專利名稱：催化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于在高壓下完成氣相反應(yīng)的催化反應(yīng)器，特別是，但并非只能是用于完成高放熱和吸熱反應(yīng)，并且還涉及利用所述催化反應(yīng)器的化學(xué)工藝和設(shè)備。
支承在金屬基質(zhì)上的催化材料的使用是眾所周知的。例如，GB1490977披露了一種包括具有鋁的鐵合金基質(zhì)的催化劑，在它上面涂有一層諸如氧化鋁、氧化鈦或氧化鋯的耐火氧化物，然后涂上一層催化性鉑類金屬。正如在GB1531134和GB1546097中所披露的，催化主體可以包括交替排列的大體上扁平的片材和所述材料的波紋狀片材，以便形成通過所述主體的通道，或者將若干個這樣的片材排列成疊層，或者將兩個這樣的片材纏繞在一起以便形成一個線圈。在所述例子中，扁平片材和波紋狀片材都具有小型的疊加在它們上面的波紋，以便有助于所述涂層的形成。已經(jīng)披露了所述催化劑主體適用于處理來自汽車的廢氣。在這種場合下，不考慮一個通道和相鄰?fù)ǖ乐g的熱傳遞，因為所有的通道都攜帶有具有相同壓力的相同氣體。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種催化反應(yīng)器，它包括多個金屬片材，這些金屬片材排列成在相鄰的片材之間限定第一氣體流通通道，在所述第一氣體流通通道附近限定第二氣體流通通道的裝置，將它們排列成能確保在所述第一和第二氣體流通通道中的氣體之間具有良好的熱接觸，以及在每一個流體通道內(nèi)的通透性金屬傳熱層，以及向氣體流通通道中輸送氣體混合物的集流管，所述集流管是這樣的，它能夠?qū)⒉煌臍怏w混合物輸送給所述第一和第二氣體流通通道，所述金屬傳熱層是可以去掉的，并且至少可以在所述第一氣體流通通道中結(jié)合一種催化涂層，并且，如果所述催化涂層結(jié)合有陶瓷層的話，所述涂層僅在所述傳熱層的不與所述通道壁接觸的那些表面上提供。
還可以在所述金屬片材之間形成第二氣體流通通道，第一和第二氣體流通通道是在這些連續(xù)的片材之間交替形成的。所述第二氣體流通通道還可以采用金屬傳熱層。這樣改善了熱傳遞。例如，在每一種情況下，所述金屬傳熱層可以包括一個非平面金屬箔片，或金屬泡末、篩網(wǎng)、纖維墊，或蜂巢結(jié)構(gòu)、或組合陶瓷和金屬的類似結(jié)構(gòu)。對于氣體流來說，它必須是高度通透性。通常，箔片是適合的。
盡管所述流體通道被稱為氣體流通通道，但這不是對所述反應(yīng)器用途的限制，因為可以用液體取代所述氣體通過一組或兩組通道。例如，當(dāng)需要的催化反應(yīng)是放熱反應(yīng)時，傳熱液體(而不是氣體)可以通過另一組流體通道。另外，所述第二流體通道可能不是都裝有相同的流體例如，可以將兩種不同的流體輸送到交錯排列的第二流體通道中。
為了確保所需要的良好熱接觸，所述第一和第二氣體流通通道在垂直于相鄰的金屬片材的方向上的深度優(yōu)選小于8毫米。所述第一和第二氣體流通通道在該方向上的深度優(yōu)選小于2毫米。所述箔片可以是凹窩狀的或波紋狀的。
例如，所述片材可以是同心管，以便所述氣體流通通道是環(huán)形通道，每一個環(huán)形通道位于一個波紋材料的大體上為筒狀的片材上，在所述波紋材料片材的表面上涂有催化材料。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)在所述管的每一個末端上提供集流管，以便向所述環(huán)形通道中輸送氣體混合物，與相鄰?fù)ǖ肋B通的集流管是獨立的。為了確保在波紋片材和所述管之間具有良好的傳熱性，優(yōu)選將每一個管緊密配合在相鄰的波紋狀片材周圍。所述管可能具有足夠的壁厚度，以便能承受壓力差，以便不同的氣體混合物處在不同的壓力下。
另外，所述片材可以是扁平的，在片材的表面上機械加工或蝕刻形成槽，以便形成氣體流通通道。因此，所述反應(yīng)器可以包括一疊具有足夠厚度的這樣的扁平片材，以便能承受必要的壓力差，相鄰片材上的槽是沿不同路徑分布的。例如，所述槽的寬度可以為20毫米，這一寬度是由所述片材要接受的壓力差所決定的，各自容納有一個或多個涂有催化材料的波紋狀材料箔片。為了確保所述氣體流通通道是氣體密封性的，優(yōu)選將所述片材結(jié)合在一起，不過，所述箔片是可以拆卸的(例如，通過一個集流管)。
在使用催化反應(yīng)器時，輸送到一組通道中的流體混合物與輸送到相鄰一組流體通道中的流體混合物不同，并且相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)也是不同的。其中的一種反應(yīng)可能是吸熱反應(yīng)，而另一種反應(yīng)可能是放熱反應(yīng)。在這種情況下，熱能是通過所述管壁或分隔相鄰?fù)ǖ赖钠膹姆艧岱磻?yīng)傳遞到吸熱反應(yīng)的。另外，在第一組通道中可能發(fā)生一種化學(xué)反應(yīng)，而在第二流體通道中的流體可能僅僅起著傳熱介質(zhì)的作用(輸送熱能或除去熱能)。
該反應(yīng)器特別適用于完成甲烷/蒸汽重整(它是一種吸熱反應(yīng)，產(chǎn)生氫和一氧化碳)，而其他的通道可能裝有甲烷/空氣混合物，以便由所述放熱氧化反應(yīng)提供所述吸熱重整反應(yīng)所需要的熱量。對于氧化反應(yīng)來說，可以使用若干種不同的催化劑，例如涂在陶瓷支持物上的鈀、鉑或銅；例如，涂在用鑭、鈰或鋇穩(wěn)定的氧化鋁支持物上的銅或鉑，或涂在氧化鋯上的鉑，或更優(yōu)選涂在六鋁酸金屬化合物，如六鋁酸鎂、鈣、鍶、鋇或鉀上的鈀。對于重整反應(yīng)來說，還可以使用若干種不同的催化劑，例如鎳、鉑、鈀、釕或銠，可將它們用于陶瓷涂層；用于重整反應(yīng)的優(yōu)選催化劑是涂在氧化鋁或穩(wěn)定化氧化鋁上的銠或鉑。所述氧化反應(yīng)可以大體上在大氣壓力下進行，而所述重整反應(yīng)可以在較高壓力下進行，例如高達2MPa(20個大氣壓)，更優(yōu)選在高于大氣壓力0-200kPa的范圍內(nèi)。
應(yīng)當(dāng)理解的是，制成所述反應(yīng)器的材料在使用時有可能接觸腐蝕性很高的環(huán)境，例如，溫度可能高達900℃，不過更常見的是在850℃左右。所述反應(yīng)器可以用諸如含有鋁的鐵鋼的金屬制成，特別是被稱為Fecralloy(商標(biāo))的類型的金屬，它是含有高達20％的鉻，0.5-12％鋁，和0.1-3％釔的鐵。例如，它可以包括具有15％的鉻，4％鋁，和0.3％釔的鐵。當(dāng)這種金屬在空氣中加熱時，它會形成氧化鋁的附著性氧化物涂層，該涂層能保護所述合金免受進一步的氧化。該氧化物層還能防止所述合金在諸如甲烷氧化反應(yīng)器或蒸汽/甲烷重整反應(yīng)器中所常見的條件下受到腐蝕。當(dāng)該金屬被用作催化基質(zhì)，并且用在其中摻合了催化材料的陶瓷層進行涂層時，所述金屬上的氧化鋁的氧化物層被認為是與所述氧化物涂層結(jié)合的，以便確保所述催化材料附著在所述金屬基質(zhì)上。
對于某些用途來說，取而代之的是可以將所述催化劑金屬直接沉積在所述金屬的附著性氧化物涂層上(沒有任何陶瓷層)。
特別是當(dāng)所述反應(yīng)器被用于吸熱反應(yīng)時，可能需要通過電加熱、讓電流通過構(gòu)成該反應(yīng)器的片材，將該反應(yīng)器的溫度提高到理想的工作溫度。這種做法通常只是在開始的時候使用，隨后的熱量是通過在第二氣體流通通道中進行的放熱反應(yīng)或熱氣體(例如，由諸如層流燃燒器的外部燃燒過程所產(chǎn)生的廢氣)提供的。
當(dāng)所述反應(yīng)器被用于生產(chǎn)液體產(chǎn)品的方法時，例如，F(xiàn)ischer-Tropsch合成，可能還需要形成所述波紋，以便強化液體/氣體分離。在所述箔片的與液相接觸的部分可能也不需要提供催化劑。
下面將結(jié)合附圖以舉例形式對本發(fā)明作進一步的和更具體地說明，其中

圖1表示可以用本發(fā)明的一個或多個反應(yīng)器進行的化學(xué)方法的流程圖；圖2表示反應(yīng)器的剖視圖；圖3表示可以堆積成交替的催化反應(yīng)器的片材的平面圖；圖4表示可以堆積成另一種交替的催化反應(yīng)器的片材的平面圖；以及圖5a和5b表示用于形成另一種交替催化反應(yīng)器的片材的平面圖。
本發(fā)明的反應(yīng)器可以在一種設(shè)備中使用，用于完成將甲烷轉(zhuǎn)化成長鏈烴的化學(xué)反應(yīng)。第一階段包括蒸汽/甲烷重整，就是說包括以下反應(yīng)蒸汽+甲烷→一氧化碳+氫氣該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，并且可以通過第一氣體流通通道中的銠催化劑催化。完成該反應(yīng)所需要的熱量可以通過甲烷的燃燒提供就是說甲烷+氧氣→二氧化碳+水它是一種放熱反應(yīng)，并且可以通過相鄰的第二氣體流通通道中的鈀催化劑催化。以上兩種反應(yīng)都可以在大氣壓力下進行，不過所述重整反應(yīng)也可以在較高壓力下進行。通過燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，可以通過分隔相鄰的通道的金屬片材傳導(dǎo)。
然后可以將蒸汽/甲烷重整所產(chǎn)生的氣體混合物用于完成Fischer-Tropsch合成，就是說一氧化碳+氫氣→石蠟或烯烴(例如C10)+水它是一種在較高溫度下進行的放熱反應(yīng)，通常在200-350℃，例如280℃，并且是在較高壓力下進行的，通常為2-4MPa，例如2.5MPa。在存在諸如鐵、鈷或與鉀促進劑融合的磁鐵的催化劑的條件下進行。通過所述反應(yīng)形成的有機化合物的確切性質(zhì)，取決于溫度和催化劑，以及一氧化碳與氫氣的比例。通過該合成反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，可用于提供蒸汽/甲烷重整反應(yīng)所需要的至少一部分熱量，例如，可以將諸如氦氣或Dowtherm A(Dow Chemical的商標(biāo))的傳熱流體用于傳送Fischer-Tropsch合成的反應(yīng)器中的熱量，該熱量被用于對輸送到所述重整反應(yīng)器中的至少一種氣流進行預(yù)熱。
參見圖1，整個化學(xué)過程以流程圖形式表示。供給的氣體10主要包括甲烷，和小百分比(如10％)的乙烷和丙烷。讓所述氣體通過熱交換器11，以便它達到大約400℃的溫度，然后通過流體渦旋混合器12輸送到第一催化反應(yīng)器14中；在混合器12中，所述供給的氣體與同樣處在大約400℃的溫度下的蒸汽氣流混合，所述氣流是通過切向入口進入混合器12的，并且沿著螺旋通道流向軸向出口，以便它們能充分混合。這兩種氣流可以處在大氣壓力下，或者舉例來說，處在高于大氣壓力100kPa的壓力下。所述流體優(yōu)選是這樣的，蒸汽∶甲烷的摩爾比為1∶1-2∶1，反應(yīng)器14的第一部分是預(yù)重整器15，它具有處在400℃下的鎳甲烷化催化劑，其中，高級烷與所述蒸汽起反應(yīng)，形成甲烷(和一氧化碳)；如果供給氣體10基本上不含高級烷的話，該預(yù)重整器15是不需要的。反應(yīng)器14的第二部分是一個具有鉑/銠催化劑的重整器16，其中，甲烷和蒸汽起反應(yīng)，以便形成一氧化碳和氫氣，該反應(yīng)可以在850℃下進行。所述吸熱反應(yīng)所需要的熱量可以通過甲烷在相鄰的氣體流通通道(如圖中所示)中在鈀或鉑催化劑上燃燒而提供，或者由來自諸如層流燃燒器的外部燃燒裝置的廢氣提供，來自所述燃燒器的氣體沿逆流方向流入通過重整器16的氣體流；這能使得重整器16中的反應(yīng)氣體達到高達1000℃的最終溫度。在使用催化燃燒時，所述催化劑可以采用一種金屬六鋁酸鹽(如六鋁酸鎂)作為基質(zhì)，該基質(zhì)本身在高溫末端起著催化劑的作用。例如，在它上面涂敷的鈀在較低溫度末端起著催化劑的作用，以便所述溫度從400℃逐漸提高到850或950℃。甲烷/氧氣混合物或甲烷可以沿反應(yīng)器14分階段輸送，以便確保燃燒能夠在其整個長度上進行。
然后通過從熱交換器18中經(jīng)過的方式，對離開重整器16的一氧化碳和氫氣的熱混合物進行冷卻，以便提供輸送給渦旋混合器12的熱蒸汽，然后通過熱交換器11，在這里將它的熱能傳給所述供給的氣體。然后通過讓該混合物通過一個由水冷卻的熱交換器20，進一步冷卻到大約100℃。然后通過壓縮器20將所述氣體壓縮到2.5MPa的壓力。
然后將高壓一氧化碳和氫氣氣流輸送到催化反應(yīng)器26中，在這里讓它們反應(yīng)，進行Fischer-Tropsch合成，以便形成石蠟或類似化合物。該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，優(yōu)選是在大約280℃下進行，并且所產(chǎn)生的熱量可用于對輸送到熱交換器18中的氣流進行預(yù)熱，使用熱交換流體，如在反應(yīng)器26中的熱交換通道和蒸汽發(fā)生器28中循環(huán)的氦氣。在該合成過程中，所述氣體的體積減少。然后將所得到的氣體輸送到冷凝器30中，其中，它與最初處在25℃下的水交換熱量。高級烷(例如C5和以上)像水那樣以液體形式冷凝，該流體混合物被輸送到重力分離器31中，然后可以作為需要的產(chǎn)品回收所分離的高級烷，而所述水通過熱交換器28和18返回混合器12。
所有低級烷或甲烷以及其余的氫氣通過冷凝器30，并且輸送到制冷冷凝器32，在這里將它們冷卻到大約5℃。所剩余的氣體主要包括氫氣、二氧化碳、甲烷和乙烷，該氣體通過一個壓力釋放通風(fēng)閥33輸送到喇叭口34(或者可以將它們輸送到第一催化反應(yīng)器14的燃燒通道中)。冷凝器的蒸汽主要包括丙烷、丁烷和水，該蒸汽被輸送到重力分離器35，在這里所述水與來自分離器31的循環(huán)水合并，而烷通過流體控制閥36循環(huán)返回到Fischer-Tropsch反應(yīng)器26。
在以這種方式使用時，該過程的總的結(jié)果是甲烷被轉(zhuǎn)化成較高分子量的烴類，這種烴在環(huán)境溫度下通常是液體。該方法可以在油井或氣井上使用，將甲烷氣體轉(zhuǎn)化成更便于運輸?shù)囊簯B(tài)烴。
參見圖2，反應(yīng)器40(適于用作Fischer-Tropsch合成反應(yīng)器26的實施例)包括一各自為Fecralloy鋼材的片材42的疊層，所述片材為邊長200毫米的方形，厚度為3毫米(在附圖中僅示出了兩個片材的部分剖視圖)。寬度為8毫米，深度為2.5毫米的槽44分布在每一個片材42的整個寬度上。與一個側(cè)面平行，由寬度為3毫米的脊面45分隔，所述槽44是通過機械加工形成的。厚度為50微米的Fecralloy鋼材的載體箔片46可以滑入每一個這樣的槽44中，所述箔片用含有催化劑材料的陶瓷涂層涂敷，并且具有2.5毫米高度的波紋，每一個這樣的箔片，在它的沿波紋的突起和凹槽的表面上缺少陶瓷涂層和催化劑材料。將這樣的片材42疊層組裝在一起，在連續(xù)的片材42中，槽44的方向相差90度，并且用一個Fecralloy鋼材的扁平頂部片材覆蓋；然后將所述疊層擴散結(jié)合在一起。然后插入波紋狀箔片，陶瓷涂層在突出部分的上表面和在槽的底表面上的缺乏，確保了與相鄰片材42的良好熱接觸。然后將集流管連接在所述組件的側(cè)面上。因此，氣體流通通道是由槽44形成的，例如，一組通道從所述疊層的右側(cè)延伸到左側(cè)，而另一組通道(在交錯的平板42上)從所述疊層的前面延伸到背面。
應(yīng)當(dāng)理解的是，在所述疊層的連續(xù)的片材42上，沉積在氣體流通通道中的波紋狀箔片46上的陶瓷的類型可能不同，并且所述催化劑材料也可能不同。例如，在一個氣體流通通道中，所述陶瓷可能包括氧化鋁，而在另一個氣體流通通道中，可能包括氧化鋯。由片材42組成的反應(yīng)器40可能也適合進行蒸汽/甲烷重整，例如，使用銠催化劑。因為構(gòu)成所述疊層的片材42是結(jié)合在一起的，氣體流通通道是氣體密封性的(不與每一端的集流管連通)，并且片材42和槽44的尺寸使得在交替的氣體流通通道中的壓力可以有很大差別。
特別是在將反應(yīng)器40用于Fischer-Tropsch合成時，用于該反應(yīng)的氣體流通通道44的寬度可以降低，并且還可以沿它的長度方向降低深度，以便改變流體流通條件，以及熱量或質(zhì)量傳遞系數(shù)。在所述合成反應(yīng)期間，所述氣體體積減少，并且通過適當(dāng)收縮通道44，可以在反應(yīng)進行時維持氣體的速度。另外，波紋狀箔片46的節(jié)距或圖案可以沿反應(yīng)器通道44改變，以便調(diào)節(jié)催化活性，并因此提供對反應(yīng)器40中的不同點上的溫度或反應(yīng)速度的控制。還可以對波紋狀箔片46進行整形，例如，使它具有穿孔，以便促進所述流體在通道44里的混合。
當(dāng)諸如反應(yīng)器40的反應(yīng)器被用于能產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物的氣體之間的反應(yīng)時，不用考慮所述通道的取向。不過，如果產(chǎn)物可能是液體時，可優(yōu)選對反應(yīng)器40進行排列，以便該反應(yīng)的流通途徑是向下傾斜的，以便確保所產(chǎn)生的所有液體都會從通道44中排出。催化劑材料在所述波紋的槽的低部的缺乏，提供了抑制甲烷形成的優(yōu)點。
在對反應(yīng)器40的一種改進形式中，所述箔片是鈦金屬。通過濕化學(xué)工藝在它上面涂有鈷和釕的混合氧化物(分別沿頂部和槽涂敷)，所述工藝包括溶膠-凝膠加工、干燥，然后在所述鈦箔片表面上還原成鈷和釕的細的金屬顆粒形式。所述還原是在不會使所述顆粒燒結(jié)的足夠低的溫度下進行的。另外，所述鈷和釕的混合的氧化物組合物，可以與氧化鋁溶膠或氧化鈦溶膠組合沉積；然后對它進行還原(氧化鋁或氧化鈦防止鈷和釕被燒結(jié))，以便產(chǎn)生鈷和釕金屬的小的顆粒；然后通過化學(xué)方式溶解氧化鋁或氧化鈦。在另一種替代方案中，可以通過化學(xué)蒸汽沉積，將鈷和釕直接沉積在鈦上，或者以小的樹枝狀晶體形式電解，以便產(chǎn)生具有高孔度的鈷和釕表面沉積。
在對反應(yīng)器40的一種不同的改進形式中，箔片42同樣是Fecralloy，不過催化劑材料是直接沉積在Fecralloy材料的氧化物層上的。
參見圖3，另一種反應(yīng)器70包括Fecralloy鋼鐵片材71的疊層，每一個片材大體上為矩形，長度125毫米，寬度82毫米，厚度2毫米，沿每一個片材71的中央部分通過機械加工產(chǎn)生7個平行的矩形槽72，每一個槽的深度為0.75毫米，在每一個末端具有相同深度的集流管槽74，集流管槽74延伸到片材71的一個側(cè)緣。在附圖中所示出的片材71的上表面上，在底部的集流管槽74延伸到片材71的右側(cè)邊緣，而在它的頂部末端延伸到片材71的左側(cè)邊緣。在片材71的相反表面上的槽是相同的，不過集流管(用虛線表示)延伸到片材71的相反兩側(cè)。連續(xù)的片材71的集流管槽74是以鏡像關(guān)系排列的，以便相鄰的槽74延伸到所述疊層的相同一側(cè)。在每一個矩形槽72內(nèi)，有三個波紋狀Fecralloy箔片76a，b和c，厚度分別為50微米，其波紋的高度為1.5毫米，不過其波紋的節(jié)距或波長不同。在反應(yīng)器40中，箔片76在波紋的頂部和槽的表面上都不涂敷陶瓷(或催化劑)，以便確保在這些部位具有良好的金屬-金屬接觸。為了確保在組裝期間片材71的精確定位，在每一個末端提供孔75，將銷釘安裝在所述孔中。將片材71和箔片76的疊層組裝在一起，在擴散結(jié)合期間壓縮片材71，并因此將片材71彼此密封在一起。然后將氣體流通通道78擴散結(jié)合在所述疊層的每一個角上，每一個通道78與一組集流管槽74連通。
在必須更換催化劑時，可以通過切掉一組集流管，例如切掉平面66-66上的集流管，然后從由槽72形成的所有通道中抽出箔片76，并且更換箔片76而實現(xiàn)。然后將平面66-66上的切割表面精確地機械加工平整，重新組裝，并且再次擴散結(jié)合在一起。
由于片材71是擴散結(jié)合在一起的，反應(yīng)器70可以使用壓力相差很大的氣流。它還適合蒸汽/甲烷重整階段(相當(dāng)于催化反應(yīng)器14)，在這里，兩股氣流之間的壓力差不是非常大的。在這種情況下，可能不必要使用其波紋沿任一氣體流通通道的長度方向改變的箔片76，因此，可以使用具有均勻波紋的箔片76取代它。可以理解的是，在兩種不同氣流中的箔片可能不同，并且，特別是在催化劑方面有所不同。正如以前所說明的，在預(yù)重整器15反應(yīng)器中，合適的催化劑可能是鎳；在重整器16中，合適的催化劑可能是鉑；而在燃燒通道中，合適的催化劑應(yīng)當(dāng)是鉑。在燃燒通道中的優(yōu)選催化劑可以包括沉積在諸如六鋁酸鎂的非燒結(jié)陶瓷上的鈀；人們認為，鈀會形成氧化鈀，在高達大約800℃的溫度下，它是有效的燃燒催化劑，不過，在高于該溫度的溫度下，會形成鈀金屬，作為催化劑，鈀金屬不是很有效；六鋁酸鎂在800-900℃的溫度之間起著燃燒催化劑的作用(并且在該溫度范圍內(nèi)不會燒結(jié))。
在一種替代方案中，所述燃燒是在外部燃燒器(如層流燃燒器)中進行的，大約900或1000℃的非常熱的廢氣沿甲烷流的逆流方向通過反應(yīng)器14的第二氣體流通通道。在這種情況下，沒有必要提供具有陶瓷涂層或催化劑的箔片，不過，所述箔片通過向分隔板71傳熱增強了運載熱廢氣的第二氣體流通通道和預(yù)重整器和重整器通道中的反應(yīng)劑之間的熱傳遞。
參見圖4，另一種反應(yīng)器80在某些方面類似于反應(yīng)器70，它包括Fecralloy鋼鐵片材81的疊層，每一個片材大體上為矩形的。長度125毫米，寬度90毫米，厚度2毫米。沿每一個片材81的中央部分機械加工形成了7個平行的矩形槽82，每一個槽的寬度4毫米，深度為0.75毫米，并且間隔5毫米，在每一個末端具有相同深度的集流管槽84，集流管槽84延伸到靠近片材81的一個側(cè)緣的集流管孔83。因此，在圖中所示片材81的上表面上，所述氣體從底部左側(cè)的孔83流向頂部右側(cè)的孔83。在片材81的相對表面上的槽是相同的，不過，集流管(用虛線表示)延伸到靠近片材81的相對兩側(cè)的集流管孔87。連續(xù)的片材81的集流管槽84是按鏡像關(guān)系排列的，以便相鄰的槽84與相同的集流管孔對83或87連通。在每一個矩形槽82內(nèi)，有3個波紋狀Fecralloy箔片86a，b和c，其厚度分別為50微米，其波紋高度為1.5毫米，不過，在波紋的節(jié)距或波長方面有所不同。為了確保在組裝期間片材81的精確定位，在每一個末端提供孔85，將銷釘安裝在該孔中，組裝片材81和箔片86的疊層，壓縮并且擴散結(jié)合在一起。然后在所述疊層的頂部形成與孔83和87的氣體流通通道連接，該通道在所述疊層的底部是封閉的。反應(yīng)器80與反應(yīng)器70的差別不僅在于具有由孔83和87形成的一體化集流管(取代通道78)，而且還具有通過片材81的7個槽88，這些槽是在矩形槽82之間的每一個平臺上形成的，每一個槽82的寬度為1毫米，長度為6毫米。在所述疊層組裝之后，槽88提供了第三種氣流的流通通道，例如，用于對一種氣流進行預(yù)熱。
對于反應(yīng)器70來說，在必須更換催化劑時，這一目的可以通過切割掉一組集流管，例如，位于平面67-67上的集流管，然后從由所有槽82形成的通道中抽出箔片86，并且更換箔片86而實現(xiàn)。然后對平面67-67上的切割表面進行精確的機械加工平整，重新組裝，并且再次擴散結(jié)合在一起。
下面參見圖5a，5b，另一種反應(yīng)器90包括由框架93間隔分離的波紋狀箔片92的疊層。每一個框架(如圖5a所示)包括一個大體上為方形的Fecralloy鋼鐵片材93，邊長為60毫米，厚度為1毫米，由它形成了4個分別為50×10毫米的矩形孔94。在片材93的每一端有一個深度為0.5毫米的集流管槽95，通過切口與每一個孔94連通。在靠近每一個片材93的拐角處具有集流管孔96。具有兩種類型的框架，這兩種框架被交替用于所述疊層中。在一種類型的框架上(如圖所示)，集流管槽95與片材93的底部左側(cè)和頂部右側(cè)的孔96連通(如圖所示)，而在另一種類型的框架上(未示出)，集流管槽95與片材93的頂部左側(cè)和底部右側(cè)的孔96連通。每一個箔片92(如圖5b所示)也是邊長為60毫米的方形，并且具有0.5毫米的厚度。它在靠近每一個拐角處形成集流管孔96。4個矩形部位98(相當(dāng)于孔94)是波紋狀的，高于和低于所述箔片平面的幅度為0.5毫米。在實踐中，每一個這樣的部位98基本上是以相同的圖案形成波紋的，不過，示出了四種不同的圖案部位98a具有沿流通通道縱向延伸的波紋；部位98b具有沿垂直于流動方向的方向延伸的波紋；部位98c具有凹窩；而部位98d同時具有縱向分布的波紋和凹窩。反應(yīng)器90包括箔片92的疊層，這些箔片是通過交替使用的兩種類型的框架93分隔開的，所述疊層的底部包括一個空白方形片材(未示出)，緊接著是一個框架93，并且在所述疊層的頂部包括一個由方形片材(未示出)覆蓋的框架93，由它形成了相當(dāng)于孔96的孔。將所述疊層組裝，壓縮并且擴散結(jié)合在一起。
應(yīng)當(dāng)理解的是，在反應(yīng)器70和80上的通道中的箔片可以是凹窩狀的，以便取代或補充波紋形狀，如在反應(yīng)器90上的情形，并且還可以是開孔的，以便提供在每一個通道中的進一步的擾動和混合。
在另一種改進形式中，在靠近Fischer-Tropsch反應(yīng)器26的出口處，所述箔片可以具有至少沿流通通道的一部分的鋸齒形狀(即垂直于流通方向的波紋，所述波紋的幅度小于所述通道的高度)，以便誘導(dǎo)渦流，并且啟動液體與氣體的分離。
在另一種改進形式中，所述片材能承受流體通道之間的壓力差，例如，反應(yīng)器40中的片材42或反應(yīng)器70中的片材71，這些片材是由諸如鈦的金屬制成，它能夠承受高溫和高壓，并且能夠方便地擴散結(jié)合，同時，如果需要陶瓷涂層(作為催化劑基質(zhì))的話，所述箔片，例如46和76可以是Fecralloy鋼鐵。
在催化反應(yīng)器14的燃燒通道中，如果利用催化燃燒產(chǎn)生熱量(如圖中所示)的話，所述燃燒催化劑本身可以涂敷一個薄的多孔惰性陶瓷層，以便限制氣體混合物與催化劑的接觸，從而限制反應(yīng)速度，特別是在該通道起始部分的反應(yīng)速度。在另一種替代方案中，所述燃燒可以在高壓下進行。
正如上文所提到過的，最初可以利用直接讓電流通過構(gòu)成反應(yīng)器的片材進行電加熱，在輸送氣體之前將諸如催化反應(yīng)器14的溫度提高到例如400℃，以便確保進行催化燃燒。在工作期間，也可以使用電加熱，以便調(diào)節(jié)反應(yīng)器的溫度。還可以在反應(yīng)器14的出口附近使用電加熱，以便確保進行重整反應(yīng)的氣體達到例如900℃的溫度。
正如上文所提到過的，在Fischer-Tropsch合成中所產(chǎn)生的熱量，可以用諸如DOWTHERM A的傳熱流體傳遞。這種傳熱流體是兩種非常穩(wěn)定的化合物聯(lián)苯(C12H10)和二苯基氧(C12H10O)的低共熔混合物，并且，在含有所述流體的通道中的壓力，可能使所述流體保持液相，或使它能沸騰。
在反應(yīng)器14中，重整器16中的溫度確定了排出氣體中的一氧化碳和二氧化碳的比例。通過確保所述氣體混合物達到諸如900℃或更高的高溫，至少在靠近重整器16的末端部分達到這一溫度，可以使一氧化碳的比例最大化。例如，這一溫度曲線可以通過分階段地向燃燒通道中添加甲烷(可能同時添加氧氣)而獲得。
權(quán)利要求
1.一種催化反應(yīng)器，它包括多個排列成疊層并且結(jié)合在一起的金屬片材，這些片材成形為在相鄰的片材之間限定第一流通通道并在相鄰的片材之間限定第二流通通道，第一流通通道和第二流通通道在疊層中交替布置，使得在第一和第二流通通道中的流體之間具有良好的熱接觸；以及向流通通道中輸送流體的集流管，所述集流管能夠?qū)⒉煌牧黧w輸送給第一和第二流通通道；其中在第一流通通道內(nèi)設(shè)置通透性金屬傳熱層，金屬傳熱層可以移除并且結(jié)合一種包括燃燒催化劑的催化涂層，這樣，在第一流通通道中流動的氣體混合物進行燃燒，其特征在于，處在該通道的至少第一部分中的燃燒催化劑涂覆有多孔惰性陶瓷層以限制該反應(yīng)速率。
2.如權(quán)利要求1所述的催化反應(yīng)器，其中，所述第一和第二流通通道在垂直于相鄰金屬片材的方向上的深度小于8毫米。
3.如權(quán)利要求1或2所述的催化反應(yīng)器，其中，可移除金屬傳熱層布置于該第一和第二流通通道中，每一該可移除金屬傳熱層包括波紋狀金屬箔片。
4.如權(quán)利要求3所述的催化反應(yīng)器，其中，在該通道的至少之一中，該波紋狀箔片的節(jié)距沿該通道的長度改變。
5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的催化反應(yīng)器，其中，第一流通通道的流動方向與第二流通通道的流動方向交叉。
6.前述權(quán)利要求中任一項所述的催化反應(yīng)器用于實施甲烷/蒸汽重整的用途，其中可移除金屬傳熱層布置于該第一和第二流通通道中，并且處于該第二流通通道中的該可移除傳熱層結(jié)合蒸汽/甲烷重整催化劑。
7.一種甲烷/蒸汽重整的方法，該方法利用如權(quán)利要求6所述的催化反應(yīng)器。
全文摘要
一種催化反應(yīng)器，它包括多個排列成疊層并且結(jié)合在一起的金屬片材，這些片材成形為在相鄰的片材之間限定第一流通通道并在相鄰的片材之間限定第二流通通道，第一流通通道和第二流通通道在疊層中交替布置，使得在第一和第二流通通道中的流體之間具有良好的熱接觸；以及向流通通道中輸送流體的集流管，所述集流管能夠?qū)⒉煌牧黧w輸送給第一和第二流通通道；其中在第一流通通道內(nèi)設(shè)置通透性金屬傳熱層，金屬傳熱層可以移除并且結(jié)合一種包括燃燒催化劑的催化涂層，這樣，在第一流通通道中流動的氣體混合物進行燃燒，其特征在于，處在該通道的至少第一部分中的燃燒催化劑涂覆有多孔惰性陶瓷層以限制該反應(yīng)速率。
文檔編號C01B3/48GK1962045SQ20061014324
公開日2007年5月16日 申請日期2002年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月11日
發(fā)明者M·J·博維, D·C·W·布瀨克里, C·D·李-圖夫內(nèi)爾, J·A·莫德, D·L·塞加爾, J·W·斯泰曼德, I·F·滋梅曼 申請人:Gtl微系統(tǒng)股份有限公司