改造多相放热合成反应器的方法 本发明涉及一种改造具有一个含有多个按互相隔开的关系叠置的催化床的外壳的多相放热合成反应器的方法。
更具体地说，本发明涉及改造全开式反应器的方法，该方法的初始步骤是：
-在上述外壳的上部设置至少一个第一催化床；
该至少第一催化床装有具有预定活性的第一催化剂。
在下文的说明及所附权利要求中所用“改造”一词是指对现有的反应器进行改进，以便改善其性能而获得相当于新制造的反应器所具有的例如生产能力和/或转换收率。
在本领域的术语中，上述这类改造也可用“改型”或“改进”来表达。
在下文的说明和所附权利要求中所用的术语“外壳的上部”指的是外壳的上部所包含的内部空间，更具体地说，这个上部通常占外壳内部空间的20～50％左右。相反，外壳下部形成的其余50～80％的内部空间称为“下部”。
另外，在本领域中所用地术语“全开式反应器”一般是指具有一个由盖子盖住顶部的外壳的反应器，且其盖子的直径大致等于外壳的直径。
按照本发明的另一方面，还涉及一种反应器和一种进行多相放热合成反应的工艺。
众所周知，在多相放热合成的领域中，更具体地说，在氨和甲醇的生产中，重要的是要满足双重的要求，这就是，一方面要提高现有的合成反应器的生产能力，另一方面是改善转换收率和降低能量消耗。
为了满足上述要求，在本领域中对所谓改造现有反应器的技术越来越加以肯定，其目的在于避免现有反应器昂贵的更换成本，同时又要在现有的反应空间内达到最高的转换产出率和最低的能量消耗。
为此，专利申请EP-A-0 931586公开了一种改造方法，该方法基于用新的催化床(最好是径向或轴向-径向式催化床)更换现有反应器中的催化床或几个催化床，具体地说，上述方法基于在外壳内设置一种具有小反应空间的最下层的催化床，该催化床装入一种具有高反应活性的颗粒状催化剂例如石墨支承的钌基催化剂。
虽然上述的改造方法对于称为凯洛格型的反应器或者说瓶颈式反应器来说在一些方面是有利的，但它不适用于所有全开式的进行多相放热合成反应的现有反应器。
具体地说，在全开式反应器中，上述改造方法不允许使用较大量的高活性催化剂，因此，限制了通过改造现有反应器可达到的转换收率和生产能力的提高。
事实上，在此情况下，上述方法不可能最佳地利用转换反应通常更为困难的反应器下部反应空间中的高活性催化剂。
这是由于全开式反应器的催化床的构造和尺寸(其高度与直径之比通常大于8，而瓶颈式反应器则大约为4)不适合于装入反应活性高的催化剂，因此要求使用普通的低活性的催化剂。
在这方面必须注意到，与传统的催化剂不同，反应活性高的催化剂例如钌基型催化剂是轻的，而且通常具有特殊的脆性结构，机械强度较差。
因此，活性高的催化剂，如果在上述催化床内的催化剂团块产生破碎力时，便容易碎裂，而丧失其效果。上述的破碎力是由于反应气体的温度变化以及上述催化床经受加热和冷却循环的结果所致。这种现象在位于全开式反应器下部区的催化床内特别明显。
因此，尽管在本领域内日益感到需要提高现有的全开式反应器的转换产出率和生产能力，但是，上述的按现有技术改造现有的多相放热合成反应器的方法迄今尚不能最好地在全开式反应器中开发反应活性高的催化剂的潜力。
本发明的目的是要提供一种改造多相放热合成反应器的方法，该方法与现有技术的改造方法相比，可更明显地提高转换产出率和生产能力，同时又降低作业成本和能量消耗。
为了达到本发明的上述目的，本发明提供了前面提到的那种方法，该方法的特征在于包含如下步骤：
-在外壳的下部设置多个互相平行的催化床；
-在外壳下部的上述催化床内装入一种反应活性比装在上述的至少一个第一催化床内的催化剂大的第二催化剂。
按照本发明的方法，由于在反应器外壳的整个下部都装入高活性催化剂，可有利地获得转换产出率高得多从而生产能力也大得多的反应器，而反应器的外部结构保持不变。
上述对转换产出率和生产能力的提高也由于在反应器的下部设置了多个互相平行的催化床的缘故。
这样，通过将反应器下部的反应空间分成几个尺寸适合于安置高活性催化剂而不会损坏这些催化剂的催化床，便可有利且最好地开发反应器下部的反应空间。所有这些对于现有反应器的转换产出率和生产能力都是完全有利的。
外壳下部的催化床相互平行设置是有利的，使之在作业上相当于单一个大催化床(例如待改造的现有反应器的那种催化床)，但却具有较高的反应活性，且催化剂的加入量少得多。
另外，由于在反应器的整个下部使用高活性催化剂，故其下部可在比普通反应器的下部低的温度下工作，从而也比现有技术的上述方法降低作业成本和能量消耗。
外壳下部的各催化床最好装入石墨支承的钌基催化剂，因为这种类型的催化剂具有高的反应活性，同时又具有长的使用寿命。事实上，这种催化剂不容易磨损，且具有良好的抗反应器内出现的温度和压力作用的能力。
另外，按照本发明的改造方法的一个有利的具体实施例，设置了5个催化床，其中第一和第二催化床设置在外壳的上部，而第三、第四和第五催化床互相平行地分别设置在外壳的下部。
这样，无论是反应器的动力学结构和现有反应空间的利用都得到改善。
上面所用的“反应空间”一词是指催化剂占催化床的容积，因此也指催化床内实际发生合成反应的空间。
按照本发明的另一方面，还提出一种进行高收率的放热多相合成反应的方法，包括如下步骤：
-将气态反应剂供入具有一个支承多个按互相隔开的关系叠置的催化床的外壳的合成反应器内；
-使上述的进入上述催化床的反应气体发生反应；
其特征在于还包含如下步骤：
-使反应混合物从上述的至少一个延伸于上述外壳上部的第一催化床流到多个互相平行地设置在外壳下部的催化床；
-使上述的进入外壳下部的上述催化床的反应混合物流过反应活性比装在上述的至少一个第一催化床的催化剂大的催化剂；
-使离开外壳下部的上述催化床的反应产物排到合成反应器之外。
从下面参看附图对本发明的实施例进行的特征性的和非限制性的说明中将会明白本发明的特点和优点，附图中：
图1示出现有技术中进行多相放热合成反应的全开式反应器的纵剖视图；
图2示出按本发明的改造方法对图1的反应器进行改进后得到的反应器的纵剖视图。
参看图1，标号1总的示出现有技术的在高压和高温(50～300巴，300～550℃)下进行多相放热合成反应(例如生产氨)的全开式反应器。
反应器1包括一个管状外壳2，该外壳2之顶部用一个直径大致相当于外壳体直径的盖子3盖住。外壳2之下端具有用来引入反应气体和排出反应后的气体的相应喷嘴4和5。
在外壳2的内部按公知的方法支承一个具有(在图1实例中为3个)按互相隔开的关系叠置的催化床7a、7b和7c的简体6。
在每个催化床7a、7b和7c内放着一种普通的小颗粒的铁基催化剂(磁铁矿)(图中未示出)。
催化床7a～7c的上部都是敞开的，并具有可透气的侧壁(图中用短划线示出，并标以标号8)和不透气的底部9，以便使反应气体可轴向-径向交叉流入催化剂床。
最下面的催化床7c的底部9也是筒体6的底部。
图中的相应于催化床7a～7c的顶部的虚线表示各催化床内的催化剂的高度极限，它与侧壁8和底部9一起构成了上述催化床的反应容积。
在筒体6与外壳2之间形成一个大致为环形的空间10，该空间10从喷嘴4延伸到盖子3与筒体6的上部之间形成的反应气体的收集室11。
冷的反应气体流过的空间10的作用是保护外壳2使之不受反应器1内部产生的高反应温度所影响，同时又可预热反应气体。
往后，在两个气-气热交换器12和13内部完成反应气体的预热，上述热交换器12和13通常分别支承在催化床7a和7b内。
然后，由导管14将反应气体从收集室11送到通过热交换器13和12的管道与第一催化床7a的入口流体连通的热交换器13的底部13a。
热交换器12和13的管道通过例如迷宫式封闭接头13b以连串的形式互相连接。
反应气体通过与离开催化床7a和7b的热气体间的间接热交换而得到预热，而热气体又因此而得到冷却。
与此相反，离开最下面的催化床7c的反应产物则不被冷却。
反应器1还具有环形的导管15和分配器16用于从第一催化床7a的上游导入冷的或者说“淬冷的”反应气体，以控制反应气体的温度。
最后，在反应器1内设有一根与最下面的催化床7c同轴延伸的导管或者说歧管17，以便从该催化床抽取反应产物；最后通过管嘴5排出反应器1之外。
在图1中，箭头F表示沿空间10通过催化床7a～7c和热交换器12～13的各股气流。
图2整体上示出按本发明的改造方法对图1的反应器进行改进所得到的一种多相放热合成反应器。
在图2中，反应器1的与前面图1所示的结构和功能相当的细节用相同的标号表示，并不再进一步说明。
本发明的方法不限于改造盖子直径与外壳直径大致相同的全开式反应器，而是可以有利地改造任何类型的具有一个或多个进行放热的多相合成反应的催化床的反应器，因此，也可以“就地”改造被称为凯洛格(kellogg)式或者说瓶颈式反应器，也就是其盖子直径小于外壳直径的反应器。
按照本发明方法的最初步骤，要预先使反应器1的筒体6中的物质排空，然后在其内部位于外壳2的上部2a处设置一个第一催化床18和一个位于第一催化床18下面的第二催化床19。
上述的催化床18和19与图1所示的现有技术的反应器的催化床7a和7b相当。
在本发明的改造方法的下一步骤中，在外壳2的下部2b处有利地设置多个催化床20～22，上述催化床21～22是互相平行排列的。
另外，按照本发明，在第一和第二催化床18和19分别加入具有预定活性的第一催化剂(图中未示出)，而在外壳2的下部2b中的催化床20～22中则加入其反应活性比其他催化床中的第一催化剂高的第二催化剂(图中未示出)。
加入催化床18和19的第一种催化剂是例如由普通的小颗粒的铁基催化剂(磁铁矿)，而加入催化床20～22的第二种催化剂以钌基催化剂为好，最好是一种石墨支承的钌基催化剂。
上述的第二种催化剂的反应活性通常是普通铁基催化剂的5～20倍。
因此，催化床20～22要做成合适的尺寸以便承装上述的高活性催化剂使其不受损坏。
根据本申请人所进行的研究，上述催化床的高度最好不超过4m，以便使催化床内的催化剂所受的压力或破碎力处在容许的范围内。例如，当改造过的反应器1下部的催化床20～22的高度为2.5～3.5m时可获得特别有利的结果。
由于在外壳的下部设置有多个催化床，而且加入高活性的催化剂，就可以将转换产出率提高到图1的反应器所能达到的产出率的130％。而且也可节约作业成本和能量消耗。
上述的可有利地显著提高改造过的反应器的生产能力的转换产出率的提高完全证明实施本发明的改造方法所需的投资成本是合算的，尽管本发明由于使用了比当今普通的低活性催化剂昂贵得多的具有高反应活性的催化剂例如钌催化剂而使投资成本变得昂贵。
按本发明获得的优势主要归因于在外壳的整个下部使用了具有高反应活性的催化剂，由于在外壳下部设置了多个尺寸合适且彼此平行的催化床，使其反应速度比上部低得多。
如图2所示，按本发明的方法的一个特别有利的实施例，通过在外壳2的上部2a连串地设置两个催化床18和19而在外壳下部2b平行地设置3个催化床20～22可获得最佳的反应体积分布，也就是最佳的催化剂(无论是普通型的还是高活性型的催化剂)分布。
在任何情况下都可根据要改造的反应器的结构特点和作业条件而在反应器内设置与图2所示数量不同的催化床，例如，在外壳2的下部2b可以设置2～5个催化床，并加入具有高反应活性的催化剂。
按照本发明的又一个特征，外壳2的下部2b的每个催化床20～22都具有一种实际上是公知的机构，以便使通过的气流成为径向的或轴向-径向的气流，上述机构可以是例如带有用于导入和排出气体的合适的穿孔的相对的可透气的壁23和不可透气的底部24。
这样，就可有利地减少由于反应混合物流过催化床20～22所造成的催化剂的损失，从而也降低了能量消耗和作业成本。
例如，在美国专利No.4755352(已结合作为本发明的参考文件)中曾公开过上述这种在催化床内建立轴向-径向气流的机构。
在有轴向-径向气流流过催化床20～22的情况下，可以具有高反应活性的催化剂团块可得到充分地利用，所以全部的催化剂都受到反应混合物的冲击，并且没有未用的催化物，未用的催化物可能造成反应产出率和投资成本的损失。
有利的是，如图2所示，外壳2下部2b的催化床20～22具有相应的供反应气体进入的可透气表面，称为可透气的外侧壁23，该侧壁23与外壳2上部2a的第二催化床19是流体连通的。而且，催化床20～22具有相应的用于排出反应气体的透气表面，称为可透气的内侧壁23，该侧壁23与排出气体的歧管17是流体连通的。
具有高反应活性的催化剂(例如石墨支承的钌基型催化剂)不仅十分轻和脆，而且对温度十分敏感。
事实上，在实践中业已注意到，与普通的反应活性低的催化剂不同，如果在放热合成反应过程中将高活性催化剂加热到450℃以上，这种催化剂将会由于石墨中的碳与反应混合物中存在的氢之间发生甲烷化反应而受到不可逆的损伤。
为此，在图2所示的具有轴向-径向催化床的实施例中，业已发现，最好在外壳2的下部2b的催化床20～22的上部25中装入具有预定活性的第一催化剂例如铁基催化剂(磁铁矿)(在上述催化床的上部25反应气体基本上是沿轴向流过的)，而在反应气体大体上沿径向流过的催化床20～22的其余部位中则装上具有比第一催化剂大的活性的第二催化剂例如石墨支承的钌。
实际上，在反应气体大致呈轴向流过的催化床的上部，上述反应气体的驻留时间与一定的工作条件(例如压力约为200巴或更高)一起可能就足以使温度升高到约450℃或更高。这会对反应活性高的催化剂造成不可逆的损伤，从而在转换产出率和投资成本方面也造成损失。
结果，与人们所预料的相反，在某些情况下，在催化床20～22之上部25使用一薄层普通的低活性催化剂例如铁基催化剂(磁铁矿)比在上述催化床中仅装入高活性催化剂更有利，这是由于普通的催化剂不受沿催化床20～22轴向部分形成的高温所损害，因此在所有情况下都可保证具有一定的转换产出率。
相反地，在反应混合物大致沿径向流过的催化床20～22的主要部分却不出现上述的问题，因此，可有利地装入具有高反应活性的催化剂。
另外，由于装有上述的反应活性低的普通催化剂薄层，就可保护昂贵而质脆的高活性催化剂使之不受进入催化床20～22的可能是高速的反应气体的损伤。
例如，反应气体大致沿轴向流过的催化床20～22的上部25处的反应活性低的普通型催化剂层的厚度可以是上述催化床的总高度的5％～30％。
本发明的改造方法的步骤可根据不同情况提出的具体技术要求来进行，而不必按本说明书和所附权利要求所列顺序进行。
按照本发明的又一方面，可通过上述的改造方法得到一种进行放热多相合成反应的反应器，或者有利地制成一种全新的反应器。
为此，含有一个外壳2和至少一个延伸于外壳2的上部2a中的第一催化床18～19的反应器1的特征在于，它还具有多个互相平行地设置在外壳2的下部2b的催化床20～22。
按照上述改造方法得到的以及参看图2所说明的反应器的特征和优点也全部体现在新制出的反应器上，因此，在下文不再重复叙述。
无论是新制造的还是通过改造现有反应器而得到的图2所示实施例的反应器1都可按下列工艺进行放热的多相合成反应并获得高的转换收率和生产能力以及低的能耗效果。
首先在空间10和热交换器12和13内对通过管嘴4送入反应器1的反应气体例如氢和氮或甲烷和蒸汽进行预热。然后将它们送入装有普通催化剂例如铁基催化剂(磁铁矿)的第一催化床18。
通过由分配器16送入反应器1的第一部分冷的或者说“淬冷的”反应气体和由导管15送入反应器并在热交换器12中预热过的第二部分冷的反应气体将送入第一催化床18的反应气体的温度控制到预定值。
然后，呈轴向-径向向心流动而离开第一催化床18的反应混合物集中在中央，并沿外壳一侧送到热交换器12，在此与沿管道一侧流动的冷的反应气体流进行间接热交换而部分地冷却。
其后，按上述方法冷却的反应混合物进入下一个装有普通催化剂例如铁基催化剂(磁铁矿)的催化床19。
沿轴向-径向向心流动的第二反应混合物离开催化床19。该反应混合物富含反应产物，并沿外壳一侧进入热交换器13，在此与沿管道一侧流动的冷的反应气体流进行间接热交换而部分地冷却。
其后，该部分冷却的反应混合物有利地同时进入平行设置在外壳2的下部2b的催化床20～22。按照本发明，上述催化床20～22装有高反应活性的催化剂，最好是石墨支承的钌基催化剂。
由于催化剂20～22装有高活性的催化剂，便可有利而方便地在比进入前面的催化床18～19的反应混合物的温度更低的温度下工作，从而降低了作业成本和能量消耗。
最后，最终反应混合物沿轴向-径向向心流动而离开催化床20～22，并集中进入中央的歧管17，最后通过管嘴5排出反应器1之外。
按照一个最佳实施例，本发明的方法还包含这样的步骤：使第一部分反应混合物大致沿轴向流入位于外壳2下部的催化床20～22的上部25而穿过具有预定活性的第一催化剂，并使第二部分反应混合物大致沿径向流过催化床20～22的其余部分而穿过活性比第一催化剂大的第二催化剂。
通过上面的说明可直接了解由本发明带来的若干优点，具体地说，就是可显著提高现有反应器的转换产出率和生产能力同时又降低作业成本和能源消耗。