催化反应器本发明涉及一种适于用在将天然气转化为长链烃的化学加工中的 催化反应器，以及涉及一种包括这样的催化反应器用来进行该加工的设备。WO 01/51194和WO03/033131(Accentusplc)中描述了一种方法，其 中曱烷和蒸汽在第一催化反应器进行反应，来产生一氧化碳和氢气；产 生的气体混合物然后用来在第二催化反应器中进行费-托合成。总的结果 是将曱烷转化为更高分子量的长链烃，该长链烃在环境条件下通常是液 体或蜡状物。该方法的两个阶段，蒸汽/甲烷重整和费-托合成，需要不 同的催化剂，并且对每个阶段都描述了催化反应器。在每一种情况中， 所述催化剂可以包含一种涂有催化材料的沟紋状箔片。在每一种情况 中，该沟紋状箔片的高度与所述通道高度基本上相等：例如，所述通道 可以是20mm宽和2.5mm深，则该箔片具有2.5mm高的沟紋。根据本发明，这里提供一种紧凑型催化反应器，其限定了交替分布 在该反应器中的多个第一和第二流动通道，分別用于输送第一和第二流 体，其中至少所述第一流体经历化学反应；每个第一流动通道包含结合 金属底材的可拆卸的透气催化剂结构，该催化剂结构限定了通过其中的 流动通路；其中该催化剂结构结合了多个凸出的可回弹条，该可回弹条 支撑与所述通道的至少一个邻近的壁间隔开的催化剂结构。所述可回弹条可以是凸出的突耳(lug)，其在一端连接到所述金属底材。优选地，每个催化剂结构结合了在相反方向上凸出的可回弹条，以 便将该催化剂结构与所述通道的两个相对的邻近壁都间隔开。在化学反 应在第一和第二流动通道中都发生的情况下，那么第二流动通道将还包 含结合了这样的凸出的可回弹条的可拆卸的透气催化剂结构。所述反应器可以由铝合金、不锈钢、高镍合金或其他钢合金来制 造，这取决于反应所需的温度和压力，以及所述流体（反应物和产物二 者）的性质。催化剂结构不向反应器提供强度，因此该反应器自身必须 有足够强度以抵抗在操作过程中的任何压力。可以理解该反应器可以置 于压力容器中以便减少其所承受的压力，或者以便该压力仅仅是压缩力。该反应器还必须带有用于将流体供给到流动通道的端板(headers), 并且优选地，每个第一端板包含连接到反应器外部并和许多第一流动通 道相通的腔体，每个第二端板包含连接到反应器外部并和许多第二流动 通道相通的腔体，使得在拆掉端板后，在流动通道中的相应的催化剂层 是可拆卸的。这保证了当催化剂用过后，它们可以容易进行替换。该催化剂结构优选地结合了陶瓷涂层以便携带催化材料。优选地， 用于催化剂结构的金属底材是钢合金，当受热时，其形成粘附的氧化铝 表面涂层，例如含铝的铁素体钢，例如含15%铬、4%铝和0.3%钇的 铁(如Fecralloy™)。当这种金属在空气中加热时，其形成粘附的氧化铝 的氧化物涂层，其保护所述合金避免进一步氧化和腐蚀。在陶瓷涂层是 氧化铝的情况下，这表现为结合到所述表面上的氧化物涂层。底材可以 是金属丝网或粘接片，但优选的底材为薄的金属箔片（例如厚度小于 100pm)，并且该底材可以沟紋化、打褶或以其它方式成形以便限定多个 流动通^各。在一个优选的实施方案中，所述催化剂结构的底材是沟紋化成城堡 状结构（矩形沟紋)的箔片，并且可回弹突耳从城堡状结构的上面和下面 凸出，与该箔片成为一个整体并通过从城堡状结构的箔片中冲出而形 成。其他沟紋形状也是可能的。在另一个实施方案中，该底材也是箔片，该箔片被平行狭缝切割， 并且在狭缝之间的箔片条被变形为从底材邻近部分上面或下面突出的 曲形。这即使在底材其余部分是平的情况下也是适用的。在流动通道中催化剂结构的金属底材提高了催化剂结构内部的热 交换，防止了热点或冷点，增加了催化剂表面积，并提供机械强度。凸 出条保证了在通道中催化剂结构不会变堵塞（例如由于不同的热膨胀引 起的），并且它们还允许催化剂结构和通道的尺寸存在差异，该差异可 能由于制造公差而产生。由于在通道壁和催化剂结构之间形成间隙，它 们还允许催化剂结构的全部表面和流动反应物的有效接触。催化剂结构 所限定的流动通路可以具有任何合适的横截面形状，但典型的是矩形； 并且由于凸出条之间的间隙，沿着催化剂结构外部的邻近的流动通路彼 此相通。优选地，形成催化剂结构的全部表面结合了催化材料。在通道深度不大于约3mm的情况下，那么催化剂结构可以例如是 单个成形的箔片。或者，特别地，在通道深度大于约2mm的情况下， 该催化剂结构可以包含多个这种由基本上平的箔片分隔的沟紋状箔 片；该沟紋状箔片和平的箔片可以彼此相连，例如通过位于相应的狭缝 中的相似的凸出的突耳相连，或者可作为独立的部件插入。为了保证所 需的良好热接触，例如与费-托反应器的热接触，所述通道优选地小于 20mm深，并且更优选地小于10mm深，并且对于蒸汽/甲烷重整反应器 而言，该通道优选地小于5mm深。但是该通道优选地至少lmm深，否 则插入催化剂结构将变得困难，并且工程公差将变得更加苛刻。期望 地，通道中的温度沿着通道宽度方向保持均一，在约2-4。C内，通道变 得越大，这越难实现。反应器可以包含叠层板。例如，第一和第二流动通道可以被各自板 中的凹槽限定，所述板可以堆叠，然后结合在一起。或者，所述流动通 道可以由薄金属片限定，这些薄金属片制成城堡状结构并且与平的薄片 交替堆叠；流动通道的边缘可由密封条限定。形成反应器的叠层板是通 过例如扩散结合、铜焊或热等静压而结合在一起。因此， 一种用于加工天然气来获得长链烃的设备可以结合本发明的蒸汽/曱烷重整反应器（用来将曱烷和蒸汽反应而形成合成气）和本发明 的费-托反应器（用来产生长链烃）。本发明现在将仅仅举例并参考附图进行进一 步的和更具体的描 述，其中：图1表示紧凑型催化反应器的部分的截面图； 图2表示用于图1的反应器中的催化剂载体； 图3表示图2的催化剂载体在图2的线3-3上的截面图； 图4表示用于图1的反应器中的备选催化剂载体的俯视图； 图5表示在将催化剂载体插入流动通道后，图4箭头B方向上的侧 视图；图6表示备选催化剂载体的侧视图；图7表示用于图1反应器中另一备选催化剂载体的俯视图。 本发明适于宽范围的不同化学反应，特别是涉及气态反应物和需要 催化剂的那些。例如，其可应用于将天然气(主要是曱烷)转化为长链烃 的化学加工中。这可以通过两阶段方法实现，每一阶段可以使用本发明 的反应器。第一阶段是蒸汽重整，其中蒸汽与天然气混合并被加热到高

温（以便达到例如800。C)以进行重整： H20 + CH4 — CO + 3 H2这个反应是吸热的，并且可以在流动通道中通过铑或铂/铑催化剂来 催化。可以通过易燃气体例如曱烷或氢气的燃烧来提供引起该反应所需 的热量，所述燃烧是》文热的并可以在邻近的第二气体流动通道中通过铂 /钯催化剂来催化。由蒸汽/甲烷重整产生的气体混合物然后被用来进行费-托合成来产 生长链烃，即：n CO + 2n H2 — (CH2) n + n H20这是在催化剂例如铁、钴或熔融的磁铁矿存在下的放热反应，其发 生在高温（典型地1卯。C-280。C)和高压（典型地1.5MPa-2.;5MPa，绝 对值）。用于费-托合成优选的催化剂包括比表面积140-230m2/g的，氧 化铝涂层，其含约10-40%钴(相对于氧化铝的重量）和助催化剂例如 钌、铂或钆（其小于钴重量的10%)以及碱性助催化剂例如氧化镧。将通过蒸汽甲烷重整产生的高压一氧化碳和氢气物流冷却并压缩 到高压，比如说2.0MPa，然后进料到催化费-托反应器中，其可以是本 发明的反应器；反应混合物流经一组通道，而冷却剂流经另外一组通 道。将费-托合成法的反应产物(主要是水和烃如链烷烃)通过热交换器 和旋风分离器进行冷却来冷凝液体，随后通过分离室(其中水、烃和尾气 三相分离），将烃产物在大气压下稳定。收集气相中残存的烃和过剩的氢 气(费-托尾气)并分开。一部分可以通过减压阀来提供用于重整装置(如上 所述)中的催化燃烧过程的燃料。剩余的尾气可以供给到燃气涡轮中来发 电。主要的装置电能需求是压缩机，其用来将压力增加到费-托反应所需 的压力；电力还可以用于运转真空蒸馏设备来提供用于产生蒸汽的工艺 用水。现在讲一下图1,这里表示适于用作蒸汽重整反应器的反应器块 10,为清楚起见，将组件分开。该反应器块10包括叠层板，其在俯视 图上为矩形，每个板为抗腐蚀高温钢如Inconel 800HT或Haynes HR-120。厚度lmm的平板12与城堡状的板14、 15交替排列，其中所述城 堡状结构是这样的使得限定从板的一边到另一边的直通通道16、 17。城 堡状的板14和15以叠层形式交替排列，所以在交替的城堡状的板14、15中，通道16、 17是以直角方向取向的。城堡状的板14和15的厚度(典 型地0.2-3.5mm)在每种情况中为0.75mm。该城堡状结构的高度(典型地 2-10mm)在本例中为3mm，并且沿着各边提供同样厚度的实心边缘条 18。在限定燃烧通道17的城堡状的板15中，城堡状结构的波长是这样 的，使得连续带（successive ligament)间隔25mm，而在限定重整通道16 的城堡状的板14中，连续带间隔15mm。与图1类似的反应器块还适于用作费-托反应器，在这种情况下限定 了与用于费-托合成的通道交替的用于冷却剂流体的通道。用于冷却剂的 通道可以例如是2mm高（典型地l-4mm),而用于费-托合成的通道可以 是5mm高（典型地3-10mm)。在这种情况下，反应器不在高温下运行， 所以结构组件可以是铝合金的，例如3003级别的（具有约1.2%锰和0.1% 铜的铝）。在任何情况中，所述叠层如上所述进行装配，并结合在一起，例如 通过铜焊或热等静压。然后将带有合适的催化剂的催化剂载体20(仅仅 表示了两个)插入到通道中，其中将发生反应。然后可以将合适的端板连 接到该叠层的外部。每个催化剂载体20结合了金属箔片底材，其有助 于沿着该催化剂表面使热量均匀分散来减少或消除热点的形成，并且还 向催化剂提供了结构一体化。但是，现在已经认识到在许多情况下，从 催化剂到通道壁的热传导并不是关键所在；这是因为在燃烧和重整反应 的情况下，在催化剂载体20和通道壁之间的热传递主要是通过对流和 辐射进行；而在费-托反应的情况下，热传递主要是通过催化剂载体20 和通道壁之间的对流进4亍。现在讲一下图2，其中通道壁仅仅用虛线表示，每一催化剂载体20 包含沟紋化成城堡状形状(具有矩形沟紋)的50pm厚的Fecralloy箔片， 沟紋的总高度比通道高度小lmm。该箔片涂敷有陶瓷涂层(图中未单独 示出）例如厚度典型地为30-80pm的氧化铝(用于燃烧或蒸汽重整)，并且 活性催化材料(例如在蒸汽重整时为铂/铑)结合到该陶瓷中。可回弹突耳 22也是在沟紋加工中从箔片中冲出的，这些例如是宽0.5mm,长 1.5mm,在一端与箔片保持为一个整体并从沟紋的上面或下面凸出。这 些可以是例如沿着该箔片长度方向间隔25mm来提供，以及可以（如图所 示)在每个沟紋中都提供，或者沿着该箔片宽度方向以至少每两个或三个 沟紋一 个的任何比例来提供。 如图3所示，从催化剂载体20上面和下面凸出的突耳22沿催化剂 载体20长度方向处于基本上相同的位置，当催化剂载体20插入通道 中，突耳22被压缩并推到某倾斜位置。催化剂载体20因此通过突耳22 获得回弹性支撑。可以理解突耳22的回弹性能够适应反应器块和催化剂载体20的任 何热膨胀的差异，以及热应力导致的通道的任何弯曲，并且也允许催化 剂载体20和相应的通道之间高度上的任何差异(如可能由于制造^^差造 成的）。但是，突耳22要求催化剂载体20安装和卸除都要沿着图3箭头 A的方向，所以在每个通道的两端都必须提供可拆卸的端板。可以理解沟紋可以具有不同于此处所示的形状；它们可以例如具有 不同于所示的每个沟紋的高宽比，例如是正方形而非矩形沟紋。此外沟 紋可以为完全不同的形状，例如图2所示的沟紋的垂直部分可以改为倾 斜而形成具有平顶的锯齿形；此外，该沟紋可改为弓形或正弦曲线形。 突耳可以与上述那些不同地间隔并可以是不同的形状或尺寸。可以^又在催化剂插件的 一侧上存在突耳来代替在两相对表面上提供的突耳。还可以理解在某些情况下，例如高度大于约4mm的通道，其适于 使用通过基本上平的箔片分隔的沟紋状催化剂载体的装配件，该箔片也 可以是催化剂载体。例如在6mm的通道中，可以存在两个沟紋状箔片 催化剂载体，每个高2.5mm,其被基本上平的箔片隔开。这种情况下， 突耳仅仅需要在催化剂载体邻近该通道壁的表面上提供——在这个例 子中，从上面的沟紋状箔片顶部凸出，以及从下面沟紋状箔片的底部凸 出。还可以提供类似的突耳而将箔片连锁在一起，例如从上部的沟紋状 催化剂载体的下表面凸出的突耳和从下部的沟紋状催化剂载体的上表 面凸出的突耳可以位于平的箔片的相应狹缝中；这样的突耳能够以和相 邻于通道壁的那些相反的方向倾斜。或者，突耳可以从平的箔片的下面 和上面凸出来提供，并且位于沟紋状箔片的相应的狭缝中。可以理解这个催化剂结构，因为它通过突耳22与所述壁隔开，因此提供用于流体流动的增加的横截面面积，减少了沿反应器块的局部气 体速率和压降。在上述的实施方案中，所示的可回弹突耳22在一端连接到箔片的 其余部分，并以一般直线形式延伸（以悬臂(cantilever)的形式）。可回弹突 耳或者可以沿着它们的长度方向弯曲，并实际上可以在两端连接到箔片

的其余部分。此外，在上述的实施方案中，催化剂载体自身是沟紋化的。通过使用沟紋状箔片，空隙度(可用于流体本体(bulk)流动的通道的横截 面面积的比例）可以被调整到期望值，例如通过沟紋波长或高度的改变来 调整。在备选方案中，该箔片可以基本上是平的，并且通道中的催化剂 载体可以通过几个这种基本上平的箔片（通过可回弹条或突耳隔开）来 形成。在这种结构中，间隙度可以通过改变可回弹条或突耳的高度，以 及由此改变箔片（其形成叠层并占用所述通道）的数量来调整。这种结 构的附加方面是通过被切掉的条形成的箔片中的开孔，和由直立的条产 生的附加的湍流可以帮助促进在箔片相对两侧上流体间的湍流和流体 混合，从而最小化流体分层和温度梯度。现在讲一下图4，备选的催化剂载体30包含Fecralloy箔片31，其 大体上是平的，并且具有适合的宽度以适应相应的流动通道16或17。 在这个情况中，箔片31为8mm宽(用来适应宽度约8Jmm的流动通道 16或17)。箔片31沿着其长度方向间隔45mm具有六个平行的纵向狭 缝，该狭缝限定了三个条32、 33和34,每个被宽0.5 mm的窄条35分 隔成宽2mm，长10 mm;当该狭缝被切割时，条32、 33和34伸展并 从箔片31的平的其余部分的上面或下面弯曲成曲形。沿箔片的宽度方 向，另外的条32、 33或34从箔片31的剩余部分上面和下面凸出；在 这种情况中，条32和34从上面凸出，条33从下面凸出。优选地，沿 箔片31长度方向在下一个这样的位置，相应的条32和34从下面凸出， 而相应的条33 乂人上面凸出。如图5所示，其表示在通道17中的适当位置的催化剂载体30的侧 视图（用虚线表示），催化剂载体30由三个催化剂箔片31的叠层组成， 每个箔片具有沿着箔片31长度方向间隔45 mm形成顶部的凸出条32、 33和34。在叠层中在相邻箔片31中，凸出条32、 33和34的位置是不 同的，使得一个箔片31的顶部位置处于相邻箔片31顶部位置的中间。 在这个例子中，在插入通道17中之前，叠层总高度是5.5mm，但是通 道17高度为5.0mm，使得凸出条32、 33和34在插入后被轻微压缩。如在目前所要参考的图6中所示，在图4和5的催化剂载体的变体 中，在叠层中，在一个箔片37上的向上凸出的条36配合在下一个箔片 上的向下凸出的条38之间，并且在那个位置，叠层中邻近的箔片37可 以通过插入销39 ;f皮此固定而将这些条36和38连锁在一起。

现在讲一下图7,在图4和5的催化剂载体的另一变体中，Fecralloy 箔片41也大体上是平的，但是在这个例子中，沿宽度方向，狭缝全部 是等间隔的，所以箔片的整个宽度限定了条，邻近形成的条42和43分 别在箔片41的平的剩余部分的上面和下面弯曲成曲形。（在这个例子 中，邻近的弯曲条42和43之间没有窄平条)。这样的狹缝和弯曲条42 和43沿着箔片41的长度方向间隔比如说40 mm而形成。可以理解的 是，在侧视图中，这种催化剂载体看起来与图5的催化剂载体相似。

图4-7中所示的催化剂载体箔片31、 37和41可以以如上所述类似 的方式带有催化材料，例如通过沉积陶瓷涂层如氧化铝的陶瓷涂层作为 催化剂载体，并将合适的活性催化材料结合到陶瓷载体中。可以理解， 沿箔片长度方向连续的顶部或槽（由弯曲条32-34或42、 43限定)间的间 距可以基本上具有任何期望的值，但典型的是小于75mm，例如5-50mm。然而，这将取决于载体箔片31或41的厚度及其硬度，因为在 叠层中在 一 个箔片的顶部和邻近箔片上的平的箔片部分之间的接合提 供了支撑。同样地，弯曲条32-34和42、 43的尺寸可以不同于上述的那 些。如图6所示，在某些情况下，通过插入连锁销，可以将箔片叠层固 定在一起，而在其他情况下，连续的箔片可以点焊在一起。