反應器密封方法技術

揭示了反應過程中所用的新的反應器密封方法。在反應器的催化劑整料和耐火內襯之間的間隙中使用浸漬催化劑的載體材料。催化載體材料為與所述催化劑整料相同的催化劑材料，或具有基本上相近的催化活性。另外，使用催化材料作為催化薄膜沉積在耐火內襯上。這些方法不僅提供壓降以使沿耐火內襯的內壁的反應物流最小化，而且提供附加的活性反應區域。該密封方法適合于任何類型的催化劑整料上的反應，特別是適合采用甲烷的部分氧化來制造合成氣，從而減少甲烷和氧氣的泄漏。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及用于氫氣和一氧化碳(合成氣)的制造的反應器的新的密封方法。本專利技術具體涉及將催化劑整料封入爐子的耐火內襯中，并在甲烷和氧氣的氣相反應中使用它來形成合成氣的新的方法。
技術介紹
已知陶瓷泡沫由于高產能和選擇性而被用作化學反應的催化劑載體。作為一種具有開放的互連通孔室的陶瓷泡沫，整料(monolith)被用于短接觸時間的反應，這樣的反應有采用甲烷和氧氣制造合成氣，采用甲烷、氨氣和氧氣制造氫氰酸，以及采用氧氣將烷烴氧化脫氫。整料在這些類型的反應中具有傳熱傳質好、效率因數高的優點。填充床反應器通常容納丸粒或顆粒型催化劑。這些催化劑對于特定類型的化學反應都可以容易地獲得合適的形狀和尺寸。這些情況下，在催化劑以及包含催化劑的管壁之間的間隙最小，這主要是由于催化劑的的L/D幾何形狀大，以及催化劑的無規填充。而且，該無規填充提供針對放熱反應的熱膨脹彈性。一般，填充方法為管殼式填充床反應器而制定。但是，整料反應器通常需要不同的構型。整料通常需要小的L/D幾何形狀來提供反應發生所需的短接觸時間，并且具有低的填充尺寸公差。實際上，整料材料的尺寸難以與耐火內襯的內壁的尺寸匹配，整料和耐火內襯的內壁之間必然會產生間隙。例如，耐火內襯在使用中膨脹收縮，這減低了其線性。此外，長的耐火內襯通常由連接構件拼裝而成，因此在整個反應器的長度上內徑不是精確地相同，在填充盤整料或盒型整料時以及其運行期間這些影響會產生問題。如果有反應物和產物的快速流動，該間隙會引起機械不穩定性。優選的密封方法中，催化劑整料通常使用具有陶瓷糊劑的陶瓷氈。氧化鋁、氧化鋁-二氧化硅、二氧化硅或氧化鋯的氈可以用通常的方法插入到反應器內的整料和耐火內襯之間。另外，含有氧化鋁、二氧化硅、氧化鋁-二氧化硅、氧化鋯、氧化鎂或氮化硼的陶瓷糊劑被涂覆到陶瓷氈上，然后在較高的溫度下固化。雖然通過整料的精確設計或用附加的密封材料填充可以使間隙最小化，但在高溫下運行時各個組件的熱膨脹的差異會引起泄漏。在軸向和徑向上的熱梯度會使間隙進一步擴大。而且，關閉和啟動引起的溫度周期變化會產生更多的泄漏問題。泄漏產生反應物的分流，并最終造成產物的收率低。從方法的角度來看，任何泄漏對整個過程都是一種負擔，因而需要例如分離、純化和氣體的再循環等附加工序。例如，合成氣制造中的甲烷和氧氣的泄漏對后續的分離工序造成嚴重的問題。因此，本專利技術的目的在于提供用于將催化劑整料填入耐火內襯來防止反應物泄漏的改進的密封方法。
技術實現思路
本專利技術提供密封反應器的方法，所述方法包括在反應器的催化劑整料和耐火內襯之間的間隙中提供催化載體材料。本專利技術還提供提高反應器中反應效率的方法，所述方法包括在反應器的催化劑整料和耐火內襯之間的間隙中提供催化載體。前述的密封方法著眼于怎樣密封整料和耐火內襯之間的間隙來防止泄漏。然而，特別是在反應器的長時間和高溫度的運行期間，各個組件不同的物理性質引起的泄漏是不可避免的。本專利技術的方法提供被稱作載體的填充材料的應用，該載體提供與催化劑整料相同或相近的催化活性，并引起相同的所需反應。該載體提供比催化劑整料材料更高的壓降，這可以使更少的反應物流過載體的各層。本專利技術還提供一種密封反應器的方法，所述方法包括在反應器的耐火內襯上沉積催化劑薄膜。這可以進一步減少整料和耐火內襯之間遇到的密封問題。這些薄膜是浸漬了金屬和/或金屬氧化物的載體、或者沉積在反應器的耐火內襯上的金屬和/或金屬氧化物的薄膜。該方法特別適合用于通過甲烷的部分氧化來制造合成氣的整料反應器，從而實現合成氣的高收率，同時具有較少的氧氣和甲烷的泄漏。本專利技術的密封方法不僅在部分氧化反應中有效，而且在例如蒸氣重整、氧化重排、烷基化、氫化、脫氫和氧氯化等不同的反應中也是有效的。附圖說明附圖為本專利技術的整料和耐火內襯的示意圖，突出了反應器耐火內襯和填充有催化載體材料的內襯催化劑整料之間的間隙。具體實施例方式本專利技術的改進的整料密封物包括間隙中的催化載體材料和耐火內襯上的附加的催化劑薄膜，它們具有與浸漬到整料上的催化劑相同的催化劑、或者基本上提供相同的催化活性的催化劑。整料和耐火內襯之間的間隙被用具有與催化劑整料相同或相近的催化活性的催化載體填充。本專利技術的催化劑的載體材料的形狀可以是丸粒、顆粒、圓柱體、整料、蜂窩體或任何其它催化劑載體的類型。較好是將催化劑浸漬到載體殼上，而不是孔隙中，從而提高催化劑的效率。載體的尺寸是可變的，并由間隙的尺寸和反應器中間所用的催化劑整料的孔徑決定。載體的尺寸應比整料的孔徑大，以防止它滲透入孔隙中。較好是該尺寸可以產生比催化劑整料更大的壓降。該壓降可以使較少的氣體流入間隙，而使氣體對催化劑整料的浸透更佳。在整料孔隙中增加的與催化試劑的接觸可以提高所需終產物的收率。該載體材料可以由例如金屬或陶瓷材料等任何堅固的材料制成。金屬可以選自鋁、鈦、鈷、鎳、銅和鐵。陶瓷材料可以選自氧化鋁、氧化鋯、二氧化硅、硅鋁酸鹽、硅鋁酸鎂和它們的組合。載體可以通過例如模塑、擠壓、擠出、噴霧干燥或沖壓等任何適當的方法形成。本專利技術的載體通常具有低于約50平方米/克的表面積。較好是該表面積為約1-10平方米/克。優選的載體材料為無孔或少孔材料，這可以耐受苛刻的處理條件和伴隨反應的碳形成。即使受到間隙中的壓降的限制，反應物流也仍可發生所需的反應。載體上的催化劑量可以進一步調整，以在使泄漏和碳形成最小化的同時，使收率最大化。更好的密封方式中，在耐火內襯上沉積附加的催化薄膜。該催化薄膜可以通過例如浸漬、吸附/離子交換、沉淀、涂覆、噴涂或水漿涂布后進行催化劑活化等任何適當的過程形成。與載體上催化劑相同或相近的催化劑被沉積在整料和催化載體所在的耐火內襯上。催化劑中所用的金屬選自元素周期表中的特定的過渡金屬和貴金屬。活性金屬可以選自鎳、鈷、鐵、鉑、鈀、銥、錸、釕、銠、鋨等過渡金屬或貴金屬和它們的組合。金屬催化劑較好是銠。附圖是本專利技術的示意圖，其中包括催化載體和合成氣制造反應器的其它元件。用于制造合成氣的甲烷和氧氣的部分氧化中，被浸漬到氧化鋁丸粒1或小網狀陶瓷泡沫1上的銠可以填充到浸漬了銠的催化劑整料2和氧化鋁基耐火內襯3之間的間隙內。催化劑整料被配置在耐火內襯中的小梯架4上，或者例如空蜂窩體或整料等附加的載體上。也可以在載體的頂部和底部使用陶瓷糊劑5，從而保持它們的填充結構。根據需要，可以在通過涂覆稠密的硝酸銠溶液在耐火內襯的內壁上涂覆含銠的催化薄膜6。根據所使用的催化劑的類型，催化劑也可以和添加劑一起使用。例如，當催化劑被用于其中含有甲烷和氧氣或空氣的氣流通過催化劑整料的甲烷的部分氧化時，在銠中添加氧化鈰是有利的。在考慮到爆炸和碳形成的可能性的相當寬的限制內，該供給氣流的組成是可變的。代表性的情況是，甲烷對氧氣的摩爾比為約60∶40～約66∶33。該供給氣流還可以含有例如氮氣、二氧化碳、含硫化合物和飽和烴等其它的惰性氣體。所使用的反應溫度較高，較好是在約600℃～約1200℃的范圍內。供給氣流的壓力可以為約1～約20大氣壓。以下的實施例用于進一步說明本專利技術，但并不限制本專利技術的范圍。實施例1和2通過公知的方法制備實施例1和2的催化劑整料。從商業供應商處購得具氧化鈰修補基面涂層(wash-coat)的氧化鋯基整料。每塊整料具有45孔/平方英寸的孔室密度本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種密封反應器的方法，所述方法包括在所述反應器的催化劑整料和耐火內襯之間的間隙中提供催化載體材料。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：樸承斗，江偉斌，MS湯姆札克，DR阿查里雅，
申請(專利權)人：波克股份有限公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]