[发明专利]催化反应器和催化剂结构

说明书

技术领域

本发明涉及用于执行牵涉热交换的化学反应的反应器，该反应器限定了其中存在催化剂结构的通道，本发明还涉及用于此类反应器中的催化剂结构。

背景技术

例如在WO 03/033131中描述了由限定第一和第二流动通道的一堆金属片组成的催化反应器的使用，其中，在诸如流动通道内的波状箔的可去除插入物上提供催化剂，WO 03/033131描述了用于执行例如费－托合成法、蒸汽甲烷重整或燃烧的各种化学反应的此类反应器的使用。WO2010/067097还描述了一种催化反应器，其中，催化剂插入物可包括一个或多个波状箔。两组通道使得能够在那些通道的内容物之间进行热传递。例如，蒸汽甲烷重整是吸热反应，要求通常高于750℃的高温；并且可以通过在催化反应器内的另一组通道中发生的燃烧反应来提供所需的热量。费－托合成法是放热反应，因此在这种情况下，与用于合成反应的那些通道相邻的通道可以携载冷却剂。

不仅反应器内的热梯度趋向于导致形成反应器的材料内出现应力，而且还存在热逸溃的进一步风险。在一些放热催化反应的情况下，反应速率可以随着温度增加而增加；并且在这种情况下，在反应器内的温度和反应速率之间存在正反馈。这可能导致温度的快速增加，称为热逸溃，并且这可能导致对催化剂或对反应器或两者造成损坏，并将减少反应器的有用寿命。局部热点还对反应器的一致操作有害。

在上述类型的反应器中提供可去除的催化剂携载插入物是有利的，因为这使得反应器的寿命能够超过催化剂的寿命，有可能超过数倍。然而，为了将新的催化剂部署到反应器中，必须去除插入物并且插入新的插入物。为了有助于方便的插入物更换，优选的是最小化必须插入反应器的分离部件的数量。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种反应器，其限定了反应器内的第一和第二流动通道，第一流动通道和第二流动通道沿着它们的长度的至少主要部分在平行的方向上延伸，可去除催化剂插入物设置在反应将要发生的那些通道中，催化剂插入物包括结合在一起的多个箔并且其将流动通道分成多个流动子通道，并且其中，催化剂插入物的至少一个端部没有活性催化材料。

虽然已经提及了用于第一和第二流体的第一和第二流动通道，但应认识到的是，反应器可以限定用于多于两种不同流体的流动通道。

没有活性催化材料的那个端部在流动通道的该部分抑制反应，从而降低流动通道的该部分处的任何热传递的要求。这在如下的情况下是尤其有利的：第一或第二流动通道包括进口或出口部分，该进口或出口部分连接到进口或出口端口或连接到集管并且沿着与流动通道的长度的主要部分的方向不平行的方向延伸。优选地，活性催化材料仅仅设置在催化剂插入物的位于反应器的如下区域中的那些部分上：在该区域中，第一和第二流动通道在平行的方向上延伸。

至少一组流动通道中的催化剂插入物可略微长于那些流动通道的长度，从而从流动通道的端部突出。优选地，突出长度不超过20 mm，更优选地不超过10 mm，例如5 mm。该突出长度可使得催化剂插入物的后续移除更加容易。

用于箔的优选材料是高温耐腐蚀钢合金，例如含铝铁素体钢，尤其是已知为Fecralloy（商标名）的类型，其具有高至20％铬、0.5-12％铝以及0.1-3％钇的铁。例如，其可包括具有15％铬、4％铝以及0.3％钇的铁。当该金属在空气中被加热时，其形成氧化铝的粘附氧化物表面，该氧化铝的粘附氧化表面保护合金抵抗进一步氧化。该氧化物表面层还保护合金抵抗例如在甲烷氧化反应器或蒸汽/甲烷重整反应器中的普遍条件下的腐蚀。在该金属用作催化剂衬底并且涂覆有陶瓷涂层（催化剂材料并入该陶瓷涂层中）的情况下，金属上的氧化铝表面被认为与陶瓷涂层结合，从而确保催化材料粘附到金属衬底。

这种合金材料可能不是立刻具有合适的长度。例如，流动通道中的催化剂插入物的总长度可大于500 mm，例如是600 mm或800 mm。这可由多个端对端放置的分离的插入物组成，或者替代地，每个流动通道可包含单个插入物。该插入物可包括一堆箔，所述一堆箔中的至少一些是波状的，堆的每层包括端到端布置的多段箔，其中，在相继的层中，箔的端部相遇处的位置是交错的。这使得不需要将端到端布置的箔直接彼此结合，因为它们通过结合到堆中的相继一个或多个箔而相连。箔可通过铜焊结合到一起，并且可沿着波状褶皱的每个峰的整个长度结合到一起。替代地，它们可例如通过点焊被焊接到一起。