CN103691368B - 单程压缩的自循环化学合成反应器 - Google Patents

Abstract

一种单程压缩的自循环化学合成反应器，涉及到一种化学合成反应器。主要由反应室、上气室、下降通道、下气室、冷却水套、冷却肋板和外壳组成，冷却水套环绕在外壳中段的壳体外侧，冷却水套由外壁与外壳中段壳体外侧之间的空间构成，冷却肋板紧密连接在外壳中段的壳体内侧上，下降通道由外壳中段的内侧壳体与反应室壁体之间的空间构成，上气室在反应室的上方，反应室的下方为下气室；上气室由上端头和外壳上段壳体围成的内空间构成；下气室由下端头和外壳下段壳体围成的内空间构成；反应室连通到上气室，上气室通过下降通道连通到下气室。本发明使原料气只需通过单程压缩就能全部合成为目标产物，大幅降低电能消耗和提高催化效率，在化学合成的生产过程中实现节能减排。

Description

单程压缩的自循环化学合成反应器

技术领域

 本发明涉及一种化工设备，特别涉及到一种化学合成反应器。

背景技术

在催化剂存在的条件下，大多数化学合成反应都是可逆反应，当目标产物达到一定浓度后，将处于平衡，反应将不再向合成目标产物的方向进行。人们在进行化合反应的生产过程中，为了使反应能继续向目标产物方向进行，必须使混合产物从合成反应器中输出以及向合成反应器内补入新原料气，使合成反应器内的目标产物浓度降低、破坏平衡后使化合反应继续进行，混合产物从合成反应器中输出后，通过分离设备把未反应气分离出来，再把未反应气返回合成反应器内进行循环反应，由于单程催化率仅在20%左右，原料气必须通过多次循环压缩后才能在合成反应器内反应成目标产物，而每次循环压缩都需消耗很大的压缩能耗。

现有的合成反应器中，在应用催化剂合成的条件下，合成氨的操作压力在8MPa以上，合成甲醇的操作压力在3～15MPa之间，合成气直接合成二甲醚的操作压力在2～5MPa之间，要获得上述的操作压力，必须采取多级压缩才能实现，压缩能耗很大，因此，现有的合成反应器必须进行多次循环和多级压缩才能把原料气合成为目标产物的生产过程，存在电能消耗大的缺点。

发明内容

本发明的目的是要克服现有化学合成设备需把原料气进行反复循环压缩电能消耗大的缺点，设计一种由合成反应器自己在内部进行自动循环催化的化学合成反应器，使原料气只需通过单程压缩就能全部合成为目标产物，以大幅降低电能消耗和提高催化效率，在合成氨、甲醇、二甲醚的生产及在其它需进行化学合成的生产过程中实现节能减排。

本发明的一种单程压缩的自循环化学合成反应器，其特征是反应器主要由反应室（Ⅳ）、上气室（Ⅶ）、下降通道（Ⅴ）、下气室（Ⅲ）、冷却水套（Ⅵ）、冷却肋板（25）和外壳（9）组成，其中，反应室（Ⅳ）、上气室（Ⅶ）、下降通道（Ⅴ）和下气室（Ⅲ）设置在外壳（9）的内空间中，冷却水套（Ⅵ）环绕在外壳（9）中段的壳体外侧，冷却水套（Ⅵ）由外壁（11）与外壳（9）中段壳体外侧之间的空间构成，冷却肋板（25）紧密连接在外壳（9）中段的壳体内侧上，下降通道（Ⅴ）由外壳（9）中段的内侧壳体与反应室壁体（7）之间的空间构成，上气室（Ⅶ）在反应室（Ⅳ）的上方，反应室（Ⅳ）的下方为下气室（Ⅲ）；上气室（Ⅶ）由上端头（3）和外壳（9）上段壳体围成的内空间构成；下气室（Ⅲ）由下端头（16）和外壳（9）下段壳体围成的内空间构成；反应室（Ⅳ）连通到上气室（Ⅶ），上气室（Ⅶ）通过下降通道（Ⅴ）连通到下气室（Ⅲ）；反应室壁体（7）由圆筒体侧壁和圆弧底构成，反应室壁体（7）通过上支撑件（4）和下支撑件（23）连接在外壳（9）的壳体上，在反应室壁体（7）的侧壁下部或圆弧底部有循环气输入口（24）接入和催化剂卸料出口（12）接出；冷却肋板（25）的作用面设置在下降通道（Ⅴ）中；下气室（Ⅲ）有原料补气接口（21）接入，下气室（Ⅲ）通过循环气输入口（24）连通到反应室（Ⅳ）的下部，下气室（Ⅲ）的下部为集液区（Ⅰ），集液区（Ⅰ）的底部有产物出口（17）接出。

本发明中，冷却肋板（25）为多片设置，多片冷却肋板（25）的作用面以环绕方式设置在下降通道（Ⅴ）中；循环气输入口（24）为多通孔的半隔断结构；在反应室壁体（7）的外侧壁上安装绝热层（8）；在反应室（Ⅳ）的下部有加热器（10），加热器（10）为电热器和热交换器其中的一种；在反应室的循环气输入口（24）上有循环气连通管（14），在下气室（Ⅲ）中设置集气罩（20），集气罩（20）的顶部连接到循环气连通管（14）的输入口上，集气罩（20）的内空间构成集气室（Ⅱ），集气室（Ⅱ）通过循环气连通管（14）连通到反应室（Ⅳ）；在下气室（Ⅲ）中有气液分离器（15），气液分离器（15）包括百页窗式分离器、盘管冷却分离器和表冷器式分离器；在上端头（3）的顶上有催化剂加料口（Ⅷ），催化剂加料口（Ⅷ）通过顶盖（1）进行封闭，在顶盖（1）与上端头（3）连接面之间有密封圈a（2）；上端头（3）为圆盘式结构，上端头（3）安装在外壳（9）的上端口，在上端头（3）与外壳（9）上端口的连接面之间有密封圈b（26）；下端头（16）为圆弧底结构，下端头（16）安装在外壳（9）的下端口，外壳（9）的下端口与下端头（16）的连接面之间有密封圈c（19）。

上述发明中，由于反应室（Ⅳ）、上气室（Ⅶ）、下降通道（Ⅴ）和下气室（Ⅲ）同在外壳（9）的空间内，并且反应室（Ⅳ）直接连通到上气室（Ⅶ）、上气室（Ⅶ）直接连通到下降通道（Ⅴ）、下降通道（Ⅴ）直接连通到下气室（Ⅲ），因此，化学合成反应器是在等压力条件下进行自循环催化合成反应，使得反应室（Ⅳ）的壁体（7）不承受压力，可以大大减少壁体（7）的材料用量。

上述发明在具体实施时，把冷却水进口（22）连接到冷却系统的供水管上，把冷却水出口（5）连接到冷却系统的回水管上，同时在反应室（Ⅳ）中设置催化剂，催化剂按目标产物的要求选用并活化，然后向化合反应器内输入原料气，使原料气进入反应室（Ⅳ）中，在反应室（Ⅳ）中便进行化学合成反应，生成目标产物，在原料气进行化学合成反应时，会产生热量，所生成的反应热会使反应室（Ⅳ）内升温，从而使反应室（Ⅳ）内的未反应气和气态目标产物升温，使未反应气和气态目标产物混合的气态混合物的密度变小，根据重力循环原理，升温后的气态混合物会进行上升运动，进入到上气室（Ⅶ）中；同时，下降通道（Ⅴ）受到外壳（9）中段壳体和冷却肋板（25）的冷却作用，使下降通道（Ⅴ）中的未反应气或气态混合物受到冷却，温度下降，使未反应气或气态混合物的密度增大，根据重力循环原理，降温后的未反应气或气态混合物会进行下降运动，进入到下气室（Ⅲ）中，气态混合物在下气室（Ⅲ）中经气液分离器（15）进行分离后，分离为液态的目标产物和气态的未反应气，液态的目标产物通过产物出口（17）和产物输出管（18）输出进入产品贮罐，未反应气通过循环气连通管（14）由循环气输入口（24）进入反应室（Ⅳ）进行循环反应，合成目标产物所消耗的原料气通过原料补气接口（21）进行补充，如此周而复始，由化学合成反应器自己在内部等压条件形成自动循环，并及时分离出目标产物，使化合反应器内的目标产物浓度始终低于平衡点，使得化合反应能持续进行。本发明使原料气只需通过单程压缩就能全部合成为目标产物，而不需把混合物输出反应器外分离，克服了原料气需进行反复循环压缩电能消耗大的缺点，提高了催化效率，实现节能减排。

上述的发明中，在化学合成反应器的外壳（9）中段的外侧空间中设置冷却水套（Ⅵ）以及在下降通道（Ⅴ）中设置冷却肋板（25），使气态混合物快速降温而进行下降运动，自动产生向下引力，从而使反应室壁体（7）与外壳（9）之间的空间受到冷却作用而构成气态混合物的下降通道（Ⅴ），把上气室（Ⅶ）中的气态混合物引入到下气室（Ⅲ）中，再在下气室（Ⅲ）中把气态混合物进行分离，分离出的未反应气通过循环气输入口（24）及时补充进反应室（Ⅳ）内，推动反应室（Ⅳ）内升温的气态混合物加速上升运动，反应室（Ⅳ）内加速上升运动的气态混合物又通过循环作用使下降通道（Ⅴ）内的气态混合物加速下降运动，由此，由化学合成反应器自己在内部不断产生循环动力。本发明采取在下降通道（Ⅴ）中设置冷却肋板（25）的措施，比采用冷却管束或冷却盘管结构更简单、更节省材料。

上述的发明中，在反应室（Ⅳ）的下部设置加热器（10）的作用是为反应室（Ⅳ）进行辅助加热，在设备投入运行的初始产生适合目标产物合成的室温，在设备正常运行时进行操作温度的调节，同时，起到使原料气加速循环催化的作用。所述的加热器（10）为电热器或热交换器，选用市场现有产品。

上述的发明中，在下气室（Ⅲ）中设置集气罩（20）以及在循环气输入口（24）上有循环气连通管（14），集气罩（20）的顶部连接到循环气连通管（14）的输入口上，其作用是使未反应气在集气罩（20）聚集，使集气罩（20）的内空间构成集气室（Ⅱ），使比重大的目标产物进不到集气罩（20）的顶部，从而防止下气室（Ⅲ）中的气态目标产物通过循环气输入口（24）反馈到反应室（Ⅳ）内，有利于提高反应室（Ⅳ）内的催化效率。

上述的发明中，在下气室（Ⅲ）中设置气液分离器（15），其目的是把目标产物及时分离出来，降低化合反应器内的目标产物浓度，使化合反应向有利的方向进行，使原料气加快合成目标产物，提高催化效率。所述的气液分离器（15）包括百页窗式分离器、盘管冷却分离器和表冷器式分离器，当使用百页窗式分离器时，以碰撞分离方式进行气液分离，混合物中的雾化产物粒子在流动过程中遇到百页档板时，经碰撞相互凝结成团而形成液态的目标产物；当使用盘管冷却分离器和表冷器式分离器时，以冷凝分离方式进行气液分离，在盘管或表冷器的表面温度降到目标产物的蒸发温度以下时，便使气态的目标产物凝结在盘管或表冷器的表面而分离出液态产物，或者在下气室（Ⅲ）的室温降低到目标产物的蒸发温度以下时，气态的目标产物便冷凝成液态的目标产物，达到分离目的。

上述的发明中，循环气输入口（24）设计为多通孔的半隔断结构，使得反应室（Ⅳ）中的催化剂不会通过循环气输入口（24）泄漏，而多通孔的半隔断结构不会阻碍未反应气进入反应室（Ⅳ）内。

上述的发明中，在反应室的壁体（7）的外侧壁上安装绝热层（8）的目的是使反应室（Ⅳ）内的反应热不会影响到下降通道（Ⅴ）的冷却作用，同时也使下降通道（Ⅴ）的冷却作用不会影响到反应室（Ⅳ）内的升温作用，从而保证反应室（Ⅳ）内保持化学反应需要的温度。

本发明的有益效果是：设计的一种单程压缩的自循环化学合成反应器，采用冷却肋板（25）作为下降通道中的冷却装置，使得合成反应器内结构更简单；生产时，使原料气只需通过单程压缩就能全部合成为目标产物，以大幅降低电能消耗和提高催化效率，在化学合成的生产过程中实现节能减排。与常规技术相比，本发明克服了常规的化学合成设备需把原料气进行反复循环压缩电能消耗大的缺点。本发明可在甲醇、二甲醚、合成氨等化学合成产品的生产线上应用。

附图说明

图1是本发明的一种自循环化学合成反应器的结构图。

图2是图1的A-A剖面图。

图中：1.顶盖，2.密封圈a，3.上端头，4.上支撑件，5.冷却水出口，6.温度传感器，7.反应室壁体，8.绝热层，9.外壳，10.加热器，11.冷却水套的外壁，12.催化剂卸料出口，13.催化剂卸料管，14.循环气连通管，15.气液分离器，16.下端头，17.产物出口，18.产物输出管，19.密封圈c，20.集气罩，21.原料补气接口，22.冷却水进口，23.下支撑件，24.循环气输入口，25.冷却肋板，26.密封圈b，Ⅰ.集液区，Ⅱ.集气室，Ⅲ.下气室，Ⅳ.反应室，Ⅴ.下降通道，Ⅵ.冷却水套，Ⅶ.上气室，Ⅷ.催化剂加料口。

具体实施方式

图1所示的实施例中，单程压缩的自循环化学合成反应器主要由反应室（Ⅳ）、上气室（Ⅶ）、下降通道（Ⅴ）、下气室（Ⅲ）、冷却水套（Ⅵ）、冷却肋板（25）和外壳（9）组成，其中，反应室（Ⅳ）、上气室（Ⅶ）、下降通道（Ⅴ）和下气室（Ⅲ）设置在外壳（9）的内空间中，冷却水套（Ⅵ）环绕在外壳（9）中段的壳体外侧，冷却水套（Ⅵ）由外壁（11）与外壳（9）中段壳体外侧之间的空间构成，冷却肋板（25）紧密连接在外壳（9）中段的壳体内侧上，下降通道（Ⅴ）由外壳（9）中段的内侧壳体与反应室壁体（7）之间的空间构成，上气室（Ⅶ）在反应室（Ⅳ）的上方，反应室（Ⅳ）的下方为下气室（Ⅲ）；上气室（Ⅶ）由上端头（3）和外壳（9）上段壳体围成的内空间构成；下气室（Ⅲ）由下端头（16）和外壳（9）下段壳体围成的内空间构成；反应室（Ⅳ）连通到上气室（Ⅶ），上气室（Ⅶ）通过下降通道（Ⅴ）连通到下气室（Ⅲ）；反应室壁体（7）由圆筒体侧壁和圆弧底构成，反应室壁体（7）通过上支撑件（4）和下支撑件（23）连接在外壳（9）的壳体上，在反应室壁体（7）的侧壁下部或圆弧底部有循环气输入口（24）接入和催化剂卸料出口（12）接出；冷却肋板（25）的作用面设置在下降通道（Ⅴ）中；下气室（Ⅲ）有原料补气接口（21）接入，下气室（Ⅲ）通过循环气输入口（24）连通到反应室（Ⅳ）的下部，下气室（Ⅲ）的下部为集液区（Ⅰ），集液区（Ⅰ）的底部有产物出口（17）接出。本实施例中，冷却肋板（25）设置为24片，24片冷却肋板（25）的作用面以环绕方式设置在下降通道（Ⅴ）中；循环气输入口（24）为多通孔的半隔断结构；在反应室壁体（7）的外侧壁上安装绝热层（8）；在反应室（Ⅳ）的下部有加热器（10），加热器（10）为电热器，选用市售产品；在反应室的循环气输入口（24）上有循环气连通管（14），在下气室（Ⅲ）中设置集气罩（20），集气罩（20）的顶部连接到循环气连通管（14）的输入口上，集气罩（20）的内空间构成集气室（Ⅱ），集气室（Ⅱ）通过循环气连通管（14）连通到反应室（Ⅳ）；在下气室（Ⅲ）中有气液分离器（15），气液分离器（15）为表冷器式分离器，选用市售产品；在上端头（3）的顶上有催化剂加料口（Ⅷ），催化剂加料口（Ⅷ）通过顶盖（1）进行封闭，在顶盖（1）与上端头（3）连接面之间有密封圈a（2）；上端头（3）为圆盘式结构，上端头（3）安装在外壳（9）的上端口，在上端头（3）与外壳（9）上端口的连接面之间有密封圈b（26）；下端头（16）为圆弧底结构，下端头（16）安装在外壳（9）的下端口，外壳（9）的下端口与下端头（16）的连接面之间有密封圈c（19）；在上气室（Ⅵ）中有温度传感器（6）。

本实施例在生产上应用时，把冷却水进口（22）连接到冷却系统的供水管上，把冷却水出口（5）连接到冷却系统的回水管上，同时在反应室（Ⅳ）中设置催化剂，催化剂按目标产物的要求选用并活化，然后向化合反应器内输入原料气，使原料气进入反应室（Ⅳ）中，在反应室（Ⅳ）中便进行化学合成反应，生成目标产物，在原料气进行化学合成反应时，会产生热量，所生成的反应热会使反应室（Ⅳ）内升温，从而使反应室（Ⅳ）内的未反应气和气态目标产物升温，使未反应气和气态目标产物混合的气态混合物的密度变小，根据重力循环原理，升温后的气态混合物会进行上升运动，进入到上气室（Ⅶ）中；同时，下降通道（Ⅴ）受到外壳（9）中段壳体和冷却肋板（25）的冷却作用，使下降通道（Ⅴ）中的未反应气或气态混合物受到冷却，温度下降，使未反应气或气态混合物的密度增大，根据重力循环原理，降温后的未反应气或气态混合物会进行下降运动，进入到下气室（Ⅲ）中，气态混合物在下气室（Ⅲ）中经气液分离器（15）进行分离后，分离为液态的目标产物和气态的未反应气，液态的目标产物通过产物出口（17）和产物输出管（18）输出进入产品贮罐，未反应气通过循环气连通管（14）由循环气输入口（24）进入反应室（Ⅳ）进行循环反应，合成目标产物所消耗的原料气通过原料补气接口（21）进行补充，如此周而复始，由化学合成反应器自己在内部等压条件形成自动循环，并及时分离出目标产物，使化合反应器内的目标产物浓度始终低于平衡点，使得化合反应能持续进行。本发明使原料气只需通过单程压缩就能全部合成为目标产物，而不需把混合物输出反应器外分离，克服了原料气需进行反复循环压缩电能消耗大的缺点，提高了催化效率，实现节能减排。在生产过程中，通过温度传感器（6）获得反应室（Ⅳ）中的温度，然后通过操作加热器（10）运行或停止来控制反应室（Ⅳ）中的温度，使之符合化学合成的温度要求。

上述的实施例作为甲醇、二甲醚、合成氨或其它化学合成产品的生产线上应用。当作为合成甲醇设备应用时，在反应室（Ⅳ）设置以48%的CuO、46%的ZnO和5%的Al₂O₃为组份的颗粒状催化剂，再把一体积的CO和二体积的H₂混合后作为原料气输入到化合反应器内，进行合成甲醇生产，原料气合成为甲醇的反应式为CO+2H₂→CH₃OH+102.5kj；当作为一步法合成二甲醚设备应用时，在反应室（Ⅳ）设置以48%的CuO、46%的ZnO和5%的Al₂O₃为组份的颗粒状催化剂，再加填ZSM-5分子筛，再把一体积的CO和二体积的H₂混合后作为原料气输入到化合反应器内，进行合成二甲醚生产，原料气合成为二甲醚的反应式为2CO+4H₂→（CH₃）₂O+H₂O+200.2kj；当作为合成氨设备应用时，在反应室（Ⅳ）设置以催化剂组份以Fe为主，以 Al₂O₃、K₂O、CaO、SiO₂、BaO为促进剂，再把一体积的N₂和三体积的H₂混合后作为原料气输入到化合反应器内，进行合成氨生产，原料气合成为氨的反应式为N₂+3H₂→2NH₃+92.1kj。

Claims (10)

1.一种单程压缩的自循环化学合成反应器，其特征是反应器主要由反应室（Ⅳ）、上气室（Ⅶ）、下降通道（Ⅴ）、下气室（Ⅲ）、冷却水套（Ⅵ）、冷却肋板（25）和外壳（9）组成，其中，反应室（Ⅳ）、上气室（Ⅶ）、下降通道（Ⅴ）和下气室（Ⅲ）设置在外壳（9）的内空间中，冷却水套（Ⅵ）环绕在外壳（9）中段的壳体外侧，冷却水套（Ⅵ）由外壁（11）与外壳（9）中段壳体外侧之间的空间构成，冷却肋板（25）紧密连接在外壳（9）中段的壳体内侧上，下降通道（Ⅴ）由外壳（9）中段的内侧壳体与反应室壁体（7）之间的空间构成，上气室（Ⅶ）在反应室（Ⅳ）的上方，反应室（Ⅳ）的下方为下气室（Ⅲ）；上气室（Ⅶ）由上端头（3）和外壳（9）上段壳体围成的内空间构成；下气室（Ⅲ）由下端头（16）和外壳（9）下段壳体围成的内空间构成；反应室（Ⅳ）连通到上气室（Ⅶ），上气室（Ⅶ）通过下降通道（Ⅴ）连通到下气室（Ⅲ）； 

反应室壁体（7）由圆筒体侧壁和圆弧底构成，反应室壁体（7）通过上支撑件（4）和下支撑件（23）连接在外壳（9）的壳体上，在反应室壁体（7）的侧壁下部或圆弧底部有循环气输入口（24）接入和催化剂卸料出口（12）接出；冷却肋板（25）的吸热面设置在下降通道（Ⅴ）中；下气室（Ⅲ）有原料补气接口（21）接入，下气室（Ⅲ）通过循环气输入口（24）连通到反应室（Ⅳ）的下部，下气室（Ⅲ）的下部为集液区（Ⅰ），集液区（Ⅰ）的底部有产物出口（17）接出。

2.根据权利要求1所述的一种单程压缩的自循环化学合成反应器，其特征是冷却肋板（25）为多片设置，多片冷却肋板（25）的吸热面以环绕方式设置在下降通道（Ⅴ）中。

3.根据权利要求1所述的一种单程压缩的自循环化学合成反应器，其特征是循环气输入口（24）为多通孔的半隔断结构。

4.根据权利要求1所述的一种单程压缩的自循环化学合成反应器，其特征是在反应室壁体（7）的外侧壁上安装绝热层（8）。

5.根据权利要求1所述的一种单程压缩的自循环化学合成反应器，其特征是在反应室（Ⅳ）的下部有加热器（10），加热器（10）为电热器和热交换器其中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种单程压缩的自循环化学合成反应器，其特征是在反应室的循环气输入口（24）上有循环气连通管（14），在下气室（Ⅲ）中设置集气罩（20），集气罩（20）的顶部连接到循环气连通管（14）的输入口上，集气罩（20）的内空间构成集气室（Ⅱ），集气室（Ⅱ）通过循环气连通管（14）连通到反应室（Ⅳ）。

7.根据权利要求1所述的一种单程压缩的自循环化学合成反应器，其特征是在下气室（Ⅲ）中有气液分离器（15），气液分离器（15）包括百页窗式分离器、盘管冷却分离器和表冷器式分离器。

8.根据权利要求1所述的一种单程压缩的自循环化学合成反应器，其特征是在上端头（3）的顶上有催化剂加料口（Ⅷ），催化剂加料口（Ⅷ）通过顶盖（1）进行封闭，在顶盖（1）与上端头（3）连接面之间有密封圈a（2）。

9.根据权利要求1所述的一种单程压缩的自循环化学合成反应器，其特征是上端头（3）为圆盘式结构，上端头（3）安装在外壳（9）的上端口，在上端头（3）与外壳（9）上端口的连接面之间有密封圈b（26）。

10.根据权利要求1所述的一种单程压缩的自循环化学合成反应器，其特征是下端头（16）为圆弧底结构，下端头（16）安装在外壳（9）的下端口，外壳（9）的下端口与下端头（16）的连接面之间有密封圈c（19）。