CN103111239A - 一种气冷甲醇反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤制甲醇领域，具体公开一种气冷甲醇反应器，它包括筒体、封装在筒体顶部的上封头、封装在筒体底部的下封头，筒体、上封头、下封头形成封闭的腔体，该腔体内设有反应管，反应管顶部插在混合气箱内，反应管中部插在管支撑内，反应管底部插在管板内；管支撑固定在反应管上，管板底部固定在U型筒体的顶部，U型筒体的底部固定在支管上，支管的底部插在汇集管内，分布管的顶部插在汇集管内，分布管的底部位于汇集管外，接管底部贯穿下封头；上封头顶部设有开工气入口；下封头底部设有出口收集器，出口收集器底部设有生成气出口。本发明的反应器能够提高甲醇产量，降低成本、节约能源、减少能耗。

Description

一种气冷甲醇反应器

技术领域

本发明属于煤制甲醇领域，具体涉及一种气冷甲醇反应器。

背景技术

甲醇(分子式：CH₃OH)是重要的有机化工原料和优质燃料，主要用于制造醋酸、甲醛、醚类等多种有机产品，亦可替代汽油用作燃料。生产甲醇的方法很多，目前工业上几乎都是采用一氧化碳、二氧化碳加压催化氢化法合成甲醇，典型的流程包括原料气制造、原料气净化、甲醇合成、粗甲醇精馏等工序。天然气、石脑油、重油、煤、乙炔尾气等均可作为生产甲醇合成气的原料，近年来国外主要以天然气为原料生产甲醇，而国内则以煤为主要原料。煤制甲醇工艺路线包括煤气化、气体变换及脱碳脱硫、甲醇合成与精制，甲醇反应器就是煤制甲醇工艺中甲醇合成与精制工段的核心设备，以H₂、CO₂、CO为主的混合气体在该设备中反应合成甲醇并放出热量，其发生的是可逆反应，化学反应式如下：

甲醇生成反应过程放热大，不及时带走热量会导致设备内温度很高，会影响催化剂的使用功能，同时反应器内的反应温度也不能过低，否则不利于反应的正向进行，影响甲醇产量。在甲醇合成过程中，理想的反应器是应能保持催化剂层尽量小的温差，即达到均温或等温状态。

按甲醇反应产生热量的移走方式，甲醇反应器分为水冷式和气冷式，常规结构基本都为管壳式，即管程和壳程隔离，压力温度各不相同。比较而言，在单体设备容积相同的情况下，气冷反应器装填的催化剂要比水冷反应器多，因此甲醇产量更高。目前的水冷和气冷反应器，但由于设备制造成本大、催化剂费用高，有的运行后达不到生产能力。因此我们需要研制一种结构合理、制造成本低、高效高产出的气冷甲醇反应器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气冷甲醇反应器，该反应器能够提高甲醇产量，扩大甲醇工业项目的生产能力，并达到降低成本、节约能源、减少能耗的目的。

实现本发明目的技术方案：一种气冷甲醇反应器，它包括筒体、封装在筒体顶部的上封头、封装在筒体底部的下封头，筒体、上封头、下封头形成封闭的腔体，该腔体内设有反应管，其中，所述的反应管顶部插在混合气箱内，反应管中部插在管支撑内，反应管底部插在管板内；管支撑固定在反应管上，管板固定在U型筒体的顶部，且反应管通过管板与U型筒体内部连通，U型筒体的底部固定在支管上、且两者之间连通，支管的底部插在汇集管内、且两者之间连通，分布管的顶部插在汇集管内，分布管的底部位于汇集管外、且与接管的顶部连接，汇集管与接管之间通过分布管连通，接管底部贯穿下封头、且其端部悬置在下封头外；上封头顶部设有与其内部连通的开工气入口；下封头底部设有与其内部连通的出口收集器，出口收集器底部设有与其连通的生成气出口，生成气出口的底部悬置在下封头外，出口收集器位于汇集管的下部、且两者之间留有间隙。

所述的反应管为若干个，每个反应管底部均插在一个管板内，每个管板分别固定在一个U型筒体的顶部，每个U型筒体的底部分别设有两个支管，每一个支管的底部均插在同一个汇集管内，分布管为若干个，每个分布管的顶部插在汇集管内，每个分布管的底部分别与一个与接管连通。

所述的反应管由内管、套在内管外的外管组成，内管与外管之间采用定位块定位。

所述的管支撑包括从上至下均匀分布在筒体内的第一管支撑、第二管支撑和第三管支撑，管支撑由薄壁圆筒和两层互成角度的钢棒组成，管支撑固定在反应管上。

所述的混合气箱包括底板、下围板、盖板、上围板、叶片、内围板、支板、上顶板、下顶板、支撑棒组成，底板上设有下围板，下围板顶部设有盖板，盖板与下围板之间设有支撑棒，盖板顶部设有上围板，盖板中部为空心圆，上围板内设有内围板，上围板与内围板之间设有叶片，内围板顶部设有上顶板，内围板底部设有下顶板，下顶板与底板之间设有支撑棒。

所述的管板为开圆孔的长方形板，该圆孔呈方形布置。

所述的出口收集器包括锥形筒体、法兰、法兰盖、下丝网和上丝网，锥形筒体的锥形侧壁上开有小孔，锥形筒体锥形内侧壁上设有下丝网，锥形筒体顶部设有法兰，法兰顶部设有法兰盖，法兰盖上开有小孔，法兰盖顶部设有上丝网。

所述的下封头的上部上设有与其内部连通的下人孔，下封头中部设有与其内部连通的催化剂卸料口。

所述的圆柱形筒体底部邻近下人孔的一侧设有与其内部连通的手孔。

所述的上封头一侧中部设有与其内部连通的测温口，上封头另一侧中部设有与其内部连通的上人孔。

本发明的有益技术效果在于：1)甲醇生成效率高，能源利用率高：a)催化剂装在反应管外，装填空间大，装填量大且设备内反应温度稳定、温差小，有利于反应的正向进行，甲醇产出率高；b)反应管为由内管和外管组成的套合式结构，内管与外管之间采用数个定位块定位，保证气体流通面积均匀，内管管端封闭，强制反应气经过反应管时呈环状上行，充分接近外管管壁吸热，吸热效率高，热量利用率高；c)管支撑的能够约束单个反应管的横向移动，并使所有反应管成为一个整体的刚性管束；管支撑由薄壁圆筒和两层互成角度的钢棒组成，该结构通透性好：便于装填催化剂时催化剂的降落，同时利于热量传输；d)管板的孔使从U型筒体上行的入口气体均匀进入反应管；e)冷、热气体进出气箱更均匀、热量传递更直接，气体混合速率高；f)出口收集器上设有丝网，能够阻挡惰性瓷球和催化剂，仅使含有甲醇的生成气体通过。2)材料成本低：本设备自成单体循环，即管、壳程相通，彼此无应力约束，不存在常规管壳式反应器的管、壳程变形协调问题，因此主要内件不必选用双向不锈钢，只用普通不锈钢即可；无大型锻件，如加强段筒体、管板等，设备整体耗材少。3)能耗低：自成工艺循环的设备设计，使自产热量能充分被自身吸收，热量的利用率高，不需要带走反应热量的辅助设备，同时也减少了其它辅助设备的动力供给。

附图说明

图1为气冷甲醇反应器主视示意图；

图2为反应管中、上端部排列图；

图3为反应管下端部排列图/管板开孔分布图；

图4为反应管上端部与混合气箱底板连接图；

图5为反应管中部与管支撑连接图；

图6为反应管下端部与管板连接图；

图7a为管支撑结构示意图；

图7b为图7a的A向剖视示意图；

图8为反应管结构示意图；

图9a为混合气箱的主视结构示意图；

图9b为混合气箱的俯视结构示意图；

图10为混合气箱底板管孔分布图；

图11为出口收集器结构示意图；

图12为法兰盖开孔分布图/锥形筒体开孔分布图；

图中：1.催化剂卸料口，2a.下人孔，2b.上人孔，3.下封头，4.手孔，5.筒体，6.管支撑，6a.第一管支撑，6b.第二管支撑，6c.第三管支撑，7.反应管，7a.反应管挡块，8.混合气箱，9.开工气入口，10.测温口，11.上封头，12.管板，13.U型筒体，14.支管，15.汇集管，16.分布管，17.反应气进口，18.出口收集器，19.生成气出口，20.薄壁圆筒，21.钢棒，21a.上层钢棒，21b下层钢棒，22.外管，23.定位块，24.内管，26.底板，26a.底板管孔，26b.固定板，26c.活动板，27.下围板，28.盖板，29.上围板，30.叶片，31.内围板，32.支板，33.顶板，34.支撑棒，35.第一紧固件，36.锥形筒体，37.法兰，38.法兰盖，39.第二紧固件，40.把手，41.丝网，41a.上丝网，41b.下丝网，42.保温圈，43.刚性环支座，44.轴式吊耳，45.尾部吊耳，46.锥形筒体的圆形孔，A.催化剂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所提供的一种气冷甲醇反应器包括催化剂卸料口1、下人孔2a、上人孔2b、下封头3、手孔4、筒体5、管支撑6、反应管7、反应管挡块7a、混合气箱8、开工气入口9、测温口10、上封头11、管板12、U型筒体13、支管14、汇集管15、分布管16、接管17、出口收集器18、生成气出口19和保温圈42、刚性环支座43、轴式吊耳44、尾部吊耳45。

如图1所示，圆柱形筒体5顶部焊接上封头11，圆柱形筒体5底部焊接下封头3，圆柱形筒体5、上封头11、下封头3形成封闭的腔体。该腔体内设有管支撑6、反应管7、混合气箱8、管板12、U型筒体13、支管14、汇集管15、分布管16和出口收集器18。

如图1所示，反应管7的数量与其通径大小有关，反应管7的数量为多根，例如可以为1200根。管板12和的U型筒体13数量各为6件。反应管7顶部插在混合气箱8内，反应管7中部插在管支撑6内。反应管7底部插在管板12内。每个管板12分别焊接在一个U型筒体13的顶部，且反应管7通过管板12上的圆孔与U型筒体13内部连通。每个U型筒体13的底部分别焊接在两个支管14、且两者之间连通，每一个支管14的底部均插在同一个汇集管15内、且两者之间连通。分布管16的顶部插在汇集管15内，分布管16的底部位于汇集管15外、且与接管17的顶部焊接，接管17底部贯穿下封头3、且其端部悬置在下封头3外，分布管16共两个，对称分布在汇集管15两端；且汇集管15与接管17之间通过分布管16连通，接管17为反应气入口。

如图1所示，下封头3底部中心焊接出口收集器18，出口收集器18位于汇集管15的下部、且两者之间留有间隙，出口收集器18底部焊接在下封头3上，出口收集器18通过其法兰盖38和锥形筒体36上的孔与下封头3内部连通，生成气出口19顶部在下封头3上、并与出口收集器18内部连通，生成气出口19的底部悬置在下封头3外。

下封头3的上部侧壁上焊接有与其内部连通的下人孔2a，下封头3中部、下人孔2a与出口收集器18之间设有焊接有与其内部连通的催化剂卸料口1。

如图1所示，圆柱形筒体5底部邻近下人孔2a的一侧焊接有与其内部连通的手孔4。

如图1所示，上封头11顶部中心焊接有与其内部连通的开工气入口9，上封头11中部一侧焊接有与其内部连通的测温口10，上封头11中部另一侧焊接有与其内部连通的上人孔2b。

如图8所示，反应管7作为入口气体的上行通道，必须能有效将管外反应热有效传递给管内气体。因此，反应管7由内管24、套在内管24外的外管22套合组成，内管24与外管22之间采用数个定位块23定位，保证气体流通面积均匀，内管24上部用堵板25封闭。定位块23沿反应管7周向均匀设置两个，定位块23沿反应管7轴向均匀设置四个，内管24与定位块23焊接后再与外管22过盈装配。

反应管7上部与混合气箱8的底板连接，中部与管支撑6连接，下部与管板12连接。因此反应管7的布管形式与常规布管不同：与管支撑6和混合气箱8底板连接部分呈三角形排列，如图2；反应管7下部弯制后与管板12的连接部分呈方形排列，如图3。反应管7与混合气箱底板26的连接则只有很少一部分管子与混合气箱底板26焊接，其余管子与混合气箱底板26之间留有适当间隙，如图4；部分反应管7与管支撑6的连接位置焊有挡块7a，用来固定管支撑6，如图5；反应管7下端部与管板12焊接，如图6。

如图1、图7a和图7b所示，管支撑6包括第一管支撑6a、第二管支撑6b、第三管支撑6c三个管支撑，第一管支撑6a、第二管支撑6b、第三管支撑6c从上至下均匀分布在筒体5内。如图5所示，管支撑6通过焊接在反应管7外壁上的挡块7a固定在反应管7上。管支撑6由薄壁圆筒20和上、下两层互成60°角的钢棒21焊接组成。上层钢棒21a和下层钢棒21b的数量由反应管7的大小和数量、根据现有技术来确定，上层钢棒21a中的各个钢棒之间均互相平行，下层钢棒21b中的各个钢棒之间均互相平行。上层钢棒21a与下层钢棒21b之间夹角为60°。管支撑6的作用是约束单个反应管7的横向移动，并使所有反应管7成为一个整体的刚性管束，它在气冷甲醇反应器中的位置决定了其结构必须通透性好：一是便于装填催化剂A时催化剂的降落，二是利于热量传输。

如图2、和图7b所示，反应管7在管支撑6内呈正三角形布置；管支撑6的钢棒夹持反应管7防止其横向移动。

如图9a、图9b、图10所示，混合气箱8由底板26、下围板27、盖板28、上围板29、叶片30、内围板31、支板32、顶板33、上顶板33a、下顶板33b、支撑棒34组成。混合气箱8的底板26为不规则的近似圆形，混合气箱底板26上的管孔26a的分布为三角形。混合气箱8的底板26上焊接有下围板27，下围板27顶部通过螺栓与盖板28固定连接，盖板28与底板26之间均匀设有多根支撑棒34，例如撑棒34的数量可以为10根。支撑棒34与底板26之间焊接，支撑棒34与盖板28的之间通过螺栓连接。盖板28顶部设有上围板29、且两之间通过螺栓连接。盖板28外缘的形状与底板26外缘的形状相同，盖板28中部为空心圆，该空心圆的直径与上围板29的直径相同。上围板29内设有内围板31、且两者的高度相同，上围板29与内围板31之间均匀设有24个叶片30，叶片30与上围板29焊接，叶片30与内围板31、上围板29之间通过螺栓连接。内围板31顶部焊接有上顶板33a，内围板31底部焊接有下顶板33b，上顶板33a、下顶板33b均为圆形板。下顶板33b与底板26之间设有支撑棒34，支撑棒34与下顶板33b之间通过螺栓连接。内围板31内壁均匀焊接8块支板32。混合气箱底板26上管孔的分布为正三角形，具体结构见图10。

如图1所示，混合气箱8的作用是使从各反应管同时进入混合气箱8的入口气体充分混合均衡温度，同时也能使该气体与已反应的高温气体进行接触并混合，再一次提高入口气体的温度，使其尽可能达到需要的反应温度，利于反应的正向进行，提高甲醇产量。

如图1、图4和图10所示，反应管7上部管端通过混合气箱8的底板26上的管孔26a与底板26连接。

如图1和图3所示，管板12为均匀开圆孔的长方形板，该开孔呈方形布置。反应管7底部弯制后插入对应的管板12所开圆孔内，并与管板12焊接。管板12的作用是使从U型筒体13上行的入口气体均匀进入反应管7。反应管7下端排列形式与管板12上的圆孔排列形式相同，且互相对应。

如图1、图11和图12所示，出口收集器18由开有圆形孔的锥形筒体36、法兰37、法兰盖38、第二紧固件39、把手40、上丝网41a、下丝网41b组成。锥形筒体36的锥形侧壁上开有多个均匀布置的圆形孔46，例如，其数量可以为1000个。锥形筒体36锥形内侧壁上设有下丝网41b，下丝网41b边缘点焊在锥形筒体36内表面上。上丝网41a边缘点焊在法兰盖38顶部表面上。锥形筒体36顶部焊接法兰37，法兰37为中空的环形圆盘。法兰37顶部设有法兰盖38、且两者之间通过第二紧固件39固定连接，法兰盖38上开有多个均匀布置的圆形小孔，例如，圆形小孔的数量可以为50个。法兰盖38顶部设有上丝网41a，法兰盖38顶部中心焊接有把手40。出口收集器18的作用是阻挡惰性瓷球和催化剂A，仅使含有甲醇的生成气体通过。出口收集器锥形筒体36下端与设备下封头3直径焊接。

筒体5、下封头3、上封头11构成气冷甲醇反应器的设备主体，下人孔2a、上人孔2b和手孔4不仅用于设备维修，还用于催化剂A的填装、更换；测温口10用于气冷甲醇反应器运行温度的测量；其余各管口用于反应气体的进出、催化剂A的卸除。

人孔2a、2b、手孔4、保温圈42、刚性环支座43、轴式吊耳44、尾部吊耳45，它们与设备筒体5均为焊接。保温圈42保证设备的保温，刚性环支座43、轴式吊耳44、尾部吊耳45保证设备的安装。轴式吊耳44包括左轴式吊耳44a和右轴式吊耳44b，该左、右两个轴式吊耳对称设置在筒体5外，其底部位于第三管支撑6c相同高度的位置。保温圈42包括下保温圈42a、中保温圈42b、上保温圈42c，筒体5外部从底部至顶部依次均匀布置下保温圈42a、中保温圈42b、上保温圈42c。刚性环支座43位于筒体5外，且位于第三管支撑6c与第二管支撑6b中间位置。筒体5外部、下保温圈42a上部设有尾部吊耳45。

如图1所示，本发明所提供的一种气冷甲醇反应器的工作过程如下：

气冷甲醇反应器运行前下封头3内填充惰性瓷球，筒体5部分填充催化剂A。气冷甲醇反应器运行时，首先是开工气自气冷甲醇反应器顶部开工气入口9进入气冷甲醇反应器外部的空间，在催化剂A作用下建立反应并产生正常运行需要的热量。图1中箭头表示反应气的流向，由该图可以清楚看到气冷甲醇反应器运行时的反应气体流向：接管17为反应气入口，温度较低的反应气由此进入，通过分布管16将气体均匀分布到汇集管15中。沿汇集管15中心线对称布置有12个支管14，以保证气体供给均匀。反应气体通过这12个支管14进入到与其相连的U型筒体13中，再经过与U型筒体13连接的长方形管板12进入反应管7。反应气经反应管7上行流动并吸收管外开工气的反应热量，然后流出反应管7进入混合气箱8彼此混合，并与部分已反应气体混合，已反应气体为通过混合气箱底板26与反应管7之间间隙进入混合气箱8的气体，如图1中混合气箱8与反应管7连接部分箭头所示。混合后的较高温度气体再下行经过填满催化剂A的筒体5与反应管7之间的空间，在催化剂A作用下发生反应生成甲醇并放出大量热量。含甲醇的生成气体通过出口收集器18由生成气出口19流出气冷甲醇反应器外进入粗甲醇提纯工艺流程，放出的热量则参与后续的反应。这样就形成一个封闭的反应循环，完成甲醇的生成和热量的平衡，催化剂层几乎没有压差及温差，能达到较高的反应转化率。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术，例如催化剂卸料口1、下人孔2a、上人孔2b、下封头3、手孔4、筒体5、管支撑6、反应管7、混合气箱8、开工气入口9、测温口10、上封头11、管板12、U型筒体13、支管14、汇集管15、分布管16、接管17、出口收集器18和生成气出口19等本发明提及的所有零部件均可以采用现有技术中的任何型号的产品。

Claims (10)

1.一种气冷甲醇反应器，它包括筒体(5)、封装在筒体(5)顶部的上封头(11)、封装在筒体(5)底部的下封头(3)，筒体(5)、上封头(11)、下封头(3)形成封闭的腔体，该腔体内设有反应管(7)，其特征在于：所述的反应管(7)顶部插在混合气箱(8)内，反应管(7)中部插在管支撑(6)内，反应管(7)底部插在管板(12)内；管支撑(6)固定在反应管(7)上，管板(12)固定在U型筒体(13)的顶部，且反应管(7)通过管板(12)与U型筒体(13)内部连通，U型筒体(13)的底部固定在支管(14)上、且两者之间连通，支管(14)的底部插在汇集管(15)内、且两者之间连通，分布管(16)的顶部插在汇集管(15)内，分布管(16)的底部位于汇集管(15)外、且与接管(17)的顶部连接，汇集管(15)与接管(17)之间通过分布管(16)连通，接管(17)底部贯穿下封头(3)、且其端部悬置在下封头(3)外；上封头(11)顶部设有与其内部连通的开工气入口(9)；下封头(3)底部设有与其内部连通的出口收集器(18)，出口收集器(18)底部设有与其连通的生成气出口(19)，生成气出口(19)的底部悬置在下封头(3)外，出口收集器(18)位于汇集管(15)的下部、且两者之间留有间隙。

2.根据权利要求1所述的一种气冷甲醇反应器，其特征在于：所述的反应管(7)为若干个，每个反应管(7)底部均插在一个管板(12)内，每个管板(12)分别固定在一个U型筒体(13)的顶部，每个U型筒体(13)的底部分别设有两个支管(14)，每一个支管(14)的底部均插在同一个汇集管(15)内，分布管(16)为若干个，每个分布管(16)的顶部插在汇集管(15)内，每个分布管(16)的底部分别与一个与接管(17)连通。

3.根据权利要求1或2所述的一种气冷甲醇反应器，其特征在于：所述的反应管(7)由内管(24)、套在内管(24)外的外管(22)组成，内管(24)与外管(22)之间采用定位块(23)定位。

4.根据权利要求3所述的一种气冷甲醇反应器，其特征在于：所述的管支撑(6)包括从上至下均匀分布在筒体(5)内的第一管支撑(6a)、第二管支撑(6b)和第三管支撑(6c)，管支撑(6)由薄壁圆筒(20)和两层互成角度的钢棒(21)组成，管支撑(6)固定在反应管(7)上。

5.根据权利要求4所述的一种气冷甲醇反应器，其特征在于：所述的混合气箱(8)包括底板(26)、下围板(27)、盖板(28)、上围板(29)、叶片(30)、内围板(31)、支板(32)、上顶板(33a)、下顶板(33b)、支撑棒(34)组成，底板(26)上设有下围板(27)，下围板(27)顶部设有盖板(28)，盖板(28)与下围板(27)之间设有支撑棒(34)，盖板(28)顶部设有上围板(29)，盖板(28)中部为空心圆，上围板(29)内设有内围板(31)，上围板(29)与内围板(31)之间设有叶片(30)，内围板(31)顶部设有上顶板(33a)，内围板(31)底部设有下顶板(33b)，下顶板(33b)与底板(26)之间设有支撑棒(34)。

6.根据权利要求5所述的一种气冷甲醇反应器，其特征在于：所述的管板(12)为开圆孔的长方形板，该圆孔呈方形布置。

7.根据权利要求6所述的一种气冷甲醇反应器，其特征在于：所述的出口收集器(18)包括锥形筒体(36)、法兰(37)、法兰盖(38)、下丝网(41a)和上丝网(41b)，锥形筒体(36)的锥形侧壁上开有小孔，锥形筒体(36)锥形内侧壁上设有下丝网(41a)，锥形筒体(36)顶部设有法兰(37)，法兰(37)顶部设有法兰盖(38)，法兰盖(38)上开有小孔，法兰盖(38)顶部设有上丝网(41b)。

8.根据权利要求7所述的一种气冷甲醇反应器，其特征在于：所述的下封头(3)的上部上设有与其内部连通的下人孔(2a)，下封头(3)中部设有与其内部连通的催化剂卸料口(1)。

9.根据权利要求8所述的一种气冷甲醇反应器，其特征在于：所述的圆柱形筒体(5)底部邻近下人孔(2a)的一侧设有与其内部连通的手孔(4)。

10.根据权利要求9所述的一种气冷甲醇反应器，其特征在于：所述的上封头(11)一侧中部设有与其内部连通的测温口(10)，上封头(11)另一侧中部设有与其内部连通的上人孔(2b)。

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