CN101249407A - 副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器 - Google Patents

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Abstract

一种副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器，含有筒体、上封头、绝热反应段、管内水冷段和下封头，在绝热反应段设置有两个绝热层，每个绝热层后设有由冷激气分布器和冷激管构成的原料气体冷激；在管内水冷段设有换热介质集合管、管内水冷段催化床、换热管、换热介质分布管、下托板，在换热管内通冷却介质，催化剂装填在换热管之间，装填的催化剂的高度为反应器催化剂层总高度的50～95％。本发明的优点是：是针对可逆放热反应的特点而专门设计的，反应器结构简单，催化剂装卸方便，催化剂升温还原容易，催化床温度易于控制和调节，可回收高位能反应热，副产蒸汽，适合大规模化工生产。

Description

副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器
【技术领域】
本发明涉及化工反应设备技术领域，具体地说，是一种副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器。
【背景技术】
在甲醇合成、氨合成、一氧化碳变换、有机化合物加氢、二甲醚合成、液体燃料合成、环氧乙烷合成等可逆放热反应中，都使用固体颗粒催化剂，都存在热量对反应结果的影响以及催化剂回收利用的问题；在大规模的工业化生产过程中，都需要应用固定床催化反应器。
目前，与本发明相关的技术主要有：
(1)Linde反应器
与德国的列管式Lurgi反应器相比，Linde反应器在装填催化剂时，是将催化剂装填在换热管的管间，而换热管内采用锅炉水来移走反应热，实现等温操作。由于Linde反应器的换热管采用的是螺旋盘管的形式，使加工制造较为复杂，设备费用较高。
(2)Casale反应器
Casale公司开发出了适用于放热和吸热非均相反应的带板式换热元件的催化反应器，并应用于甲醇生产。该反应器是一种水冷反应器，催化剂装填在壳程，换热元件内走水；换热元件为一种板式换热器；该反应器可利用原有的反应器的外壳，改造原反应器的内部器件，使得在设备上的投资减少；但其不足之处是该反应器的换热元件比较复杂。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种化工生产中适合单系列大型化发展需求的、合理利用能量、且操作快捷方便的副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器，含有筒体、上封头、绝热反应段、管内水冷段和下封头，在上封头上设有气体入口和人孔，在下封头上设有卸催化剂口和气体出口，其特征是，在绝热反应段设置有1～2个绝热层，每个绝热层后设有原料气体冷激，绝热反应段的高度为反应器催化剂层总高度的5～30％；在管内水冷段设有换热介质集合管、管内水冷段催化床、换热管、换热介质分布管、下托板，换热管连接在换热介质集合管与换热介质分布管之间，换热介质分布管上连接着冷却介质入口的上端、冷却介质入口的下端固定设置在下封头上；换热介质集合管上连接着冷却介质出口的下端，冷却介质出口的上端固定设置在上封头上；在换热管内通冷却介质，催化剂装填在换热管之间，装填的催化剂的高度为反应器催化剂层总高度的50～95％。
所述的原料气体冷激由冷激气分布器和冷激管构成，冷激气分布器为环形结构，在环形结构的下部分设有小孔；冷激管的下端连接在冷激气分布器上，冷激管的上端固定设置在反应器上封头上。
所述的绝热层为一个绝热层设有一个原料气体冷激。
所述的原料气体冷激由一个冷激气分布器和一根冷激管构成。
所述的原料气体冷激由多个冷激气分布器和多根冷激管构成。
所述的换热介质集合管为环形管，管上连接有换热管的上端和冷却介质出口的下端。
所述的换热介质分布管为环形管，管上连接有换热管的下端和冷却介质入口的上端。
所述环形结构的冷激气分布器下部分小孔的直径为1～5毫米。
当可逆放热反应如合成气制甲醇、合成氨反应、合成气制二甲、合成液体燃料等的反应气体轴向进入反应器时，先通过上述由工业粒度催化剂组成的绝热层，经绝热反应后的气体再经原料气体冷激，与冷的原料气进行热量交换，使反应气体温度降低到下一段反应的反应温度；在反应器的上部分设置绝热层，可吸附反应气体中对催化剂有害有毒的气体，保证反应器下部的催化剂不受有害有毒气体的影响，延长催化剂的使用寿命。
当反应气体轴向流经管内水冷段催化剂层时所产生的反应热由换热管内的介质冷却移走，该介质可以是水，也可以是其它热介质；如果是水，应从反应器下部的冷却介质入口进入，吸收热量后形成中压蒸汽从反应器上部的冷却介质出口排出；该介质如果是其他热介质，应能产生相变，从反应器下部的冷却介质入口进入，吸收热量产生相变后从反应器上部的冷却介质出口排出。在某些情况下，也可以从反应器上部的冷却介质出口进入，从反应器下部的冷却介质入口排出。
本发明副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器的效果是：
(1)是针对可逆放热反应，如合成气制甲醇、合成氨反应、合成气制二甲醚、合成液体燃料的特点而提出的一种固定床催化反应器，它充分考虑了可逆放热反应的热效应，合理地布置催化剂，在反应器的上部设置绝热层和原料气体冷激，既加大了催化剂的装填量，增加了产能，又可吸附对催化剂有害有毒的物质；在反应器的下部设置换热管，催化剂装在换热管之间，换热管内走冷却介质——沸腾水，反应时放出的热量，由沸腾水移走，副产中压蒸汽，充分合理地利用了高位能热量。
(2)催化剂在反应器内连成一体，冷激气分布器、换热介质集合管、换热介质分布管与换热管设置在催化剂床中。
(3)反应器结构简单，催化剂装卸方便，催化剂升温还原容易，催化床温度易于控制和调节，可回收高位能反应热，副产蒸汽，适合大规模化工生产。
【附图说明】
附图为本发明副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器的结构示意图。
图中的标号分别为：
1、气体入口，2、第一绝热层，3、第一冷激气分布器，4、第二绝热层，5、第二冷激气分布器，6、换热介质集合管，7、管内水冷段催化床，8、换热管，9、换热介质分布管，10、下托板，11、卸催化剂口，12、气体出口，13、冷却介质入口，14、下封头，15、筒体，16、上封头，17、人孔，18、第二冷激管，19、冷却介质出口，20、第一冷激管。
【具体实施方式】
以下通过附图给出本发明的具体实施方式，但是，本发明不限于以下的实施方式。
一种副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器，含有筒体15、上封头16、绝热反应段、管内水冷段和下封头14，在上封头16上设有气体入口1和人孔17，在下封头14上设有卸催化剂口11和气体出口12。
筒体15的内径为3.8米，上部为绝热反应段，设有两个绝热层：第一绝热层2和第二绝热层4，第一绝热层2设置在第二绝热层4的上方；在第一绝热层2后设有由第一冷激气分布器3和第一冷激管20构成的原料气体冷激，第一冷激气分布器3为环形结构，在环形结构的下部分设有小孔，小孔的直径为1～5毫米，第一冷激气分布器3的下端连接着第一冷激管20，第一冷激管20的上端固定连接在反应器的上封头16上，同时起到将第一冷激气分布器3固定在第一绝热层2后面的作用；在第二绝热层4后设有原料气体冷激，它由第二冷激气分布器5(结构同第一冷激气分布器3)和第二冷激管18(结构同第一冷激管20)构成，第二冷激气分布器5的下端连接着第二冷激管18，第二冷激管18的上端固定连接在反应器上封头16上，同时起到将第二冷激气分布器5固定在第二绝热层4后面的作用；每个绝热层高度为1.25米，绝热反应段的高度为反应器催化剂层总高度的5～30％，可装填28立方米催化剂。
本发明的原料气体冷激可由一个冷激气分布器和一根冷激管构成，也可由多个冷激气分布器和多根冷激管构成。
筒体15的下部为管内水冷段，其内径同样为3.8米，其内设有换热介质集合管6、管内水冷段催化床7、换热管8、换热介质分布管9、下托板10，在环形管状的换热介质集合管6与环形管状的换热介质分布管9之间连接有直径为25mm、管壁厚2mm的一组换热管8；换热介质分布管9上连接着冷却介质入口13的上端、冷却介质入口13的下端固定设置在下封头14上；换热介质集合管6上连接着冷却介质出口19的下端，冷却介质出口19的上端固定设置在上封头16上；在换热管8内通冷却介质，催化剂装填在换热管8之间，装填的催化剂的高度为反应器催化剂层总高度的50～95％，可装填57立方米催化剂，整个反应器总共可装填催化剂85立方米。
由含量为74.64％氢气、含量为10.89％一氧化碳、含量为1.36％二氧化碳以及少量的甲烷(CH4)、氮气(N2)、氩气(Ar)组成的合成气体进入反应器，温度为190℃，压力为8.0Mpa，经过第一冷激气分布器3冷激后的反应温度为202℃，经过第二冷激气分布器5冷激后的反应温度为209℃，进入管内水冷段催化剂床层后热点温度为236℃，反应器气体出口12温度为231℃，进入反应器的气体流量为765141Nm3/h。本发明可生产甲醇60万吨/年(按300天计算)，产生中压蒸汽1.2吨/吨甲醇。
在具体实施中，副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器可以有多种组合方式，如：绝热-冷激-绝热-冷激-管内水冷副产蒸汽组合方式；或，绝热-冷激-管内水冷副产蒸汽组合方式；当绝热层高度较低时，也可以是绝热-管内水冷副产蒸汽组合方式，不设冷激结构。

Claims (8)

1. 一种副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器，含有筒体、上封头、绝热反应段、管内水冷段和下封头，在上封头上设有气体入口和人孔，在下封头上设有卸催化剂口和气体出口，其特征在于，在绝热反应段设置有1～2个绝热层，每个绝热层后设有原料气体冷激，绝热反应段的高度为反应器催化剂层总高度的5～30％；在管内水冷段设有换热介质集合管、管内水冷段催化床、换热管、换热介质分布管、下托板，换热管连接在换热介质集合管与换热介质分布管之间，换热介质分布管上连接着冷却介质入口的上端、冷却介质入口的下端固定设置在下封头上；换热介质集合管上连接着冷却介质出口的下端，冷却介质出口的上端固定设置在上封头上；在换热管内通冷却介质，催化剂装填在换热管之间，装填的催化剂的高度为反应器催化剂层总高度的50～95％。
2. 根据权利要求1所述的副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器，其特征在于，所述的原料气体冷激由冷激气分布器和冷激管构成，冷激气分布器为环形结构，在环形结构的下部分设有小孔；冷激管的下端连接在冷激气分布器上，冷激管的上端固定设置在反应器上封头上。
3. 根据权利要求1所述的副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器，其特征在于，所述的绝热层为一个绝热层设有一个原料气体冷激。
4. 根据权利要求1、或2所述的副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器，其特征在于，所述的原料气体冷激由一个冷激气分布器和一根冷激管构成。
5. 根据权利要求1、或2所述的副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器，其特征在于，所述的原料气体冷激由多个冷激气分布器和多根冷激管构成。
6. 根据权利要求1所述的副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器，其特征在于，所述的换热介质集合管为环形管，管上连接有换热管的上端和冷却介质出口的下端。
7. 根据权利要求1所述的副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器，其特征在于，所述的换热介质分布管为环形管，管上连接有换热管的下端和冷却介质入口的上端。
8. 根据权利要求2所述的副产蒸汽的组合式轴向流动气固相固定床催化反应器，其特征在于，所述环形结构的冷激气分布器下部分小孔的直径为1～5毫米。
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