CN105833802B - 蒸汽上升式催化床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油化工及煤化工反应器领域，具体提供了一种蒸汽上升式催化床反应器，包括反应器壳体、换热管束、催化剂床层，催化剂床层设置于反应器壳体内，换热管束穿过催化剂床层，反应器壳体的上部设置有物料入口、催化剂填装口以及水汽出口，水汽出口与换热管束的顶部连通，反应器壳体的下部设置有物料出口、催化剂卸料口以及冷却水入口，冷却水入口与换热管束的底部连通。该反应器具有结构简单、材料要求低、反应温度调节灵活、催化剂装填方便等优点。

Description

蒸汽上升式催化床反应器

技术领域

本发明涉及石油化工及煤化工反应器领域，具体而言，涉及一种蒸汽上升式催化床反应器。

背景技术

近年来，甲醇合成、一氧化碳变换、合成气制甲烷、氨气合成等领域逐渐引人关注，其中催化床反应器的研究与改进一直是该领域的热点。对于固定床的强放热反应，在反应过程中有效移走多余热量，维持反应温度稳定，避免催化剂积炭或失活，保证反应的选择性和收率至关重要。

控制强放热反应温度的常用方法有两种，一种是增大循环气量，由大量的循环气带走反应热，一种是在反应器外或反应器内通入冷却水，利用水的升温或汽化移走反应器中多余的热。对于冷却水通入反应器中的情况，又可分为冷管式换热器(冷却水走管程，反应物料走壳程)和热管式换热器(冷却水走壳程，反应物料走管程)，其中热管式反应器由于催化剂装填在换热管内，单位体积反应器内的催化剂装填量小，设备尺寸受运输限制，因而限制了其在大型装置中的应用。

根据反应物料在反应器中的流动方向，固定床催化反应器又可分为轴向流反应器和径向流动反应器。由于目前化工装置规模逐渐扩大，传统的轴向流动固定床反应器由于直径受运输条件的影响，使其增产的空间受到限制；此外，其换热效果还可有待提高。而径向流动反应器则由于催化剂装填量大、流程短、压降小而成为可逆放热反应工业大型化设备的优选反应器类型。但径向反应器也存在一些缺点，如：反应物经过催化剂层的流程短，对反应气体的工况要求高，需要进料达到或接近最佳反应状态；催化剂装填量虽然大，但径向流动反应气体流过的催化剂量并不大，如果气体净化不好，更容易导致催化剂失活；径向反应器需要换热管束的设计完全对称、均匀排列，其换热管束的设计和制造难度大，设备成本高。因此，现有催化床反应器存在设备结构复杂、投资大、催化剂装填困难的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蒸汽上升式催化床反应器，以简化设备结构、降低换热管束对材料的要求，同时其便于调节温度和装填催化剂，避免了反应器内部的局部高温。

本发明是这样实现的：

一种蒸汽上升式催化床反应器，包括反应器壳体、换热管束、催化剂床层，催化剂床层设置于反应器壳体内，换热管束穿过催化剂床层，反应器壳体的上部设置有物料入口、催化剂填装口以及水汽出口，水汽出口与换热管束的顶部连通，反应器壳体的下部设置有物料出口、催化剂卸料口以及冷却水入口，冷却水入口与换热管束的底部连通。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述换热管束包括多根换热管、水汽汇总管、冷却水总管，水汽汇总管与水汽出口连通，冷却水总管与冷却水入口连通，每根换热管的顶端均与水汽汇总管连通，每根换热管的底端均于冷却水总管连通。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述换热管包括中间竖直部、上弯曲部、下弯曲部，多根换热管的中间竖直部平行设置、且多根换热管的中间竖直部在反应器壳体内均匀分布。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述述水汽汇总管内设置有用于固定上述换热管束顶端的上管板，上述冷却水总管内设置有用于固定上述换热管束底端的下管板。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述催化剂床层的顶部高度高于换热管上弯曲部，上述换热管上弯曲部上方的催化剂床层为绝热反应段。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述水汽汇总管、冷却水总管、水汽出口、冷却水入口、上管板、下管板的数量为1～6个。

进一步地，本发明较佳的实施例中，上述反应器壳体内设置有用于固定换热管束的支撑件。

本发明实现的有益效果：通过将催化剂装填在反应器壳体内，再在催化剂床层中穿过换热管束，催化剂装填于管束外，使得装卸方便。反应物料从顶部进入，通过催化剂床层反应后从底部排出，冷却水在管程逆向流动，通过汽化移走反应产生的热，整个换热管束温度分布均匀，避免了局部高温，大大降低了换热管束对材料耐高温的要求，有效降低了设备投资。此外，还可通过换热管束的布置，将催化床层分为绝热段和等温段，通过设置绝热段的催化剂装填量和气体空时，可控制进入等温段的物料温度；通过控制水蒸气出口压力，可控制等温段的反应温度，整个反应系统温度调节灵活、有效。同时，该反应器内的换热管采用整管加工制作，有效减少设备内部焊接点数量，降低加工成本和泄漏风险。本发明提供的设备结构简单，操作方便，特别适用于中小型甲醇合成、一氧化碳变换、合成气制甲烷等装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的第一实施例提供的蒸汽上升式催化床反应器的结构示意图；

图2为本发明的第一实施例提供的蒸汽上升式催化床反应器的水平剖面图；

图3为本发明的第二实施例提供的蒸汽上升式催化床反应器的结构示意图；

图4为本发明的第二实施例提供的蒸汽上升式催化床反应器的俯视图。

附图标记汇总：蒸汽上升式催化床反应器100a；蒸汽上升式催化床反应器100b；物料入口101；物料出口102；催化剂填装口103；催化剂卸料口104；冷却水入口105；冷却水入口105a；冷却水入口105b；水汽出口106；水汽出口106a；水汽出口106b；反应器壳体110；上部封头111；中间筒体112；下部封头113；换热管束120；换热管121；水汽汇总管122；水汽汇总管122a；水汽汇总管122b；冷却水总管123；冷却水总管123a；冷却水总管123b；中间竖直部124；上弯曲部125；下弯曲部126；催化剂床层130；上绝热反应段131；等温反应段132；下绝热反应段133；惰性磁球层140；气流分布器150；支撑件160；上管板170；上管板170a；上管板170b；下管板180；下管板180a；下管板180b；惰性磁球支撑件190。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

第一实施例

本发明的实施例主要应用于一氧化碳变换反应、甲醇合成反应、甲烷化反应等放热反应，其充分对反应放出的热量进行吸收，稳定反应温度。

参见附图1，本发明的实施例提供的一种蒸汽上升式催化床反应器100a，其包括反应器壳体110、换热管束120、催化剂床层130。

具体地，本实施例中，反应器壳体110包括上部封头111、中间筒体112、下部封头113，上部封头111连接于中间筒体112的顶部，下部封头113连接于中间筒体112的底部。参见附图1，反应器壳体110的顶部设置有物料入口101，其底部设置有物料出口102，反应的物料通过物料入口101进入反应器壳体110内进行反应后，从底部的物料出口102中排出。反应器壳体110的顶部还设置有催化剂填装口103，其底部还设置有催化剂卸料口104。将催化剂直接从催化剂填装口103装进反应器壳体110内，反应一段时间后，再将催化剂从底部的催化剂卸料口104卸出，与现有的技术将催化剂装入管道中相比，本实施例中催化剂的装卸更为方便快捷。同时，催化剂填装口103也作为人孔使用，方便对反应器内部进行检修清理。反应器壳体110的顶部还设置有水汽出口106，其底部还设置有冷却水入口105。

换热管束120设置在反应器壳体110内，其顶部与水汽出口106连通，底部与冷却水入口105连通。其中，冷却水入口105通入的冷却介质为饱和温度的液态水。整个换热管束120中的温度保持不变，换热管束120在反应器壳体110内吸收物料反应时放出的热，使得内部饱和温度的液态水不断蒸发为蒸汽，形成水汽混合物，不断从上部封头111的水汽出口106排出，通过控制水汽出口106的出口压力，可以控制反应器壳体110内的反应温度，使得整个反应系统的温度可以灵活有效地进行调节。

进一步地，参见附图1，本实施例中，换热管束120包括多根换热管121、水汽汇总管122、冷却水总管123，水汽汇总管122与水汽出口106连通，冷却水总管123与冷却水入口105连通，每根换热管121的顶端均与水汽汇总管122连通，每根换热管121的底部均于冷却水总管123连通。锅炉给水从冷却水入口105进入冷却水总管123中，然后分流到多根换热管121中，增大换热面积，充分地对反应器壳体110内反应放出的热量进行吸收，然后再汇总到水汽汇总管122中排出。

水汽汇总管122内设置有用于换热管束120顶端的上管板170，在冷却水总管内设置有用于固定换热管束120底端的下管板180，通过上管板170以及下管板180的设置，使得换热管束120能固定于反应器壳体110内，同时将反应器内管程水汽和管外反应物料进行有效隔离。

进一步地，本实施例中，换热管121包括中间竖直部124、上弯曲部125、下弯曲部126，换热管121的中间竖直部124均平行设置。通过上述的结构，很好地完成了换热管束120内进行换热的介质的分流和汇流。换热管121采用整根钢管，通过上弯曲部125与下弯曲部126固定于水汽汇总管122和冷却水总管123内，避免了其他专利采用的上下汇流环管等结构，减少焊接点，减少泄露点。此外，弯管结构有利于热应力消除，加工制造容易，成本低。

进一步地，参见附图2，多根换热管121的中间竖直部124在反应器壳体110内均匀分布。多根换热管121在反应器壳体110的水平截面方向上呈菱形阵列分布。从而使得多根换热管121能够充分且均匀地布满整个反应器壳体110的反应层，使得对反应层反应产生的热量进行充分地吸收，从而有效地避免了反应器壳体110内产生局部高温而影响反应效果。当然，其他实施例中，换热管121的排列也可以是多种多样的，如同心圆、三角形排列等形式。

进一步地，本实施例中，反应器壳体110内设置有用于固定支撑换热管束120的支撑件160，支撑件160可以根据需要进行设置1-6个。支撑件160设置有多个供反应物料通过的孔洞，孔洞在支撑件160上均匀分布，从而使得换热管束120能够更稳定地在反应器壳体110内进行固定，不易发生变形，同时也避免了因换热管束震动造成的催化剂床层破坏。

催化剂床层130设置于反应器壳体110内，催化剂填充放置于多个换热管121之间，使得物料在催化剂床层130中进行反应时，换热管束120可以充分地带走反应时产生的热量，从而使得反应温度更加稳定，避免局部高温。

参见附图1，由于催化剂床层130与水汽汇总管122或冷却水总管123接触的部分，其单位体积内的换热面积比较小，因此该段床层被视为绝热反应段，而催化剂床层130与多根换热管121进行接触的反应段由于进行了充分地热量的吸收，从而能够保持反应温度的稳定，因此该段床层被视为等温反应段。催化剂床层130的顶部高度高于换热管121的上弯曲部125，换热管121的上弯曲部125上方的催化剂床层为上绝热反应段131。反应物料从反应器壳体110的物料入口101进入后，首先与上绝热反应段131的催化剂催化反应，利用绝热反应放出的热对物料进行预热，使其温度达到最佳反应温度。经绝热反应升温后的物料进入等温反应段132，等温反应段132利用换热管121中的水汽化，移走反应放出的热量，并副产蒸汽，使反应条件接近于等温操作，有效避免了高温造成的催化剂积炭或失活等问题。

进一步地，催化剂床层130的底部低于换热管121的下弯曲部126，换热管121的下弯曲部126下方的催化剂床层为下绝热反应段133。设置下绝热反应段133的目的在于进一步催化反应，增加转化率，经等温反应段反应后，大部分可反应的物料已参与反应，在下绝热段反应量较小，温升较低，因此可不用换热。下绝热段由于未设置换热管束，单位体积内催化剂装填量大，可有效缩小反应器的体积。当然，其他实施例中，也可以不设置下绝热反应段。

进一步地，参见附图1，本实施例中，反应器壳体110内对应催化剂床层130的下方还设置有惰性磁球层140。进行填装时，先将惰性磁球填装进反应器壳体110内，形成惰性磁球层140，再将催化剂堆放在惰性磁球层140的上面。通过惰性磁球层140能够很好地对催化剂床层130起到支撑作用。在反应器下封头上设置有用于支撑惰性磁球层的惰性磁球支撑件190，惰性磁球支撑件190上均匀分布小孔，以便反应物料能顺利汇集，并通过物料出口102离开反应器。

进一步地，参见附图1，物料入口101设置有气流分布器150，从而反应的气体物料从物料入口101进入后能够在气流分布器150的作用下进行分流，更充分地与催化剂进行接触，避免较大流速的气流对催化剂床层的破坏。

第二实施例

参见附图3，本发明的第二实施例提供的蒸汽上升式催化床反应器100b，也包括反应器壳体110、换热管束120、催化剂床层130。物料入口101、物料出口102、催化剂填装口103、催化剂卸料口104的设置均参考第一实施例。其内部催化剂床层130设置也参考第一实施例。在此不再进行赘述。

参见附图3，本实施例中，不同于第一实施例之处在于，水汽汇总管、冷却水总管、水汽出口、冷却水入口、上管板、下管板的数量为1～6个。具体地，本实施例中，水汽出口为两个分别为水汽出口106a、水汽出口106b，参见附图4，水汽出口106a以及水汽出口106b对称设置，同样地，底部设置有冷却水入口105a、冷却水入口105b，二者设置的位置与水汽出口106a以及水汽出口106b的位置对应。反应器壳体110内的顶部对应水汽出口106a以及水汽出口106b还设置有与水汽出口106a连通的水汽汇总管122a、与水汽出口106b连通的水汽汇总管122b，反应器壳体110内的底部设置有与冷却水入口105a连通的冷却水总管123a、与冷却水入口105b连通的冷却水总管123b。水汽汇总管122a与冷却水总管123a之间通过多根换热管121连通，水汽汇总管122b与冷却水总管123b之间通过多根换热管121连通。水汽汇总管122a、水汽汇总管122b分别通过对应的上管板170a以及上管板170b固定；冷却水总管123a与冷却水总管123b分别通过对应的下管板180a以及下管板180b固定。

通过上述的结构设置，克服了因反应器直径大，所有换热管121汇总在一个总管上，造成总管尺寸过大、上下管板厚度过大的难题。当然，其他实施例中，可以根据具体的情况对水汽汇总管、冷却水总管、水汽出口以及冷却水入口的数量进行调整。

综上所述，本发明应用于变换反应、甲醇合成反应、甲烷化反应等放热反应时，反应物料从反应器上部进入，首先经绝热反应段的催化剂催化反应，利用绝热反应放出的热对物料进行预热，使其温度达到最佳反应温度。经绝热反应升温后的物料进入等温反应段，等温反应段利用换热管束中的水汽化，移走反应放出的热量，并副产中压或高压蒸汽，使反应条件接近与等温操作，有效避免了高温造成的催化剂积炭或失活等问题。本发明提供的反应器设备结构简单，操作方便，特别适用于中小型装置。与现有装置相比，本发明具有如下优点：

1)换热管束采用整根钢管，通过上曲弯部与下曲弯部固定于上下汇总管内，避免了其他专利采用的上下汇流环管等结构，减少焊接点，减少泄漏点。此外，弯管结构有利于热应力消除，加工制造容易，成本低。

2)本发明中，催化剂装填于管束外，冷却水在管程逆向流动，通过汽化移走反应产生的热量，整个换热管束温度分布均匀，避免了局部高温，大大降低了换热管束对材料耐高温热的要求，有效降低了设备投资。

3)通过换热管束的布置，将催化床层分为绝热段和等温段，通过设置绝热段的催化剂装填量和气体空时，可控制进入等温段的物料温度；通过控制水蒸气出口压力，可控制等温段的反应温度，整个反应系统温度调节灵活、有效。

4)现有装置催化剂多装填于管束内或催化剂筐中，装卸不便，本发明中催化剂散装于换热管束与反应器壳体之间的缝隙中，装卸方便，有效降低装置安装和维护成本。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (6)

1.一种蒸汽上升式催化床反应器，其特征在于，包括反应器壳体、换热管束以及催化剂床层，所述催化剂床层设置于所述反应器壳体内，所述换热管束穿过所述催化剂床层，所述反应器壳体的上部设置有物料入口、催化剂填装口以及水汽出口，所述水汽出口与所述换热管束的顶部连通，所述反应器壳体的下部设置有物料出口、催化剂卸料口以及冷却水入口，所述冷却水入口与所述换热管束的底部连通，所述换热管束包括多根换热管，每根换热管包括中间竖直部、上弯曲部、下弯曲部，多根换热管的中间竖直部均平行设置，所述催化剂床层的顶部高于所述换热管的上弯曲部，所述换热管上弯曲部上方的催化剂床层为绝热反应段；所述换热管束还包括水汽汇总管、冷却水总管，所述水汽汇总管和所述冷却水总管均为竖直管路，每根所述换热管均通过上弯曲部与下弯曲部固定于所述水汽汇总管和所述冷却水总管内。

2.根据权利要求1所述的蒸汽上升式催化床反应器，其特征在于，所述水汽汇总管与所述水汽出口连通，所述冷却水总管与所述冷却水入口连通。

3.根据权利要求2所述的蒸汽上升式催化床反应器，其特征在于，多根所述换热管的中间竖直部在所述反应器壳体内均匀分布。

4.根据权利要求2所述的蒸汽上升式催化床反应器，其特征在于，所述水汽汇总管内设置有用于固定所述换热管束顶端的上管板，所述冷却水总管内设置有用于固定所述换热管束底端的下管板。

5.根据权利要求4所述的蒸汽上升式催化床反应器，其特征在于，所述水汽汇总管、所述冷却水总管、所述水汽出口、所述冷却水入口、所述上管板、所述下管板的数量为1～6个。

6.根据权利要求1所述的蒸汽上升式催化床反应器，其特征在于，所述反应器壳体内设置有用于固定换热管束的支撑件。