包括多孔催化结构和至少一个结构元件的催化反应器制造技术

本发明专利技术涉及一种催化反应器，该催化反应器包括至少两个多孔催化组织结构和插入所述两个多孔催化组织结构之间的至少一个结构元件，其中结构元件的整个外周与反应器的内壁相接触，多孔组织结构和结构元件共轴地布置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的主题是一种催化反应器，该催化反应器包括特别是催化陶瓷或金属泡沫的多孔催化结构以及减少气体沿反应器壁的优先流动并促进热传递的至少一个结构元件。
技术介绍
公知由陶瓷或甚至金属合金制成的泡沫被用作化学反应、更具体用作多相催化反应中的催化剂支承物。这些泡沫特别有益于高放热或吸热反应(例如，放热费托反应、水-气转化反应、部分氧化反应、甲烷化反应等)，和/或需要高空间速度的催化反应器(天然气、石脑油、LPG等的蒸汽重整)。最普遍的用于形成具有开口宏观孔隙的陶瓷泡沫的方法包括使用陶瓷颗粒在水溶液或有机溶剂中的悬浮液浸润聚合物泡沫(通常为聚氨酯或聚酯泡沫)，并切割成所需的几何形状。通过重复地施加压缩或通过离心旋转而从聚合物泡沫去除多余的悬浮液，以便仅在聚合物上留下一薄层悬浮液。在利用该方法对聚合物泡沫进行一次或多次浸润之后，使泡沫干燥以去除溶剂同时维持沉积的陶瓷粉末层的物理完整性。然后通过两个阶段将泡沫加热至高温。被称为粘合剂去除阶段的第一阶段在于通过缓慢和受控度升高温度来降解悬浮液中可能存在的聚合物和任何其它有机化合物，直到挥发性有机化合物被彻底去除(通常为500-900°C)。被称为烧结的第二阶段包括使用高温热处理强化残余的无机结构。这种制造方法因此可以获得作为初始聚合物泡沫的替代品的无机泡沫，除了由于烧结造成的收缩。可通过该方法实现的最终孔隙度为对于范围为从O. 2mm至5_的孔隙大小能够覆盖从30%至95%的范围。最终孔隙大小(或开口宏观孔隙)取决于初始有机“模板”(聚合物泡沫，通常为聚氨酯泡沫)的宏观结构。所述宏观结构通常从60ppi至5ppi变化(PPi代表每英寸的孔隙，孔隙的尺寸为从50 μ m到5mm)。泡沫也可为具有允许组织结构在操作条件(温度、压力、气体组分等)下具有化学稳定性的化学成分的金属性质。在应用于天然气的蒸汽重整的情况下，金属多孔组织结构将包括基于表面氧化的NiFeCrAl的化学成分，该表面氧化可以形成保护金属合金免于任何腐蚀现象的微米尺度的氧化铝层。多孔组织结构(陶瓷和/或覆盖有陶瓷的金属)在很多方面是用于催化剂的良好支承物-它们具有最大的表面积/体积(m2/m3)比，以便增加用于交换反应的几何面积并因此间接提高了催化效率，-它们使沿催化床(在催化反应器的进口与出口之间)的压降最小，-它们具有轴向和/或径向效率改善的热传递。轴向是指沿催化反应器的轴线，径向是指从催化反应器的内壁或外壁朝催化床的中心，-它们改善了催化床所承受的热机械应力和/或热机械应力，-它们与通过常规结构(球体、球丸、圆柱体、筒体等)造成的随机填充相比提高了管的填充密度，-填充的控制可以确保从一个管到另一个管的填充均匀性。选择适合于给定反应的结构常常是使这些不同因素最优化与使催化剂的相关组织结构/微观结构最优化之间的折衷结果。此外，在由若干个平行的管组成的反应器的情况下，一系列其它问题在于管的填充均匀性。具体地，该工艺的优化操作要求各个管具有类似的形式，特别是在压降和使热点最小化方面。这包括管的填充的严格的品质控制。固定床催化反应器的整体结构是多级“现象”-材料(催化剂)本身的微观结构，即其化学成分、微观孔隙和/或中孔隙；活性相 的大小、分散和金属表面；沉积物的厚度等，-催化剂的组织结构，也就是催化剂的几何形式(颗粒、筒状、蜂窝状整料、泡沫型多孔结构、球体、珠体、棒状等)，-反应器内的床结构(催化材料堆叠)，也就是催化反应器内受控的组织结构/微观结构的催化材料的布局。例如，作为催化床结构，可以设想包括或不包括不同功能的非催化元素的连续堆叠。催化反应器的整体式结构的缺点之一在于这些结构和容纳它们的管(反应室)之间的膨胀差；这种膨胀差容易引起某些组织结构(整体等)和管内壁之间不充分接触。这种物理不连续引起-气体优先沿壁流动(旁路效应)，-管和有关的催化床的区域之间缺乏传导性热传递。催化反应器的结构指的是具有陶瓷性质和/或覆盖有陶瓷的金属性质并具有受控微观结构的各种不同的组织结构(泡沫、筒体、球体等)的连续堆叠。催化反应器的整体结构指的是由陶瓷和/或覆盖有陶瓷的金属制成并具有受控微观结构的多孔组织结构(泡沫)的连续叠层。
技术实现思路
本专利技术的一种方案是催化反应器，该催化反应器包括至少两个多孔催化组织结构，以及至少一个结构元件，其被插入所述两个多孔催化组织结构之间，并且其整个外周与反应器内壁相接触；多孔组织结构和结构元件共轴地布置。根据情况而定，根据本专利技术的反应器可具有以下特征中的一个或多个-多孔催化组织结构是催化陶瓷泡沫；-多孔催化组织结构是覆盖有氧化物保护层的金属泡沫，催化剂沉积在所述氧化物保护层上；-催化反应器包括形式为环、半环、盘或穿孔格栅的一个结构元件，或形式为环、盘或穿孔格栅或呈现这些形式的组合的至少两个结构元件；-结构元件是具有至少一个开口、例如具有4个开口的盘，其中所述开口占盘的表面积的85%与95%之间；(图5)-结构元件具有金属性质；其优选地由富含镍以及铬的合金构成；-借助于与催化反应器的外壳相同的合金来加工金属结构元件。为了在数量级为800-950°C的温度发生反应，与蒸汽重整反应的情形中一样，催化反应器的外壳一般由包含镍和铬的合金构成；-结构元件具有陶瓷性质。多孔催化组织结构由从聚氨 酯(PU)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、纤维素和胶乳中选择的聚合材料制成的基质制成，但泡沫的理想选择受严格的要求限制。聚合材料必需不释放有毒混合物，例如避免使用PVC，因为其可导致氯化氢的释放。当具有陶瓷性质时，多孔催化组织结构通常包括从氧化铝(Al2O3)和/或掺杂氧化铝(La (按重量计算1%至20%) -A1203、Ce (按重量计算1%至20%) -Al2O3^ Zr (按重量计算1%至20 )-Α1203)、氧化镁(MgO)、尖晶石(MgAl2O4)、水滑石、CaO、硅钙氧化物、硅铝氧化物、氧化锌、堇青石、多铝红柱石、钛酸铝和锆石(ZrSiO4)中选取的无机颗粒；或从以下选择的陶瓷颗粒铺土(Ce02)、氧化错(Zr02)、稳定铺土 (铺土中的Gd2O3介于3mol%与10mol%之间)和稳定氧化锆(氧化锆中的Y2O3介于3与10mol%之间)，以及配方(I)的混合氧化物Ce(1_x)Zrx 0(2_s) (I)，其中0<χ<1且δ确保氧化物的电中性，或配方(II)的掺杂混合氧化物Ce(1_x_y)Zrx Dy 02_s (II)，其中D 选自镁(Mg)、钇(Y)、锶(Sr)、镧(La)、镨(Pr)、钐(Sm)、钆(Gd)、铒(Er)或镱(Yb);其中O < X < 1，0 < y < O. 5，且δ确保氧化物的电中性。附图说明现将借助于图I至图5更详细地描述本专利技术。每个图均示出了结构元件的一个示例。具体实施例方式图I示出-一个/ 一些陶瓷和/或金属多孔结构(a)，其具有受控的催化微观结构，以及-静态混合器(b)，其特别是金属的。在该反应器中，催化床完全由陶瓷泡沫构成，以便受益于催化活性浓度和沿整个管的最佳热传递。入口处的静态混合器可以防止在壁处的可能的优先流动。静态混合器与反应器内壁相接触。泡沫也可以具有金属性质。图2示出了 -陶瓷和/或金属多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.01 FR 09585531.一种催化反应器，包括至少两个多孔催化组织结构和插入所述两个多孔催化组织结构之间的至少一个结构元件，并且所述结构元件的整个外周与所述反应器的内壁相接触；所述多孔组织结构和所述结构元件共轴地布置。2.根据权利要求I所述的催化反应器，其特征在于，所述反应器包括布置在所述催化组织结构的上端的至少一个结构元件。3.根据权利要求I和2中任一项所述的催化反应器，其特征在于，所述多孔催化组织结构是催化陶瓷泡沫。4.根据权利要求I和2中任一项所述的催化反应器，其特征在于，所述多孔催化组织结构是覆盖有氧化物保护层的金属泡沫，催化剂沉积在所述氧化物保护层上。5.根据权利要求I至4中任一项所述的催化反应器，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·戴嘉罗，D·加里，A·屈尼，M·科尼拉克，
申请(专利权)人：乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司，
类型：发明
国别省市：