NO170837B - Fremgangsmaate ved heterogen katalyse - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for

å utføre katalytiske kjemiske prosesser under ikke-adiabatiske forhold, slik som angitt i krav l's ingress.

I en heterogent katalysert kjemisk prosess vil prosess-fluidum, i det etterfølgende betegnet som prosess-strøm eller strøm, bringes i kontakt med en katalysator i fast fase eller flytende katalysator på bærer som katalyserer en eller flere reaksjoner og er en del av prosessen. Katalysatoren er vanligvis plassert i et eller flere sjikt i et eller flere reaksjonskamre i en katalytisk reaktor. I det etterfølgende menes det med katalytiske prosesser, prosesser av denne type.

Det å utføre katalytiske prosesser ved ikke-adiabatiske betingelser medfører at når prosess-strømmen passerer gjennom et eller flere katalysatorsjikt, må varme overføres mellom prosess-strømmen og et medium før oppvarming eller avkjøling, vanligvis ved varmeoverføring ved konveksjon, gjennom en varmeledende vegg som skiller prosess-strømmen fra nevnte medium.

Med katalysator menes et i det etterfølgende enhver fast fase-katalysator eller en væskefase-katalysator avsatt på bærer, uansett om det er en eller flere monolittiske blokker eller i form av partikler. På samme måte menes med katalysatorsjikt et sjikt hvor enhver slik katalysator er plassert. Med katalysatorbærer-legeme menes et legeme som kan omdannes til en katalysator ved impregnering eller belegning, selv om et slikt legeme må gjennomgå spesiell behandling for å oppnå en aktiv katalytisk form ved kalsinering eller reduksjon. På samme måte må en katalysator som definert over gjennomgå en slik spesialbehandling etter å ha blitt plassert i reaksjonskammeret for å oppnå en aktiv form.

Med begrepet strøm menes substanser både i væskefase og gassfase.

Kjemiske reaksjoner kan klassifiseres enten som endoterme reaksjoner, som forbruker varme, eller eksoterme reaksjoner, som utvikler varme.

Som eksempel på endoterme katalytiske reaksjoner som er industrielt viktige og som utføres ved ikke-adiabatiske betingelser kan nevnes damp-reforming av hydrokarboner. Denne reaksjonstypen utføres vanligvis ved 400-950 °C. Reaksjonen blir ofte utført i rør som inneholder en katalysator som fremmer reaksjonen(e). Rørene kan plasseres i et radialovnskammer hvor forbrenning av brennstoff frembringer den nødvendige varme. Reaksjonen kan alternativt utføres i en varmeveksler-reformer, som angitt i europeisk patentsøknad nr. 195.688.

Eksoterme katalytiske reaksjoner blir ofte utført ved 200-600 °C. Som eksempel på eksoterme reaksjoner av industriell betydning som utføres under ikke-adiabatisk reaksjonsbetingelser kan nevnes partiell oksidasjon det vil si fremstilling av etylenoksid, formaldehyd eller ftalsyreanhydrid. Andre eksempler er metanisering av karbonoksider. Disse reaksjonene blir ofte utført i kjølte rørformede reaktorer.

Noen industrielt viktige katalytiske prosesser er reversible og eksoterme som for eksempel fremstillingen av ammoniakk eller metanol. Disse reaksjonene utføres ofte ved re-sirkulasjon av en del av prosessgassen gjennom katalysatorsjiktet, da omsetningen pr. gjennomløp ofte er relativt lav. Et antall ulike konsepter benyttes, hvorav noen er ikke-adiabatiske.

En kombinasjon av trykkfall i prosess-strømmen idet den passerer gjennom katalysatorsjiktet og varmeovergangs-koeffisienter mellom prosess-strømmen og de varme-transporterende veggene i katalysatorkammeret vil ofte representere den begrensende faktor for prosessbetingelsene når det gjelder gjennomstrømning og utbytte med en gitt mengde katalysator og også for reaksjonens økonomi. Et lavt trykkfall og en høy varmeovergangskoeffisient representerer de ønskede reaksjonsbetingelser. Et lavt trykkfall vil redusere den energien som er nødvendig i prosessanlegget uansett type av katalytisk prosess. En høy varmeover-gangskoef f isient er ønskelig for alle typer av ikke-adiabatiske katalytiske prosesser, noe som vil øke mengden av varme som overføres til prosess-strømmen og dermed reaksjonshastigheten og omsetningsgraden for en gitt mengde katalysator. For eksoterme katalytiske prosesser vil en stor varmeovergangskoeffisient redusere temperaturen i prosess-strømmen og dermed reaksjonshastigheten. Det er enklere å kontrollere temperaturen i katalysatormassen og temperatur-økninger som kan forårsake ødeleggelse av katalysatoren unngås. På samme måte vil det være enklere å unngå uønskede reaksjoner det vil si totalreduksjoner.

For reversible, eksoterme katalytiske reaksjoner vil en stor varmeovergangskoeffisient mellom prosess-strømmen og kjøle-flaten medføre at (1) temperaturen i prosess-strømmen reduseres og (2) likevekten går mot høyre grad av omdan-nelse. Totaleffekten vil ofte være høyere utbytte.

Ved å bruke en kommersiell katalysator i form av pellets, ringer eller andre spesielle former, vil det ikke være mulig å øke varmovergangskoeffisienten mellom veggene i katalysatorkammeret og prosess-strømmen vesentlig uten samtidig å øke trykkfallet.

Spesielt ved damp-reforming er denne begrensningen merkbar. For en tid er det derfor beskrevet ulike fremgangsmåter hvor det benyttes katalysatorer som har en ikke-partikulær form, som har som målsetting å samtidig ha et lavt trykkfall og en høy varmeovergangskoeffisient.

I damp-reformingprosessen er det størst omsetning ved en gitt katalysatormengde når det opereres med de høyeste temperaturene. Av den grunn nærmer reaksjonstemperaturen seg ofte den øvre temperaturgrensen for rørmaterialet. En jevn temperaturfordeling langs varmeoverføringsveggen vil tillate den høyeste gjennomsnittstemperaturen for en gitt maksimums-temperatur og er derfor sterkt ønskelig.

I litteraturen er det beskrevet endel fremgangsmåter for å oppnå disse egenskapene. Noen av disse fremgangsmåtene går ut på å gjøre bruk av legemer som kan benyttes som katalysatorer eller katalysatorbærere dersom de fremstilles av passende materialer, men som i henhold til litteratur-beskrivelser brukes på annen måte. Under vil det bli gitt litteraturreferanser som beskriver katalysatorer og legemer som har noen av de ovennevnte egenskaper uten å være katalysatorer.

U.S. patent nr. 3,785,620 beskriver legemer som består av korrugerte lameller som er foreslått brukt som statiske blandere.

U.S. patent nr. 4,296,050 beskriver pakkeelementer for en bytterkolonne som består av en mengde korrugerte plater.

Salgsbrosjyrer fra Sulzer Brothers Ltd. beskriver legemer av lignende form som legemene i de tidligere nevnte U.S. patent, men i keramisk materiale og foreslår å benytte dem som katalysatorbærere.

U.S. patent nr. 3,112,184 beskriver en fremgangsmåte for fremstilling av keramiske artikler hvor noen av disse har en karakteristikk som gir dem de ovennevnte egenskaper dersom de fremstilles av et katalytisk aktivt materiale eller benyttes som katalysatorbærere. En slik bruk er imidlertid ikke foreslått i beskrivelsen selv om det er fastslått at legemer med en lignende konfigurasjon brukes på en slik måte. Det er foreslått å bruke disse artiklene for å fremstille varmevekslere som overfører varme fra strømmer i noen kanaler til strømmer i andre kanaler, men ikke til å påvirke varmeoverføringen gjennom reaktorveggene.

EP patent Specification nr. 0 025 308 beskriver en prosess og utstyr for endoterm damp-reforming av hydrokarboner. Det er beskrevet en katalysator i form av en struktur bestående av en stabel profilerte plater. Strukturen er slik at det oppstår et tomrom mellom veggene i katalysatorkammeret og som har kanaler som danner en vinkel til hovedstrømnings-retningen som gjør at prosess-strømmen vekselvis passerer gjennom katalysatoren og mellomrommet mellom strukturen og de oppvarmede veggene i katalysatorkammeret. På grunn av dette strømningsmønsteret vil de oppvarmede veggene ha utstrakte og suksessive områder av høy og lav temperatur forårsaket av forlenget oppvarming av noe av prosess-strømmen og minkende strømningshastighet i forskjellige områder langs reaktorveggen som resulterer i lav varme-overføring og sterk strømning som gir redusert temperatur inne i katalysatorkanalene.

Siden strømningsmønsteret som er beskrevet i det ovennevnte EP-patentet ikke vil medføre en jevn temperaturfordeling i prosess-strømmen i katalysatorkanelene i et gitt katalys-atornivå, er det ikke mulig å få en ensartet utnyttelse av katalysatoren.

Meget høy varmeoverføring fra veggene i katalysatorkammeret til prosess-strømmen er spesielt viktig for å tilføre varme ved dampreforming av hydrokarboner ved konveksjons-varmeoverføring mellom prosess-strømmen og en brenngass i en varmeveksler-reformer. Det er av største betydning for dette prosess-konseptet at temperaturfordelingen langs de varmeoverførende veggene er jevn.

Ingen av de tidligere foreslåtte fremgangsmåtene har fullstendig klart oppnå samtidig (1) et meget lavt trykkfall når prosess-strømmen passerer katalysatorsjiktet og (2) en høy varmeovergangskoeffisient mellom veggen(e) i katalysatorkammeret og prosess-strømmen og videre (3) ha en jevn eller tilnærmet jevn temperaturfordeling langs de(n) varmeoverførende vegg(er) og (4) effektiv utnyttelse av den totale katalysatormassen.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe en fremgangsmåte som kombinerer et meget lavt trykkfall når prosess-strømmen passerer gjennom katalysatorsjiktet og en overveiende jevn varmeovergangskoeffisient mellom veggene i katalysatorkammeret og prosess-strømmen, kombinert med en effektiv utnyttelse av katalysatoren. Fremgangsmåten er således særpreget ved det som er angitt i krav 1<1>s karak-teriserende del, ytterligere trekk fremgår er kravene 1 - 10.

I overensstemmelse med dette vedrører foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å utføre en heterogen katalytisk kjemisk reaksjon ved ikke-adiabatiske betingelser ved å føre endel av prosess-strømmen i en strømningsretning gjennom en katalysator plassert i et katalysatorkammer begrenset av vegger hvor avstanden mellom to av dem er tilnærmet lik og hvor minst en av disse veggene overfører varme mellom prosess-strømmen på innsiden av katalysatorkammeret og en strøm på utsiden katalysatorkammeret.

Nevnte katalysator har en struktur bestående av kanaler som hovedsakelig er arrangert i grupper av tilnærmet parallelle kanaler, noe som medfører at prosess-strømmen blir oppdelt i en rekke mindre strømmer, som har strømningsretninger som danner en vinkel med de to veggene med tilnærmet lik avstand og hovedstrømsretningen og disse endrer retning hver gang de treffer en av veggene. Den karakteristiske egenskap ved denne fremgangsmåten er at massestrømmen mot en av disse veggene med tilnærmet lik avstand, i et tverrsnitt i rett vinkel til hovedstrømsretningen, er tilnærmet lik masse-strømmen mot den andre av disse veggene. Strømningsretningen til en hvilken som helst delstrøm blir reflektert hver gang den treffer en av veggene. På denne måten oppnås en vesentlig jevn temperaturfordeling langs de varmeoverførende veggene og muliggjør en effektiv utnyttelse av hele katalysatormassen, det vil si at den mengde katalysator som er nødvendig for å oppnå den ønskede grad av omsetning minker.

Effektiviteten til fremgangsmåten i følge oppfinnelsen skyldes den momentane endring av strømningsretning til delstrømmene når de treffer en av de varmeoverførende veggene. Det skjer liten eller ingen strømning på utsiden av kanalene eller langs de varmeoverførende veggene. Dette strømningsmønsteret gir den minst mulige avstand mellom kalde punkter forårsaket av prosess-strøm fra utløpet av kanalene og varme punkter ved innløpene. Katalysator-kammerets struktur sikrer en jevn oppvarming av prosess-strømmen på grunn av den hyppige og nære kontakten mellom nevnte prosess-strøm og de varmeoverførende veggene ved refleksj onspunktene.

En annen fordel ved nevnte katalysatorkammer er den kontinuerlige og forlengede kontakt mellom prosess-strømmen og katalysatoroverflaten som oppnås på grunn av tvungen, vinklet bevegelse gjennom katalysatorkammeret, bare avbrutt ved refleksjonspunktene på de(n) varmeoverførende vegg(ene).

Forholdet mellom antall delstrømmer rettet mot hver av de

to veggene kan være mellom 1:100 og 100:1. Det foretrekkes et forhold på mellom 1:10 og 10:1. Spesielt er det ønskelig at antall delstrømmer mot den ene av de to veggene med tilnærmet lik avstand er omtrent det samme som antall delstrømmer rettet mot den andre veggen.

Det foretrekkes at vinkelen mellom strømningsretningen gjennom katalysatoren og hovedstrømningsretningen gjennom katalysatorsjiktet er på mellom 5 til 85°, fortrinnsvis fra 15 til 75° og det er spesielt ønskelig at vinkelen er tilnærmet 45°.

Det foretrekkes benyttet katalysatorer hvor kanalene er arrangert i sjikt som ikke er vinkelrett orientert til hovedstrømningsretningen. Spesielt er det ønskelig å benytte katalysatorer hvor kanalene er ordnet i sjikt som er tilnærmet parallelle til hovedstrømningsretningen.

Fremstilling av katalysatorer er forholdsvis enkelt når sjiktene har en vinkel på mellom 5 og 90° grader til de varmeoverførende veggene. Det er spesielt ønskelig at kanalene er arrangert i sjikt som er tilnærmet vinkelrette til de varmeoverførende veggene.

En optimal kombinasjon av trykkfall og varmeoverførings-hastighet inntreffer når prosess-strømmen, som treffer en av veggene med tilnærmet lik avstand,blir reflektert og kastet tilbake mot den motsatte veggen i slisse mellom den veggen det gjelder og katalysatoren. Bredden på en slik slisse er mindre enn en femtedel av avstanden mellom de to veggene med tilnærmet lik avstand.

I en utførelse av et katalysatorkammer i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse er de to veggene med tilnærmet lik avstand, koaksiale, sylindriske vegger, katalysatorkammeret er ringformet og hovedstrømningsretningen til prosess-strømmen er parallell med den felles aksen til de sylindriske veggene.

I en annen utførelse av et katalysatorkammer i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse, er de to regelmessig plasserte veggene parallelle og plane. Katalysatoren har form av et prisme med minst to parallelle sider.

Fremstilling av en katalysator som kan benyttes i den foreliggende oppfinnelse, og senere plasseres i katalysatorkammeret, gjøres enklere ved å benytte en katalysator som består av identiske legemer plassert på en regelmessig måte i katalysatorkammeret.

I henhold til fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse, kan en prosess-strøm deles opp i delstrømmer som er arrangert i flere sett av sjikt. Strømningsretningen i ett sett av sjikt er stort sett parallell og forskjellig fra strømnings-retningen i nabosettet eller settene. Hvert sett består av et lite antall sjikt, fortrinnsvis et eller to.

En enkel måte å oppnå et slikt strømningsmønster på er ved å benytte et katalysatorbærerlegeme som består av plater eller lag som danner kanaler.

Det beskrevne strømningsmønsteret kan oppnås ved å benytte katalysatorer eller katalysatorbærere som består av en stabel av korrugerte plater som fortrinnsvis alternerer med plane plater. Begge platetyper kan fremstilles på en kjent måte og materialer kompatible det katalytiske materiale og den kjemiske prosess. Stabelen kan inneholde et lag med kanaler i hver strømningsretning og ha følgende oppbygning :

a. en korrugert plate, orientering A

b. en plan plate

c. en korrugert plate, orientering B

d. en plan plate

Denne sekvensen repeteres til ønsket størrelse er oppnådd. Det er ikke avgjørende at alle platene har samme størrelse eller er kuttet for å få samme størrelse langs rette linjer. Det kan derimot ofte være ønskelig å kutte de plane platene til en størrelse som er litt mindre enn størrelsen på de korrugerte platene og/eller gi dem et par serraterte ender for å kunne plasseres mot veggene med konstant avstand.

Det er hensiktsmessig å lede prosess-strømmen gjennom et katalysatorsjikt hvor kanalene er forholdsvis rette og vinklene mellom retningen på delstrømmene og den generelle strømningsretningen er på mellom 5° og 85°, fortrinnsvis 15° til 75° og spesielt omtrent 45°.

Det karakteristiske for strømningsmønsteret til fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse kan også oppnås ved kun å benytte korrugerte plater og stable dem vekselvis med

orientering A og B.

I en av de ovennevnte utførelser av et katalysatorkammer, som overensstemmer med fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse, er de to nevnte vegger koaksiale, sylindriske vegger. Dette krever en katalysator som har en form av et hult, sylindrisk legeme. En katalysator eller katalysatorbærer med en form som gir det strømningsmønsteret og den karakteristiske varmeoverføringen som er beskrevet i foreliggende oppfinnelse kan for eksempel fremstilles ved å kutte stabler av plater som beskrevet over og plassere disse stablene mellom to vegger som danner en ringformet form. Stablene kan på denne måten bli tilstrekkelig deformert til å danne segmenter av et hult sylindrisk legeme og på denne måten passe inn i formen. Det bør legges merke til at diameteren til de to veggene i formen (henholdsvis korresponderende til den indre og ytre veggen til katalysatorkammeret) vanligvis må være litt forskjellig fra den aktuelle diameteren til de korresponderende veggen til katalysatorkammeret, for å tillate en mulig forskjell i termisk ekspansjon for katalysatoren eller katalysatorbæreren og materialet i katalysatorkammeret og for å tillate de ønskede slissene mellom katalysatoren og veggene.

Det er spesielt ønskelig å stable platene som definerer strømningsmønsteret i den ovennevnte formen på en slik måte at alle strømningsretninger blir arrangert i plan, som stort sette er parallelle til den generelle strømningsretningen, når katalysatoren er plassert i katalysatorkammeret.

Platene kan stables ortogonalt eller skrått i forhold til veggene i den ovennevnte formen og såvidt skrått relativ til de varmeoverførende veggene, når katalysatoren er plassert i katalysatorkammeret.

Fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse er ikke begrenset til bruken av legemer fremstilt av stabler korrugerte plater, eller, når man benytter korrugerte plater, å bruke en spesiell form for korrugering eller å bruke den samme form eller størrelse av korrugering for alle korrugerte plater. Enhver annen fremgangsmåte for å oppnå det nevnte strømningsmønsteret samtidig med varmeoverføring mellom prosess-strømmen og varmeoverførende vegg(er), betraktes som en del av foreliggende oppfinnelse, når den benyttes til å utføre ikke-adiabatiske, katalytiske, prosesser ...

Strømningsmønsteret og varmeoverføringen som er karakteristisk for fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse kan for eksempel oppnås ved å benytte et stort antall av forholdsvis identiske rør, istedenfor plater, som plasseres mellom de to veggene med tilnærmet lik avstand, hvor minst en av dem er varmeoverførende. Ved å stable rørene, som f.eks. har rektangulære tverrsnitt og en lengde som overstiger avstanden mellom de to nevnte vegger på en slik måte at man oppnår påfølgende stabler av rør med alternerende orientering, en som leder mot en av veggene og en annen leder mot den andre veggen, vil dette gi det ønskede strømningsmønsteret og forårsake et ubetydelig trykkfall. Hver parallelle strøm som forlater et rør vil, når den når en av veggene, snu mot den andre veggen gjennom naborør med motsatt orientering. Dersom veggen er varmeoverførende, vil denne endringen i strømningsretning medføre en høy varme-overf øringskoef f isient mellom prosess-strømmen og veggen.

Strømningsmønsteret og varmeoverføringen som karakteriserer fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse kan også oppnås ved f. eks. å benytte ( istedenfor rør) sylindre som har to eller flere strømningskånaler som strekker seg aksialt fra en ende til den andre.

For å omdanne et katalysatorbærerlegeme, som gir det ønskede strømningsmønsteret pg varmeoverføring, til en katalysator som er brukbar ved fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse, kan det f. eks. benyttes en impregnerings- eller coatingteknikk og aktive materialer per se.

Fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse kan benyttes til å utføre en heterogen, katalytisk kjemisk prosess ved ikke-adiabatiske betingelser og er ikke begrenset til noen spesiell prosess.

Prosessen som utføres kan være eksoterm, spesielt partiell oksidasjon av hydrokarboner eller alkoholer, eller hydrokar-bonsyntese fra karbonoksider og hydrogen.

For partiell oksidasjon av hydrokarboner eller alkoholer kan man f. eks. benytte en coated katalysatorbærer bestående av f.eks. glassull-papir og belegg bestående av f.eks. 80 vekt-% molybdenoksid og 2 0 vekt-% jernoksid promotert med krom-oksid.

Syntese av hydrokarboner fra karbonoksider kan utføres ved å benytte en coated katalysatorbærer bestående av f.eks. keramisk papir basert på Al203-fibre og belegg bestående av f.eks. 25-50 vekt-% nikkel og resten AI2O3.

Prosessen som utføres kan også være endoterm, spesielt damp-reforming av hydrokarboner, fortrinnsvis utført i en varmeveksler reformer.

En slik dampreforming kan utføres ved f.eks. å benytte en belagt katalysatorbærer som består av f.eks. keramisk papir basert på Al203~fibre og belegg bestående av f.eks. 25 vekt-% nikkel og den andre hovedkomponenten enten magnesium eller AI2O3.

Foreliggende oppfinnelse er forklart under med referanse til tegningene hvor Fig.l viser en horisontalt snitt av en katalytisk reaktor som inneholder et katalysatorsjikt som kan benyttes til å utføre fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse. Fig.2 viser en vertikalt snitt av en del av reaktoren

i Fig.l langs snittet a-a.

Fig.3 viser en perspektivskisse av en del av katalysatoren eller katalysatorbæreren som kan benyttes til å utføre fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse. Fig.4 viser en forstørret detalj av legemet vist i

Fig. 3 .

Fig.5 viser an annen katalysator eller katalysatorbærer som kan benyttes til å utføre fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse, hvor endel av legemet er fjernet. Fig. 6 viser et vertikalt snitt av legemet i Fig. 5

plassert mellom to vegger og

Fig. 7 viser en skisse av det eksperimentelle oppsettet som ble benyttet for å bestemme trykkfall og varmeoverføringskoeffisisenter. Figurene er forenklet og viser for eksempel ikke tykkelsen av planene eller de korrugerte platene.

Forskjellen mellom en katalysator og en katalysatorbærer kan ikke skjelnes på tegningene og det er heller ikke gjort noen forsøk på slik differensiering på tegningene.

Fig. 1 viser et horisontalt snitt gjennom en reaktor. Reaktoren ar et ringformet katalysatorkammer fylt med katalysator som er brukbar til å utføre fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse. Prosess-strømmen flyter ned mot katalysatoren. Katalysatorlegemet består av korrugerte plater 14, 15 og plane plater 16. De korrugerte platene har vekslende orienteringer. Strømkanalene 17 er definert ved at de korrugerte platene 15 og de plane platene 18 leder strømmen ned mot katalysatorlegemet mot den ytre veggen 20 av katalysatorkammeret mens strømkanalene 18 er definert ved at de korrugerte platene 15 og de plane platene 16 på hver side leder strømmen mot den indre veggen 19. I katalysatoren vist på figuren er alle platene overveiende rettvinklet til overflaten av begge veggene 19, 20.

Slissen mellom katalysatoren og veggene er ikke vist i Fig. 1.

Fig. 2 viser et vertikalt snitt gjennom den øverste delen av reaktoren og katalysatorlegemet i Fig. 1 langs snittet a-a. Hovedstrømningsretningen er indikert ved pilene C. Alle sjikt av understrømmer og kanalene hvor de flyter er parallelle til hovedstrømningsretningen, C, og fordi de er rettvinklet til veggene vil planet til sjiktene falle sammen skjæringen. Den venstre del av figuren viser et snitt gjennom en korrugert plate 14, som har delstrømmer i kanalene 17 og som leder delstrømmene mot den ytre veggen 20. Høyre del av figuren viser et snitt gjennom en korrugert plate 15, som har delstrømmer i kanalene 18 og som leder delstrømmene i retning av den indre veggen 19. Delstrømmenes strømningsretning er indikert med piler. Den korrugerte platen som ligger under den platen som er snittet og den plane platen mellom disse platene, er indikert ved stiplede linjer. Strømmen i det nederste nivået er indikert med stiplede piler. Refleksjonen av strømning eller "tilbakekasting" når strømmen når en av veggene, er indikert ved å skifte fra heltrukne til stiplede piler ved vendingen. Dette korresponderer med skiftingen fra et plan i figuren til et underliggende plan eller omvendt.

Slissen mellom katalysatoren og veggene er ikke vist i

Fig.2.

Det ringformede katalysatorkammeret vist i Fig. l og 2 kan for eksempel være katalysatorkammeret i en varmeveksler reformer av den typen som er beskrevet i europeisk patent søknad nr. 195,688.

På eller nær kanten av platene mot den indre eller ytre veggen vil det dannes soner med liten nettostrøm og lokalt liten varmeoverføringskoeffisient. På grunn av turbulensen som dannes ved endring av strømningsretning ved hver eller annenhver plate eller kanal, vil disse sonene ble meget smale og de vil være lokalisert ved avstander som tilsvarer høyden av en eller to kanaler, typisk et par millimeter hver. Varmeledningen i veggen eller veggene vil effektivt utjevne enhver temperaturforskjell forårsaket av slike soner og ulik temperaturfordeling vil ikke bli merkbar.

Fig.3 viser et utsnitt av en katalysator eller katalysatorbærer som kan benyttes i henhold til foreliggende oppfinnelse. Utsnittet består av en stabel overveiende parallelle plater 14, 15, 16, hvor platene 14 er korrugerte med orientering A, platene 15 er korrugerte med orientering B og platene 16 er plane. Stabelen er fremkommet ved å stable platene i følgende orden (nedefra) :

en plan plate 16

en korrugert plate 14, orientering A

en plan plate 16

en korrugert plate 15, orientering B.

denne sekvensen fortsetter gjennom hele stabelen.

De korrugerte platene 14 definerer, sammen med de plane platene 16 over og under , de overveiende rette kanalene 17 og de korrugerte platene 15 definerer, sammen med de plane platene 16 over og under, de overveiende rette kanalene 18. Retningen til de to kanalsystemene 17 og 18 er forskjellige. Kanalene i hver retning er arrangert i overveiende parallelle lag.

Et utsnitt som vist i denne figuren kan fremstilles i katalysatoren vist i Fig.l og 2, hvor hovedstrømnings-retningen er vist ved en pil C, for eksempel en av halv-delene av vinklene som dannes ved retningen av kanalene 17,

18. Ingen av de forekommende deformasjon ved fylling i det ringformede katalysatorkammeret er vist. Fig. 4 viser et snitt av enden til en korrugert plate sett langs korrugeringen. Figuren indikerer dimensjonen E og L som er karakteristisk for korrugeringen. Fig. 5 viser en perspektivskisse av en annen utforming av katalysatoren eller katalysatorbæreren, som kan benyttes for å utføre fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse, hvor endel av legemet er fjernet. Dette legemet består av rør 21, 22 som har et rektangulært tverrsnitt. Rørene er stablet i rekker 23, 24 med vekslende orientering. Rekke 23 består av rørene 21 som har en orientering som er forskjellig fra rørene 22 i rekke 24, noe som gir det strømningsmønsteret og den varmeoverføring som er karakteristisk for foreliggende oppfinnelse. Noen av rekkene 26 er kun indikert med stiplede linjer, mens bare noen av rørene er vist i de fremste rekkene 27. Selv om rørene i forskjellige rekker på figuren er vist å nå samme nivå, er dette ikke avgjørende.

Som forklart med referanse til Fig. 1 og 2 vil det ikke oppstå merkbare ujevnheter i temperaturfordelingen ved veggene når denne utformingen benyttes i prosessen. Fig. 6 viser et vertikalt utsnitt av legemet i Fig. 5. Legemet er plassert mellom to vegger 25 som kutter en rekke av rør 21 og sett rettvinklet på planet til denne rekken. Rørene til rekke 22 ligger under rørlaget 21 er vist med stiplede linjer og strømningsretningene er vist med henholdsvis heltrukne og stiplede piler. Avstanden mellom de to veggene 25 er overveiende konstant. Refleksjon av strømmene når de treffer disse veggene er indikert med piler. Fig. 7 viser en skisse av det eksperimentelle oppsettet som ble benyttet til å bestemme trykkfall og varmeoverførings-koeffisienter for forskjellige modeller av katalysator-

legemer og katalysatorpartikkel-sjikt.

Referansenummerne i Fig. 7 refererer til følgende enheter : (1) en luftkompressor, innsugningskapasitet >= 250 m<3>/time

(2) en lufttank

(3) en avstengningsventil

(4) en reduksjonsventil

(5) en presisjonstrykkmåler 0-15 kp/cm<2>g

(6) en strømningsmåler 0.101 Nm<3>/time ved

5 kp/cm<2>g, 15°C

(7) en manuelt operert reguleringsventil

(8) en modell av den katalytiske reaktoren som har to varmeoverførende vegger 11,12 med tilnærmet konstant avstand. Disse to veggene som er plane stål radiatorer, ble montert med trelekter i hver ende, og denne oppsatsen ble klemt sammen.

Bunnen bestod av en skjerm med ståltrådduk og toppen av et tett montert luftfordelingsstykke.

Avstanden mellom radiatorene kunne modifiseres ved å plassere papp-biter mellom en av radiatorene og lektene.

(9) et katalysatorlegeme eller katalysatorsjikt

(10) et U-rørs manometer

Foreliggende oppfinnelse og fordelene er forklart mer detaljert i eksempelet under.

Eksempel

I et eksperimentelt oppsett ble modeller av katalysatorene som er karakteristiske for foreliggende oppfinnelse sammenlignet med deler av standardkatalysatorer for dampreforming av hydrokarboner.

Tre modeller av kryss-arrangerte korrugerte katalysator-bærerlegemer ble laget av korrugert papp. Modellene 1 og 2 bestod av kryss-arrangerte, korrugerte pappstykker med bølgehøyder, E, 2.5 og 4.4 mm og plane plater som legemet vist i Fig. 3. Modell 3 bestod av kryss-arrangerte, korrugerte pappstykker med bølgehøyde,E, lik 2.1 mm som ikke hadde plane plater. For sammenligning ble korresponderende forsøk utført ved å benytte eksemplarer av standard katalysatorringer med YD/ID * H = 16.7/7.8 * 10.4 mm og standard katalysatorsylindre med YD *H= 5.3 * 5.1 m.

(YD = ytre diameter, ID = indre diameter og H = høyde)

Dataene fra de testede katalysatormodellene og katalysatorpartiklene er vist i tabell 1.

Dimensjonene E og L er indikert i Fig. 4.

Korrugeringsfaktoren er definert som forholdet mellom det aktuelle øvre ytre arealet av den korrugerte platen det projiserte areal av denne platen på et plan hvor den korrugerte platen hviler. S/V er den ytre overflaten (m<2>) per volumenhet (m<3>).

Det er observert at det ytre overflatearealet pr. volumenhet (S/V) er 1.5 til 2.5 ganger større for kryss-arrangerte pappmodeller enn for 5.3 * 5.1 mm sylindrene. Det blir allikevel antatt ved reformingprosessen at katalysator-aktiviteten pr. volumenhet vil bli høyere når det brukes kryss-arrangert katalysator enn når det benyttes 5.3 * 5.1 mm katalysatorsylindre fordi effektivitetsfaktoren til reformingsreaksjonen er meget lav, typisk mindre enn 5%, i de nederste 80% av en vanlig rørformet reformer og avtag-ende til mindre enn 1% ved bunnen, J.R. Rostrup-Nielsen, Catal<y>tic Steam Reformincr. Springer Verlag, Berlin (1984) side 69.

Varmeoverføringen og trykkfallsegenskapene til modellene og katalysatorsylindrene og ringene ble bestemt i en 1000 mm lang vertikal kanal som hadde et 55 <*> 300 mm rektangulært horisontalt tverrsnitt. De to veggene på 300 * 1000 mm var to plane, parallelle radiatorer hvor det sirkulerte varmt vann ved 80°C. Pappmodellene med dimensjon 55 * 300 * 1000 mm var arrangert med plateplanet rettvinklet til varme-overf laten og parallell til hovedstrømsretningen. Avstanden mellom radiatorene kunne justeres etter ønske.

Fig. 7 viser en skisse av det eksperimentelle oppsettet. Når et eksperiment ble utført ble en luftstrøm ledet gjennom kanalen som inneholdt en pappmodell eller katalysatorsylindre eller ringer. Trykkfallet over "katalysatorfyllingen" og varmetransporten ble bestemt. Ventil (3) ble åpnet og reduksjonsventil (4) og kontrollventil (7) ble justert for å oppnå en avlesning på trykkmåleren (5) på 6 kg/cm<2>g og flowmeteret (6) viste en forutbestemt mengde. Trykkfallet over katalysatorfyllingen (9) ble avlest på U-rørsmanometeret (10).

Temperaturen i katalysatoren eller pappmodellen og varmt-vannet ble avlest ved 5-10 minutters intervaller, inntil den avleste temperatur var stabil. Differansen mellom varmt-vannet ved innløp og utløp var mindre enn 2°C i alle forsøk. Ved tolkning av målingene ble det antatt at temperaturen var den samme i alle posisjoner på radiator-veggen.

Gass-strømmens fysiske egenskaper under eksperimentene er beskrevet under i tabell 2.

Tretten termoelententer var plassert i katalysatorene eller modellene.

I forsøkene hvor det ble brukt katalysatorsylindre eller ringer, var avstanden mellom radiatorveggene 60 mm og alle termoelementene var plassert i senterplan mellom de to radiatorveggene. Et termoelement var plassert i senteret av en linje 10 mm fra bunnen (gassutløpet) og de andre 12 var plassert 10, 125, 250 og 500 mm fra toppen og i tre forskjellige laterale posisjoner. På senterlinjen, 95 mm til venstre og 95 mm til høyre.

I forsøkene hvor det ble brukt pappmodeller ble alle termoelementene - unntatt to - plassert i senter av et plan rettvinklet til radiatorveggene. Fem termoelementer var plassert på senterlinjen 10 mm fra bunnen (gassutløpet) og 10, 125, 250 og 500 mm fra toppen. Seks termoelementer var plassert 19.5 mm fra senterlinjen 125, 250 og 500 mm fra toppen, tre på nærmeste siden av senterplanet mellom radiatorveggene og tre på den andre siden. De to gjenstående termoelementene var plassert i senterplanet mellom de to radiatorveggene 250 mm fra toppen og 105 mm fra senterlinjen, en til høyre og en til venstre.

De oppnådde resultater er oppsummert i tabell 3.

Trykkfallene som ble funnet for pappmodellene er lavere, i enkelte tilfeller en størrelsesorden lavere enn de som ble funnet for katalysatorpartiklene.

Varmeovergangskoeffisientene som ble funnet for pappmodellene er høyere enn de verdiene som ble funnet for katalysatorpartiklene, forutsatt at slissebredden mellom prøven og veggen ikke oversteg 1.2 mm.

Sammenligninger mellom de eksperimentelle resultater funnet ved modell 1 og 2 viser at økende kanalstørrelse gir overlegne egenskaper når det gjelder varmetransport og trykkfall.

Sammenligninger av de eksperimentelle resultater for modell 2 og 3 viser at trykkfallet kan halveres ved å bytte ut en katalysator eller katalysatorlegeme (modell 3) som ikke har noen plane plater med en katalysator eller katalysatorlegeme (modell 2) som har plane plater, har samme ytre overflate pr. volum (S/V) og gir den samme varmeovergangskoeffisient når det benyttes samme slissebredde.

I forklaringene over som refererer til figurene og i eksempelet, er det beskrevet i detalj et antall katalysator-utforminger som i samsvar med foreliggende oppfinnelse. De eksperimentelle resultatene som er funnet ved å sammenligne tre av disse katalysatorutformingene med en standard katalysator er stadfestet. Resultatene må allikevel anses som illustrasjoner og ikke begrense fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse til de spesifikt beskrevne utforminger. Enhver fremgangsmåte for å oppnå det strømning-smønsteret og de varmeoverførende karakteristika i foreliggende oppfinnelse som kan benyttes til å utføre en heterogen, katalytisk kjemisk prosess ved ikke-adiabatiske betingelser ansees som en del av oppfinnelsen, bare begrenset av omfanget i de fremsatte krav.

Bruk av stabler av korrugerte lag som har en bølgeformet korrugering vil fullt ut innbefattes i fremgangsmåten i foreliggende oppfinnelse.

Også korrugerte plater (som har rett eller bølgeformet korrugering) som kan få en sekundær korrugering og i tillegg ha en annen form, størrelse og orientering forskjellig fra den primære korrugering kan også benyttes i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Flere muligheter innbefatter plater med hull eller plater som har utforming på overflaten.

Claims (10)

1) Fremgangsmåte for å utføre en heterogen, katalytisk kjemisk prosess ved ikke-adiabatiske betingelser ved å lede en del av prosess-strømmen i en hovedretning gjennom en katalysator i et katalysatorkammer begrenset av to vegger, som har en tilnærmet lik avstand, og overfører varme gjennom minst en av de to veggene med jevn avstand mellom prosess-strømmen på innsiden av katalysatorkammeret og en væske på utsiden av katalysatorkammeret, hvor nevnte katalysator har en struktur bestående av kanaler arrangert i grupper av tilnærmet parallelle kanaler som medfører at prosess-strømmen blir oppdelt i en lang rekke understrømmer som har en strømnings retning som danner en vinkel mellom de to veggene som har jevn avstand og hovedstrømningsretningen. Delstrømmene endrer strømningsretning når de treffer en av veggene karakterisert ved at massestrømmen mot en av de to veggene med tilnærmet jevn avstand, i ethvert tverrsnitt vinkelrett på hoved-strømningsretningen, er tilnærmet lik masse-strømmen mot den andre av de to nevnte veggene, strømningsretningen til delstrømmene i en gruppe av kanaler er forskjellig fra den i nabogruppen eller gruppene av kanaler og den aktuelle strømningsretningen til enhver delstrøm blir reflektert når den treffer en av de to veggene med tilnærmet lik avstand idet de forlater en kanal og går inn i nabokanalene, slik at retningen til delstrømmen er mot den andre av disse veggene.

2) Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at antall delstrømmer rettet mot en av veggene med tilnærmet lik avstand er tilnærmet lik antall delstrømmer rettet mot den andre av de nevnte veggene.

3) Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller krav 2, karakterisert ved at man anvender en katalysator som har kanaler arrangert i lag som er tilnærmet parallelle med hovedstrømningsretningen.

4) Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at det anvendes en katalysator i hvilken kanalene alle er anordnet i lag som står tilnærmet vinkelrett på den eller de varmeoverførende vegger.

5) Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-4, karakterisert ved at det benyttes et katalysatorkammer hvor to vegger med tilnærmet lik avstand er koaksialt sylindriske vegger, katalysator kammeret er ringformet og hovedstrømsretningen til prosess-strømmen er parallell med den felles aksen til de sylindriske veggene.

6) Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-4, karakterisert ved at det benyttes et katalysatorkammer hvor de to veggene med tilnærmet lik avstand er parallelle og plane og katalysatoren har form av et prisme med minst et par parallell sider.

7) Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-6, karakterisert ved at det benyttes en katalysator hvor katalysatoren består av tilnærmet identiske legemer plassert på en systematisk måte i katalysatorkammeret.

8) Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-7, karakterisert ved at den kjemiske reaksjon er en endoterm reaksjon.

9) Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at den kjemiske reaksjonen er damp-reforming av hydrokarboner, fortrinnsvis i en varmevekslerreformer.

10) Fremgangsmåte i henhold til kravene 1-7, karakterisert ved at den kjemiske reaksjonen er en eksoterm som for eksempel partiell oksidasjon av hydrokarboner eller alkoholer, eller hydrokarbon syntese fra karbonoksider og hydrogen.