CN103657535A - 一种卧式水冷反应器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卧式水冷反应器，包括简体和封头，所述的反应器水平放置，所述的筒体顶部和底部分别设有催化剂装入口和催化剂卸出口，所述的筒体侧面设有进气口和出气口，所述的简体内部设有直立的气体分布板和集气板，所述的气体分布板、集气板的下端分别与筒体下部连接，所述的气体分布板、集气板的上端分别与简体上部活动连接，构成可水平横向流通反应气的反应空间，所述的反应空间内为催化剂层。本发明与传统的反应气垂直径向流动方式不同，本发明中反应气以水平径向穿过卧式反应器内的催化剂层，管内外换热介质错流换热，具有传热系数和效率高、床层温差小、催化剂装卸方便等优点，尤其适用于在人工天然气生产调峰工艺。
Description
技术领域
本发明涉及化工反应设备领域，尤其涉及一种触媒层温差小、结构简单、维护方便的卧式水冷反应器。
背景技术
对于加压合成甲醇、甲胺、甲醚、氨、烃类等气固相放热催化反应，一般随着反应过程的进行，不断放出的反应热会使催化剂层温度升高，为了提高反应器的效率，需要把反应热移出以降低反应温度。
现有工业反应器中，使用较广的一种是多段原料气冷激来降低反应温度，这种反应器因原料气冷激时在江都反应器温度的同事也降低了反应物浓度，影响了合成率。另一种如德国Lurgi公司的用于甲醇合成的列管式反应器(DE2123950)，管内装催化剂，原料气从上部进气口进入分布到各管中，在管内触煤层中合成甲醇，管间侧面进水。该塔温差小，但触媒装填系数小，投资大。上述现有技术中常见的反应器均为立式反应器，其催化剂层往往高达十几米，反应气垂直流动时床层阻力大，而且为使气体分布均匀而设置的气体分布板一般位于催化剂床层的上方和下方，导致催化剂装卸非常不便，同时由于设备直径受到运输限制，无法进一步提高大型化生产的能力。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种触媒层温差小、结构简单、维护方便、可随负荷要求灵活调节反应室大小并且易于大型化的卧式水冷反应器。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种卧式水冷反应器，包括简体和封头，所述的反应器水平放置，所述的简体顶部和底部分别设有催化剂装入口和催化剂卸出口，所述的简体侧面设有进气口和出气口，所述的简体内部设有直立的气体分布板和集气板，所述的气体分布板和集气板的下端分别与筒体下部连接，所述的气体分布板和集气板的上端分别与简体上部活动连接，所述的气体分布板、集气板和筒体上部、筒体下部之间构成反应空间，所述的反应空间内为催化剂层。
本发明卧式水冷反应器用作换热反应器时，所述的催化剂层中分布有若干冷管，所述的封头上设有连接汽包的进水管和出水管。
所述的冷管沿筒体水平方向或垂直方向延伸分布，所述的冷管分成多组冷管束，每组冷管束的两端各连接一管箱，相邻两组冷管束的一端管箱用连通管连通，另一端管箱与另一组相邻冷管束的一端管箱用连通管连通，使所有冷管束形成串联，串联的冷管束的进口端联箱和出口端联箱分别与封头上的进水口和出水口连接。
作为一种优选，所述的反应空间内用竖向隔板分为至少二个连通的反应室，所述的隔板与筒体间设有一个气体通道，所述的反应室通过分气板或集气板与简体空腔连通，相邻反应室内的反应气流动方向相反，即相邻反应室前后串联。
或所述的反应空间内用竖向隔板分为至少二个不连通的反应室，每个反应室所对应的简体上均设有进气口和出气口，每一反应室的出气口与相邻反应室的进气口连接，使所有反应室前后串联。上述结构的卧式水冷反应器可与气冷换热反应器连接组成气冷-水冷联合反应器，所述的卧式水冷反应器的进气口与气冷换热反应器的管程出口连接，所述的卧式水冷反应器的出气口与气冷换热反应器的管外催化剂层进口连接，所述的气冷换热器的冷气进口和冷气出口间设有旁路。
内分二室或多室的卧式反应器在低生产负荷时可只使用其中部分催化剂，例如低负荷时将其中一室或多室的气体进出口关闭，只打开一室进出口即可。与气冷反应器串联时，也可在气冷反应器的冷气进出口设冷气旁路，待低负荷时停用气冷反应器，冷气直接进卧式水冷反应器，避免低负荷时气冷反应器中反应热少，含甲醇反应器在气冷反应器内被管内冷气降温冷凝在催化剂层而造成催化剂粉化。
作为一种优选，所述的反应空间内的反应室为二个，二个反应室内的换热管均为U形管，且二个反应室中的U形冷管束反向排列。作为进一步的优选，所述的两个反应室内的冷管束均外接汽包副产蒸汽。
所述的催化剂层底部还设有惰性陶瓷球层，所述的催化剂层顶部还设有压板。
上述内分二室或多室的卧式水冷反应器尤其适用于人工天然气生产调峰的工艺，将所述的反应器内部用隔板分为至少二个不连通的反应室，每个反应室内均装填催化剂，根据需要选择其中一个或多个反应室串联或并联参与反应。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1.与传统的反应气垂直径向流动方式不同，本发明中反应气以水平径向穿过卧式反应器内的催化剂层，管内外换热介质错流换热，提高传热系数和效率，减小温差，同时集气板和气体分布板分别安装在催化剂层的两侧，使催化剂装卸方便；避免催化剂和粉末从底部通道带出塔外。
2.本发明反应器可根据实际需要分二室或多室，根据生产负荷选择使用其中一室或多室，采用串联或并联的方式，调节手段灵活，令本发明反应器比传统反应器具有更加广泛的使用范围。
3.本发明反应器适用于煤制人工天然气工程的调峰，当夏季城市用天然气减少时，提高甲醇产量，此时同时启用二个反应室，当冬季供人工天然气用量增加甲醇产量下降时，只启用一个反应室即可，调节方便灵活。
附图说明
图1为本发明卧式水冷反应器的一种实施方式的结构俯视图，其中冷管为直管。
图2为图1中A-A截面视图。
图3为图1所示卧式水冷反应器的结构侧视图。
图3a、图3b为本发明卧式水冷反应器中管箱的两种布置方向示意图。
图4为本发明卧式水冷反应器的一种实施方式的结构俯视图，其中冷管为U形管。
图5为图4所示卧式水冷反应器的结构侧视图。
图6为图5所示卧式水冷反应器连接汽包副产蒸汽的示意图。
图7为本发明卧式水冷反应器的一种实施方式的结构俯视图，其中反应空间分为二个串联连通的反应室。
图8为本发明卧式水冷反应器的一种实施方式的结构俯视图，其中反应空间分为三个串联连通的反应室。
图9为本发明卧式水冷反应器的一种实施方式的结构俯视图，其中反应空间分为二个不连通的反应室串联使用的示意图。
图10为图9所示卧式水冷反应器与气冷反应器串联使用的示意图。
图11为图9所示卧式反应器的两个反应室并联使用的示意图。
图12为本发明卧式水冷反应器的一种实施方式的结构侧视图，其中反应空间分为二个不连通的反应室，每个反应室内均为U形冷管，二个反应室均连接汽包。
图13为图12所示卧式水冷反应器的结构俯视图。
附图标记说明：
1-壳体 2-催化剂装入口 3-催化剂卸出口 4-进气口 5-出气口
6-反应空间 7-冷管 8-催化剂 9-气体分布板 10-集气板
11-管箱 12-出水口 13-进水 14-隔板 15-惰性球
16-压板 17-汽包 18-蒸汽出口管 100-连通管 101a-第一联箱
101b-第二联箱 102a-第三联箱 102b-第四联箱 103a-第五联箱 103b-第六联箱
104a-第七联箱 104b-第八联箱 1701-第一汽包 1702-第二汽包
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
实施例1
如图1、2所示的本发明卧式水冷反应器，包括筒体1和封头，所述的反应器水平放置，所述的筒体顶部和底部分别设有催化剂装入口2和催化剂卸出口3，所述的筒体侧面设有进气口4和出气口5，所述的简体内部两侧设有直立的气体分布板9和集气板10，所述的气体分布板9和集气板10的下端分别与筒体下部连接，所述的气体分布板9和集气板10的上端分别与筒体上部活动连接，所述的气体分布板9、集气板10和筒体上部、筒体下部之间构成反应空间6，所述的反应空间6内为催化剂层，催化剂层下方装填有陶瓷球5，催化剂层上方设有压板16，使用过程中压板16会随着催化剂还原收缩下移。
如图3所示，所述的封头上设有连接汽包的进水管13和出水管12，所述的催化剂层中分布有若干冷管7，所述的冷管7沿简体水平方向延伸分布，所述的冷管7分成多组冷管束，每组冷管束的两端各连接一管箱(例如第一管束两端为第一管箱101a和第二管箱101b，第二管束两端为第三管箱102a和第四管箱102b，第三管束两端为第五管箱103a和第六管箱103b，第四管束两端为第七管箱104a和第八管箱104b……以此类推)，相邻两组冷管束的一端管箱用连通管100连通，即第二管箱101b与第四管箱102b用连通管100连通，第三管箱102a与第五管箱103a连通，第四管箱102b与第六管箱103b连通……以此类推，使所有冷管束形成串联，串联后的冷管束的总进口端管箱和总出口端管箱分别与封头上的进水口13和出水口12连接。上述管箱的布置方向可以如图3a所示，沿筒体截面的水平直径方向布置，也可以如图3b所示，沿筒体截面的垂直直径方向布置。
上述反应器使用时，反应气从进气口4进入，经气体分布板9均匀分布进入催化剂层，在催化剂层催化作用下合成反应后经集气板10从出气口5出反应器。
实施例2
如图4、5所示的卧式水冷反应器，基本结构同实施例1，不同的地方在于催化剂层内的冷管为U形管。该反应器可如图6所示外接汽包17副产蒸汽。
实施例3
如图7所示的卧式水冷反应器，基本结构同实施例1，不同的地方在于所述的反应空间内用一块隔板14分为二个连通的反应室，所述的隔板14的三个侧边分别与筒体连接，另一侧边与筒体一侧边间留有气体通道，所述的反应室通过气体分布板9或集气板10与气体通道连通，相邻反应室内的反应气流动方向相反，即相邻反应室前后串联(为使反应室结构更加清晰，图7中未画冷管)。
实施例4
如图8所示的卧式水冷反应器，结构同实施例3，不同的地方在于所述的反应空间内用二块隔板分为三个连通的反应室。
实施例5
如图9所示的卧式水冷反应器，基本结构同实施例1，不同的地方在于，所述的反应空间用一块隔板14分为二个不连通的反应室，所述的隔板14的四边均与简体连接，每个反应室所对应的筒体上均设有进气口4和出气口5，每一反应室的出气口5与相邻反应室的进气口4连接，使所有反应室前后串联。如图10所示，上述结构的卧式水冷反应器可与气冷换热反应器连接组成气冷-水冷联合反应器，所述的卧式水冷反应器的进气口与气冷换热反应器的管程出口连接，所述的卧式水冷反应器的出气口与气冷换热反应器的管外催化剂层进口连接，所述的气冷换热器的冷气进口和冷气出口间设有旁路。
实施例6
如图11所示的卧式水冷反应器，结构同实施例5，但其在使用时采用的是并联进气、出气的方式。
实施例7
如图12所示的卧式水冷反应器，基本结构同实施例1，不同的地方在于反应空间内用隔板分为二个不连通的反应室，每个反应室内均设有U形管组成的冷管束，两室的U形管排布方向相反。两个反应室各外接汽包副产蒸汽。
该结构形式的反应器用于年产100万吨甲醇调峰煤制人工天然气工程，当夏季城市用天然气减少时，甲醇负荷按120％即年产120万吨生产，这时用二个反应室，甲醇催化剂装量250M3，当冬季供人工天然气用量增加时，甲醇产量下降到60％即年产60万吨甲醇时，只用一个反应室催化剂125M3。
上述各图中冷管束左右两端管箱之间即管箱与壳体内壁间均有垫料密封，使反应室与足有封头空腔隔开，避免进口气和出口气从封头空腔近入，降低反应效率。
实施例8
本发明反应设备用于甲醇合成反应，用水作冷却介质，如图6所示，反应器外接汽包副产蒸汽，汽包连通换热管组可在2～4MPa压力下汽化。反应器直径5米，装NC307甲醇催化剂150M3，用shell法煤制合成气与循环起汇合，压力8.0MPa，经加热到220℃进甲醇合成塔，现在催化剂层催化作用下260℃上下合成甲醇，该催化剂层的温度可以通过换热管组连通汽包汽化压力来调节控制。同样调节另一换热管组连通汽包汽化压力，可以使甲醇催化剂层在240℃左右温度下进行甲醇合成反应，在循环气与新鲜气比值为0.5时，出塔甲醇含量为10％，甲醇日产5488吨，年产183万吨，数据见下表：
Claims (9)
1.一种卧式水冷反应器，包括筒体和封头，其特征在于：所述的反应器水平放置，所述的筒体顶部和底部分别设有催化剂装入口和催化剂卸出口，所述的筒体侧面设有进气口和出气口，所述的筒体内部设有直立的气体分布板和集气板，所述的气体分布板、集气板的下端分别与筒体下部连接，所述的气体分布板、集气板的上端分别与筒体上部活动连接，构成可水平横向流通反应气的反应空间，所述的反应空间内为催化剂层。
2.如权利要求1所述的卧式水冷反应器，其特征在于：所述的催化剂层中分布有若干冷管，所述的封头上设有连接汽包的进水管和出水管。
3.如权利要求2所述的卧式水冷反应器，其特征在于：所述的冷管分成多组冷管束，每组冷管束的两端各连接一管箱，相邻两组冷管束的一端管箱用连通管连通，另一端管箱与另一组相邻冷管束的一端管箱用连通管连通，使所有冷管束形成串联，串联的冷管束的进口端联箱和出口端联箱分别与进水管和出水管连接，所述的管箱沿筒体截面的水平直径方向或垂直直径方向布置。
4.如权利要求1或2所述的卧式水冷反应器，其特征在于：所述的反应空间内用竖向隔板分为至少二个连通的反应室，所述的隔板的一竖向侧边与筒体一侧边间留有空隙，其余三个侧边分别与筒体连接，所述的反应室通过分气板或集气板与筒体空腔连通，相邻反应室内的反应气流动方向相反，即相邻反应室前后串联。
5.如权利要求1或2所述的卧式水冷反应器，其特征在于：所述的反应空间内用竖向隔板分为至少二个不连通的反应室，每个反应室所在简体上均设有进气口和出气口，每一反应室的出气口与相邻反应室的进气口连接，使所有反应室前后串联。
6.如权利要求5所述的卧式水冷反应器，其特征在于：所述的反应室为二个，所述的冷管为U形管，二个反应室中的U形冷管束反向排列。
7.如权利要求1所述的卧式水冷反应器，其特征在于：所述的催化剂层底部为惰性陶瓷球层，所述的催化剂层顶部设有压板。
8.一种利用如权利要求4所述的卧式水冷反应器组成的气冷-水冷联合反应器，其特征在于：所述的卧式水冷反应器与气冷换热反应器连接组成气冷-水冷联合反应器，所述的卧式水冷反应器的进气口与气冷换热反应器的管程出口连接，所述的卧式水冷反应器的出气口与气冷换热反应器的管外催化剂层进口连接，所述的气冷换热器的冷气进口和冷气出口间设有旁路。
9.一种如权利要求5所述的卧式水冷反应器在人工天然气生产调峰的工艺中的应用，其特征在于：所述的反应器内部用隔板分为至少二个不连通的反应室，每个反应室内均装填有催化剂，根据需要选择其中一个或多个反应室串联或并联参与反应。
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