[发明专利]包括提供改善的气流分布的催化结构的催化反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有特别布置的多孔催化结构的催化反应器。

背景技术

公知由陶瓷或甚至金属合金制成的泡沫用作化学反应、更具体地异种催化反应中的催化剂基体。这些泡沫特别有益于高放热或吸热反应(例如，放热费托(Fischer-Tropsch)反应、水-气转化反应、部分氧化反应、甲烷化反应等)，和/或需要高空间速度的催化反应(天然气、石脑油等的蒸汽重整)。

最普遍的用于形成具有开口宏观孔隙的陶瓷泡沫的方法包括使用陶瓷粒子在水溶液或有机溶剂中的悬浮液浸润聚合物泡沫(通常为聚氨酯或聚酯泡沫)，并切割成所需的几何形状。通过重复地施加压缩或通过离心旋转从聚合物泡沫去除多余的悬浮液，以便仅在聚合物的线料(strand)上留下一薄层悬浮液。在利用该方法对聚合物泡沫进行一次或多次浸润之后，使泡沫干燥以去除溶剂同时维持沉积的陶瓷粉末层的机械完整性。然后通过两个阶段将泡沫加热至高温。被称为粘合剂去除阶段的第一阶段在于通过缓慢和受控地升高温度来降解悬浮液中可能存在的聚合物和任何其它有机化合物，直到挥发性有机化合物被彻底去除(通常为500-900℃)。被称为烧结的第二阶段包括使用高温热处理合并残余无机结构。这种制造方法因此可以获得作为初始聚合物泡沫的复制品的无机泡沫，接近由于烧结造成的收缩。可通过该方法实现的最终孔隙率对于范围为从0.2mm至5mm的孔隙尺寸能够覆盖从30％至95％的范围。最终孔隙尺寸(或开口宏观孔隙)源自初始有机“模板”(通常为聚合物或聚氨酯泡沫)的宏观结构。所述宏观结构通常从60ppi至5ppi变化(ppi代表每英寸的孔隙，孔隙的尺寸为从50μm到5mm)。

泡沫也可为具有允许组织结构(architecture)在操作条件(温度、压力、组分、气体等)下具有化学稳定性的化学成分的金属性质。在应用于天然气的蒸汽重整的情况下，金属多孔组织结构包括基于表面氧化的NiFeCrAl的化学成分，该表面氧化或钝化层可以形成保护金属合金免于任何腐蚀现象的微米尺度的氧化铝层。钝化层从初始成分中包含的化学元素(Al、Cr等)获得，或在通过包渗(pack cementation)等使用化学气相沉积向金属泡沫附加之后获得。

陶瓷和/或覆盖有陶瓷的金属的多孔组织结构在多方面是用于催化剂的良好支承物：

-它们具有最大的表面积/体积(m²/m³)比，以便增加用于交换的几何面积并因此间接提高了催化效力，

-它们使沿床(在催化反应器的进口与出口之间)的压降最小，

-它们具有轴向和/或径向效力改善的热传递。轴向是指沿催化反应器的轴线，径向是指从催化反应器的内壁或外壁朝催化床的中心，

-它们改善了所述床所承受的热机械和/或热化学应力，

-它们与通过常规结构(球体、球丸、圆柱体、筒体等)造成的随机填充相比提高了管的填充密度，

-填充的控制可以确保从一个管到另一个管的填充均匀性。

为给定反应选择的适当结构常常是使这些不同因素最优化与催化剂的相关的组织结构/微观结构之间的折衷结果。

此外，在由若干平行的管组成的反应器的情况下，一个其它系列问题是管的填充均匀性。具体地，该工艺的优化操作要求各个管具有类似的方式，特别是在压降和使热点最小化方面。这包括管的填充的严格的品质控制。

固定床催化反应器的整体结构是多级“现象”：

-催化剂的微观结构(催化剂＝微观结构＝活性相+支承物或活性相-组件安放在基体上的支承物)本身，即其化学成分；支承物的微观孔隙和/或中孔隙；活性相的尺寸、分散和金属表面；沉积物的厚度、支承颗粒的颗粒大小分布等。

-催化材料的组织结构(催化材料＝催化剂+由陶瓷或覆盖有氧化物层的金属制成的基体＝微观结构+组织结构)，也就是说基体的几何形式(颗粒、筒体、蜂窝状整块、泡沫型多孔结构、球体、珠体、棒等)、基体的孔隙率、基体的颗粒大小、壁厚(整块、泡沫等)等。

-反应器内的床结构(结构＝催化材料堆＝组织结构和微观结构堆)，也就是说催化反应器内受控的组织结构/微观结构的催化材料的布局。例如，可借助催化床结构设想可以或可以不包括不同功能的非催化元素的连续堆叠。

催化反应器的整块式结构的缺点之一在于这些结构与容纳它们的管(反应室)之间的膨胀差；这种膨胀差容易引起某些组织结构(整块等)与管内壁之间不充分接触。这种物理不连续引起：

-气体优先沿壁流动(旁通效应)

-管与有关的催化床的区域之间缺乏传导性热传递。