催化反應器和催化劑結構的制作方法

專利名稱：催化反應器和催化劑結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于執行牽涉熱交換的化學反應的反應器，該反應器限定了其中存在催化劑結構的通道，本發明還涉及用于此類反應器中的催化劑結構。
背景技術：
例如在WO 03/033131中描述了由限定第一和第二流動通道的一堆金屬片組成的催化反應器的使用，其中，在諸如流動通道內的波狀箔的可去除插入物上提供催化劑，WO03/033131描述了用于執行例如費一托合成法、蒸汽甲烷重整或燃燒的各種化學反應的此類反應器的使用。W02010/067097還描述了一種催化反應器，其中，催化劑插入物可包括一個或多個波狀箔。兩組通道使得能夠在那些通道的內容物之間進行熱傳遞。例如，蒸汽甲烷重整是吸熱反應，要求通常高于750°C的高溫；并且可以通過在催化反應器內的另一組通道中發生的燃燒反應來提供所需的熱量。費一托合成法是放熱反應，因此在這種情況下，與用于合成反應的那些通道相鄰的通道可以攜載冷卻劑。不僅反應器內的熱梯度趨向于導致形成反應器的材料內出現應力，而且還存在熱逸潰的進一步風險。在一些放熱催化反應的情況下，反應速率可以隨著溫度增加而增加；并且在這種情況下，在反應器內的溫度和反應速率之間存在正反饋。這可能導致溫度的快速增加，稱為熱逸潰，并且這可能導致對催化劑或對反應器或兩者造成損壞，并將減少反應器的有用壽命。局部熱點還對反應 器的一致操作有害。在上述類型的反應器中提供可去除的催化劑攜載插入物是有利的，因為這使得反應器的壽命能夠超過催化劑的壽命，有可能超過數倍。然而，為了將新的催化劑部署到反應器中，必須去除插入物并且插入新的插入物。為了有助于方便的插入物更換，優選的是最小化必須插入反應器的分離部件的數量。

發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種反應器，其限定了反應器內的第一和第二流動通道，第一流動通道和第二流動通道沿著它們的長度的至少主要部分在平行的方向上延伸，可去除催化劑插入物設置在反應將要發生的那些通道中，催化劑插入物包括結合在一起的多個箔并且其將流動通道分成多個流動子通道，并且其中，催化劑插入物的至少一個端部沒有活性催化材料。雖然已經提及了用于第一和第二流體的第一和第二流動通道，但應認識到的是，反應器可以限定用于多于兩種不同流體的流動通道。沒有活性催化材料的那個端部在流動通道的該部分抑制反應，從而降低流動通道的該部分處的任何熱傳遞的要求。這在如下的情況下是尤其有利的:第一或第二流動通道包括進口或出口部分，該進口或出口部分連接到進口或出口端口或連接到集管并且沿著與流動通道的長度的主要部分的方向不平行的方向延伸。優選地，活性催化材料僅僅設置在催化劑插入物的位于反應器的如下區域中的那些部分上:在該區域中，第一和第二流動通道在平行的方向上延伸。至少一組流動通道中的催化劑插入物可略微長于那些流動通道的長度，從而從流動通道的端部突出。優選地，突出長度不超過20 mm,更優選地不超過10 mm,例如5 mm。該突出長度可使得催化劑插入物的后續移除更加容易。用于箔的優選材料是高溫耐腐蝕鋼合金，例如含鋁鐵素體鋼，尤其是已知為Fecralloy(商標名)的類型，其具有高至20%鉻、0.5-12%鋁以及0.1_3%釔的鐵。例如，其可包括具有15%鉻、4%鋁以及0.3%釔的鐵。當該金屬在空氣中被加熱時，其形成氧化鋁的粘附氧化物表面，該氧化鋁的粘附氧化表面保護合金抵抗進一步氧化。該氧化物表面層還保護合金抵抗例如在甲烷氧化反應器或蒸汽/甲烷重整反應器中的普遍條件下的腐蝕。在該金屬用作催化劑襯底并且涂覆有陶瓷涂層(催化劑材料并入該陶瓷涂層中)的情況下，金屬上的氧化鋁表面被認為與陶瓷涂層結合，從而確保催化材料粘附到金屬襯底。這種合金材料可能不是立刻具有合適的長度。例如，流動通道中的催化劑插入物的總長度可大于500 mm，例如是600 mm或800 mm。這可由多個端對端放置的分離的插入物組成，或者替代地，每個流動通道可包含單個插入物。該插入物可包括一堆箔，所述一堆箔中的至少一些是波狀的，堆的每層包括端到端布置的多段箔，其中，在相繼的層中，箔的端部相遇處的位置是交錯的。這使得不需要將端到端布置的箔直接彼此結合，因為它們通過結合到堆中的相繼一個或多個箔而相連。箔可通過銅焊結合到一起，并且可沿著波狀褶皺的每個峰的整個長度結合到一起。替代地，它們可例如通過點焊被焊接到一起。對于800 mm的插入物長度，優選地至少600 mm設置有催化劑，從而沒有催化劑的部分不大于200 mm ;也就是說，沒有催化劑的部分不超過總長度的25%。例如，可能在每個端部存在100 mm的部分沒有催化劑,或者可能在一個端部存在200 mm的部分。在箔是波狀的情況下，波狀褶皺可以在橫截面上是正方形的或矩形的；或者是弓形的或正弦曲線形的；或者它們可以是限定三角形波狀褶皺的Z字形，或者鋸齒形，例如具有被平的峰連接的斜坡部分。波狀褶皺通常平行于箔的長度延伸。在一些替代構造中，波狀褶皺可以不平行于或者甚至垂直于箔的長度。如果波狀褶皺設置成與箔的長度成銳角并且相繼的波狀箔具有鏡像取向的波狀褶皺，則氣體將會橫向地流過通道，由此通過當反應物沿著交替取向的流動路徑經過通道時使得能夠在箔堆內的多個水平之間混合而降低側向和豎直溫度變化。箔中的至少一些可以是穿孔的。如果波狀箔所具有的波狀褶皺可使得相鄰箔能夠相互嚙合，則波狀箔可由扁平或基本扁平的箔間隔開，以確保它們不會相互嚙合。如果相鄰箔所具有的波狀褶皺不平行，則此類扁平箔不是必需的。扁平箔也可以在非常小的幅度上是波狀的，例如提供小于約0.2mm(例如0.1 mm)的總高度，因為這使得它們略微較不柔軟從而更易于在組裝期間工作。基本扁平箔的波狀褶皺的方向可以沿著箔是縱向的，或者替代地，可以是橫向的。扁平箔的波狀褶皺的形狀可以是鋸齒形的或波紋形的。優選地，箔的厚度在20-150微米的范圍內，例如50微米。較厚的箔(例如100微米厚河提供優點，增強熱傳遞。憑借例如通過提供扁平箔或通過使相鄰箔具有非平行的波狀褶皺來防止波狀箔的相互嚙合，插入物的高度相比部署了相同波狀箔的堆是更加可重復的且更加可控的。因此，催化劑插入物可包括被結合到一起的一堆波狀箔(C)和基本扁平箔(f)。該堆可使得波狀箔作為最外層，或者可 使得基本扁平箔作為最外層。以波狀箔作為最外層的堆趨向于比以扁平箔作為最外層的堆略微更加柔性，并且提供到通道的壁的增強的熱傳遞，然而以扁平箔作為最外層的堆提供用于催化劑的更大的表面積。此外，如果最外箔具有波狀褶皺，不管是小的或大的幅度，則減小了在插入催化劑插入物期間與反應器通道的壁相聯系的表面積，并且這可以減小對于插入物的插入的摩擦和阻力。作為示例，插入物可具有構造fcfcfcfcf (即，被4個波狀箔分隔的5個扁平箔)，或者cfcfcfc (即，被3個扁平箔分隔的4個波狀箔)，或者CfC (即，被I個扁平箔分隔的2個波狀箔)。為了形成催化劑插入物，箔結構可在其表面的至少一部分上設置有催化材料。例如，其可涂覆有例如基于氧化鋁的陶瓷載體材料，并且這可浸潰有適合于將要在對應通道中進行的反應的活性催化材料。可例如通過浸潰涂覆或噴涂的技術來施加陶瓷涂層，以根據所述反應來實現10微米和100微米之間的陶瓷厚度，并且可在單獨的箔被組裝到催化劑插入物之前或者在所述箔已經結合到一起之后將涂層施加到單獨的箔。所述箔的一些或者所述箔的表面的一些可在沉積陶瓷涂層期間被掩蓋。如果箔的構造是外側為扁平箔的構造，則外部扁平箔的外表面可涂覆有陶瓷并且設置有活性催化材料，因為在外表面和通道的壁之間可存在窄間隙，其否則可提供用于反應物氣體的旁路；然而，如果箔插入物緊配合在通道中，則外表面可以被留下不涂覆，因為這提供了與通道壁的金屬到金屬的接觸，從而增強了到壁的熱傳遞。箔中的一些可沒有催化劑。具體地，可能希望留下一些子通道沒有催化劑，以允許一些氣體繞過催化劑插入物，以便在下游使用。在形成插入物的箔堆的中心附近提供未涂覆的箔所具有的益處是降低插入物的中心附近的反應速率，從而降低最高溫度處的產熱率(在放熱反應的情況中)或降低最低溫度處的除熱率(在吸熱反應的情況中)。無論如何，催化涂層可在不同的箔之間或者在不同的子通道之間是不同的，或者可沿著催化劑插入物的長度是不同的。在反應器內，可以由被布置為堆的板中的凹槽或由成堆的板和間隔條(該堆然后被結合在一起)來限定第一和 第二流動通道。替代地，可以由堞形的且與扁平片交替地堆疊的薄金屬片來限定流動通道；可以由密封條來限定流動通道的邊緣。形成反應器的板堆例如通過擴散結合、銅焊或熱等靜壓被結合在一起。板堆提供了所需的結構以確保反應器可防止在操作期間施加差動壓力和熱應力；催化劑插入物不提供結構性支撐。通道可以在橫截面上是正方形的或者其高度可以大于或小于寬度；高度指的是沿堆的方向(也就是說沿熱傳遞方向)的尺寸。為了保證良好熱接觸，第一和第二流動通道兩者可以在20 mm和I mm高之間；每個通道可以具有在約1.5 mm和150 mm之間的寬度。舉例來說，板(在平面圖中)可具有在0.05 m直至I m范圍內的寬度以及在0.2 m直至2 m范圍內的長度，并且流動通道優選地具有在2 mm和10 mm之間的高度(取決于化學反應的性質)。例如，板可以是0.5 111寬和1.0 m長，或者0.6 m寬和0.8 m長；并且其可以限定7 mm高、6 mm寬的通道，或3 mm高、10 mm寬的通道，或10 mm高、5 mm寬的通道。在堆中交替地布置第一和第二流動通道有助于保證那些通道中的流體之間的良好熱傳遞。例如，第一流動通道可以是用于燃燒(以產生熱量)的通道且第二流動通道可以用于蒸汽/甲烷重整(其需要熱量)。催化劑插入物被插入通道中且可以被去除以進行替換。此類反應器可用于多種反應，包括費一托合成法以及例如通過蒸汽甲烷重整的合成氣體發生。如果所期望的反應是放熱的，則相鄰通道可設置有冷卻劑以將反應熱吸出反應器。相反，如果所期望的反應是吸熱的，則必須將熱量提供到流動通道。這可通過使熱流體(優選地，氣體)流過通道或者通過在相鄰通道中進行放熱反應來實現。催化燃燒可用于提供熱量，并且在這種情況中，在用于燃燒的每個流動通道的進口處提供火焰清除器以保證火焰不能傳播回被供應到燃燒通道的可燃氣體混合物中。這可以在每個燃燒通道的進口部分內，例如采取非催化插入物的形式，其將鄰近于進口的燃燒通道的一部分細分成不寬于最大間隙尺寸的許多窄流動路徑以便防止火焰傳播。例如，此類非催化插入物可以是縱向波狀箔或成堆的多個縱向波狀箔。然而，在通過集管來供應可燃氣體的情況下，則優選地在集管內提供此類火焰清除器。在本發明的另一方面中，提供了一種反應器，其限定了反應器內的第一和第二流動通道，第一流動通道和第二流動通道沿著它們的長度的至少主要部分在平行的方向上延伸，可去除催化劑插入物設置在反應將要發生的那些通道中，催化劑插入物包括結合在一起的多個箔并且其將流動通道分成多個流動子通道，其中，至少一組流動通道中的催化劑插入物略微長于那些流動通道的長度，從而從流動通道的端部突出。優選地，突出長度不超過20 mm,更優選地不超過10 mm。在本發明的又一方面中，提供了一種反應器，其限定了反應器內的第一和第二流動通道，可去除催化劑插入物設置在反應將要發生的那些通道中，催化劑插入物包括結合在一起的多個箔并且其將流動通道分成多個流動子通道，其中，每個催化劑插入物包括一堆箔，所述一堆箔中的至少一些是波狀的，并且其中，所述堆的層中的至少一些包括端到端布置的多段箔。優選地，在所述堆中存在相鄰的層，其各自包括端到端布置的多段箔，并且箔的端部在那些相鄰層中相遇處的位置是交錯的。本發明還提供了一種反應器，其限定了反應器內的第一和第二流動通道，可去除催化劑插入物設置在反應將要發生的那些通道中，其中，每個催化劑插入物包括一堆經結合的箔，所有箔是波狀的，其中，所述堆的交替層的箔中的波狀褶皺沿不同取向延伸。在又一方面中，本發明提供了一種在此類反應器中使用的催化劑插入物，所述催化劑插入物包括結合在一起的多 個箔并且其限定多個流動子通道。具體地，催化劑插入物的至少一個端部可以沒有活性催化材料。在本發明的每個方面中，反應器自身提供了結構和強度來承受操作期間所經歷的應力。因此，在每個情況中，催化劑插入物可以是非結構性的，因為其不必在操作期間將通道的壁保持隔開。因此，其可由薄金屬箔制成。


現在將僅以示例的方式并參考附圖來進一步且更特別地描述本發明，在附圖中: 圖1部分地以截面示出適合于蒸汽/甲烷重整且包括催化劑插入物的反應器塊的一部
分的示意性透視圖(截面在圖2的線1-1上)；
圖2示出圖1的組裝的反應器塊的側視圖，示出了流動路徑；
圖3a和3b示出組裝期間的圖1的反應器塊的各部分的平面 圖4示出替代的催化劑插入物的剖視圖；并且 圖5a和5b示出組裝期間的替代反應器塊的各部分的平面圖。
具體實施例方式本發明適用于許多不同的化學過程，并且例如可適用于通過蒸汽重整從天然氣產生合成氣(也就是說一氧化碳和氫氣的混合物)的過程。該合成氣可以例如隨后用來通過費一托合成法產生更長鏈的烴。通過將蒸汽和甲烷混合并使混合物在高溫下與適當的催化劑接觸，從而蒸汽和甲烷反應以形成一氧化碳和氫氣來進行蒸汽重整反應。蒸汽重整反應是吸熱的，并且可以通過例如烴和/或混有空氣的氫氣的催化燃燒來提供熱量，因此，在重整反應器內的相鄰流動通道內的燃燒催化劑上發生燃燒。現在參考圖1，示出了反應器塊10，其適合于用作蒸汽重整反應器或供在蒸汽重整反應器中使用。反應器塊10限定用于催化燃燒過程的通道和用于蒸汽甲烷重整的通道。反應器10由在平面圖中為矩形的一堆板組成，每個板是耐腐蝕高溫合金制成的，諸如鉻鎳鐵合金625、耐熱鎳鉻鐵合金800HT或海納合金HR-120。扁平板12通常具有0.5至4 mm范圍內的厚度，在這種情況下為2.0 _厚，并且與堞形板14或15交替地布置，從而堞垛限定了通道16或17。堞形板14和15被交替地布置在堆中。堞形板14和15的厚度通常在0.2和3.5 mm之間的范圍內，并且在每種情況下為0.9 mm。堞垛的高度通常在2_10 mm的范圍內，并且在每種情況下為6.0 mm，并且沿著側面提供了實心桿18。堞形板14和15中的堞垛的波長可以相互不同，但是如優選實施例的圖中所示，波長是相同的，使得在每種情況下，相繼的翅片或系帶分開7.0 mm。可以將堞形板14和15稱為翅片結構。平的端板19位于堆的每個端部處，端板19也可具有2.0 _的厚度。雖然在圖1中示出每個堞形板14或15僅限定五個通道，但在實際的反應器中，在約500 mm的全寬的反應器塊10中可能存在更多、例如超過七十個通道。通常將通過擴散結合、銅焊或熱等靜壓將板堆組裝并結合在一起。然后向通道16和17中的每一個中插入各自的催化劑插入物22或24 (在圖1中示出每個的僅一個)，攜載用于各自反應的催化劑。這些插入物22和24包括金屬襯底和充當用于活性催化材料的載體的陶瓷涂層。每個插入物22、24的金屬襯底包括一堆波狀箔和扁平箔，占據了各自的流動通道16或17，每個箔具有小于0.2 mm的厚度，例如50微米或100微米；圖1所示的堆由被兩個扁平箔分隔的三個波狀箔組成，所述箔被結合在一起。催化劑插入物22和24占據通道16和17，并且插入物為5.4 mm高和6.6 mm寬，這些尺寸允許足夠的間隙來適應通道尺寸中的公差。現在參考圖2，示出了組裝的反應器塊10的側視圖。經歷燃燒的氣體混合物在反應器塊10的一個端部(頂部，如圖所示)處進入集管30，并且在經過擋板火焰清除器31之后遵循流動通道17，流動通道17沿著反應器10的大部分長度筆直地延伸。朝向反應器塊10的另一個端部，流動通道17轉向90°以在反應器10的另一個端部的側面(如圖所示，右下方)處連接到集管32，此流動路徑被示為虛線C。將要經歷蒸汽甲烷重整反應的氣體混合物在反應器塊10的一個端部的側面(如圖所示，左上方)處進入集管34，經過擋板35，并且然后轉向90°以流過沿著反應器塊10的大部分長度筆直地延伸的流動通道16，以通過集管36出現在另一個端部(如圖所示，底部)處，此流動路徑被示為點劃線S。因此，該布置使得流動是同向流動；并且使得流動通道16和17中的每一個沿著其大部分長度是筆直的，并與反應器塊10的端部處的集管30或36連通， 使得能夠在附接集管30或36之前容易地插入催化劑插入物22和24。
在本示例中，圖1所示的每個扁平板12具有500 mm寬和1.0 m長的尺寸且其因此是反應器塊10的橫截面區域。現在參考圖3a，示出組裝期間的反應器塊10的一部分的平面圖，示出了堞形板15 (此視圖在平行于圖2的視圖的平面中)。堞形板15具有800 mm的長度和460 mm的寬度，并且側桿18具有20 mm的寬度。堞形板15的頂端與扁平板12的頂邊緣對準，從而其是開放的(以與集管30連通)。側桿18中的一個(如圖所示，左側的一個)是1.0 m長，并且被結合到跨越端部延伸的對應端桿18a。因此，在右下拐角處存在180 _寬的間隙(以與集管32連通)。堞形板15的底端和端桿18a之間的矩形區域被堞形板的兩個三角形部分26和27占據:第一部分26具有平行于端桿18a的堞垛，并延伸至堆的邊緣(從而與集管32連通)，而第二部分27具有與堞形板15中的那些平行的堞垛。參考圖3b，示出了與圖3a對應的視圖，但示出堞形板14。在這種情況下，堞形板14再次地具有800 mm的長度和460 mm的寬度，并且側桿18具有20 mm的寬度。堞形板14的底端與扁平板12的底邊緣對準，從而其是開放的(以與集管36連通)。側桿18中的一個(如圖所示，右側的一個)是1.0 m長，并且被結合到跨越端部延伸的對應端桿18a。因此在左上拐角處存在180 mm寬的間隙(以與集管34連通)。在堞形板14的頂端和端桿18a之間的矩形區域中存在堞形板的三角形部分26和27:第一部分26具有平行于端桿18a的堞垛，并延伸至堆的邊緣(從而與集管34連通)，而另一部分27具有與堞形板14中的那些平行的堞垛。應認識到的是，可以使用堞形板的各部分的許多其它布置來實現氣流方向的這種變化。例如，堞形板15和堞形板的一部分27可以相互成一整體，因為它們具有相同且平行的堞垛；并且類似地，堞形板14和相鄰的堞形板的一部分27可以相互成一整體。優選地，三角形部分26和27上的堞垛具有與通道限定部分14或15上的那些相同的形狀。在一些情況中，可省略三角形部分26和27，以在扁平板12之間留出氣體分布空間，氣體通過該氣體分布空間在堞形板14或15的端部和塊10的側面處的集管32、34之間流動。如前所述，在板堆12、14、15已被組裝之后，催化劑插入物22和24被插入反應通道16和17中。催化劑插入物24具有800 mm的長度并且沿其長度的600 mm包括活性催化材料，對應于筆直通道的下四分之三，如圖3a中的平面圖所示，此部分由箭頭P指示，并且在由箭頭Q指示的另外200 mm上，插入物24是非催化的。類似地，在用于蒸汽重整氣體混合物S的通道16中，催化劑插入物22具有800 mm的長度，并且如箭頭R所指示的，沿著占據筆直通道的上四分之三的那個部分提供活性催化材料，如圖3b中的平面圖所示；如箭頭Q所指示的插入物22的長度的另外200 mm是非催化的。在插入催化劑插入物22和24之后，可以跨越反應器塊10的底端附接金屬絲網(未示出)，使得催化劑插入物22不會在反應器塊10處于其直立位置(如圖2所示)時落到流動通道16之外。因此，將認識到的是，僅在流動通道16和17的直接相互鄰近的那些部分P和R中存在插入物22和24上的活性催化材料。將認識到的是，然后可以將集管30、32、34和36附接到反應器塊10。替代地，提供更大容量的反應器可能更加方便，并且這可以通過在附接集管之前將多個此類反應器塊組合在一起來實現。 如上所述，插入物22和24包括金屬襯底和充當催化劑載體的陶瓷涂層。每個插入物22、24的金屬襯底包括波狀箔和扁平箔的堆疊組件，該堆疊組件占據了各自的流動通道16或17，每個箔的厚度小于0.2 mm，例如為50微米或100微米；圖1的那些由被兩個扁平箔分隔的三個波狀箔組成，其被結合到一起。每個插入物22和24的總長度為800 mm。所有的箔可具有期望的長度，在該示例中為800 mm。替代地，扁平箔可具有期望的長度，而波狀箔由端到端放置的多段更短長度構成。該組件被堆疊和結合以形成一體結構，其中，每個箔段被結合到堆中的相繼的箔段。作為進一步的替代示例，堆中的每個扁平箔由端到端布置的長度為100 mm、300 mm、300 mm和100 mm的四段扁平箔構成；而每個波狀箔由端到端布置的長度為300 mm、300 mm和200 mm的三段波狀箔構成，波狀褶皺沿其長度延伸。這確保了堆的相繼層中的箔段相遇處的位置是交錯的。該方案基于期望金屬合金的長度高至300 mm的箔的可利用性。如果400 mm長的箔是可用的，則例如800 mm長的插入物可包括端到端放置的長度為400 mm的波狀箔，其與長度為例如200 mm、400 mm和200 mm的扁平箔交錯。在優選制造技術中，此類組件被用比所需的顯著更寬的箔來堆疊并結合到一起，例如500 mm或1000 mm寬；然后，該組件被切割成用于通道16、17的適當寬度的條，其在該情況中為6.6 mm。這可使用激光切割。在將箔結合到一起之后，并且在切割到通道尺寸的條之前或之后，提供催化劑。這可通過如下方式提供:將活性金屬浸入氧化鋁或陶瓷載體中，其然后被形成為水洗涂層(washcoat)，將箔浸入水洗涂層中。替代地，可沉積陶瓷涂層，例如通過浸潰涂覆成含泥漿的氧化鋁，使該涂層干燥和燒結，然后將該涂層浸潰有對應于所需反應的催化性活性材料。通常，催化性活性材料將以鹽的形式被引入，其然后被煅燒并且如果必要的話被還原以提供材料的活性形式。每個堆疊組件的一部分未設置有陶瓷涂層或催化性活性材料，這是在一個端部處的200 mm長的部分。因此，插入物22和24的每一個具有在一個端部處的200mm長的非催化部分，對應于圖3a和3b中所示的部分Q。將會意識到的是上述催化劑插入物22和24僅僅是示例。插入物22和24的波狀箔被示出為具有三角形或Z字形波狀褶皺，但將會意識到的是波狀褶皺可具有其他形狀。相繼的波狀箔中的波狀褶皺可彼此對準，峰在峰之上或者峰在谷之上，即波狀褶皺同相或異相；或者相繼的波狀箔中的波狀褶皺之間的相位關系可以是隨機的。插入物22和24被示出為包括由兩個扁平箔分隔的三個波狀箔，但其他組合也是可能的，例如四個基本扁平箔可由三個波狀箔分隔，以形成具有扁平箔作為最外部件的催化劑插入物。作為進一步的改型，催化劑插入物 (至少是用于蒸汽甲烷重整反應的流動通道16中的那些)可略微長于所述通道，例如為805 mm長，并且在該情況中，非催化部分可以是205 mm長。因此，催化劑插入物的短的部分可超出反應器的底端，這可簡化催化劑耗盡時的去除。現在參照圖4，示出了穿過用于流動通道42 (由虛線表示)中的催化劑插入物40的剖視圖。該催化劑插入物40由成形為矩形堞垛的兩個波狀箔43組成，從而限定2.5 mm高和1.1 mm寬的子通道，這些箔43被結合到1.1 mm厚的扁平箔44的相對面。在該情況中，兩個箔43中的堞垛彼此異相地對準，一個箔43中的峰與另一箔43中的槽對準。如上面關于插入物22和24所述，該插入物40可通過如下方式制成:首先準備箔的堆疊且結合到一起的組件，所述箔比所需要的顯著更寬，例如500 mm或1000 mm寬；然后將該組件切割成用于通道42的適當寬度的條。這可使用激光切割、機械切割或其他類似技術。在將箔結合到一起之后，并且在切割到通道尺寸的條之前或之后，可如前所述地沉積陶瓷涂層和活性催化材料。每個堆疊箔組件的一部分未設置有陶瓷涂層或催化性活性材料，這是在一個端部處的200 mm長的部分。因此，插入物40具有在一個端部處的200 mm長的非催化部分。類似于前面描述的，催化劑插入物40被插入反應器塊中的通道42。矩形堞垛的峰和槽提供在頂部和底部處的通道壁的附近的大面積，從而增強熱傳遞；堞垛的中間部分平行于熱傳遞的方向延伸，這也增強了熱傳遞。將會意識到的是催化劑插入物40僅僅是示例，并且其他改型可例如包括被褶皺成矩形堞垛且被兩個扁平箔分隔的三個箔。所提供的包括非催化段的催化劑插入物22、24或40簡化了反應器的組裝，因為每個通道16、17僅僅必須容納一個這種插入物。插入物上的催化材料的布置確保了催化材料僅僅沿著流動通道中如下的那些部分設置:在所述部分處，相鄰流動通道中的流是平行的并且是同向流動，對應于圖3a和3b中所示的區段P和R，其改善了反應器中的溫度分布。在上述反應器塊10中，每個流動路徑C和S是L形的，具有與塊的一個端部處的集管30或36直接連通的筆直區段以及連接到塊的一側處的集管32或34的分布器區段。化學反應在兩組通道中進行，從而催化劑插入物22、24被插入筆直區段中。本發明的概念可等同地應用到用于其他化學反應的反應器中。例如，類似的反應器可用于諸如費一托合成法的反應中，其中，化學反應在一組通道中進行，而熱傳遞介質在相鄰的一組通道中流動。在該情況中，在攜載熱傳遞介質的通道中不進行化學反應，從而在那些通道中不需要催化劑插入物。因此，用于化學反應的通道可穿過反應器塊從一端到另一端筆直延伸，而用于熱傳遞介質的通道可包括中心區段和每個端部處的分布器區段，中心區段平行于用于化學反應的通道，分布器區段連接到塊的該側面或兩個側面處的集管。圖5a和5b中示出了此類反應器，現在參照圖5a和5b。在圖5a中，示出了用于費一托反應的反應器塊的一部分在組裝期間的平面圖。如在上述反應器塊10中那樣，用于費一托反應的反應器塊由一堆扁平板和堞形板組成。所述板可以如上所述是高溫合金，但是由于反應溫度較低，所述板可以替代地是其他材料，例如不銹鋼或鋁合金。在該示例中，扁平板具有500臟寬和1.0 m長的尺寸，并且這因此是反應器塊的橫截面區域。圖5a示出了堞形板55，堞形 板55限定用于費一托反應物的流動通道F。堞形板55為1000 mm長和460 mm寬，并且沿每側是20 mm寬的側桿18。堞形板55的頂端和底端與相鄰扁平板的頂邊緣和底邊緣對準，從而由板55限定的通道在每個端部是開放的。參照圖5b，示出了對應于圖5a的視圖，但是示出了堞形板56，堞形板56限定用于冷卻劑的流動通道。此類堞形板56與堞形板55交替地布置在堆中，被扁平板分隔。在該情況中，堞形板56具有800 mm的長度和460 mm的寬度，并且側桿18具有20 mm的寬度。每個側桿18具有900 mm的長度，并且被結合到跨越端部延伸的對應端桿18a。因此，在左上和右下拐角處存在80 _寬的間隙，冷卻劑通過所述間隙分別流入和流出，如箭頭H所示。在堞形板56的端部和端桿18a之間的矩形區域中，存在堞形板的三角形部分57和58:第一部分57具有平行于端桿18a的堞垛，并延伸至堆的邊緣，從而與集管(未示出)連通，而另一部分58具有與堞形板56中的那些平行的堞垛。催化劑插入物被設置在堞形板55中所限定的通道中，并且攜載用于費一托反應的催化劑。這些催化劑插入物延伸每個通道的整個長度，也就是說1000 mm，但是催化材料僅僅設置在標記為S的中心800 mm區段上，從而在每個端部存在100 mm長的非催化部分。因此，催化劑部分S與冷卻劑通道的如下部分鄰近:在所述部分中，冷卻劑流平行于反應通道中的流。
將會意識到的是關于圖5a和5b所述的反應器塊僅僅是示例。例如，反應器塊可具有不同于上述的長度或 寬度。
權利要求
1.一種反應器，限定所述反應器內的第一和第二流動通道，所述第一流動通道和所述第二流動通道沿著它們的長度的至少主要部分在平行的方向上延伸，可去除催化劑插入物設置在反應將要發生的那些通道中，所述催化劑插入物包括結合在一起的多個箔并且其將所述流動通道分成多個流動子通道，其中，所述催化劑插入物的至少一個端部沒有活性催化材料。
2.如權利要求1所述的反應器，其中，所述第一或第二流動通道包括進口或出口部分，所述進口或出口部分連接到進口或出口端口或連接到集管并且沿著與所述流動通道的長度的主要部分的方向不平行的方向延伸。
3.如權利要求1或權利要求2所述的反應器，其中，活性催化材料僅僅設置在所述催化劑插入物的位于所述反應器的如下區域中的那些部分上:在該區域中，所述第一和第二流動通道在平行的方向上延伸。
4.如前述權利要求中任一項所述的反應器，其中，至少一組流動通道中的催化劑插入物略微長于那些流動通道的長度，從而從流動通道的端部突出。
5.如權利要求4所述的反應器，其中，突出長度不超過20mm，優選地不超過10 mm。
6.如前述權利要求中任一項所述的反應器，其中，每個催化劑插入物包括一堆箔，所述一堆箔中的至少一些是波狀的，所述堆的每層包括端到端布置的多段箔，其中，在相繼的層中，箔的端部相遇處的位置是交錯的。
7.如前述權利要求中任一項所述的反應器，其中，每個催化劑插入物包括一堆箔，所述一堆箔中的至少一個是基本扁平的并且至少一個是波狀的，并且其中，所述扁平箔具有與所述插入物相同的長度，并且其中，所述堆中的所述波 狀箔包括端到端布置的多段波狀箔。
8.如前述權利要求中任一項所述的反應器，其中，所述箔中的至少一些是波狀的，并且所述箔被沿著波狀褶皺的每個峰的整個長度結合到一起。
9.如前述權利要求中任一項所述的反應器，其中，所述催化劑插入物的沒有活性催化材料的長度不超過所述催化劑插入物的總長度的30%，優選地不超過25%。
10.如前述權利要求中任一項所述的反應器，其中，所述催化劑插入物包括波狀箔和基本扁平箔的組件，所述波狀箔和基本扁平箔交替地布置在堆中并且結合到一起。
11.如前述權利要求中任一項所述的反應器，其中，構成所述催化劑插入物的箔中的一些沿它們的長度沒有催化劑。
12.如前述權利要求中任一項所述的反應器，其中，一些子通道沿著它們的長度沒有催化劑。
13.一種反應器，限定所述反應器內的第一和第二流動通道，可去除非結構性催化劑插入物設置在反應將要發生的那些通道中，所述催化劑插入物包括結合在一起的多個箔并且其將所述流動通道分成多個流動子通道，其中，每個催化劑插入物包括一堆箔，所述一堆箔中的至少一些是波狀的，并且其中，所述堆的層中的至少一些包括端到端布置的多段箔。
14.如權利要求13所述的反應器，其中，在所述堆中存在相鄰的層，其各自包括端到端布置的多段箔，并且箔的端部在那些相鄰層中相遇處的位置是交錯的。
15.一種在如前述權利要求中任一項所述的反應器中使用的催化劑插入物，所述催化劑插入物包括結合在一起的多個箔并且其限定多個流動子通道。
全文摘要
一種反應器(10)限定反應器內的第一和第二流動通道(16，17)，第一流動通道和第二流動通道沿著它們的長度的至少主要部分在平行的方向上延伸。可去除非結構性催化劑插入物(22，24)設置在反應將要發生的那些通道(16，17)中，催化劑插入物包括結合在一起的多個箔并且其將流動通道分成多個流動子通道。催化劑插入物(22，24)的至少一個端部(Q)沒有活性催化材料。沒有活性催化材料的端部(Q)抑制在流動通道的該部分中的反應，從而降低流動通道的該部分處的任何熱傳遞的要求。
文檔編號B01J19/24GK103228352SQ201180048323
公開日2013年7月31日 申請日期2011年10月3日 優先權日2010年10月7日
發明者N.馬克思泰德, R.皮特, R.A.摩根 申請人:康帕克特Gtl有限責任公司