CN101239893B - 甲醛氧化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种甲醛氧化反应器，包括：顶盖；连接所述顶盖的氧化器主筒体，其内设有用来发生氧化脱氢反应生成甲醛气的催化剂层；连接所述氧化器主筒体以输出已生成的甲醛气的装置；其特征在于，所述顶盖包括：由密封连接的内筒体和外筒体组成的保温夹套，在所述外筒体与内筒体之间形成加热夹层；从保温夹套进入顶盖内部的四元混合气入口；以及用于把从四元混合气入口进入的四元混合气均匀分布在所述催化剂层表面上的分布锥，该分布锥下端固定在内筒体内壁上。由于本发明的保温夹套的加热提高了顶盖内的温度，因此可以消除因四元混合气的冷凝液滴对催化剂的影响。

Description

甲醛氧化反应器

技术领域

本发明涉及一种甲醛氧化反应器，特别涉及一种可以消除四元混合气的冷凝对催化剂影响的甲醛氧化反应器。

背景技术

甲醛氧化反应器是甲醛生产的关键设备，其优劣将直接关系到产品质量的优劣，影响经济效益的提高。氧化器的主要功能是甲醇氧化脱氢生成甲醛气，回收反应气热量并冷却反应气。

目前，国内甲醛反应器主要有二段式和三段式两种结构。二段式氧化反应器由上、下二个部分组成，上部为反应段，甲醇、空气、水蒸汽三元混合气体在进入被电炉点火加热的催化剂层时，发生氧化脱氢反应生成甲醛气体；下部为冷却段，反应生成的高温混合气体在此被冷却水冷却送出，冷却水在常压下排放，虽然达到了冷却的目的，但工艺余热未被利用，浪费了大量的热能，并且消耗了大量的冷却水。到目前为止，二段式甲醛氧化反应器已逐步被淘汰。

三段式甲醛氧化器由三部分组成，上段为氧化段，中段为余热回收段，下段为气体冷却段。上段氧化段作用同二段式氧化器相同；中段余热回收段的作用是通过换热的方式，利用高温混合气体的热能生产低压蒸汽；下段冷却段的作用是将从余热回收段来的混合气体冷却到100度以下。三段式氧化反应器充分利用了工艺余热，在节能、节水方面效果显著。但也使该反应器工作条件恶化，余热回收段高温侧管板，管板与换热管的连接部位处在高温下(温度高达600-700度)，既要承受压力，又要受到高温、高速气体的冲击和腐蚀，管子与管板连接处极易损坏，加之奥氏体不锈钢在使用温度高于525度时，材料的强度、塑性及抗氧化性显著下降，造成损坏处无法修复，导致设备使用寿命短，经济效益得不到发挥。

图6显示了一种现有的三段式甲醛氧化器，包括：对流管101；壳体102；换热管103；蒸汽出口104；上管板105；内筒体106；催化剂层107；四元混合气入口108；折流板109；紫铜棒110；封头111；氧化室112；接管113；设备法兰114；铜丝网115；热水入口116；接管117；下管板118；甲醛气出口119。

图7显示了图6中的上管板105与壳体102的连接关系，其中，平管板结构的上管板105通过焊接连接壳体102，由于高温差的存在，容易造成应力开裂状态。

另外，从四元混合气入口108进入的四元混合气易冷凝，从而影响催化剂的活性。

图8A显示了图6中的换热管103的结构，从图中可以看出，换热管103内填充实心的纯紫铜棒110，其截面如图8B所示，该纯紫铜棒110固定在铜棒支撑120上。这一结构使得纯紫铜棒110在任何时候都不能与热交换管104内壁接触，以便甲醛气流通，因此降低了热交换效率，并且实心的紫铜棒也增加了成本。

此外，由于生成甲醛气的氧化室112设有四元混合气入口108等部件，使得催化剂层107必须远离顶盖，因此，当更换催化剂时，必须先将封头卸去，然后操作工人通过梯子进到氧化室内进行催化剂的铺装，致使更换催化剂非常不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以消除四元混合气的冷凝对催化剂影响的甲醛氧化反应器。

本发明的上述目的是这样实现的，一种甲醛氧化反应器，包括：

顶盖；

连接所述顶盖的氧化器主筒体，其内设有用来发生氧化脱氢反应生成甲醛气的催化剂层；

连接所述氧化器主筒体以输出已生成的甲醛气的装置；

其特征在于，所述顶盖包括：

保温夹套，由密封连接的内筒体和外筒体组成，在所述外筒体与内筒体之间形成加热夹层；

从保温夹套的外筒体、内筒体进入顶盖内部的四元混合气入口；以及

用于把从四元混合气入口进入的四元混合气均匀分布在所述催化剂层表面上的分布锥，该分布锥下端固定在内筒体内壁上。

由于上述保温夹套的加热提高了顶盖内的温度，因此可以消除因四元混合气的冷凝液对催化剂的影响。

本发明是通过在所述顶盖的保温夹层上设置蒸汽入口和冷凝水出口来实现上述保温夹套加热功效的，即利用所述蒸汽入口提供的蒸汽加热所述顶盖。

此外，所述氧化器主筒体还设有：

位于氧化器主筒体上端的蒸汽出口；以及

位于所述蒸汽出口之下的上管板，所述上管板上端固定在氧化器主筒体上。

由于蒸汽出口上管板之上，使得上管板可以完全浸在水中，有利于克服对上管板的气蚀。

其中，所述上管板是具有弧度的亚平管板，其两端上翘形成上端，所述上端通过焊接与氧化器主筒体内壁连接为一体。

由于上管板是具有弧度的亚平管板，使上管板拥有充分的伸长空间，很好地克服了高温差造成的应力开裂现象，解决了长期困惑技术人员没有解决的氧化器余热锅炉段的应力腐蚀问题。

所述氧化器主筒体还设有：

热交换管，其上端连接所述上管板的下端；以及

位于所述热交换管之下并与之固定连接的下管板，其两端固定在氧化器主筒体内壁上。

其中，所述顶盖通过设备法兰连接所述氧化器主筒体。以及所述催化剂层位于氧化器主筒体的上端。这样，在更换催化剂时，只要拧开连接顶盖和氧化器主筒体的设备法兰的螺栓，卸掉顶盖，就可以方便地更换催化剂。

其中，所述氧化器主筒体通过设备法兰密封连接具有甲醛气出口的裙座。

其中，所述氧化器主筒体还设有：

位于氧化器主筒体下端的热水入口，用于供应与换热管内的高温甲醛气换热并产生蒸汽的热水。

其中，在催化剂层的下方设有与氧化器主筒体相连的催化剂支撑筒体；

在所述催化剂支撑筒体内放置铜丝网，以及

所述催化剂层被铺设所述铜丝网上。

其中，所述热交换管内填充有高效传热件，该高效传热件包括：

铜棒；以及

螺旋地缠绕固定在所述铜棒上的扁平条状丝带。

所述缠绕固定在所述铜棒上的扁平条状丝带受热膨胀后，能够与所述热交换管内壁接触。

由于所述扁平条状丝带是由铜丝编织而成，透气性好，即使与热交换管接触，也可以透气，因此可以设计制作在受热膨胀后能够接触热交换管的扁平条状丝带，从而可以快速将反应热传递给管壁，提高了传热效率，即提高了热交换效率。

其中，所述铜棒的上端固定到位于上管板之上的不锈钢丝上。这可以提高了气速，缩短了甲醛气在高温区的停留时间，从而降低了副反应。

其中，所述铜棒和扁平条状丝带的材质为紫铜。

综上所述，相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：

1、消除了四元混合气的冷凝对催化剂的影响，提高了发生氧化脱氢反应生成甲醛气的效率；

2、很好地克服了高温差造成的应力开裂现象，解决了长期困惑技术人员没有解决的氧化器余热锅炉段的应力腐蚀问题；

3、方便催化剂的更换；

4、提高了热交换管的传热效率，从而提高了热交换器的交换效率。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的甲醛氧化反应器的示意图；

图2A显示了图1中的上管板5与氧化器主筒体2的连接状况；

图2B是图1中的上管板5的截面图；

图3显示了图1中顶盖22与氧化器主筒体2的连接关系；

图4显示了图1中的换热管3的结构；

图5A是图1中的顶盖22的剖面图；

图5B是图5A的A-A方向的剖面图；

图6是现有技术的甲醛氧化反应器的示意图；

图7显示了图6中的上管板的结构以及与壳体的连接状态；以及

图8A显示了图6中的换热管的结构；

图8B是图8A中的紫铜棒的截面图。

附图标记说明：1-裙座；2-氧化器主筒体；3-换热管；4-蒸汽出口；5-上管板；6-催化剂支撑筒体；7-催化剂层；8-四元混合气入口；9-蒸汽入口；10-分布锥；11-内筒体；12-保温夹套；13-冷凝水出口；14-设备法兰；15-铜丝网；16-热水入口；17-设备法兰；18-下管板；19-甲醛气出口；20-扁平条状丝带；21-铜棒；顶盖-22；外筒体-23；不锈钢丝-24。

具体实施方式

首先参见图1所示的本发明的甲醛氧化反应器的示意图，本发明的甲醛氧化反应器，包括：

顶盖22；

连接所述顶盖22的氧化器主筒体2，其内设有用来发生氧化脱氢反应生成甲醛气的催化剂层7；

连接所述氧化器主筒体2以输出已生成的甲醛气的装置，在本案中，该装置是设有甲醛气出口19的裙座1；

其特征在于，所述顶盖22包括：

保温夹套12，由密封连接的内筒体11和外筒体23组成，在所述外筒体23与内筒体23之间形成加热夹层；

从保温夹套12的外筒体23、内筒体23进入顶盖22内部的四元混合气入口8；以及

用于把从四元混合气入口8进入的四元混合气均匀分布在所述催化剂层7表面上的分布锥10，该分布锥10下端固定在内筒体11内壁上。

由于加热上述保温夹套12能够提高顶盖22内的温度，从而消除了因四元混合气的冷凝对催化剂的影响，由此可以提高催化剂层7发生氧化脱氢反应生成甲醛气的效率。

本发明是通过在所述顶盖22的保温夹层12上设置蒸汽入口9和冷凝水出口13来实现上述保温夹套12加热功效的，即利用所述蒸汽入口9提供的蒸汽加热所述顶盖22。

此外，所述氧化器主筒体2还设有：

位于氧化器主筒体2上端的蒸汽出口4；以及

位于所述蒸汽出口4之下的上管板5，所述上管板5上端固定在氧化器主筒体2内壁上。

由于蒸汽出口4位于上管板5之上，使得上管板可以完全浸在水中，有利于克服空气对上管板的腐蚀。

参见图2A和图2B，所述上管板5是具有弧度的亚平管板(即不是完全的平板)，其两端上翘形成上端，所述上端通过焊接与氧化器主筒2体内壁连接为一体。

由于上管板5是具有弧度的亚平管板，使上管板5拥有充分的伸长空间，很好地克服了高温差造成的应力开裂现象，解决了长期困惑技术人员没有解决的氧化器余热锅炉段的应力腐蚀问题。

所述氧化器主筒体2还设有：

竖直设置在氧化器主筒体2中的多个热交换管3，每个热交换管3的上端连接所述上管板5的下端；以及

位于所述热交换管3之下并与之固定连接的下管板，其两端固定在氧化器主筒体2内壁上。

其中，所述顶盖22通过设备法兰14连接所述氧化器主筒体2。以及所述催化剂层7位于氧化器主筒体2的上端。这样，在更换催化剂时，只要拧开连接顶盖22和氧化器主筒体2的设备法兰14的螺栓(未显示)，卸掉顶盖22，就可以方便地更换催化剂。

所述氧化器主筒体2通过设备法兰17密封连接具有甲醛气出口19的裙座1。

所述氧化器主筒体2还设有：

位于氧化器主筒体2下端的热水入口16，用于供应与换热管3内的高温甲醛气换热并产生蒸汽的热水。

其中，在催化剂层7的下方设有与氧化器主筒体2相连的催化剂支撑筒体6；

在所述催化剂支撑筒体6内放置铜丝网15，以及

所述催化剂层7被铺设所述铜丝网15上。

如图4所示，热交换管内3填充有高效传热件，该高效传热件包括：

铜棒21；以及

螺旋地缠绕固定在所述铜棒21上的扁平条状丝带20。

所述缠绕固定在所述铜棒21上的扁平条状丝带20受热膨胀后，能够与所述热交换管3内壁接触。

由于所述扁平条状丝带20是由铜丝编织而成，透气性好，即使与热交换管接触，也可以透气，因此可以设计制作在受热膨胀后能够接触热交换管的扁平条状丝带20，从而可以快速将反应热传递给管壁，提高了传热效率，即提高了热交换效率。

其中，所述铜棒21的上端固定到位于上管板5的不锈钢丝24上，其中所述不锈钢丝24由上管板5支撑。这可以提高了气速，缩短了甲醛气在高温区的停留时间，从而降低了副反应。其中，所述铜棒21和扁平条状丝带20的材质为紫铜。

下面结合附图对本发明的结构和工作过程进行详细描述。

如图1所示，四元混合气从四元混合气入口8进入氧化器，穿过催化剂层发生氧化脱氢反应生成甲醛气，甲醛经换热后通过甲醛气出口19进入吸收系统。

氧化器顶盖的内筒体11与氧化器主筒体2通过设备法兰14密封固定在一起，四元混合气通过开在内筒体11上端的四元混合气入口8进入氧化器内，氧化器的顶盖22增设保温夹套12，蒸汽从蒸汽入口9进入，冷凝水从冷凝水出口13流出，消除了因四元混合气的冷凝液对催化剂的影响。

氧化器顶盖11内设置分布锥10，分布锥10的下端焊接在顶盖内筒体11的壁上，在分布锥10作用下，气体变得均匀。这是因为四元气体在进入氧化器顶盖时，经过分布锥10的节流作用起到一个重新分布的作用，分布锥10又和内筒体11是个同心圆故能起到使气流平稳均匀分布在催化剂表面的作用。避免了因气流旋转冲击对催化剂表层的影响，减少了由于催化剂不平整表面或厚薄不均匀造成反应不完全醇含量和酸度高，影响单耗和产品质量不合格。

氧化器主筒体2上端为催化剂层7，催化剂支撑筒体6与氧化器主筒体2相连，铜丝网15放置在催化剂支撑筒体6内，铜丝网15上铺有催化剂层7。

催化剂层下方的上管板5为亚平管板结构，使管板拥有充分的伸长空间，很好地克服了高温差造成的应力开裂现象，解决了长期困惑技术人员没有解决的氧化器余热锅炉段的应力腐蚀问题，上管板5的上端通过焊接固定在氧化器主筒体2上，上管板5的下端通过焊接与换热管3的上端相连。

换热管3内填充有紫铜高效传热件，高效传热件是由纯紫铜材质制成的扁平条状丝，缠绕在紫铜棒上制成，紫铜高效传热件靠不锈钢铁丝固定在管板5上，提高了气速，缩短了甲醛气在高温区的停留时间，从而降低了副反应，高效传热件受热膨胀后和换热管壁接触，快速将反应热传递给管壁，提高了传热效率。

换热管3的下端通过焊接方式与下管板18相连，下管板18的两端通过焊接方式与氧化器主筒体2相连，在氧化器主筒体2的下端设有热水入口16，热水从热水入口16进入氧化器主筒体2内，与换热管3内的高温甲醛气换热并产生蒸汽，蒸汽从蒸汽出口4进入蒸汽网。

蒸汽出口4位于氧化器主筒体2的上端，位置较上管板5高，这样可使上管板5完全浸在水中，有利于克服气蚀。

四元混合气通过催化剂层7发生催化氧化脱氢反应生成甲醛气，甲醛气经与热水换热后通过甲醛气出口19进入吸收系统，氧化器主筒体2与裙座1通过设备法兰17密封固定在一起。

图2A和图2B显示了上管板5的亚平管板结构及其与氧化器主筒体2的连接状况。亚平管的制作是通过对平管板进行旋压操作，使其发生一定的塑性变形，形成具有一定弧度的管板；上管板5与氧化器主筒体2的内壁通过焊接的方式连接成一体。

顶盖22与氧化器主筒体2的连接状况如图3所示。氧化反应器顶盖22与氧化器主筒体2通过设备法兰14密封固定在一起，氧化器主筒体2与顶盖22的直径为1800mm，(5万吨/年装置)上管板5到壳体顶部的距离为650mm。在更换催化剂时，只需将氧化器顶盖卸掉，操作工人站在壳体外就能很容易的铺装催化剂，而不用进入壳体内进行操作。

高效传热件的结构及其与其它部件的连接如图4所示，其中高效传热件是由纯紫铜材质制成的扁平条状丝20缠绕在紫铜棒21上制成，紫铜高效传热件靠系在紫铜棒21顶端的固定到位于上管板5之上的不锈钢丝上，提高了气速，缩短了甲醛气在高温区的停留时间，从而降低了副反应，高效传热件受热膨胀后和换热管壁接触，快速将反应热传递给管壁，提高了传热效率。

氧化器顶盖22的结构如图5所示，其中所述顶盖22包括：由密封连接的内筒体11和外筒体23组成的保温夹套12，该保温夹套12在所述外筒体23与内筒体23之间形成加热夹层；从保温夹套12的外筒体23、内筒体23进入顶盖22内部的四元混合气入口8；以及用于把从四元混合气入口8进入的四元混合气均匀分布在所述催化剂层7表面上的分布锥10，该分布锥10是中空的，其下端固定在内筒体11内壁上。

这种顶盖22的结构可以消除因四元混合气的冷凝对催化剂的影响。因为四元气体经过预热器，使混合气体温度达到100℃，甲醇的沸点64.2℃；在开车初期(点火前)为了避免甲醇气体的冷凝造成催化剂表面的不平整以及冷凝甲醇造成燃烧不完全而催化剂内积碳影响转化率，使四元气体通过加热的顶盖，从而避免了造成这些不利因素的原因。

从以上描述中可以发现，本发明可以达到以下技术效果：

1、消除了四元混合气的冷凝对催化剂的影响，提高了发生氧化脱氢反应生成甲醛气的效率；

2、很好地克服了高温差造成的应力开裂现象，解决了长期困惑技术人员没有解决的氧化器余热锅炉段的应力腐蚀问题；

3、方便催化剂的更换；

4、提高了热交换管的传热效率，从而提高了热交换器的交换效率。

上述说明的目的仅仅用于说明本发明，而用来限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求定义。

Claims (9)

1.一种甲醛氧化反应器，包括：

顶盖(22)；

连接所述顶盖(22)的氧化器主筒体(2)，其内设有用来发生氧化脱氢反应生成甲醛气的催化剂层(7)；

连接所述氧化器主筒体(2)以输出已生成的甲醛气的装置；

其特征在于，所述顶盖(22)包括：

保温夹套(12)，由密封连接的内筒体(11)和外筒体(23)组成，在所述外筒体(23)与内筒体(11)之间形成加热夹层；

从保温夹套(12)的外筒体(23)、内筒体(11)进入顶盖(22)内部的四元混合气入口(8)；以及

用于把从四元混合气入口(8)进入的四元混合气均匀分布在所述催化剂层(7)表面上的分布锥(10)，该分布锥(10)下端固定在内筒体(11)内壁上。

2.根据权利要求1所述的甲醛氧化反应器，其中，所述氧化器主筒体(2)还设有：

位于氧化器主筒体(2)上端的蒸汽出口(4)；以及

位于所述蒸汽出口(4)之下的上管板(5)，所述上管板(5)上端固定在氧化器主筒体(2)上。

3.根据权利要求2所述的甲醛氧化反应器，其中，所述上管板(5)是具有弧度的亚平管板，其两端上翘形成上端，所述上端通过焊接与氧化器主筒体(2)内壁连接为一体。

4.根据权利要求1所述的甲醛氧化反应器，其中，所述顶盖(22)的保温夹层(12)上设有蒸汽入口(9)和冷凝水出口(13)，利用所述蒸汽入口(9)进入的蒸汽来加热所述顶盖(22)。

5.根据权利要求1所述的甲醛氧化反应器，其中，所述顶盖(22)通过设备法兰(14)连接所述氧化器主筒体(2)。

6.根据权利要求1所述的甲醛氧化反应器，其中，所述氧化器主筒体(2)通过设备法兰(17)密封连接具有甲醛气出口(19)的裙座(1)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的甲醛氧化反应器，其中，所述催化剂层(7)位于氧化器主筒体(2)的上端。

8.根据权利要求7所述的甲醛氧化反应器，其中，在催化剂层(7)的下方设有与氧化器主筒体(2)相连的催化剂支撑筒体(6)。

9.根据权利要求8所述的甲醛氧化反应器，其中，

在所述催化剂支撑筒体(6)内，铜丝网(15)直接放置在上管板(5)上，以及

所述催化剂层(7)被铺设在所述铜丝网(15)上。

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