CN100376318C - 一种多段气固化学反应器 - Google Patents

Abstract

一种用于氨或甲醇合成的多段气固化学反应器，它由受压外筒14和受热内筒9组成，内筒9由上至下分三层，第一、二层之间由一个锅形集气器6分开，第二、三层由锅形集气器10分开，第二层中心装有换热器7，第三层中心装有换热器11。本发明反应生成物净含量高、出塔温度高、可产生中高压力蒸汽，且反应器结构合理、气流阻力小，节能效果显著。

Description

一种多段气固化学反应器

技术领域

本发明涉及一种用于氨或甲醇合成的多段气固化学反应器。

背景技术

在氨或甲醇合成生产中采用的已有气固化学反应器结构不尽合理，由于出塔温度较低，只能产生1.2-2.5Mpa饱和蒸汽，且反应气流阻力较大、循环耗电较多、有待改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种多段气固化学反应器，它结构简单、所产氨净值高，可产较高温度和压力的过热蒸汽而能源利用率高、循环电耗小、节能效果显著。

本发明的技术解决方案是，所述多段气固化学反应器有受压外筒和受热内筒且二者之间有环隙，受压外筒底部有与该环隙连通的冷态未反应气进口而顶部有顶盖，其结构特点是，所述受压内筒的内腔由上至下分为三层，第一、二层之间由第一锅形集气器分隔，第二、三层之间由第二锅形集气器分隔，第二层和第三层中分别装有换热器，位于所述第一和第二锅形集气器之间的集气套管的上端口经第一锅形集气器上分布的通气孔同第一层连通，该集气套管管壁分布有通气孔，第二层径向框侧壁分布有通气孔与其侧部环隙连通；该侧部环隙经第二锅形集气器底部间隙与第三层中的换热器顶部进气口连通，该换热器外圈筒体侧壁分布有通气孔，第三层径向框侧壁分布有通气孔与其侧部环隙连通二该侧部环隙与受压外筒底部的反应后气体出口连通；第三层中的换热器底部有与受压外筒底部的预热未反应气进口连通的进气管，该进气管同冷管束下端连通而所述冷管束上端同中心管下端连通，所述中心管的上端口位于受压外筒顶部的零米区内；所述受压外筒和受热内筒之间的环隙顶部依次经受压外筒顶侧的出口、带调节阀的连通管、受压外筒顶侧进口、连通管同下降管的上端连接，所述下降管的下端同第二层中换热器的冷管束一端连通，所述冷管束的另一端同上端口位于所述零米区内的上升管的下端连接。

以下做出进一步说明。

参见图1，本发明的多段气固化学反应器有受压外筒14和受热内筒9且二者之间有环隙26，受压外筒14底部有与该环隙26连通的冷态未反应气进口27而顶部有顶盖，其结构特点是，所述受压内筒9的内腔由上至下分为三层，第一、二层之间由第一锅形集气器6分隔，第二、三层之间由第二锅形集气器10分隔，第二层装有换热器7而第三层中装有换热器11，位于所述第一锅形集气器6和第二锅形集气器10之间的集气套管22的上端口经第一锅形集气器6上分布的若干通气孔同所述第一层连通，该集气套管22管壁上分布有通气孔，第二层径向框8侧壁分布有若干通气孔与其侧部环隙28连通；该侧部环隙28经第二锅形集气器10底部间隙与第三层中的换热器11顶部进气口连通，该换热器11的外圈筒体12侧壁分布有通气孔，第三层径向框13侧壁分布有若干通气孔与其侧部环隙29连通而该侧部环隙29与受压外筒14底部的反应后气体出口18连通；第三层中的换热器11底部有与受压外筒14底部的预热未反应气进口17连通的进气管，该进气管同冷管束下端连通而所述冷管束上端同中心管5下端连通，所述中心管5的上端口位于受压外筒14顶部的零米区30内；所述受压外筒14和受热内筒9之间的环隙26顶部依次经受压外筒顶侧的出口31、(如图2所示)带调节阀32的连通管34、受压外筒14顶侧进口33、连通管25同下降管23的上端连接，所述下降管23的下端同第二层中换热器7的冷管束一端连通，所述冷管束的另一端同上端口位于所述零米区30内的上升管24的下端连接。

参见图1，结合一个实施例说明本发明所述装置的工作原理是，受热内筒9中装填固体催化剂，未反应气体分成二股进入反应器，一股是30％-50％未反应气，温度为40℃，从底部的冷态未反应气进口27进入环隙26中，由下而上经环隙26被加热后，经出口31、连通管34、进口33、连通管25进入换热器7的冷管束，在冷管束内被管外反应热气体加热至360℃-400℃，经2-6根上升管24上升至催化床的零米区30中；另一股约50％-70％的经预热至220℃-240℃未反应气，从受压外筒14底部的预热未反应器进口17由下而上进入换热器11的冷管束内，被管外反应热气加热至360℃-400℃，从中心管5上端口出来，至零米区30内；该两股未反应气在零米区30内混合后，温度为360℃-400℃，轴向往下，经过第一段(第一层)绝热反应，温度升高，氨含量增加后，集中于第一锅形集气器6，往下到集气套管22中，穿过该集气套管22管壁均匀分布的若干通气小孔，第二段即冷管段反应，反应放出的热量被冷管束内的冷气冷却，继续径向流动，到第三段绝热反应，温度升高，氨含量继续增加反应后，通过径向框8的若干通气孔，往下集中于第二锅形集气器10，再往下进入换热器11管间，折向往下流动，被管内的未反应气冷却后，通过换热器11的外圈筒体12侧壁上分布的若通气小孔，径向往外流过第四段绝热反应；反应后，温度达到380℃以上，氨含量16％-18％，通过径向框13上的若干通气小孔与环隙29，往下流动，折向流向底部的中心管后经反应后气体气口18，出塔；利用其高温气体，产生3.0MPa-5.5MPa蒸汽.

本发明中，进入环隙26的未反应冷气体，占全体反应气体的30％-50％，以保护受压外筒14塔壁部不会温度过高。

最终反应段出来的高温热气，不是在反应器(塔)内热交冷却，而是出塔后，经过蒸汽过热器、蒸汽发生器降温，利用其热量产生中高压力蒸汽。

在反应器底部相应部位加入密封填料15、19，可有效防止出来的反应气与进入的为反应气之间相串。

本发明上述过程表明，催化床反应分三层四段，由上至下，第一层为第一段，为绝热反应段；第二层包括两个反应段，中间为内冷反应段，外圈为绝热反应段(第二、第三段)(或外圈为内冷反应段，内圈为绝热反应段)；第三层即为第四段，为间冷绝热反应段。所述四个反应段中，只有第一段反应气体流向为轴向，第二、三、四段反应气体流向均为径向。

本发明中反应热气由第一层进入第二层时，中间可设置间接列管式换热器，热气走管间，冷气走管内。第三层换热器11可以是细长型列管式或螺旋板式。

由以上可知，本发明为一种多段气固化学反应气，其优点有：

1、反应器只有一个冷却管束(或列管式换热器)和中间换热器，四段反应器，结构简单。

2、本发明的四段反应器，没有设置冷激，即没有氨含量很低的未反应气与反应后有一定氨量的热气混合，氨浓度没有降低，同时又有四段反应，下面为中间换热，反应温度趋近于最佳温度(即反应速度最快的温度)曲线，因此氨净值高达14％～16％。

3、本发明的出塔气体温度高达380℃以上，可利用其热量产生4.0MPa～5.2MPa 360℃以上的过热蒸汽，而其它反应器，出塔温度280℃～310℃，只能产生1.2MPa～2.5MPa饱和蒸汽。

4、本发明的四段反应中，有三段为径向，且三个径向催化床高度(轴向高度)占总催化床(四个段)高的85％以上，即轴向段在15％以下，因此阻力小，循环电耗小。

5、本发明的换热器可采用细长型，可以是列管式，也可以是螺旋板式，使热系数比光管要大30％，换热面积小，占空间，装催化剂多，生产能力大。过热饱和蒸汽，用于发电，有很好节能效果。

6、本发明的多段气固化学反应器因为塔径大(＞2000mm)，盖体重量重，故大盖由三个组合盖组成，反应器内易损件，冷管束、换热器与内筒本为支承架支承，没有焊接，新装置第一次内外筒组合时，三个盖打开，将内筒整体吊入组装，以后装催化剂或检查内筒部件时，将冷管束或换热器吊出检查，只打开第二个盖(中圈)，而不要打开外圈盖，组装电炉只要开中间小盖。减少了劳动强度和节约了组装时间。

如果反应器的塔径≤2000mm，所述大盖可采用整块式。

7、本发明多相气固相反应器的优点是间冷多段反应，催化剂装填量多，空速小(5000～8000h^-1)，反应生成物净含量(净值)高，如合成氨反应，氨净值为15％～16％，出塔温度高达400℃～430℃，有利产生3.0MPa～5.5MPa蒸汽；反应器径向段高度占85％以上，反应气流阻力小，0.2MPa～0.3MPa。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构示意图；

图2是图1所示设备采用两组出口31与进口33的结构示意图。

在图中：

1-小盖，  2-密封填料，3-中盖，

4-大盖，  5-中心管，  6-第一锅形集气器，

7-换热器，8-径向框，  9-受热内筒，

10-第二锅形集气器，  11-换热器，          12-外圈筒体，

13-径向框，          14-受压外筒，        15-密封填料，

16-上部短节，        17-预热未反应气进口，18-反应后气体出口，

19-密封填料，        20-下短节，          21-清污口，

22-集气套管，        23-下降管，          24-上升管，

25-连通管，          26-环隙，            27-冷态未反应气进口，

28-环隙，            29-环隙，            30-零米区，

31-出口，            32-调节阀，          33-进口，

34-连通管，          35-出气副阀。

具体实施方式

按照附图和上述结构的本发明装置，受压外筒14顶部的顶盖如图1所示设备由自下至上依次叠加的大盖4、中盖3、小盖1组成，大盖4开盖次数很少，只在第一次组装内筒时开启(包括大、中、小)，以后只开启中、小盖，装填催化剂或检查维修内件。

反应器底部有三通，由两节受压中空短节组成，上部短节16焊在受压外筒14体底部，下短节20用法兰与上短节连接，下部可用法兰，也可直接焊接连接在管道或蒸汽发生器上。

上部短节16与插入的未反应气进气管的环隙间，加入填料密封15，下短节与插入的反应热气出气管间环隙，加入密封填料19。

参见图2，反应气受压外筒14筒体法兰的两个出口31，通过连通管34，又从筒体14法兰上的两个进口33，进入与之相应的两根连通管(软管)25，进入到冷管束的两个下降管23关口。

在连通管34安有调节阀32(对应两个)，以便调节进冷管气体温度，平衡进入两下降管23的气量。

在连通管34安有一根出气副阀35，当冷管部需加入气体时，从环隙上来的气体可由此排至水冷前管线内。

上升管24和下降管23分别设置为6根和2根。

Claims (8)

1.一种多段气固化学反应器，有受压外筒(14)和受热内筒(9)且二者之间有环隙(26)，受压外筒(14)底部有与该环隙(26)连通的冷态未反应气进口(27)而顶部有顶盖，其特征是，所述受压内筒(9)的内腔由上至下分为三层，第一、二层之间由第一锅形集气器(6)分隔，第二、三层之间由第二锅形集气器(10)分隔，第二层装有换热器(7)而第三层中装有换热器(11)，位于所述第一锅形集气器(6)和第二锅形集气器(10)之间的集气套管(22)的上端口经第一锅形集气器(6)上分布的若干通气孔同所述第一层连通，该集气套管(22)管壁上分布有通气孔，第二层径向框(8)侧壁分布有若干通气孔与其侧部环隙(28)连通；该侧部环隙(28)经第二锅形集气器(10)底部间隙与第三层中的换热器(11)顶部进气口连通，该换热器(11)的外圈筒体(12)侧壁分布有通气孔，第三层径向框(13)侧壁分布有若干通气孔与其侧部环隙(29)连通而该侧部环隙(29)与受压外筒(14)底部的反应后气体出口(18)连通；第三层中的换热器(11)底部有与受压外筒(14)底部的预热未反应气进口(17)连通的进气管，该进气管同冷管束下端连通而所述冷管束上端同中心管(5)下端连通，所述中心管(5)的上端口位于受压外筒(14)顶部的零米区(30)内；所述受压外筒(14)和受热内筒(9)之间的环隙(26)顶部依次经受压外筒顶侧的出口(31)、带调节阀(32)的连通管(34)、受压外筒(14)顶侧进口(33)、连通管(25)同下降管(23)的上端连接，所述下降管(23)的下端同第二层中换热器(7)的冷管束一端连通，所述冷管束的另一端同上端口位于所述零米区(30)内的上升管(24)的下端连接。

2.根据权利要求1所述的多段气固化学反应器，其特征是，所述顶盖由自下至上依次叠加的大盖(4)、中盖(3)、小盖(1)组成。

3.根据权利要求1所述的多段气固反应器，其特征是所述由上至下分为三层的受热内筒(9)的内腔装填固体催化剂后组成相应的三层四段催化床，所述第一层为轴向反应段，第二层为二个径向反应段，第三层为径向反应段。

4.根据权利要求1所述的多段气固反应器，其特征是第二层的换热器(7)为冷管束内冷式或列管间冷式换热器。

5.根据权利要求3所述的多段气固反应器，其特征是第二层的换热器(7)为冷管束内冷式或列管间冷式换热器。

6.根据权利要求1、3、4、5中任一权利要求所述的多段气固反应器，其特征是第三层换热器(11)为细长型列管式或螺旋板式。

7.根据权利要求1、3、4、5中任一权利要求所述的多段气固反应器，其特征是未反应气分成两股，一股由下至上经第三层中间换热器被第二层的反应热气加热至反应温度后，经中心管上端出来，进入第一层反应，另一股由下至上经内外筒环隙预热进第二层换热器被第一层的反应热气加热至反应温度，经上升管到第一层进行反应。

8.根据权利要求6所述的多段气固反应器，其特征是未反应气分成两股，一股由下至上经第三层中间换热器被第二层的反应热气加热至反应温度后，经中心管上端出来，进入第一层反应，另一股由下至上经内外筒环隙预热进第二层换热器被第一层的反应热气加热至反应温度，经上升管到第一层进行反应。

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