КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Российский патент 2013 года по МПК B01J19/24 B01J35/04 

Область техники

Описанный здесь метод относится в широком смысле к каталитическому реактору.

Уровень техники

Например, патентный документ 1 раскрывает каталитический реактор, подходящий в качестве реактора для проведения, в частности, реакции Фишера-Тропша (называемой далее FT-реакцией) в процессе "газ-в-жидкость" (GTL), в котором синтез осуществляется, чтобы создать жидкое топливо из сырьевого газа. FT-реакция является экзотермической реакцией, проводимой при высокой температуре, примерно 200°C, в присутствии катализатора. Чтобы повысить эффективность теплообмена и эффективность реакции, каталитический реактор имеет структуру, сходную со структурой так называемого "пластинчато-ребристого теплообменника", в котором по очереди установлены трубчатые пластины и гофрированные ребра. В частности, в каталитическом реакторе каталитическая структура вводится в каждый из мелких путей для потока, задаваемых гофрированными ребрами. Каталитическая структура имеет трехслойную структуру, в которой три пластины каждая имеет сечение в форме волны, и помещены друг над другом с плоской пластиной, расположенной между соседними пластинами.

Список цитирования

Патентный документ

Патентный документ 1: Международная публикация №2006/079848

Суть изобретения

Техническая проблема

Каталитический реактор имеет относительно высокое давление внутри, и из-за этого высокого внутреннего давления на трубчатую пластину оказывается усилие в направлении, в котором противоположные трубчатые пластины отстоят друг от друга. Чтобы выдержать такое внутреннее давление, необходимо увеличить толщину трубчатых пластин или увеличить толщину гофрированных ребер, действующих как упрочняющий элемент между соседними трубчатыми пластинами. Это приводит к увеличению размера и веса каталитического реактора.

Поэтому авторы настоящего изобретения сфокусировали свое внимание на удлинении по вертикали формы сечения мелких каналов для потока в каталитическом реакторе. Так как расстояние между стенками гофрированного ребра уменьшается при вертикальном удлинении формы сечения, площадь трубчатой пластины, на которую действует внутреннее давление, уменьшается (т.е. снижается расстояние между стенками гофрированного ребра). Таким образом, уменьшается, например, деформация изгиба трубчатой пластины, и поэтому трубчатая пластина выдерживает высокое внутреннее давление. Следовательно, вертикальное удлинение формы сечения мелких каналов для потока в каталитическом реакторе позволяет уменьшить толщину трубчатой пластины и гофрированного ребра, тем самым получается легкий каталитический реактор небольшого размера.

Однако авторы настоящего изобретения обнаружили, что если форма сечения мелких каналов для потока вытянута по вертикали, и многослойная каталитическая структура, которая раскрыта в патентном документе 1, введена в мелкие каналы для потока, возникает новая проблема, что падает эффективность теплообмена. Причина, почему возникла эта проблема, следующая. Так, если форма сечения канала для потока вытянута по вертикали, расстояние от середины сечения канала для потока до первой поверхности теплообмена (т.е. трубчатой пластины) становится относительно большим. Это означает трудность теплопереноса в мелких каналах для потока, и вытянутая по вертикали форма сечения мелких каналов для потока является невыгодной для эффективного теплообмена. С другой стороны, имеется вероятность, что многослойная каталитическая структура, описанная в патентном документе 1, блокирует перемещение текучей среды, в частности, в направлении, перпендикулярном направлению потока в пути для потока. То есть, поскольку каждая пластина имеет волнообразное сечение и в каталитической структуре плоские пластины установлены друг над другом, образуется много замкнутых объемов, расположенных параллельно, если смотреть по сечению каталитической структуры. Каталитическая структура выгодна для увеличения поверхности катализатора. Однако, так как каждый из замкнутых объемов не открывается в трубчатую пластину или гофрированное ребро, движение текучей среды, текущей в каждом из этих замкнутых объемах, ограничено в направлении, перпендикулярном направлению потока. В результате сочетания двух факторов - увеличения расстояния до первой поверхности теплообмена и блокирования перемещения текучей среды в направлении, перпендикулярном направлению потока, - тепло концентрируется вокруг центра каждого пути для потока, и эффективность теплообмена каталитического реактора снижается. Это приводит к ухудшению эффективности реакции.

Решение проблемы

Описываемый здесь метод позволяет создать маленький и легкий каталитический реактор, у которого повышена эффективность теплообмена и предотвращено падение эффективности реакции.

Авторы настоящего изобретения комбинируют канал, имеющий квадратное или вытянутое по вертикали сечение, и волнообразный носитель катализатора, имеющий единую структуру, тем самым достигая одновременно снижения размера и веса каталитического реактора и предотвращения падения эффективности реакции.

Более точно, описываемый здесь каталитический реактор включает пару плоских пластин, установленных параллельно на заданном расстоянии, образуя путь, по которому течет текучая среда; канальный элемент, соединенный с плоскими пластинами в пути, делящий путь на множество расположенных параллельно каналов; и носитель катализатора, введенный в каждый канал и проходящий вдоль каждого канала. Одна их противоположных поверхностей по меньшей мере одной из пары плоских пластин, которая находится на противоположной стороне от другой поверхности, определяющей путь, служит первой поверхностью теплообмена при контакте теплоносителя, имеющего температурную зону, отличную от температурной зоны в пути, и обменивается теплом с теплоносителем. Канальный элемент, соединенный с плоскими пластинами, служит второй поверхностью теплообмена.

Кроме того, каждый из каналов имеет сечение, для которого коэффициент (W/H), т.е. отношение ширины W к высоте H, соответствующей направлению укладки плоских пластин, меньше или равен 1. Носитель катализатора содержит волнообразную подложку, имеющую единую структуру, и катализатор, находящийся на поверхности подложки.

"Первая поверхность теплообмена" означает поверхность теплообмена, т.е. плоскую пластину, вставленную между путем, по которому течет текучая среда, и теплоносителем для прямого обмена теплом между путем и теплоносителем. "Вторая поверхность теплообмена" означает поверхность теплообмена, т.е. канальный элемент, который соединен с плоской пластиной для передачи тепла (например, посредством теплопроводности) на плоскую пластину, и поэтому косвенно участвует в теплообмене между путем, в котором течет текучая среда, и теплоносителем. Кроме того, термин "канал", как он используется здесь, означает пути для потока, на которые разделен путь канальным элементом и в каждом из которых течет текучая среда.

Поскольку канал, образованный в пути, выполнен так, чтобы коэффициент (ширина W/высота H) был меньше или равен 1, канал имеет квадратную или вытянутую по вертикали форму, а не вытянутую по горизонтали форму. Направление, указываемое термином "вертикальное", соответствует направлению размещения плоских пластин, а направление, указываемое термином "горизонтальное", соответствует направлению размещения каналов, перпендикулярных направлению, указываемому термином "вертикальное". Квадратный или вытянутый по вертикали канал позволяет иметь относительно малый шаг канального элемента, тем самым уменьшая расстояние (эквивалентное шагу канального элемента) до плоской пластины, на которую действует внутреннее давление. Таким образом, если даже уменьшить толщину плоской пластины, она может выдержать высокое внутреннее давление в пути, и можно уменьшить толщину канального элемента. Это выгодно для уменьшения размера и веса каталитического реактора.

С другой стороны, волнообразная подложка носителя катализатора, введенного в каждый из каналов, имеет единую структуру. Термин "единая структура", как он используется здесь, означает не структуру, в которой, например, ярусами установлено множество элементов, имеющих разную форму, но структуру, содержащую единственный элемент. Например, элемент с единичной пластиной, содержащей множество слоев, сделанных из разных материалов, может рассматриваться как единая структура. Когда волнообразная подложка единой структуры введена в канал, такая подложка размещается так, чтобы проходить поперек всего сечения канала, и образуется множество объемов, открывающихся в плоскую пластину (т.е. первую поверхность теплообмена) или канальный элемент (т.е. вторую поверхность теплообмена). Таким образом, волнообразный носитель катализатора, имеющий единую структуру, не блокирует движение текучей среды в канале, в частности, движение текучей среды в направлении, перпендикулярном направлению течения. В результате, хотя квадратный или вытянутый по вертикали канал позволяет относительное увеличение расстояния от середины канала до первой поверхности теплообмена, теплоперенос не блокируется благодаря ровному движению текучей среды в направлении, перпендикулярном направлению течения в канале, тем самым предотвращается ухудшение эффективности теплообмена или улучшается эффективность теплообмена. Кроме того, волнообразный носитель катализатора позволяет увеличить поверхность катализатора и поэтому выгоден для повышения эффективности каталитической реакции в канале.

Таким образом, можно достичь снижения размера и веса каталитического реактора и предотвратить ухудшение эффективности реакции в каталитическом реакторе.

Ширина W канала может составлять 3-7 мм. Так как очень большая ширина W канала приводит к большему шагу в канальном элементе, трудно уменьшить толщину плоской пластины и канального элемента. Поэтому верхний предел ширины W предпочтительно равен 7 мм. Верхний предел ширины W может составлять 5 мм. С другой стороны, если ширина W канала очень мала, будет трудно ввести носитель катализатора в канал, и это может привести к недостаткам в изготовлении каталитического реактора. С этой точки зрения нижний предел ширины W предпочтительно составляет 3 мм.

Высота H канала может составлять 7-20 мм. Если высота H канала очень велика, увеличивается длина канального элемента, расположенного между парой плоских пластин и действующего как упрочняющий элемент, и поэтому необходимо увеличить толщину канального элемента, чтобы обеспечить его жесткость. С этой точки зрения верхний предел высоты H предпочтительно составляет 20 мм. Верхний предел высоты H может составлять 10 мм. С другой стороны, если высота H канала очень мала, будет трудно ввести носитель катализатора в канал, и это невыгодно для изготовления каталитического реактора. Поэтому нижний предел высоты H предпочтительно равен 7 мм.

Множество плоских пластин может быть размещено параллельно через заданные интервалы, и каждая из плоских пластин может быть разделена между соседними путями таким образом, чтобы пути располагались ярусами. Множество путей может включать первый путь, в котором течет первая текучая среда, и второй путь, в котором течет вторая текучая среда, и первый и второй пути могут располагаться по очереди ярусами. Канальный элемент может делить каждый из первого и второго пути на каналы. Носитель катализатора может быть введен в любой из каналов в по меньшей мере одном из первого или второго пути, и по меньшей мере один из первого или второго пути может служить путем каталитической реакции. Каждый из каналов пути каталитической реакции может иметь сечение, для которого коэффициент (W/H) меньше или равен 1.

Подложка носителя катализатора может иметь волнообразную форму, простирающуюся взад и вперед между парой канальных элементов, противоположных друг другу в направлении ширины канала. Волнообразная форма может иметь, например, форму треугольной волны, синусоидальной волны или прямоугольной волны.

Объемы, открывающиеся в канальный элемент, образованы волнообразной подложкой, простирающейся взад и вперед между парой канальных элементов, перекрывая друг друга в направлении расположения плоских пластин в канале. Другими словами, открытые сбоку объемы, перекрывающие друг друга в вертикальном направлении, образованы таким образом, чтобы сторона, в которую открывается объем, менялась по очереди. Так как каждый канал имеет квадратную или вытянутую по вертикали форму, как описано выше, длина канала в горизонтальном направлении относительно мала. Таким образом, длина каждого из замкнутых объемов, образованных канальным элементом в горизонтальном направлении, относительно мала. Это позволяет текучей среде спокойно течь к канальному элементу, ускоряя тем самым теплоперенос.

Подложка носителя катализатора может контактировать с по меньшей мере одним из плоской пластины или канального элемента. Таким образом можно улучшить эффективность теплообмена в каталитическом реакторе благодаря теплопереносу между носителем катализатора и плоской пластиной или между носителем катализатора и канальным элементом.

Кроме того, так как подложка носителя катализатора контактирует с плоской пластиной и канальным элементом, подложка может оставаться неподвижной в канале. В этом отношении подложка носителя катализатора предпочтительно контактирует с одной парой противоположных поверхностей стенок из четырех поверхностей стенок, ограничивающих канал.

Канальный элемент может быть гофрированной пластиной. В частности, в конфигурации, когда первый и второй пути располагаются ярусами, допускается конфигурация, похожая на конфигурацию пластинчато-ребристого теплообменника, включающего гофрированное ребро. Таким образом, снижается стоимость изготовления каталитического реактора.

Преимущества изобретения

Как описано выше, в каталитическом реакторе, поскольку канал имеет квадратное или вытянутое по вертикали сечение, можно уменьшить толщину плоской пластины и канального элемента, и поэтому можно достичь снижения размера и веса каталитического реактора. Кроме того, так как подложка носителя катализатора, введенного в канал, имеет волнообразную форму с единой структурой, движение текучей среды в канале не блокируется, и поэтому может быть улучшена эффективность теплообмена и эффективность реакции в каталитическом реакторе.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является поперечным разрезом, показывающим сечение каталитического реактора.

Фиг.2А является поперечным разрезом, показывающим один вариант носителя катализатора.

Фиг.2В является поперечным разрезом, показывающим другой вариант носителя катализатора.

Фиг.3 является поперечным разрезом, показывающим еще один вариант носителя катализатора.

Описание вариантов осуществления

Ниже с обращением к чертежам описывается один вариант осуществления каталитического реактора. Отметим, что следующий вариант осуществления излагается, естественно, просто в качестве предпочтительных примеров. Фиг.1 представляет собой поперечный разрез одного примера каталитического реактора 1. Каталитический реактор 1 является реактором, используемым для процесса GTL, в котором проводится синтез для получения жидкого топлива из сырьевого газа (например, из попутного газа). Ниже кратко описывается процесс GTL. Процесс GTL включает стадии образования синтез-газа из сырьевого газа в реакторе парового риформинга, и превращение образованного синтез-газа в высший углеводород, в нормальных условиях являющийся жидкостью, и воду в реакторе Фишера-Тропша (FT-реактор). Каталитический реактор 1 может использоваться и как реактор парового риформинга, и как FT-реактор.

Каталитический реактор 1 содержит множество трубчатых пластин 2 и множество гофрированных ребер 3 и имеет структуру, сходную со структурой так называемого "пластинчато-ребристого теплообменника". В частности, трубчатая пластина 2 имеет форму плоской пластины, и множество трубчатых пластин 2 располагается параллельно через заданные интервалы. Отметим, что на фиг.1 показаны всего три трубчатые пластины 2, но можно установить параллельно более трех трубчатых пластин 2. Число трубчатых пластин 2 может устанавливаться по требованию. Так как все трубчатые пластины 2 установлены параллельно, первый путь 4, в котором течет первая текучая среда, и второй путь 5, в котором течет вторая текучая среда, расположены ярусами, и между ними находится трубчатая пластина 2. Трубчатая пластина 2 действует как первая поверхность теплообмена, через которую тепло передается между первым путем 4 и вторым путем 5.

Гофрированное ребро 3 выполнено как так называемое "простое гофрированное ребро", имеющее волнообразное сечение, в котором несколько идущих линейно выступов расположены параллельно через равные интервалы. Отметим, что помимо простого гофрированного ребра может применяться перфорированное гофрированное ребро, в котором по заданному шаблону образованы сквозные отверстия. Гофрированное ребро 3 расположено между соседними трубчатыми пластинами 2 таким образом, чтобы контактировать с соседними трубчатыми пластинами 2. Гофрированное ребро 3 соединено с соседними трубчатыми пластинами 2, например, пайкой. Таким образом, внутреннее пространство каждого из первого пути 4 и второго пути 5 разделено гофрированным ребром 3 на множество каналов 31, идущих параллельно, и гофрированное ребро 3 действует как вторая поверхность теплообмена. В примере, показанном на фигуре, гофрированное ребро 3 введено в первый путь 4, так что текучая среда течет в направлении, перпендикулярном плоскости бумаги, и, с другой стороны, гофрированное ребро 3 введено во второй путь 5, так что текучая среда течет в направлении справа налево в плоскости бумаги. Каталитический реактор 1, показанный на фигуре, выполнен как так называемый "каталитический реактор с поперечным потоком." Конструкция каталитического реактора 1 не ограничена вышесказанным, и каталитический реактор 1 может быть выполнен, например, как каталитический реактор с противотоком, в котором в каждом из первого и второго путей 4 и 5 установлено гофрированное ребро 3, так что текучая среда течет в направлении справа налево в плоскости бумаги.

Отметим, что врезка, которая на фигуре не показана, находится между соседними трубчатыми пластинами 2 в кольцевой краевой части каталитического реактора 1. Кроме того, в каталитическом реакторе 1 предусмотрено введение элементов соответственно для ввода первой и второй текучей среды в первый путь 4 и второй путь 5, и предусмотрены выпускные участки для отвода соответственно первой и второй текучей среды из первого пути 4 и второго пути 5.

Носитель 7 катализатора, проходящий по каналу 31, введен в каждый из каналов 31 в первом пути 4 каталитического реактора 1, таким образом, первый путь 4 служит путем каталитической реакции каталитического реактора 1. Носитель катализатора 7 содержит подложку 71 и катализатор, нанесенный на поверхность подложки 71. Отметим, что катализатор не показан, например, на фиг.1. В настоящем примере подложка 71 образована так, чтобы иметь сечение в форме треугольной волны, в котором по очереди расположены треугольные впадины и треугольные гребни. Хотя это не показано детально, подложка 71 является так называемой "простой подложкой", в которой каждая впадина и ребро проходят линейно вдоль канала 31. Как описано выше, хотя подложка 71 имеет единую структуру, содержащую единственный элемент, волнообразное сечение подложки 71 позволяет подложке 71 проходить по существу однородно по всей площади сечения канала 31, обеспечивая тем самым достаточную поверхность катализатора. Подложка 71 носителя катализатора 7 может иметь сечение, близкое по форме к синусоидальной волне, в которой чередуются дугообразные гребни и дугообразные впадины, как показано, например, на фиг.2A. Альтернативно, подложка 71 носителя катализатора 7 может иметь форму сечения, близкую к прямоугольной волне, в которой чередуются прямоугольные гребни и прямоугольные впадины, как показано, например, на фиг.2B. Хотя на фигуре это не показано, наряду с простой подложкой 71 может использоваться перфорированная подложка, в которой по заданному образцу образованы сквозные отверстия. Альтернативно, подложка может иметь структуру типа елочки, в которой каждый гребень и впадина проходят с изгибом вдоль канала 31, или может быть зубчатой подложкой, в которой через заданные интервалы расположены щели, отделяющие гребни и впадины, и положения отделенных гребней и отделенных впадин смещены относительно друг друга.

Волнообразная подложка 71, проходящая взад и вперед между поверхностями стенок гофрированного ребра 3, вводится в канал 31, тем самым разделяя канал 31 на множество объемов. Каждый из объемов представляет собой объем, открывающийся в поверхность стенки гофрированного ребра 3 (т.е. второй поверхности теплообмена) в поперечном направлении. Кроме того, как показано на фиг.1, подложка 71 носителя катализатора 7 контактирует с гофрированным ребром 3. Отметим, что хотя на этой фигуре подложка 71 не контактирует с трубчатыми пластинами 2, подложка 71 может контактировать с трубчатыми пластинами 2. Как будет описано позднее, подложка 71 предпочтительно контактирует с по меньшей мере одним из гофрированного ребра 3 или трубчатой пластины 2 в целях теплопереноса. Отметим, что контакт подложки 71 с гофрированным ребром 3 и/или трубчатой пластиной 2 выгоден тем, что подложку 71 можно устойчиво установить в канале 31. В такой устойчивой компоновке подложка 71 предпочтительно контактирует с каждой парой поверхностей стенок гофрированного ребра 3, которые обращены к боковому направлению и находятся друг напротив друга.

Хотя это не показано на фигуре, в случае, когда каталитический реактор 1 используется как реактор парового риформинга, носитель катализатора вводится также в каждый канал 31 второго пути 5. Конфигурация такого носителя катализатора может быть такой же, как у носителя катализатора 7 в первом пути 4.

В случае, когда каталитический реактор 1 используется как реактор парового риформинга, сырьевой газ, состоящий в основном из метана и пара, вводится как первая текучая среда в первый путь 4, являющийся путем каталитической реакции, а топливо, как метан или водород, вводится как вторая текучая среда во второй путь, который также является путем каталитической реакции. Подложка носителя катализатора может быть выполнена из материала, на котором в результате нагрева образуется адгезивный поверхностный слой оксида алюминия, например из содержащей алюминий ферритной стали или из железа, содержащего хром, алюминий и иттрий. Предпочтительным катализатором в первом пути является родиевый катализатор или платиново-родиевый катализатор, а предпочтительным катализатором во втором пути является палладиевый катализатор. Так как реакция парового риформинга проводится при температуре выше 750°C, каталитический реактор 1 может быть сделан, например, из такого материала как сплав железо/никель/хром для высоких температур или из материала, близкого к такому сплаву.

С другой стороны, в случае, когда каталитический реактор 1 используется как FT-реактор, смесь газов, используемая для синтеза Фишера-Тропша, вводится как первая текучая среда в первый путь 4, являющийся путем каталитической реакции, а охлаждающая текучая среда вводится как вторая текучая среда во второй путь 5. Подложка 71 носителя катализатора 7 может быть выполнена из легированной стали, на поверхности которой в результате нагрева образуется адгезивный слой оксида алюминия, например, из содержащей алюминий ферритной стали. Кроме того, предпочтительный катализатор включает покрытие из оксида γ-алюминия. Такое покрытие содержит кобальт, ускоритель, как рутений, платина или гадолиний, и основной катализатор, как оксид лантана. Поскольку FT-реакция проводится при примерно 200°C, каталитический реактор 1 может быть сделан, например, из алюминиевого сплава, нержавеющей стали, сплава с высоким содержанием никеля или из другой легированной стали.

Как один из отличительных признаков каталитического реактора 1, коэффициент (W/H), т.е. отношение ширины W к высоте H канала 31, устанавливается меньше или равным 1. Высота H является высотой канала 31 в направлении укладки трубчатых пластин 2 и, как показано на фиг.1, соответствует расстоянию между трубчатыми пластинами 2. Кроме того, как показывает фиг.1, ширина W соответствует расстоянию между парой противоположных поверхностей стенок гофрированного ребра 3. Таким образом, каждый канал 31 первого и второго путей 4 и 5 имеет квадратное сечение, в котором высота H и ширина W равны друг другу, или имеет вытянутое по вертикали сечение, в котором высота H больше, чем ширина W.

Ширина W может составлять, например, 3-7 мм, более предпочтительно 3-5 мм. Как будет описано позднее, поскольку относительно малая ширина W позволяет уменьшить толщину трубчатой пластины 2 и гофрированного ребра 3, верхний предел ширины W может устанавливаться с учетом этого. Кроме того, поскольку носитель катализатора 7 вводится в канал 31, будет сложно ввести носитель катализатора 7 в канал 31, имеющий очень малую ширину W. Следовательно, нижний предел ширины W может устанавливаться с учетом производительности.

Высота H может составлять, например, 7-20 мм, более предпочтительно 7-10 мм. Высота H соответствует расстоянию между трубчатыми пластинами 2 и соответствует высоте выступов гофрированного ребра 3. Так как гофрированное ребро 3 действует как упрочняющий элемент между трубчатыми пластинами 2, верхний предел высоты H может устанавливаться с учетом прочности гофрированного ребра 3. Кроме того, как указано выше, нижний предел высоты H может устанавливаться с учетом производительности.

Коэффициент W/H может быть равен 1, предполагая, что высота H канала 31 равна 7 мм, и что ширина W канала 31 равна 7 мм. Альтернативно, коэффициент может быть равен W/H=1/2, полагая высоту H равной 10 мм и ширину W равной 5 мм. Разумеется, можно установить коэффициент, равный величине, отличной от приводимых выше. При условии что диапазон высоты H и диапазон ширины W такие, как описано выше, возможный коэффициент может варьироваться в пределах от 1 до 3/20.

Как описано выше, канал 31 каталитического реактора 1, имеющий вышеописанную конфигурацию, имеет квадратное или вытянутое по вертикали сечение, но не вытянутое по горизонтали сечение. Это позволяет иметь относительно узкий период гофрированного ребра 3, тем самым уменьшая площадь трубчатой пластины 2, воспринимающей внутреннее давление первого пути 4 или второго пути 5 (т.е. снижая расстояние между поверхностями стенок гофрированного ребра 3). Таким образом, даже если толщина трубчатой пластины 2 уменьшается, снижается деформация изгиба трубчатой пластины 2, и поэтому трубчатая пластина 2 выдерживает внутреннее давление. Поэтому можно уменьшить толщину гофрированного ребра 3. Это выгодно для уменьшения размера и веса каталитического реактора 1.

Вытянутое по вертикали сечение канала 31 означает, что расстояние от среднего положения вытянутого по вертикали сечения до трубчатой пластины 2, являющейся первой поверхностью теплообмена, больше, чем в случае, когда канал 31 имеет вытянутое по горизонтали сечение. Это приводит к ухудшению эффективности теплообмена, тем самым ухудшая эффективность реакции каталитического реактора 1. В частности, в случае когда носитель катализатора, установленный в канале 31, имеет многослойную структуру, содержащую много замкнутых объемов, как описано, например, в международной публикации № 2006/079848, поток текучей среды, в частности, в направлении, перпендикулярном направлению течения в канале 31, блокируется, тем самым еще больше ухудшая эффективность теплообмена.

С другой стороны, в каталитическом реакторе 1 носитель катализатора 7 (т.е. подложка 71) имеет единую структуру с волнообразным сечением. Таким образом, хотя можно обеспечить площадь поверхности катализатора, не образуется замкнутых объемов, и поэтому течение текучей среды в канале 31 не блокируется. В результате, даже если сечение канала 31 имеет вытянутую по вертикали форму, которая невыгодна для эффективности теплообмена, можно предотвратить ухудшение эффективности теплообмена или можно улучшить эффективность теплообмена, чтобы предотвратить снижение эффективности реакции. В частности, поскольку подложка 71 носителя катализатора 7 имеет волнообразную форму, простираясь взад и вперед в поперечном направлении, образуется много объемов, открывающихся в поперечном направлении. С другой стороны, так как сечение канала 31 имеет вытянутую по вертикали форму, как описано выше, длина открытого объема в поперечном направлении относительно мала. Это ускоряет движение текучей среды ко второй поверхности теплообмена в поперечном направлении и поэтому выгодно для усиления эффективности теплообмена.

Так как подложка 71 носителя катализатора 7 контактирует с гофрированным ребром 3, происходит перенос тепла между носителем катализатора 7 и гофрированным ребром 3, улучшая в результате эффективность теплообмена в каталитическом реакторе 1. Отметим, что если носитель катализатора 7 и трубчатая пластина 2 контактируют друг с другом, происходит перенос тепла между носителем катализатора 7 и трубчатой пластиной 2, и поэтому носитель катализатора 7 предпочтительно контактирует с по меньшей мере одним из гофрированного ребра 3 или трубчатой пластины 2. Для повышения эффективности теплопереноса между носителем катализатора 7 и гофрированным ребром 3 или между носителем катализатора 7 и трубчатой пластиной 2 носитель катализатора 7 может быть соединен с гофрированным ребром 3 или трубчатой пластиной 2 (например, припаян). С другой стороны, если носитель катализатора 7 не соединен с гофрированным ребром 3 или трубчатой пластиной 2, имеется преимущество в том, что носитель катализатора 7 можно легко заменять.

Подложка 71 носителя катализатора 7 контактирует с гофрированным ребром 3, т.е. контактирует с парой обращенных вбок поверхностей стенок гофрированного ребра 3, делящих канал 31, как показано, в частности, на фиг.1. Таким образом, подложка 71 может прочно удерживаться в канале 31. Хотя это не показано на фигуре, волнообразная подложка 71 способна упруго деформироваться в направлении, в котором волнообразная форма становится более плоской (в примере, показанном на фиг.1, подложка 71 может упруго деформироваться в вертикальном направлении), и в канал 31 можно ввести упруго сжатую подложку 71. Подложка 71 контактирует с верхней или нижней поверхностью трубчатой пластины 2 и верхней или нижней поверхностью гофрированного ребра 3 посредством упругой восстанавливающей силы и давит вверх и вниз на такие поверхности. Таким образом, можно еще больше повысить стабильность структуры подложки 71.

Отметим, что в каталитическом реакторе 1 носитель катализатора 7 (т.е. подложка 71) имеет волнообразную форму, простираясь туда и обратно в поперечном направлении, но подложка 72 может идти взад-вперед в вертикальном направлении, как показано, например, на фиг.3. В таком случае, так как образуются объемы, каждый из которых открывается вверх или вниз трубчатой пластины 2 или открывается вверх или вниз гофрированного ребра 3, течение текучей среды не блокируется. Хотя на фигуре это не показано, подложка 72, помимо формы треугольной волны, показанной на фиг.3, может также иметь волнообразную форму, похожую на синусоидальную волну, или волнообразную форму, похожую на прямоугольную волну. Подложка 72 контактирует с трубчатой пластиной 2 и гофрированным ребром 3 (т.е. верхней или нижней поверхностью стенок гофрированного ребра 3). Кроме того, подложка 72 может контактировать с боковыми поверхностями стенок гофрированного ребра 3. Далее, подложка 72 способна упруго деформироваться в направлении, в котором ее волнообразная форма становится более плоской (в примере, показанном на фиг.3, подложка 72 может упруго деформироваться в поперечном направлении). Когда подложка 72 установлена в канале 31, подложка 72 может контактировать с любой из боковых поверхностей стенок гофрированного ребра 3, тем самым давя на такие поверхности стенок в поперечном направлении.

В каталитическом реакторе 1 гофрированное ребро 3 используется для разделения первого и второго путей 4 и 5 на множество каналов 31, но настоящее изобретение не ограничено такой конфигурацией. Хотя это и не показано на фигуре, в каждом из первого и второго путей 4 и 5 может быть размещено, например, несколько квадратных труб, образующих множество каналов.

В каталитическом реакторе 1 форма сечения каналов 31 одна и та же для первого пути 4 и для второго пути 5, но она может быть разной в первом пути 4 и во втором пути 5. Таким образом, например, форму сечения канала 31 можно индивидуально оптимизировать в зависимости от требуемых характеристик в каждом из первого пути 4 и второго пути 5.

В каталитическом реакторе 1 первый путь 4 и второй путь 5 расположены друг над другом. Хотя на фигуре это не показано, можно обойтись без второго пути 5, например, можно закрепить охлаждающее устройство или нагревательное устройство на одной из противоположных поверхностей трубчатой пластины 2, которая находится на противоположной стороне от другой поверхности, задающей путь каталитической реакции (т.е. первый путь 4). В таком случае, например, охлаждающее устройство или нагревательное устройство может быть установлено на одной из пары трубчатых пластин 2, задающих путь каталитической реакции, или может крепиться к обеим трубчатым пластинам 2. В каталитическом реакторе, имеющем вышеописанную конфигурацию, текучая среда на пути каталитической реакции охлаждается или нагревается охлаждающим устройством или нагревательным устройством, тем самым ускоряя каталитическую реакцию в пути каталитической реакции.

Промышленная применимость

Как описано выше, поскольку получен легкий каталитический реактор небольшого размера, в котором предотвращено ухудшение эффективности реакции, описанный здесь каталитический реактор подходит в качестве реактора парового риформинга и FT-реактора, особенно для процесса GTL.

Описание позиций для ссылок

1 каталитический реактор 2 трубчатая пластина (плоская пластина) 3 гофрированное ребро (канальный элемент, гофрированная пластина) 31 канал 4 первый путь 5 второй путь 7 носитель катализатора 71 подложка 72 подложка

Изобретение относится к каталитическому реактору, содержащему пару пластин, расположенных параллельно через заданные интервалы, задающих путь, по которому течет текучая среда, канальный элемент, соединенный с пластинами в пути и разделяющий путь на каналы, и носитель катализатора, введенный в каждый из каналов и простирающийся вдоль каждого канала. По меньшей мере одна из пары пластин служит первой поверхностью теплообмена при контакте с теплоносителем, имеющим температурный режим, отличный от температурного режима в пути, и обменивается теплом с теплоносителем. Каждый из каналов имеет сечение, для которого коэффициент (W/H), т.е. отношение ширины к высоте, равен или меньше 1, и носитель катализатора содержит волнообразную подложку, имеющую единую структуру, и катализатор, находящийся на поверхности подложки. Технический результат - повышение эффективности теплообмена и эффективности реакции. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Каталитический реактор, содержащий:
пару плоских пластин, расположенных параллельно на заданном расстоянии так, чтобы образовывать путь, по которому течет текучая среда;
канальный элемент, соединенный с плоскими пластинами, в указанном пути, для разделения пути на множество каналов, расположенных параллельно, и
носитель катализатора, введенный в каждый из каналов и проходящий по каждому из каналов,
причем одна из противоположных поверхностей по меньшей мере одной из пары плоских пластин, находящаяся на противоположной стороне от другой поверхности, определяющей путь, служит первой поверхностью теплообмена при контакте теплоносителя, имеющего температурную зону, отличную от температурной зоны в указанном пути, и обменивается теплом с теплоносителем, и
указанный канальный элемент, соединенный с плоскими пластинами, служит второй поверхностью теплообмена,
каждый из указанных каналов имеет сечение, у которого коэффициент (W/H), отношение ширины W к высоте Н, соответствующее направлению укладки плоских пластин, равно или меньше 1, и
указанный носитель катализатора содержит волнообразную подложку, имеющую единую структуру, и катализатор, сформированный на поверхности подложки.

2. Каталитический реактор по п.1, причем
множество плоских пластин расположено параллельно через заданные интервалы, и каждая из плоских пластин делится между соседними на множество путей таким образом, что пути располагаются ярусами,
множество путей включает первый путь, по которому течет первая текучая среда, и второй путь, по которому течет вторая текучая среда, и первый и второй пути поочередно расположены ярусами,
канальный элемент делит каждый из первого и второго путей на каналы,
носитель катализатора введен в каждый канал в по меньшей мере один из первого или второго пути, и по меньшей мере один из первого или второго пути служит путем каталитической реакции, и
каждый из каналов пути каталитической реакции имеет сечение, для которого коэффициент (W/H) равен или меньше 1.

3. Каталитический реактор по п.1 или 2, в котором подложка носителя катализатора имеет волнообразную форму, проходя взад-вперед между парой канальных элементов, противоположных в направлении ширины канала.

4. Каталитический реактор по п.1 или 2, в котором подложка носителя катализатора контактирует с по меньшей мере одним из плоской пластины или канальным элементом.

5. Каталитический реактор по п.1 или 2, в котором канальный элемент является гофрированной пластиной.