[發明專利]放熱反應方法及所用設備

無效

• 申請號: 90106925.6
• 申請日: 1990-08-14
• 公開（公告）號: CN1031110C
• 公開（公告）日: 1996-02-28
• 發明（設計）人: 亨里克·奧托·施塔爾
• 申請（專利權）人: 赫多特普索化工設備公司
• 主分類號: B01J8/06
• 分類號: B01J8/06;C01C1/04;C07C29/152
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 齊曾度

本發明涉及用于催化反應的帶冷卻的反應器。所述反應器包括一個圓筒形受壓殼體，至少一個管板，將作為原料氣的合成氣以基本上徑向通過備有一條或多條冷卻管的至少一個催化劑床層的裝置，該冷卻管是用于間接冷卻反應氣體，每一條冷卻管具有一個下部入口端、一個上部出口端以及一個外部熱交換壁。

本發明還包括在按本發明的反應器的一個或多個催化劑床層中使氣體原料進行放熱反應的方法。

在適當壓力和溫度條件下將氣體原料通過固體催化劑以進行催化轉化時，常常發生放熱反應。這方面的實例有工業上很重要的合成氨或甲醇，以及費-托法合成。

放熱反應中產生的反應熱使物料流和催化劑的溫度上升，常常引致催化劑性能變差，并由于總的反應速率受反應溫度變化和催化劑床層溫度分布變化影響十分敏感，導致目的產物的濃度下降。對于可逆放熱反應的情況，隨著溫度上升而使產物的平衡濃度下降，因此在高溫度的條件更為不利。

進行放熱反應時，催化劑床層中溫度分布情況不僅取決于放出反應熱的速度，還取決于為了避免氣體反應原料和催化劑過度升溫而從催化劑床層除掉熱量的方法。

從催化劑床層除掉反應熱基本上有三種方法：借助于與冷的進料氣混合而直接冷卻；利用熱交換器間接冷卻；在催化劑床層中設置冷卻管。

目前常用的除去過多熱量的方法是使離開催化劑床層的高溫氣體與冷的進料氣(合成氣)換熱，從而使進料氣溫升高至開始反應需要的溫度。所以，常常在催化劑床層中央或在一個或多個催化劑床之后設置氣體-氣體熱交換設備。但是，采用此方法只能使小部分的催化劑保持在最優化溫度；結果，在采用此方法時，催化劑床層的大部分是處于溫度控制不當的情況。

為了從整個催化劑床層更均勻地除去熱量，先有技術中已設計了這樣的反應容器，在這些容器中配備有冷卻管，冷卻管延伸穿過催化劑床層的不同區域。這樣使過多的熱量傳遞給冷的進料氣或外來的冷卻介質。這些氣體或介質進入延伸穿過催化劑床層的冷卻管，吸收在反應中釋出的熱置。隨著反應氣體在催化劑床層中的溫度不斷上升，反應氣體和冷卻管之間的溫差加大，導致在催化劑床層某些區域的溫度超過最高反應速率的溫度。因此，溫度控制是呆滯的，并且圍繞冷卻管的溫度波動很慢地緩沖掉。基于此的反應器設計就是人們熟知的Tenessee?ValleyAuthority(TVA)型的逆向軸流氨轉化器(見Ind.Eng.Chem.45，1953，1242所述)，以及Nitrogen?Engineering?Corporation的順向軸流氨轉化器(見Br.Chem.Engg.8，1963，171所述)。

徑流式反應器的冷卻帶來特殊的問題，為了以有利方式進行冷卻，雖然在催化劑床層的徑向位置的溫度會有變化，在催化劑床層的整個高度范圍內冷卻表面的溫度必須保持恒定。

在US4321234披露了一種從徑流式反應器除去反應熱的方法，是在適當壓力條件下，將液體冷卻介質通過冷卻管而使液體蒸發。將以上升流形式的冷卻介質引入，并通過一個分布管系統而分布在若干個二級分布管內，然后又分布到與二級分布管相連的許多冷卻管內，以控制催化劑床層內的溫度。

但是，將大量的管子互相連接以及所需用的管件，使反應器上要建造復雜的管網，使得催化劑的裝入和換裝十分繁難。此方法的另一嚴重缺點是在該管路系統發生漏泄冷卻介質時，有使催化劑中毒的危險。

前述美國專利所披露方法的另一缺點，就是進料氣體需要在外部預熱到在催化劑床層中開始反應所需的溫度，還要將冷卻介質的沸點調整到催化劑床層內溫度附近或稍低于該溫度，而床層內溫度又是取決于轉化反應的種類。

本發明的目的是提供一種由氣體原料進行放熱反應的設備，在該設備中，在最優化溫度控制情況下將氣體原料流以徑向通過催化劑床層，所述溫度控制是利用一些冷卻管，冷卻管是以優選方式排布于長形的冷卻區，使氣體冷卻介質以軸向沿整個催化劑床層分布，從而避免已知的那些復雜結構。

按本發明，每一條冷卻管是由一條不漏流體的熱交換外管和一條內管所組成，外管以共心方式套在內管之外，內管以不漏流體方式與冷卻管入口端配接，由此而限定了內外管之間的環形空間，該環形空間在冷卻管出口端是打開的，所述內管入口端是打開的，在出口端是封閉的，在其壁上沿整個長度鉆有多個小孔，使冷卻氣體流流入環形空間并沿冷卻管的熱交換外壁流動。

因此可以作到，使氣體流進入內管并沿其整個長度均勻地分布到環形空間(也就是沿著整個催化劑床層的全量的催化劑)，從而使該環形空間保持在介于外圍催化劑溫度及氣體出口溫度之間的一個恒定溫度。