本發(fā)明涉及一種用于進(jìn)行放熱平衡反應(yīng)的反應(yīng)器，其中氣態(tài)輸入混合物至少部分地在固體催化劑上反應(yīng)以提供產(chǎn)物混合物。示例應(yīng)用包括通過包含氫氣和碳氧化物的合成氣的反應(yīng)進(jìn)行甲醇合成，以及通過包含氫氣和氮?dú)獾妮斎霘怏w的反應(yīng)進(jìn)行氨合成，在每種情況下均作為在固體催化劑上的非均相催化反應(yīng)。

背景技術(shù)：

1、用于進(jìn)行放熱平衡反應(yīng)的反應(yīng)器是本領(lǐng)域技術(shù)人員長期已知的。具有特別工業(yè)重要性的這種類型的反應(yīng)是，例如，通過合成氣(即氫氣和碳氧化物的混合物)的非均相催化反應(yīng)進(jìn)行的甲醇合成。ullmann′sencyclopedia?of?industrial?chemistry[烏爾曼工業(yè)化學(xué)百科全書]，第6版，1998年電子發(fā)行，“甲醇”章節(jié)，第5.2分章“合成”描述了通過催化轉(zhuǎn)化包含氫氣和碳氧化物的合成氣生產(chǎn)甲醇的各種基本方法，其中使用了此類反應(yīng)器。

2、另一個(gè)具有特別工業(yè)重要性的放熱平衡反應(yīng)是氨合成，其在ullmann'sencyclopedia?of?industrial?chemistry[烏爾曼工業(yè)化學(xué)百科全書]，第6版，1998年電子發(fā)行，“氨”章節(jié)，第4分章“生產(chǎn)”中進(jìn)行了詳細(xì)解釋。

3、例如在歐洲專利說明書ep?0?790?226?b1中披露了用于生產(chǎn)甲醇的現(xiàn)代的兩級(jí)方法。甲醇以循環(huán)方法生產(chǎn)，其中首先將新鮮的合成氣和部分反應(yīng)的合成氣的混合物供應(yīng)到水冷反應(yīng)器中，并且然后供應(yīng)到氣冷反應(yīng)器中，在每個(gè)反應(yīng)器中合成氣在銅基催化劑上轉(zhuǎn)化為甲醇。將在該方法中生產(chǎn)的甲醇從待再循環(huán)的合成氣中分離，然后將該待再循環(huán)的合成氣作為冷卻劑以逆流方式通過氣冷反應(yīng)器，并在將其引入到第一合成反應(yīng)器中之前預(yù)熱至220℃至280℃的溫度。將待再循環(huán)的合成氣的一部分作為吹掃流從該方法中去除以防止惰性組分積聚在合成回路中。此措施也在德國公開說明書de?2934332?a1和歐洲專利申請(qǐng)ep?1016643?a1中傳授。

4、在甲醇合成以及還有氨合成的情況下，來自合成氣生產(chǎn)的未轉(zhuǎn)化的甲烷被認(rèn)為是惰性組分，因?yàn)樵摶衔镌诩状蓟虬焙铣蓷l件下不經(jīng)歷進(jìn)一步的轉(zhuǎn)化。這同樣適用于經(jīng)由進(jìn)料流進(jìn)入合成氣生產(chǎn)的氬氣。

5、水冷反應(yīng)器級(jí)典型地實(shí)現(xiàn)合成氣(co、co2、h2)的主要轉(zhuǎn)化并且去除最大部分的反應(yīng)熱，而氣冷級(jí)在更溫和的條件下仍轉(zhuǎn)化了相當(dāng)一部分合成氣。

6、水冷反應(yīng)器(wcr)典型地是包括相應(yīng)的管端板的殼管式反應(yīng)器，其中將催化劑填充到管中，同時(shí)通過管周圍殼側(cè)(內(nèi)部空間)的沸水/蒸汽產(chǎn)生進(jìn)行冷卻。在氣冷反應(yīng)器(gcr)中，用輸入氣體實(shí)現(xiàn)冷卻，該輸入氣體通過管通向第一反應(yīng)級(jí)(wcr)的途中被加熱，同時(shí)將催化劑填充在管周圍，并且反應(yīng)在gcr的殼側(cè)上發(fā)生。就它們的標(biāo)稱寬度而言，反應(yīng)級(jí)連接到大管道或非常大的管道；取決于設(shè)備容量，最高達(dá)1m的管直徑是可能的。這首先歸因于大量氣體，這些氣體被再循環(huán)到第二級(jí)(再循環(huán)氣體)，并且與新鮮氣體，即來自氣體產(chǎn)生的新鮮合成氣混合。在gcr中預(yù)熱后，將所得的再循環(huán)氣體和新鮮氣體的氣體混合物供應(yīng)到第一反應(yīng)級(jí)(wcr)。再循環(huán)氣體量典型地明顯大于新鮮氣體量，并且取決于反應(yīng)器區(qū)段中所實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化。再循環(huán)氣體量(r)與新鮮氣體量(f)的再循環(huán)比rr(rr＝r/f)經(jīng)常超過2并且在許多情況下甚至超過3.5。合成氣通過反應(yīng)器區(qū)段的單程轉(zhuǎn)化率越低，達(dá)到足夠產(chǎn)率所需的再循環(huán)比rr就越高。

7、這導(dǎo)致循環(huán)氣體量相應(yīng)增加，從而增加了反應(yīng)器的空速，并且需要連接管道的更大的標(biāo)稱管寬度，并且還導(dǎo)致對(duì)壓縮能量的需求增加(更高的流速和壓降)。

8、例如在專利公開wo?2002/038499?a1中描述了當(dāng)前的氨合成方法。與用于甲醇合成的合成氣相比，在用于氨合成的合成氣的情況下，重要的是完全消除碳氧化物的比例，使得氫氣作為唯一剩余的合成氣成分進(jìn)入氨合成。這首先通過使合成氣中存在的一氧化碳轉(zhuǎn)化(co轉(zhuǎn)化)，隨后通過吸著過程去除二氧化碳，并且最后通過冷凍氣分來實(shí)現(xiàn)。

9、上述合成反應(yīng)的缺點(diǎn)是，作為放熱平衡反應(yīng)，它們受到反應(yīng)平衡的限制。因此，期望指定可以克服這些限制的反應(yīng)器和用于其操作的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、相應(yīng)地，本發(fā)明的目的是指定一種反應(yīng)器和用于其操作的方法，其不具有從現(xiàn)有技術(shù)中已知的反應(yīng)器的所述缺點(diǎn)，并且其尤其是提供反應(yīng)器單程的放熱平衡反應(yīng)的目標(biāo)產(chǎn)物的高轉(zhuǎn)化率，并且提供影響并因此優(yōu)化沿著反應(yīng)器的縱向坐標(biāo)的反應(yīng)條件的機(jī)會(huì)，例如在甲醇合成的情況下該反應(yīng)器導(dǎo)致再循環(huán)比降低至更小的值，如在使用現(xiàn)有技術(shù)熟悉的反應(yīng)器時(shí)已知的。

2、此目的在第一方面通過具有如權(quán)利要求1所述的特征的反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)，并且在另一方面通過具有如權(quán)利要求8所述的特征的方法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的另外方面的另外實(shí)施例從相應(yīng)類別的從屬權(quán)利要求中是顯而易見的。

3、根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的兩個(gè)區(qū)域之間的流體連接應(yīng)理解為意指無論如何使得以下成為可能的任何連接類型：流體，例如輸入氣體流或合成氣產(chǎn)物流可以從這兩個(gè)區(qū)域中的一個(gè)流到另一個(gè)，忽略任何插入的區(qū)域或部件。

4、用于引入、排出等的裝置應(yīng)理解為意指使得特定流體可以離開所考慮的空間區(qū)域(例如，容器)的所有裝置、裝置組成部分、組合件和部件。這特別地是指管道、泵、壓縮機(jī)、其他輸送裝置以及容器壁中的相應(yīng)開口。

5、催化活性，尤其與比較兩種不同催化劑時(shí)的不同催化活性有關(guān)，應(yīng)理解為意指從反應(yīng)物到產(chǎn)物的每單位長度的催化劑床實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化程度?；钚允艽呋瘎┎牧系幕瘜W(xué)組成、摻雜、中毒、可用表面積等的影響，而且也受催化劑顆粒的幾何形狀和催化劑床的結(jié)構(gòu)參數(shù)(例如其孔隙率或填充密度)的影響。由于所考慮的反應(yīng)的放熱性，高催化活性與每單位長度的催化劑床的高放熱相關(guān)。

6、在本說明書的上下文中，管式反應(yīng)器應(yīng)理解為意指包括通常具有圓形截面的一個(gè)管或多個(gè)管的反應(yīng)裝置，該管填充有一種或多種催化劑的填充物，其中一個(gè)或更多個(gè)管通常由金屬材料制成。反應(yīng)物流在開口管端部之一處進(jìn)入管式反應(yīng)器，連續(xù)流過該管式反應(yīng)器，并因此轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物流，該產(chǎn)物流在開口管相反端連續(xù)排出。流過管式反應(yīng)器的物料流的軸向返混僅在很小的程度上發(fā)生(如果有的話)。因此，放熱反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致根據(jù)反應(yīng)的熱量釋放軸向溫度曲線或多或少明顯的最大值(所謂的熱點(diǎn))。在本說明書的上下文中，反應(yīng)溫度范圍應(yīng)理解為意指由溫度曲線所涵蓋的溫度范圍。

7、板式反應(yīng)器應(yīng)理解為意指其中固體微粒催化劑的催化劑填充物/催化劑床布置在兩個(gè)通常平行的板之間的反應(yīng)裝置。該布置中不用于引入反應(yīng)物/排出反應(yīng)產(chǎn)物的側(cè)面通常在其邊緣處被密封，例如通過與反應(yīng)器的殼體內(nèi)壁的流體密封接觸或通過適當(dāng)?shù)暮附印?/p>

8、板式反應(yīng)器還應(yīng)理解為意指其中催化劑床不是布置在兩個(gè)平板之間而是布置在兩個(gè)枕板之間的反應(yīng)裝置。在本發(fā)明的上下文中，枕板由兩個(gè)金屬片構(gòu)成，這兩個(gè)金屬片在邊緣處接合、優(yōu)選焊接，并且在其表面上分布有多個(gè)同樣將兩個(gè)板彼此接合的另外的接合點(diǎn)、優(yōu)選焊點(diǎn)。此類板可以由機(jī)器人或機(jī)器以自動(dòng)化方式生產(chǎn)，并且因此非常經(jīng)濟(jì)高效。在焊接之后，金屬片通過液壓成形(通常是在高壓下注入流體)而膨脹，因此在金屬片之間形成枕狀通道，加熱或冷卻流體可以通過該通道。因此，這些傳熱空間使得可以通過加熱或冷卻流體的通過向反應(yīng)器的某些區(qū)域供應(yīng)熱能并且從反應(yīng)器的某些區(qū)域去除熱能。

9、當(dāng)使用枕板時(shí)，反應(yīng)區(qū)可以被配置成使得在反應(yīng)器中，兩個(gè)枕板初始基本平行地布置。在本發(fā)明的上下文中，基本平行應(yīng)理解為意指枕板相對(duì)于彼此的對(duì)齊偏離平行至多+/-20°、優(yōu)選至多+/-10°、特別優(yōu)選至多+/-5°、非常特別優(yōu)選至多+/-2°。隨后，可以用固體、顆粒、微?；蚯蛄Ｐ问降拇呋瘎┑奶畛湮锾畛湔戆逯g的自由空間，其中所得催化劑床的側(cè)向終端由網(wǎng)眼、網(wǎng)格、穿孔板、格柵、惰性材料的填充物和/或反應(yīng)器內(nèi)壁形成。

10、特別優(yōu)選的是彼此間隔開的至少一個(gè)、優(yōu)選兩個(gè)或更多個(gè)另外的枕板平行于該布置鄰接，因此一起形成板組，并且枕板之間的空腔填充有催化劑填充物。這使得可以在反應(yīng)區(qū)中實(shí)現(xiàn)具有在反應(yīng)區(qū)的長度上延伸的強(qiáng)化冷卻裝置的緊密三明治狀結(jié)構(gòu)。將單個(gè)催化劑填充物與反應(yīng)氣體混合物平行地供應(yīng)。基于催化劑填充的腔體，板組可以平行于或垂直于反應(yīng)器的縱向軸線對(duì)齊。

11、枕板之間的距離可以根據(jù)要進(jìn)行的反應(yīng)的熱量釋放來選擇：對(duì)于強(qiáng)放熱反應(yīng)，使該距離小于更弱的放熱反應(yīng)。在第一反應(yīng)區(qū)中較小的板距離是優(yōu)選的，因?yàn)樵诖藢?shí)現(xiàn)最大的轉(zhuǎn)化并且在此必須實(shí)現(xiàn)最大的熱量去除。在甲醇合成的情況下，第一反應(yīng)區(qū)的枕板距離優(yōu)選為20至45mm。該距離是指從中心線到中心線的距離，即，根據(jù)枕板厚度和腔體的膨脹，板之間的凈距離相應(yīng)地更小。此外，該距離適配于催化劑顆粒的尺寸，以確保在填充和排空催化劑而不架橋時(shí)最佳的熱量去除和良好的松散材料行為。在第二和后續(xù)的反應(yīng)區(qū)中，通常使該距離更大。

12、與管式反應(yīng)器相比，板式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是通?？色@得每單位體積催化劑更大的冷卻面積。

13、在本說明書中，縱向軸線應(yīng)理解為意指設(shè)備或裝置的與其最大延伸方向相對(duì)應(yīng)的軸線。在本說明書的上下文中，設(shè)備或裝置的其縱向軸線平行于如由重力定義的垂向的布置應(yīng)理解為意指直立布置。

14、在根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器冷卻中使用的冷卻劑優(yōu)選是接近其沸點(diǎn)并且因此在反應(yīng)溫度范圍內(nèi)在反應(yīng)壓力下容易地蒸發(fā)的介質(zhì)。這確保了在放熱反應(yīng)期間由于蒸發(fā)介質(zhì)側(cè)的良好傳熱而從催化劑床中良好地去除熱量，并且允許經(jīng)由壓力進(jìn)行精確的溫度控制。為了在不同級(jí)中建立不同的溫度條件，控制內(nèi)部空間中冷卻介質(zhì)側(cè)的壓力。隨著催化劑正常工作時(shí)間的增加，可以通過相應(yīng)地調(diào)節(jié)內(nèi)部空間中的壓力來調(diào)整條件，從而影響反應(yīng)溫度，以便例如保持相應(yīng)高的轉(zhuǎn)化率。

15、考慮到期望的反應(yīng)條件，甲醇合成例如可以使用水或蒸汽作為傳熱介質(zhì)。然而，當(dāng)使用水時(shí)，實(shí)現(xiàn)期望的溫度范圍需要建立相對(duì)大的壓差，以覆蓋寬的溫度范圍(例如250℃：約40巴，264℃：約50巴)。相比之下，在用于蒸汽發(fā)生的回路中使用蒸發(fā)傳熱油(例如，dowtherm?a)使得可以在非常窄的壓力范圍內(nèi)操作，同時(shí)仍然覆蓋大的溫度范圍(例如：255℃：0.97巴，305℃：2.60巴，對(duì)應(yīng)于在僅1.6巴的壓差下50℃的溫度范圍)。這使得可以在相應(yīng)的設(shè)備水平高度(約20至25m)下使用簡單的傳熱油蒸汽鍋筒，并且可以單獨(dú)利用最短線的進(jìn)料高度以建立單獨(dú)的壓力和溫度范圍。

16、在本說明書的上下文中，冷卻劑冷卻裝置必須滿足能夠與壓力控制裝置一起建立低于在內(nèi)部空間中的壓力下冷卻劑沸點(diǎn)的限定冷卻劑溫度(過冷卻)的要求。內(nèi)部空間應(yīng)理解為意指在至少一個(gè)管式反應(yīng)器的外壁或至少一個(gè)板式反應(yīng)器的外壁與殼體內(nèi)壁之間冷卻劑可穿過的自由空間。

17、一般地放熱平衡反應(yīng)的條件并且特別是甲醇合成條件/氨合成條件應(yīng)理解為意指本領(lǐng)域技術(shù)人員本身已知的工藝條件，特別是溫度、壓力和停留時(shí)間，如例如上文所述并且在相關(guān)文獻(xiàn)中詳細(xì)討論的，并且在該工藝條件下，發(fā)生相應(yīng)工藝的反應(yīng)物到產(chǎn)物的至少部分的轉(zhuǎn)化，但優(yōu)選工業(yè)相關(guān)的轉(zhuǎn)化。這同樣適用于合適的催化劑及其合適的工作條件的選擇，因?yàn)樵诒景l(fā)明的上下文中，兩種所述方法都是在多相催化下操作的，在多相催化中相應(yīng)的甲醇合成反應(yīng)器和氨合成反應(yīng)器是本領(lǐng)域技術(shù)人員本身已知的，并且例如在開頭所述的文獻(xiàn)中進(jìn)行了描述。

18、本發(fā)明基于這樣的發(fā)現(xiàn)，即特別是在反應(yīng)器的軸向方向上的最佳溫度管理使得可以顯著改善沿著反應(yīng)路徑的生產(chǎn)率/時(shí)空產(chǎn)率。通過使用根據(jù)本發(fā)明的冷卻構(gòu)思，沿著反應(yīng)路徑的溫度曲線得到顯著改善，因此實(shí)現(xiàn)顯著更高的單程轉(zhuǎn)化率。根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器冷卻可以用于催化劑填充的管式反應(yīng)器和催化劑填充的板式反應(yīng)器。

19、當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，甲醇合成期間的副產(chǎn)物形成也減少。

20、反應(yīng)器中改善溫度曲線原則上也可使用催化劑層管理來實(shí)現(xiàn)。這將包括在預(yù)期最高的轉(zhuǎn)化率(放熱率)并且因此最高的溫度的區(qū)域中使用活性較低的催化劑，并且在預(yù)期較低的轉(zhuǎn)化率的區(qū)域中采用活性較高的催化劑。然而，此種催化劑層管理是相對(duì)不靈活的，因?yàn)椴煌拇呋瘎颖仨毣谔囟ǖ拇呋瘎┗钚院拖鄳?yīng)的氣體組成來選擇和限定。然而，作為催化劑持續(xù)失活的結(jié)果，催化劑活性在合成設(shè)備的正常工作時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化。

21、反應(yīng)床的層管理和相關(guān)冷卻必須相互匹配。在催化劑正常工作時(shí)間和相關(guān)的催化劑失活期間，條件會(huì)發(fā)生變化，并且期望調(diào)整反應(yīng)溫度和伴隨的冷卻/冷卻溫度，以至少部分地補(bǔ)償失活并確保高轉(zhuǎn)化率和低副產(chǎn)物形成?，F(xiàn)有技術(shù)中已知的反應(yīng)器允許冷卻僅適用于整個(gè)反應(yīng)器；然而通常不是所有的催化劑層在工作時(shí)間內(nèi)都經(jīng)歷相同程度的失活。因此，建立特定的反應(yīng)條件總是一種折衷。

22、根據(jù)本發(fā)明的方法允許根據(jù)催化劑活性、每個(gè)級(jí)中的氣體組成和兩個(gè)或更多個(gè)不同催化劑層的潛在存在(層管理)以及還有在正常工作時(shí)間內(nèi)沿著催化固定床反應(yīng)器的縱向軸線單獨(dú)地調(diào)整反應(yīng)條件。這在整個(gè)反應(yīng)器上實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)化率和低副產(chǎn)物形成。

23、優(yōu)化的溫度管理還降低了催化劑床中的最高溫度(以及溫度峰值，即所謂的熱點(diǎn))。除了從反應(yīng)系統(tǒng)中去除副產(chǎn)物，例如甲醇合成中的水之外，這也對(duì)催化劑的正常工作時(shí)間具有積極影響。已知的是催化劑床中的高溫導(dǎo)致催化劑更快失活。

24、本發(fā)明的一個(gè)方面是使用在反應(yīng)器的冷卻側(cè)具有蒸發(fā)冷卻介質(zhì)例如水或傳熱油的反應(yīng)器裝置。這使得可以確保在冷卻側(cè)在冷卻介質(zhì)被部分蒸發(fā)的區(qū)中非常好的熱傳遞。在反應(yīng)器的直立布置的情況下，蒸發(fā)優(yōu)選發(fā)生在反應(yīng)器的上部，在那里反應(yīng)側(cè)的轉(zhuǎn)化率最高，并且相應(yīng)的冷卻是必需的并且是有用的。冷卻介質(zhì)因此以液體和過冷形式引入反應(yīng)器冷卻側(cè)的下部區(qū)域，同時(shí)反應(yīng)氣體從上方進(jìn)入反應(yīng)側(cè)。原則上，冷卻介質(zhì)在冷卻側(cè)(內(nèi)部空間)與反應(yīng)氣體逆流流動(dòng)。

25、在一個(gè)實(shí)例中，冷卻介質(zhì)通過自然循環(huán)，即通過由于蒸發(fā)和/或沿著冷卻回路的溫差引起的密度差進(jìn)行再循環(huán)，但是也可以通過在冷卻回路中使用泵來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制循環(huán)，該泵將過冷液體從作為冷卻介質(zhì)儲(chǔ)器的蒸汽鍋筒泵送到反應(yīng)器的冷卻側(cè)。

26、為了優(yōu)化反應(yīng)器性能，將從儲(chǔ)器提供的在飽和狀態(tài)下的冷卻介質(zhì)在進(jìn)入反應(yīng)器的冷卻側(cè)之前過冷卻。降低的冷卻溫度導(dǎo)致反應(yīng)器中工藝側(cè)的反應(yīng)溫度也降低，這在放熱反應(yīng)的熱力學(xué)平衡方面是有利的，并且最終提高轉(zhuǎn)化率。較低的溫度在其他方面也是有利的(例如減少副產(chǎn)物形成、延長催化劑使用壽命)。

27、所使用的反應(yīng)器可以是任何相關(guān)的反應(yīng)裝置，其中主要可以實(shí)現(xiàn)冷卻介質(zhì)和反應(yīng)氣體的逆流流動(dòng)。實(shí)例包括管式反應(yīng)器、殼管式反應(yīng)器和板式反應(yīng)器。

28、冷卻介質(zhì)的過冷卻可以使用各種熱交換器類型來實(shí)現(xiàn)。如果采用自然循環(huán)，則冷卻介質(zhì)側(cè)的低壓降是至關(guān)重要的。為了實(shí)現(xiàn)冷卻介質(zhì)的適當(dāng)?shù)脑傺h(huán)速率，在一個(gè)實(shí)例中，可以考慮冷卻回路中的總壓降來配置距離冷卻儲(chǔ)器的液體輸送高度。

29、用于實(shí)現(xiàn)期望的過冷卻的一種選擇可以是安裝在冷卻劑儲(chǔ)器與反應(yīng)器冷卻側(cè)入口之間的下行管中的空氣冷卻器。用于冷卻劑側(cè)的熱交換器的截面積被配置成使得實(shí)現(xiàn)低壓降。

30、為了調(diào)整冷卻介質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)器的冷卻側(cè)時(shí)的溫度，可以使用圍繞用于過冷卻的熱交換器的旁路來減少通過熱交換器的流量，從而產(chǎn)生減少的過冷卻。在一個(gè)實(shí)例中的旁路中，安裝控制閥以控制通過旁路/通過熱交換器的期望流量。如果需要，可以可選地在熱交換器的下游安裝另一個(gè)閥以將通過熱交換器的流量節(jié)流至最小值。這將使得可以完全繞過熱交換器。在一個(gè)實(shí)例中，控制閥由溫度控制器控制，該溫度控制器控制冷卻介質(zhì)在進(jìn)入反應(yīng)器的冷卻側(cè)之前的溫度。在另一個(gè)實(shí)例中，可以使用反應(yīng)器出口處工藝側(cè)的反應(yīng)器產(chǎn)物氣體的測(cè)量溫度來控制上述溫度控制器上的旁通閥，以用于直接或間接地經(jīng)由級(jí)聯(lián)進(jìn)行冷卻。

31、當(dāng)使用空氣冷卻器時(shí)，冷卻也可以經(jīng)由常規(guī)的控制裝置(例如速度控制器、風(fēng)扇葉片調(diào)節(jié)器、百葉窗)進(jìn)行控制。然而，旁路解決方案將適用于所有類型的熱交換器。

32、為了改進(jìn)熱集成，根據(jù)一個(gè)實(shí)例，使用用從反應(yīng)器排出的冷卻介質(zhì)冷卻的熱交換器代替空氣冷卻器是有用的。這將冷卻介質(zhì)預(yù)熱，同時(shí)在熱交換器的熱側(cè)上，反應(yīng)器冷卻回路的冷卻介質(zhì)被冷卻。預(yù)熱使得可以從系統(tǒng)中回收更多的熱量，并增加蒸汽鍋筒中的蒸汽產(chǎn)量。

33、此類熱交換器可以是例如雙管熱交換器、多管熱交換器、板式熱交換器或另外類型的熱交換器。在任何情況下，優(yōu)選在熱側(cè)與冷側(cè)之間使用逆流系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)最佳控制和效率。此外，熱交換器的設(shè)計(jì)必須確保與反應(yīng)器系統(tǒng)的冷卻劑回路連接的熱側(cè)的低壓降。在一個(gè)實(shí)例中，熱交換器被集成到冷卻劑儲(chǔ)器(蒸汽鍋筒)與反應(yīng)器冷卻側(cè)入口之間的管道中。在直立布置的情況下，熱側(cè)的流動(dòng)從熱交換器的上端向下流動(dòng)，而冷側(cè)的冷卻介質(zhì)的預(yù)熱優(yōu)選從下入口向上流動(dòng)。此外，在一個(gè)實(shí)例中，熱交換器的設(shè)計(jì)使得熱交換器的每一側(cè)僅使用一個(gè)通道，并且避免了多個(gè)通道，以確保傳熱功率的良好可控性。

34、本發(fā)明提出了一種用于進(jìn)行放熱平衡反應(yīng)的反應(yīng)器，特別是用于通過合成氣的非均相催化反應(yīng)進(jìn)行甲醇合成和/或氨合成的反應(yīng)器，該反應(yīng)器使得可以影響并因此優(yōu)化沿著反應(yīng)器的縱向坐標(biāo)的反應(yīng)條件，例如在甲醇合成的情況下該反應(yīng)器導(dǎo)致再循環(huán)比降低至更小的值，如在使用現(xiàn)有技術(shù)中熟悉的反應(yīng)器時(shí)已知的。因此，可以將相應(yīng)的再循環(huán)管道、回路壓縮機(jī)等制成更小的，或者在一些情況下甚至可以完全省略。這減少了相應(yīng)的資本成本。

35、優(yōu)化沿著反應(yīng)器的縱向坐標(biāo)的反應(yīng)溫度曲線進(jìn)一步減少了不期望的副產(chǎn)物的形成，因此提供更純的目標(biāo)產(chǎn)物并減少純化工作。

36、本發(fā)明的另外的具體實(shí)施例

37、在本發(fā)明的第二方面，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的特征在于至少一個(gè)管式反應(yīng)器或板式反應(yīng)器的第一冷卻區(qū)段包括在輸入混合物流和產(chǎn)物混合物流的流動(dòng)方向上的催化劑填充物的最后區(qū)段。反應(yīng)器的第一冷卻區(qū)段與催化劑填充物的最后區(qū)段重合。由于引入該區(qū)段的內(nèi)部空間的冷卻劑已經(jīng)利用冷卻劑冷卻裝置相對(duì)于其沸點(diǎn)過冷卻，因此所述冷卻劑以液體形式存在，從而允許建立低于沸點(diǎn)的冷卻溫度。由此在催化劑床中所得的溫度降低使得可以使催化劑床的該部分中的反應(yīng)平衡向反應(yīng)產(chǎn)物的方向上移動(dòng)。即使在反應(yīng)平衡先前(即在催化劑床的第一部分中)已經(jīng)建立的情況下，這也允許反應(yīng)產(chǎn)物的額外形成。

38、在本發(fā)明的第三方面，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的特征在于催化劑填充物的最后區(qū)段占催化劑填充物總長度的0％至30％、優(yōu)選催化劑填充物總長度的0％至40％、最優(yōu)選催化劑填充物總長度的0％至50％。研究表明，反應(yīng)器的第一冷卻區(qū)段進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整尺寸使得可以實(shí)現(xiàn)特別有利的產(chǎn)物產(chǎn)率。相比之下，如果仍然將反應(yīng)器的第一冷卻區(qū)段制得更大，則反應(yīng)器的第二冷卻區(qū)段可能變得太小，結(jié)果是在此實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率/產(chǎn)物產(chǎn)率太小，并且在整個(gè)反應(yīng)器上平衡地產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物太少。

39、在本發(fā)明的第四方面，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的特征在于冷卻劑冷卻裝置是可調(diào)節(jié)的，使得冷卻劑流在進(jìn)入內(nèi)部空間之前的溫度比在冷卻劑壓力下的冷卻劑的沸騰溫度低至少3℃、優(yōu)選至少10℃、最優(yōu)選至少20℃。研究表明，在反應(yīng)器的第一冷卻區(qū)段中過冷卻溫度的相應(yīng)選擇使得可以實(shí)現(xiàn)特別有利的產(chǎn)物產(chǎn)率。

40、在本發(fā)明的第五方面，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的特征在于反應(yīng)器包括多個(gè)填充有催化劑填充物的管式反應(yīng)器或板式反應(yīng)器，其相對(duì)于它們的縱向軸線平行地布置在殼體中。冷卻殼體中反應(yīng)器管的數(shù)量的增加引起產(chǎn)物產(chǎn)率的增加。

41、在本發(fā)明的第六方面，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的特征在于反應(yīng)器相對(duì)于其縱向軸線直立布置，使得反應(yīng)物入口和冷卻劑出口位于反應(yīng)器的上端，并且產(chǎn)物出口和冷卻劑入口位于反應(yīng)器的下端。這是尤其有利的，因?yàn)檫@具有第二冷卻區(qū)段被布置在反應(yīng)器的頂部的結(jié)果。由于冷卻劑在反應(yīng)器的該第二冷卻區(qū)段中沸騰，并且作為蒸氣或作為雙相流從內(nèi)部空間排出，因此冷卻劑的輸送可以至少部分地通過自然循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，結(jié)果是相應(yīng)的輸送裝置例如冷卻劑泵可以制得更小或完全省去。

42、本發(fā)明的第七方面涉及根據(jù)上述方面中的任一者的反應(yīng)器用于進(jìn)行甲醇合成和/或用于氨合成的用途。

43、在本發(fā)明的第九方面，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于至少一個(gè)管式反應(yīng)器或板式反應(yīng)器的第一冷卻區(qū)段包括在輸入混合物流和產(chǎn)物混合物流的流動(dòng)方向上的催化劑填充物的最后區(qū)段。與該方法的該實(shí)施例相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于結(jié)合本發(fā)明的第二方面對(duì)根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器所闡明的那些。

44、在本發(fā)明的第十方面，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于催化劑填充物的最后區(qū)段占催化劑填充物總長度的0％至30％、優(yōu)選催化劑填充物總長度的0％至40％、最優(yōu)選催化劑填充物總長度的0％至50％。與該方法的該實(shí)施例相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于結(jié)合本發(fā)明的第三方面對(duì)根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器所闡明的那些。

45、在本發(fā)明的第十一方面，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于冷卻劑冷卻裝置是可調(diào)節(jié)的，使得冷卻劑流在進(jìn)入內(nèi)部空間之前的溫度比在冷卻劑壓力下的冷卻劑的沸騰溫度低至少3℃、優(yōu)選至少10℃、最優(yōu)選至少20℃。與該方法的該實(shí)施例相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于結(jié)合本發(fā)明的第四方面對(duì)根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器所闡明的那些。

46、在本發(fā)明的第十二方面，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于反應(yīng)器包括多個(gè)填充有催化劑填充物的管式反應(yīng)器或板式反應(yīng)器，其相對(duì)于它們的縱向軸線平行地布置在殼體中。與該方法的該實(shí)施例相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于結(jié)合本發(fā)明的第五方面對(duì)根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器所闡明的那些。

47、在本發(fā)明的第十三方面，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于反應(yīng)器相對(duì)于其縱向軸線直立布置，使得反應(yīng)物入口和冷卻劑出口位于反應(yīng)器的上端，并且產(chǎn)物出口和冷卻劑入口位于反應(yīng)器的下端。與該方法的該實(shí)施例相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于結(jié)合本發(fā)明的第六方面對(duì)根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器所闡明的那些。

48、在本發(fā)明的第十四方面，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于步驟(2)至(5)配置如下：

49、(2)提供含有氫氣和碳氧化物作為反應(yīng)物組分的氣態(tài)輸入混合物流；

50、(3)將氣態(tài)輸入混合物流經(jīng)由反應(yīng)物入口引入至少一個(gè)管式反應(yīng)器或板式反應(yīng)器中；

51、(4)在甲醇合成條件下使氣態(tài)輸入混合物流至少部分地反應(yīng)以提供含有甲醇作為產(chǎn)物組分和未轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物組分的流體產(chǎn)物混合物流；

52、(5)將流體產(chǎn)物混合物流經(jīng)由產(chǎn)物出口從至少一個(gè)管式反應(yīng)器或板式反應(yīng)器中排出。

53、這提供了用根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器進(jìn)行甲醇合成的有利方法。

54、在本發(fā)明的第十五方面，根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于步驟(2)至(5)配置如下：

55、(2)提供含有氫氣和氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)物組分的氣態(tài)輸入混合物流；

56、(3)將氣態(tài)輸入混合物流經(jīng)由反應(yīng)物入口引入至少一個(gè)管式反應(yīng)器或板式反應(yīng)器中；

57、(4)在氨合成條件下使氣態(tài)輸入混合物流至少部分地反應(yīng)以提供含有氨作為產(chǎn)物組分和未轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物組分的氣態(tài)產(chǎn)物混合物流；

58、(5)將氣態(tài)產(chǎn)物混合物流經(jīng)由產(chǎn)物出口從至少一個(gè)管式反應(yīng)器或板式反應(yīng)器中排出。

59、這提供了用根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器進(jìn)行氨合成的有利方法。

60、工作和數(shù)值實(shí)例

61、本發(fā)明的開發(fā)、優(yōu)點(diǎn)和可能的應(yīng)用從以下工作和數(shù)值實(shí)例和附圖的描述中也是顯而易見的。所描述和/或描繪的所有特征以其本身或以任何組合形成本發(fā)明，而不管它們?cè)跈?quán)利要求或其中的從屬引用中如何組合。

62、在圖中：

63、圖1是包括根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器的設(shè)備/方法的示意圖；

64、圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的反應(yīng)器中的軸向溫度曲線；

65、圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的反應(yīng)器中的軸向溫度曲線；

66、圖4是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的反應(yīng)器中的軸向溫度曲線。

67、在下文中，“未示出”應(yīng)理解為意指所討論的圖中的要素沒有用圖示表示，但根據(jù)描述仍然存在。

68、圖1示出了包括根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器10的用于甲醇合成的設(shè)備1/方法1的實(shí)施例。

69、將含有氫氣和碳氧化物以及惰性組分(例如甲烷)的新鮮合成氣流(補(bǔ)充氣體流)經(jīng)由管道12引入設(shè)備/方法中，并且經(jīng)由反應(yīng)物入口(未示出)引入布置在圓柱形殼體13內(nèi)部中的管式反應(yīng)器15中。在此之前，含有未轉(zhuǎn)化的合成氣成分的再循環(huán)氣體流由管道14供應(yīng)，并且同樣經(jīng)由管道12引入管式反應(yīng)器15中。將新鮮合成氣和再循環(huán)氣體二者壓縮至反應(yīng)壓力，并使用壓縮機(jī)(未示出)輸送，然后引入管式反應(yīng)器15中。

70、在管式反應(yīng)器15中，合成氣組分向甲醇的部分轉(zhuǎn)化在甲醇合成條件下經(jīng)甲醇合成催化劑實(shí)現(xiàn)，由于與甲醇合成相關(guān)的反應(yīng)的放熱特性而釋放熱量。管式反應(yīng)器15被配置為圓柱形單管反應(yīng)器，并且填充有對(duì)于甲醇合成有活性的催化劑。在圖1中指示了催化劑床的縱向坐標(biāo)z。在本實(shí)例中，反應(yīng)器10處于直立布置。

71、經(jīng)由管道16，將含有甲醇、未轉(zhuǎn)化的合成氣成分和惰性組分的產(chǎn)物混合物流經(jīng)由產(chǎn)物出口(未示出)從管式反應(yīng)器15和反應(yīng)器10中排出，使用冷卻器40冷卻至低于其露點(diǎn)的溫度，并且經(jīng)由管道42引入氣-液相分離器50中。

72、在氣-液相分離器50中，產(chǎn)物混合物流被分解成液體粗甲醇流，其經(jīng)由管道52從氣-液相分離器50中排出并被送至產(chǎn)物后處理裝置(未示出)。未轉(zhuǎn)化的合成氣的最大部分經(jīng)由管道14從氣-液相分離器50中排出，并且在壓縮之后經(jīng)由管道12送回至反應(yīng)器10。合成氣的較小部分作為吹掃流經(jīng)由管道14和管道54從設(shè)備/方法中排出，以防止惰性組分的積聚。

73、使用水作為冷卻劑冷卻管式反應(yīng)器15，該水作為過冷冷卻劑流經(jīng)由管道32供應(yīng)并且經(jīng)由冷卻劑入口(未示出)引入內(nèi)部空間17中，該內(nèi)部空間布置在管式反應(yīng)器15的外壁與殼體13的內(nèi)壁之間并且在本實(shí)例中具有環(huán)形形狀。

74、當(dāng)與反應(yīng)物氣體/產(chǎn)物氣體的氣體流逆流流過內(nèi)部空間17時(shí)，冷卻劑吸收一部分由甲醇合成釋放的反應(yīng)熱。由于反應(yīng)器10的直立布置，冷卻劑從底部向頂部流過內(nèi)部空間17。由于由冷卻器30實(shí)現(xiàn)冷卻劑的過冷卻，考慮到縱向坐標(biāo)100％與在0％和100％之間的縱向坐標(biāo)z的值之間的反應(yīng)物流/產(chǎn)物流，冷卻劑在管式反應(yīng)器的第一冷卻區(qū)段，即催化劑床的最后區(qū)段中保持液體。在進(jìn)一步流過內(nèi)部空間17時(shí)，冷卻劑開始沸騰并且經(jīng)歷完全或部分蒸發(fā)。管式反應(yīng)器15的在管式反應(yīng)器的第二冷卻區(qū)段上的上部區(qū)域的冷卻因此通過汽化冷卻劑或蒸氣和液體的雙相流來實(shí)現(xiàn)。考慮到縱向坐標(biāo)0％與在0％和100％之間的縱向坐標(biāo)z的值之間的反應(yīng)物流/產(chǎn)物流，管式反應(yīng)器15的第二冷卻區(qū)段因此對(duì)應(yīng)于催化劑床的第一區(qū)段。

75、蒸發(fā)或部分蒸發(fā)的冷卻劑經(jīng)由管道22從反應(yīng)器10中排出，并被引入配置為蒸汽鍋筒的冷卻劑儲(chǔ)器20中。所產(chǎn)生的蒸汽的一部分經(jīng)由管道24送至消費(fèi)者。由此從冷卻回路中排出的冷卻劑通過經(jīng)由管道(未示出)將相應(yīng)的水流作為冷卻劑流供應(yīng)到蒸汽鍋筒來補(bǔ)償。液體、蒸汽飽和的冷卻劑經(jīng)由管道26從蒸汽鍋筒20中排出并且供應(yīng)至冷卻器30。冷卻器30實(shí)現(xiàn)冷卻劑的限定的過冷卻，然后冷卻劑經(jīng)由管道32再循環(huán)至反應(yīng)器10。

76、甲醇合成的數(shù)值實(shí)例

77、表1：水冷反應(yīng)器，2000tpd甲醇生產(chǎn)。反應(yīng)器容積88.8m3

78、

79、符號(hào)說明：

80、sn?甲醇合成氣的化學(xué)計(jì)量數(shù)

81、sor?運(yùn)行初期(催化劑循環(huán)初期)

82、eor?運(yùn)行末期(催化劑循環(huán)末期)

83、6x4、3x3催化劑顆粒尺寸

84、tpd(公)噸/天

85、x_co2_pp反應(yīng)器單程的co2轉(zhuǎn)化率

86、x_co_pp反應(yīng)器單程的co轉(zhuǎn)化率

87、rr?未轉(zhuǎn)化的合成氣至反應(yīng)器的再循環(huán)比lm?層管理，不同催化劑的層

88、表2：水冷反應(yīng)器，2000tpd甲醇，層管理。反應(yīng)器容積88.8m3

89、

90、如從表1中總結(jié)的數(shù)據(jù)中顯而易見的，催化劑床的最后30％的過冷將甲醇產(chǎn)量從2190tpd增加至2206tpd(sor)。本發(fā)明可替代地使得可以將再循環(huán)比從3.2降低至2.85，同時(shí)仍然保持相同的甲醇產(chǎn)量。圖2示出了伴隨的溫度曲線，其中，和圖3和圖4中一樣，圓形符號(hào)對(duì)應(yīng)于反應(yīng)器中(催化劑床中)的溫度，并且角形符號(hào)對(duì)應(yīng)于冷卻劑的溫度。

91、從表2中總結(jié)的數(shù)據(jù)中顯而易見的，使用催化劑層管理，即使用不同催化劑層(在此是兩種不同顆粒尺寸的甲醇合成催化劑)連同根據(jù)本發(fā)明的冷卻劑的過冷卻，進(jìn)一步增加了恒定再循環(huán)比下的產(chǎn)量。圖3中示出了相關(guān)的溫度曲線。

92、表3：水冷反應(yīng)器，富co合成氣，2000tpd甲醇，層管理。反應(yīng)器容積88.8m3

93、

94、從表3中總結(jié)的數(shù)據(jù)中顯而易見的，結(jié)合表1和表2闡明的關(guān)系不僅適用于sor，而且適用于eor和用富cl合成氣進(jìn)行的工藝執(zhí)行。圖4中示出了相關(guān)的溫度曲線。

95、附圖標(biāo)記清單

96、[1]?設(shè)備/方法

97、[10]?反應(yīng)器

98、[12]?管道

99、[13]?殼體

100、[14]?管道

101、[15]?管式反應(yīng)器

102、[16]?管道

103、[17]?內(nèi)部空間

104、[20]?冷卻劑儲(chǔ)器(蒸汽鍋筒)

105、[22]?管道

106、[24]?管道

107、[26]?管道

108、[30]?冷卻器(熱交換器或空氣冷卻器)

109、[32]?管道

110、[40]?冷卻器

111、[42]?管道

112、[50]?氣-液相分離器

113、[52]?管道

114、[54]?管道