[发明专利]催化剂容纳反应器系统以及相关方法

说明书

交叉引用

本申请要求享有2011年12月6日所提交的题为“TUBULAR PACKED BED CATALYTIC REACTOR WITH COILED REACTOR TUBES AND ASSOCIATED METHODS”的美国临时专利申请No.61/567,340的优先权，上述申请通过引用方式并入本文。

背景技术

本领域已知将管状填充床催化反应器用于多种化学反应过程。在一般情况下，反应器管道中填充有颗粒催化剂，化学反应物流过管道并在其中进行化学反应。化学反应物通常是气态形式，但在某些情况下可以是液体，并且这同样适用于该反应的产物。在大多数情况下，反应产生热量或者消耗热量，其本身可能需要升高的温度，以实现实际的反应速率。

许多准则影响催化反应器的设计。其中典型的考虑因素是：(1)反应速率以及每单位反应物流所需要催化剂的对应量(体积)；(2)反应的热量以及温度要求；以及(3)管道内部的流体流量以及压力要求。

下面说明对于反应器几何形状的一些典型设计隐含要求和权衡，特别是管道的长度以及直径。由于相对小直径的管道具有较高的外表面与内部体积比，其提供更好的传热特性。然而，小直径限制流量，要求更高的入口压力。由于每单位长度的体积较小，它们还需要更长的管道长度用于给定的催化剂体积。另一方面，相对较大直径的管道提供较少的流动阻力，对于相同的催化剂体积需要更短的长度。然而，由于较低的外表面与内部体积比，具有较大直径的管道通常具有较差的传热特性。

在这些因素之间的进行权衡获得最终的设计决定，将给定体积的催化剂填充到具有给定直径以及长度的管道内。为了管理催化反应器组件内的压降，使其处于实用水平，通常优选平行布置多个管道，而不是采用单个的长管道。这样的管束在广泛的应用范围内经常遇到。

在相对小规模的重整器系统领域中，对于设计存在附加的约束限制。通常，催化反应器组件必须限制于较小的外部体积，同时保持良好的温度以及传热特性。系统的成本会是设计考虑的首要因素，因此优选最少化制造步骤的设计——所以由于成本原因优选减少管道的数目。在某些情况下这些额外的限制可能是有矛盾的。例如，可以采用具有给定直径的单个长管道设计，但由于空间限制，这种设计被具有更高制造成本的管束所取代。

基于这些高水平的设计考虑，需要考虑其它实际问题。在单个直管道或者直管道束的情况中，管道的取向对于长期性能稳定性的影响十分明显。这是由于催化剂颗粒的磨损以及沉降过程会随时间的推移缓慢发生，并且可以通过外部因素例如振动来加速。这些老化过程的结果是催化剂所占据体积随时间而减小，并且在水平取向的情况中，管道内所产生的空体积使得反应物流能够绕过催化剂。在竖直取向的情况中，催化剂沉降会导致在管道底部出现较高压降，其中细颗粒将趋于聚集。管道顶部的对应空体积会导致潜在问题，由于空体积具有与填充管道不同的传热特性，在施加外部热量时，会导致局部过热并加速管道失效。在大规模安装中，这些问题通常由催化剂床的适当维护计划以及维护程序来进行处理。然而，在小规模系统中，对催化剂床进行常规维护通常是不实际的，取而代之的是，在性能劣化到不可接受的程度时，需要更换整个催化反应器组件。

对于具有多个管道平行操作的反应器设计，必须考虑到在多个管道之间均衡反应物流、以及在操作期间维持相等的流量。对于涉及从反应物到产物增加摩尔数的反应，由于相对表现不良的管道或者“死”管道会为反应物流提供低阻力的路径，这会导致反应物流维持为未经转换，因而存在严重流量分布不均的可能性。死管道可能由劣化的较低活性催化剂造成，或者由相对于其它管道具有较差热量传递造成，从而导致冷管道或者较低催化剂活性的管道。

对于将催化重整器组件加入到系统中以例如通过甲醇(甲基醇或者CH₃OH)的蒸汽重整而生产氢气，必须考虑向重整器组件提供所需的热量输入，以用于保持重整器温度以及提供反应所必需的热量。该热量可通过例如燃烧器提供。由于向重整器管道提供均衡的热量输入是有益的，燃烧器设计和管道布置相互依存。同样，当多个管道平行操作时，为避免出现上述死管道，热量输入以及与之相关的燃烧器设计变得十分重要。

发明内容