[发明专利]催化反应器

说明书

本发明涉及一种适合用于将天然气转换为长链烃的化学工艺的催化反应器，和包括这类催化反应器以执行所述工艺的装置，特别涉及一种适用于重整工艺的催化反应器。

在WO 01/51194与WO 03/048034(Accentus plc)描述的工艺中，甲烷与蒸汽在第一催化反应器中发生反应，生成一氧化碳和氢气；所产生气体混合物然后在第二催化反应器用来进行费-托合成。整体结果是将甲烷转变为在环境条件下通常为液体的高分子量烃类。这种工艺的两个阶段，蒸汽/甲烷重整和费-托合成，需要不同的催化剂，和热量分别被转移到反应气体或者从反应气体移出，因为所述反应分别是吸热和放热的。用于两个不同阶段的反应器必须符合在某种程度上不同的要求：费-托合成通常在较高的压力下进行，但其温度比蒸汽/甲烷重整的温度低；在费-托反应器传热通道中，只需要冷却剂流体，而蒸汽/甲烷重整所需的热量一般通过催化燃烧来获得，因此，需要合适的催化剂。

在每种情况下，所述反应器优选形成板的叠层，在所述板之间限定流体通道，用于不同流体的流体通道在所述叠层交替。在那些需要催化剂的通道中，这优选地采用波纹状金属基材形式，该基材负载陶瓷涂层中的催化剂，当催化剂耗尽时，将这样的波纹状结构从所述通道移除。然而，当两种流体存在大的压差处，将容易导致板弯曲，因此，在催化剂结构和板之间传热被阻止，并且这也可能导致难以去除或更换催化剂结构；然而，如果要使板足够坚固到可以抵抗所述压差，板将不得不增厚和/或使通道变窄，那么流通体积在整个反应器中所占的体积比将变少。

本发明提供一种用于重整反应的紧凑型催化反应器，包括反应器模块，该反应器模块在模块内部限定出许多交替安排的第一和第二流体通道，该流体通道用于传送第一和第二气流，反应器适合采用压力高于环境压力而且不低于第二气流压力的第一气流；其中发生化学反应的每一流体通道包括结合了金属基材的可除去的、可透气的催化剂结构；而且其中反应器模块用压力容器封装，压力容器内压力被安排为基本上第一气流的压力。

如果压力容器内的压力基本上为第一气流的压力，那么反应器模块内的所有流体通道或者处于环境压力下或者在压缩状态之下。因此，反应器模块没有任何部份处在张力之下。优选地，安排第一气流流过压力容器的至少一部分，或者到达第一流体通道或者离开第一流体通道。

蒸汽/甲烷重整反应一般在高于750℃的温度下进行，而且构成重整通道的材料暴露于热的反应性气体中，因此，用于制造反应器模块的材料必须坚固而且在这个温度下具有耐腐蚀性。合适的金属是用于高温的铁/镍/铬合金，例如Haynes HR-120或Inconel 800HT(商标)，或类似的材料。压力壳体不必处于这样高的温度，可以采用比较低廉的，诸如碳钢之类的材料。优选地，反应器模块设有热绝缘，用来减少损失到压力壳体并因此到环境的热。替代性地或额外地，压力壳体的内表面也可以设有这样的热绝缘。

由结构材料组成的反应器模块所占的体积比(催化剂除外)可少于60％，优选少于50％，甚至可以小于40％。

用于催化剂结构的金属基材优选合金钢，加热时形成附着的氧化铝表面涂层，例如铝-载铁素体钢，例如含有15％铬，4％铝，以及0.3％钇的铁(例如Fecralloy(TM))。当该金属在空气中受热时，它形成附着的氧化铝氧化物涂层，这保护合金不受到更进一步氧化和腐蚀。其中陶瓷涂层是氧化铝，这看起来好像在表面上结合了氧化物涂层。基材可以是箔、金属丝网或毡板，形状可以是波纹状、涟漪或褶状；基材优选薄的金属箔，例如其厚度小于100μm。

可将这样结合着催化材料的波纹状基材插入流体通道中，用于重整反应的流体通道与用于提供热量的流体通道交替分布。在流体通道内，催化剂结构的金属基材提高传热和催化剂表面积。催化剂结构可以从模块内通道移除，以便催化剂耗尽时，可以将其替换。其中压力容器与一系列流体通道连通，这样便不用提供任何与在模块一端的流体通道相连通的集管，以至于可以轻松实现催化剂结构的移除和置换；这可能需要从压力容器除去反应器模块。

反应器模块可包括叠板。例如，第一和第二流体通道可以通过各自板中的槽来限定，板相叠，然后结合在一起。或者，可以由齿形的薄金属片与扁平板交替地相叠，从而限定出流体通道。流体通道的边缘可以由密封条限定。形成反应器模块的叠板通过诸如扩散粘结、钎焊、或热静压之类的方式结合在一起。