催化反应器
专利汇可以提供催化反应器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于在反应剂之间进行化学反应的紧凑型催化反应器(10)，所述反应器限定交替排列的多个第一和第二流动通道(16，17)，所述第一流动通道为反应剂提供流动途径，所述第二流动通道为反应提供热源。在其中发生化学反应的每个流动通道包含可去除的、 流体 可渗透的催化剂结构(20)。限定第一流动通道(16)的壁，以及优选第二流动通道(17)的壁，经处理以具有发射系数高的表面。这种反应器特别适于在高于约500℃的 温度 进行的反应，在此温度 辐射 传热 变得明显。，下面是催化反应器专利的具体信息内容。
1.用于在反应剂之间进行化学反应的紧凑型催化反应器，所述反 应器限定交替排列的多个第一和第二流动通道，所述第一流动通道为反 应剂提供流动途径，所述第二流动通道为反应提供热源，其中，在其中 发生化学反应的每个流动通道包含可去除的、流体可渗透的催化剂结 构；其中，限定第一流动通道的壁具有发射系数高的表面。
2.权利要求1的反应器，其中所述壁经处理以确保发射系数是抛 光的有光泽表面的数值的至少两倍，或者是至少0.6。
3.权利要求1或者2的反应器，其中所述发射系数是至少0.7。
4.前述任一权利要求中的反应器，其中所述限定第二流动通道的 壁也具有如此高的发射系数。
5.前述任一权利要求中的反应器，其中限定第一和第二流动通道 的装置是铁/镍/铬合金制成的。
6.前述任一权利要求中的反应器，其中所述催化剂结构包含具有 陶瓷涂层的金属衬底，在所述陶瓷涂层中结合了活性催化材料，所述催 化剂结构经成形以将流动通道分成多个平行的流动子通道，在每个所述 子通道中的表面上具有催化材料。
7.基本上如前面参考附图进行描述并在附图中所示的紧凑型催化 反应器。
8.用于执行蒸汽甲烷重整反应的装置，其结合有前述任一权利要 求的反应器。
9.用于处理天然气以获得长链烃的装置，包含权利要求8中所述 的蒸汽/甲烷重整反应器以使甲烷和蒸汽反应形成合成气。
本发明涉及催化反应器，其适于在升高的温度下进行并且要求传热 的化学工艺中使用。例如，所述工艺可以是重整工艺。
在WO01/51194和WO03/048034(Accentus plc)中描述了一种工 艺，其中甲烷和蒸汽反应，以在第一催化反应器中生成一氧化碳和氢 气；所得气体混合物随后用于在第二催化反应器中进行Fischer-Tropsch 合成。总体结果是将甲烷转变成较高分子量的烃，所述烃在环境条件下 通常是液态或者蜡状。该工艺的两个阶段，蒸汽/甲烷重整和Fischer- Tropsch合成，要求不同的催化剂，并且由于反应分别是吸热性和放热 性的，所以分别要求将热量传递到反应气体或者从反应气体传出。重整 反应典型在大约800℃的温度下进行，所需热量可以由催化燃烧提供。
根据本发明，提供了用于在反应剂之间进行化学反应的紧凑型催化 反应器，所述反应器限定了多个交替排列的第一和第二流动通道，第一 流动通道提供用于反应剂的流动途径，第二流动通道提供用于反应的热 源，其中，将在其中发生化学反应的每个流动通道包含可去除的、流体 可渗透的催化剂结构；其中限定第一流动通道的壁具有发射系数高的表 面。
优选地，所述壁经处理以确保发射系数至少是抛光的、有光泽表面 的数值的两倍，或者至少是0.6，更优选至少0.7。例如，表面可以通过 蚀刻或者阳极化进行处理。因此，发射系数可以升高到0.90或者0.95， 但是这取决于材料。优选，限定第二流动通道的壁也具有所述高发射系 数。发射系数值是在反应器操作温度的总发射系数值。这种增加的发射 系数意味着辐射的吸收和发射都增加。
反应器特别适于在高于大约500℃的温度进行的反应，特别适于在 高于例如750℃进行的反应，限定流动通道的材料暴露到热反应气体 下，从而用于制备反应器的材料必须在此温度下坚固并能抗腐蚀。例 如，在用于蒸汽重整的反应器的情况下，合适的金属是用于高温用途的 铁/镍/铬合金，比如Haynes HR-120或者Inconel 800HT(商标)，或者 类似材料。
反应器可以包括叠层板。例如，第一和第二流动通道可以由各个板 中的沟槽限定，所述板被堆叠起来然后结合到一起。或者，流动通道可 以由薄金属片限定，所述金属片成城堡状排列(castellated)并和平片交 替堆叠；流动通道的边缘可以由密封条限定。为了确保所需的良好热接 触，第一和第二气体流动通道的深度都可以是10mm-2mm，优选小于 6mm，更优选为3-5mm。形成反应器模块的板的叠层例如通过扩散结 合、钎焊或者热等静压结合在一起。但是应该注意到，板的表面需要在 将结合的地方没有表面缺陷，所以通常在组装和结合之前被赋予高的表 面精度，这使得它们的发射系数低；所以，通常在组装了反应器部件之 后进行处理以提高发射系数，但是也可以预先进行所述处理。
催化剂结构优选具有金属衬底以提供强度和提高传导传热，从而防 止出现热点。通常，金属衬底被覆盖有陶瓷涂层，在涂层中结合了活性 催化材料。优选地，用于催化剂结构的金属衬底是在加热时形成氧化铝 粘合性表面涂层的钢合金，例如含铝的铁素体钢(例如，Fecralloy (TM))。当该金属在空气中加热时，形成氧化铝的粘合性氧化物涂 层，该涂层保护所述合金免受进一步氧化和免遭腐蚀。当所述陶瓷涂层 是氧化铝涂层时，这看起来是结合到表面上的氧化物涂层上。优选，每 种催化剂结构经成形以将流动通道划分成多个平行的流动子通道，在每 个子通道的表面上具有催化材料。衬底可以是箔、丝网或者毡片，其可 以经过成波纹处理、成涟漪处理或者褶皱处理；优选的衬底是例如厚度 小于100μm的薄金属箔。
因此，在一个实施方案中，催化剂结构结合了波纹状的金属箔。催 化剂结构不是结构上的，也就是说，它不为反应器提供强度，所以所述 催化剂结构可以插入到每个流动通道中，具有适于相应的反应的催化 剂。催化剂结构可以从反应器中的通道中移开，因此如果催化剂被耗 光，则可以将其替换掉。
适于蒸汽/甲烷重整反应的反应器可以根据本发明构建。因而，用于 对天然气进行处理以获得长链烃的装置可以结合本发明的蒸汽/甲烷重 整反应器，以使甲烷和蒸汽反应，从而形成合成气体。
现在将参考附图，仅仅通过举例方式，进一步地、更具体地描述本 发明，其中：
图1示出了用于蒸汽/甲烷重整的反应器块的部分剖面图，其中部件 被分开显示；和
图2示出了在反应器块被组装之后，沿着图1的线A-A的剖面图， 其中去掉了一部分。
通过混合蒸汽和甲烷，并使混合物和合适的催化剂在升高的温度下 接触，以使蒸汽和甲烷反应形成一氧化碳和氢气，从而进行所述蒸汽重 整反应。重整反应器中的温度通常从入口处的大约450℃增加到出口处 的大约800-850℃。蒸汽重整反应是吸热性的，热量可以通过例如和空 气混合的烃以及氢气的催化燃烧来提供。燃烧在重整反应器中的相邻流 动通道内的燃烧催化剂上进行。
现在参见图1，示出了适用作蒸汽重整反应器的反应器块(reactor block)10，其中为了清楚将部件分开显示。反应器块10由堆叠的板构 成，所述板在平面图上显示为矩形，每块板都是耐腐蚀性高温钢，比如 Inconel 800HT或者Haynes HR-120。厚度为1mm的平板12和城堡状的 板14、15交替排列，其中所述城堡用以限定从板的一侧到另一侧的直 通通道16、17。城堡状的板14和15在所述叠层中交替排列，使得通道 16、17在交替的城堡状板14、15中以正交方向取向。城堡状板14和15 的厚度(通常为0.2-3.5mm)在每种情况下是0.75mm。城堡的高度(通 常是2-10mm)在本实例中是4mm，沿着边缘设置相同厚度的实心边 缘条18。在限定燃烧通道17的城堡状板15中，城堡的波长使得连续桥 带(ligament)之间间隔25mm，而在限定重整通道16的城堡状板14 中，连续桥带之间间隔15mm。
现在参见图2，其示出了穿过反应器块10的剖面图，每块板12都 是宽度600mm、长度1200mm的矩形；所述剖面位于和一个所述板12 平行的平面内。用于燃烧通道17的城堡状板15在平面图中占据相同的 面积，所述城堡沿着长度方向延伸。用于重整通道16的城堡状板14为 600mm×400mm，三个所述板14并排铺设，在它们中间是边缘条18， 通道16横向延伸。在叠层每一端的集管22使得燃烧气体可以通过管子 24供给燃烧通道17，废气可以通过管子24从燃烧通道17排出。小集 管26(如图所示，在右下角和左上角处)使得用于重整反应的气体混合 物可以供给第一城堡状板14中的通道16中，所得的混合物从第三城堡 状板14中的通道中去除；双宽度集管28(如图所示，右上角和左下角) 使得气体混合物可以从一个城堡状板24流到下一个。整体结果是进行 重整的气体沿着锯齿状路径流动，所述路径通常和穿过燃烧通道17的 流动成顺流方向。
叠层如上所述组装，并结合到一起。然后，在每个通道中插入波纹 状金属箔催化剂载体20(图1中仅仅示出两个)，携带有用于两个不同 反应的催化剂。金属箔优选是含铝钢合金，比如Fecralloy。然后，可以 将集管22、26和28连接到叠层外侧，如图2所示。
结合操作通常是扩散结合、钎焊、或者热等静压，这些工艺需要板 具有光滑表面——或者使焊料没有孔隙的流动，或者使晶粒在相邻表面 之间生长。所以，板通常被轧制成高表面精度，然后形成任何城堡，进 行板的组装。获得的表面是反射性的，因而具有较低的发射系数(如果 是Inconel，通常是大约0.3)。由于在反应器的操作过程中表面的温度 高，所以辐射传热在反应器内的传热中起到重要作用，但是当气体流过 通道时也通过强制对流传热，以及通过板的传导来传热。催化剂载体20 的表面通常具有高的发射系数(例如，大约0.8)，这是因为陶瓷涂层 和催化活性材料的颗粒。总体传热涉及从燃烧通道17中的催化剂载体 20辐射到燃烧通道17的壁；一部分辐射被吸收到金属中，以热量形式 通过板厚传导到重整器通道16的壁；在此处，一些以辐射形式发射， 将被重整催化载体20的表面吸收。所以，应该意识到，对辐射传热的 主要阻力位于流动通道16和17系列的表面处。
相应地，在反应器块10被组装和结合之后，但是在插入催化剂载 体20之前，通道16和17经受加工步骤，以使其表面粗糙和增加这些 表面的发射系数。例如，这可以是化学蚀刻，通过将反应器块浸入合适 的腐蚀性化学品比如酸的浴中，然后进行排水、清洗和干燥来进行。这 种蚀刻剂可以是攻击晶界的蚀刻剂。其组成取决于制备反应器的材料， 但是举例而言可以包含盐酸和过氧化氢，或者酸性氯化铁，或者可能是 硝酸与氟化氢的组合。
增加表面发射系数的工艺可以和上述的不同。相反，反应器块10 可以在含有氧的气氛中高温静置，从而在表面上形成金属氧化物。另一 种替换性方法会是对表面进行阳极化处理。另一种替换性工艺会是在壁 上提供具有高发射系数的材料薄涂层，例如，通过浆料沉积工艺。另一 种替换性工艺会是使磨粒浆料通过通道。
应该注意到，图中所示的反应器设计仅仅是举例，本发明可以适用 于在升高的温度(高于例如450℃)下使用的任何紧凑型催化反应器。
例如，同等适用于其中流动通道由平板中的沟槽限定的反应器，或者流 动通道事实上由板中的孔隙限定的反应器。
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