[发明专利]催化反应器

说明书

本发明涉及催化反应器，其适于在升高的温度下进行并且要求传热的化学工艺中使用。例如，所述工艺可以是重整工艺。

在WO01/51194和WO03/048034(Accentus plc)中描述了一种工艺，其中甲烷和蒸汽反应，以在第一催化反应器中生成一氧化碳和氢气；所得气体混合物随后用于在第二催化反应器中进行Fischer-Tropsch合成。总体结果是将甲烷转变成较高分子量的烃，所述烃在环境条件下通常是液态或者蜡状。该工艺的两个阶段，蒸汽/甲烷重整和Fischer-Tropsch合成，要求不同的催化剂，并且由于反应分别是吸热性和放热性的，所以分别要求将热量传递到反应气体或者从反应气体传出。重整反应典型在大约800℃的温度下进行，所需热量可以由催化燃烧提供。

根据本发明，提供了用于在反应剂之间进行化学反应的紧凑型催化反应器，所述反应器限定了多个交替排列的第一和第二流动通道，第一流动通道提供用于反应剂的流动途径，第二流动通道提供用于反应的热源，其中，将在其中发生化学反应的每个流动通道包含可去除的、流体可渗透的催化剂结构；其中限定第一流动通道的壁具有发射系数高的表面。

优选地，所述壁经处理以确保发射系数至少是抛光的、有光泽表面的数值的两倍，或者至少是0.6，更优选至少0.7。例如，表面可以通过蚀刻或者阳极化进行处理。因此，发射系数可以升高到0.90或者0.95，但是这取决于材料。优选，限定第二流动通道的壁也具有所述高发射系数。发射系数值是在反应器操作温度的总发射系数值。这种增加的发射系数意味着辐射的吸收和发射都增加。

反应器特别适于在高于大约500℃的温度进行的反应，特别适于在高于例如750℃进行的反应，限定流动通道的材料暴露到热反应气体下，从而用于制备反应器的材料必须在此温度下坚固并能抗腐蚀。例如，在用于蒸汽重整的反应器的情况下，合适的金属是用于高温用途的铁/镍/铬合金，比如Haynes HR-120或者Inconel 800HT(商标)，或者类似材料。

反应器可以包括叠层板。例如，第一和第二流动通道可以由各个板中的沟槽限定，所述板被堆叠起来然后结合到一起。或者，流动通道可以由薄金属片限定，所述金属片成城堡状排列(castellated)并和平片交替堆叠；流动通道的边缘可以由密封条限定。为了确保所需的良好热接触，第一和第二气体流动通道的深度都可以是10mm-2mm，优选小于6mm，更优选为3-5mm。形成反应器模块的板的叠层例如通过扩散结合、钎焊或者热等静压结合在一起。但是应该注意到，板的表面需要在将结合的地方没有表面缺陷，所以通常在组装和结合之前被赋予高的表面精度，这使得它们的发射系数低；所以，通常在组装了反应器部件之后进行处理以提高发射系数，但是也可以预先进行所述处理。

催化剂结构优选具有金属衬底以提供强度和提高传导传热，从而防止出现热点。通常，金属衬底被覆盖有陶瓷涂层，在涂层中结合了活性催化材料。优选地，用于催化剂结构的金属衬底是在加热时形成氧化铝粘合性表面涂层的钢合金，例如含铝的铁素体钢(例如，Fecralloy(TM))。当该金属在空气中加热时，形成氧化铝的粘合性氧化物涂层，该涂层保护所述合金免受进一步氧化和免遭腐蚀。当所述陶瓷涂层是氧化铝涂层时，这看起来是结合到表面上的氧化物涂层上。优选，每种催化剂结构经成形以将流动通道划分成多个平行的流动子通道，在每个子通道的表面上具有催化材料。衬底可以是箔、丝网或者毡片，其可以经过成波纹处理、成涟漪处理或者褶皱处理；优选的衬底是例如厚度小于100μm的薄金属箔。

因此，在一个实施方案中，催化剂结构结合了波纹状的金属箔。催化剂结构不是结构上的，也就是说，它不为反应器提供强度，所以所述催化剂结构可以插入到每个流动通道中，具有适于相应的反应的催化剂。催化剂结构可以从反应器中的通道中移开，因此如果催化剂被耗光，则可以将其替换掉。

适于蒸汽/甲烷重整反应的反应器可以根据本发明构建。因而，用于对天然气进行处理以获得长链烃的装置可以结合本发明的蒸汽/甲烷重整反应器，以使甲烷和蒸汽反应，从而形成合成气体。

现在将参考附图，仅仅通过举例方式，进一步地、更具体地描述本发明，其中：

图1示出了用于蒸汽/甲烷重整的反应器块的部分剖面图，其中部件被分开显示；和

图2示出了在反应器块被组装之后，沿着图1的线A-A的剖面图，其中去掉了一部分。