Реактор и способ максимизации выхода метанола с применением слоев катализатора
Владельцы патента RU 2728351:
КЛАРИАНТ ИНТЕРНЭШНЛ ЛТД (CH)
Л'ЭР ЛИКИД, СОСЬЕТЕ АНОНИМ ПУР Л'ЭТЮД Э Л'ЭКСПЛУАТАСЬОН ДЕ ПРОСЕДЕ ЖОРЖ КЛОД (FR)
Изобретение относится к способу каталитического производства метанола из синтез-газа. Способ включает обеспечение реактора, содержащего два слоя катализатора, где первый слой катализатора расположен выше по ходу и второй слой катализатора расположен ниже по потоку и где активность первого слоя катализатора выше, чем активность второго слоя катализатора, применение синтез-газа в реакторе, содержащего водород и оксиды углерода, превращение синтез-газа в метанол и канализирование полученного метанола и не превращенного синтез-газа из реактора. Изобретение обеспечивает усовершенствование способа каталитического производства метанола и увеличение объемной производительности. 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл., 3 пр.
Изобретение относится к реактору для каталитического производства метанола и способу каталитического производства метанола из синтез-газа.
Способы получения метанола каталитическим превращением водорода и оксидов углерода, содержащих синтез-газ известны в данной области техники уже давно. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition, 1998 Electronic Release, глава „Methanol", подглава 5.2 „Synthesis" описывает одностадийный способ производства метанола.
Известный синтез метанола из окиси углерода, двуокиси углерода и водорода может быть описан следующими уравнениями:
Эти три уравнения являются экзотермическими. В реакциях 1 и 2 получают метанол. Низкие температуры и повышение давления приводят к сдвигу равновесия в сторону желаемого продукта метанола. Одновременно происходящая реакция 3, которая также является экзотермической, является так называемой реакцией ʺконверсии водяного газаʺ, в которой окись углерода превращается в двуокись углерода.
Из-за высокой экзотермической природы синтеза метанола необходим очень хороший контроль температуры реактора для предотвращения перегрева катализатора, что может привести к преждевременной деактивации из-за потери активной поверхности металла через коагуляцию кристаллитов металла, так называемое спекание. Кроме этого термического эффекта, из известного уровня техники также известно, что катализаторы металл/носитель, такие как катализатор на основе меди для синтеза метанола, подвержены реструктуризации поверхности под влиянием оксидов углерода, что приводит к потере активной поверхности металла через спекание и поэтому к потере активности. Типовой ссылкой является публикация Nihou et al., Journal de Chimie Physique et de Physico-Chimie Biologique (1988), 85(3), p. 441-448, в которой было показано EPMA-анализом, что поверхность катализаторов типа CuO/ZnO/AI2O3 во время превращения оксидов углерода с водородом в условиях синтеза метанола реструктурируется динамическим. Эта реструктуризация более выражена при высоких парциальных давлениях оксида углерода, чем при низких парциальных давлениях оксида углерода.
Целью современных разработок катализаторов для синтеза метанола является получение катализаторов, которые имеют высокую синтетическую активность при низких температурах реакции. Проектные брошюры по современным доступным катализаторам для синтеза метанола относятся к их повышенной синтетической активности при низких температурах; примером является брошюра „MK-121 - High activity methanol synthesis catalyst" (Haldor Topsoe A/S), которая доступна в Интернете на http://www.topsoe.com/. Повышенная низкотемпературная активность обеспечивается улучшенной дисперсией меди на поверхности катализатора. Разработки других производителей катализаторов ведутся в том же направлении; Clariant предлагает катализатор для синтеза метанола MegaMax® 800 как улучшенную версию катализатора MegaMax® 700, где первый недавно разработанный катализатор имеет более высокую активность при низких температурах благодаря оптимизированной дисперсии меди (Nitrogen+Syngas 290, 11 -12 (2007), 26-42).
Как правило, катализаторы металл/носитель с высокой дисперсией более уязвимы для деактивации в результате спекания. Μοnzόn et al. показали в Applied Catalysis A: General 248 (2003), 279-289, что Скорость дисперсионного уменьшения катализаторов благородный металл/носитель следует кинетическому подходу
Где Dr является относительной дисперсией, которая определяется отношением 
, в котором D является абсолютным значением дисперсии во времени t и D0 является абсолютным значением дисперсии во время ноль. Drr является пределом относительной дисперсии для 
; ΨD является кинетической константой деактивации. n является кинетическим порядком реакции деактивации; В указанной выше ссылке утверждается, что кинетический порядок может быть удовлетворительно описан для всех опубликованных данных в литературе для кинетики деактивации катализаторов драгоценный металл/носитель из-за спекания с n=1-2. Из этого следует, что более быстрое относительное снижение дисперсии следует ожидать при использовании катализатора драгоценный металл/носитель с высокой дисперсией в идентичных в другом условиях. Более быстрое уменьшение дисперсии приводит к более быстрой потере активности и, следовательно, к более низкой долгосрочной стабильности катализатора.
В случае использования катализатора с высокой активностью было показано, что в начальной зоне слоя реактора образуется ярко выраженная не изотермическая зона реакции с ярко выраженной горячей точкой. Эта горячая точка имеет температуру на 30-40°С выше температуры охлаждающей жидкости и, следовательно, выше другой температуры в реакторе. Эта горячая точка имеет температуру на 30°C-40°C выше температуры охладителя и, следовательно, выше другой температуры в реакторе. Из-за этой горячей точки эффективность катализатора в этой области снижается, примерно до около 50%. Кроме того, повышенная температура приводит к более быстрой деактивации материала катализатора из-за спекания. Деактивация катализатора, в свою очередь, приводит к миграции горячей точки через реактор, в результате чего катализатор в целом подвергается более быстрой деактивации.
Двухстадийный способ производства метанол например известен из заявки WO 2011/101081 A1. Там поток синтез-газа, содержащий водород и оксиды углерода, превращают на двух стадиях реакции в реакторе для синтеза метанола с водяным охлаждением, а затем в реакторе для синтеза метанола с газовым охлаждением. В обоих реакторах для синтеза обычно используют одни и те же катализаторы для синтеза метанола на основе меди. Однако в первом реакторе используется катализатор, который имеет более низкую активность, чем катализатор, который используется во втором реакторе. Таким образом, предотвращается быстрая потеря активности катализатора, используемого в первом реакторе, из-за высоких температур. При использовании катализатора с относительно низкой активностью в первом реакторе, превращение синтез-газа может быть увеличено, если реакторы используются в течение более длительного времени. Здесь используется эффект, описанный в цитированной выше работе Μοnzόn et al. Более подробно, относительная дисперсия не опускается ниже предела Drr относительной дисперсии в течение очень длительного рабочего периода с определенными условиями реакции. Это означает, что катализаторы драгоценный металл/носитель, которые работают в течение длительного времени, имеют дисперсию, отличную от нуля, и, следовательно, остаточную активность. Эта наблюдаемая обратная корреляция между дисперсией и активностью, с одной стороны, и долгосрочной стабильностью, с другой стороны, для катализаторов драгоценный металл/носитель применима к катализаторам на основе меди для синтеза метанола.
Помимо термически вызванной деактивации катализатора, существует проблема, связанная с выделением большого количества тепла при использовании каталитического материала с высокой активностью и, следовательно, с высокой конверсией синтез-газа. Повышение температуры приводит, помимо описанной выше деактивации катализатора, к реакции достижения термодинамического равновесия. При достижении термодинамического равновесия дальнейшая конверсия синтез-газа не происходит. В дальнейшем пути слоя катализатора тогда преобладают более низкие температуры вместе с уменьшающимся количеством оксидов углерода в синтез-газе, поскольку часть оксидов уже превращена. Высокоактивный и дорогой катализатор в этих условиях не оптимален для конверсии синтез-газ.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы улучшить способ производства метанола и используемые в нем реакторы так, чтобы описанные выше недостатки были устранены или, по меньшей мере, уменьшены, а объемная производительность увеличена.
Согласно первому аспекту изобретения, представлен реактор для каталитического производства метанола, в котором представлены, по меньшей мере, два слоя катализатора. Первый слой катализатора расположен выше по потоку, и второй слой катализатора расположен ниже по потоку. Активность первого слоя катализатора выше, чем активность второго слоя катализатора.
При расположении, в соответствии с данным изобретением, первого слоя материала катализатора с более высокой активностью выше по потоку достигается высокая конверсия синтез-газа в начале слоя катализатора и, соответственно, выделяется большое количество тепла. Таким образом, достигается оптимальная температура реакции около 250°С. Другой слой катализатора с более низкой активностью предотвращает или уменьшает развитие ярко выраженной горячей точки, которая может быстро уменьшить активность катализатора. Размер развивающейся горячей точки будет меняться с увеличением времени работы от изначально узкой и высокой до все более широкой и плоской и дополнительно мигрирующей вниз по потоку.
Предпочтительно толщина первого слоя катализатора выше по потоку выбирается меньше, предпочтительно значительно меньше, чем толщина слоя ниже по потоку. В этом случае расположенный выше по потоку высокоактивный слой катализатора служит для нагревания слоя катализатора до оптимальной температуры. На оставшемся пути слоя катализатора, то есть в области второго, расположенного ниже по потоку слоя катализатора с более низкой активностью, образуется меньшее количество тепла и предотвращается деактивация катализатора. Толщина первого слоя катализатора выбирается таким образом, чтобы в этом тонком слое не достигалась температура, которая позволила бы образование ярко выраженной горячей точки.
В одном варианте, слои катализатора расположены непосредственно рядом друг с другом в направлении потока синтеза-газа. В другом варианте, слои предусмотрены в одной каталитической загрузке в слое катализатора. Между слоями катализатора может быть расположен инертный материал. Внутри этой слоистой структуры температуру можно поддерживать в желаемых пределах за счет толщины слоя и активности используемых катализаторов.
Преимущественно, дополнительные слои катализатора, предпочтительно два дополнительных слоя катализатора, предусмотрены в реакторе, где каждый из слоев катализатора расположен ниже по потоку от второго слоя катализатора, и где активность слоев катализатора последовательно увеличивается по направлению к заднему по ходу концу реактора.
Таким образом, создается слой из нескольких, предпочтительно четырех слоев катализатора. Активность отдельных слоев катализатора выбирается таким образом, чтобы конверсия синтез-газа была оптимизирована. Первый слой обладает относительно высокой активностью для обеспечения нагрева реактора до оптимальной температуры, как описано выше. При применении слоя с высокой активностью в этом слое может быть достигнута температура 230°C-260°C, предпочтительно около 250°C. Этот слой катализатора предпочтительно сконфигурирован значительно тоньше, чем остальные слои катализатора, так как этот слой преимущественно применяют для нагревания реактора. Этот слой сконфигурирован настолько тонким, что никакая озвученная горячая точка не образуется. Дополнительно, частичное превращение синтез-газа происходит в первом слое. В одном варианте, разные слои катализатора расположены непосредственно рядом друг с другом по ходу потока синтез-газа.
Второй слой катализатора имеет более низкую активность. Этот слой применяют для предотвращения горячей точки или чтобы помешать ее развитию, как описано выше. Таким образом, этот слой обеспечивает то, что горячая точка образуется широкой и плоской, и что усиленная деактивация материала катализатора высокой активности не происходит. Предпочтительно, для этого слоя катализатора применяют материал катализатора, который обладает долговременной стойкостью. Этот слой может состоять из материала катализатора, который имеет изначально более низкую активность. Активность катализатора может быть адаптирована добавлением модератора активности или селективного каталитического яда, или разбавлением инертным наполнителем. Активность означает степень превращения из реагентов в продукты на единицу длины реактора. На активность влияет химическая композиция, легирование, отравление, доступная поверхность и т.д. материала катализатора, а также геометрия катализатора. Например, катализатор с высокой активностью в форме больших сфер имеет меньшую активность, чем катализатор с низкой активностью в форме микросфер.
Следующий дополнительный катализатор имеет последовательно возрастающую активность, т.е. более высокую активность, чем ранее описанный второй слой катализатора. Таким образом, превращение синтез-газа максимизируется. Ниже по потоку от второго слоя катализатора расположены другие слои катализатора, которые могут сохранять свою высокую активность в течение длительного времени, так как частичное превращение синтез-газа уже произошло. Частичное превращение синтез-газа приводит к тому, что оставшийся синтез-газ становится менее реакционноспособным, так как отношение между реагентами и продуктами смещается в направлении продуктов. Таким образом, тепловыделение снижается, несмотря на высокоактивные слои катализатора.
Предпочтительно, толщина слоя первого слоя катализатора составляет 5%-20%, предпочтительно, 10%, от общей толщины всех слоев катализатора, и предпочтительно толщина слоев остальных слоев катализатора составляет 30% от общей толщины всех слоев катализатора, соответственно.
Предпочтительно, все применяемые катализаторы являются катализаторами на основе меди. Катализаторы для синтеза метанола типа Cu/Zn/Al2O3 применяют для синтеза метанола с разными дисперсиями меди и, следовательно, разной активностью.
Предпочтительно, слои катализатора имеют одинаковый материал катализатора, где слои катализатора в более низкой активностью содержат частично деактивированный материал катализатора.
Предпочтительно, такой частично деактивированный катализатор получают с применением уже использованных ниже по потоку синтеза метанола катализаторов, которые применяют в течение более длительного времени и которые, таким образом, теряют часть своей активности. Предпочтительно, частично деактивированный катализатор удаляют из находящегося ниже по потоку слоя катализатора, этот слой катализатора наполняют свежим, высокоактивным катализатором, и удаленный ранее, частично деактивированный катализатор применяют во втором слое катализатора с низкой активностью. Когда это целесообразно, частично деактивированный катализатор, как известно специалисту в данной области техники, наполняют инертными веществами, например, контролируемым окислением, и реактивируют восстанавливающими газами. Применяя этот подход, покупают исключительно свежий, высокоактивный катализатор, время работы которого может быть увеличено, что приводит к экономическим преимуществам и снижению количества деактивированного катализатора, подлежащего утилизации.
Предпочтительно, слои катализатора содержат разные катализаторы. Таким образом, может быть достигнута оптимальная регулировка активности и долгосрочной стабильности первого и второго слоя катализатора.
Предпочтительно, катализаторы являются твердыми. Более предпочтительно, катализаторы представлены в форме уплотненных слоев наполнителей. Слои катализатора получают последовательным заполнением желаемых слоев катализатора в уплотненном слое. Таким образом, слои катализатора могут быть расположены непосредственно рядом друг с другом. Также, инертный материал может быть расположен между слоями катализатора для предотвращения смешивания катализаторов и для упрощения удаления отдельных слоев. Во время заполнения обеспечивается, чтобы слои катализатора были расположены последовательно в направлении потока синтез-газа.
При такой конфигурации, катализаторы располагаются в реакторе в желаемых слоях. Кроме того, катализаторы могут быть легко удалены из реактора слой за слоем.
Предпочтительно, слои катализатора формируют из катализаторов в форме гранул, где более предпочтительно, размер гранул катализаторов слоев катализатора различается.
Размер гранул катализатора влияет на ингибирование диффузии материала катализатора. Чем меньше применяемые гранулы, тем ниже ингибирование диффузии материала катализатора. Реагенты могут быстрее рассеиваться в гранулированный материал, и метанол может быть быстрее выведен из материала. Меньшие гранулы предпочтительно применяют в высокоактивных низлежащих слоях. Большие гранулы предпочтительно применяют для слоев которые, как предполагается, имеют относительно низкую активность, например, гранулы цилиндрической формы диаметром 6 мм и высотой 4 мм.
Предпочтительно, реактор выполнен в виде реактора с водяным охлаждением. Альтернативно, реактор выполнен в виде реактора с газовым охлаждением. Реактор также может быть выполнен в виде не охлаждаемого адиабатического реактора.
Согласно другому аспекту, предложен способ каталитического производства метанола из синтез-газа. Способ содержит следующие стадии:
обеспечение реактора;
размещение, по крайней мере, двух слоев катализатора в реакторе,
где первый слой катализатора расположен выше по ходу, и второй слой катализатора расположен ниже по потоку, и где активность первого слоя катализатора выше, чем активность второго слоя катализатора;
применение синтез-газа в реакторе, содержащего водород и оксиды углерода,
превращение синтез-газа в реакторе в условиях синтеза метанола в метанол,
канализирование полученного метанола и не превращенного синтез-газа из реактора.
Предпочтительно, температура охлаждения реактора, который предпочтительно выполнен в виде реактора с водяным охлаждением, во время синтеза составляет 200°C-260°C, предпочтительно, 230°C-250°C.
Температура около 230°C-250°C считается оптимальной температурой для синтеза метанола. Расположенный выше по потоку слой катализатора нагревает синтез-газ до оптимальной температуры реакции с помощью реакционного тепла. Также в этом случае может быть достигнуто нагревание воды реактора до оптимальной температуры. Затем вода может быть использована для привода паровой турбины.
Предпочтительно, температура во время синтеза синтез-газа не превышает 250°C-270°C и, предпочтительно, составляет около 260°C во всех слоях катализатора.
При регулировании активности в последующих слоях катализатора, то есть, уменьшении активности во втором слое и последовательном повышении активности в следующих слоях, температура в слоях катализатора не повышается до высоких температур. Поэтому деактивация катализаторов происходит медленнее, чем при высокой максимальной температуре примерно 280°C. В то же время, применение оптимально отрегулированных слоев катализатора приводит к повышению объемно-удельной производительности метанола (объемная производительность) из синтез-газа.
В способе в соответствии с данным изобретением, более 70%, предпочтительно, более 75%, и более предпочтительно, более 79% окиси углерода из синтез-газа превращается в реакторе во время первого прохождения газа. Это достигается предотвращением относительно быстрой деактивации материала катализатора с высокой активностью благодаря расположению слоев катализатора в соответствии с данным изобретением.
В способе в соответствии с данным изобретением более 25%, предпочтительно, более 30% и более предпочтительно, более 33% двуокиси углерода синтез-газа превращается в реакторе во время одного прохождения газа.
Термин ʺвыше по потокуʺ и ʺниже по потокуʺ означает расположение слоев катализатора в реакторе. В реакторе для синтез-газа предусмотрены сторона впуска газа и сторона выпуска газа. Синтез-газ поступает через сторону впуска газа во внутреннюю камеру реактора, в которой предусмотрены слои катализатора. После прохождения через слои катализатора, синтез-газ покидает реактор через сторону выпуска газа. Поэтому поток синтез-газа определяет направление, в котором синтез-газ поступает через находящуюся ʺвыше по потокуʺ сторону впуска газа во внутреннюю камеру реактора и выходит из внутренней камеры реактора через расположенную ʺниже по потокуʺ сторону выпуска газа. Таким образом, первый слой катализатора расположен в реакторе ближе к стороне впуска газа, чем второй слой катализатора, который расположен ближе к стороне выпуска газа реактора.
Изобретение будет описано далее со ссылкой на прилагаемые чертежи с помощью нескольких примеров более подробно. Чертежи показывают:
Фиг. 1: схематическое изображение конфигурации двух реакторов согласно заявке WO 2011/101081 А1;
Фиг. 2: схематическая базовая конфигурация двух реакторов с одним слоем катализатора каждый;
Фиг. 3: иллюстративная первая конфигурация реактора с двумя слоями катализатора в соответствии с данным изобретением;
Фиг. 4: иллюстративная вторая конфигурация реактора с четырьмя слоями катализатора в соответствии с данным изобретением; и
Фиг. 5: примерная диаграмма измерения для сравнения третьего примера с базовой конфигурацией.
Базовая конфигурация
Базовая конфигурация, которая представлена как сравнительная конфигурация, была выбрана так, что она напоминает структуру устройства, которое обычно применяют в промышленности на заводе по синтезу метанола, в которой применяют два реактора с одним слоем катализатора, и как примерно описано в заявке WO 2011/101081 A1. Конкретное описание компонентов, которые изображены на фиг. 1, можно увидеть по ссылке на описание фиг. 1 в заявке WO 2011/101081 A1. В базовой конфигурации применяется два реактора 1 и 2. В обоих реакторах применяют одинаковый материал катализатора MegaMax® 800 с размером гранул 6×4 мм. Однако, в этом и описанных далее примерах могут применяться случайные материалы катализатора, такие как катализаторы для синтеза метанола на основе меди, до тех пор, пока слои катализатора имеют желаемую активность и толщину, чтобы предотвратить или уменьшить образование горячей точки. Первый реактор, реактор 1, укомплектован в виде реактора с водяным охлаждением (РВО - реактор с водяным охлаждением), в то время как второй реактор, реактор 2, укомплектован так, что он имеет сходство с температурным профилем реактора с газовым охлаждением (РГО - реактор с газовым охлаждением), который известен в данной области техники. Схематическая структура базовой конфигурации изображена на фиг. 2. В следующих таблицах значения измерений этой базовой конфигурации представлены в третьей колонке.
В следующих таблицах, mкатализатор означает массу применяемого материала катализатора. Tохл(первый реактор) означает температуру водяного кожуха в области первого слоя катализатора. Отношение рециркулирования RR означает отношение между свежим и повторно применяемым, не превращенным синтез-газом. ЧОСГ означает часовую объемную скорость газа. Tmax означает максимальную температуру в катализаторе во время синтеза. XCO_оп (первый реактор) означает количество превращенной окиси углерода в первом реакторе, где первый реактор в примерах в соответствии с данным изобретением является реактором, в котором расположены слои катализатора в соответствии с данным изобретением. XCO2_оп (первый реактор) означает количество превращенной двуокиси углерода в первом реакторе. XCO_оп (все реакторы) (оп - за один проход) означает количество превращенной окиси углерода во всех реакторах всего. XCO2_оп (все реакторы) означает количество превращенной двуокиси углерода во всех реакторах всего. STY(первый реактор) означает удельные выпуски продукта или объемную производительность, т.е. количество продукта, образовавшегося в первом реакторе на объем и время. STY(все реакторы) соответственно означает удельный выпуск продукта во всех реакторах. Эта номенклатура также применяется в следующих примерах в соответствии с данным изобретением. Таким образом, базовую конфигурацию с двумя реакторами сравнивают с конфигурацией в соответствии с данным изобретением с множеством слоев катализатора в одном реакторе.
Пример 1
Как изображено на фиг. 3, два слоя катализатора представлены в первой конфигурации в реакторе 1 в соответствии с данным изобретением. Двумя катализаторами являются катализаторы серии MegaMax®, в частности, катализаторы MegaMax® 800, где катализаторы имеют разные размеры гранул. Также могут применяться другие катализаторы, такие как катализаторы для синтеза метанола на основе меди. Первый слой катализатора имеет размер гранул 3×3 мм, а второй слой катализатора имеет размер гранул 6×4 мм.
Синтез-газ проходит из первого слоя катализатора во второй слой катализатора. Первый слой катализатора имеет более высокую активность, чем второй слой катализатора.
Дополнительно, как изображено на фиг. 3, представлен дополнительный реактор 2, который имеет только один слой катализатора. Этот реактор содержит только один катализатор с умеренной активностью (MegaMax® 800 с размером гранул 6×4 мм). Помимо нахождения двух слоев катализатора в реакторе с водяным охлаждением 1, структура соответствует структуре, которая изображена на фиг. 2.
Далее сравнение конфигурации в соответствии с первым примером в соответствии с данным изобретением (второй столбец) и базовой конфигурацией (третий столбец) изображено в виде таблицы.
| 2-слойный катализатор - 2 реактора | базовая конфигурация - 1 катализатор - 2 реактора | единица | |
| mкатализатор | 2,8 | 2,8 | Кг |
| Tохл(первый реактор) | 230 | 250 | °C |
| отношение рециркулирования | 1,6 | 1,6 | - |
| ЧОСГ | 15000 | 15000 | ч-1 |
| Tmax | 286,4 ± 2,2 | 284,0 ± 2,1 | °C |
| XCO_оп (первый реактор) | 87,7 ± 1,2 | 69,8 ± 1,2 | % |
| XCO2_оп (первый реактор) | 30,0 ± 7,4 | 15,2 ± 3,7 | % |
| XCO_оп (все реакторы) | 90,2 ± 1,1 | 86,3 ± 1,2 | % |
| XCO2_оп (все реакторы) | 35,0 ± 3,4 | 25,0 ± 6,9 | % |
| STY(первый реактор) | 2,02 ± 0,11 | 1,70 ± 0,06 | кг/(л*ч) |
| STY(все реакторы) | 0,91 ± 0,12 | 0,96 ± 0,05 | кг/(л*ч) |
Таблица 1
Это сравнение показывает, что, размещением 2 слоев катализатора в первом реакторе как описано выше, превращение окиси углерода может быть увеличено на около 18%, и превращение двуокиси углерода на около 15%. Также, удельный выход продукта в первом реакторе может быть повышен на около 18%. При повышенном превращении окисей углерода в первом реакторе также может быть повышено выделение тепла. Хотя температура охладителя понижена в примере, максимальная температура Tmax повышается по сравнению с базовой конфигурацией. Пониженная температура охлаждения способствует увеличению конверсии окисного углерода примерно на 8%, поскольку при этой температуре происходит более высокая равновесная конверсия.
Пример 2
На фиг. 4 показана вторая конфигурация в соответствии с данным изобретением, в которой представлен только один реактор, заполненный катализатором. Этот реактор охлаждается водой. Конфигурация соответствует конфигурации, которая показана на фиг. 2 с тем отличием, что вместо двух реакторов 1 и 2 только реактор с водяным охлаждением 1 заполняется катализатором, и реактор 2 остается пустым. В этом реакторе 1 представлены четыре слоя катализатора, где часть этих катализаторов являются катализаторы серии MegaMax®. Слои составлены как первый слой MegaMax® 800 с размером гранул 6×4 мм и относительной толщиной слоя 10%, по отношению к общей толщине всех слоев катализатора. Вторым слоем является C79-5 с размером гранул 5×5 мм и относительной толщиной слоя 30%. Третьим слоем является MegaMax® 800 с размером гранул 6×4 мм с относительной толщиной слоя 30%. Четвертым слоем является MegaMax® 800 с размером гранул 3×3 мм с относительной толщиной слоя 30%. Также могут применяться другие катализаторы, такие как катализаторы для синтеза метанола на основе меди. Катализаторы и размеры частиц выбраны так, что активность последнего слоя катализатора является наибольшей. Второй слой имеет наименьшую активность.
Как можно видеть из следующей таблицы 2, превращение окисей углерода и удельный выход продукта в конфигурации в соответствии с данным изобретением увеличено по сравнению с базовой конфигурацией на около 10% (CO) и 18% (CO2). Также благодаря повышенному превращению окисей углерода, теплообразование в реакторе повышено, что приводит к наивысшей максимальной температуре Tmax в слое катализатора. Так как только один реактор применяют в конфигурации в соответствии с данным изобретением, удельный выход продукта всего завода повышается на около 115%.
| 4-слойный катализатор - 1 реактор | базовая конфигурация - 1 катализатор - 2 реактора | Единица | |
| mкатализатор | 1,5 | 2,8 | Кг |
| Tохл(первый реактор) | 250 | 250 | °C |
| отношение рециркулирования | 1,6 | 1,6 | - |
| ЧОСГ | 15000 | 15000 | ч-1 |
| Tmax | 286,2 ± 1,0 | 284,0 ± 2,1 | °C |
| XCO_оп (первый реактор) | 79,7 ± 1,0 | 69,8 ± 1,2 | % |
| XCO2_оп (первый реактор) | 33,2 ± 1,7 | 15,2 ± 3,7 | % |
| XCO_оп (все реакторы) | - | 86,3 ± 1,2 | % |
| XCO2_оп (все реакторы) | - | 25,0 ± 6,9 | % |
| STY(первый реактор) | 2,06 ± 0,03 | 1,70 ± 0,06 | кг/(л*ч) |
| STY(все реакторы) | - | 0,96 ± 0,05 | кг/(л*ч) |
Таблица 2
Пример 3
В третьем примере выбрана структурная конфигурация как показано на фиг. 4. По сравнению со вторым примером, реакцию синтеза проводят при более низкой температуре. Это приводит к пониженной деактивации катализаторов и, следовательно, к более высокому выходу. Предполагается, что активность катализаторов после 1000 часов работы примерно на 10% выше, чем активность катализаторов в базовой конфигурации. Как показано в следующей таблице, превращение окисей углерода повышается по сравнению с базовой конфигурацией на около 13% (CO) и 19% (CO2), и удельный выход продукта реактора на 22%.
| 4-слойный катализатор - 1 реактор | базовая конфигурация - 1 катализатор - 2 реактора | Единица | |
| mкатализатор | 1,5 | 2,8 | Кг |
| Tохл(первый реактор) | 230 | 250 | °C |
| отношение рециркулирования | 1,6 | 1,6 | - |
| ЧОСГ | 15000 | 15000 | ч-1 |
| Tmax | 260,5 ± 0,6 | 284,0 ± 2,1 | °C |
| XCO_оп (первый реактор) | 82,4 ± 0,6 | 69,8 ± 1,2 | % |
| XCO2_оп (первый реактор) | 34,2 ± 1,2 | 15,2 ± 3,7 | % |
| XCO_оп (все реакторы) | - | 86,3 ± 1,2 | % |
| XCO2_оп (все реакторы) | - | 25,0 ± 6,9 | % |
| STY(первый реактор) | 2,07 ± 0,04 | 1,70 ± 0,06 | кг/(л*ч) |
| STY(все реакторы) | - | 0,96 ± 0,05 | кг/(л*ч) |
Таблица 3
На фиг. 5 показано развитие температуры в слоях катализатора во время синтеза в основной конфигурации и в конфигурации, которая показана на фиг. 4 при более низком температурном режиме (пример 3). При применении четырех слоев катализатора, температура в слоях катализатора может быть понижена, в то же время, превращение окисей углерода и удельный выход продукта может быть увеличен.
Описанные выше примерные варианты не следует понимать как ограничивающие. Другие варианты, которые соответствуют вышеописанным примерным вариантам осуществления, теперь достаточно описаны для специалиста в данной области.
1. Способ каталитического производства метанола из синтез-газа, где способ содержит следующие стадии:
обеспечение реактора;
размещение по крайней мере двух слоев катализатора в реакторе,
где первый слой катализатора расположен выше по ходу и второй слой катализатора расположен ниже по потоку и где активность первого слоя катализатора выше, чем активность второго слоя катализатора;
применение синтез-газа в реакторе, содержащего водород и оксиды углерода;
превращение синтез-газа в реакторе в условиях синтеза метанола в метанол;
канализирование полученного метанола и не превращенного синтез-газа из реактора.
2. Способ по п. 1, где реактором является реактор с водяным охлаждением и температура охлаждения составляет от 200 до 260°C, предпочтительно от 230 до 250°C.
3. Способ по п. 1 или 2, где по крайней мере два дополнительных слоя катализатора расположены в реакторе, где каждый дополнительный слой катализатора расположен ниже по потоку от второго слоя катализатора, и где активность дополнительных слоев катализатора последовательно возрастает в направлении ниже по потоку к концу реактора.
4. Способ по одному из пп. 1, 2, где температура охлаждения и толщина слоя и активность отдельных слоев катализатора выбраны так, что полученная температура реакции не превышает 260°C.
