合成反应器的催化床的壁系统以及相关的生产工艺

摘要

一种系统(8；9；50)，被描述为用于合成反应器(1)的催化床的壁，其中，具有与催化床直接接触的壁(14)用于容纳催化床，所述壁(14)具有气体可透过的多个部分(17)以及气体不可透过的多个部分(19；54；55)，所述气体可透过的部分(17)配备有缝隙(18；52；53；60；70)，所述缝隙的尺寸允许合成气体自由通过缝隙，但不允许催化剂通过，其中，所述缝隙通过铣削、水刀切割或电腐蚀工艺获得。

权利要求

1.用于化学反应器(1)的催化床的壁系统(8；9；50)，其特征在于，包括催化床(7)的至少一个容纳壁(14)，所述容纳壁用于与催化床直接接触，所述壁(14)具有多个气体可透过部分(17)以及多个气体不可透过部分(19；54；55)，每个所述气体可透过部分(17)配备有多个缝隙(18；52；53；60；70)，所述缝隙的大小使得允许合成气体自由通过缝隙但避免催化剂通过缝隙，其中，所述缝隙(18；52；53；60；70)通过选自铣削、水刀切割、电腐蚀的加工方法获得。

2.根据权利要求1所述的壁系统，其特征在于，所述容纳壁(14)沿着纵向方向在要与催化剂直接接触的一侧配备有更宽大的缝隙(18；52；53；60；70)，所述缝隙可通过铣削工艺获得，其中，以铣削盘以未达到铣削盘的直径的程度穿过所述壁(14)的方式使用该铣削盘，获得在铣刀进入侧相对于铣刀出口侧具有更大的长度的缝隙。

3.根据前述权利要求中任意一项所述的壁系统，其特征在于，所述容纳壁(14)配备有缝隙(18；52；53；60；70)，所述缝隙在宽度方向上张大并且可通过水刀切割工艺获得。

4.根据前述权利要求中任意一项所述的壁系统(8；9；50)，其特征在于，所述容纳壁(14)由多个模块构成，每个所述模块包括所述气体可透过部分(17)和/或所述气体不可透过部分(19；54；55)。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的壁系统(8；9；50)，其特征在于，还包括配备有气体可透过部分(21)的分配壁(15)，所述气体可透过部分(21)与所述容纳壁(14)以分隔开的关系布置，以与其形成空隙(16)。

6.根据权利要求3所述的壁系统(8；9；50)，其特征在于，所述分配壁(15)的气体可透过部分包括多个孔(21)，所述孔(21)被形成在所述壁(15)上并且面向所述催化床(7)的容纳壁(14)的气体不可透过部分(19；54；55)。

7.根据前述权利要求中任意一项所述的壁系统(8；9；50)，其特征在于，所述缝隙(60，

70)为蛇形。

8.根据前述权利要求中任意一项所述的壁系统(8；9；50)，其特征在于，所述缝隙的宽度为0.3mm至2.5mm之间，优选为0.5mm至1.1mm之间。

9.用于化合物的多相合成的反应器(1)，包括：壳体(2)，所述壳体(2)在两端被相应的底盘(3，4)封闭；用于合成气体进入的开口(5)；用于排出反应产物的开口(6)；至少一个催化床(7)以及根据前述权利要求中任意一项所述的用于容纳所述至少一个催化床(7)的至少一个壁系统(8，9，50)。

10.根据权利要去9所述的、包括根据权利要求2或3所述的壁系统(8；9；50)的反应器(1)，其特征在于，所述催化床的容纳壁(14)被布置成使得具有张大的或更长的缝隙的一侧与所述催化床接触。

11.用于制造化学反应器的催化床(7)的容纳壁(14)的工艺，包括对用于形成所述壁(14)或所述壁的一部分的平坦金属片进行加工的步骤，并且包括选自铣削、水刀切割和电腐蚀的加工，从而在所述盘上获得多个缝隙，所述缝隙具有允许气体自由通过但避免催化剂通过的尺寸。

12.根据权利要求11所述的工艺，其中，通过控制铣刀或多个切割器进行所述铣削，使得铣刀以未达到其直径的程度穿越所述壁，获得在铣刀进入侧相对于铣刀出口侧具有在切割的纵长方向上更加延长的缝隙。

13.根据权利要求11所述的工艺，其中，对所述盘进行水刀切割过程，获得张大的缝隙。

说明书

合成反应器的催化床的壁系统以及相关的生产工艺

技术领域

[0001] 在本发明最通常的方面，本发明涉及通过配备有固定催化床(catalytic bed)的反应器进行化合物的多相催化合成领域，其中，合成气体的气体流特别是利用径向、轴向-径向或轴向流动而通过该催化床。

[0002] 本发明特别涉及用于容纳上述类型反应器的催化床的壁系统，以及包括所述壁系统的反应器。本发明还涉及用于制造所述壁系统的工艺。

背景技术

[0003] 已知的是，用于化合物(例如氨和甲醇)的多相催化合成的具有固定催化床的反应器包括特别是用于在催化床内分配合成气体的内壁系统。这样的壁系统被设计和建造成满足合成反应器正确操作所需的特定功能要求，包括：

[0004] -对于具有适当的压头损失(head loss)的合成气体的气体流的可透过性，以允许实现气体流在整个催化床上的优化分配；

[0005] -对催化物质的容纳和机械支撑，以使来自催化剂物质的推力(由于其重量的原因以及在催化剂和容纳壁之间热膨胀差异的原因)和穿过催化床的气体的推力平衡。

[0006] 更特别地，为满足上述要求，已知使用由多个壁构成的催化床的壁系统，每个壁实现一个或多个上述功能。

[0007] 例如，FR 2615407公开了用于在催化床中分配合成气体的管状模块壁系统。

[0008] 然而，所述系统具有一些缺点，包括：某些结构上和组装方面的困难以及对于在用于合成氨的反应器中的氮化现象的敏感性。为解决后一问题，对于低厚度元件需要使用非常昂贵的材料如铬镍铁合 特种钢(铁镍合金)，以在反应器的操作期间保持令人满意的机械强度；然而，需要实现异质焊接(即在不同的材料之间)，由于由所用材料的不同热膨胀系数引起的热应力的原因，所述焊接容易出现裂纹或断裂。

发明内容

[0009] 本发明的技术问题是提供一种用于合成反应器的催化床的壁系统，该壁系统能够满足上述要求，特别是对于合成气体的可透过性以及对催化物质的足够支撑，本发明的技术问题还提供适于制造所述壁系统的结构工艺。

[0010] 该问题通过具有以下特征的用于化学反应器的催化床的壁系统来解决：该壁系统包括与催化床直接接触以便包含该催化床的具有预定厚度的壁，所述壁具有多个气体可透过部分以及多个气体不可透过部分，每个所述气体可透过部分配备有多个缝隙，所述缝隙具有允许合成气体自由通过缝隙但避免催化剂通过的尺寸，其中，所述缝隙通过选自铣削、水刀切割、电腐蚀的加工方法而获得。

[0011] 所述壁大体上作为催化剂的容纳体，同时允许气体流通过所述配备有缝隙的可透过部分，使得该气体能够与催化剂本身接触。

[0012] 优选地，根据本发明，容纳壁具有在要与催化剂直接接触的一侧、在纵向方向上更加延长的缝隙，所述缝隙通过铣削工艺获得，其中，使用具有适当直径的铣削盘(或多个铣削盘)，并且所述缝隙通过铣刀制成，该铣刀以未达到其直径的程度穿过所述壁。这样，在切口的纵向方向上，缝隙在铣刀进入侧相对于铣刀出口侧更宽大。通过将所述壁布置在反应器内部使得具有更长缝隙的表面(即，在构造期间铣刀进入的表面)面对催化剂，就工艺效率而言具有积极的效果，因为凹口(notch)的更大的长度至少部分地补偿了由能够阻塞该凹口的催化剂颗粒导致的通道截面缩小。

[0013] 根据本发明的另一方面，所述壁具有通过水刀切割获得的稍微被张大的缝隙，所述缝隙因而在同一壁的一侧更窄。已发现，优选的是将所述壁定位成更窄缝隙的一侧朝向催化剂，获得立于排除可能的催化剂颗粒以及降低缝隙阻塞的可能性的效果。

[0014] 上述工艺技术被示为对于制造根据本发明的具有用于使气体通过的缝隙的壁特别有效，与例如同样可以使用的激光切割相比较具有一些优点。

[0015] 因此，本发明的目的还在于用于制造化学反应器的催化床的容纳壁的工艺，包括用对要形成所述壁(14)或所述壁的一部分的平坦金属片进行加工的步骤，通过选自铣削、水刀切割和电腐蚀的加工技术获得多个缝隙，所述缝隙具有允许气体自由通过缝隙但避免催化剂通过的尺寸。

[0016] 根据本发明的一个方面，提出通过铣削以及通过控制铣刀(或多个铣刀)使得铣刀以未达到其直径的程度穿越所述壁从而获得所述缝隙，因而获得在铣刀进入侧相对于铣刀出口侧在切口的纵向方向上更加延长的缝隙。优选地，使用多个工具，实质上包括承载一定数量的铣削盘的轴。

[0017] 铣削工艺还具有以下优点：热量产生少(比例如激光切割少)；根据反应器将针对的合成工艺(氨、甲醇等)，制造最优宽度的缝隙的可能性；良好的修整水平，除了除去毛屑(shaving)的刷光处理之外通常不要求进一步的修整。

[0018] 关于水刀切割，本发明优选提供使用多头切割机器，例如2、4、6或8个喷嘴并且切割。然而，也可使用单头机器。

[0019] 水刀切割具有多个优点：发热几乎为零，因此不会变形；不会形成毛边(fraze)；允许制造尺寸非常小(甚至＜5mm)的缝隙；对可能的材料不均匀性并不高度敏感；允许工艺控制得到改进。

[0020] 应当注意，水刀切割喷嘴的不断磨损可通过对机器的切割参数的适当调整来补偿，并且不会涉及实质的风险。另一方面，利用传统的切割工具，无法容易地补偿工具的磨损，并且可能导致工具自身的突然断裂，甚至(有时不可弥补地)破坏工件。

[0021] 此外，水刀切割也允许通过单一工艺获得对旨在形成前述容纳壁的板的边缘的冲孔、修剪等。

[0022] 根据本名的另一实施例，也可使用有效地实施电腐蚀工艺。

[0023] 所述壁优选具有模块化结构，特别是用于利于通过人孔插入预先存在的反应器中。上述工艺步骤因此被同样施加到壁模块或部分。

[0024] 现在描述根据本发明的壁系统的其它优选方面。

[0025] 优选地，上述容纳壁的厚度范围为1-10mm，优选为3-6mm。优选地，上述容纳壁也通过所述气体不可透过部分构成对所述催化床的机械支撑。优选地，上述容纳壁由多个固定在一起的模块构成，其中每个模块包括所述气体可透过部分和/或所述气体不可透过部分。

[0026] 缝隙可以是任意形状，直线型或曲线形，并且可以以任何方式布置，例如它们可以以缝隙的任何组合(直线型、曲线形或者二者兼有)关于反应器的轴纵向或横向延伸。

[0027] 根据本发明的优选实施例，根据本发明的壁系统还包括配备有气体可透过部分的分配壁，该分配壁与所述容纳壁以间隔开的关系布置，以与容纳壁形成间隙。

[0028] 优选地，分配壁的气体可透过部分包括形成在所述壁中的多个孔。优选地，所述分配壁的气体可透过部分面向容纳壁的气体不可透过部分并排布置，以避免穿越气体可透过部分的合成气体直接冲击催化剂。与此不同，对于前述现有技术的壁系统，不可能保护催化剂不被来自分配部的合成气体直接冲击。

[0029] 前述分配壁本身是传统的，并且可配备有同样是传统类型的间隔装置，以在反应器的正常操作情况下在反应器内部所述壁可能受到的大机械应力或热应力的情况下，也稳定地保持催化剂的容纳壁与分配壁处于期望的分隔关系。

[0030] 根据本发明的壁系统的主要优点在于其制造简单，因为气体可透过部分(即，上述缝隙)被直接形成在催化剂的容纳壁模块的厚度内，因此不必进行形成前述现有技术的壁系统中的网格所需的多次焊接。

[0031] 此外，存在气体不可透过部分，赋予前述容纳壁足够的机械强度，该机械强度使得基本上适于承受在反应器的正常操作条件下的机械应力和热应力。有利地，这样的机械强度也能够适于反应器所针对的特殊使用要求，通过适当的调整催化剂的容纳壁的厚度，从而满足这样的要求。

[0032] 例如，容纳壁的厚度可以使得这样的壁也能够通过其气体不可透过部分用作催化剂的支撑。可替选地，通过适当地调整分配壁的厚度以具有合适的机械强度，催化剂支撑功能可以部分地或全部地由分配壁执行。

[0033] 应注意，在根据本发明的壁系统中，容纳壁和分配壁都不需要使用昂贵的材料，这意味着生产成本得到实质的节约。

[0034] 例如，在用于氨合成的反应器中使用根据本发明的壁系统的情况下，可以使用相对廉价的材料(例如不锈钢)制造容纳壁和分配壁，这样，获得合适的机械强度和抗氮化效果。特别地，源于表面氮化的、对机械强度的负面作用可以通过适当地调整所述壁的厚度来补偿，或者，对于催化剂的容纳壁，通过调整气体可透过部分和气体不可透过部分的分布和数量来补偿。

[0035] 与此不同，对于现有技术中的壁系统，对于低厚度元件(例如所焊接的网格条)必需使用具有很高的抗氮化性的非常昂贵的材料，例如特种钢铬镍铁合 (铁镍合金)，以在反应器的操作期间保持令人满意的机械强度。

[0036] 还应注意，有利地，气体可透过部分的缝隙可以根据预选确定的顺序和数量被沿催化剂的整个容纳壁布置以满足可能的和特殊的要求，这样，不会实质上损害所述壁的机械强度。

[0037] 本发明还涉及用于化合物的多相合成的反应器，该反应器包括：在两端由相应的底盘封闭的壳体，用于合成气体进入的开口，用于反应产物排出的开口，至少一个催化床以及用于所述至少一个上述催化床的至少一个壁系统。

[0038] 根据本发明的反应器可以是如下类型：气体利用径向、轴向-径向或轴向流动而在一个或多个催化床中穿过。

[0039] 特别地，对于其中的所述至少一个催化床被气体利用径向或者轴向-径向流动而穿过的反应器，根据本发明的壁系统能够被布置在所述至少一个催化床中的气体的进入侧和/或在来自所述至少一个催化床的气体的排出侧，相应的容纳壁与催化剂接触。

[0040] 有利地，通过根据本发明的壁系统，由于穿过分配壁的孔洞的气体在分配壁与容纳壁之间的空隙内受到负荷损失，这使得所述气体进入催化床的速度被降低，所以在气体进入侧，在相应的催化床内部，获得合成气体的优化分配。

[0041] 然而，应注意，还存在反应器的其他实施例，在所述实施例中，在相应的催化床的气体进入侧或相应催化床的气体排出侧省去根据本发明的壁系统的分配壁。

[0042] 在根据本发明的反应器中，在反应器内部以传统方式支撑催化床的壁系统。对于在反应器内设有气体可透过的用于容纳所述催化床的滤筒的情况，根据本发明的用于气体进入的壁系统被布置在所述滤筒的内壁上，相应的容纳壁与相应的催化床的催化剂接触。

[0043] 对于其中的所述至少一个催化床被气体利用轴向运动而穿越的反应器，根据本发明的壁系统能够被应用在相应催化床的上气体-进入底盘和/或下气体-排出底盘。

[0044] 有利地，在上气体-进入底盘上，根据本发明的壁系统可以被用来代替催化剂的普通保护网格，同时在催化床中获得合成气体的优化分配。

[0045] 参考附图，根据用于说明而非限制性目的提供的对本发明优选实施例的以下描述，本发明的其他特征和优点会变得更清楚。

附图说明

[0046] 图1示意性示出根据本发明的用于化合物的多相合成的反应器的纵向切面图，该反应器包括用于使气体进入催化床的壁系统以及始于所述催化床的气体出口系统；

[0047] 图2示意性示出图1所示的反应器的横截面图；

[0048] 图3示意性示出图1所示反应器的用于气体进入的壁系统以及用于气体排出的壁系统的剖面立体图；

[0049] 图4仅示意性示出图1所示反应器的用于气体排出的壁系统的剖面立体图；

[0050] 图5示意性示出根据本发明一变型实施例的用于从催化床排出气体的壁系统的剖面立体图；以及

[0051] 图6示意性示出根据本发明另一实施例的壁系统的细节。

具体实施方式

[0052] 参考上述附图，用于化合物的多相合成的反应器被整体标记为1。

[0053] 该反应器1特别适于由包括氢和氮的合成气体来合成氨。

[0054] 反应器1包括大体为圆柱形的壳体2，该壳体在两端由相应的底盘(顶部3和底部4)封闭。该反应器1还在顶部底盘4上设有用于反应气体的气体流进入的开口5，并且在底盘3上具有用于包含反应产物的气体流排出的开口6。

[0055] 在壳体2内部，环形的催化床7被形成为具有轴向-径向穿越的类型，在侧面由根据本发明的相应的壁系统来限定，所述壁系统被整体标记为8和9，分别用于气体进入和用于从催化床7排出气体。根据本发明的壁系统8和9的有关特征在本说明书的其余部分中会变得更清楚。

[0056] 所述催化床7在顶部未被封闭，以允许反应气体流的一部分轴向穿过该催化床7，并且该催化床在底部还由反应器1的底部底盘3定界。

[0057] 在图1和图2所示的反应器1中，用于气体进入的壁系统8被布置成靠近壳体2，而用于气体排出的壁系统9被布置在反应器1的中心。因此，在壳体2与用于气体进入的壁系统8之间形成有环形的空隙10，以允许催化床7能够被反应气体的气体流的一部分径向穿过。

[0058] 另一方面，壁系统9在顶部由所述气体不可透过的已知类型的盖11封闭。在壁系统9与盖11之间还设有与催化床7共轴延伸的腔12，用于将来自这样的催化床的反应产物输送至开口6，以便将其从反应器1中排出。

[0059] 图1中在用于气体进入的壁系统8的顶端示出的虚线13限定了催化床7内部的催化剂能够达到的最高水平，并且与壁系统8、9以及底部底盘3共同限定了反应器1中可用的反应容积。

[0060] 在图1和图2中，箭头示出气体在反应器内部、特别是通过催化床7所经过的各个路径。

[0061] 根据本发明，用于气体进入的壁系统8以及用于气体排出的壁系统9包括两个大体上为圆柱形的壁14、15，所述壁14、15共轴并且相互分离，以在它们中间形成环形空隙16。

[0062] 更特别地(图3和图4)，壁系统8、9中的每个壁系统的壁14与催化床7的催化剂直接接触以便将其侧面包容，并且具有配备有多个轴向缝隙18(即，平行于壳体2的纵轴延伸)的、具有环形带形式的多个区域或部分17，所述区域或部分17与同样为环形带形式的“完整”区域或部分19(即，没有缝隙)交替。缝隙18的大小允许气体自由通过这些缝隙，但不允许催化床7的催化剂通过。关于这方面，缝隙18可具有0.3mm至2.5mm之间的宽度，优选是具有0.5mm至1.1mm之间的宽度。

[0063] 根据本发明，缝隙18利用选自铣削、水刀切割以及电腐蚀的加工工艺获得。

[0064] 例如。在旨在形成壁14(或其一部分)的金属片上以选定的工艺获得所述缝隙；然后可能对所述金属片进行修整加工，然后将其卷起以形成圆柱形壁14或该圆柱形壁的一部分。

[0065] 有利的是，该容纳壁14以合适的厚度和材料形成，以在所述反应器的操作期间以及在氮化或其他腐蚀的作用下具有良好的机械强度。举例而言，对于用于氨合成的反应器，该容纳壁14可以形成为具有1mm至10mm之间的厚度，优选是3mm至6mm之间的厚度，并且所述壁的材料可以为任何具有普通抗氮化能力的材料，例如不锈钢。关于这方面，应当注意，以这种方式制成的壁尽管受到氨合成特有的表面氮化作用(所述作用随着时间使该壁弱化)，但是该壁在反应器1的正常使用条件下保持足够的机械强度。还应注意，容纳壁14可以以合适的厚度形成，以既用于容纳又通过相应的“完整”部分19(即没有缝隙18)用作催化床7的机械支撑。

[0066] 另一方面，壁系统8、9中的每个壁系统的分配壁15由配备有多个孔21的适当厚度的金属片构成，在这里示出的示例中，所述孔以预定的间隔开的关系、以并排的轴向组的形式布置。更特别地，所述孔21优选是面向容纳壁14中对于气体不可透过的区域或部分，以避免气体直接冲击催化剂。在附图所述的示例中，气体不可透过的此类区域或部分由在壁14的缝隙18之间的完整区域或部分19构成。

[0067] 对于用于气体进入的壁系统8，壁15的功能实质上是促进进入催化床7的气体的均匀分配，作为下文中将更加清楚地描述的壳体。壁15由传统材料如不锈钢制成，并且通过传统工艺获得，根据要求具有合适的厚度。优选地，分配壁15具有合适的厚度，以作为对催化床7的机械支撑。分配壁15也可配备间隔件(未示出)，以在反应器1的操作期间、在机械应力或热应力的作用下稳定地保持与容纳壁14的间隔关系。

[0068] 优选地，壁系统8或9的每个上述壁14或15由具有合适大小的纵长模块(未示出)形成，以穿过反应器1的“人孔”(“manhole”)，所述模块于是被固定在一起(例如被焊接或栓接)，以形成相应的壁。

[0069] 如前所述，反应器1包括用于气体进入催化床7的壁系统8以及用于气体从所述催化床排出的壁系统9，到目前为止，已关于其结构描述了所述壁系统的壁14或15。现在应注意，对于用于气体进入的壁系统8，分配壁15相对于所述壁系统8的容纳壁14被构建在外部(从反应器的轴朝向壳体)，并且与壳体2形成空隙10。通过这种方式，穿越环形空隙10的气体通过分配壁15的孔21并且在壁14与15之间的空隙16中扩展，从而获得负载消耗，该负载消耗允许同样的气体在穿过与催化剂接触的壁14的缝隙18后被均匀分配在催化床7中。

[0070] 另一方面，在用于气体排出的壁系统9中，壁15相对于容纳壁14更加位于内部。因此，径向穿越所述催化床7的气体通过穿越壁系统9的壁14的缝隙18、然后穿过间隙16、壁15的孔21而从催化床中出来，以被收集在腔12中，并且从这里被朝向反应器1的排出开口6输送。

[0071] 图5示出根据发明一变型实施例的用于合成器的催化床的壁系统，所述系统被整体标记为50。壁系统50中在结构和功能方面与前述壁系统8和9的相应元件等效的元件会以相同的标号标记。

[0072] 图5所示的壁系统50(优选是通过铣削获得)包括容纳壁14以及大体上为圆柱形的壁15，壁14与壁15共轴并且相互分隔开，以在它们之间形成环形空隙16。在容纳壁14上，可区分出具有较短拱形的多个缝隙52、具有较长拱形的多个缝隙53以及气体不可透过的部分54和55。

[0073] 壁系统50特别适于被应用在由气体利用径向或轴向-径向运动而穿越的催化床的排出侧，因为壁15被布置在容纳壁14的内部。当然，通过将壁14和15彼此相互颠倒布置，上述的壁50系统也可被应用到进入催化床的气体进入侧。

[0074] 图6示意性示出根据本发明的壁系统的容纳壁14上的缝隙的可替选的形式和布置。特别地，图6示出被轴向布置的多个缝隙60，并且每个缝隙都大体上被成形为蛇形。所述蛇形形状可通过水刀切割或电腐蚀获得。对于所述容纳壁14的相同机械强度，这样的蛇形布置的缝隙有利地提供了更大的可用于气体穿越的表面。

[0075] 有利地，由于铣削或水刀切割处理过程，容纳壁14在一侧具有稍微张大和/或更长的缝隙。在这种情况下，壁14被布置成使得具有更长和/或张大的缝隙的表面与催化床7直接接触。这更有利地减少了缝隙本身的堵塞，促进可能的催化剂颗粒或部分的排出。

[0076] 当然，本领域的技术人员可对上述壁系统和反应器提出许多修改和变型，所有这些涵盖在权利要求的保护范围内。