专利名称：催化反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于执行至少两种化学反应、具体为放热反应和吸热反应的催化反应器。
背景技术：
在W02005/102511(GTL Microsystem AG)中描述了一种设备和过程，其中甲烧与蒸汽反应，以在第一催化反应器中产生一氧化碳和氢；然后，得到的气体混合物用于在第二催化反应器中执行Fischer-Tropsch合成。吸热的重整反应典型地在大约800°C的温度下进行，并且所需的热可由与进行重整的那些通道邻近的通道中的催化燃烧提供，燃烧通道包含可包括以金属衬底上的薄涂层的形式的氧化铝载体上的钯或者钯/钼。
为了使反应有效地进行，重要的是，确保催化剂与反应物之间良好的接触。为了促进该接触水平，可将催化剂设置在能设置在反应通道中的每个反应通道内的一个或多个箔上。箔细分通道并确保催化剂与反应物紧密接触。此外，反应器的效率由燃烧通道与蒸汽甲烷重整通道之间的传热效率支配。为了避免失控反应，重要的是，燃烧通道与重整通道的温度轮廓彼此补足。然而，获得以上效果的数理逻辑是不平凡的。反应器的寿命由使用期限最短的部分的寿命支配，并且该部分常常是催化剂。催化剂在箔上的设置提供的优点是能替换箔，从而允许延长总体反应器的使用期限。然而，催化剂支承箔的抽取由于反应器的构造而可能是不平凡的。
发明内容
已设计克服该背景的本发明，以便缓和上述问题中的一些或全部问题。
根据本发明，提供一种紧凑催化反应器，该反应器限定许多交替布置的第一和第二流动通道，第一流动通道为用于吸热反应的反应物提供流动路径并包含催化所述吸热反应的可拆除的可透流体的催化插入物，并且第二流动通道为用于放热反应的反应物提供流动路径并包含催化放热反应的可拆除的可透流体的催化插入物，其中第一流动通道具有从反应器的一个端面延伸的直线部分和在直线部分的端部与反应器的至少一个侧面之间连通的连接部分，其中直线部分和连接部分至少部分地由翼片结构限定，并且其中连接部分的翼片结构为穿孔的，使得存在限定与每个直线部分对准的路径的穿孔，并且在反应器的端部处设置有阻塞每个这样的路径的装置。
优选地，第二流动通道类似地具有从反应器的相对端面延伸的直线部分和在直线部分的端部与反应器的至少一个侧面之间连通的连接部分，其中直线部分和连接部分由翼片结构限定，并且其中连接部分的翼片结构是穿孔的，使得存在限定与每个直线部分对准的路径的穿孔；并且在反应器的端部处设置有阻塞每个这样的路径的装置。
当将催化剂插入物插入流动通道时，能容易地沿直线部分插入这些催化剂插入物。当催化剂变得用尽并需要拆除催化剂插入物时，在已拆除阻塞装置之后，穿孔使得能够利用合适的推杆沿直线部分将催化剂插入物从流动通道推出。穿孔优选地至少为翼片结构的高度的75%，使得推杆能大到足以推压催化插入物的高度的至少75%。
反应器可包括叠板，并且尤其地，在流动通道的边缘可由密封带限定的同时，流动通道可由堞形的并与平片交替堆叠的薄金属片限定。为了确保所需的良好的热接触，第一和第二气流通道的深度均可在IOmm与2mm之间，优选地小于6mm深，更优选地在3mm至5mm 的范围中。形成反应器模块的叠板例如通过扩散结合、铜焊或热等静压结合到一起。
催化剂插入物优选地具有金属衬底，以提供强度并通过传导增强热传递，因而防止热点。典型地，用结合有活性催化材料的陶瓷涂层覆盖金属衬底。优选地，用于催化剂插入物的金属衬底是钢合金，该钢合金在加热时形成氧化铝的粘着表面涂层、例如铝基铁素体钢(例如i^ecralloy (TM))。当该金属在空气中受热时，其形成氧化铝的粘着氧化物涂层， 该粘着氧化物涂层保护合金不受进一步的氧化和腐蚀。在陶瓷涂层具有氧化铝的情况下， 这看来似乎结合至表面上的氧化物涂层。优选地，每个催化剂插入物成形为以便将流动通道细分成许多平行的流动子通道，其中在每个这样的子通道内的表面上均具有催化材料。 衬底可以是箔、丝网或毡片，其可以是褶皱的、凹痕的或折叠的；优选的衬底为褶皱的例如厚度小于100 μ m的薄金属箔，或者为褶皱箔和平坦箔的堆叠。这样的材料易于撕破，使得将催化剂结构从通道拉出是不切实际的。
现在将仅作为示例并参考附图进一步并更具体地描述本发明，其中
图1示出为清楚起见在单独示出部件的情况下的适于蒸汽/甲烷重整的反应堆块的一部分的剖视图(该剖面在图2的线1-1上)；
图2示出图1的装配反应堆块的示出流动路径的平面图； 图3示出在装配期间的图1的反应堆块的一部分的平面图； 图3a示出在图3的线3a_3a上的视图； 图4示出在图3中所示的反应堆块的变体的平面图；以及图5示出用于从反应堆块去除至少一块箔的设备。
具体实施例方式通过将蒸汽与甲烷混合并使混合物与合适的高温催化剂接触来引起蒸汽重整反应，因此蒸汽与甲烷反应以形成一氧化碳和氢。蒸汽重整反应是吸热的，并且热可由例如与空气混合的碳氢化合物和/或氢的催化燃烧提供，因而在重整反应器内相邻的流动通道内的燃烧催化剂上发生燃烧。
现在参考图1，示出了适于用作蒸汽重整反应器的反应器10，其限定用于催化燃烧过程的通道和用于蒸汽甲烷重整的通道。反应器10由在平面图中为矩形的一叠板构成， 每块板均具有诸如hconel 625, Incoloy 800HT或Haynes HR-120的耐蚀高温合金的性质。通过典型地具有在0. 5至4mm的范围中的厚度、在该情况下Imm厚的平板12与堞形板 14或15交替布置，因而堞形限定通道16或17。堞形板14与15在堆叠中交替布置。堞形板14与15的典型地在0. 2与3. 5mm之间的范围中的厚度在所有情况下为0. 75mm。堞形的典型地在2-10mm的范围中的高度在该示例中为4mm，并且沿侧面设置有相同厚度的实心棒材18。在限定燃烧通道17的堞形板15中，堞形的间距(wavelength)使得连续的翼片或联结物(ligament)分开25mm，而在限定重整通道16的堞形板14中，连续的翼片分开15mm。 堞形板14与15可被称为翼片结构。
板的堆叠典型地可通过扩散结合、铜焊或热等静压装配并结合到一起。然后，将承载用于相应反应的催化剂，相应催化插入物20或22 (在图1中仅示出每种催化插入物中的一个)插入通道16与17中的每个通道。这些插入物20和22优选地具有用作用于活性催化材料的载体的金属衬底和陶瓷涂层，并且金属衬底可以是薄金属箔。例如，插入物20和 22可包括占用相应流动通道16或17的褶皱箔和平坦箔的堆叠20或单个褶皱箔22，每块箔具有小于0. Imm的厚度、例如50 μ m。
现在参考图2，示出了装配的反应器10的平面图。经历蒸汽重整反应的气体混合物进入反应器10的一端(如所示，顶部)处的集管30，并顺着沿反应器10的长度的大部分直线延伸的流动通道16。流动通道16朝反应器10的另一端转向90°，以连接至反应器10 的另一端的侧面(如所示的右下方)处的集管32，该流动路径示出为虚线S。经历燃烧的气体混合物进入反应器10的一端的侧面(如所示的左上方)处的集管34，然后转向90°以流过沿反应器10的长度的大部分直线延伸的流动通道17，并通过另一端(如所示的下方)处的集管36排出，该流动路径示出为点划线C。因此，该布置使得流动为并流(co-current); 并使得流动通道16和17中的每个流动通道沿流动通道的长度的大部分是直线的，并与反应器10的端部处的集管30或36连通，以便在附接集管30或36之前能容易地插入催化剂插入物20和22。可优选的是，仅沿彼此邻近的流动通道16和17的直线部分的那些部分提供催化剂插入物20和22。
现在参考图3，示出了装配期间的反应器10的一部分的平面图，以示出在一端(如图2和3中所示的顶端)附近的堞形板15。以45°的角度切割堞形板15的该端部，并且堞形板的连接部分1 在一端直角切割而另一端以45°的角度切割的情况下靠着该端部对接。如以上由图2中的点划线C所指示地，在集管30和32(在图3中以虚线示出)的装配与附接完成之后，连接部分1 确保流入集管32的气体混合物转动90°，以沿着反应器 10的长度的通道17流动。
应意识到的是，堞形板的许多其他部分的布置可用于获得该气体流动方向的变化。例如，如图4中所示，可存在引起流动方向的变化的堞形板的两个三角部分1 和15c。 替代性地，堞形板15的端部可被直角切割，并插入提供堞形跟踪弧的连接部分(未示出)， 但这将需要特殊形成的拱形堞形。应意识到的是，堞形板连接部1 或1 和15c确保当形成反应器10时，在结合过程期间能稳固地压缩连续的平板12。形成这些连接部分1 或 1 和15c的堞形板的翼片引起气体流动方向的变化。在附图中未示出的另一变体中，在反应器10的同一端处存在反应器10的一侧一个的两个进口集管34，并存在布置成镜像并分别与堞形板15的左半部和右半部连通的两个连接部分，使得通过一个集管34供应气流的一半，并通过相对侧上的集管供应气流的另一半。
在此的说明书已解释如何引起用于燃烧流动路径C的流动方向的变化。由堞形板的连接部分的等同布置引起用于蒸汽甲烷重整气体混合物的流动路径S在反应器10的另一端处的方向变化。
无论连接部分采用什么布置，堞形板的连接部分1 或1 和15c的翼片都设置有大致与堞形板15中的通道17的直线部分对准的穿孔。每个穿孔40必须足够大并且合适地形成有允许柱塞或推杆(相对于图5描述)进入通道17的尺寸。例如，每个穿孔可以是几乎沿翼片的整个高度延伸的狭槽形，并且穿孔的位置由图3和4中的小圆圈指示，但应意识到的是，穿孔在该平面图中不可见。如示出连接部分15a的在剖面线3a_3a上的部分的图3a所示，穿孔40延伸翼片的高度的大部分；尽管穿孔40可全部位于相同的高度，但在该示例中，由于如由图1中显然地，相邻的通道17的中心在高度上由于堞形板15的厚度而不同，所以穿孔替代性地居中在翼片的中心线的上方和下方。在该示例中，穿孔40示出为与它们宽相比较较高，但在替代方案中，在对反应器的强度不具有有害影响的情况下，它们可以是圆形、矩形或任何其他形状，只要该形状使得适于通向通道17即可。在堞形板的连接部分中设置有穿孔的类似布置，该布置引起来自流动通道16的蒸汽甲烷重整气体混合物的方向变化。应意识到的是，由于压力在所有的平行流动通道中大致相等，并且由对准的穿孔的线路限定的路径在反应器的端部处被杆18阻塞，所以穿孔40对气流没有显著的影响。
当例如由于催化剂用尽而需要从流动通道16和17拆除催化插入物20和22时， 这可通过如下方式实现从反应器10拆除集管30和36，并使得完全通过反应器10的端部处的杆18的钻削的孔42(其中两个以虚线指示)与穿孔40成一直线。然后，通过钻削的孔42并通过穿孔40可插入柱塞，以将催化插入物20和22从流动通道16或17推出。催化插入物20和22可仅在流动通道的直线部分中，并因此能容易地被推出。由于催化插入物 20和22在尺寸上与通道17紧密相配并可由薄的箔制成，所以通过将催化插入物20和22 推出来拆除它们是比试图将它们拉出容易得多的过程。应意识到的是，然后只需要阻塞杆 18中的孔42，并且反应器10为新的催化插入物20和22的插入作准备。孔42的封闭可通过将塞子插入钻削的孔42并将塞子焊接或铜焊就位实现。替代性地，可将金属条固定至杆 18的外部以阻塞所有钻削的孔。作为另一替代方案，反应器10的端部处的杆18初始地可设置有与穿孔40对准的这样的孔42，并设置有固定至杆18的外部以阻塞孔42的金属带。 在该情况下，只需要机械加工去掉金属带，然后可插入柱塞以将催化插入物推出。
在反应器10的另一端处，连接部分的翼片结构中相同的穿孔布置设置有用于输送蒸汽甲烷重整气体混合物的通道16，因而能以相同的方式推出重整催化剂催化插入物 20。
图5示出可使用以便从催化反应器10的通道16、17拆除插入物20、22的设备50。 设备50具有载体52、推动构件54、至少一个致动器56、位置传感器58和控制器60。
载体52将构成设备的各种整体保持在要从其拆除插入物的反应器附近。图示的载体52仅具有一个推动构件54。然而，应意识到的是，在单个载体52上可安装有超过一个的推动构件54。这能提供效率的提高，其中能提供单个载体和控制器60，以使得能够同时拆除多个插入物。
推动构件54为具有大致的平坦端面64的细长杆62。端面64可比细长杆62的截面大。端面64可以是固定至杆62的弹性塑料构件。在端面64与杆62之间存在压力传感器66。该传感器66测量由推动构件54施加的压力。来自压力传感器66的数据被提供至控制器60。
推动构件54通过一个或多个致动器56移入位置。致动器56使推动构件54相对于反应器10移动，使得推动构件54能插入反应通道，以从反应通道拆除催化剂插入物。致动器56使推动构件54在两个不同的平面中沿反应器的侧面水平地和垂直地移动。
致动器56由控制器60控制。控制器60从位置传感器58获得指示推动构件54 的位置的数据。位置传感器58可以是照相机、摄像机或利用激光或超声技术的其他合适的光学传感器。由于从位置传感器58获得的数据控制器60指令致动器56以使推动构件54 移动，直到该推动构件54与由翼片中对准的穿孔40和杆18中对应的孔42限定的路径对准为止。当推动构件54合适地对准时，其被推动通过孔42和穿孔40进入通道17，以将催化剂插入物22从反应器10推出。
应意识到的是，上述反应器仅作为示例，并且它们在保留于本发明的范围内的同时可以多种方式进行变体。尤其地，应意识到的是，吸热反应和放热反应可以是与上述那些反应不同的反应，并且显然，催化剂材料必须适于要被执行的反应。
权利要求
1.一种紧凑催化反应器，所述反应器限定许多交替布置的第一流动通道和第二流动通道，所述第一流动通道为用于吸热反应的反应物提供流动路径并包含催化所述吸热反应的可拆除的可透流体的催化剂结构，并且所述第二流动通道为用于放热反应的反应物提供流动路径并包含催化所述放热反应的可拆除的可透流体的催化剂结构，其中所述第一流动通道具有从所述反应器的一个端面延伸的直线部分和在所述直线部分的端部与所述反应器的至少一个侧面之间连通的连接部分，其中所述直线部分和所述连接部分至少部分地由翼片结构限定，并且其中所述连接部分的所述翼片结构为穿孔的，使得存在限定与所述每个直线部分对准的路径的穿孔，并且在所述反应器的所述端部处设置有阻塞所述每个这样的路径的装置。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述第二流动通道具有从所述反应器的相对端面延伸的直线部分和在所述直线部分的端部与所述反应器的至少一个侧面之间连通的连接部分，其中所述直线部分和所述连接部分由翼片结构限定，并且其中所述连接部分的所述翼片结构是穿孔的，使得存在限定与所述每个直线部分对准的路径的穿孔；并且其中在所述反应器的所述端部处设置有阻塞所述每个这样的路径的装置。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的反应器，其中，所述流动通道由堞形的并与平片交替堆叠的薄金属片限定。
4.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中，阻塞所述路径的所述装置为端封杆。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的反应器，其中，阻塞所述路径的所述装置是附接至所述反应器的外部的密封带。
6.根据前述权利要求中任一项所述的反应器，其中，所述每个穿孔的高度至少为所述翼片结构的高度的75%。
7.根据权利要求6所述的反应器，其中，所述每个穿孔的高度均大于所述每个穿孔的宽度。
8.一种从根据前述权利要求中的任一项所述的催化反应器拆除催化剂插入物的方法， 所述方法包括从由穿孔限定的路径拆除阻塞物和沿所述路径插入柱塞以将所述催化剂插入物推出。
9.一种用于从催化反应器中的通道拆除催化剂插入物的设备，所述设备包括推动构件，所述推动构件用于从所述通道排出所述插入物；以及至少一个致动器，所述至少一个致动器构造成使所述推动构件移入以与所述通道对准。
10.一种紧凑催化反应器，所述反应器包括许多交替布置的第一流动通道和第二流动通道，其中所述第一流动通道为用于吸热反应的反应物提供流动路径并包含催化所述吸热反应的可拆除的可透流体的催化剂结构，并且其中所述第二流动通道为用于放热反应的反应物提供流动路径并包含催化所述放热反应的可拆除的可透流体的催化剂结构，其中所述第一流动通道具有从所述反应器的一个端面延伸的直线部分和在所述直线部分的端部与所述反应器的至少一个侧面之间连通的连接部分，并且其中所述第二流动通道具有从所述反应器的相对端面延伸的直线部分和在所述直线部分的所述端部与所述反应器的至少一个侧面之间连通的连接部分。
全文摘要
一种紧凑催化反应器(10)限定许多交替布置的第一和第二流动通道(16、17)，所述第一和第二流动通道分别用于吸热反应和用于放热反应，并分别包含催化反应的可拆除的可透流体的催化插入物(20、22)。流动通道具有从反应器的一个端面延伸的直线部分和在直线部分的端部与反应器的至少一个侧面之间连通的连接部分，其中直线部分和连接部分至少部分地由翼片结构(15、15a)限定。连接部分的翼片结构(15a)可以是穿孔的，使得存在与每个直线部分(17)对准的穿孔(40)，但穿孔(40)的每根线路在反应器的端部处被阻塞。阻塞物的拆除使催化插入物(20、22)在它们用尽时能从流动通道(16、17)被推出。
文档编号B01J19/24GK102186578SQ200980140829
公开日2011年9月14日 申请日期2009年10月21日 优先权日2008年10月24日
发明者H. 里丁 A., K. 巴克斯特 I., J. 鲍 M. 申请人:康帕克特Gtl有限公司