CN104368279A - 一种水移热的径向恒温反应器 - Google Patents

一种水移热的径向恒温反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水移热的径向恒温反应器，移热管束包括进水管、出水管、进水分配箱、导水管、盲肠管、环管、出水支管和集水箱；进水管连接进水分配箱，进水分配箱和导水管连接，所述盲肠管包括位于中心的主管和多个沿主管四周设置的辅管，所述主管的顶部开口，底部封闭，辅管的两端分别连通主管的顶部和底部，导水管从主管的顶部进入且套设在主管内，主管的顶部连通环管，环管通过出水支管连通集水箱，集水箱与出水管相连，盲肠管设置于催化剂框内。催化剂框、移热管束与承压壳体分离，便于检修、催化剂自卸和装填；将移热水管埋在催化剂床层内部能够将催化剂床层内部反应热及时移走，避免原有变换、合成及加氢催化剂被烧结现象发生。

Description

一种水移热的径向恒温反应器
技术领域
本发明涉及一种固定床催化反应器，尤其涉及的是一种水移热的径向恒温反应器。 
背景技术
CO变换反应后器作为化工行业的一种广泛应用反应器，其间，人们对变换反应器进行了多次的改进，由原来全轴向改为全径向，在催化剂床层阻力方面取得很好效果，但催化剂床层仍为绝热反应，催化剂床层分为若干床层，每床层之间采取间接换热或用水冷激。这种间接换热回收变换系统热能品位低，回收显热和潜热效率低、催化剂易超温、同时变换还拌有甲烷化等副反应等缺陷。 
煤制乙二醇的羰基化合成反应器，目前采用ф25X2的管内装填催化剂，管外用水移热，一台列管反应器由数千个全轴向ф21圆柱形催化剂床层组成，气体分布不均匀、副反应物多、催化剂床层阻力大、热应力大、设备泄漏、一套20万吨/年的乙二醇装置的羰基化合成反应器需要6台管壳反应器并联运行，工程投资大等缺陷。 
煤制乙二醇的酯化加氢反应器，目前采用ф38X2的管内装填催化剂，管外用水移热，一台列管反应器由数千个全轴向ф34圆柱形催化剂床层组成，气体分布不均匀、副反应物多、催化剂床层阻力大、热应力大、设备泄漏、工程投资大等缺陷。 
煤制天然气的反应采用：n个绝热床层和n个废过热锅炉的移热方式，而且需要增加反应物水蒸气来抑制第一、第二绝热床层反应，同时配置循环气，否则出现第一、第二绝热床层飞温现象，运行能耗高、装置投资大、系统阻力大等缺陷。 
煤制油、煤制石蜡的费托合成反应还没有在运行的大型化装置，部分在运行的小型费托合成装置反应器也为列管式反应器，Fe(或Co)系催化剂装填在ф76X4管内，仍然存在气体分布不均匀、超温、积碳、长碳链烷烃收率低、阻力大、设备泄漏、难以大型化等缺陷。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种水移热的径向恒温反应器，通过换热管内水转化为蒸汽发生相变吸热及时移走催化剂床层内反应热量。 
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括承压壳体和设置于承压壳体内的催化剂框和移热管束；所述移热管束包括进水管、出水管、进水分配箱、导水管、盲肠管、环管、出水支管和集水箱；进水管连接进水分配箱，进水分配箱和导水管连接，所述盲肠管包括位于中心的主管和多个沿主管四周设置的辅管，所述主管的顶部开口，底部封闭，辅管的两端分别连通主管的顶部和底部，导水管从主管的顶部进入且套设在主管内，主管的顶部连通环 管，环管通过出水支管连通集水箱，集水箱与出水管相连，盲肠管设置于催化剂框内。 
所述承压壳体包括上封头、下封头、筒体、支撑座；所述上封头和筒体通过法兰连接，下封头和筒体一体成型，筒体的内壁固定设置用于支撑催化剂框和移热管束的支撑座，所述上封头上分别设置用于连接进水管的进水口、用于连接出水管的出水口和用于进气的进气口，所述下封头上分别设有用于催化剂卸料的自卸口和用于出气的出气口。 
所述催化剂框包括密封板、支撑梁、气体分布器、集气筒；所述密封板设置于气体分布器的顶部形成框架结构，气体分布器的底部和下封头密封连接，进水管和出水管分别穿过密封板连接到对应的进水口和出水口，集气筒沿气体分布器的径向设置在气体分布器的中央，集气筒的顶部支撑在支撑梁上，集气筒的底部连接出气口，支撑梁分别支承集气筒、环管和气体分布器，支撑梁的两端支承在支撑座上，气体分布器和筒体沿径向的间隙形成气体分布室，盲肠管位于气体分布器内，气体分布器内装填催化剂。 
所述气体分布器和集气筒沿径向均匀开设多个通气孔，能够有效的均匀分布气体。 
所述气体分布器的底部设置密封盘和密封组件，气体分布器的底部和下封头之间通过密封盘连接，所述密封组件设置于密封盘和气体分布器的底部之间。 
本发明适用于CO变换反应、羰化合成反应、酯化加氢反应、甲烷化反应、甲醇合成反应、费托合成反应等反应器。 
本发明针对CO变换反应反应器存在问题和不足，以及现在高水/气、高CO水煤气变换的需求，开发出水移热的径向恒温变换反应器，利用移热管束内水转化为蒸汽发生相变吸热的原理，将CO+H2O→H2+CO2+Q放变换反应放出热量及时移出催化剂床层，确保催化剂床层温度≤380℃，并副产0.8～9.0MPa的饱和蒸汽，利于催化剂自卸和便于移热水管束部分的维修。有效解决了现有变换反应器回收热能品位低、回收热能效率低、催化剂易超温、甲烷化副反应、催化剂难自卸及工程投资大缺陷。 
本发明针对装填Pd/AI2O3系催化剂、乙二醇的羰基化列管式合成反应器存在问题和不足，开发出水移热的径向恒温羰基化合反应器，利用移热管束内水转化为蒸汽发生相变吸热的原理，将CO+CH3ONO→(COOCH3)2+NO+Q放反应放出热量及时移出催化剂床层，确保催化剂床层温度≤140℃，并副产0.2～0.3MPa的饱和蒸汽，催化剂床层采用全径向结构。有效解决了现有羰基化合成反应器催化剂易超温、副反应大、床层阻力大、难以大型化、催化剂难自卸及工程投资大缺陷。 
本发明针对装填Cu系催化剂、乙二醇的酯化加氢列管式合成反应器存在问题和不足，开发出水移热的径向恒温加氢反应器，利用移热管束内水转化为蒸汽发生相变吸热的原理将CH3ONO加H2反应(4H2+(COOCH3)2→(OHCH2C H2OH)2+2CH3OH+Q放)放出热量及时移出催化剂床层， 确保催化剂床层温度≤250℃，并副产1.8～3.2MPa的饱和蒸汽，催化剂床层采用全径向结构。有效解决了现有酯化加氢反应器催化剂易超温、副反应大、床层阻力大、难以大型化、催化剂难自卸及工程投资大缺陷。 
本发明针对在320～420℃使用温度的Ni系催化剂，开发出水移热的径向恒温甲烷合成反应器，利用移热管束内水转化为蒸汽发生相变吸热的原理，将CO与H2的甲烷化反应(CO+H2→CH4+H2O+Q放)放出热量及时移出催化剂床层，确保催化剂床层温度≤420℃，并副产3.8～12.0MPa的饱和蒸汽，催化剂床层采用全径向结构。有效解决了现有甲烷合成反应器催化剂易超温、床层阻力大、运行能耗高、装置投资大、系统阻力大等缺陷。 
本发明针对装填Fe(或Co)系催化剂的费托列管式合成反应器存在问题和不足，开发出水移热的径向恒温费托合成反应器，利用移热管束内水转化为蒸汽发生相变吸热的原理，将CO与H2的费托合成反应(nCO+(2n+1)H2→CnH 2n+2+nH2O+Q放)放出热量及时移出催化剂床层，确保Co催化剂床层温度≤240℃，并副产1.8～2.8MPa的饱和蒸汽；Fe催化剂床层温度≤260℃，并副产1.6～3.8MPa的饱和蒸汽，催化剂床层采用全径向结构。有效解决了现有费托合成反应器存在的缺陷。 
在有Co-Mo(或pd/AI2O3、或Cu、或Ni、或Cu-Zn、或Fe(或Co))系催化剂催在条件下完成变换、合成、加氢等放热反应，反应后的气体通过气体分布器进入催化剂床层反应,然后由集气筒出气口排出水移热的径向恒温反应器。变换、合成或加氢等放热反应放出的热量由埋在催化剂框内部的移热管束内水转化为蒸汽及时移走催化剂床层内反应热量，并副产不同压力下的饱和蒸汽。 
不饱和水由进水管进入进水分配箱，然后由导水管将不饱和水导入盲肠管的底部，分成多路，其中一路沿着导水管与盲肠管的主管的环隙自下而上流动，并吸收催化剂床层反应热，其他的多路分别进入多个盲肠管的辅管自下而上流动，并吸收催化剂床层反应热，然后汇集到环管，过饱和水由出水支管、集水箱、出水管运送到水移热的径向恒温反应器外围的汽包内闪蒸出饱和蒸汽。 
本发明相比现有技术具有以下优点： 
(1)本发明的催化剂框、移热管束与承压壳体分离，便于检修、催化剂自卸、催化剂装填； 
(2)将移热水管埋在催化剂床层内部能够将催化剂床层内部反应热及时移走，避免原有变换、合成及加氢催化剂被烧结现象发生，有效解决了现有变换、合成及加氢等催化剂使用寿命短、易超温、副反应物多、床层温不易控制、开车时间长、难以大型化、运行能耗高、工程投资大等缺陷； 
(3)催化剂床层的温度通过副产蒸汽压力来调节，确保调节方面灵活、易控制；同时也确保开车时，采取向水循环系统添加蒸汽，迅速将可控移热反应器温升起来，以缩短开车时间； 
(4)水路采取自然循环，突然停车时，可控移热反应器内部残余部分的反应物继续反应，水路也仍然保持循环，并将催化剂床层内部热量移出，确保在突然停车状态可控移热反应器的床层温度也不会超，有效保护催化剂使用寿命； 
(5)可控移热反应器的气体分布器和集气筒实现内外的双项补偿，使径向气体分布误差≤5.0％，确保气体分布均匀；可控移热反应器床层整体阻力≤0.01MPa； 
(6)采用全径向催化剂床层，易于装置大型化，不仅解决运输难题，同时降低工程投资。 
附图说明
图1是本发明的结构示意图。 
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 
如图1所示，本实施例包括承压壳体1和设置于承压壳体1内的催化剂框2和移热管束3；所述移热管束3包括进水管31、出水管32、进水分配箱33、导水管34、盲肠管35、环管36、出水支管37和集水箱38；进水管31连接进水分配箱33，进水分配箱33和导水管34连接，所述盲肠管35包括位于中心的主管351和多个沿主管351四周设置的辅管352，所述主管351的顶部开口，底部封闭，辅管352的两端分别连通主管351的顶部和底部，导水管34从主管351的顶部进入且套设在主管351内，主管351的顶部连通环管36，环管36通过出水支管37连通集水箱38，集水箱38与出水管32相连，盲肠管35设置于催化剂框2内。承压壳体1包括上封头11、下封头12、筒体13、支撑座14；所述上封头11和筒体13通过法兰111连接，下封头12和筒体13一体成型，筒体13的内壁固定设置用于支撑催化剂框2和移热管束3的支撑座14，所述上封头11上分别设置用于连接进水管31的进水口16、用于连接出水管32的出水口17和用于进气的进气口15，所述下封头12上分别设有用于催化剂卸料的自卸口18和用于出气的出气口19。催化剂框2包括密封板21、支撑梁22、气体分布器23、集气筒24；所述密封板21设置于气体分布器23的顶部形成框架结构，气体分布器23的底部和下封头12密封连接，进水管31和出水管32分别穿过密封板21连接到对应的进水口16和出水口17，集气筒24沿气体分布器23的径向设置在气体分布器23的中央，集气筒24的顶部支撑在支撑梁22上，集气筒24的底部连接出气口19，支撑梁22分别支承集气筒24、环管36和气体分布器23，支撑梁22的两端支承在支撑座14上，气体分布器23和筒 体13沿径向的间隙形成气体分布室25，盲肠管35位于气体分布器23内，气体分布器23内装填催化剂。气体分布器23和集气筒24沿径向均匀开设多个通气孔，能够有效的均匀分布气体。气体分布器23的底部设置密封盘26和密封组件27，气体分布器23的底部和下封头12之间通过密封盘26连接，所述密封组件27设置于密封盘26和气体分布器23的底部之间。 
图中空心箭头为水流方向，实心箭头为气流方向。 
将本实施例的反应器应用到22万吨/年合成氨装置高水/气比装置： 
1、设计条件及要求： 
水煤气气体成分： 
2、变换系统主要经济指标一览表 
序号 主要经济指标名称 主要经济指标
1 副产蒸汽量(2.5～3.8MPa) 1063.5g/tNH3
2 副产蒸汽量(1.0～1.27MPa) 247.8kg/tNH3
3 加热除氧水量(3.0MPa) 1311.313kg/tNH3
4 加热脱盐水量(直接去热力除氧) 6388.78kg/tNH3
5 除氧水加热器冷凝液 95.2kg/tNH3
6 脱盐水加热器冷凝液 440.64kg/tNH3
7 脱毒槽(预变)转化率 ≤13％
  一变转化率 ≥85％
  二变转化率 ≥98.14％
8 系统出口CO含量(干基) ≤0.75％
9 变换系统阻力MPa ≤0.05
实施例2 
本实施例应用到40万吨/年合成氨装置低水/气比装置，其他实施方式和实施例1相同。 
1、设计条件及要求： 
变换气量：    160273Nm3/h 
工作压力：    2.1MPa 
工作温度：    35～40℃ 
气体成分为： 
序号 名称 CO2％ CO％ H2％ O2％ N2％ CH4％
1 半水煤气 7.87 29.3 46.03 0.3 15.19 1.02
2 变换气 24.00 4～8 55.40 0 12.60 0.85
2、本发明与传统全低变工艺绝热式变换反应器相比,可以带来以下节能: 
。

Claims (5)

1.一种水移热的径向恒温反应器，其特征在于，包括承压壳体(1)和设置于承压壳体(1)内的催化剂框(2)和移热管束(3)；所述移热管束(3)包括进水管(31)、出水管(32)、进水分配箱(33)、导水管(34)、盲肠管(35)、环管(36)、出水支管(37)和集水箱(38)；进水管(31)连接进水分配箱(33)，进水分配箱(33)和导水管(34)连接，所述盲肠管(35)包括位于中心的主管(351)和多个沿主管(351)四周设置的辅管(352)，所述主管(351)的顶部开口，底部封闭，辅管(352)的两端分别连通主管(351)的顶部和底部，导水管(34)从主管(351)的顶部进入且套设在主管(351)内，主管(351)的顶部连通环管(36)，环管(36)通过出水支管(37)连通集水箱(38)，集水箱(38)与出水管(32)相连，盲肠管(35)设置于催化剂框(2)内。
2.根据权利要求1所述的一种水移热的径向恒温反应器，其特征在于，所述承压壳体(1)包括上封头(11)、下封头(12)、筒体(13)、支撑座(14)；所述上封头(11)和筒体(13)通过法兰(111)连接，下封头(12)和筒体(13)一体成型，筒体(13)的内壁固定设置用于支撑催化剂框(2)和移热管束(3)的支撑座(14)，所述上封头(11)上分别设置用于连接进水管(31)的进水口(16)、用于连接出水管(32)的出水口(17)和用于进气的进气口(15)，所述下封头(12)上分别设有用于催化剂卸料的自卸口(18)和用于出气的出气口(19)。
3.根据权利要求2所述的一种水移热的径向恒温反应器，其特征在于，所述催化剂框(2)包括密封板(21)、支撑梁(22)、气体分布器(23)、集气筒(24)；所述密封板(21)设置于气体分布器(23)的顶部形成框架结构，气体分布器(23)的底部和下封头(12)密封连接，进水管(31)和出水管(32)分别穿过密封板(21)连接到对应的进水口(16)和出水口(17)，集气筒(24)沿气体分布器(23)的径向设置在气体分布器(23)的中央，集气筒(24)的顶部支撑在支撑梁(22)上，集气筒(24)的底部连接出气口(19)，支撑梁(22)分别支承集气筒(24)、环管(36)和气体分布器(23)，支撑梁(22)的两端支承在支撑座上，气体分布器(23)和筒体(13)沿径向的间隙形成气体分布室，盲肠管(35)位于气体分布器(23)内，气体分布器(23)内装填催化剂。
4.根据权利要求3所述的一种水移热的径向恒温反应器，其特征在于，所述气体分布器(23)和集气筒(24)沿径向均匀开设多个通气孔。
5.根据权利要求3所述的一种水移热的径向恒温反应器，其特征在于，所述气体分布器(23)的底部设置密封盘(26)和密封组件(27)，气体分布器(23)的底部和下封头(12)之间通过密封盘(26)连接，所述密封组件(27)设置于密封盘(26)和气体分布器(23)的底部之间。
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