[发明专利]等温反应器

说明书

提供了一种用于热化学反应的反应器(1)，该反应器(1)包括具有入口(2)和出口(3)的反应器壳体(13)。在反应区(4a，4b，4c)中设置固体催化剂(16)，在该反应区(4a，4b，4c)中进入反应器(1)的反应物的至少一部分经历热化学反应。在热交换区中设置热交换介质，使得在反应区(4a，4b，4c)和热交换介质之间交换热。一个或多个中空插入件(11)至少部分地延伸穿过反应区(4a，4b，4c)。中空插入件(11)被构造成形成用于将反应物的一部分从反应器的入口(2)或从一个反应区转移到不同的反应区的流动路径或者用于将热交换介质的一部分从一个热交换区转移到不同的热交换区的流动路径。

技术领域

本公开涉及催化反应器，更具体地涉及用于热化学反应的催化反应器。更具体地说，本公开涉及用于减少进行热化学反应的反应器的温度变化和改进该反应器的性能的设备和方法。

背景技术

催化反应包括在催化剂的存在下将一种或多种反应物转化为一种或多种所需的产物，例如在Cu/ZnO催化剂的存在下在一氧化碳和氢气之间的反应以生产甲醇。许多催化反应都是热化学反应，即：放热反应，在该放热反应中在反应过程期间释放热；或吸热反应，在该吸热反应中在反应过程期间吸收热。然而，一些催化反应也是高度依赖于温度的，仅在窄的温度范围内有效地操作。

鉴于某些催化反应的温度依赖性和它们的热化学性质，催化反应通常在等温反应器中进行，该等温反应器旨在将包含催化剂的反应区的温度尽可能保持在最佳反应温度附近。等温反应器通常包括多个热交换器，以在反应进行时加热或冷却反应物，从而将温度维持在反应所需的温度范围内。例如，包括延伸穿过反应器的多个管的管式反应器可以用作用于催化反应的等温反应器。

管式反应器的一个实施例是多管式反应器，在该多管式反应器中催化剂容纳在延伸穿过反应器的多个管中。热交换流体流过该反应器，从而随着反应进行而加热(或冷却)反应管。在替代的构造中，管式反应器可以是管冷却式反应器，在该管冷却式反应器中催化剂放置在管之间的空隙中，并且热交换流体流过这些管。

在管冷却式反应器内维持基本等温的条件可能比较困难，特别是对于高度放热或吸热反应来说更是如此。在管冷却式反应器中的催化剂的温度可以从催化剂与管接触的位置到催化剂处于距管最远距离的位置径向地变化，导致潜在的“热点”(或“冷点”)，由此温度可能在用于反应的最佳范围之外。热点(或相反地，冷点)的形成可能导致管冷却式反应器的效率降低，并且潜在地导致在距离管最远的点处发生不期望的副反应。类似地，在多管式反应器中，热点或冷点可沿着管的轴线发展，在该管的轴线处催化剂处于距管壁处发生的热传递效应最远的点处。

管式反应器中催化剂的温度也可轴向变化。通常，由热化学反应释放或吸收的热能朝向反应器入口将比朝向反应器出口释放或吸收的热能高，因为可用于经历反应的反应物的浓度朝向反应器入口较高。

对已经包括在本说明书中的文献、法案、材料、装置、物品等的任何讨论不应被认为是承认这些内容中的任何内容或全部内容因为其存在于本申请的每个权利要求的优先权日之前而形成现有技术基础的一部分或者是与本公开相关的领域中的公知常识。

发明内容

在整个本说明书中，词语“包括”或其变型例如“包括(单数形式)”或“包括(动名词形式)”应理解为表示包含所述的元件、整体或步骤，或元件、整体或步骤的组，但不排除任何元件、整体或步骤，或元件、整体或步骤的组。

根据第一方面，提供了一种用于热化学反应的反应器，该反应器包括：

反应器壳体，该反应器壳体具有用于将反应物接收到反应器中的入口和用于从反应器移除产物的出口；

多个反应区，所述多个反应区包括固体催化剂，在所述多个反应区中，所述反应物的至少一部分经历热化学反应并形成产物和反应物的反应混合物；

多个热交换区，所述多个热交换区包括热交换介质；