多相放热合成反应器的原位现代化方法

摘要

一种多相放热合成反应器的原位现代化方法,包括下列步骤:在该反应器的上部(2a)和下部(2b)中,分别配置有至少一个第一和第二催化床(12,13),此外在反应器的下部(2b)中还配置有一个最低催化床(14),其反应体积比第二催化床(13)的反应体积小,而且最低催化床(14)中所装载的催化剂反应活性高于其它催化床(12,13)中装载催化剂的活性。由于上述步骤,本发明的方法可获得具有高转化率的反应器。

说明书

本发明涉及一种多相放热合成反应器的原位现代化方法，包括一个在其中承载有多个相互间隔地重叠放置的催化床壳体。

特别地，本发明涉及一种包括下列预备步骤的现代化方法：

在所述的壳体上部配置有至少一个第一催化床，在所述的壳体下部配置有至少一个第二催化床；

所述的第一催化床和第二催化床中装载有具有预定活性的第一催化剂。

在下述的说明书和权利要求书中，术语“原位现代化”表示对一种先前存在反应器的原位改进，可提高其性能，并且可获得与那些新制造的反应器相似的生产能力和/或转化率。

在本领域的术语中，这类现代化也称作式样翻新或改进。

在下述的说明书和权利要求书中，术语“壳体上部及上部”，表示由壳体的上半部及下半部所限定的壳内空间。更精确地说，上部约占壳内空间的20-50％，而下部约占壳内空间的50-80％。

众所周知，在通常的多相放热合成领域中，特别是在氨和甲醇的生产中，必须要满足两方面的要求，即提高，有必要满足两方面的需要，即，一方面，要提高先前存在的合成反应器的生产能力，另一方面，要能提高转化率和降低反应器的能量损耗。

为了满足上述确定的要求，所谓的先前存在的反应器的现代化技术逐渐被采用，它的目的是为了避免后者的耗费的置换，且同时为了获得相对于可利用催化剂体积的最大的转化率。

例如，在US-A-5585074中，公开了一种现代化方法，它是采用新型具有高收率的径向或轴向-径向型催化床，来代替先前存在反应器的催化床，在其中，在不同催化床之间流动的气体的中间冷却，是采用位于第一催化床和第二催化床间及第三催化床中的两个气-气热交换器的间接热交换的方式，在现代化反应器中进行的。

根据现有技术的现代化方法，虽然在某些方面是有利的，但是与最近的采用一种具有高反应活性的特定的钌基催化剂的合成反应器相比，它不能获得与之可比的转化率。

实际上，这类方法没有考虑到，通过实现一种含有高效且投资费用低的前述高活性催化剂的结构，来现代化先前存在反应器的可能性。

这主要是由于现代化反应器催化床的排列和体积，是为传统的催化剂而设计的，因而很难适用于高活性的催化剂。

特别地，传统催化剂的动力学和热力学性质所要求的反应空间，比采用高活性催化剂所要求的反应空间事实上要大。

因此，根据现有技术方法的现代化反应器的总的反应空间，对高活性催化剂的使用来说明显过大，或如果有人想要尽可能地利用所述的反应空间，则催化床中所装载的高活性催化剂的量要求高得惊人的投资费用。

考虑到这些因素，有必要指出，由于钌基催化剂的费用昂贵，它至今在实际中的应用还是非常有限的，尽管它特定的反应活性已被知晓达十多年，而且本领域中逐渐认识到的提高多相放热合成反应器的转化率的需要。

总之，现在这类催化剂的使用，仅限于新近制造的反应器，因此它的实现，除了催化剂的费用外，还包括非常高的投资费用，。

本发明要解决的问题，是提供一种现代化多相合成反应器的方法，与采用现有技术的现代化方法相比，它可显著地提高转化率，具有低的投资和操作费用，且具有低的能量损耗。

所述的问题可采用一种上述类型的方法得到解决，其特征在于它包括下述步骤：

-在所述的壳体下部配置有一个最低催化床，其反应体积比所述的第二催化床的反应体积要小；

-在所述的最低催化床中装载有第二催化剂，其活性高于其它催化床中装载的第一催化剂的活性。

在下述的说明书和权利要求书中，术语“反应体积”表示催化剂所占的催化床的体积，也就是在实际进行合成反应时所占催化床的空间。

采用本发明的方法是有利的，在维持外部结构不变的情况下，通过在合适尺寸的最低催化床中装载一种高产率催化剂，可获得一个具有高效转化率的反应器，从而提高生产能力。

特别地，采用本发明的方法，可以将先前存在反应器中所使用的传统型催化剂，与高活性催化剂有效地结合起来，用这种方法可极大地提高反应器的性能，同时，与现有方法的现代化反应器所必需的费用相比，可维护投资费用基本不变。

而且，如果采用高活性催化剂，它可在最低催化床中在低于传统方法的温度下进行操作，采用这种方法，与前述的现有方法相比，也可节省操作费用和能量损耗。

优选地，最低催化床装载有一种基于石墨负载的钌的催化剂，这类催化剂具有高的反应活性，同时具有长的工作寿命，这是由于它不会发生退化，且对反应器内部的温度和压力操作条件具有良好的稳定性。

安装在壳体内的最低催化床，如它的反应体积占第二催化床反应体积的5％-50％，优选为10-25％之间，则可获得特别令人满意的结果。

而且，根据本现代化方法特定的有利的实施方案，在所述的壳体内配置有三个催化床，所述的第一催化床位于所述壳体的上部，所述的第二催化床和所述的最低催化床，分别位于所述壳体的下部。

采用这种方法，反应器的动力学和热力学构成，和可利用反应体积的利用都得到优化，因而，可极大地提高转化率，同时使投资费用最小。

在本发明的一个优选实施例中，本方法还包括下列步骤：

-在所述的最低催化床上，配置有用来输入反应物气体的径向或轴向-径向流的装置。

经过这种处理后，可有利于降低由反应混合物流过催化床所引起的压降，从而可降低能量损耗和操作费用。

而且，对于轴向-径向流来说，可实现催化物质的优化利用，可防止催化剂部分不被反应混合物流过，因而可防止催化剂不被利用。

作为一种替代方法，为了最大程度地利用上述的优点，壳体内的每个催化床优选都配置有用来向其中输入反应气体的径向或轴向-径向流的装置。

为了防止由类似骤冷的中间冷却所产生的稀释效应，即，由于气体在催化床间流动时与冷的反应气体发生混合，它对反应器的转化率有不利的影响，所以，根据本发明的现代化方法，最好还可包括下列步骤：

-在所述的壳体中配置有一个第一气-气热交换器，和相应用来间接冷却在所述的第一和所述的第二催化床间流动的气体的装置；

-在所述的壳体中配置有一个第二气-气热交换器，和相应用来间接冷却在所述的第二和所述的最低催化床间流动的气体的装置。

根据本发明的另一个方面，还提供一种用来实施高产率的多相放热合成反应的方法，这种方法包括下列步骤：

-输送气体反应物到合成反应器中，反应器包括一个壳体，其中装载有相互间隔地重叠放置的，至少一个第一催化床，其伸展于所述的壳体上部，至少一个第二催化床和最低催化床，它们伸展于所述壳体下部；

-所述气体反应物在所述的催化床中进行反应；

-从合成反应器中回收来自所述最低催化床的反应产物；

其特征在于它还包括下述步骤：

使反应混合物在所述的最低催化床中，流过一个比所述的第二催化床的反应体积小的反应体积，而且其中含有一种催化剂，其反应活性高于其它催化床中所装载的催化剂活性。

本发明的特征和优点将在下列的根据本发明的现代化方法的实施例中得到说明，可参见下述的附图，但它不是用来限定本发明。

附图简要说明

在附图中：

图1所示为实施多相放热合成反应的所谓Kellogg型反应器的纵向剖示图；

图2所示为根据本发明的现代化方法改进的图1Kellogg型反应器的纵向剖示图。

优选实施方案的详细说明

参见图1，标记1表示的是，在高的压力和温度下(100-300巴，300-550℃)，用来实施多相放热合成反应的所谓Kellogg型反应器，例如用于氨的生产。

反应器1包括一个管状容器或壳体2，顶端用一个钟形盖3密封，在其底部安装有一个用来输入反应气体的开孔4。

有一个筒体5，含有四个相互间隔地重叠放置的催化床6a、6b、6c和6d，以通常的方式安装在壳体2中。

在每个催化床6a-6d中装载有一种传统的基于铁的平均颗粒尺寸(图中未画出)的催化剂。

催化床6a-6d中所示的虚线，限定这些催化床中催化剂所能到达的上限，以及与侧壁和底一起限定所述催化床的反应体积。

一个基本上环形的自由空间7，由筒体5和壳体2所限定，伸展于开孔4和气-气热交换器8之间，用来预热反应气体，而热交换器8通常安装在盖3之内。

反应器1还含有多个环形分配器9a-9d，用来输入每个催化床6a-6d上游的冷的或经冷却的反应气体。

一个输送管10，同轴地伸展于催化床6a-6d中，安装在反应器1中，用来将最低催化床6d中放出的反应产物，输送到气-气热交换器8中，在经开孔11的最终回收之前可对其进行冷却。

在图1中，箭头F表示气体沿自由空间7，流过催化床6a-6d和热交换器8的各种流路。

图2所示为整个多相放热合成反应器，它是根据本发明的现代化方法对图1反应器进行改进而得到的。

在该图中，反应器1的详细结构和功能与图1所示的结构和功能相同，并采用相同的标记表示，不再赘述。

本发明并不限于仅对所谓的Kellogg或瓶颈型反应器，也就是说，具有一个相对壳体直径较小直径的盖的反应器，也可适用于任何类型具有一个或多个催化床的多相放热合成反应器的现代化，这样，它也可用来对全开口型的反应器进行现代化，这类反应器的密封盖，其直径与壳体的直径基本相同。

而且，根据本发明的方法，对已经现代化的先前存在的合成反应器进行式样翻新，也是有利的，例如，可用来对根据US-A-5585074所述方法现代化的反应器再进行现代化，该文献作为现有技术已在上文中提及。

根据本发明的预备步骤，反应器1的筒体5其内原先是空的，在壳体2的上部2a中安装有至少一个第一催化床12，在壳体2的下部2b中安装有至少一个第二催化床13。

根据现代化方法的进一步的步骤，有利地在壳体2的下部2b设置一最低催化床14，该催化床的反应体积小于第二催化床13的反应体积。根据本发明，在第一和第二催化床中，分别为12和13，也装载有具有预定活性的第一催化剂(图中未画出)，而在最低催化床14装载有反应活性高于其它催化床中所装载的第一催化剂活性的第二催化剂(图中未画出)。

装载在催化床12和13中的第一类催化剂，例如是一种传统的催化剂，它基于较小颗粒尺寸的铁，而装载在最低催化床14中的第二类催化剂宜是一种钌基催化剂，优选为一种基于石墨负载的钌的催化剂。

后一类催化剂，其反应活性通常为传统的铁基催化剂活性的5-20倍。

由于采用安装合适尺寸的最低催化床步骤及用高活性催化剂装载所述催化床的步骤，相对于图1反应器的产率来说，产率通常可提高100％，相对于根据US-A-5585074所述方法现代化的反应器所能获得的最高产率来说，可提高10-40％，而且还可节省操作费用和能量损耗。

相反，为实现根据本发明的现代化方法所需要的投资费用，却令人惊奇地接近根据现有技术现代化通常所需要的费用，而且，相对于现代化的反应器的最终的较高的转化率和较高生产能力来说，这是完全可以忽略不计的。

采用本发明所获得的优点，主要是归因于在先前存在的反应器中，利用具有不同反应活性的催化剂，以及装载有高活性催化剂的催化床的特定排列和尺寸。

只有在经过实践的努力和研究之后，才可能在先前存在的反应器的转化率方面获得极大的提高，同时限定投资费用，这归功于引入较小量的高活性催化剂到反应器的一个限定的特定区域，并精确地引入反应区域中，而该区域通常是被动力学和热力学观点认为是不利的区域。

在根据本发明方法的一个特别有利的实施方案中，如图2所示，一个优化的反应体积和催化剂(传统型和高活性型)的分布，是采用在壳体2的上部2a中配置一个单一的第一催化床12和在下部2b中配置催化床13和14而获得的。

采用一个反应体积等于第二催化床13反应体积的10-20％的最低催化床14，也可以获得非常有利的结果。

根据本发明的又一个特征，在前述的催化床12-14中，每个催化床都配置有已知的用来获得流过催化床的径向或轴向-径向气流的装置。所述的装置可包括环形催化剂篮15、16和17，它们带有相对立的适当钻孔的、可容气体透过的器壁，作为气体入口和出口。

这类用来在催化床中提供轴向-径向气流的装置，公开在US-A-4755362中，其说明书引入以作参考。

在图2的实施例中，在一个催化床和与其相邻的催化床间流动的气体的冷却宜通过与冷的流体的间接热交换而实现，优选为冷的合成气。

为了实现这个目的，本发明的现代化方法包括一个附加步骤，在位于壳体2上部2a的第一催化床12中配置一个第一气-气热交换器18，并在位于壳体2下部2b的第二催化床13中配置一个第二气-气热交换器19。

在图2中，第二热交换器19伸展于最低催化床14中也是有利的，这样可提高热交换表面，从而可强制冷却要输入到最后的催化床14中的反应混合物，同时，一种较高温度的冷气体流入到合成反应器1。

由于最低催化床14中装载有高活性的催化剂，它可适于在相对低的反应温度下进行操作，采用这种方法可节省操作费用和能量损耗。

优选地，热交换器18和热交换器19，可利用每个所述催化床的中间部分由环形篮15、16和17所限定的开孔，同轴地安装在催化床12、13和14的内部。

根据本发明，在热交换器18和热交换器19中，分别安装有用来间接冷却在第一和第二催化床12和13之间流过以及在第二和最低催化床13和14之间流过的气体的装置。

所述的装置包括管状巢20及25，分别位于筒形壳体21及26中，并在壳体侧面带有相对的气体入口和出口开孔22和23，以及27和28，还有用来输送冷的气体反应物到气体入口开孔24及29的装置，气体入口开孔分别位于热交换器18和热交换器19的管状一侧。

气体入口开孔22及27位于管状巢20及25的壳壁，分别通过环形自由空间30及31，与催化床12及催化床13流体相连通，环形自由空间限定在筒形壳21及26的外壁和篮15及16的气体出口壁之间。

相反地，位于管状巢20壳壁的气体出口开孔23，它与催化床13直接流体相连通，而相应的位于管状巢25壳壁的气体出口开孔28，通过限定在筒形壳26和同轴器壁33之间环形自由空间32，与催化床15相连通，并伸展于壳26和篮17之间。

在列举的实施例中，用来输送冷的气体反应物到热交换器18的管侧开孔24的装置，包括输送管34，它伸展于所述的开孔和用来输入冷的气体反应物的开孔35之间。

同样地，用来输送冷的气体反应物到热交换器19的管侧开孔29的装置，包括一个输送管36，它伸展于所述的开孔和用来输入冷的气体反应物的开孔37之间。

最后，气-气热交换器18和19在管侧相互连通在一起，如通过曲径接头38相连。

根据本发明的现代化方法的步骤，可不依赖于本发明说明书和权利要求书中归结的顺序进行，根据特定的技术要求，可采用不同的实施方法。

根据所述步骤的结果，可获得一种反应器1，它可实施多相放热合成反应，具有高转化率和低的能量损耗，方法如下。

气体反应物，通过开孔4输入到反应器1中，在自由空间7和交换器8中进行预热，然后输入到第一催化床12中，其中含有传统型催化剂，例如，一种铁基催化剂。

输入到所述的第一催化床12中的气体反应物的温度，控制在某一期望值，这是通过调节第一部分通过分配器9a输入到反应器1中的新鲜的或冷却的气体反应物，和调节第二部分经热交换器18和19预热的气体反应物而实现的，下面将对其作说明。

正离开催化床12的反应混合物，被向心的轴向-径向流穿过，接着在自由空间30中聚集，并输入到热交换器18中，在此，它与一种逆流的冷却流体在管壁上进行间接热交换，从而被冷却，冷却流体包括一种气体反应物的混合物，如图2所示，一部分是经输送管34来自外部，一部分是来自下面的热交换器19。

该经冷却的反应混合物接着流过开孔23后，输入到随后的催化床13中。催化床13也装载有传统型的催化剂，如一种铁基催化剂。

来自催化床13的被向心轴向-径向流穿过所形成的第二反应混合物进一步富含有反应产物，它经开孔27输入到热交换器19中，在此，它与一种逆流的冷却流体在管壁上进行间接热交换，从而被部分冷却，冷却流体主要包含一种经输送管36的来自外部的气体反应物的混合物。

将要输入到最低催化床14的反应混合物可冷却到一定的温度，它大致低于进入催化床12和13的反应混合物的温度，是有利的。

经冷却的混合物在流经环形自由空间32后，接着输入到最低催化床14中。在最低催化床14中有利地装载有高反应活性催化剂，优选是基于石墨负载的钌催化剂。

最低催化床14中流出的被离心轴向-径向流穿过所形成的最终反应混合物经中间的输送管10输入到热交换器8中，并通过反应器1的开孔11进行最终回收。

根据本发明，来自催化床13的反应混合物，流入到最低催化床14中，流过一个比所述的第二催化床反应体积小的反应体积(优选为10-40％)，而且催化床14中含有一种反应活性高于其它催化床中所装载催化剂活性的催化剂。

采用这种方法可以极大地提高转化率，从而提高现代化反应器的生产能力。

从以上的详细说明，可以清楚地理解本发明的许多优点；特别地，它可实质上提高先前存在反应器的转化率，同时可降低操作费用和能量损耗，而只需低的投资费用。