CN102836681A - 一种用于甲醇合成反应器的气体分布器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于甲醇合成反应器的气体分布器，包括设置在合成器壳体内的气体分布器，所述气体分布器包括与设置在壳体上的进气孔相连通的筒体，所述筒体的侧壁上设有多个供原料气穿过的气孔，其特征在于所述的筒体包括内筒和套设在所述内筒外的外筒，所述内筒的侧壁上设有多个出气孔，各所述出气孔的直径为1.5-2.5mm，并且每平方米上开孔10000-10500个；所述外筒为网状结构，外筒和内筒之间填充有颗粒状耐火球；所述筒体的上端设有可拆卸封盖。与现有技术相比，本发明的优点在于：通过分布器后，流体均匀、径向流经床层，提高反应器的效率；在分布器筒节处装填催化剂，避免催化剂装填时反复切割、组焊设备筒体，消除因切割壳体带来的安全隐患；可以近距离观察催化剂装填情况；催化剂搭桥、结焦可以处理；加工方便易行。

Description

一种用于甲醇合成反应器的气体分布器

技术领域

本发明涉及到化工设备领域，具体指一种用于甲醇合成反应器的气体分布器。

背景技术

甲醇制低碳烯烃工艺中，甲醇合成反应器是关键设备。设计合理的甲醇合成反应器应做到催化床的温度易于控制，调节灵活，合成反应的转化率高，催化剂生产强度大，能从较高位能回收反应热，床层中气体分布均匀，低压降；结构上简单紧凑，催化剂装卸方便；且方便制造、维修、运输和安装。

副产蒸汽的百万吨级轴径向甲醇合成反应器，原料气径向流动通过催化剂床层进行反应。由于气体为径向流动，流道短，反应器的压降小，可以降低甲醇生产的功耗。催化剂装填在冷却管外，冷却管内走饱和沸腾水作为冷却介质用以移走反应热，同时副产中压蒸汽。以沸腾水作为冷却介质可以简单而有效地控制反应器内催化床层的温度在最佳反应温度附近，同时副产中压蒸汽，回收高位能量，能量利用合理。

百万吨级径向甲醇反应器是甲醇生产装置中最为关键的设备，而其中的径向气体分布器又是反应器的重要部件之一，分布器设计好坏直接影响了反应气是否均匀、径向流经床层以及催化剂装卸是否方便。

现有的径向甲醇合成器通常包括筒状壳体，壳体的上、下两端分别设有上封头和下封头；气体分布器纵向设置在壳体内，一端与反应器进气口接管对接焊接在一起，另一端用盲板封闭，分布器筒体的侧壁上开设大孔，用于气体的流出，这种结构在小规模装置中的反应器中使用还可以，但在大规模装置中，尤其是在百万吨级甲醇反应器中使用存在以下弊端：①通过分布器预分布的反应气在流经床层时容易受到催化剂床层静压降的影响而不均匀流经床层，影响反应器的转化效率；②分布器采用整体结构，催化剂每次装填时需从反应器封头和筒体连接处切割开，催化剂安装完毕后再组焊，操作费时费力，多次切割、组焊对设备运行造成安全隐患；③催化剂装填情况无从得知；④更换催化剂时，遇到催化剂搭桥、结焦无法处理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种气体分布更加合理且催化剂装填方便的用于甲醇合成反应器的气体分布器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该用于甲醇合成反应器的气体分布器，包括设置在合成器壳体内的气体分布器，所述气体分布器包括与设置在壳体上的进气孔相连通的筒体，所述筒体的侧壁上设有多个供原料气穿过的气孔，其特征在于所述的筒体包括内筒和套设在所述内筒外的外筒，所述内筒的侧壁上设有多个出气孔，各所述出气孔的直径为1.5-2.5mm，并且每平方米上开孔10000-10500个；所述外筒为网状结构，外筒和内筒之间填充有颗粒状耐火球；所述筒体的上端设有可拆卸封盖。

鉴于气体分布器的强度要求，外筒还可以采用强度更好的格栅结构，并且在外筒的内侧内衬金属网。网状结构的外筒以及内衬金属丝网的目的主要是为了防止耐火球从夹层内漏出。

上述方案中各所述的出气孔可以均匀分布；

或者，各所述的出气孔也可以根据床层压降变化自上至下逐渐增加，床层两边压差越大，开孔数越少；压差越小，开孔数越多。

上述各方案中，较好的，任意相邻的三个所述的出气孔分别位于等边三角形的三个端点位置，其优点在于：①管间距相同时，在同等面积上开孔，正三角分布开孔比正方形分布开孔孔数多；②同等条件下正三角分布开孔比正方形分布开孔更能有效控制催化剂床层温度。

为了方便催化剂的装填，可以将内筒和外筒设计为分体式的，可以将所述的内筒和所述的外筒横向分隔为多段，相邻段之间可拆卸联接。

进一步的，所述内筒和所述外筒的各段又可纵向分隔为多块，相邻各块之间可拆卸联接。

对于可拆卸的分体式结构，内筒和内筒的连接方式可以有多种，较好的，可以在所述外筒的各段、各块上均设有相对应的内凸的凸起，各相邻段、各相邻块上对应的凸起通过螺钉连接在一起。

与现有技术相比，本发明的优点在于：①通过分布器后，流体均匀、径向流经床层，提高反应器的效率；②在分布器筒节处装填催化剂，避免催化剂装填时反复切割、组焊设备筒体，消除因切割壳体带来的安全隐患；③可以近距离观察催化剂装填情况；④催化剂搭桥、结焦可以处理；⑤加工方便易行。

附图说明

图1为本发明实施例中筒体的立体结构示意图；

图2为本发明实施例中筒体平面展开后出气孔的分布结构示意图；

图3为本发明实施例中筒体内流体均布示意图；

图4为本发明实施例中甲醇合成反应器的纵向剖视图；

图5为图1的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图5所示，该用于甲醇合成反应器的气体分布器包括内筒1和外筒2，内筒和外筒之间填充有颗粒状耐火球3。为了图面的简洁，图中只画出了一部分耐火球。内筒1和外筒2均包括横向分隔的多段，各段的端部设有内凸的凸起4，相邻段上对应的凸起通过螺栓连接在一起。内筒1和外筒2的各段又纵向分隔为多块，各块的侧缘上也设有内凸的凸起6，相邻块上对应的凸起6通过螺栓连接在一起。

内筒的筒壁上开设有出气孔7，外筒的各部分为网状结构。

筒体的上端通过螺栓连接封盖5。

图3所示为该气体分布器内流体的流动示意图。流体沿中心的分流流道A不断均匀地穿过内筒上的出气孔7进入催化剂床层8，在催化剂床层8中作径向流动，反应后穿过外收集筒，进入集流流道B，经集流后出反应器9。

要使流体沿催化床层轴向高度径向均匀分布，其必要条件是内外集流环面上静压p’_A与p’_B的压差沿轴向各高度上保持相等，即

p′_A0-p′_B0＝p′_A1-p′_B1

=p＇_A2-p＇_B2                     （1）

＝......＝p′_Ax-p′_Bx

然而，p’_Ax和p’_Bx与分流流道A静压p’_Ax和集流流道B中静压p’_Bx有如下关系

p＇_Ax=p_Ax-Δ_Ax                   （2）

p′_Bx=p_Bx-Δ_Bx                   （3）

式中，Δ_Ax和Δ_Bx分别为任一高度下分流分布筒穿孔压降和集流分布筒穿孔压降。

将式（2）和式（3）代入式（1）可得

p_A0-p_B0-Δ_A0-Δ_B0=p_A1-p_B1-Δ_A1-Δ_B1

                 =p_A2-p_B2-Δ_A2-Δ_B2                  （4）

                 =......=p_Ax-p_Bx-Δ_Ax-Δ_Bx

如果取0－0面始端面为基准面，将p_Ax和p_Bx表示为p_A0和p_B0之压降差，则

p_Ax=(p_Ax-p_A0)+p_A0=Δp_Ax+p_A0                （5）

p_Bx=(p_Bx-p_B0)+p_B0=Δp_Bx+p_B0                （6）

式中p_A0、p_B0－分别为始端面0－0平面的分流流道静压和集流流道静压；

Δp_Ax、Δp_Bx－分别为任一高度分流流道静压与始端静压之压差及集流流道与始端静压之差。

把式（5）和式（6）代入式（4）消去p_A0-p_B0后，可得

Δ_AO+Δ_BO=Δp_B1-Δp_A1+Δ_A1+Δ_B1=Δp_B2-Δp_A2+Δ_A2+Δ_B2      （7)

=......=Δp_Bx-Δp_Ax+Δ_Ax+Δ_Bx

式（7）是径向反应器流体均布的基本条件式。它说明分流流道静压差Δp_Ax和集流流道静压差Δp_Bx的差别（Δp_Bx-Δp_Ax）对流体的均布有着重要的影响，为使流体沿轴向均匀分布，就必须使（Δp_Bx-Δp_Ax）被其穿孔压降（Δ_Ax-Δ_Bx-Δ_A0-Δ_B0）所平衡。如此，流体均布问题可归纳为分流、集流流道间静压差的问题和流体侧流穿孔静压降的二大问题。

径向反应器的开孔调节是保证流体沿轴向均匀分布的一个重要手段。

当流体分布形式和分、集流流道尺寸决定后，则主流道间静压差的差别可按设计条件计算出来，开孔调节的目的就是采用侧流穿孔压降以平衡或抵消主流道静压差的差别对分布均匀的影响。

主流道间静压差的差别比较小时，通常可以使开孔沿轴向均匀分布，此时流体穿过侧孔的压降应该大于主流道间静压差差别的10倍以上。如果主流道间静压差已等于零，则穿过侧孔的压降也应有一定的数值，以避免由设备加工制造、催化剂装填等方面造成的不均匀因素的影响。

当主流道间静压差的差别与催化剂床层静压降相比很小时，主流道间静压差的差别对流体分布无决定性影响，而催化剂层的填充均匀性将对流体均布起重要的作用。此时，为了强制流体的均匀，应尽可能（在工艺允许的条件下）增大侧流穿孔压降，以克服充填不均匀（上层填充密度小而下层填充密度大）因素的影响。

径向反应器的开孔调节可分为单边调节和双边调节两种。单边调节仅只调节分流侧孔或集流侧孔的一边的穿孔压降，而另一边是大开孔率，几乎无穿孔压降存在。而双边调节是既调节分流侧孔压降又调节集流侧孔压降的双重调节方法。

显然，单边调节比双边调节结构简单些，现有的径向反应器大多采用单边调节的方法。但单边调节仅一边加以调节控制，另一边是自由的，它易受催化剂装填的影响作不均匀的流动，也会受不加调节一边主流道静压差的影响而作轴向的流动。双边调节则可以弥补单边调节的缺点，有利于克服催化剂装填不均匀的影响，可造成纯粹的径向流动。

当以分流侧孔单边调节时，式（7）可表示为

Δ_A0＝Δp_B1-Δp_A1+Δ_A1＝Δp_B2-Δp_A2+Δ_A2             （8）

=......=Δp_Bx-Δp_Ax+Δ_Ax

任一截面上的穿孔压降Δ_Ax可表示为

Δ_Ax=Δ_AO+Δp_Ax-Δp_Bx                                （9）

这就是说，只是将0－0截面上的穿孔压降Δ_A0加上分流与集流流道间静压差的差值，即为该截面上应有的穿孔压降的数值。

当以集流侧孔单边调节时，同理得

Δ_Bx=Δ_BO+Δp_Ax-Δp_Bx                 （10）

如果采用双边调节，造成纯粹的径向流动，此时应造成内外集流环面静压相等的条件，如此，可得双边调节的开孔压降为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{Ax}}={\mathrm{\Δ}}_{A0}+\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{Ax}}\\ {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{Bx}}={\mathrm{\Δ}}_{B0}-{\mathrm{\Δp}}_{\mathrm{Bx}}\end{array}\right.---\left(11\right)$

由此可见，径向反应器各截面上的开孔压降和0－0截面上的初始压降Δ_A0或（Δ_B0）密切有关。因此，0－0截面的穿孔压降的数值大小，是开孔调节中的一个重要设计参数。显然增加0－0截面的穿孔压降，则各截面的穿孔压降均增大，流道间的静压差的差别对流体均布的影响就相应减少，且各截面上的开孔数将更趋近均匀。因此，在保证必要的开孔数的前提下，应尽可能增大0－0截面的起始穿孔压降。开孔数过少，孔间距过大会造成催化剂层局部死角的发生。

知道了任一截面的穿孔压降Δ_x以后，其穿孔速度ω_ox为

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ox}}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\ζx\ρ}}}---\left(12\right)$

因 ${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ox}}=\frac{V}{0.785d_0^2\·n_x}$

可得开孔数n_x

$n_x=\frac{V}{0.785d_0}\sqrt{\frac{\mathrm{\ζx\ρ}}{2{\mathrm{\Δ}}_x}}---\left(13\right)$

式中n_x－单位长度流道的开孔数，个/米；或该段上的孔数；

V－流道单位长度侧流的气量，m³/m.s；或该段内的气量，m³/m

d₀－开孔的孔径，m²；

ζ_x－X截面上分流或集流侧流穿孔阻力系数，为速比的函数；

ρ－流体密度，kg/m³；

Δ_x－X截面分流或集流穿孔压降，按开孔调节形式，由式（9）、式（10）、式（11）所决定，N/m²。

由式（12）和式（13）即可算出开孔数的分布。如果要计算开孔率，则其为

${\mathrm{\ψ}}_x=\frac{V}{\mathrm{\πDl}}\sqrt{\frac{\mathrm{\ζx\ρ}}{2{\mathrm{\Δ}}_x}}---\left(14\right)$

式中D－分流和集流开孔筒的直径，m；

l－与气量V相对应的分流或集流管管长，m。

为了保证在反应器中，流体能够在径向方向上均匀分布，根据年产百万吨级径向流动副产蒸汽型反应器的结构尺寸，对其进行开孔设计计算。流体均布采用单边控制，外分布筒采用大开孔率，对流体无限制，内分布筒为控制边。开孔大小为Φ2mm。计算结果见表1。

表中，L－反应器的高度，m

P_A－分流流道的压差，MPa

P_B－合流流道的压差，MPa

U_A－分流流道的气体流速，m/s

U_B－合流流道的气体流速，m/s

P_BI－相应高度上的压差，MPa

U₀－气体穿孔流速，m/s

N_i－开孔数，个

表1气体分布器开孔计算结果

由以上数据计算气体分布器总开孔数。从气体入口处开始计算，将反应器平均分为10段，每段长度为1.2m。由此可得分布器上总开孔数为：

11715+11752+11814+11900+12009+12119+12249+12399+12570+12764＝121291个。

由表7.1可知，气体分布器上的开孔数从上到下逐渐增加，呈非均匀分布。由于从上到下开孔数相差较小，为方便制造，因此对开孔数进行校正，进行均匀分布。由计算得到的总开孔数可知，若气体分布器上开孔均匀，则分布器上每米高度的面积上开孔数为：

121291/12＝10108个

则校正后总开孔数为：10108×12＝121296个

计算校正后的穿孔速率

反应器入口气量为1280000.0Nm³/h，压力为9.0MPa，温度为240.1℃，该状态下的气体压缩校正因子为1.06，则反应器内实际气量为：

1280000.0×（273.15+240.1）/273.15/（9.0/0.101325）/1.06＝25545.0m³/h

分布器上均匀开孔，开孔数为121296个，由总开孔面积为：

121296×3.1416/4×0.002²＝0.3811m²

则气体的穿孔速率为：

25545.0/0.3811/3600＝18.62m/s

本实施例中内筒上出气孔的排列结构如图3所示：任意相邻的三个出气孔分别位于等边三角形的三个端点位置。

Claims (7)

1.一种用于甲醇合成反应器的气体分布器，包括设置在合成器壳体内的气体分布器，所述气体分布器包括与设置在壳体上的进气孔相连通的筒体，所述筒体的侧壁上设有多个供原料气穿过的气孔，其特征在于所述的筒体包括内筒和套设在所述内筒外的外筒，所述内筒的侧壁上设有多个出气孔，各所述出气孔的直径为1.5~2.5mm，并且每平方米上开孔10000~10500个；所述外筒为网状结构，外筒和内筒之间填充有颗粒状磁石；所述筒体的上端设有可拆卸封盖。

2.根据权利要求1所述的用于甲醇合成反应器的气体分布器，其特征在于各所述的出气孔均匀分布。

3.根据权利要求1所述的用于甲醇合成反应器的气体分布器，其特征在于各所述的出气孔自上至下逐渐增加，床层两边压差越大，开孔数越少；压差越小，开孔数越多。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的用于甲醇合成反应器的气体分布器，其特征在于任意相邻的三个所述的出气孔分别位于等边三角形的三个端点位置。

5.根据权利要求4所述的用于甲醇合成反应器的气体分布器，其特征在于所述的内筒和所述的外筒横向分隔为多段，相邻段之间可拆卸联接。

6.根据权利要求5所述的用于甲醇合成反应器的气体分布器，其特征在于所述内筒和所述外筒的各段又纵向分隔为多块，相邻各块之间可拆卸联接。

7.根据权利要求5或6所述的用于甲醇合成反应器的气体分布器，其特征在于所述内筒和所述外筒的各段、各块上均设有相对应的内凸的凸起，各相邻段、各相邻块上对应的凸起通过螺钉连接在一起。

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