[發(fā)明專利]包括多孔結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化多孔結(jié)構(gòu)與反應(yīng)器內(nèi)壁的接觸的成分的催化反應(yīng)器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080054076.2
• 申請日: 2010-11-24
• 公開（公告）號: CN102639226A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: P·戴-嘉羅;D·加里;A·屈尼;M·科尼拉克
• 申請（專利權(quán)）人: 喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司
• 主分類號: B01J19/24
• 分類號: B01J19/24;B01J12/00;B01J15/00;C01B3/48
• 代理公司: 北京市中咨律師事務(wù)所 11247
• 代理人: 吳鵬;馬江立

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的一個主題是催化反應(yīng)器，該催化反應(yīng)器包括特別是催化陶瓷或金屬泡沫的多孔催化結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化與反應(yīng)器內(nèi)壁的接觸的成分。

背景技術(shù)

公知由陶瓷或甚至金屬合金制成的泡沫被用作化學(xué)反應(yīng)、更具體地用作多相催化反應(yīng)中的催化劑支承物。這些泡沫特別有益于高放熱或吸熱反應(yīng)（例如，放熱費托反應(yīng)、水-氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)、部分氧化反應(yīng)、甲烷化反應(yīng)等），和/或需要高空間速度的催化反應(yīng)器（天然氣、石腦油、LPG等的蒸汽重整）。

最普遍的用于形成具有開口宏觀孔隙的陶瓷泡沫的方法包括使用陶瓷顆粒在水溶液或有機溶劑中的懸浮液浸潤聚合物泡沫（通常為聚氨酯或聚酯泡沫），并切割成所需的幾何形狀。通過重復(fù)地施加壓縮或通過離心旋轉(zhuǎn)而從聚合物泡沫去除多余的懸浮液，以便僅在聚合物上留下一薄層懸浮液。在利用該方法對聚合物泡沫進行一次或多次浸潤之后，使泡沫干燥以去除溶劑同時維持沉積的陶瓷粉末層的物理完整性。然后通過兩個階段將泡沫加熱至高溫。被稱為粘合劑去除階段的第一階段在于通過緩慢和受控度升高溫度來降解懸浮液中可能存在的聚合物和任何其它有機化合物，直到揮發(fā)性有機化合物被徹底去除（通常為500-900℃）。被稱為燒結(jié)的第二階段包括使用高溫?zé)崽幚韽娀瘹堄嗟臒o機結(jié)構(gòu)。

這種制造方法因此可以獲得作為初始聚合物泡沫的替代品的無機泡沫，除了由于燒結(jié)造成的收縮。可通過該方法實現(xiàn)的最終孔隙度為：對于范圍為從0.2mm至5mm的孔隙大小能夠覆蓋從30%至95%的范圍。最終孔隙大小（或開口宏觀孔隙）取決于初始有機“模板”（聚合物泡沫，通常為聚氨酯泡沫）的宏觀結(jié)構(gòu)。所述宏觀結(jié)構(gòu)通常從60ppi至5ppi變化（ppi代表每英寸的孔隙，孔隙的尺寸為從50μm到5mm）。

泡沫也可為具有允許組織結(jié)構(gòu)在操作條件（溫度、壓力、氣體組分等）下具有化學(xué)穩(wěn)定性的化學(xué)成分的金屬性質(zhì)。在應(yīng)用于天然氣的蒸汽重整的情況下，金屬多孔組織結(jié)構(gòu)將包括基于表面氧化的NiFeCrAl的化學(xué)成分，該表面氧化可以形成保護金屬合金免于任何腐蝕現(xiàn)象的微米尺度的氧化鋁層。

多孔組織結(jié)構(gòu)（陶瓷和/或覆蓋有陶瓷的金屬）在很多方面是用于催化劑的良好支承物：

-它們具有最大的表面積/體積（m²/m³）比，以便增加用于交換反應(yīng)的幾何面積并因此間接提高了催化效率，

-它們使沿催化床（在催化反應(yīng)器的入口與出口之間）的壓降最小，

-它們具有軸向和/或徑向效率改善的熱傳遞。軸向是指沿催化反應(yīng)器的軸線，徑向是指從催化反應(yīng)器的內(nèi)壁或外壁朝催化床的中心，

-它們改善了催化床所承受的熱機械應(yīng)力和/或熱機械應(yīng)力，

-它們與通過常規(guī)結(jié)構(gòu)（球體、球丸、圓柱體、筒體等）造成的隨機填充相比提高了管的填充密度，

-填充的控制可以確保從一個管到另一個管的填充均勻性。

不過，所面臨的一個問題是多孔組織結(jié)構(gòu)與反應(yīng)室內(nèi)壁之間的“物理”接觸在操作期間的低質(zhì)量。對于在高溫下操作的反應(yīng)器尤其如此，其中特別是金屬管的膨脹將大于陶瓷性質(zhì)的多孔組織結(jié)構(gòu)的膨脹。在金屬多孔性質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)的情況下，兩個元件（催化床、容納催化床的反應(yīng)室）的膨脹可更容易地協(xié)調(diào)。

多孔組織結(jié)構(gòu)與反應(yīng)室內(nèi)壁之間的這種不良接觸可能造成兩個難點：

-在壁處形成優(yōu)先流動，于是反應(yīng)物不與催化劑相接觸，

-不良的徑向熱傳遞。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一種方案是催化反應(yīng)器，該催化反應(yīng)器包括：

-反應(yīng)室；

-至少一個催化結(jié)構(gòu)，所述催化結(jié)構(gòu)由至少一個催化多孔組織構(gòu)成，所述催化多孔組織的外部尺寸比反應(yīng)室的內(nèi)部尺寸最多小10%；

-反應(yīng)室的內(nèi)壁與多孔組織之間的環(huán)形空間；

-定位在環(huán)形空間中的至少一個第二結(jié)構(gòu)，該第二結(jié)構(gòu)選自：

a）纖維結(jié)構(gòu)，或

b）包括至少一個金屬套環(huán)的結(jié)構(gòu)，該金屬套環(huán)緊密地包圍多孔組織的至少一部分并支承金屬翅片，或

c）金屬和/或陶瓷粉末或粉末的混合物。

可選地，纖維結(jié)構(gòu)被覆蓋有活性催化相。

用語多孔組織的“外部尺寸”應(yīng)理解為是指：

-在該組織為塊狀的情況下是指長度、寬度和高度；或

-在該組織為圓柱體的情況下是指外徑和高度；等等。

用語反應(yīng)室的“內(nèi)部尺寸”通常應(yīng)理解為是指內(nèi)徑和長度，因為反應(yīng)室通常是管，但如果反應(yīng)器具有不同形狀，則“內(nèi)部尺寸”可以是其它尺寸。

如果催化結(jié)構(gòu)包括若干個多孔組織，則該催化結(jié)構(gòu)由多孔組織連續(xù)堆疊構(gòu)成。