CN101125287A - 利用恒温换热装置进行强放热反应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用恒温换热装置进行强放热反应的方法，该恒温换热装置包括反应器和位于该反应器底部的加热器，所述的方法是利用所述恒温换热装置中穿过该反应器的循环水和所输送的反应气体以相同的方向自下向上而行，使反应器中进行的强放热反应始终保持在恒温范围内；而本发明提供的一种新的恒温换热装置，依靠水的温差或者依靠泵动力，使水在反应器外循环，一方面可以有效移出反应放出的热，另一方面对反应热量不足的地方给予补充，使反应处在“恒温范围”内发生，保证了反应的有效进行，提高了反应的效率，这种装置传热效果好，温差变化小，能够自动维持目标温度，安全可靠。

Description

利用恒温换热装置进行强放热反应的方法

技术领域

本发明提供一种利用恒温换热装置进行强放热反应的方法，尤其是一种利用适用于强放热反应的恒温换热装置进行反应温度小于350℃的气固(或其它多相)强放热反应的方法，该方法采用新型的恒温换热循环装置，借助循环水与反应器内的反应气体同方向自下向上而行，把反应放出的大量的热量有效地移出，反应热量不足的地方进行能量补充，使反应处在“恒温范围”内发生，保证反应的有效进行，提高反应的效率。

背景技术

气固(或其它多相)反应过程，尤其是气固相催化反应过程，是化学工业中应用最广、规模最大的反应过程。据统计，按产品吨位计约有90％的化工产品是通过气固相反应过程产生的。大多数的反应过程都伴有热效应，由于催化剂的载体往往都是导热性能较差的物质，而温度对反应结果的影响又十分灵敏，因此传热和控温成了一个难点。

传统的气固相反应气体都是从上而下通过反应器，冷凝的循环介质则是从下而上逆流循环，这种方式适用于反应温度较宽的反应，而对于温度要求较严格的反应则效果并不理想。气固反应放出的大量的热量一般都集中在反应开始的部位，即气体刚与催化剂床层接触的位置的反应放热量极大，随着反应的进行，反应物浓度降低，其放热量也逐渐下降。传统的从下而上逆流循环的循环介质在入口处温度较低，出口处温度升高，与反应放热量变化一致，因此得不到充分的热交换，反应效率不高，甚至会出现高温热点，导致催化剂被烧损。而且传统的循环介质热容小，流动性能差，需要动力装置。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种利用新型的恒温换热装置进行强放热反应的方法，尤其是适用于反应温度小于350℃的气固(或其它多相)强放热反应的方法，该恒温换热装置采用外加循环水的套管结构，循环水在套管内从下向上流动，该装置中输送反应气体的方向在加热器内是优选螺旋状穿过装满循环水的加热器，与循环水充分热交换后，再由反应器的原料气入口向上进入反应器并且也是由下至上的方向通过反应器内装设排列的输气管路(单管或者多管)。由于循环水在套管的循环水入口段温度较低，可以快速吸收较多的反应热，而在套管的循环水出口段由于该循环水的温度已升至最高，可以对反应器内原料气反应热量不足的地方进行能量补充，实现了原料气反应全程在“恒温范围”之内进行，提高了反应效率。

本发明目的是开发一种提高反应效率的强放热反应的方法，尤其适用于反应温度小于350℃且要求反应温度变化较小的强放热反应，该反应利用一种新型的恒温换热装置，以保证强放热反应始终处在“恒温范围”内发生，因而提高了反应的效率。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的。

本发明提供了一种利用恒温换热装置进行强放热反应的方法，其特征在于，该方法在下述恒温换热装置中实施，该恒温换热装置包括加热器、反应器、套管和储水罐，所述的反应器位于套管内；所述的加热器连接在该反应器和套管的底部，该加热器内设有烟道气管道和原料气管道，该烟道气管道的入口开设于加热器的上部，烟道气管道的出口开设于加热器的下部，该原料气管道的入口和出口分别开设在加热器的器壁上，其中，加热器的原料气管道的出口与反应器底部设置的原料气入口相连通；加热器的器壁上还开设有循环水入口和出口，该加热器的器壁上的循环水出口与所述套管相连接，并与反应器和套管之间的空间相连通；所述的储水罐一端与套管的上端设置的循环水出口相连通，另一端与加热器的器壁上的循环水入口相连通；所述的强放热反应的方法包括：原料气先进入上述加热器内的原料气管道中，与循环水进行换热到预热温度，再依次通过加热器的原料气管道的出口和反应器底部设置的原料气入口进入至反应器中，该原料气以从下至上的进料方式进入并通过上述反应器，循环水在加热器中被烟道气管道中的烟道气加热后，从加热器的循环水出口进入套管内，原料气从下至上通过反应器的过程中与套管内从下至上运行的循环水进行热量交换，从而发生反应，使反应器中进行的强放热反应始终保持在恒温范围内。

本发明所述的强放热反应为反应温度小于350℃的放热反应。

该恒温换热装置中运行的循环水在进入套管之前先在加热器中被加热至控制温度(预定温度)，该控制温度低于强放热反应时候的反应温度，一般比强放热反应的反应温度要低10-30℃，循环水在套管的入口段(反应器外、套管内)快速吸收较多的反应热，而在套管出口段由于该循环水的温度已升至最高，可以对反应器内热量不足的反应气体进行能量补充，使该强放热反应在恒温范围内进行。

在本发明的优选实施例中，反应器的下端伸入加热器内，当反应器的底部接近加热器的底部，则本发明恒温换热装置的加热器中的原料气管道的入口和出口优选开设在加热器的器壁底部。

本发明所采用的反应器的底部依次连接设置有产品收集器和产品槽，反应器的顶端连接有换热器和三相分离器；该方法包括：所述的原料气(合成气)经过反应器，在该反应器中反应完全的产品直接沿该反应器的器壁流入产品收集器和产品槽，而未反应完全的产品则进入换热器和三相分离器中。

本发明所采用的装置中，在加热器内有供循环水穿行的空间，优选该加热器的下部设有循环水入口，上部设有循环水出口，该出口与所述的套管内的空间相通，该套管内的空间为位于该反应器的器壁外(或该反应器内设置的输气管路的器壁外)与该套管器壁(外壳)内之间的空隙；所述的循环水在进入套管内的空间之前先通过加热器被加热介质烟道气加热至控制温度，再通过该加热器的循环水出口输送至套管内，并且以自下向上的方向通过套管，以保持反应器中进行的合成气(也称原料气)的强放热反应在恒温范围内。

由于循环水维持在控制温度，稍低于反应温度，若反应温度较高时，传热温差大，传热速率就增大，反应温度下降的幅度也增大，最终使得整个反应器温差变化不大，反应处在“恒温范围”内发生，不产生“飞温”的现象。

上述强放热反应的方法，其中在所采用的反应器中装设排列有至少1个输送原料气的输气管路，所述的恒温换热装置还包括穿行于该加热器中的原料气管道，其与该反应器中的输气管路通过反应器底部设置的原料气入口相连通，所述的反应气体先通过该加热器中的原料气管道，再经过反应器的原料气入口进入反应器的输气管路中，接着进行强放热反应。

本发明的强放热反应的方法所采用的恒温换热装置中，所述的储水罐的一端与套管的循环水出口连接，用来存储从该套管内流出的循环水，另一端还连接有循环管线，该循环管线与加热器的循环水入口相连通，该方法包括，循环水在套管内运行，与反应器中的原料气进行热交换之后，从套管的循环水出口处流出，进入所述的储水罐中，再通过循环管线进入加热器内部，被加热至控制温度后，再向上进入套管内，以实现循环水的循环，保持反应在恒温下进行。

本发明的循环水采用利用烟道气对其进行加热的方式，在本发明所采用的加热器内设有加热介质烟道气管道，该烟道气管道优选为螺旋状上行的管道，以提供加热用烟道气从中运行，以增加供热面积，加热器内设的原料气管道优选也为螺旋管道，以增加热交换面积，该烟道气管道的入口优选开设于加热器的上部，烟道气管道的出口优选开设于加热器的下部；该方法包括：烟道气将加热器内部上行流通的循环水加热至预定温度后，该循环水与原料气管道内的原料气先进行热交换，再以相同的方向分别在套管和反应器内运行，二者通过反应器的器壁进行热交换，使原料气在恒定的温度下进行强放热反应。

循环水在储水罐中的状态一般是水和水蒸气，在本发明的优选实施例中，本发明所采用的储水罐上还设有液位计和进出阀，为了安全的需要，更优选还设有防爆阀，本发明的方法包括利用该液位计来指示储水罐下部的水和上部的水蒸汽的分界面，并通过该进出阀来进行水的补充和排放；即，通过储水罐对循环水的温度、压力和液位进行调节；所述的储水罐还设置有循环管线，优选在储水罐的下端，其为并连的自动(自然)循环管线和强制(高压)循环管线，以供该强放热反应根据不同状况进行选择。

本发明的强放热反应的方法中原料气参与反应的场所是反应器中输送原料气的管路，该管路为单管或列管固定床、流化床或浆态床。

由于本发明的强放热反应是原料气(也称合成气)通过接触催化剂进行的反应，因此，在所述的反应器的输气管路内应该还装设有催化剂以形成参与该反应的催化剂层，原料气通过该催化剂层时发生强放热反应，并与套管内上行的循环水进行热交换，使原料气在反应的过程中达到反应温度并保持在恒温范围内。

本发明所利用的恒温换热装置还包括高压循环泵，其设置在储水罐和加热器之间的强制循环管线上，当循环水流至储水罐后，通过高压循环泵并且在高压循环泵的作用下，经过该循环管线直接进入加热器下部的循环水管道的入口。在循环水通过高压循环泵的入口处和/或出口处优选还设有循环水控制阀，以对循环水的运行方式和流量加以控制。

本发明中所采用的循环介质理论上也可以是油等常用介质，但是针对本发明所利用的装置的特点，加之水介质在达到微沸腾时，还能吸收较多的热量而温度保持不变，因此对于本发明的恒温换热装置而言循环介质优选为水。

在本发明的优选实施例中，储水罐下段水温稍低于上段蒸汽温度，与加热器的出口温度一致。因此若不考虑重力作用，循环水温分布如下：储水罐上段温度其为控制温度，然后逐渐降低至加热器的循环水入口温度，循环水在加热器中被加热后，从加热器的循环水出口逐渐再升至控制温度，然后保持控制温度贯穿套管内保持反应器内的反应气体的恒温直到流入储水罐。在循环水自下向上流动的过程中，由于反应温度始终高于水温，所以循环水与反应器内物料(主要是原料气)进行间接热交换后温度将逐渐升至控制温度，然后该循环水因继续吸收反应热而发生汽化(控制只有一小部分循环水发生汽化)，使水温维持不变，并且使反应在恒温下进行。也可以随时根据反应温度的变化通过控制加热器的加热量和装置与外界换热量对水温进行调节，保证反应顺利进行。

反应器内部则是反应气体与接触加热器的器壁的循环水进行间接换热的场所，反应的气体(原料气)从入口自下而上通过催化剂床层，在合适的反应条件下放出大量的热，再从出口放出。由于套管内的循环水维持在控制温度，稍低于反应温度，若反应温度较高时，传热温差大，传热速率就增大，反应温度下降的幅度也增大，最终使得整个反应器温差变化不大，反应处在“恒温范围”内发生，不产生“飞温”。

本发明的强放热反应的装置的套管内可用循环冷却用水对反应进行取热，也可以用高温烟气对反应器内物料加热。

本发明借助上述恒温换热循环装置，通过套管内的循环水与反应器内的反应气体同方向自下向上而行，把反应放出的大量的热量有效地移出，反应热量不足的地方进行能量补充，使反应在“恒温范围”内发生，保证反应的有效进行，提高反应的效率。

附图说明

图1：本发明适用于强放热反应的恒温换热装置流程示意图；

图2：本发明的加热器示意图；

图3：实施例一的循环水的温度和催化剂床层的温度沿轴向的变化趋势图；

图4：实施例二的恒温换热装置流程示意图。

附图标号：

1——加热器     2——高压循环泵        3——催化剂床层

4——反应器     5——套管              6——套管壁

7——储水罐     8——液位计            9——进出阀

10——防爆阀    11——循环水控制阀

12——加热器的原料气管道的入口(或称加热器的原料气入口)

13——加热器的原料气管道的出口(或称加热器的原料气出口)

14——反应器的原料气入口                    15——反应器的尾气出口

16——循环水入口        17——循环水出口    18——烟道气管道的入口

19——烟道气管道的出口  20——气体分布板    21——产品出口

22——产品收集器        23——换热器        24——三相分离器

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明，但不限定本发明的实施范围。

实施例一：如图1和图2所示，为本发明的强放热反应和方法所利用的单管固定床反应系统，本实施例采用的装置能够极好的解决强放热反应反应放热量过大的问题，保证了反应的有效进行，提高了反应的效率。

新鲜合成气体(或称为合成气、原料气，H₂/CO比为2.0)经过压缩，进入加热器1的原料气管道，并与被该加热器中烟道气管道(进口18)加热的循环水发生间接换热到约200℃后进入反应器4。循环水的控制温度优选在205-210℃(根据强放热反应的反应温度，循环水的控制温度应该控制在不超过210℃)，反应器中合成气体在通过输气管路中填充的Co催化剂(即催化剂床层3)，速度达到0.032m/s-3.2m/s。因为合成气体在填充催化剂的反应器输气管路入口处(也称为催化剂床层入口处)合成气体的浓度较大，在催化剂作用下反应比较剧烈，床层温度上升很快，在离入口1-2m处床层温度达到最高(以反应器的高度6-20m为基准计量的)，高于合适的反应温度(220-230℃)10-50℃，有导致床层“飞温”的危险。同时，已通过加热器1加热到205℃的循环水由下部进入反应器的输气管路外的套管内，通过反应器的输气管路的外壁与输气管路内的催化剂也称为催化剂床层进行间接热交换，将大量的反应热带出催化剂床层，保证后续的合成气体仍然在合适的温度下反应，循环水在套管内自身温度升高并有部分汽化。未反应的合成气体(即原料气)和生成的烃类产品继续向上通过催化剂床层，随着合成气体的浓度的下降，反应放热逐渐变少，至催化剂床层的上部，即反应器4的出口处，由于散热严重，催化剂温度低，不利于剩余的合成气体继续反应，此时套管5内的循环水和蒸汽则通过输气管路的外壁向其内的催化剂床层传热，避免了催化剂温度下降过快，保证了剩余的合成气体在所希望的温度下继续反应，从而可以获得较高的CO转化率。

套管5内的水及蒸汽继续上升进入至储水罐7，开始脱离反应系统进入自然冷却状态(或根据实际需要，也可借助另一个换热装置进行冷却)，蒸汽冷凝，水温下降，在反应器4外部管线(即与加热器下部的循环水入口相连接的管线)达到温度最低，然后通过管线I(或者通过设有高压循环泵2和循环水控制阀11的管线II)从循环水入口16进入加热器1中，被烟道气加热后由加热器循环水出口17进入套管壁6内(或者套管5内)的空间中，在反应器4的下端强放热区进行热交换，水温升高，如此循环。

本实施例的整个循环水系统依靠温差及重力产生动力达到水及蒸汽的自热循环，体系的热交换很快，而水温却相差不大，以6m高的反应器以及大约6m高的催化剂床层为例，循环水的水温上下温差不超过4℃，水温在205-209℃之间波动，而床层温度基本在220℃附近，热点出现在1.5m附近，整个反应均在“恒温范围”内发生，没有出现“飞温”现象。水温和催化剂床层随轴向的变化趋势如图3。

在套管顶端装有储水罐7、液位计8、进出阀9和防爆阀10，用以监控水位的状况和及时消除由于吸热过大造成水压升高过快的安全隐患。

加热器1的内部结构见图2，合成气体从加热器的原料气管道的入口(或称加热器的原料气入口)12进入该加热器1中的原料气管道，自下而上螺旋上行与加热器中弥漫的循环水进行间接热交换，而后从加热器的原料气管道的出口(或称加热器的原料气出口)13排出，再通过反应器的原料气入口14进入反应器4，继而通过催化剂床层进行强放热反应，未反应完全的合成气体从反应器的尾气出口15出来，经过换热器(冷凝器)23，进入三相分离器24中；反应完全的产品则从反应器4的产品出口21流出，进入产品收集器22中。加热器中的循环水则由从烟道气管道的入口18进入的烟道气加热，而后循环水则由循环水出口17出来进入套管5，烟道气则由烟道气管道的出口19出来。

本实施例的技术方案的优点是：

(1)本发明利用水作为换热介质对反应器进行取热和补热，充分利用了水热容大、吸放热温差变化小的特点，使整个目标反应处在“恒温范围”内进行。

(2)合成气可在加热器内与水换热达到合适的预热温度，并且能够根据反应状况随时调节水温，使水达到合适的温度。

(3)可监控储水罐的液位的高低，根据需要及时进行水量的调节，并且通过安全阀设置压力范围，保证了装置使用的安全高效。

(4)本实施例的技术方案实际应用于工业化生产中已经正常运行一年多，未出现因工艺或设备原因而造成停车。

(5)使得强放热反应中C0的单程转化率达到65％，相对于传统固定床30-50％的转化率有很大的提高。

(6)本实施例采用的恒温放热装置中，所述的反应器中设置的输气管路可为单管或列管固定床，也同样适用于流化床或浆态床。

实施例二：

如图4所示，为采用本装置的中试规模的强放热反应的流程图及其采用的多管固定床反应器，与图1的不同之处在于，本实施例的反应器由实施例一的单管反应器变成了多管反应器，其中的多管(多个输气管路)排列分布在原料气分布板20上，其通过反应器4底部设置的原料气入口14与加热器内的原料气管道相连通。与单管反应器相比，多管反应器总的进料量多，单位时间的总放热量大，所以采用管路II通过高压循环泵对水进行强制循环，使水能快速与反应器进行间接热交换。而循环过程中的水温变化只有3℃，保证了反应气体在“恒温范围”内反应。整个装置应用的流程基本与实施例一相同，装置运行一年来，状况良好，C0单程转化率达到63％，产能是原来的5-8倍。

此实施例二的方案虽然增加了动力装置，但扩大了产能，充分利用了设备。

Claims (10)

1.一种利用恒温换热装置进行强放热反应的方法，其特征在于，该方法在下述恒温换热装置中实施，该恒温换热装置包括加热器、反应器、套管和储水罐，所述的反应器位于套管内；所述的加热器连接在该反应器和套管的底部，该加热器内设有烟道气管道和原料气管道，该烟道气管道的入口开设于加热器的上部，烟道气管道的出口开设于加热器的下部，该原料气管道的入口和出口分别开设在加热器的器壁上，其中，加热器的原料气管道的出口与反应器底部设置的原料气入口相连通；加热器的器壁上还开设有循环水入口和循环水出口，该加热器的器壁上的循环水出口与所述套管相连接，并与反应器和套管之间的空间相连通；所述的储水罐一端与套管的上端设置的循环水出口相连通，另一端与加热器的器壁上的循环水入口相连通；

所述的强放热反应的方法包括：原料气先进入上述加热器内的原料气管道中，与循环水进行换热到预热温度，再依次通过加热器的原料气管道的出口和反应器底部设置的原料气入口进入至反应器中，该原料气以从下至上的进料方式进入并通过上述反应器，循环水在加热器中被烟道气管道中的烟道气加热后，从加热器的循环水出口进入套管内，原料气从下至上通过反应器的过程中与套管内从下至上运行的循环水进行热量交换，从而发生反应，使反应器中进行的强放热反应始终保持在恒温范围内。

2.如权利要求1所述的强放热反应的方法，其中所采用的恒温换热装置中运行的循环水在进入反应器之前，于所述的加热器中被加热至控制温度之后再进入所述的套管内，该控制温度比该强放热反应的反应温度低10-30℃，所述的强放热反应为反应温度小于350℃的放热反应。

3.如权利要求1所述的强放热反应的方法，其中所采用的反应器中装设排列有至少1个输送原料气的输气管路，该输气管路为单管或列管固定床、流化床或浆态床，所述的加热器中的原料气管道与该反应器中的输气管路通过反应器的原料气入口相连通；该方法包括，反应气体先通过加热器中的原料气管道，再经过反应器的原料气入口进入反应器的输气管路中，接着进行强放热反应。

4.如权利要求1所述的强放热反应的方法，其中所采用的反应器的底部依次连接设置有产品收集器和产品槽，反应器的顶端连接有换热器和三相分离器；该方法包括：所述的原料气在经过反应器时发生反应，在该反应器中反应完全的产品直接沿该反应器的器壁流入所述的产品收集器和产品槽，而未反应完全的产品进入换热器和三相分离器。

5.如权利要求1所述的强放热反应的方法，其中所采用的加热器的下部设有循环水入口，上部设有循环水出口，该循环水出口与所述的反应器和套管之间的空间相连通；该方法包括，所述的循环水在进入反应器之前先通过该加热器，在与烟道气换热后并被加热至控制温度后，再通过该加热器的循环水出口输送至套管内，并且以自下向上的方向通过反应器和套管之间的空间，与反应器内的原料气发生热交换，以保持反应器中进行的强放热反应在恒温范围内。

6.如权利要求1所述的强放热反应的方法，所采用的恒温换热装置中的储水罐，其一端与套管上设置的循环水出口连接，另一端连接有循环管线，该循环管线与加热器的循环水入口相连通；该方法包括，循环水在套管内运行，与反应器中的原料气进行热交换之后，从套管的循环水出口流出，进入储水罐中，再通过循环管线进入加热器内部，被加热至控制温度后，再向上进入套管内，以实现循环水的循环，保持反应在恒温下进行。

7.如权利要求1所述的强放热反应的方法，所采用的加热器内设的烟道气管道为螺旋状上行的管道，加热器内设的原料气管道为螺旋管道，该方法包括：烟道气将加热器内部上行流通的循环水加热至预定温度后，该循环水与原料气管道内的原料气先进行热交换，再以相同的方向从下至上分别在套管和反应器内运行，二者通过反应器的器壁进行热交换，使原料气在恒定的温度下进行强放热反应。

8.如权利要求3所述的强放热反应的方法，其中，所采用的反应器的输气管路内装设有催化剂以形成该反应的催化剂层，原料气通过该催化剂层时发生强放热反应，并与在反应器外、套管内上行的循环水进行热交换，使原料气在反应的过程中达到反应温度并保持在恒温范围内。

9.如权利要求1所述的强放热反应的方法，其中，所采用的储水罐上设置有液位计和进出阀，该方法包括，在循环水的循环运行中，利用该液位计来指示储水罐下部的水和上部的水蒸汽的分界面，并通过该进出阀来进行水的补充和排放，通过储水罐对循环水的温度、压力和液位进行调节。

10.如权利要求6所述的强放热反应的方法，其中，该方法所采用的循环管线为并连的自动循环管线和强制循环管线，以供该强放热反应根据不同状况进行选择。

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