[0001] 本发明的实施例总体上涉及用于放热反应的催化反应器。更特别地，本发明涉及通过利用径向流动原理增加在反应器的催化剂床中的工艺流体流动速度来确保催化剂的冷却。

[0002] 甲醇反应器是甲醇合成工艺的最重要的部分。由于合成反应强烈放热，因此除热是重要的工艺。高均值热通量导致管道更少，从而导致成本降低。

[0003] 由于甲醇反应是放热的，反应器的主要任务是控制温度。在商业背景中已经被广泛使用的反应器技术分为两个类别：多催化剂床反应器和单床转化器。

[0004] 多催化剂床反应器通过如下操作来控制反应温度，将催化剂物质分离成多个部分，在所述部分之间放置冷却设备。床尺寸通常设计成允许反应进行到平衡。

[0005] Haldor Topsoe收集、混合、分布转换器是这样的多催化剂床反应器。该反应器具有由支撑梁分离的催化剂床。离开上游催化剂的气体接着被收集并与用于冷却的骤冷气混合。混合气体流均匀地扩散遍布下游催化剂床。反应温度降低，且单位通过速率的转化增加。

[0006] 另一类型的多催化剂床反应器为串联的绝热反应器。每个催化剂层被接纳在分离的反应器容器中，每个反应器之间设置有中间冷却器。原料气直接供给到第一反应器，所述第一反应器增加用于该反应的运动驱动力。与骤冷类型的反应器相比，这导致催化剂体积减小。

[0007] 另一类型的多催化剂床反应器为具有中间冷却的多级径向流动反应器。非直接冷却保持温度接近最大反应速率曲线（当针对温度来绘制甲醇浓度时）的路径。由此实现最大或接近最大的单位通过的转化。

[0008] 无论多床是由反应器中的结构和冷却设备分离、还是由分离的反应器分离，构造上述反应器都是昂贵的。作为替代，可选择单床反应器，其中通过到除热介质的热传递来从所述反应器连续除热。所述反应器作为热交换器有效地运行。

[0009] 在一种设计中，单床反应器具有嵌入催化剂床中的螺旋形卷绕的管道。与管内具有催化剂的反应器相比，催化剂侧的传热显著更高。结果是，由于需要更少的冷却面积，节省了材料成本。

[0010] 单床反应器的一种替代性的设计与热交换器很相似：其具有竖直的壳体和设置有固定的管道板的管道热交换器。管道中的催化剂被放置在惰性材料床上。反应的热产生蒸汽，所述蒸汽从上管板的下方排出。为实现反应温度的精确控制，施加蒸汽压力控制。在等温条件下操作使得能够在低再循环下实现高产率。另外，副产品的量被最小化。

[0011] 此外，另一替代性的单床反应器具有双管道，在内部管道和外部管道之间填充催化剂。原料进入内部管道并当流动通过管道时被加热。气体接着进入在内部管道和外部管道之间的空间，并流动通过催化剂床。在被内部管道中的气体冷却之外，催化剂还被双管道外部的锅炉水冷却。由于催化剂床温度在反应器入口附近更高且接着朝向出口降低，所以气体沿最大反应速率线行进。这意味着实现更高的单位通过率转化。

[0012] 降低设备成本的单床反应器利用径向流动原理。当设计高容量甲醇转化器时，如果利用径向流动原理将有许多潜在的优势，特别是压力下降非常小。然而，如果流动仅仅限制于直接从中心到外部圆周（反之亦然），则流动速度非常低。因为这需要冷却管道分布得非常靠近，而管道分布得非常靠近会在机械上具有挑战性且昂贵，因此这是存在问题的。常规的径向转化器倾向于面临催化剂床中的热点的问题，所述问题在一定程度上可能会受更高的流动速度限制。

[0013] 公知的技术几乎不提供对此问题的解决方案，这可从下文的参考文献中看出，其中：EP0359952A2描述了在用于甲醇合成的常规反应器在原处改进的系统。催化剂物质被划分到多个相串联的床中，每个床具有底部和锥形的隔膜，所述隔膜与下一催化剂床的自由表面被间隔开以使得形成空间，骤冷气体供给到所述空间的外部周围，以在所述空间中实现与已经轴向地流动通过上催化剂床的部分反应的气体的最佳混合，在上催化剂床的下方和中央引入有管道，从而在内部划定下床和上床的催化物质的界限；且通过引入与管道同轴的两个柱形壁，具有最大压降的单个或多个下床被转化为具有大体上径向流动的床，所述柱形壁大体上穿孔并且分别与外壳内壁以及与管道外壁形成空隙。

[0014] WO9964145公开了用于构造填充床和整块反应器/转化器的方法，相对于常规的反应器/转化器，所述反应器/转化器能更弹性地耐受工艺扰动。这些稳定的反应器响应于意外的或计划的操作参数变化而产生瞬态热点的趋势降低，否则所述热点有可能损害安全且经济的反应操作。本发明涉及形成如下条件，在所述条件下由工艺扰动引起的瞬态热波在反应器的不同径向区域中以不同速度传播。结果是，所述热波积累相对于彼此的相移，且通过反应器间的径向热流动破坏性地干涉。这构成如下的适应机制：抑制放热反应器中的有害的高温波并影响放热反应器的增强的操作稳定性。稳定的反应器的应用领域包括化学和石油化学工业、以及车辆（车辆催化转化器）、环境（VOC焚化炉）和能量/热生成（催化燃烧器）应用。SR的优势为提高催化剂和其他反应器部件的安全性和使用寿命，以及在生产应用中改进生产能力、选择率和产品质量。

[0015] EP1261419描述了分级绝热反应器类型的反应器，其包括至少一个热交换器板，优选地包括印刷电路热交换器板，其夹设在催化剂的绝热床之间，其中所述板的面部区域以及相应催化剂的表面面部区域大体上是相似的，且所述板包括限定用于处理反应物和热传递介质的分离的通道的装置，其中限定用于热传递介质的通道的装置提供用于热传递介质通过热交换器板的至少两个不同的流动路径方向，从而减少温度偏移或温差的发生。

[0016] US2006171868公开了用于催化反应的伪等温径向化学反应器，所述反应器包括大体上柱形的外壳，所述外壳在相对的端由相应的基部板闭合，所述反应器还包括反应区域，在所述反应区域中支撑相应的催化剂床，且多个热交换器被放置在所述反应区域中。

[0017] 在下文中，管道应被解释为任何周向形状的围壁，特征仅为比截面距离更长。典型的管道为柱形的，但其也可具有非圆形的截面形状以及在管道长度上变化的截面形状。

[0018] 工艺流体被限定为在反应器中、进入或离开反应器以及正在反应器中经历反应的工艺流体（为任何相或相的混合、气体、蒸汽或液体）。然而更特别地，反应物被理解为即将反应或正在反应的工艺流体，产品是在反应器中已经反应的工艺流体。工艺流体是反应物以及工艺流体是产品的界限是浮动的，然而当工艺流体进入反应器时其被限定为是反应物，当工艺流体离开反应器时其被限定为是产品。

[0049] 转向图1， 看到催化反应器01的截面的切口，其中所述外部圆周为所述反应器外壳02。在所述外壳内包含催化剂床05。在此实施例中，中心工艺流体管道03经由反应物入口提供工艺流体到所述催化剂床，所述反应物入口是例如开口，例如所述中心工艺流体管道中的孔或槽（未示出）。外部工艺流体管道04提供产品出口（未示出）。在其他实施例中，工艺流体管道的数量可不同，且流动可沿相反的方向进行。

[0050] 为增加工艺流体在催化剂床中的流动路径以及控制流动区域，工艺流体流动导路06被设置在催化反应器内部。在示出的实施例中，工艺流体流动导路为V形，且被设置在每个外部工艺流体管道周围，由此防止所述工艺流体沿直接的最短线路从中心工艺流体管道流动到每个外部工艺流体管道。而是，工艺流体被迫使这样一路流动：从中心工艺流体管道朝向反应器外壳径向向外地流动，并接着在流动方向上返回的U形转向之后在反应器中径向向内地流动到每个外部工艺流体管道。

[0051] 因此，工艺流体的流动路径增加，因此流动速度也增加。从反应物入口到产品出口被工艺流体覆盖的区域比相同类型的常规催化反应器大得多。由于工艺流体用作反应器中的放热催化反应的冷却介质，冷却效果增加，冷却管道的需求必要性降低，或在本实施例中不需要冷却管道。

[0052] 参数可根据真实的工艺变化。外部工艺流体管道和中心工艺流体管道的数量可变化，工艺流体流动导路的数量可变化，外部工艺流体管道与中心的距离可变化，工艺流体流动导路的形状可变化，工艺流体流导路的外部边缘与反应器外壳的距离可变化和优化。