CN100528320C - 横向管式换热反应设备 - Google Patents

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Abstract

一种横向管式换热催化反应设备，主要由带封头E的壳体P，连接换热管b的管板d，支承催化剂K的多孔支承板a和催化剂K上的多孔气体分布器C，壳体P上的气体进口1和反应气出口2，冷却介质L进口3和出口4组成。催化剂层的换热管b横向放置，换热管内介质横向流动，气体G由气体分布器C气孔进换热管b外的催化剂层，由上向下流动进行反应，与换热管内横向流动的介质L换热，是一种催化剂层温差小、触媒活性高、触媒装填系数大，床层阻力小，结构简单可靠、操作性能好的反应器。

Description

横向管式换热反应设备
技术领域
本发明是一种气固相催化反应设备，用于流体催化反应和传热过程，属化学工程领域，特别适用于甲醇、甲醚、烃类等合成反应过程，也可用于乙烯氧化合成环氧乙烷，醋酸乙烯，苯酐合成，氨合成等反应过程。
背景技术
对于由加压下甲醇合成、甲胺、甲醚、氨、烃类等合成这类气固相放热催化反应，随着反应过程的进行，不断放出的反应热使催化剂层温度提高。为了提高反应器的效率，需要把反应热移出以降低反应温度。在工业反应器中曾广为使用的一种是多段原料气冷激来降低反应温度(房鼎业等编著，甲醇生产技术及进展，上海华东化工学院出版社，1990)。这种反应器因原料气冷激时在降低反应气温度的同时也降低了反应物浓度，影响了合成率。
另一种如德国Lurgi公司的用于甲醇合成的列管式反应器(DE 2123950)，在受压外壳中有上下管板间的多根圆管，管中装有催化剂，原料气从上部进气口进入分布到各管中，在管内触媒层中合成甲醇，管间侧面进水。反应热被管外沸腾水连续移热，产生蒸汽由侧面管出，反应气由底部出气管出塔，该塔温差小，但触媒装填系数小，投资大。其他如日本三菱公司的SPC超转化率反应器(JP 63-123433)，催化剂装在内外套管间，同样存在装填系数小的问题。近年来如甲醇作为化工原料、燃料用途的扩大，生产装置规模扩大。德国Lurgi公司提出了大甲醇(Megan methanol)概念，开发了气冷一管壳水冷联合反应器(见Nitrogen & methanol No 261 H.W.Balthazar Jan/Feb 2003)，首套5000吨/日装置已在特立尼达多巴哥的Atlas成功投运，这虽是世界上第一套单系列年产160万吨大甲醇装置，但该装置用2台管壳反应器并联和一台气冷反应器串联组合，存在反应器台数多、投资大、甲醇合成塔阻力大的缺点。DAVY公司设计的管内水冷大型甲醇合成塔(见2005.4.20“International Methanol conference inChina”)，用于特立尼达多巴哥日产5400吨装置，该塔为立式，催化剂床层高达数十米，这对用压制成型的甲醇催化剂易粉研，且上部和下部密度难以一致，容易造成径向流的反应气体在催化剂层中分布不均而影响反应效率。
本发明的任务是依据气固相催化放热可逆反应的特点，克服现有技术的缺点，提供一个触媒层温差小、触媒活性高、结构简单可靠、操作性能好，特别适用于大型化工装置的反应器。
发明内容
本发明提供一种横向管式换热反应设备，主要由带封头E的壳体P，连接换热管b的管板(或环管)d，支承催化剂K的多孔支承板a和催化剂K上的多孔气体分布器C，壳体P上的气体进口1和反应气出口2，封头E上有冷却介质进口3和出口4组成的反应器，其主要是催化剂层的换热管b横向放置(与水平面夹角小于45°)，换热管内介质横向流动，气体G由气体分布器C气孔进换热管b外的催化剂层，主要为上下方向流动进行反应，与换热管b内横向流动的介质L换热，到支承板a气孔出催化剂层，经出气口2出反应器。
在本发明的一个较好实例中，连接换热管b的管板d1、d2与壳体P封头E连接成为隔开换热介质L和反应气G的隔板，换热介质的进口3和出口4分别在二端的封头E2和E1上，换热介质L在换热管b内由同一方向从一端流向另一端。
在本发明的一个较好实例中，在一端的封头E1和管板d1的空间设置横隔板F，将其分成二室H、I，在封头E1的室I有换热介质L进口3，室H有出口4，另一端封头E2与管板d2间构成室J，换热介质L由进口3进入室I，由横隔板室I进入换热管b流动，进入另一端封头E2内室J，然后反向由室H连接的换热管b反向流回，经室H出口4流出。
在本发明的一个较好实例中，连接换热管b的管板d1与壳体P和封头E1连结构成室H，连结b的另一端管板d2与封头E2内的内封头E3连结构成室J，管板d2与壳体P可以用挡圈Q活动密封，管板d2和内封头可自由伸缩。通过封头E3和封头E2上的换热介质L进口3由弹性软管M或用导管和填料函密封连结，介质L由3进入经M到内封头E3内室J进入换热管b，横向流动到另一端封头E1内室H上出口4出反应器。
在本发明的一个较好实例中，封头E1与管板d1间有横隔板F分隔为二室H、I，封头E2内有内封头E3连接管板d2构成室J，由进口3进入室I的介质L经下部换热管b流向内封头E3内室J，进入室J后又经换热管b反向流到室H，由出口4流出。
在本发明的一个较好实例中，壳体P封头E1与管板d1间有隔板F分隔为上下二室H、I，换热管b为U形管，U形管二端管口分别与室H和室I相通。
在本发明的一个较好实例中，壳体P封头E1与管板d1间有纵向隔板F分隔为左右二室H、I，U形换热管二端管口分别与左右H、I两室相连通。
在本发明的一个较好实例中，换热管b分成上下多组，每一组管b一端各有一个小封头En1、En2、En3与管板构成室J1、J2、J3，另一端有相互密封连接的多个小封头Em1、Em2、Em3与管板间用横隔板F1、F2、F3分隔构成的二室H1、I1、H2、I2、H3、I3，二室各有连通传热介质L进口管3a、3b、3c和出口管4a、4b、4c用弹性软管或导管和填料函连到大封头E1。
在本发明的一个较好实例中，换热管b分为上下多组U形管，壳体P封头E1内每组U形管管板d1与内封头Em1、Em2间用横隔板F1、F2分成二室H1、I1、H2、I2连通U形管二端，或者隔板F1、F2直接与封头E1连接分隔成H1、I1、H2、I2多室。
在本发明的一个较好实例中，管板d1与封头E1间为有传热介质L进口3连接的室I，管板d1内侧有管板d2，二管板的d1、d2间为连结出口4的室H，换热管b为U形管，各U形管一端与管板d1相连接，U形管另一端与管板d2连接。
在本发明的一个较好实例中，换热管b为双套管，内管bi与管板d1连接，连通封头E1内室I中介质进口3，外管b0与管板d2连接，连通两管板d1、d2间室H的介质出口4。
在本发明的一个较好实例中，前述任何一个换热管b为U形管的反应器去除右侧封头E2后将壳体、U形管和管板等部分反向对称组合构成横向管换热反应器。
在本发明的一个较好实例中，换热管b为螺旋形管连通两端管板d1、d2，两封头E1、E2与管板d1、d2连结，换热介质由封头E2中进口3进入经管板d2、螺旋换热管b，管板d1，由封头E1上出口4出反应器。
在本发明的一个较好实例中，前述各横向换热管b与水平面夹角θ＜45°，所述的θ为7～30°，当夹角θ≠0时，换热管b为单程单向直管，传热介质出口管4一端位置高于进口管3一端。一台横向管式换热反应器RA和一台立式轴向气冷反应器RB组合成联合反应器，RB为内有逆流冷管胆管外装催化剂K反应器，原料气由RB底部进气口1进入反应器RB内冷管，在管内逆流与管外催化剂层换热升高温度到230℃左右由管口2出塔进入横向管反应器RA反应，反应器被管内介质(如水)移走，出RA反应器的气体由RB的进口3进入RB管外催化剂层K中继续反应后由出口4出反应器。
附图说明
下面结合附图进一步说明本发明。附图中：
图1是本发明简单的横向管传热反应器示意图。
图2是本发明简单的横向管传热反应器侧面视图示意图。
图2-1是换热管为扁平管的横向管传热反应器侧面视图示意图。
图3是一端封头有隔板的双程横向管反应器示意图。
图4是一端有内封头的单程横向管反应器示意图。
图5是一端封头有隔板，一端有内封头的双程横向管反应器示意图。
图6是一端封头有隔板的U形横向反应器示意图。
图7是多组一端带隔板内封头和另一端带内封头的双程横向管反应器示意图。
图8是多组U形管反应器示意图。
图9是双管板U形管反应器示意图。
图10是双管板双套管反应器示意图。
图11是内有两组左右对称U形管反应器示意图。
图12是换热管是螺旋管的横向反应器示意图。。
图13是斜置横向管水冷传热反应器与气冷换热反应器组合示意图
结合图1和图2，图中由圆形筒体P和两侧封头E1、E2构成受压容器，内有连结左右管板d1、d2上的多排换热冷管b，冷管b用定位板X支承防止位移和振动，冷管之间装满催化剂层K，换热冷管数和换热面积大小，可以按上下方向气体流动反应热放出多少优化设计，顶部换热管上也可按需要设计不同厚度的绝热触媒床层。筒体底部有多孔的催化剂支承板a，上部有多孔气体分布板C，原料气G由筒体上部进气管1或再通过反应器壳体P内连接的顶部气体分布管进入反应器内分布板C上部空间，均匀地进入管间催化剂层由上而下流动进行反应直到底部流经多孔板a后汇集由出气口2出反应器，底部多孔板上可铺丝网，上面再铺耐热陶球，多孔板可由多个支承板Y支承，也可由能滑动的滑轮脚支承。传热介质L例如水由封头E2上进口3进入，从管板d2分流到各换热管b，一边流动一边吸收管外催化剂层中反应热，或用于升高介质温度，或用于介质气化如水成蒸汽而吸热直到管板d1流出到出口4流出反应器，通过以上经介质的吸热达到反应器内催化剂层中连续将反应热及时移走，反应触媒层温度均匀平稳的效果。反应器内催化剂的装卸可以从进气口1装入，也可另在壳体上部增开人孔Z1用于装催化剂，上部气体分布板可分成多块，便于装催化剂，也可由二层或多层多孔板重叠交叉以便气体分布均匀。同样底部催化剂多孔支承板a也可分成多块，留有圆孔供卸催化剂用，除可用出气口2卸催化剂外，底部还可开设多个人孔Z2供卸催化剂用，二端封头E1、E2处也可开设人孔Z3、Z4，通过封头E和管板d1还设有内含热电偶的测温管。换热管b除被二端管板固定外，中间还设有多个纵向支承冷管定位板X，防止冷管位移和振动，这些在后面的图3到图13中均不再画出和说明。本发明中的换热管，可以是圆管，也可以是用圆管压制或板条焊制的扁平管例如图2-1结构，还可以是波纹管、螺旋管。
图3为本发明的双程换热管的一种结构，与图1不同的是一侧封头E1和管板d1间有一横隔板F将其分成室H和室I，室I有换热介质L进口3，室H有出口4，换热介质L由进口3进入室I，由横隔板下室I进入换热管b流动，进入另一端封头E2，然后反向由室H连接的换热管b反向流回，经室H出口4流出。
在图4中连接换热管b的管板d1与壳体P和封头E1连结构成室H，连结b的另一端管板d2与封头E2内的内封头E3连结构成室J，E3和封头E2上的换热介质L进口3由弹性软管M连结，或者用连接直管和填料函与进口3活动连接，介质L由3进入经M到内封头E3内室J进入换热管b，横向流动到另一端封头E1内室H出口4，管板d2与壳体P可以用挡圈Q活动密封代替固定焊接，以便管板d2和内封头E3可自由伸缩。
在图5中封头E1与管板d1间与图3一样有横隔板F分隔构成二室H、I，封头E2内有内封头E3，连接管板d2构成室J，由进口3进入室I的介质L经下部换热管b流向E3内室J，又经连接室H换热管b反向流到室H，由出口4流出，管板d2与壳体P可以用挡圈Q活动密封使管板d2和内封头可自由伸缩。
在图6中壳体P封头E1与管板d1间有横隔板F分隔构成二室H、I，换热管b为U形管，U形管二端管口分别与室H和室I相通，另一端为U形管弯头可自由伸缩，不需管板连接。
在图7中，换热管b分成上下多组，每一组管b管板一端各有一个小封头En1、En2、En3构成的室J1、J2、J3，另一端有相互密封连接的多个小封头Em1、Em2、Em3与管板间用横隔板F1、F2、F3分隔构成的二室H1、I1、H2、I2、H3、I3，二室各有连通传热介质L进口管3a、3b、3c和出口管4a、4b、4c用弹性软管或直管和填料函连到大封头E1，小封头Em1、Em2、Em3和壳体P封头E1间连接密封。
在图8中，换热管b分为上下多组(图中为二组)U形管，封头E1内每组U形管管板d与带有横隔板F1、F2的小封头Em1、Em2构成二室H1、I1、H2、I2连通U形管二端，或者隔板F1、F2直接与封头E1连接分隔成H1、I1、H2、I2多室。
对图7、图8换热管b分成多组时还可以在封头E2上开人孔，供安装检修换热管组用。对图7、图8，换热管分为多组的结构，组数的多少可根据设备能力和直径大小增减，除水平分组外，还可纵向再分组。
在图9中，换热管b为U形管，各U形管一端与管板d1相连接，管板d1与封头E1间为传热介质L由进口3连接室I，管板d1内侧有管板d2与U形管另一端连接，二管板的d1、d2间为连结出口4的室H。
在图10中，换热管b为双套管，内管bi与管板d1连接，连通封头E1中介质进口3，外管b0与管板d2连接，连通两管板d1、d2间介质出口4。
图11为两组左右对称U形管反应器，可视作图6U形管反应器对称拼接而成，左右封头E1和E2与左右管板d1、d2间分别用横隔板F1、F2隔成上下两室H1、I1、H2、I2，这种结构尤其适用在直径限制情况下用增加长度增加反应器生产能力。
图12是用螺旋管作换热管反应器示意图，换热管b为螺旋形管连通两端管板d1、d2，两封头E1、E2分别与管板d1、d2连结构成室H、I，换热介质由封头E2中进口3进入室I经管板d2、螺旋换热管b，到管板d1和封头E1间室H由出口4出反应器。
图13中为一台横向管式换热反应器，例如由图4带内封头反应器RA和一台立式轴向气冷反应器RB组合成的反应器，RB为内有逆流冷管胆管外装催化剂K反应器，原料气由RB底部进气1进入反应器RB内冷管，在管内逆流与管外催化剂层换热升高温度到230℃左右由管口2出塔进入横向管反应器RA反应，反应器被管内介质(如水)移走，出RA反应器的气体由RB的进口3进入RB管外催化剂层K中继续反应后由出口4出反应器，横向管式反应器RA与水平面夹角为25°以利汽水混合。
有益效果
本发明比已有技术有明显优点，一是因触媒装在冷管间，故增加了触媒装填系数，达到70％，而德国Lurgi管壳式的甲醇反应器催化剂装在管内，装填系数只达30％，因此同样能力的反应器体积和投资大为缩小，投资大大节省，同时可用增加长度、扩大催化剂装量和能力，尤其适用于大型、超大型年产百万吨装置。二是气体流动一方面由于催化剂装在管间增加流通截面，另一方面由于催化剂层由Lurgi管壳塔轴向流动改为径向流动，经催化剂床层通气截面大幅增加，催化剂床层高度降低故反应器阻力大幅降低，节约动力消耗。三是催化剂床中气体横向流过换热管，错流提高传热系数和效率，减小温差。四是换热管数可按上下方向气体流动放出反应热多少而优化设计，克服轴向管壳式反应器沿轴向传热面不可变的缺点。五是管外装催化剂成为一体，装填易均匀。六是可采用U形管作换热管或带活动内封头，可自由伸缩，结构可靠。七是可采用带法兰封头，将带内封头的冷管组抽出壳体P外，清理冷管和装卸催化剂方便。
具体实施方式
使用图6的横向U形管合成塔进行低压甲醇合成，塔内径φ6.5米，长16米，装NC307或C302铜基甲醇，触媒装填量390m3，合成压力8.9MPa，进塔气成份：H2 63.73％，CO 10.25％，CO2 5.87％，H2O 0.06％，N2 7.81％，CH4 12.02％，CH3OH 0.28％，进塔气量3600000Nm3/h，触媒层热点温度260℃，甲醇产量10000吨/日，反应热加热换热管b内锅炉水副产3.8MPa蒸汽10000吨/日。而用Lurgi管壳式塔在同样条件和产量下合成塔需直径4米多6台，投资增加一倍以上。
以上通过众多图例和实施例对本发明的主题作了充分描述，但不限于这些内容，例如还可以用环管作分流和集流管代替图中管板和内封头连通传热管b，可以用波纹管、螺旋管盘管作为传热管。

Claims (10)

1.一种横向管式换热反应设备，主要由带封头(E)的受压壳体(P)，连接换热管(b)的管板(或环管)(d)，支承催化剂(K)的多孔支承板(a)和催化剂(K)上的多孔气体分布器(C)，壳体(P)上有原料气体进口(1)和反应气出口(2)，封头(E)上有冷却介质进口(3)和出口(4)组成的反应器，其特征是催化剂层的换热管(b)横向放置，换热管内介质横向流动，气体(G)由气体分布器(C)气孔进换热管(b)外的催化剂层，以上下方向流动进行反应，与换热管(b)内横向流动的介质(L)换热，到支承板(a)气孔出催化剂层，经出气口(2)出反应器。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征是连接换热管(b)的管板(d1)、(d2)与壳体(P)封头(E)直接连接成为隔开换热介质(L)和反应气(G)的隔板，封头(E1)与隔板(d1)间构成室(H)，封头(E2)与隔板(d2)间构成室(I)，换热介质的进口(3)和出口(4)分别在二端的封头(E2)和(E1)上，换热介质(L)在换热管(b)内由同一方向从一端流向另一端；或者在一端的封头(E1)和管板(d1)的空间设置横隔板(F)，将其分成二室(H)、(I)，在封头(E1)的室(I)有换热介质(L)进口(3)，室(H)有出口(4)，另一端封头(E2)与管板(d2)间构成室(J)，换热介质(L)由进口(3)进入室(I)，经室(I)进入换热管(b)流动，进入另一端封头(E2)内室(J)，然后由室(H)连接的换热管(b)反向流回，经室(H)出口(4)流出。
3.如权利要求1所述的反应器，其特征是连接换热管(b)的管板(d1)与壳体(P)封头(E1)连结构成室(H)，连结(b)的另一端管板(d2)与封头(E2)内的内封头(E3)连结构成室(J)，管板(d2)与壳体(P)可以用挡圈(Q)活动密封，管板(d2)和内封头可自由伸缩。通过内封头(E3)和封头(E2)上的换热介质(L)进口(3)由弹性软管(M)或用导管和填料函与封头(E2)密封连结，介质(L)由(3)进入经(M)到内封头(E3)内室(J)进入换热管(b)，横向流动到另一端封头(E1)内室(H)上出口(4)；或者壳体(P)封头(E1)与管板(d1)间有横隔板(F)分隔为二室(H)、(I)，封头(E2)内有内封头(E3)连接管板(d2)构成室(J)，由进口(3)进入室(I)的介质(L)经下部换热管(b)流向内封头(E3)内室(J)，进入室(J)后又经换热管(b)反向流到室(H)，由出口(4)流出。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征是壳体(P)封头(E1)与管板(d1)间有横隔板(F)分隔为上下二室(H)、(I)，换热管(b)为U形管，U形管二端管口分别与室(I)和室(H)相通；或者壳体(P)封头(E1)与管板(d1)间有纵向隔板(F)分隔为左右二室(H)、(I)，U形换热管二端管口分别与左右(H)、(I)两室相连通。
5.如权利要求1所述的反应器，其特征是换热管(b)分成上下多组，每一组管(b)一端各有一个小封头(En1)、(En2)、(En3)与管板构成室(J1)、(J2)、(J3)，另一端有多个互相密封连接的小封头(Em1)、(Em2)、(Em3)与管板间用横隔板(F1)、(F2)、(F3)分隔构成二室(H1)、(I1)、(H2)、(I2)、(H3)、(I3)，二室各有连通传热介质(L)进口管(3a)、(3b)、(3c)和出口管(4a)、(4b)、(4c)用弹性软管或导管和填料函密封连接到大封头(E1)。
6.根据权利要求1的反应器，其特征是换热管(b)分为多组U形管，壳体(P)封头(E1)内每组U形管管板(d1)与内封头(Em1)、(Em2)间用横隔板(F1)、(F2)分成二室(H1)、(I1)、(H2)、(I2)连通U形管二端；或者隔板(F1)、(F2)直接将管板(d)与封头(E1)连接分隔成(H1)、(I1)、(H2)、(I2)多室，各室分别连接换热介质(L)进口管(3a)、(3b)和出口管(4a)、(4b)。
7.根据权利要求1的反应器，其特征是管板(d1)与封头(E1)间为有换热介质(L)进口(3)的室(I)，管板(d1)内侧有管板(d2)，二管板(d1)、(d2)间为连结换热介质(L)出口(4)的室(H)，换热管(b)为U形管，各U形管一端与管板(d1)相连接，U形管另一端与管板(d2)连接；或者换热管(b)为双套管，内管(bi)与管板(d1)连接，连通封头(E1)内室(I)中介质进口(3)，外管(b0)与管板(d2)连接，连通两管板(d1)、(d2)间室(H)的介质出口(4)。
8.根据权利要求1的反应器，其特征是各换热管(b)是扁平管或者波纹管。
9.根据权利要求4、6、7中任何一个换热管(b)为U形管的反应器，其特征是二个U形管反应器去除右侧封头(E2)后将壳体(P)、U形管和管板等部分反向对称组合构成横向管换热反应器。
10.根据权利要求1的反应器，其特征是各换热管(b)与水平面夹角θ＜45°，所述的θ为7～30°，当夹角θ≠0时，传热介质出口管(4)一端位置高于进口管(3)一端，或者横向管式换热反应器RA与气冷反应器RB串联组合。
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