專利名稱：催化劑或吸附劑床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及催化劑或者吸附劑的固定床，特別涉及通過(guò)一系列熱膨脹-熱收縮循環(huán)保持床厚度以提高床的效率的裝置。
背景技術(shù)：
固定床通常包括至少一層采用擠出物、球?；蛘吡钗镄问降念w粒材料形式的催化劑或者吸附劑，所述催化劑或者吸附劑層由處理流體不滲透的邊界元件界定并且被設(shè)置在帶孔元件上，例如孔板、格柵或者網(wǎng)，通過(guò)該床的處理流體能夠通過(guò)所述帶孔元件。該床設(shè)置在容器內(nèi)，其中例如利用凸耳直接由容器壁支撐該床，或者利用與容器壁相連的諸如籃或者框架的處理流體不滲透的床支撐裝置支撐該床。
邊界元件可以固定或者不固定到帶孔元件上。但是，該邊界元件通常平行于流體流過(guò)床的方向并且防止顆粒與該床設(shè)置在其中的容器的壁接觸。在床經(jīng)受高溫的情況下，由于邊界元件保護(hù)容器壁或者床支撐元件不受處于高溫的顆粒催化劑或者吸附劑的影響，因此這樣一種邊界元件可被描述為熱防護(hù)裝置。
最好，通過(guò)催化劑或者吸附劑床的氣流或者液流是均勻的以在催化劑床的情況下在轉(zhuǎn)變方面或者在吸附劑床的情況下在吸收方面提供一致的操作。為了達(dá)到這種效果，顆粒的尺寸，特別是顆粒層的厚度通常被精心控制以獲得均勻的通過(guò)處理流體可流過(guò)的床的滲透率。這對(duì)于薄的固定床，即深度小于容器直徑的床是特別重要的。
包含催化劑或者吸附劑床顆粒的固定床，特別是經(jīng)受高溫的薄固定床所遇到的一個(gè)問題是，在顆粒與邊界元件接觸的情況下，發(fā)現(xiàn)例如與啟動(dòng)-停止程序相關(guān)的床的熱膨脹和熱收縮可導(dǎo)致床的深度減小，特別是在床與邊界元件接觸的區(qū)域中。因此，通過(guò)床的氣流路徑在邊界元件附近縮短，因而通過(guò)床的氣流或者液硫，即，滲透率在高區(qū)域升高。
通過(guò)床的流量增大會(huì)減少流體和催化劑或者吸附劑之間的接觸時(shí)間，并且可導(dǎo)致流體旁通的問題。對(duì)于要求基本上為100％的轉(zhuǎn)化率的催化過(guò)程，這可導(dǎo)致非反應(yīng)物質(zhì)進(jìn)入產(chǎn)品流，而對(duì)于類似地需要基本上完全去除污染物的吸附劑床，這可導(dǎo)致所不希望的在任何下游工藝和/或產(chǎn)品中存在污染物。
我們發(fā)現(xiàn)，使用特定形狀的邊界元件可保持通過(guò)一系列熱膨脹和熱收縮的循環(huán)后的床的厚度，從而減少旁通的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供一種可使處理流體流過(guò)的固定床，所述固定床包括設(shè)置在帶孔元件上并且由處理流體不滲透邊界元件界定的顆粒材料，其中，所述邊界元件的至少一部分以相對(duì)于流體流過(guò)所述床的方向形成20至70度之間的總角度在床的基本至少深度上界定所述顆粒材料。
在本發(fā)明中，固定床可經(jīng)受可為氣體或者液體的處理流體的軸向和/或徑向流動(dòng)。最好，本發(fā)明的床經(jīng)受軸向流并且例如可沿著基本水平的方向設(shè)置在容器中，而處理流體基本垂直流過(guò)床。
所述床包括設(shè)置在諸如具有適合尺寸的用于防止顆粒流過(guò)的孔的孔板、網(wǎng)或者格柵的帶孔元件上的催化劑或者吸附劑顆粒。一種例如作為支撐層的惰性顆粒材料也可存在于催化劑或者吸附劑下方，也構(gòu)成了床的部分深度。所述床可利用與容器壁相連的凸耳或者利用與容器壁相連的籃、托架或者框架通過(guò)帶孔元件或者邊界元件被容器壁支撐。最好，所述床利用與容器壁相連的處理流體不滲透的籃或者框架通過(guò)帶孔元件被支撐。這樣的裝置根據(jù)床、容器和工藝的類型而改變，并且可被稱為“床支撐裝置”。該床可具有提供所需作業(yè)所需的任何形狀。通常，床的形狀與將其設(shè)置在其中的容器的橫截面的形狀相符。例如，該床可是圓形的、橢圓形、正方形、矩形、六邊形或者八邊形。該床的寬度可0.25米至6米的范圍內(nèi)，最好在0.5米至3.5米的范圍內(nèi)。
本發(fā)明特別適用于床較薄的情況，即床的深度小于容器直徑。最好，本發(fā)明的床的深度在5和500毫米之間，在25和300毫米之間較好，最好在25和100毫米之間。
催化劑或者吸附劑顆?；蛘叨栊灶w粒支撐材料(如果有的話)采用球、小板、方塊、擠出物、圓柱形彈丸、粒狀物或者其他規(guī)則的或者不規(guī)則的形狀，高寬比，即最大尺寸被最小尺寸除，通常小于2。顆粒的尺寸根據(jù)需要可是均勻的或者不同的以在氣體或者液體與催化劑或者吸附劑之間產(chǎn)生所需的接觸時(shí)間。
本發(fā)明的邊界元件的尺寸和形狀將根據(jù)床的尺寸和容器壁的性質(zhì)或者床支撐裝置改變。本發(fā)明的邊界元件可或者不固定在支撐床的帶孔元件上。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，為了降低由于床的熱膨脹和熱收縮而產(chǎn)生的應(yīng)變作用，邊界元件不固定在帶孔元件上。在該實(shí)施例中，邊界元件將界定催化劑或者吸附劑的顆粒以使顆粒材料不能通過(guò)在邊界元件和帶孔元件之間的任何保留間隙，在床的至少基本深度上延伸并且與容器或者床支撐裝置相連，例如在適合位置處獨(dú)立支撐帶孔元件的籃，所述適合的位置可在床的上方或者下方?；蛘?，如上所述，邊界元件可與帶孔元件相連。無(wú)論邊界元件如何與其相連，任何床支撐裝置都應(yīng)該圍繞床的周邊提供處理流體不滲透阻擋層以使基本上所有的流體直接通過(guò)設(shè)置在帶孔元件上的顆粒材料。
邊界元件從帶孔元件至少延伸床的深度并且以相對(duì)于流體流過(guò)所述床的方向形成20至70度之間的總角度相對(duì)于床的深度傾斜。如果總角度小于20度，那么在一系列熱膨脹和熱收縮循環(huán)后床的深度將不能被有效地保持；如果總角度大于70度，那么可能被邊界元件占據(jù)的床表面積的一部分太大?？偨嵌茸詈迷谙鄬?duì)于流體流過(guò)所述床的方向形成20至60度之間。對(duì)于術(shù)語(yǔ)“總角度”，我們指的是，流體流過(guò)大部分床的基本方向和在邊界元件的下端與邊界元件與床的上表面基本上相交的點(diǎn)之間繪制的直線之間的角度。邊界元件包括至少一個(gè)基本上從帶孔元件延伸到容器壁或者床支撐裝置的小面。最好，邊界元件包括在1和50個(gè)小面。每一個(gè)小面可具有各種形狀，例如直的或者曲面并且提供在所需范圍內(nèi)的總角度的這些小面的任何組合可被使用。但是，最好這些小面的任何組合不封閉顆粒材料或者防止處理流體流過(guò)與邊界元件接觸的大部分顆粒材料。這樣，在小面是曲面的情況下，小面的下端最好相對(duì)于流體流過(guò)所述床的方向形成的角度不大于90度。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在床的表面下方提供至少一個(gè)臺(tái)階的小面組合可提高邊界元件在結(jié)果一系列熱膨脹和熱收縮循環(huán)后保持床的周邊深度方面的性能。對(duì)于術(shù)語(yǔ)“臺(tái)階”，我們指的是，以大于在其緊上方的小面相對(duì)于流體流過(guò)所述床的方向的角度的角度在床中延伸一定距離，例如等于床的深度的10％至50％之間的距離的至少一個(gè)直的或者曲面的小面。最好，提供在1和10個(gè)之間的臺(tái)階。臺(tái)階可具有相同或者不同的尺寸，并且包括不同臺(tái)階的小面可具有相同的或者不同的相對(duì)于流體流過(guò)所述床的大部分的方向的角度。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，提供臺(tái)階，并且所述臺(tái)階最好位于床的深度的25％至75％之間的深度處。最好，臺(tái)階角度相對(duì)于流體流過(guò)所述床的大部分的方向?yàn)?0度。
邊界元件的厚度取決于多種因素，包括容器和/或床的尺寸，但在1-25毫米的范圍內(nèi)較好，最好在1-10毫米的范圍內(nèi)。
邊界元件可利用任何適用于催化劑或者吸附劑處理?xiàng)l件下的材料制成。通常，邊界元件是由抗氧化合金制成的，例如310不銹鋼。
本發(fā)明的固定床的具有特定形狀的邊界元件具有或者沒有用于在一系列熱膨脹和熱收縮循環(huán)后保持構(gòu)成床的顆粒材料的厚度的臺(tái)階，從而減少了反應(yīng)劑或者污染物旁通的可能性。
在另一個(gè)可選擇的實(shí)施例中，固定床包括上述基本上從帶孔元件延伸到在床表面上方的一個(gè)位置的第一外邊界元件和設(shè)置在第一邊界元件和從在床的表面下方遠(yuǎn)離帶孔元件的位置延伸到在床的表面上方的位置的第二內(nèi)邊界元件之間的顆粒材料，例如催化劑、吸附劑或者惰性材料的存儲(chǔ)區(qū)。
第二邊界元件可具有任何任何適于限定顆粒材料的存儲(chǔ)區(qū)的形狀；例如，在床的表面上方的小面與流過(guò)所述床的流體流對(duì)準(zhǔn)或者可平行或者以一定角度遠(yuǎn)離第一邊界元件。最好，在床內(nèi)的第二邊界元件的形狀是這樣的，即，它具有相對(duì)于流體流過(guò)所述床的方向成20至70度之間的總角度以防止第二邊界元件影響床的厚度。第一和第二邊界元件的形狀和它們延伸到床的表面上方的距離以及它們的間距可用于限定存儲(chǔ)區(qū)的體積。最好，第一和第二邊界元件延伸到床的表面上方的距離在5和300毫米之間，并且第一和第二邊界元件之間的最近距離最好在10和100毫米之間。最好，第二邊界元件在床的表面的下方延伸到小于床深度的60％的深度處以減小第二邊界元件影響床的厚度的可能性。最好利用能夠使處理流體流過(guò)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)入床中的固定裝置，例如與通過(guò)所述存儲(chǔ)區(qū)的處理流體流對(duì)準(zhǔn)的螺栓、支柱、隔銷或者板將第二邊界元件固定到第一邊界元件上。最好，以使顆?？稍谥亓ψ饔孟峦ㄏ虼驳姆绞皆O(shè)置存儲(chǔ)區(qū)。
第二邊界元件的厚度在1-25毫米的范圍內(nèi)較好，最好在1-10毫米的范圍內(nèi)，并且可利用與第一邊界元件相同的材料制造。
通過(guò)以這樣的方式形成存儲(chǔ)區(qū)，固定床的深度以及周邊的滲透率可被控制，例如在經(jīng)過(guò)一系列熱膨脹和熱收縮循環(huán)后。在第一和第二邊界元件之間的增大的床厚度能夠減少在該區(qū)域中的滲透率，并且如果出現(xiàn)顆粒收縮，也可利用來(lái)自于存儲(chǔ)區(qū)的催化劑或者吸附劑顆粒來(lái)維持床的體積。
如上所述，本發(fā)明的固定床可是固定催化劑床。最好，催化劑可是適用于薄床中的任何催化劑。可在薄床中使用催化劑的處理例如包括例如使用顆粒鈷基催化劑的氨的氧化、例如使用鉬酸鈷或者鉬酸鎳氫化脫硫催化劑的氫化脫硫、例如使用銀催化劑的甲醛制造、氰化氫制造和部分氧化反應(yīng)，例如用于作為所謂的“氣到液”(GTL)工藝的一部分的碳?xì)浠衔锏牟糠盅趸?。諸如氧化鋁丸的惰性顆粒也可存在，例如在催化劑的下方作為支撐層。惰性顆粒的尺寸可與顆粒催化劑相同或者不同。
本發(fā)明的固定床也可是固定吸附劑床。對(duì)于術(shù)語(yǔ)“吸附劑”，我們必需包括吸附劑和吸附材料。任何適用于從處理流體中去除硫、汞、砷或者其化合物、水和/或氯化氫的吸附劑可被使用。吸附材料的示例包括用于去除硫的堿式碳酸鋅、錳的氧化物和銅/鋅氧化物、用于去除汞和去除砷的硫化銅以及用于去除氯化氫的鋁酸鈉或者碳酸鉛。
特別是，本發(fā)明適用于床經(jīng)受高溫的情況。床的溫度大于100℃較好，大于200℃更好，最好大于500℃。


現(xiàn)將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，在附圖中圖1是第一實(shí)施例所涉及的圓形固定催化劑或者吸附劑床的邊界區(qū)域的截面圖；圖2是第二實(shí)施例所涉及的圓形固定催化劑或者吸附劑床的邊界區(qū)域的截面圖；以及圖3是第三實(shí)施例所涉及的圓形固定催化劑或者吸附劑床的邊界區(qū)域的截面圖。
具體實(shí)施例方式
在圖1、2和3中，處理流體流過(guò)床的大部分的方向用箭頭“A”表示，該方向基本上是垂直的。為了清楚起見，附圖1、2、3示出了在處理流體流過(guò)床的大部分的方向(A)和在邊界元件下端(C)與床的表面(B)之間繪制的直線之間的總角度(θ)。
參見附圖，圖1示出了例如用于氨氧化的催化劑床。該床是由設(shè)置在具有能夠使氣體流過(guò)床的孔13的帶孔元件12上的在一層尺寸較大的惰性氧化鋁顆粒11上的一層含鈷催化劑顆粒10提供的。該床通過(guò)帶孔元件12被支撐，帶孔元件12抵靠在與容器壁15相連的凸耳14上。
邊界元件包括防止床10接觸容器壁15的直的小面16、17和18。小面16在床上方的連接點(diǎn)19處與容器壁15相連并且以相對(duì)于處理流體流過(guò)床的方向成30度的角度朝向床向下延伸到基本上處于連接點(diǎn)19和床10的表面之間的一半距離的位置處；小面17以0度，即基本上平行于處理氣體的流向從小面16的下端在床的表面下方延伸到基本上等于床的厚度的50％的深度處；以及小面18以相對(duì)于處理流體流過(guò)床的方向成35度的角度從小面17的下端延伸到帶孔元件12，延伸到基本上等于床的厚度的97％的深度處。邊界元件的總角度(θ)(即，處理流體流過(guò)床的方向A和點(diǎn)B-C之間繪制直線之間的角度)相對(duì)于處理流體流過(guò)床的方向成20度。
在圖2中，例如用于氨氧化的催化劑床由設(shè)置在具有能夠使氣體流過(guò)床的孔22的帶孔元件21上的一層含鈷催化劑顆粒20提供的。該床通過(guò)帶孔元件21被支撐，帶孔元件21抵靠在與容器壁24相連的凸耳23上。
邊界元件包括防止床20接觸容器壁24的直的小面25、26和曲面的小面27。臺(tái)階28設(shè)置在第二直小面26和曲小面27之間。直的上部小面25從在床上方的連接點(diǎn)27處從容器壁24以相對(duì)于處理流體流過(guò)床的方向成50度的角度延伸到基本上處于連接點(diǎn)27和床20的表面之間的一半距離的位置處；小面26以5度的角度從直的上部小面25的下端延伸到基本上等于床的厚度的33％的深度處；臺(tái)階28包括第一直臺(tái)階小面29和第二直臺(tái)階小面30，第一直臺(tái)階小面29以相對(duì)于處理流體流過(guò)床的方向成90度的角度從直的上部小面26的下端延伸等于床的厚度的15％的距離，第二直臺(tái)階小面30沿著遠(yuǎn)離床的方向以35度的角度從第一直臺(tái)階小面29的端部延伸基本上等于第一直臺(tái)階小面29長(zhǎng)度的距離。曲小面27與第二直臺(tái)階小面30的端部相連并且以45度的弦角朝向床延伸到基本上等于床的厚度的97％的深度處。邊界元件的總角度(θ)(即，處理流體流過(guò)床的方向A和點(diǎn)B-C之間繪制直線之間的角度)相對(duì)于處理流體流過(guò)床的方向成30度。
在圖3中，例如用于氨氧化的催化劑床由設(shè)置在具有能夠使氣體流過(guò)床的孔42的帶孔元件41上的一層含鈷催化劑顆粒40提供的。該床通過(guò)帶孔元件41被支撐，帶孔元件21抵靠在與容器壁44相連的凸耳43上。
第一邊界元件包括防止床40接觸容器壁44的直的小面45、46和曲面的小面47。小面45在床上方的連接點(diǎn)48處與容器壁44相連并且以相對(duì)于處理流體流過(guò)床的方向成30度的角度朝向床向下延伸到基本上處于連接點(diǎn)48和床40的表面之間的一半距離的位置處；小面46以0度，即基本上平行于處理氣體的流向從小面45的下端在床的表面下方延伸到基本上等于床的厚度的50％的深度處；以及曲小面47以45度的弦角從小面46的下端延伸到基本上等于床的厚度的97％的深度處。邊界元件的總角度(θ)(即，處理流體流過(guò)床的方向A和點(diǎn)B-C之間繪制直線之間的角度，其中B與床的大部分的表面平齊)相對(duì)于處理流體流過(guò)床的方向成20度。
含鈷的催化劑顆粒49的存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置在第一邊界元件和第二邊界元件50之間，第二邊界元件50從基本上與所述第一邊界元件的連接點(diǎn)48平齊的點(diǎn)處延伸到床中并且延伸到基本上等于床的厚度的50％的深度處。利用安裝在第一邊界元件上的分隔支柱(未示出)使第二邊界元件定位。第二邊界元件包括從床的表面上方延伸到床的表面的基本上垂直的直小面和以45度的弦角從與床垂直的小面的下端延伸到床中的曲小面。存儲(chǔ)區(qū)具有基本上等于床的厚度的50％的深度并且第二邊界元件以大約為床的厚度的四分之一的最近距離與所述第一元件隔開。第二邊界元件的總角度(即，處理流體流過(guò)床的方向A和點(diǎn)B′-C′之間繪制直線之間的角度)相對(duì)于處理流體流過(guò)床的方向也成20度。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如在WO98/28073中所述的處于800℃和900℃之間的用于氨氧化的50毫米深的鈷-稀土鈣鈦礦的催化劑床被設(shè)置在0.5-6米的圓形橫截面的反應(yīng)器中，所述催化劑床具有從床支撐裝置朝向床延伸的連續(xù)周邊邊界元件，所述邊界元件包括直的上部小面和曲面的下部小面并且在所述小面之間具有延伸到床中5至15毫米的臺(tái)階。在曲小面的下端和邊界元件與床的表面相交的點(diǎn)之間的總角度為相對(duì)于流體通過(guò)床的方向成20至70度之間。該催化劑顆粒通常為3毫米長(zhǎng)和直徑為3毫米的圓柱形丸粒。它們可被支撐在深度例如為25毫米的直徑通常為3-10毫米的α氧化鋁丸粒層上。在經(jīng)過(guò)一系列熱膨脹和熱收縮循環(huán)后邊界元件保持床的厚度。
盡管前面參照氨氧化工藝對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明的固定床也可用于許多工藝，特別是如上所述的使用催化劑或者吸附劑的薄床的工藝。
權(quán)利要求
1.一種可使處理流體流過(guò)的固定床，所述固定床包括設(shè)置在帶孔元件上并且由處理流體不滲透邊界元件界定的顆粒材料，其中，所述邊界元件的至少一部分以相對(duì)于流體流過(guò)所述床的方向形成20至70度之間的總角度在床的基本至少深度上界定所述顆粒材料。
2.如權(quán)利要求1所述的固定床，其特征在于，所述邊界元件包括在1至50個(gè)之間的曲面和/或直的小面。
3.如權(quán)利要求2所述的固定床，其特征在于，提供可在所述床的表面下方設(shè)置至少一個(gè)臺(tái)階的小面的組合。
4.如權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的固定床，其特征在于，所述固定床具有基本上從帶孔元件延伸到在床表面上方的一個(gè)位置的第一外邊界元件和設(shè)置在第一外邊界元件和第二內(nèi)邊界元件之間的顆粒材料存儲(chǔ)區(qū)，第二內(nèi)邊界元件從在床的表面下方遠(yuǎn)離帶孔元件的位置延伸到在床的表面上方的位置。
5.如權(quán)利要求1至4中任何一項(xiàng)所述的固定床，其特征在于，所述床是深度在5和500毫米之間的薄床。
6.如權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述的固定床，其特征在于，所述顆粒材料包括催化劑或者吸附劑，還可選擇地包括一種惰性材料。
7.如權(quán)利要求1至6中任何一項(xiàng)所述的固定床，其特征在于，所述床經(jīng)受大于100℃的溫度。
8.如權(quán)利要求1至7中任何一項(xiàng)所述的固定床的使用，其適用于從處理流體中去除含硫、汞、砷、水和/或氯化氫的材料。
9.如權(quán)利要求1至7中任何一項(xiàng)所述的固定床的使用，其適用于氨的氧化、氫化脫硫、氰化氫制造、甲醛制造和碳?xì)浠衔锏牟糠盅趸磻?yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包含經(jīng)受高溫操作的顆粒催化劑或者吸附劑材料(10)的固定床，所述固定床具有相對(duì)于流體流過(guò)床的方向傾斜的特定形狀的邊界元件(16)，所述邊界元件(16)能夠在經(jīng)過(guò)一系列熱膨脹和熱收縮循環(huán)后使所述催化劑或者吸附劑的深度保持在床的邊界處。通過(guò)保持床的深度，特定形狀的邊界元件(16)例如可防止通過(guò)顆粒氨氧化催化劑床的氨旁通。
文檔編號(hào)C01B21/26GK1545434SQ02816397
公開日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2002年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月27日
發(fā)明者肖恩·A·阿克索, 阿蘭·B·布里斯通, 安德魯·M·沃德, M 沃德, B 布里斯通, 肖恩 A 阿克索 申請(qǐng)人:約翰森·馬瑟公開有限公司, 約翰森 馬瑟公開有限公司