CN102836676B - 气固相催化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气固相催化反应器。该气固相催化反应器包括：反应器壳体，其侧壁上形成有沿侧壁切线方向延伸的气体入口管线；催化剂床层，设置在反应器壳体内，与反应器壳体之间形成环状的旋流腔，催化剂床层为中空圆柱体，催化剂床层的壳体上设置有与催化剂床层内部相通的通孔；换热装置，设置在催化剂床层内。本发明的气固相催化反应器，反应气切向进气在旋流腔内旋流的方式相对于直接径向进气的方式将获得更长的停留时间，将有更长的时间在旋流腔内均匀旋流扩散后才进入催化剂床层在催化剂的作用下进行反应，使得反应气在反应器整个催化剂床层轴向空间内更为均匀分布。

Description

气固相催化反应器

技术领域

本发明涉及气固相催化反应技术领域，具体而言，涉及一种气固相催化反应器。

背景技术

在化工生产过程中，常常因为合成反应器催化剂床层温度不均、反应温度过高、或过反应温度过低等反应器催化剂床层温度不宜控制的因素导致副产物过多。

对于由加压下甲胺、甲醚、甲醇合成、氨合成和CO变换这类气固相放热催化反应，随着反应的进行，不断放出的反应热使催化剂床层温度提高。为了减少副产物和提高反应器的效率，需要把反应热移出以使反应温度处于一个合理的范围。在工业反应器中曾广为使用的一种是多段绝热反应，二段之间用原料气激冷来降低反应气温度，这种反应器因原料气激冷时在降低反应气温度的同时也降低了反应物浓度，影响了合成效率。另一种用于甲醇合成的Lurgi公司的列管式反应器，在壳体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，在管内装触媒层中合成甲醇，管间侧面进水。反应管被管外沸腾水连续移出热量，产生蒸汽由侧面管出，反应器由底部出气管出塔，该塔温差小，但触媒装填系数小。

另一种DAVY公司开发的甲醇合成技术，其合成反应器结构示意图如图1所示，催化剂装填在反应器100’的壳侧，换热管130’内产生中压蒸汽。新鲜的合成气从反应器100’底部的中心管120’进入，中心管120’管壁上有分配孔以保证气体的分布均匀。气体沿径向从内到外通过反应器100’的催化剂床层110’。从汽包来的锅炉水进入反应器100’的底部然后向上流动并部分汽化带走甲醇合成反应所产生的反应热。反应温度通过换热管130’内蒸汽的压力来调节。该技术能将反应温度控制在一定范围内，且反应器100’生产能力的扩大可以通过加长反应器长度来实现，在甲醇合成大型化方面有其技术优势，目前被甲醇合成厂家逐渐广泛采用，但是本身还存在着一些不足。

现有davy技术合成流程示意图，如图2所示，其中，反应系统包括反应器100’、汽包200’、水冷器300’、空冷器400’、循环气压缩机500’等，新鲜的合成气从反应器100’底部的中心管120’进入，中心管120’管壁上有分配孔以保证气体的分布均匀。气体沿径向从内到外通过反应器100’的催化剂床层110’。因为新鲜的合成气从反应器100’底部的中心管120’进入，所以较大比例合成气首先由反应器100’中下部中心管120’管壁上的分配孔沿径向从内到外进入到反应器100’中下部催化剂床层110’进行反应；沿着中心管120’越往上，合成气就越稀薄，也就是反应器100’下部催化剂床层110’相对于反应器100’上部催化剂床层110’而言就会有更多合成气参与反应，这样反应器100’下部催化剂的活性相对于反应器100’上部催化剂的活性将会下降得更快。这样，到了催化剂使用寿命的中后期时，进入反应器100’下部中心管120’管壁上分配孔的合成气中的大部分沿径向从内到外进入到反应器100’下部催化剂床层110’后往往还没有来得及进行化学反应就离开了催化剂床层110’，又因为在反应器100’下部进行反应的合成气比例比中上部的都大，即使合成气在反应器100’上部的活性较高的催化剂处的转化率还保持较高水平，但因为反应器100’上部的合成气量相对较小，使得总体上合成气反应生成甲醇的单程转化率将急速下降，使得甲醇产量也会随之下降；如果要保持甲醇产量，就需要加大未反应的合成气的循环量和循环次数，这无疑又增加了能耗。在催化剂使用寿命的中后期时，如果采用大幅提高催化剂床层110’温度的方法来提高催化剂的活性，一方面会使催化剂使用寿命更快下降，另一方面会才产生更多的蜡(尤其在床层温度高于280℃以上时)。这样，往往本来能使用较长或更长时间的床层催化剂更换的时间大为提前，而在反应器100’上部还保持较高活性的催化剂也同反应器100’下部几乎无法使用的催化剂一同更换(一般使用过的甲醇合成催化剂更换时，整体反应器100’的催化剂都和空气接触，一旦在空气氛围内，尚有活性的催化剂也必将因快速中毒损坏而无法使用)，在经济上造成了浪费。

现有DAVY技术中，甲醇合成塔为径向流反应器，在合成反应器的上部，热气体需向下折流后才能流出塔外，在塔内滞留时间较长，造成移出反应热的速率较催化剂床层其他位置的反应热移出速率要慢，使得反应器催化剂床层常常出现局部超温，尤其当床层温度高于280℃时，往往会产生大量的蜡，同时使得催化剂活性加快衰减，间接地造成催化剂的浪费。

现有DAVY技术中，汽包内的锅炉给水均从反应器的底部进入换热管，吸收反应热后变成蒸汽循环回汽包，这样，温度较低的锅炉给水在反应器中下部时大量吸收反应热汽化形成高温蒸汽，这些高温蒸汽和接近催化剂床层温度的高温锅炉给水吸收热量的能力远低于温度较低的锅炉给水，使得反应器上部产生的反应热不能及时被带走，往往导致反应器催化剂床层上部的温度大大高出反应器催化剂床层中下部的温度。

发明内容

本发明旨在提供一种气固相催化反应器，以解决现有技术中合成气在催化剂床层分布不均匀的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种气固相催化反应器。该气固相催化反应器包括：反应器壳体，其侧壁上形成有沿侧壁切线方向延伸的气体入口管线；催化剂床层，设置在反应器壳体内，与反应器壳体之间形成环状的旋流腔，催化剂床层为中空圆柱体，催化剂床层的壳体上设置有与催化剂床层内部相通的通孔；换热装置，设置在催化剂床层内。

进一步地，反应器的气体入口管线包括多条，各气体入口管线的高度位置相同或者不同，并且各气体入口管线在俯视方向的投影均匀地围绕在反应器壳体的外周。

进一步地，反应器的气体入口管线包括第一气体入口管线、第二气体入口管线、第三气体入口管线、及第四气体入口管线，其中，第一气体入口管线和第二气体入口管线中心对称地设置在催化剂床层的1/3高度处，第三气体入口管线和第四气体入口管线中心对称地设置在催化剂床层的2/3高度处。

进一步地，催化剂床层的中轴线上设置有中心管，中心管的管壁上均匀地设置有中心管集气孔，中心管上下两端形成反应生成气出口。

进一步地，换热装置包括多条均匀地设置在催化剂床层内的换热管，其中，部分换热管内介质的流动方向与剩余部分的换热管内介质的流动方向相反。

进一步地，换热装置包括多组以催化剂床层的中轴线为中心，呈圆形排布的换热管组，介质的流动方向不同的各换热管组间隔排列。

进一步地，换热装置包括多组以催化剂床层的中轴线为中心，呈圆形排布的换热管组，换热管组内介质的流动方向不同的换热管之间间隔排列。

进一步地，换热管与汽包相通，汽包内的水进入换热管的管线上设置有调节阀，催化剂床层内在换热管附近设置有热电偶，调节阀与热电偶形成控制换热管内水的流量的控制回路。

进一步地，汽包与换热管形成回路。

进一步地，汽包内的水自上而下进入的部分换热管的管线上设置有用于调节水压的变频泵，该部分换热管的出口端及多相泵的出口端分别设置有压差计，压差计与多相泵形成抑制蒸汽倒流的控制回路。

本发明的气固相催化反应器，具有由套设在催化剂床层的壳体外周的壳体及催化剂床层的壳体形成的旋流腔，旋流腔通过催化剂床层壳体上设置的通孔与催化剂床层内部相通，且旋流腔的气体入口管线沿壳体的切线方向设置，使得反应气由气体入口管线沿旋流腔切向方向进入旋流腔。反应气切向进入后将紧贴反应器壳体内壁做圆周旋流运动，然后反应气在圆周旋流的过程中向上下两个方向扩散旋流，反应气切向进气在旋流腔内旋流的方式相对于直接径向进气的方式将获得更长的停留时间，将有更长的时间在旋流腔内均匀旋流扩散后再由通孔进入催化剂床层在催化剂的作用下进行反应，使得反应气在反应器整个催化剂床层轴向空间内更为均匀分布。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有davy技术合成反应器的结构示意图；

图2示出了现有davy技术合成的流程示意图；

图3示出了根据本发明实施例的气固相催化反应器竖直剖面结构示意图；

图4示出了根据图3的A-A截面俯视结构示意图和根据本发明实施例的换热管在气固相催化反应器内的排布结构示意图；

图5示出了根据图3的A-A截面俯视结构示意图和根据本发明实施例的换热管在气固相催化反应器内的另一种排布结构示意图；

图6示出了根据本发明实施例的气固相催化反应器结构示意图；

图7示出了根据图6的B-B截面气体入口管线在气固相催化反应器上的仰视结构示意图；

图8示出了根据图6的C-C截面气体入口管线在气固相催化反应器上的俯视结构示意图；

图9示出了根据本发明实施例的调节阀与热电偶形成控制换热管内水的流量的自动控制回路的结构示意图；以及

图10根据本发明实施例的反应器系统流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明一典型实施例，如图3所示，气固相催化反应器包括反应器壳体101、催化剂床层110和换热装置，其中，反应器壳体101的侧壁上形成有沿侧壁切线方向延伸的气体入口管线150；催化剂床层110设置在反应器壳体101内，与反应器壳体101之间形成环状的旋流腔140，催化剂床层110为中空圆柱体，催化剂床层110的壳体上设置有与催化剂床层110内部相通的通孔111，换热装置设置在催化剂床层110内。

本发明的气固相催化反应器，具有由套设在催化剂床层110的壳体外周的反应器壳体101及催化剂床层110的壳体形成的旋流腔140，旋流腔140通过催化剂床层110壳体上设置的通孔111与催化剂床层110内部相通，且旋流腔140的气体入口管线150沿反应器壳体101的侧壁切线方向设置，使得反应气由气体入口管线150沿旋流腔140切向方向进入旋流腔140。反应气切向进入后将紧贴反应器壳体101的壳体内壁做圆周旋流运动，然后反应气在圆周旋流的过程中向上下两个方向扩散旋流，反应气切向进气在旋流腔140内旋流的方式相对于直接径向进气的方式将获得更长的停留时间，将有更长的时间在旋流腔140内均匀旋流扩散后再由通孔111进入催化剂床层110在催化剂的作用下进行反应，使得反应气在反应器整个催化剂床层110轴向空间内更为均匀分布。本发明的气固相催化反应器特别适合于甲醇合成反应过程，也可用于甲醚、甲胺、甲醚、氨合成和CO变换等化学过程。

根据本发明一典型实施例，如图3所示，催化剂床层110的中轴线上设置有中心管120，中心管120的管壁上均匀地设置有中心管集气孔121，中心管120上下两端开口形成反应生成气出口122。反应气进入旋流腔140沿着轴向空间均匀分布后，通过催化剂床层110壳体上设置的通孔111进入催化剂床层110，反应气沿径向从内到外通过催化剂床层110。反应气在催化剂的作用下部分反应后形成反应生成气(含未进行反应的反应气)沿径向通过中心管集气孔121进入到中心管120内，然后反应生成气从上下两端的反应生成气出口122离开反应器。根据本发明一典型的实施例，从上下两端的反应生成气出口122离开反应器的两股合成气汇合后，进入合成回路中间换热器预热即将进入反应器的反应气。

优选地，如图4所示，反应器的气体入口管线150包括多条，各气体入口管线150的高度位置相同或者不同，并且各气体入口管线150在俯视方向的投影均匀地围绕在反应器壳体101的外周，使得反应气在旋流腔140内更为均匀分布。

优选地，如图6-8所示，反应器的气体入口管线150包括第一气体入口管线151、第二气体入口管线152、第三气体入口管线153、及第四气体入口管线154，其中，第一气体入口管线151和第二气体入口管线152中心对称地设置在催化剂床层110的1/3高度处，第三气体入口管线153和第四气体入口管线154中心对称地设置在催化剂床层110的2/3高度处，使得反应气在旋流腔140内更为均匀分布，而不会出现在现有技术中进入反应器下部催化剂床层的合成气大大多于进入反应器上部催化剂床层的合成气这种合成气分布不均的情况。

优选地，如图10反应器系统流程图所示，换热管130与汽包200相通，从汽包来的锅炉给水进入反应器的换热管130并部分汽化带走合成反应所产生的反应热，反应温度可通过换热管130内蒸汽的压力和锅炉给水的流量来调节。根据本发明一典型实施例，换热装置包括多条均匀地设置在催化剂床层110内的换热管130，其中，部分换热管130内介质的流动方向与剩余部分的换热管130内介质的流动方向相反。优选地，汽包内的水自上而下进入的部分换热管130的管线上设置有用于调节水压的多相泵201，优选为变频泵，该部分换热管130的出口端及多相泵201的出口端分别设置有压差计，压差计的压差和多相泵201转速形成自动控制回路，以防止副产蒸汽倒串。如图4所示，水自下而上进入的换热管131用白色圆圈表示，水自上而下进入的换热管132用黑色圆圈表示。这样，既有自下而上的汽包200给水吸收反应器下半部产生的反应热，又有自上而下的汽包给水取走反应器上半部产生的反应热。根据本发明一种典型的实施例，如图4所示，从汽包底部引出两条锅炉给水总管，第一条锅炉给水总管分为两路，一路给第一圆周换热管组，该路汽包200给水自下而上进入第一圆周换热管组换热管，另一路给第三圆周换热管组，该路汽包200给水自下而上进入第三圆周换热管组换热管，部分汽化或全部汽化后，离开第一、三圆周换热管组后汇成一路返回汽包进行汽液分离；第二条锅炉给水总管中的锅炉给水先经由多相泵201加压后为两路，一路给第二圆周换热管组，该路汽包200给水自上而下进入第二圆周换热管组换热管，另一路给第四圆周换热管组，该路汽包200给水自上而下进入第四圆周换热管组换热管，部分汽化或全部汽化后，离开第二、四圆周换热管组后汇成一路返回汽包进行汽液分离，该返回汽包的管线和多相泵201出口安装有压差计，压差计的压差和多相泵201转速形成自动控制回路，多相泵201转速根据压差计压差调整转速，时刻保持多相泵201出口压力高出第二、四圆周换热管组出口压力一定范围，从而避免蒸汽倒窜。当然，根据本发明的实施例，换热管不限于四圆周换热管组，可以是更多组。

优选地，如图4所示，换热装置包括多组以催化剂床层110的中轴线为中心，呈圆形排布的换热管组，介质的流动方向不同的各换热管组间隔排列，即各换热管组按其内介质的流动方向间隔排列。冷却介质相对流动的换热管径向间隔圆周均布排列，使得催化剂床层轴向径向的温度变化均趋于平缓。

优选地，如图5所示，换热装置包括多组以催化剂床层110的中轴线为中心，呈圆形排布的换热管组，换热管组内介质的流动方向不同的换热管之间间隔排列。冷却介质相对流动的换热管不是径向间隔排列，而是在同一圆周上间隔均布排列，这种实施方式也可使得催化剂床层轴向径向的温度更为均匀。

优选地，汽包200水进入换热管130的管线上设置有调节阀160，催化剂床层110内在换热管130附近设置有热电偶，调节阀160与热电偶所测的温度形成控制换热管130内水的流量的自动控制回路。进一步优选地，汽包200与换热管130形成回路，汽包设置有排污管线和锅炉给水补水管线，来自汽包200中的锅炉给水吸收反应热变成蒸汽返回汽包200，副产蒸汽从汽包200再进入蒸汽管网使得这部分热能获得进一步回收利用，可定期排污和及时将锅炉给水补入汽包200中以保持汽包的物料和温度的平衡、以及锅炉给水水质良好和汽包液位稳定。

综上，采用本发明优选实施例的气固相催化反应器具有以下优点：

1.本发明气固相催化反应器相对于现有技术中的反应器结构更容易实现整个反应器内催化剂床层温度的均匀分布，从而避免了现有技术中因合成反应器催化剂床层温度不均、或反应温度过高、或过反应温度过低等导致副产物过多的现象；

2.本发明气固相催化反应器的催化剂床层温度更易调节和控制；

3.本发明气固相催化反应器的反应器生产能力的扩大既可通过加大反应器直径也可以通过加长反应器长度和加宽中心管的方法来实现，更加灵活。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气固相催化反应器，其特征在于，包括：

反应器壳体(101)，其侧壁上形成有沿侧壁切线方向延伸的气体入口管线(150)；

催化剂床层(110)，设置在所述反应器壳体(101)内，与所述反应器壳体(101)之间形成环状的旋流腔(140)，所述催化剂床层(110)为中空圆柱体，所述催化剂床层(110)的壳体上设置有与所述催化剂床层(110)内部相通的通孔(111)；

换热装置，设置在所述催化剂床层(110)内；

所述反应器的气体入口管线(150)包括多条，各所述气体入口管线(150)的高度位置相同或者不同，并且各所述气体入口管线(150)在俯视方向的投影均匀地围绕在所述反应器壳体(101)的外周；

所述换热装置包括多条均匀地设置在所述催化剂床层(110)内的换热管(130)，其中，部分所述换热管(130)内介质的流动方向与剩余部分的所述换热管(130)内介质的流动方向相反。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器的气体入口管线(150)包括第一气体入口管线(151)、第二气体入口管线(152)、第三气体入口管线(153)、及第四气体入口管线(154)，其中，所述第一气体入口管线(151)和所述第二气体入口管线(152)中心对称地设置在所述催化剂床层(110)的1/3高度处，所述第三气体入口管线(153)和所述第四气体入口管线(154)中心对称地设置在所述催化剂床层(110)的2/3高度处。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述催化剂床层(110)的中轴线上设置有中心管(120)，所述中心管(120)的管壁上均匀地设置有中心管集气孔(121)，所述中心管(120)上下两端形成反应生成气出口(122)。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述换热装置包括多组以所述催化剂床层(110)的中轴线为中心，呈圆形排布的换热管组，介质的流动方向不同的各所述换热管组间隔排列。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述换热装置包括多组以所述催化剂床层(110)的中轴线为中心，呈圆形排布的换热管组，所述换热管组内介质的流动方向不同的换热管之间间隔排列。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述换热管(130)与汽包(200)相通，所述汽包(200)内的水进入所述换热管(130)的管线上设置有调节阀(160)，所述催化剂床层(110)内在所述换热管(130)附近设置有热电偶，所述调节阀(160)与所述热电偶形成控制所述换热管(130)内水的流量的控制回路。

7.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于，所述汽包(200)与所述换热管(130)形成回路。

8.根据权利要求7所述的反应器，其特征在于，所述汽包(200)内的水自上而下进入的部分所述换热管(130)的管线上设置有用于调节水压的变频泵，该部分所述换热管(130)的出口端及多相泵(201)的出口端分别设置有压差计，所述压差计与所述多相泵(201)形成抑制蒸汽倒流的控制回路。