配和或收集反應流體，分配器和收集器可以或者打一些孔，或者由包括一些由金屬絲形成孔的柵組成，或者是交叉的，或者是平行的，并可研究其型面使之最大限度地有利于流體流動。
在某些間隔室中，流束由分配器到收集器的平均行程，或者分配器和收集器之間的距離，由一個分配器到另一個是相同的，但是流束的平均行程由一個分配器到另一個可以有變化。
最好，在催化床上分配器和收集器(面對催化床)的開口斷面隨著與這些元件有關的，即與分配器-收集器(面對的)距離有關的平均行程長度而變化。
這些不同的特征以及綜合構成本發(fā)明部份的其它部份在下邊的敘述中將更充分地加以敘述。
根據(jù)一種現(xiàn)實方法，反應流體和流出物可以明顯地平行于限定兩個相鄰的間隔室的中間分界共有壁，當在不同的間隔室內(nèi)之催化劑體積明顯地是同一等級時，是有利的。
根據(jù)本方法的另一種實現(xiàn)方法，當分配器或收集器位于所述的壁上時，可以以明顯垂直于所述的壁的方式進行循環(huán)。
當在不同間隔室中的催化劑體積很不同時，這種實現(xiàn)方法特別有利。
在間隔室中流體的速度通常為1～200米/秒，最好為5～100米/秒，當然這取決于反應和所選定的操作條件。在不同的間隔室中流體的溫度通常100～800℃，最好是200～600℃之間。
通過實例和各圖以圖示的形式說明本設備和方法，而非對之加以限制，這將會更好地理解本發(fā)明，而其優(yōu)點也是顯而易見，其中-圖1a、1b、1c和1d表示實現(xiàn)本發(fā)明的方法及反應器的各種方法。
-圖2、3、4、5和6表示各種類型的密封中間分界共有壁，-圖7、8、9、10、11、12和13表示各種類型的分配器和收集器和流體與反應流出物的各種循環(huán)方法，-圖14和15表示沿AA和BB明顯地在反應器各端同一水平面上的部分橫斷面，和-圖16表示反應器的縱切面。
在圖1a、1b、1c和1d中，用附有字母a、b、c、和d的同樣標準表示本發(fā)明的同樣的設備元件。
作為實例，用本發(fā)明的設備(圖1a)合成甲醇時，在裝有“AppliedIndustrialCatalysis”(第二卷、第6章，第226頁及以后各頁)一書中所述類型的催化劑的反應器2a頂部由進入管通入主要含氫、氧化碳的混合物。
包括一個園柱形斷面的外殼10和在兩頭用橢園形的底或者最好用半球形的底、封閉的園底的垂直的園柱體(圖16、30和31)的反應器2用兩個平整的密封的內(nèi)壁分成內(nèi)部不相通的，體積分別加大的V1＜V2＜V3三個間隔室201a、202a、和203a，所述的壁可以例如焊在外殼10和已安置好的底30和31上，明顯地平行于反應器201a的壁。
催化劑由反應器頂加入各個間隔室中。間隔室的斷面整體內(nèi)接在園底的外殼10中。
預先調(diào)至8兆帕(MPa)壓力和大約250℃的反應流體用至少一個通常面對收集器分散在外壁四周的有小孔開口12的分配器20(圖8)。以明顯平行于中間分界共有壁的方式通入間隔室201a中。在間隔室中，與催化劑11接觸，氫與碳的氧化物結合，根據(jù)下式，生成甲醇
反應(1)和(2)是放熱的，并且陸續(xù)進行轉化，流體或者反應流出物的溫度升高。
當反應流體的溫度升高達到20～60℃時，相當于氣體中存在大約1～3%(體積)的甲醇，用至少一個有小孔開口的(圖8)或者帶柵12的收集器21取出甲醇，用位于底部中的管子3a送到本身已眾所周知的傳熱設備4a，例如一個外部致冷器，使之在進入201a時明顯地達到其開始時的溫度。可將至少一部份反應流體或者冷流出物的通過設備4f管道，引向后邊的間隔室邊，由于有一些進行淬火，來代替在4a上的熱交換。
氣體混合物由冷卻器4a經(jīng)過管子5a引到反應器2a的頂部，在那里用至少一個分配器22通入與間隔室201a對稱相對的間隔室202a中，冷卻器4a可以是一個強制通風冷卻器，或者是一個回收熱量的預熱器，例如回收全部或部份原料或所產(chǎn)生的熱水或高壓水蒸汽的熱量。
當由于反應，氣體溫度與其進入溫度相比重新由20℃升至60℃時，反應流出物重新經(jīng)過至少一個收集器23，被從反應器底部取出，用管道6a引到冷卻器7a中，使之重新調(diào)整到最初的最佳溫度。流體由7a取道管道8a到反應器的頂部而后至少經(jīng)一個分配器24流到反應器2a的間隔室203a中。
在203a出口處，最后含有2～12%(體積)甲醇的混合物在反應器底部由收集器25和管道9a送至合成醇的冷凝和凈化裝置。
根據(jù)圖1a，明顯地以垂直于反應器壁和平行于中間分界共有壁的方式將流體和反應流出物橫向循環(huán)。
間隔室201a、202a、203a可以與占據(jù)中心位置的間隔室202a并排地安置。這種順序減小了在中間分界共有壁201a、211a上由于壓差產(chǎn)生的應力。
比較好的安置是最后一個間隔室203a(圖1a)相對于前兩個201a和202a來講占據(jù)中心位置。
事實上，對比研究表明由最佳化有效利用空間的觀點來看，這是最有利的安置方法。
在上邊的敘述中(圖1a)，反應器2a是以垂直的方式安置的。
當受地區(qū)條件所迫時，例如土地松軟和不太堅固時，根據(jù)另一種實現(xiàn)方法，反應器2可以水平安置，如圖1b所示。
在這一種可供選擇的方案中，最好，管道1b、3b、5b、6b、8b和9b均放置成為使反應流體以明顯地平行于中間分界共有壁并且由上往下循環(huán)，這就避免了由于催化劑顆粒吹起造成催化床不穩(wěn)定的危險。
在說明另外一種實現(xiàn)方法的圖1c中，介紹了一種吸熱的汽油催化重整用的反應系統(tǒng)。此圖同時說明了一個例子，其中流體和反應流出物在間隔室201c和202c中，垂直于壁210c、211c進行循環(huán)，而在間隔室203c中，平行于上述的壁進行循環(huán)。
石腦油蒸氣和循環(huán)的氫氣在管道1c中循環(huán)。氣體和石腦油蒸氣的混合物在0.5～3兆帕下預先調(diào)節(jié)到大約500～530℃。在反應器2c的間隔室201c中，可能是將鉑置于酸性載體上并且加有其它各種貴金屬例如錸的鉑重整催化劑使石腦油基本上進行脫氫反應，這使反應流體的溫度大量下降至大約450～480℃。將這種流體由201c取出，用管道3c通到外邊的爐子4c上，爐子4c本身眾所周知的，再將流體重新升溫到大約500℃。
然后，流體經(jīng)管道5c送到間隔室202c中。在間隔室202c中，在脫氫反應中增加了分子重排反應，溫度下降很少。
當溫度下降約10～30℃時，流體由第二個間隔室202c出來并且在爐子7c中重新加熱到500℃。
第三個間隔室203c實際上是等溫的。實際上，在脫氫和分子重排反應中還增加了放熱的加氫反應，其反應熱實際上確切地講補償了重整的熱量。
根據(jù)圖1a、1b和1c本發(fā)明的方法可用于如下的各種反應器，其中不同的間隔室可以串聯(lián)連接構成從文字上講有動力學含義的連續(xù)級。
它們同樣適用于多級反應器，其某些間隔室可以平行相連接(圖1d)構成或者第一或者最后的反應級整體。
這種特殊的實現(xiàn)方法在某些情況下，特別是合成氨時可能有利。
實際上，已知目前可以在相對緩和的條件下(壓力約10兆帕，溫度大約400℃)進行這種合成，而且在這些條件下，不再需要雙外殼來冷卻反應容器的外壁。
相反地，對于這些稱之為“熱壁反應器”的非冷卻壁的反應器，經(jīng)常提出由于氣體通過催化床時體積流量大造成壓降的問題。
在臨界處將氣體流量一分為二就可以解決這個困難。
在圖1d上，介紹了根據(jù)本發(fā)明方法實現(xiàn)的合成氨反應器圖。
含有約25%氮、75%氫、微量氨和氬(＜5%)的混合物在大約10兆帕和350～400℃下，通入管道1d。管道1d由管1d1和管1d2延長，將這種氣體通入兩個間隔室201d1和201d2中，201d1和201d2體積相同，斷面相同，而且相對于構成反應體積的園柱體的軸來講對稱地安置比較有利。
由于這種并聯(lián)，第一催化級的體積盡管相對于合成氣的體積流量來講較小，最后，氣體通過的阻力也不大。
在平行的間隔室201d1和202d2的出口，合成氣含有大約4～7%氨，其溫度升高到大約40～60℃。
氣體流量由管子3d1和3d2通到管3d到熱回收交換器4d中。
在熱交換器4d出口，冷卻到最佳溫度約300～400℃的氣體由管道5d通到反應器2d的中心間隔室202d中。
含約8～14%(體積)的氨，并且大約為400～450℃，約10兆帕的反應器2d的氣體流出物，用管道6d送到位于反應區(qū)下部的調(diào)節(jié)和回收氨的裝置中。
在所述的反應器中(圖1a、1b、1c)，隔板210～211如果卸下直接放在容器壁上的催化劑重量，此時一般可耐受由于中間分界共有的間隔室一方為201～203和另一方為203～202之間的壓差引起的推力。
由于通過催化床和傳熱設備的壓降造成的壓差為0.1～0.4兆帕，在有加熱爐例如在重整時，甚至可能達到1兆帕。
在圖1a表示的合成甲醇的反應器的例子中，例如3200毫米寬和20毫米厚的壁210a預料可耐0.3兆帕的壓差。
當使用與這些壁平面平行的支撐系統(tǒng)時，可以用1-1EM400型工字鋼例如分布在所有的500毫米處(圖2)用垂直的支撐系統(tǒng)，可以用例如一些直徑25毫米的拉力構件，按每邊500毫米的方格形結構布置，拉力構件一方面與隔板210相連，另一方面與反應容器壁10相連(圖3)。
帶有相對體積較大并且難以安裝的支撐系統(tǒng)的平整的壁，可以用簡單的但是具有專門研究過的形式的壁代替，而且這種形式使之能單獨耐壓力。當采用自承重形式時，特別是可以用同樣厚度的型材，例如圖4所示類型的210a(20毫米)平整的壁的形式，其高度例如可以為300毫米，間距395毫米。
圖5和圖6表示本發(fā)明的凸向和凹向間隔室201和202的另一種自承重形式，也可以將這些不同的形式結合使用。這些形式比在圖4中表示的形式更好，因為它們有利于這些壁和反應器園柱體壁之間的聯(lián)接。
壁210、211均為園柱體的斷面，其反應器壁明顯地平行于反應容器的壁體，而且其底均為園弧，園弧半徑為反應容器的0.1～100倍，最好為0.5～50倍。
在根據(jù)本發(fā)明的反應器中，反應流體以垂直于容器壁體的方式橫向循環(huán)。為此，分配器20、22、24和收集器21、23、25最好是由明顯地平行于這個反應器壁的管道構成，管道開口12通常朝催化床的方向分布在它們的壁的四周。
最好，分配管道20、22、24和/或收集管道21、23、25的斷面能采取圖中所示的形式，或者是園的斷面(圖7)，或者在反應壁和中間分界共有的分隔壁之間聯(lián)接處形成的封閉的和用一個平面封閉的(圖8)或者在園底處用一塊園柱體封閉的(圖9)斷面;這樣流體以明顯地平行于中間分界共有壁的方式循環(huán)。
當分配器的總斷面或者收集器總斷面超過催化劑保留的斷面10%，最好20%時，分配器20、22、24和收集器21、23、25最好是由明顯平行而且沿中間分界共有壁210和需要時沿對面的反應容器壁211分布的多管道構成的;循環(huán)明顯地垂直于中間分界共有壁進行。
橫斷的第一間隔20a、20b、20c……，橫斷的第二間隔22a、22b、22c……以及橫斷第三間隔24a、24b、24c的這些不同的分配管道，以及分別屬于第一、第二和第三間隔的21a、21b、21c、……，23a、23b、23c……，25a、25b、25c收集管道可以具有園的斷面(圖10)或者多邊形，例如三角形(圖12)，方形或矩形(圖11)的形式。同樣圖11說明分配器24的數(shù)目少于收集器25……的情況。也完全可以很好地實現(xiàn)一種收集器數(shù)目比分配器少的反應器。
圖13表示另一種分配器和收集器的實現(xiàn)方法，或者靠著外殼呈園弧形20、22，或者是平的21、22、24、25靠分界共有壁210和211。
根據(jù)各種實現(xiàn)方法，開口12的較大斷面補償了分配器或收集器數(shù)目較少。
通入和收集流體的開口12可以是任何形式的，例如園形的，而且它們的面積與每對分配器-收集器相應的平均行程成比例，有利于減少氣流優(yōu)先通過。
如表示分配和收集設備實現(xiàn)方式的圖14、15和16所示，圖1a的管道1a明顯地位于反應器一端30或者第一間隔室201a的水平上，而出口管3a明顯地位于反應器另一端31或者第一間隔室的水平上。分配管的斷面，例如20，在201a間隔室中處于端30的水平上(圖14斷面AA)，大于在端31水平上的分配管斷面20(圖15斷面BB)而在端30水平上的收集管的斷面則小于在端31水平上的收集管21。對于其它間隔室的分配管22、24和收集管23、25的斷面(圖14、15)也屬同樣的情況。根據(jù)以特殊方式說明這種實現(xiàn)方法的圖16，分配器20和收集器21壁面對催化床，可以包括明顯地平行于反應器壁的在同一個方向一些與另一些交錯排列的斷面(例如孔柵12)。因而流體穿過的床的厚度與反應器長度相同，而且所述的壁全部傾斜于反應器壁。
通常可以由反應器頂上至少一個開口32和最好由每個間隔室至少一個開口加入催化劑。在有垂直的中間分界共有壁210b和211b(圖1b)的水平反應器的情況下，由通常垂直安置在反應器外殼上各個間隔室的開口加入催化劑。
通常至少用一個排出口33和最好由各個間隔室中至少一個開口從底部排料。這些加料和排料都容易實現(xiàn)而且長期不移動反應器。
反應器壁(外殼壁和/或中間分界共有壁)可以是絕熱的。可以通入加熱或冷卻的中間流體。特別是于相鄰的間隔室中間分界共有壁的隔板中使之在這些壁內(nèi)循環(huán)。
在上邊圖中，為了清楚，只介紹了一種三間隔室的反應器和兩種傳熱設備。顯然，根據(jù)本發(fā)明可以制造有多間隔室(如3～10個)和有多種中間傳熱設備的反應器。
權利要求
1.在一個以園斷面為基礎的至少有兩個間隔室，各間隔室至少部份地裝有一種固體催化劑的園柱形反應器中，于壓力下進行化學反應的方法，其中將反應流體通入至少一個間隔室中，將所述反應流體在所述間隔室中進行循環(huán)，由所述間隔室回收第一批反應流出物，在反應區(qū)外部，使第一批流出物和外部熱交換介質(zhì)之間進行熱交換，然后將熱交換過的第一批流出物通入至少一個后邊的間隔室中，在所述的后邊的間隔室中循環(huán)所述第一批流出物并由所述的后邊的間隔室回收第二批反應流出物，所述反應區(qū)是長形的并且有帶有至少一個反應器壁的外殼，確定一個封閉斷面位于所述的斷面上的所述外殼，本方法的特征在于，將所述反應流體或所述反應流出物在所述間隔室中以明顯垂直于所述反應器壁的方式循環(huán)，所述間隔室是沿所述反應器壁延長的形式和密封的，所述各個間隔室與一個或兩個其它間隔室相鄰，各組相鄰的兩個間隔室有一個共有的壁或中間分界共有的壁，或是明顯平行于反應器壁，或是明顯傾斜于所述反應器壁。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中將反應流體通入第一間隔室中和反應流出物通過至少一個分配區(qū)通入除了最后一個間隔室外的一個或多個其它的間隔室中，并且在所述流體或所述流出物經(jīng)過催化劑之后通過至少一個收集區(qū)將一種或多種反應流出物回收。
3.根據(jù)權利要求1和2中一項的方法，其中將所述反應流出物與相對冷的氣體混合進行熱交換。
4.根據(jù)權利要求1至3中任何一項的方法，其中將所述流體和所述流出物在所述間隔室中以在反應區(qū)中整個行程低于所述反應區(qū)長度L的二倍的方式循環(huán)。
5.根據(jù)權利要求1～4中任何一項的方法，其中將反應流體和反應流出物以明顯平行于所述中間分界共有壁的方式循環(huán)。
6.根據(jù)權利要求1～5中任何一項的方法，其中將反應流體和反應流出物以明顯垂直于所述中間分界共有壁的方式循環(huán)。
7.根據(jù)權利要求1～6中任何一項的方法，其中反應區(qū)是水平的。
8.根據(jù)權利要求1至7中任何一項的方法，其中反應區(qū)是垂直的。
9.根據(jù)權利要求7的方法，其中將反應流體和反應流出物由上至下在所述間隔室中循環(huán)。
10.根據(jù)權利要求1～9中任何一項的方法，其中反應區(qū)至少包括3個間隔室，而且其中將反應流體平行地在兩個間隔室中循環(huán)。
11.根據(jù)權利要求1～9中任何一項的方法，其中將反應流體然后是反應流出物在體積越來越大的連續(xù)的間隔室中循環(huán)。
12.根據(jù)權利要求1～9中任何一項，其中將反應流體和/或反應流出物在串聯(lián)的各間隔室中循環(huán)。
13.根據(jù)權利要求1～12中任何一項的方法，其中氣體速度為1米/秒至200米/秒之間。
14.為了使用根據(jù)權利要求1～13中任何一項的方法的設備，其特征在于它包括-適于裝有至少一種催化劑的一個反應器(2)，有由至少一個構成該反應器的壁確定的基本為園柱形的外殼，還包括第一和第二密封端(30、31)，-在所述的反應器中，按所述反應器壁至少有兩個長形的，密封的相鄰的間隔室(201、203)，每組相鄰的兩個間隔室包括一個中間分界共有壁(201)或者或是明顯平行于所述反應器壁的，或是明顯傾斜于所述反應器壁的共有的壁，各個間隔室另外至少有一個反應流體或反應流出物進入所述間隔室的設備(1)和至少一個通過所述間隔室的反應流出物排出設備(3)，所述的進入和排出設備都通過所述外殼(10)與反應器外部相通，-在各個間隔室中至少一個分配設備(20)以明顯垂直于所述反應器壁的方式將反應流體和反應流出物橫向分配到各個間隔室中，并與進入設備相聯(lián)，-至少一個與所述間隔室排出設備相聯(lián)的，由各個間隔室收集反應流出物的設備(21)，和-至少一個安置在一個間隔室的反應流出物的所述排出設備(3)和反應流出物進入后邊間隔室(203)中的進入設備(8)之間的傳熱設備(4)。
15.根據(jù)權利要求14的設備，其中所述間隔室一些斷面處于基本上為園柱形的反應器外殼中。
16.根據(jù)權利要求14和15中一項的設備，其中反應器外殼(10)有園形斷面的底。
17.根據(jù)權利要求14～16中一項的設備，其中所述的中間分界共有壁(210)有一些支撐平壁板。
18.根據(jù)權利要求14～16中一項的設備，其中所述的中間分界共有壁(210)包括一些自承重曲線形的壁板。
19.根據(jù)權利要求18的設備，其中曲線形自承重形式的平壁板有一個或是園弧形其半徑為反應器的0.1至100倍，或是呈二次曲線部份的底。
20.根據(jù)權利要求14～19中任何一項的設備，其中所述分配設備和所述收集設備均以明顯平行于所述反應器壁的形式安置在各個間隔室中。
21.根據(jù)權利要求14～20中任何一項的設備，其中所述的進入(1)和排出(3)設備分別基本上位于反應器的第一端(30)和第二端(31)的同一水平面上，其特征在于在所述第一端同一水平面上的分配設備的斷面(20，圖14)大于在第二端同一水平面上的分配設備的斷面(20，圖15)和在第一端同一水平面上的收集設備的斷面(21，圖14)小于在第二端同一水平面上的收集設備的斷面(21，圖15)。
22.根據(jù)權利要求21的設備，其中所述的分配和收集設備包括或是至少一個明顯平行于所述反應器壁的分配和收集部份，或是至少一個明顯傾斜于所述反應器壁的分配或收集部份，這些部份各個均在同一方向沿整個反應器長度一個和另一個交錯排列。
23.根據(jù)權利要求14～22中任何一項的設備，其中所述分配設備(20)和所述收集設備(21)包括多個沿所述設備安置的開口(12)，而且其各自的部分均明顯地與所述分配設備和所述收集設備之間的距離成比例。
24.根據(jù)權利要求14～23中一項的設備，其中反應器是水平的并且至少有一個明顯垂直的中間分界共有壁(210b，圖1b)。
25.根據(jù)權利要求14～24中一項的設備，包括安置在反應流出物由一個間隔室出來進入后邊的間隔室的出口處的通入冷氣體的設備(4f)。
26.根據(jù)權利要求1～13中一項的方法或者根據(jù)權利要求14～25中一項的設備的用途，用于由氫和氮合成氨或者用于由氫和碳的氧化物合成甲醇或同系列的更高級的醇或者用于汽油催化重整。
全文摘要
本發(fā)明是關于在一個帶有外部中間調(diào)節(jié)溫度的多級反應區(qū)中，在一種固體催化劑存在下，于壓力下進行化學反應的一種方法和一種設備。此法可用于合成氨、甲醇或者汽油重整。此法特征在于在至少一個間隔室中通入至少一種反應流體，回收第一批反應流出物，在反應器外部在第一批流出物和外部換熱介質(zhì)之間進行熱交換，然后將第一批流出物通入至少一個后邊的間隔室中，并由后邊的間隔室回收第二批應流出物。另外，還將反應流體或反應流出物在間隔室中以明顯地垂直于反應器壁的方式橫向循環(huán)。
文檔編號C10G11/02GK1030877SQ88100648
公開日1989年2月8日 申請日期1988年1月21日 優(yōu)先權日1987年1月21日
發(fā)明者鄧武傳, 皮埃爾·阿姆, 丹尼爾·杰拉斯, 克里斯蒂安·勒格朗 申請人:法國石油公司