催化裝置的制造方法
【專利摘要】本申請公開了一種布置在豎直反應管(50)內的催化裝置，所述裝置包括：結構催化劑(52)，該結構催化劑在反應管的上部部分中；顆粒催化劑(56)，該顆粒催化劑在所述結構催化劑(52)下面在所述反應管的下部部分中；以及催化劑支承裝置，該催化劑支承裝置布置在結構催化劑(52)和顆粒催化劑(56)之間，其中，催化劑支承裝置包括圓柱形本體(72)，該圓柱形本體有用于與結構催化劑連接的第一端以及第二端，該圓柱形本體的直徑為管的內徑的70?90％，且長度/直徑在0.5?2.5范圍內。
【專利說明】
催化裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種適合用于管形反應器與顆粒催化劑組合的催化裝置，特別是與適合用于催化流重整處理的催化劑組合。
【背景技術】
[0002]管形反應器(反應物在該管形反應器中通過充滿催化劑的管)為公知，并可以用于多種化學處理。管通常充滿顆粒催化劑。
[0003]結構催化劑(催化劑支承在該結構催化劑上，或者顆粒催化劑可以容納于該結構催化劑中)提供了對于管形反應器的性能的潛在改進，但是在它們的使用中產生困難。我們已經設計了一種方案，其中，結構催化劑布置在管中并在顆粒催化劑的上面。
[0004]不過，在使用中，在兩個催化劑之間的交接面處可能發展空隙，例如由于顆粒催化劑在使用中的沉積或皺縮。空隙是不希望的，因為它能夠導致在該空隙附近的管壁的過熱或過冷。特別是，如在催化流重整中的情況，過熱是不希望的，因為它可能導致管損壞和縮短管壽命，管的更換將昂貴和不希望。
[0005]我們設計了克服這些問題的催化裝置。
【發明內容】
[0006]因此，本發明提供了一種布置在豎直反應管內的催化裝置，所述裝置包括:結構催化劑，該結構催化劑在反應管的上部部分中；顆粒催化劑，該顆粒催化劑在所述結構催化劑下面在所述反應管的下部部分中；以及催化劑支承裝置，該催化劑支承裝置布置在結構催化劑和顆粒催化劑之間，其中，催化劑支承裝置包括圓柱形本體，該圓柱形本體有用于與結構催化劑連接的第一端以及第二端，該圓柱形本體的直徑為管的內徑的70-90%，且長度/直徑在0.5-2.5范圍內。
[0007]本發明還提供了一種用于在豎直反應管中進行反應的方法，該方法包括以下步驟:(i)使得供給氣體混合物通過布置在反應器中的反應管；以及(i i)從反應管中回收反應后氣體混合物，其中，催化裝置布置在反應管內，所述裝置包括:結構催化劑，該結構催化劑在反應管的上部部分中；顆粒催化劑，該顆粒催化劑在所述結構催化劑下面在所述反應管的下部部分中；以及催化劑支承裝置，該催化劑支承裝置布置在結構催化劑和顆粒催化劑之間，其中，催化劑支承裝置包括圓柱形本體，該圓柱形本體有用于與結構催化劑連接的第一端以及第二端，該圓柱形本體的直徑為管的內徑的70-90 %，且長度/直徑在0.5-2.5范圍內。
[0008]“結構催化劑”的意思是支承在結構上或容納于結構內的催化劑，通常為金屬制品或陶瓷結構。
[0009]催化劑支承裝置有用于與結構催化劑連接的第一端。因此，第一端包括桿、銷或其它定位凸起，該桿、銷或其它定位凸與在結構催化劑中的合適孔匹配，并使它保持就位。因此，這種連接也可以用于將支承裝置沿中心地布置在管內，這是優選的。因為催化裝置使得結構催化劑布置在顆粒催化劑的上面，因此第一端將是在催化裝置中的圓柱形本體的頂端。
[0010]圓柱形本體有第二端，該第二端將首先至少與顆粒催化劑接觸。因為催化裝置將結構催化劑布置在顆粒催化劑上面，因此第二端將是催化裝置中的圓柱形本體的底端。
[0011]催化劑支承裝置的圓柱形本體產生了在裝置和管的內壁之間的環形間隙。當圓柱形本體沿中心定位在管中時，環形間隙的寬度將為管的內徑的5-15%。間隙產生在管壁處的高速氣體流，根據催化反應，這用于冷卻或加熱在任何下游空隙中的管壁，該空隙可能形成于結構催化劑和顆粒催化劑之間。當直徑小于管內徑的70%時，氣體速度并不如此有效，而當直徑大于管內徑的90%時，將產生不可接受的高壓力降。圓柱形本體的長度(L)為這樣，使得本體的長度除以本體的直徑(D) (L/D比率)在0.5-2.5的范圍內。當〈0.5時，氣體可能并不充分地沿管的內壁引導。當>2.5時，本體可能占據太多的管高度，且壓力降可能不可接受的尚。
[0012]需要時，催化劑支承裝置可以有兩個或更多的周邊凸耳或凸片，這些周邊凸耳或凸片環繞圓柱形本體的外表面均勻間隔開，以便使得圓柱形本體在管內沿中心間隔開。凸耳或凸片也可以引導在裝置和管的內壁之間的氣體流。另外或者也可選擇，圓柱體的外表面可以包括一個或多個槽，以便豎直地引導在裝置和管的內壁之間的氣體流，或者需要時，該一個或多個槽可以與管的中心軸線成角度，以便向氣體施加旋流。
[0013]圓柱形本體可以包括在第一端中的多個孔，該孔通向穿過裝置的槽道，該槽道在沿它的長度的一個或多個點和/或第二端處開口于圓柱體的外表面上。因此，槽道朝向環繞催化劑支承裝置的管的內表面引導。這樣的槽道可以在催化劑支承裝置和管壁之間的空間中提供增加的氣體流，因此增加裝置在可能形成的任意空隙中的所希望效果。這些槽道可以提供一系列離散的射流，該射流徑向或者徑向和軸向方向組合地朝向管壁引導。在兩種情況下，都可以通過將旋流運動疊加在氣體流或射流上而提供附加傳熱。
[0014]圓柱形本體可以包括顆粒催化劑的儲存器，該顆粒催化劑可以在重力的作用下流入在裝置下面形成的任何空隙中。在本例中，圓柱體的第二端可以包括可熱分解的材料，該材料在反應管起動之前或起動過程中通過加熱而分解，以便在第二端中提供開口，顆粒催化劑可以通過該開口。因此，圓柱形本體的第二端可以由薄隔膜例如聚丙烯或卡片來密封或關閉，該薄隔膜將在起動過程中燒掉，從而釋放顆粒催化劑。在本例中，圓柱體的長度優選是使得合適容積的催化劑顆粒可以容納于該裝置中，例如，長度可以是顆粒催化劑的顆粒尺寸的至少5-10倍。
[0015]在本發明中，結構催化劑支承在中間催化劑支承裝置上。當結構催化劑支承在中心桿上時，催化劑支承裝置還有防止在顆粒催化劑上的點負載的優點。
[0016]在催化裝置中，結構催化劑和催化劑支承裝置優選是自由地在管內上下運動，以便減小可能在顆粒催化劑和結構催化劑之間形成的任何空隙的尺寸。
[0017]管容納在管出口附近的顆粒催化劑和在管進口附近的結構催化劑。在管內的結構催化劑與顆粒催化劑的比例優選是在1:9至9:1的范圍內，更優選是1:3至2:1。當有多個管時，優選是全部的管容納相同比例的結構催化劑和顆粒催化劑，盡管這并不必須。這提供了在進口端的結構催化劑的更高活性、更高傳熱和低壓力降的優點以及在出口端的更便宜和更結實的顆粒催化劑的優點。
[0018]在優選實施例中，催化裝置包括結構蒸汽重整催化劑和顆粒蒸汽重整催化劑，豎直反應管布置在催化蒸汽重整器內。因此，下面介紹的本發明實施例涉及催化蒸汽重整，盡管應當知道，本發明可以用于在管形反應器中進行的、利用任何結構催化劑和任何顆粒催化劑的其它反應。
[0019]催化蒸汽重整器通常包括多個豎直管，包括烴和蒸汽的氣體混合物可以通過該豎直管，且通過環繞該管流動的熱氣體來向該豎直管傳熱。管進口通常在頂端，從而供給氣體混合物通常供給蒸汽重整器的頂部，并向下流動通過該管。蒸汽重整反應是吸熱的，且通過環繞管的外表面流動的熱氣體來向該管傳熱。可以使用多種蒸汽重整器裝置。因此，蒸汽重整器可以是普通的頂燒式(top-fired)蒸汽重整器或者側燒式蒸汽重整器。在這些重整器中，熱氣體通過使用多個燃燒器燃燒燃料氣體來提供，這些燃燒器布置在管的頂端，或者沿管的長度布置。也可選擇，蒸汽重整器可以是氣體加熱重整器(GHR)，其中，熱氣體可以通過來自燃燒處理的燃料氣體來提供，或者可以是通過烴的催化或非催化局部氧化或通過烴和/或已重整氣體混合物的自熱重整而產生的氣體。而且，熱氣體可以與已經通過多個管的已重整氣體混合。
[0020]蒸汽重整器管可以有圓形截面，可以有5至15m的長度，優選是5至30cm范圍內的內徑。因此，催化劑支承裝置的圓柱形本體的直徑可以是管的內徑的70-90%，例如，在1cm內徑的管中為7-9cm。裝置的圓柱形本體的長度為使得L/D在0.5至2.5的范圍內，例如，對于直徑為7.5cm的本體，長度為3.75cm至18.75cm。
[0021]管可以容納在管出口附近的顆粒蒸汽重整催化劑和在管進口附近的結構蒸汽重整催化劑。因此，管可以容納在管的下部部分中的顆粒蒸汽重整催化劑和在管的上部部分中的結構蒸汽重整催化劑。
[0022]顆粒蒸汽重整催化劑可以是成形單元的形式，例如圓柱體、環、鞍形件和具有多個通孔的圓柱體，且通常由耐火支承材料形成，例如氧化鋁、二氧化鈰、鋁酸鈣水泥、鋁酸鎂、氧化鎂或氧化鋯，浸漬有合適催化活性金屬例如鎳。我們發現，當催化劑的至少一部分包括貴金屬例如釕時，可以提高在低蒸汽比率下的催化性能。還有，優選是，顆粒催化劑為有凸起或有槽的圓柱體形式，該圓柱體有通道，或者優選是超過一個通道，該通道縱向穿過延伸，因為發現這將提供較高催化活性，同時有通過管的較低壓力降。顆粒催化劑的顆粒尺寸通常為這樣，顆粒的寬度或直徑在3_50mm的范圍內，優選是5-25_。優選是，顆粒催化劑是具有一個或多個通孔的圓柱形丸粒，特別是有4-10個孔的圓柱體，直徑在3-50mm的范圍內，優選是5-25mm，長度/直徑比率在0.5-2.0的范圍內。特別合適的催化劑在W02010/029323和TO2010/029324中介紹。一個或多個顆粒催化劑可以提供為混合物，或者提供為在管內的多層。顆粒蒸汽重整催化劑通過合適固定在管的底部處的穿孔網或格柵而防止跌落至管外。
[0023]結構蒸汽重整催化劑可以是支承在結構上的蒸汽重整催化劑。這樣的結構催化劑為已知，包括金屬或陶瓷結構，該金屬或陶瓷結構包括多個通道，處理流體可以以有序、非隨機的方向通過該通道。結構通常涂覆有一層蒸汽重整催化劑，該蒸汽重整催化劑可以有利地施加為洗滌涂層。蒸汽重整催化劑可以包括在耐火氧化物上的鎳或貴金屬，例如鉑、釕或者它們的混合物，所述耐火氧化物例如氧化鋁或氧化鎂，包括有二氧化鈰、氧化鋯或氧化鑭的混合氧化物。
[0024]催化劑結構可以成一個或多個圓柱形單元的形式，具有與管(圓柱形單元置于該管中)相符合(compl imentary)的直徑。術語“符合”的意思是，圓柱形單元的直徑可以比管(圓柱形單元置于該管中)的內徑小l_20mm，因此它們很好地裝配至管內。圓柱形單元可以包括穿孔和/或折疊葉片和/或凸片，該穿孔和/或折疊葉片和/或凸片使得處理流體在它通過單元時軸向和徑向流動。優選是，圓柱形單元可堆垛，從而它們可以很容易地相互承載，因此，它們自支承在管內。一個或多個蒸汽重整催化劑涂覆的結構催化劑可以包含在管內。優選的蒸汽重整催化劑涂覆結構催化劑在US2012/0195801A1中介紹。這些結構催化劑包括扇形件，該扇形件成布置在中心桿上的波形盤的形式，扇形件有徑向流體導管，用于引導流體流過反應器，流體導管有效地徑向引導流體流，以便接觸管的內壁;扇形件有頂表面、底表面和外徑面，從而徑向流體導管沿扇形件的外徑面終止，以便形成面對管的內壁的流體導管開口，扇形件還有扁平或波形墊片，該墊片與扇形件的頂表面或底表面接觸，其中，墊片可以成環的形狀，具有內徑和外徑，墊片與扇形件的頂表面或底表面接觸，從而墊片的外徑從扇形件的外徑面徑向向外延伸。墊片還可以有間隔開凸片，這些間隔開凸片從墊片的外徑向外延伸，該間隔開凸片使得墊片與管的內壁分開，從而墊片產生在扇形件的外徑面和反應器管之間的間隙。可選的結構催化劑裝置(蒸汽重整催化劑可以支承在該結構催化劑裝置上)包括在1^2012/0294779、1^2012/0288420、1]58257658、1]58235361、1]57976783、US7566487、US7761994、US8178075 和 US7871579 中介紹的結構催化劑裝置。
[0025]也可選擇，結構蒸汽重整催化劑可以是包含在結構內的蒸汽重整催化劑。結構(蒸汽重整催化劑可以容納在該結構中)優選是包括包含催化劑的離散催化劑容器、杯或罐。這些催化劑容器為已知，包括通道或通路，處理流體可以以有序、非隨機的方向通過該通道或通路。催化劑容器可以成圓柱形單元的形式，具有與管(它們置于該管中)符合的直徑。術語“符合”的意思是，催化劑容器結構的直徑可以比管(它們置于該管中)的內徑小l_20mm，因此它們很好地裝配至管內。催化劑容器可以包括穿孔和/或管和/或葉片和/或翅片，該穿孔和/或管和/或葉片和/或翅片使得處理流體在它通過單元時軸向和徑向流動。優選是，圓柱形單元可堆垛，從而它們可以很容易地相互承載，因此，它們自支承在管內。在本例中，催化劑可以成催化劑顆粒的形式，例如丸粒、顆粒或擠出物、催化金屬或陶瓷泡沫、或者催化金屬或陶瓷蜂窩結構。盡管顆粒催化劑和結構催化劑的催化劑組分可以相同，但優選是，顆粒催化劑包括鎳和可選的一種或多種貴金屬，而結構催化劑包括一種或多種貴金屬。一個或多個蒸汽重整催化劑和/或一種或多種催化劑容器可以包含在管中。優選的蒸汽重整催化劑容納結構催化劑在US2011/194991A1中介紹。這些結構催化劑包括一系列的催化劑杯，這些催化劑杯一個堆垛在另一個頂部，其中，催化劑杯有開口頂部、關閉底部和在側壁中的一系列穿孔，用于引導流體流過反應器，流體導管有效地徑向引導流體流，以便接觸管的內壁;杯容納顆粒催化劑。杯還可以有密封機構，以便使得通過在杯的上部外邊緣和管壁的內部之間的間隙的流體流減至最小。可以使用的可選蒸汽重整催化劑容納結構催化劑包括在US2012277331中介紹的結構催化劑。
[0026]本發明還提供了一種用于在豎直反應管中進行反應的方法，該方法包括以下步驟:(i)使得供給氣體混合物通過布置在反應器中的反應管；以及(ii)從反應管中回收已反應氣體混合物，其中，催化裝置布置在反應管中，所述裝置包括:結構催化劑，該結構催化劑在反應管的上部部分中；顆粒催化劑，該顆粒催化劑在所述結構催化劑下面在所述反應管的下部部分中；以及催化劑支承裝置，該催化劑支承裝置布置在結構催化劑和顆粒催化劑之間，其中，催化劑支承裝置包括圓柱形本體，該圓柱形本體有用于與結構催化劑連接的第一端，直徑為管的內徑的70-90 %，且長度/直徑在0.5-2.5范圍內。
[0027]因此，在用于烴的蒸汽重整的方法中，本發明包括以下步驟:(i)使得包括烴和蒸汽的供給氣體混合物通過布置在蒸汽重整器內的多個外部加熱豎直管；以及(ii)從管中回收已重整氣體混合物，其中，催化裝置布置在管中，所述裝置包括:結構蒸汽重整催化劑，該結構蒸汽重整催化劑在反應管的上部部分中；顆粒蒸汽重整催化劑，該顆粒蒸汽重整催化劑在所述結構催化劑下面在所述反應管的下部部分中；以及催化劑支承裝置，該催化劑支承裝置布置在結構催化劑和顆粒催化劑之間，其中，催化劑支承裝置包括圓柱形本體，該圓柱形本體有用于與結構催化劑連接的第一端以及第二端，該圓柱形本體的直徑為管的內徑的70-90%，且長度/直徑在0.5-2.5范圍內。
[0028]烴原料可以是甲烷、天然氣或石腦油，優選是包含較高(S卩>90%)甲烷含量的天然氣。在重整之前，烴原料優選是脫硫，例如使得烴通過合適的硫化合物吸收劑(例如氧化鋅)的床。
[0029]在重整處理過程中，甲烷與蒸汽反應，以便產生氫氣和氧化碳。包含存在的兩個或更多碳原子的任何烴都轉變成甲烷、一氧化碳和氫氣。另外，發生可逆的水-氣體轉移反應。
[0030]蒸汽重整反應在高于350°C的溫度下在管中在蒸汽重整催化劑上進行，通常，離開管的處理流體的溫度在650-950°C的范圍內。環繞管的外部流動的熱氣體可以有在500-2000 °C范圍內的溫度。
[0031]通向管形反應器的進口質量速率G定義為在進口端處的質量流速w(例如具有單位kg/s)除以管的截面流動面積A(例如具有單位m2)，S卩G = w/A。如在Perry的ChemicaIEngineers Handbook，第6版第18-24頁至18-27頁中所述，術語G/Φ的使用能夠使得其它氣體與空氣比較，其中，Φ是(pg/pair)的平方根，其中，Pg是感興趣的氣體的密度，Pair是空氣的密度。對于本發明，Pg是在蒸汽重整器的進口處的供給氣體混合物的密度，單位是kg/m3，而Pair是1.2kg/m3。這里，術語G/Φ稱為變化密度進口質量速率。供給氣體混合物可以引入為具有5.7kg/m2s至30kg/m2s的變化密度進口質量速率，或者7kg/m2s至30kg/m2s，或者8kg/m2s至30kg/m2s。可能不希望使得在管的整個長度上具有普通丸粒催化劑的重整器在這些高變化密度質量速率下操作，因為產生的高壓力降需要更高壓縮能量。
[0032]通過結構催化劑的壓力降可以是5000Pa至50000Pa每米長度結構催化劑。
[0033]本發明的裝置和方法可以用作用于制造氫氣、甲醇、二甲醚、石蠟、氨、尿素或烴液體例如柴油燃料(通過F i scher-T rops ch合成而獲得)的過程的一部分。因此，使用本發明的裝置或在本發明的方法中獲得的已重整氣體混合物可以進行進一步的處理步驟，包括氫氣分離、甲醇合成、二甲醚合成、石蠟合成、氨合成或烴液體合成的步驟。已知的方法可以用于完成這些步驟。
【附圖說明】
[0034]下面將參考附圖進一步說明本發明，附圖中:
[0035]圖1描述了氣體加熱流重整器，該氣體加熱流重整器包括多個外部加熱的、充滿催化劑的豎直管，具有在該管的出口附近的顆粒催化劑和在該管的入口附近的結構催化劑；
[0036]圖2是比較催化劑支承裝置；
[0037]圖3是比較催化劑支承裝置；
[0038]圖4描述了在新安裝時的反應管，該反應管有在顆粒催化劑上面的結構催化劑，其中，結構催化劑支承在圖3的對比支承裝置上；
[0039]圖5描述了在使用過程中的反應管，該反應管有在顆粒催化劑上面的結構催化劑，其中，空隙已經形成于催化劑之間，且結構催化劑支承在圖3的對比支承裝置上；
[0040]圖6描述了在新安裝時的反應管，該反應管有在顆粒催化劑上面的結構催化劑，其中，結構催化劑支承在根據本發明的支承裝置上；
[0041]圖7描述了在使用過程中的反應管，該反應管有在顆粒催化劑上面的結構催化劑，其中，空隙已經形成于催化劑之間，且結構催化劑支承在根據本發明的支承裝置上；
[0042]圖8描述了在新安裝時的反應管，該反應管有在顆粒催化劑上面的結構催化劑，其中，結構催化劑支承在根據本發明的支承裝置上，該支承裝置容納顆粒催化劑的儲存器；
[0043]圖9描述了在開始時的反應管，該反應管有在顆粒催化劑上面的結構催化劑，其中，結構催化劑支承在根據本發明的支承裝置上，該支承裝置容納顆粒催化劑的儲存器；
[0044]圖10描述了在使用過程中的反應管，該反應管有在顆粒催化劑上面的結構催化劑，其中，空隙已經形成于催化劑之間，且結構催化劑支承在根據本發明的支承裝置上，該支承裝置容納顆粒催化劑的儲存器。
【具體實施方式】
[0045]在圖1中表示了氣體加熱重整器(GHR)，該氣體加熱重整器(GHR)有外部隔離壓力殼10，該外部隔離壓力殼10包圍三個區域11、12、13，這三個區域11、12、13由殼壁和管板14、15來確定。區域11 (處理流體供給區域)由殼壁和管板14來確定。它設有處理流體供給導管16，具有多個豎直換熱管17，這些豎直換熱管17固定在管板14上，并從該管板14向下延伸。使用的管的數目將取決于操作的規模:盡管只表示了 5個管，但是通常可以有50個或更多這樣的管。為了流重整，管17將在從靠近管出口的位置至中間位置處(A-A’至B-B’)充滿合適的顆粒流重整催化劑18，例如根據W02010/029323或W02010/029324的、耐火氧化物支承鎳催化劑的多孔圓柱體，并在從該中間位置至管的進口處(B-B’至C-C’)充滿結構催化劑19，例如根據US2012/0195801的波狀扇形結構催化劑。中間支承裝置布置在顆粒催化劑和結構催化劑之間(未示出)。區域12(換熱區域)由殼壁和管板14、15來確定。換熱管17穿過換熱區域12延伸，并通過文氏管密封件20而可運動地附接在管板15上。換熱區域12通過導管21而供送熱介質，例如熱氣體，該導管21位于殼10中并在管17的底部附近。加熱介質向上通入換熱區域中，它在該換熱區域中與管17換熱，然后通過導管22而除去，該導管22位于殼10中并在管17的頂部附近。橫向導流板23用于使得加熱介質在換熱區域12內橫過重整器水平轉向，并提高它與管的換熱。區域13 (處理流體取出區域)由殼1的壁和管板15來確定。文氏管密封件20端部開口，并在管板15下面延伸至取出區域13內。已重整氣體從管17通過文氏管密封件20進入取出區域13，它們通過處理流體取出導管24而從該取出區域13中除去。在使用中，包括烴和蒸汽的處理流體在升高的溫度和壓力下通過供給導管16而供給至處理流體供給區域11，從那里向下通過充滿催化劑的管17，首先與結構催化劑19接觸，然后與顆粒催化劑18接觸。在換熱區域12中與加熱介質換熱，并發生重整反應。進行了重整的氣體通過管17，從那里通過文氏管密封件20通向取出區域13，它們通過取出導管24而從該取出區域13處除去。
[0046]圖2和3表示了比較結構催化劑支承格柵的兩個示例。在兩個附圖中，用于結構催化劑的支承部件成中心桿40的形式。支承部件的底部附接在圓形基部板42上。基部板穿有多個孔，以便允許處理氣體在結構催化劑和顆粒催化劑之間流過。這些孔可以采取三角形44(如圖2中)或圓形46(如圖3中)的形式。
[0047]圖4表示了在重整器管50內的、圖3的結構催化劑支承格柵(以截面表示)。支承部件40與基部42和孔46—起表示為安裝在重整器管50中。結構催化劑為這樣的類型，其中，蒸汽重整催化劑涂覆在結構上。涂覆的結構催化劑采取一系列催化劑涂覆盤52的形式，這些催化劑涂覆盤52附接在支承部件40上，與一系列催化劑涂覆環54交替，該結構催化劑安裝在重整器管50的上部部分中。可以使用任何形式的結構催化劑。結構催化劑置于顆粒催化劑56的頂部上，且結構催化劑的重量由基部42和支承部件40來支承。顆粒催化劑56為這樣的類型，其中，蒸汽重整催化劑浸漬在陶瓷丸粒上。顆粒催化劑采取具有4個孔的陶瓷圓柱體的形式，這4個孔與丸粒的軸線對齊，且顆粒催化劑以隨機圖形塞入重整器管50的下部部分內。處理氣體沿著箭頭58和60流過結構催化劑。在涂覆的結構催化劑52、54中，處理氣體交替地流向重整器管壁，然后流入管的軸線中，從而在它流過管壁時收集熱量，并使用該熱量來提供用于在催化劑涂覆盤和環上的吸熱蒸汽重整反應的熱量(在返回管壁用于補充熱量之前)。當催化劑到達結構包裝件的底部時，氣體沿箭頭62流動，并流過在基部中的孔，然后通入顆粒催化劑中。
[0048]圖5與圖4相同，除了它表示在顆粒催化劑56已經不均勻沉積(settle)時的情況。因為顆粒催化劑不均勻沉積，且結構催化劑支承基部42占據重整器管的大部分，因此結構催化劑保持懸掛在與圖4中相同的位置。因此，空隙64形成于支承基部的下面。在顆粒催化劑中的空隙將具有在管和處理氣體之間的較低傳熱，管壁將比沒有空隙時的情況更熱。這是因為顆粒催化劑在管壁附近的流體中產生較高程度的湍流，這與在沒有催化劑時的情況相比產生了更高的換熱系數。當結構催化劑卡在管中，同時全部顆粒催化劑都沉積，從而在重整器管的整個截面上都留下空隙時，也將產生相同效果。
[0049]圖6表示了與圖4相同類型的結構催化劑和顆粒催化劑，除了它表示了用于結構催化劑的催化劑支承裝置的不同結構。在圖6中，催化劑支承裝置是圓柱形本體72，該圓柱形本體72有從第一最上端伸出的、用于支承結構催化劑的桿40，該最上端可以是催化劑涂覆盤52。為了剛性，在本例中，桿40也穿過圓柱體72從第一端延伸至第二端70。圓柱體72由直徑與盤52相同的實心金屬板來形成。在本例中，第二端70并不需要有用于處理氣體流過的任何孔，因為圓柱體72防止氣體流向基部。不過，在圓柱體中或在第二端中可以有小的通氣孔，以便能夠在圓柱體的內部和外部之間壓力平衡。因為圓柱體為實心，因此迫使離開結構催化劑的處理氣體流入在圓柱體和管壁之間的環形間隙(按照箭頭74)。通過圓柱體相對于重整器管的合適直徑，該氣體將以足夠高的速度流動，以便產生與在顆粒催化劑中所見相同或類似量的高換熱系數。當氣體離開在圓柱體和重整器管之間的環形區域時，它將進入顆粒催化劑，且處理氣體流將在幾個顆粒直徑內使其自身均勻地分布在重整器管的截面上。
[0050]圖7與圖6相同，除了它表示顆粒催化劑56已經不均勻沉積時的情況。當顆粒催化劑不均勻沉積，且結構催化劑支承裝置占據重整器管的大部分時，結構催化劑保持懸掛在與圖6中相同的位置。因此，空隙64形成于第二端下面。在這種情況下，流出結構催化劑74的高速氣體流將在管壁上繼續作為氣體射流76來流動，直到它到達顆粒催化劑的表面。因此，在這種情況下，在空隙區域內的管壁上也保持高傳熱，表示了該裝置與圖5中相比的優點。當結構催化劑粘在管中，同時全部顆粒催化劑都沉積，從而在重整器管的整個截面上都留下空隙時，也將產生相同效果。
[0051]圖8與圖6相同，除了它表示圖6中的設計的可選設計，其中有顆粒催化劑的儲存器，以便滿足顆粒催化劑沉積的需要。圖8表示了在重整器起動之前催化劑安裝在重整器中時的情況。支承部件40與前面附圖中相同，但是在本例中，圓柱形本體為倒杯形結構80的形狀，該倒杯形結構80有合適的厚度，承受來自結構催化劑的重量和壓力降負載。倒杯形結構80有唇緣82，該唇緣82從圓柱形壁的開口端向內凸出，該唇緣82提供了負載承載表面，用于將結構催化劑支承在顆粒催化劑上和將負載分散至更多數量的丸粒上。倒杯形結構80容納多個顆粒催化劑丸粒，從而形成催化劑儲存器84。因為杯形結構倒轉，因此臨時隔膜86附接在唇緣82上，以便在結構催化劑裝載的過程中保持催化劑儲存器84。臨時薄膜為在蒸汽重整器起動時將熔化或氣化的材料。氣流將恰好與圖6中所示相同，具有在催化劑儲存器和重整器管之間的高速環形流74，從而產生高傳熱。
[0052]圖9與圖8相同，除了它表示當重整器開始操作時的情況。在本例中，臨時隔膜86已經在蒸汽重整器溫度升高時氣化，從而釋放催化劑儲存器84，在該儲存器中的顆粒催化劑丸粒已經稍微下降，直到它們擱置在顆粒催化劑床56上。
[0053]圖10與圖9相同，除了它表示當顆粒催化劑56已經不均勻沉積時的情況。當顆粒催化劑不均勻沉積，且結構催化劑支承唇緣82占據重整器管的大部分時，結構催化劑保持懸掛在與圖9中相同的位置。在本例中，來自儲存器84的顆粒催化劑下落至形成的任何空隙中，從而防止在顆粒催化劑床中形成空隙。空隙90形成于催化劑儲存器內，但是對催化劑的性能沒有任何影響，因為圍繞杯狀結構的處理氣體流74保持按照圖9。恰好在催化劑支承唇緣82下面靠近管壁處可以保留一些小空隙，或者在該區域中催化劑填塞較差，不過，流出結構催化劑74的高速氣體流將補償這些限制效果。因此，在本例中，在顆粒催化劑沉積時仍然在管壁上保持高傳熱，從而表示了該裝置與圖5和7中相比的優點。當結構催化劑粘在管中，同時全部顆粒催化劑都沉積時，也將產生相同效果。當顆粒催化劑中的沉積程度大于正常情況(由于某種原因)，且催化劑儲存器耗盡時，情況返回至圖7中所示的情況，其中，高速氣體射流76流過在空隙64中的管壁。
【主權項】
1.一種布置在豎直的反應管內的催化裝置，所述催化裝置包括:結構催化劑，所述結構催化劑在反應管的上部部分中；顆粒催化劑，所述顆粒催化劑在所述反應管的下部部分中且在所述結構催化劑下面；以及催化劑支承裝置，所述催化劑支承裝置布置在結構催化劑和顆粒催化劑之間，其中，催化劑支承裝置包括圓柱形本體，所述圓柱形本體具有用于與結構催化劑連接的第一端以及具有第二端，所述圓柱形本體的直徑為反應管的內徑的70-90 %，且長度/直徑在0.5-2.5范圍內。2.根據權利要求1所述的催化裝置，其中:結構催化劑包括支承在結構上或容納于結構中的催化劑。3.根據權利要求1或2所述的催化裝置，其中:第一端包括桿、銷或其它定位凸起，所述桿、銷或其它定位凸起與在結構催化劑中的合適孔匹配。4.根據權利要求1至3中任意一項所述的催化裝置，其中:催化劑支承裝置具有兩個或更多的周邊凸耳或凸片，這些周邊凸耳或凸片繞圓柱形本體的外表面均勻間隔開，以便使得圓柱形本體在管內沿中心布置。5.根據權利要求4所述的催化裝置，其中:凸耳或凸片引導氣體在催化劑支承裝置和管的內壁之間的流動。6.根據權利要求1至5中任意一項所述的催化裝置，其中:圓柱體的外表面包括一個或多個槽，以便豎直地或者與管的中心軸線成角度地引導氣體在催化劑支承裝置和管的內壁之間的流動。7.根據權利要求1至6中任意一項所述的催化裝置，其中:圓柱形本體包括在第一端中的多個孔，所述孔通向穿過催化劑支承裝置的槽道，所述槽道在沿圓柱體的長度的一個或多個點和/或第二端處開口于圓柱體的外表面上。8.根據權利要求1至7中任意一項所述的催化裝置，其中:圓柱形本體包括顆粒催化劑的儲存器。9.根據權利要求8所述的催化裝置，其中:圓柱體的第二端包括可熱分解的材料，所述可熱分解的材料在反應管起動之前或起動過程中通過加熱而分解，以便在第二端中提供顆粒催化劑能通過的開口。10.根據權利要求9所述的催化裝置，其中:圓柱形本體的第二端由從聚丙烯或卡片中選擇的薄隔膜來關閉。11.根據權利要求8至10中任意一項所述的催化裝置，其中:圓柱體的長度是顆粒催化劑的顆粒尺寸的至少5-10倍。12.根據權利要求1至11中任意一項所述的催化裝置，其中:結構催化劑設置成使它自由地沿反應管向下運動。13.根據權利要求1至12中任意一項所述的催化裝置，其中:結構催化劑與顆粒催化劑的比例在1:9至9:1的范圍內，優選是1:3至2:1。14.根據權利要求1至13中任意一項所述的催化裝置，其中:所述催化裝置包括結構蒸汽重整催化劑和顆粒蒸汽重整催化劑，豎直反應管布置在催化蒸汽重整器內。15.根據權利要求14所述的催化裝置，其中:催化蒸汽重整器是頂燒式蒸汽重整器或者側燒式蒸汽重整器，其中，熱氣體通過使用多個燃燒器燃燒燃料氣體來提供，所述多個燃燒器布置在管的頂端，或者沿管的長度布置。16.根據權利要求14所述的催化裝置，其中:蒸汽重整器是氣體加熱重整器(GHR)，其中，熱氣體通過來自燃燒處理的燃料氣體來提供，或者是通過烴的催化或非催化局部氧化或通過烴和/或已重整氣體混合物的自熱重整而產生的氣體。17.根據權利要求14至16中任意一項所述的催化裝置，其中:所述管具有圓形截面，具有5至15m的長度和在5至30cm范圍內的內徑。18.根據權利要求14至17中任意一項所述的催化裝置，其中:顆粒蒸汽重整催化劑由耐火支承材料形成，所述耐火支承材料浸漬有鎳、貴金屬或者它們的混合物。19.根據權利要求14至18中任意一項所述的催化裝置，其中:顆粒蒸汽重整催化劑包括圓柱形丸粒，具有一個或多個通孔，直徑在3mm-50mm的范圍內，長度直徑比在0.5-2.0的范圍內。20.根據權利要求14至19中任意一項所述的催化裝置，其中:結構蒸汽重整催化劑是支承在結構上的蒸汽重整催化劑。21.根據權利要求20所述的催化裝置，其中:結構蒸汽重整催化劑包括金屬或陶瓷成形的單元，所述單元洗滌涂覆有一層蒸汽重整催化劑。22.根據權利要求20或21所述的催化裝置，其中:結構催化劑呈一個或多個圓柱形單元的形式，所述圓柱形單元具有與管符合的直徑，其中，所述圓柱形單元置于所述管中，圓柱形單元包括穿孔和/或折疊葉片和/或凸片，所述穿孔和/或折疊葉片和/或凸片使得處理流體在它通過圓柱形單元時軸向和徑向流動。23.根據權利要求14至19中任意一項所述的催化裝置，其中:結構蒸汽重整催化劑是包含在結構內的蒸汽重整催化劑。24.根據權利要求23所述的催化裝置，其中:容納蒸汽重整催化劑的結構包括離散的催化劑容器、杯或罐，這些催化劑容器、杯或罐包括通道，處理流體能以有序、非隨機的方向通過所述通道。25.根據權利要求23或24所述的催化裝置，其中:容納在結構中的催化劑呈催化劑顆粒、催化金屬或陶瓷泡沫、或者催化金屬或陶瓷蜂窩結構的形式。26.根據權利要求23至25中任意一項所述的催化裝置，其中:蒸汽重整催化劑包括在耐火氧化物上的鎳、貴金屬或者它們的混合物。27.—種用于在豎直反應管中進行反應的方法，所述方法包括以下步驟:(i)使得供給氣體混合物通過布置在反應器中的反應管；以及(ii)從反應管中回收已反應的氣體混合物，其中，催化裝置布置在反應管中，所述催化裝置包括:結構催化劑，所述結構催化劑在反應管的上部部分中；顆粒催化劑，所述顆粒催化劑在所述反應管的下部部分中且在所述結構催化劑下面；以及催化劑支承裝置，所述催化劑支承裝置布置在結構催化劑和顆粒催化劑之間，其中，催化劑支承裝置包括圓柱形本體，所述圓柱形本體具有用于與結構催化劑連接的第一端和具有第二端，圓柱形本體的直徑為反應管的內徑的70-90%，且長度直徑的比在0.5-2.5范圍內。28.根據權利要求27所述的方法，還包括以下步驟:(i)使得包括烴和蒸汽的供給氣體混合物通過布置在蒸汽重整器內的多個外部加熱的豎直管；以及(ii)從管中回收已重整的氣體混合物，其中，催化裝置布置在管中，所述催化裝置包括:結構蒸汽重整催化劑，所述結構蒸汽重整催化劑在反應管的上部部分中；顆粒蒸汽重整催化劑，所述顆粒蒸汽重整催化劑在所述反應管的下部部分中且在所述結構催化劑下面；以及催化劑支承裝置，所述催化劑支承裝置布置在結構催化劑和顆粒催化劑之間，其中，催化劑支承裝置包括圓柱形本體，所述圓柱形本體具有用于與結構催化劑連接的第一端以及具有第二端，所述圓柱形本體的直徑為管的內徑的70-90%，且長度直徑的比在0.5-2.5范圍內。29.根據權利要求28所述的方法，其中:供給催化劑涂覆結構塞入件的混合物的變化密度進口質量速率在530kg/m2s至30kg/m2s的范圍內。30.根據權利要求1-27中任意一項所述的裝置或根據權利要求28或29所述的方法用于合成氫氣、甲醇、二甲醚、石蠟、氨、尿素或烴液體的過程中。
【文檔編號】B01J8/06GK106068159SQ201580011477
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2015年2月17日 公開號201580011477.2, CN 106068159 A, CN 106068159A, CN 201580011477, CN-A-106068159, CN106068159 A, CN106068159A, CN201580011477, CN201580011477.2, PCT/2015/50448, PCT/GB/15/050448, PCT/GB/15/50448, PCT/GB/2015/050448, PCT/GB/2015/50448, PCT/GB15/050448, PCT/GB15/50448, PCT/GB15050448, PCT/GB1550448, PCT/GB2015/050448, PCT/GB2015/50448, PCT/GB2015050448, PCT/GB201550448
【發明人】P·W·法內爾
【申請人】莊信萬豐股份有限公司