CN102497923A - 垂直等温管壳式反应器 - Google Patents

Abstract

用于化学反应的等温垂直反应器(1)，包括：壳体(2)，具有用于限定入口分配腔室(17)的内部透气壁(16)和用于界定产物收集腔室(19)的内部透气壁(18)；顶部敞开的催化床，位于所述透气壁之间；管式热交换器(5)，嵌入上述催化床中，所述管式热交换器(5)包括一束U型管，其中入口(14)设置成用于将新鲜供给气体引入上腔室(21)内和所述催化床和所述管束的U型顶端部分上方；所述新鲜供给气体的一部分(F1)以混合的轴向-横向流方式穿过所述催化床，并且新鲜供给气体的另一部分(F2)进入所述入口气体分配腔室(17)，并且以大致横向流式穿过所述催化床。

Description

垂直等温管壳式反应器

技术领域

本发明涉及一种垂直等温管壳式反应器，用于进行如甲醇合成的催化化学反应。

背景技术

等温或者非等温化学反应器是安装有内部热交换器的反应器，所述内部热交换器通常嵌入催化剂架中，用以保持化学反应的温度在最佳范围之内。一个常见的例子为甲醇合成，其中，所述热交换器利用合适的冷却液，如将沸水转换成水蒸汽来去除放热合成反应的热量。如果该反应是吸热反应，所述热交换器被供应加热介质，提供所需热量以维持自身的反应。

安装有内部管式热交换器的等温反应器简称管式反应器。

在第一个已知的结构中，管式反应器基本上是包括固定的管束的壳体，催化剂容纳在管内。然而，这种结构的每单元的最大产量是有限的。例如参照甲醇合成，这种类型的已知反应器通常每单元只能供给不超过2000mtd(每天公吨)的甲醇，而市场需求产量为5000mtd或更多的较大设备。平行安装过多的单元是非常昂贵的，因此，优选地是实现一个单独的、较大的单元。此外，比起产出量，这种反应器相对较大。

另一种结构具有分布在管外的催化剂。在已知技术中，这种反应器包含轴流式和径向外流式单元。轴流式反应器在最大容量方面也有限制，因为通过所述反应器的最大流量基本取决于横截面和流速。反应物的速度不可能增加到超过一定值，否则压力损失将会太大；加大横截面，例如，制造大的壳体，意味着制造更昂贵的反应器。另一方面，已知径向外流式反应器具有较差的热交换性能，并且使得一般较难排放和再注入所述催化剂。

基于所述原因，现有技术中的等温管式反应器仍需要改进以达到高生产率、高效率、低成本和容易排放/再注入所述催化剂这些需求之间的最佳平衡。

EP-A-1900424公开了一种等温反应器，包括：基本圆柱形的外壳、催化剂载体、相对的穿孔透气壁和热交换器单元，所述相对的穿孔透气壁用作反应物/产物的入口和出口，所述热交换器单元浸于所述催化床。所述催化床被所述相对的穿孔壁横向限定，并且热交换器安置在基本平行于横越所述催化床本身的气流的方向。

发明内容

本发明要解决的问题是要克服现有技术中的上述缺点。尤其是，本发明的目的在于实现一个结构，该结构适用于简单的和低成本的管式反应器，该管式反应器相比反应器尺寸能够处理大的流量。

所述问题通过用于化学反应的等温垂直反应器解决，该等温垂直反应器包括：壳体，具有纵向轴线；至少一个气体入口和产物出口，所述气体入口用于供给新鲜气体；平行于所述轴线的至少一个第一透气壁和平行于所述轴线的第二透气壁，使得在所述第一透气壁与所述反应器的所述壳体之间界定气体分配腔室，并且在所述第二透气壁与所述壳体之间界定连通于所述产物出口的产物收集器；催化床，容纳在壳体内，所述分配腔室和收集腔室的所述透气壁面向所述催化床；和热交换器，嵌入于所述催化床中，所述反应器的特征在于：

所述热交换器包含一束U型管，各所述U型管具有由U型部分连接的两个直线部分，因此形成了所述管束的U型端部分；

所述气体入口设置成用于将所述新鲜供给气体直接引入位于所述反应器的上腔室中以及所述催化床之上；

所述催化床和所述入口气体分配腔室连通于所述反应器的所述上腔室，因此在所述反应器的操作中，所述新鲜供给气体的第一部分可以直接进入所述催化床并穿过所述管束的所述U型端，所述新鲜供给气体的第二部分可以进入所述入口气体分配腔室，所述第一部分以混合的轴向-横向流方式流入所述催化床并且流向所述收集腔室，所述第二部分以大体横向流方式从所述气体分配腔室流入所述催化床并流向所述气体收集腔室。

优选地，所述入口气体分配腔室具有上入口，该上入口在所述反应器的所述上腔室中是敞开的，并且位于所述催化剂的最高位之上。在优选的实施方式中，所述反应器具有被两个相对的、平行的透气壁界定的一个分配腔室和一个收集腔室。所述透气壁可以被穿孔、钻槽或者设置等同物，以使得反应物/产物通过。

在另一个优选的实施方式中，所述新鲜供给气体的所述气体入口包括至少一个入口分配器喷嘴。优选地，所述喷嘴安装在所述反应器的顶盖上，更优选地，所述喷嘴与所述反应器的所述主纵轴线对齐。所述喷嘴可以有单个开口或者多个朝前的和/或者朝向侧面的开口，用于给所述反应器的所述上腔室分配所述新鲜供给气体。

在本发明的优选实施方式中，所述反应器设置成使得所述新鲜供给气体中进入所述气体分配腔室的第二部分大于通过所述管束直接进入所述催化床的第一部分。所述第一部分与第二部分的比例根据反应类型和所述反应器的大小可以变化；所述比例优选在24％-45％的范围之内。

所述热交换器的所述管优选固定到所述反应器底部的管片或者歧管上。在所述管束上部的U型部分优选为半圆形。循环于所述管内部的加热或者冷却流体可以是任何合适的流体；在一些实施方式中所述流体为水。

在特别优选的实施方式中，所述反应器具有顶盖，其为供给有所述新鲜供给空气的所述上腔室划界，并且包括与所述主纵轴线对齐的轴向气体入口分配器和检修孔。在所述壳体的底部，具有至少一个产物出口和一个或者优选多个催化剂排出口，所述产物出口连通于所述产物收集腔室，所述催化剂排出口排放废弃的催化剂。

本发明的优选应用是用于甲醇合成的反应器(甲醇合成塔)。特别优选的应用是甲醇合成塔，其中，反应的热量用于产生蒸汽，例如，所述管式热交换器被供应沸腾给水(BFW)和蒸汽或者在所述管的所述出口收集水/蒸汽混合物。

根据本发明的所述反应器具有如下优点。由于混合轴向-横向流，所述气流在穿过所述催化床时遭遇低压降。因此，相比所述壳体的大小和直径，所述反应器能接收较大的流量。应该指出，所述反应器的成本与直径密切相关。

本发明允许充分利用可用的的催化剂，因为所述新鲜供给气体是通过所述分配腔室的透气壁和所述催化床敞开的上部均匀地分配入所述催化床中，在所述热交换器的所述壳体侧，允许处理所述反应物/产物的具有低压降的较大的流量。

所述反应器的主要部件相对简单，仅有所述壳体、所述管束、一个管片或管歧管和所述内部透气壁。这有助于减少成本。

另一优点是容易进入所述催化床进行维修。能够从所述反应器的顶部轻松进入通向所述反应器的所述上腔室的所述催化床，而所述催化剂可以从底部的排出口排放。本发明提供了顶部敞开式料桶结构，替换旧的(废弃的)催化剂的操作变得更简单，更快速。

为示例和非限制性目的，通过下文参照附图的描述，本发明的特征和优点将更清楚。

附图说明

图1是根据本发明优选实施方式的反应器的纵截面示意图；

图2是图1的反应器的横截面示意图；

具体实施方式

参照图1，用于化学反应的垂直反应器1，如甲醇合成塔，包括：具有纵轴线A-A的壳体2，壳体2被顶盖3和底盖4所覆盖。

管式热交换器5包含于所述反应器1内，并且嵌入于催化床中。所述热交换器5是管式热交换器，具有固定至底部管片7的多个U型管。在备选的实施方式中，所述管可以连接到歧管。

如固体颗粒形状的所述催化剂，填充从所述管片7直至最高位6之间的反应空间。在操作中，所述催化剂将固化和/或收缩以使催化床降低到较低位6′。在操作中，等温反应的可用空间被包括在所述底片7与所述催化床的最高位6′之间。在反应空间内，反应物和产物保持在大体等温的条件下。

所述顶盖3安装有入口喷嘴14，用于供给反应物的新鲜供给空气F。化学反应的产物P被传送到位于所述壳体2底部区域的出口15。

所述热交换器5适于通过补偿由化学反应产生的热量或吸收的热量，将所述催化床的温度维持在预定的范围内。为了这个目的，向所述交换器5的管侧供给合适的热交换流体，使得在所述底盖4上的入口8进入并在相同的盖4上的出口9流出。热交换流体分配腔室10和收集腔室11由分隔壁12划界。

所述热交换器5的各U型管具有由U型转弯连接的两个直线部分。所述管中的一个如图1中13所示，具有直线部分13a，固定到所述管片7，并且连通于所述流体分配腔室10；U型部分13b；和另一个直线部分13c，固定到所述管片7，并且连通于所述流体收集腔室11。所述U型部分13b连接所述直线部分13a和13b。因此，所述交换器5的整个管束具有由所述管的所述U型部分形成的U型顶端部分5b。

所述反应器1还包括透气性穿孔壁16和相对的透气性穿孔壁18，所述透气性穿孔壁16平行于所述轴线A-A并且界定侧面的气体分配腔室17，所述透气性穿孔壁18界定侧面的产物收集腔室19.所述产物出口15连通于所述收集腔室19。

所述分配腔室17被界定于所述壳体2和所述穿孔壁16之间，所述产物收集腔室19被界定于所述壳体2和所述穿孔壁18之间。所述催化床容纳于所述穿孔壁之间，使得所述穿孔壁面向所述催化床，从而面向所述反应器1内的反应空间。

优选地，如图所示，所述透气壁是平行的且相对的，但是备选实施方式，如，具有多个透气壁且对应的分配和收集腔室的实施方式是可能的。在所给的例子中，所述分配腔室17和收集腔室19的结构可以根据图2的截面图进一步了解。

所述分配腔室17具有上入口20，上入口20位于所述催化剂的最高位6之上，并在所述反应器1的上腔室21中敞开。所述上腔室21位于所述催化床之上并且大体由顶盖3划界。所述催化床直接连通于所述反应器的所述上腔室21。

在所述顶盖3上还提供了检修孔22。在所述壳体2上提供一个或者多个催化剂排出口23。合适的支撑件24被固定到所述壳体2上，用于垂直安装。在操作中，所述检修孔22和所述催化剂排出口23被固定法兰所封闭。其它的特征如压力计，热电偶等依据现有技术来实现。

设置所述喷嘴14和所述分配腔室17，使得所述新鲜供给气体F的第一部分F1直接进入所述催化床，以图1中箭头所指示的轴向-横向流，从所述反应器的上腔室21，通过所述热交换器5的所述U型顶端部分5b，流入所述催化床，然后流向所述穿孔壁18和收集腔室19。

所述新鲜供给气体F的第二部分F2，进入所述分配器17的所述入口20，然后以大体横向(水平的)流方式，流经所述穿孔壁16和所述催化床，到达所述收集腔室19。

优选地，所述第二部分F2大于所述第一部分F1。应该指出，通过所述分配器17供给所述新鲜供给气体F的一部分，允许充分利用可用的催化剂，也即远离所述喷嘴14的较低部分。这有助于维持整个所述催化床的均匀的等温反应，并且最大化反应器1的产量。另一方面，为催化床直接供给至少一部分新鲜气体是考虑到顶部完全敞开的料桶，使得容易装载催化剂。

所述反应器1的操作如下所示。所述新鲜供给气体F通过所述喷嘴14进入所述反应器1的上腔室21。所述新鲜供给气体F的一部分，对应于流线F1，以轴向-横向流方式，直接穿过所述上腔室21进入顶部敞开的催化床，流经所述管束，然后通过所述收集腔室19的所述穿孔壁18。剩余部分F2通过所述入口20引入所述分配腔室17，从而以大体横向流方式流入所述催化床。产物收集在收集腔室19中并从出口15排出。

一个优选的但不是排他性的应用为甲醇合成。在这种情况下，所述新鲜供给气体F是适合的补充合成气体，所述热交换器5有责任去除甲醇合成的放热反应产生的热量。优选地，所述热交换流体是进入所述法兰8并且至少部分地在所述管内蒸发的沸水，因此出口9输送蒸汽或水/蒸汽的混合流。

Claims (8)

1.一种用于化学反应的等温垂直反应器(1)，包括：

壳体(2)，所述壳体具有纵轴线(A-A)；

至少一个气体入口(14)和一个产物出口(15)，所述气体入口用于供给新鲜气体(F)；

至少一个第一透气壁(16)和第二透气壁(18)，所述第一透气壁平行于所述轴线，所述第二透气壁平行于所述纵轴线(A-A)，使得在所述第一透气壁和所述反应器的所述壳体之间限定分配腔室(17)，并且在所述第二透气壁与所述壳体之间限定与所述产物出口(15)连通的产物收集腔室(19)；

催化床，所述催化床容纳于所述壳体内，所述分配腔室和所述收集腔室的所述透气壁面向所述催化床；

热交换器(5)，所述热交换器嵌入于所述催化床中，

所述反应器的特征在于：

所述热交换器(5)包括U型管的束(13)，每个U型管具有由U型部分(13b)连接的两个直线部分(13a，13c)，因此形成了所述管束的U型端部分(5b)；

所述气体入口(14)设置成用于将供给的所述新鲜气体引入所述反应器的上腔室(21)中、所述催化床上方；

所述催化床和所述分配腔室(17)与所述反应器的所述上腔室(21)连通，使得在所述反应器的操作期间，供给的新鲜气体(F)的第一部分(F1)能够直接进入所述催化床并穿过所述管束的所述U型部分(5b)，并且供给的新鲜气体的第二部分(F2)能够进入所述入口气体分配腔室(17)，所述第一部分以混合的轴向-横向流方式流入所述催化床并且流向所述产物收集腔室(19)，所述第二部分以大致横向流方式从所述气体分配腔室(17)流入所述催化床并流向所述收集腔室(19)。

2.如权利要求1所述的反应器，其中所述分配腔室(17)具有上入口(20)，所述上入口位于所述反应器的所述上腔室(21)中并且位于所述催化床的催化剂的最高位(6)上方。

3.如权利要求1或2所述的反应器，其中所述反应器具有被两个相对的、平行透气壁(16，18)限定的一个分配腔室和一个产物收集腔室。

4.如前述任一项权利要求所述的反应器，其中所述气体入口包括至少一个分配器喷嘴(14)。

5.如权利要求4所述的反应器，其中所述喷嘴设置在所述反应器(1)的顶盖(3)上，并且与所述主纵轴线(A-A)对齐。

6.如前述任一项权利要求所述的反应器，其中所述壳体(2)包括至少一个催化剂排出口(23)。

7.如前述任一项权利要求所述的反应器，其特征在于，在所述反应器的操作期间，供给的所述新鲜气体的所述第二部分(F2)大于供给的所述新鲜气体的所述第一部分(F1)。

8.如前述任一项权利要求所述的反应器用于通过甲醇补充合成气的转化来合成甲醇的用途。

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