[发明专利]用于烃类气体部分氧化的反应器

说明书

本发明涉及用于烃类气体通过水蒸汽-氧气重整工艺进行氧化转化以得到化学工业用氢气或合成气的接触式设备。

已发现在氧气和水蒸汽存在下烃类原料的催化部分氧化反应(水蒸汽-氧气重整)是一种很有前途的方法，因为相比由游离氧所进行的部分氧化反应，它允许在更低温度下获得合成气，且如果其原料具有一定组成，在自热重整的情况下与水蒸汽重整一样不需要向反应区输入热量。

烃原料的水蒸汽-氧气重整反应按如下所述实施。将加热的各个组分-烃原料、水蒸汽和氧气或含氧气体(通常为空气或富氧空气)进行混合并送入其中放置有催化剂的反应器中。原料与催化剂的接触区域形成反应区。在反应区上部发生甲烷氧化的快速放热反应且与其一起的其它烃类发生烃蒸汽重整的吸热反应，后者在下游料流中份额增加从而降低了催化剂床出口处的温度。沿催化剂床层高度的温度分布在前部床层(10％至15％的总高度)具有很明显的驼峰。理论上，在部分氧化催化剂的前部床层中气体混合物的加热温度超过1200℃，并且只能通过开始高吸热的水蒸汽分子离解反应而受到限制。反应产物-氢气、碳氧化物和水蒸汽的混合物以不高于1000℃的温度从反应区移出、冷却、与水分离并送去进一步的处理，例如，借助费-托工艺的烃合成。在一些情况下，产物冷却步骤包括通过与水直接热交换或在特定装置中或在反应器中反应区下游的淬冷区进行淬冷处理(US5358696，US6797022)。

用于将烃类原料转化成合成气的催化剂可以松散材料形式，或是具有延展外表面(其上沉积有催化活性基质层)的陶瓷或金属合金制成的导热元件的块状形式(包括板、带、发泡材料)。催化剂床温度升高会加速其结构劣化和降低催化活性。

催化剂过热问题在等温反应器中或多或少地得到成功解决。为在反应区中创建接近等温的条件，使用了管式热交换器型反应器(如专利US8216531中的管式反应器)、导热元件(如专利RU2175799中反应器内催化剂层中的导热板)以及在反应区中特别设置的传质和传热条件(US4888131中的流化床，专利申请WO2013008020中反应器流动的湍流流态)。

如果水蒸汽-氧气重整催化剂具有足够的耐热性且其前部床层温度升至1200℃前不会导致其快速失活和不希望反应器设计及其操作系统的复杂性(如用在边远地区合成气生产的成套设备的情况下)，利用导热催化剂载体和催化剂层中特定的导热元件似乎对整个反应区的温度均衡是足够的。可透气的块状催化剂可被放置在一个金属套筒(杯)内，其外径小于所述反应器外壳的内径，外壳与套筒的间隙填充有隔热材料。具有这样元件的反应器公开于发明RU2012107731的申请中作为原型。制作套筒的金属合金在反应区工作温度即1200℃和更高温度的条件下应该足够耐热和耐腐蚀，但这种合金成本很高。催化剂套筒壁温度降低到1000℃和更低将允许其由相对廉价的耐热合金如ХН45Ю级合金来制造，高至1200℃温度下它是耐腐蚀的。

本发明要解决的技术任务是-将催化剂套筒壁温度降低至1000℃及更低。技术措施是将催化剂套筒用冷却剂-水蒸汽和/或反应条件下惰性的气体或这些气体的混合物如氮气、合成气进行冷却。供应夹套的冷却剂冷却催化剂套筒筒壁并穿过催化剂套筒壁的开口孔进入套筒内的催化剂层。

所提出的用于烃类原料部分氧化的反应器包括带有一个反应产物出口和至少一个将原料或原料组分送入催化剂套筒的入口的外壳，所述催化剂套筒位于反应器内、与外壳有一个间隙、装填有催化剂且其下部包括产物出口，其特征在于催化剂套筒配备至少部分毗邻催化剂套筒筒壁的夹套，所述催化剂套筒筒壁做成在所述毗邻区域有开口孔，和反应器配备将冷却催化剂套筒的冷却剂送入夹套的入口，然后穿过筒壁的孔进入催化剂套筒。

冷却催化剂套筒的夹套位于其筒壁外侧且至少部分与其表面毗邻。所述夹套可包住催化剂套筒筒壁的全部或其上面最热的部分。通过与冷却剂直接接触而被冷的催化剂套筒筒壁被做成沿整个高度或仅上部-催化剂的温度超过1000℃的区域带有开口孔。必须要对孔尺寸、孔数量，孔之间的距离和供应催化剂套筒夹套的冷却剂量进行选择以保证催化剂套筒壁的温度不高于所定义的限定值。例如，催化剂套筒壁的温度至少降到1000℃的情况下，其可以使用ХН45Ю级钢来制造，ХН45Ю级钢在高至1200℃温度下是耐腐蚀的。通过催化剂套筒筒壁开口孔流入催化剂层的冷却剂可避免催化剂套筒筒壁与反应混合物的氧在此区域内发生接触从而抑制材料的腐蚀。