CN107670592B - 一种管壳式反应器及甲醇合成工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管壳式反应器及甲醇合成工艺。所述管壳式反应器包括外壳，所述外壳的上封头处设有未反应气进口接管和反应气出口接管；所述外壳内设有上管板、下管板和径向催化剂床；所述下管板上装有多根催化剂管，催化剂管内装有内套管，该内套管的两端均为开口且上端固定于上管板上，内套管的下端插入所述催化剂管中；所述催化剂管的下端封闭，该催化剂管的上端敞开并与所述径向催化剂床连通，该径向催化剂床中心设置有集气管，该集气管与反应气出口接管连通；所述外壳上设有汽水上升管接口和水汽下降管接口。本发明的反应器避免了催化剂失活，同时降低了反应气体流动阻力，进而减少了运行能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种管壳式反应器及甲醇合成工艺，属于化工技术领域，尤其适合应用于甲醇合成生产中的甲醇合成反应器即甲醇塔及甲醇合成反应的塔内流程。
背景技术
甲醇合成反应为强放热可逆反应，主要反应式如下:
∆HR1=-76519.5-49.2909T-0.29303×10-1T2+0.170052×10-3T3-0.191925×10-6T4+0.79347×10-10T5（J/mol）
∆HR2=－37858.2－22.666T-0.11831T2+0.2861136×10-3T3-0.275945×10-6T4+0.1063241×10-9T5（J/mol）
甲醇合成反应是在催化剂上进行的复杂、可逆化学反应，没有催化剂甲醇合成反应几乎不能进行。对不同的催化剂，使用温度范围是不同的。现代甲醇合成催化剂多为低压低温铜锌铝系催化剂，其反应压力为4.0MPa~10MPa，反应温度为210℃~280℃。由上可知，未反应气必须先预热至210℃，反应过程中温度上升大，放热量大，每反应1%CO合成甲醇引起温升约32℃，但是温升不能过高，应控制在280℃以内，超过280℃会使催化剂活性下降很快，副反应增多。
为控制反应温度并保持稳定恒定，在反应过程中，尽量利用反应热产生蒸汽，快速移走反应热，避免过热超温是至关重要的。
工业生产为降低能耗提高单塔产能时，需减少反应气循环量，要求反应终点甲醇含量达到较高。对可逆放热反应，其反应温度必须低于平衡温度。例如反应压力为8.0MPa，要求反应终点甲醇含量达到14%，其平衡温度220℃，反应温度需≤205℃。要实现此目的,一级等温反应器不能完成，要采用两级不同温度反应器，其终端为有一定温差的低温反应器。
工业生产的反应器，还要求稳妥可靠，不因反应过程温度变化，热胀冷缩而损坏。
现有一种在国内外广泛使用的管壳式甲醇反应器，类似如图1的列管式换热器，其包括壳体34，列管35两端分别焊接在两块管板33,37上，催化剂36装在列管35内，列管35外为水汽混合物，未反应气由上而下通过径向催化框32，再轴向通过列管35内的催化剂进行反应，反应热被管外水汽混合物吸收汽化,水蒸气最终通入汽包31进行利用，管内催化剂保持温度稳定。也有另一种型式是在上述列管上面装填一簿层催化剂，催化剂层中没有任何冷却管，未反应气先通过此层进行绝热升温反应，然后分别由上而下进入列管催化剂进行恒温反应。
上述管壳式甲醇反应器的缺点是列管受热时不能自由伸缩，管材须昂贵双相不锈钢。即使如此，每一至二年，管板与壳体焊接处仍易裂损，需停产检修，上部绝热层是初始急剧反应高温区，导致催化剂最先老化失活，催化剂管的中央离管外冷处远，相对温度高，也容易老化失活。
按上述原理，终端采用未反应冷气换热的冷管反应器，因为冷气进口温度低（150℃~190℃），可保证此处反应气≤205℃~210℃，又可预热未反应气。
发明内容
为了克服现有一种在国内外广泛使用管壳式甲醇反应器的缺点，本发明旨在提供一种管壳式反应器及甲醇合成工艺，该反应器可以有效地避免催化剂失活，同时可以有效地降低反应气体流动阻力，进而减少运行能耗。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种管壳式反应器，包括外壳，所述外壳的上封头处设有未反应气进口接管和反应气出口接管；其结构特点是，所述外壳内的上部设有上管板和下管板，该上管板和下管板之间设有径向催化剂床；所述下管板上装有多根催化剂管；所述催化剂管内装有内套管，该内套管的两端均为开口，且内套管的上端固定于上管板上，内套管的下端穿过径向催化剂床并插入所述催化剂管中，所述内套管的下端口与催化剂管底部具有间隙；所述催化剂管的下端封闭且竖向布置在外壳内的中下部，该催化剂管的上端敞开并与所述径向催化剂床连通，该径向催化剂床中心设置有穿过上管板的集气管，该集气管与反应气出口接管连通；所述外壳上设有位于下管板下方的汽水上升管接口和水汽下降管接口。
由此，本发明创造性地设置催化剂管和内套管，未反应气从内套管进入，利用催化剂管内的反应热预热内套管中的未反应气，充分利用了反应热，同时催化剂管外用于通入水汽，使得催化剂的温度又不至于太高，避免了高温失活。
根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：
为了使得在催化剂管内反应的反应气能同时从轴向和径向进入催化剂床中进行进一步反应，进而提高反应效率，所述催化剂床的周向与所述外壳内壁之间设有环形间隙；优选所述催化剂床上部设有连通所述环形间隙的径向气流通道；优选所述集气管设置在催化剂床的顶部中心位置。集气管的位置可以更方便地收集反应完毕的气体。
作为一种具体的结构形式，所述催化剂床包括环管和设置在环管上的径向框；所述环形间隙由环管、径向框与所述外壳内壁之间形成，所述径向气流通道由径向框形成。由此，在催化剂管内反应的反应气一路经过轴向直接进入催化剂床中，另一路经过环形间隙，再从径向气流通道进入催化剂床中，极大地提高了反应效率。
为了方便在催化剂管内反应的反应气能快速进入径向催化剂床中进行进一步的反应，所述下管板与径向催化剂床之间设有通气层；优选所述通气层内设有多个瓷球，所述瓷球上开有至少一个通气孔，更优选所述瓷球开有十字型的通气孔。为了进一步提高气体的通透性，所述瓷球的几何尺寸较催化剂颗粒大；优选所述瓷球的几何尺寸为6mm～7mm，优选所述通气的孔径为1.5mm～2mm。
为了适应催化剂管的热胀冷缩，多根催化剂管悬挂固定在所述下管板上。
优选地，所述多根催化剂管与径向催化剂床内装设的催化剂之比为81%～79%。换句话说，催化剂管内的催化剂占绝大多数，催化剂管的内套管的设计目的是导入未反应气至催化剂底部，以便于未反应气由下而上通过催化剂进行反应，同时未反应气在内管由上而下被预热。
为了充分利用余热，所述外壳的顶部上方设有汽包，该汽包上连接有给水管、蒸汽管、汽水上升管和水汽下降管；所述汽水上升管与汽水上升管接口连通，所述水汽下降管与水汽下降管接口连通；优选所述汽水上升管接口的位置比水汽下降管接口的位置高。
为了方便检修，所述外壳的上封头处设有人孔，和/或所述外壳的底部设有排污管。排污管方便对反应器的内部进行清理。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的管壳式反应器进行甲醇合成的工艺，其包括如下步骤：
S1、130℃～170℃的未反应气经未反应气进口接管进入各内套管内，未反应气由上而下至经过内套管时被内套管外的反应气加热至230℃～238℃；
S2、加热至230℃～238℃的未反应气从内套管的低端出口折向到催化剂管与内套管的环隙中经催化剂进行合成反应；
S3、催化剂管中的反应气自下而上进入径向催化剂床内反应，反应温度为238℃～245℃，反应后气体集于集气管后从反应气出口接管输出；优选催化剂管中的反应气从径向催化剂床的径向和轴向进入径向催化剂床中反应；优选反应气反应时，由水汽下降管接口通入到外壳内中下部的水吸收催化剂管内的反应热汽化为蒸汽，经汽水上升管接口排出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的催化剂管为可自由向下伸缩，安全可靠。
2、本发明的管材无需特别双相不锈钢。
3、本发明的与其它管内装催化剂塔型比，少一块下管板。
4、本发明的悬挂催化剂管悬浮于汽水流体中，其浮力相当于催化剂管容积汽水混合物重量，从而减轻了下管板悬吊负荷。
5、本发明的催化剂装载量多。
6、本发明把反应终点布于催化剂管上方的催化剂床内，而不是在套管内，距离平衡近，反应量少、放热少，需冷却面积小，换热效率高，总换热面积减少，约减少20%。利用通过催化剂床内下降管内未反应冷气就可达到移走终端反应热目的。
7、本发明的中心内套管有双重功能：既将未反应冷气预热至反应温度，又移去了反应热，使催化剂温度保持稳定。
8、催化剂管内两边受热，环隙中催化剂同平面及轴向温度差小，催化剂使用寿命长。
附图说明
图1是现有一种列管式反应器的结构原理图；
图2是本发明一个实施例的结构原理图；
图3是本发明一种实施例更换催化剂的原理图；
图4是本发明所述的上管板的原理图；
图5是图4中某一截面的纵剖面图；
图6是本发明所述瓷球的结构示意图。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
一种悬挂催化剂管式甲醇塔，为单塔，分为两个反应段，前段为环管轴向水冷催化反应段；终端段为径向气冷催化反应段，前段在下，终端段在上。
具体而言，如图2所示，本发明的管式甲醇塔包括受压外壳13、外壳上封头有两根对称的未反应气进口接管3，反应气出口接管4，人孔16下封头有排污口接管14，外壳筒体上部有数根连接汽包2的汽水上升管17，筒体下部有两根连接汽包2的水汽下降管15，筒体内上部有组合式上管板6、下管板8，所述组合式上管板6的厚度小于下管板8的厚度。数百根催化剂管12上端焊于下管板8上，中心有内套管11，其上端焊于上管板6上，上管板6和下管板8间为径向催化剂床7。所述径向催化剂床7中心设置有穿过上管板6的集气管5，该集气管5与反应气出口接管4连通。所述外壳13的顶部上方设有汽包2，该汽包2上连接有给水管18、蒸汽管1、汽水上升管17和水汽下降管15；所述汽水上升管17与汽水上升管17接口连通，所述水汽下降管15与水汽下降管15接口连通。优选所述汽水上升管17接口的位置比水汽下降管15接口的位置高。所述外壳13的上封头处设有人孔16，和/或所述外壳13的底部设有排污管14。
本发明悬挂催化剂管式甲醇塔，反应压力5.0MPa～10MPa，反应热副产蒸汽，其压力2.5MPa～4.0MPa。
如附图4和5所示，组合式上管板6主要由六块扇形板29、两块半圆板30拼成一圆板，板缝线上设置柔性石墨密封条21，其上有金属材料压条19，有多个镙钉20将压条与扇形管板、半圆板压紧，使板上下两种气体不相串。本设置便于装载催化剂和检查下管板上焊缝。
径向催化剂床的底部装一薄层瓷球9。如图6所示，瓷球9的几何尺寸大于催化剂颗粒，约为6～7mm，其中心有十字1.5～2㎜通气孔91，以利于气体分布均匀。
催化剂装载于内外套管环隙和径向催化剂床中，内套管没有催化剂。外套管环隙催化剂和径向催化剂床催化剂之比为79%～81%。
催化剂管及内套管为悬挂式，解决了热胀冷缩导致开裂的影响。
本发明悬挂催化剂管式甲醇塔，装载催化剂时，从人孔进入，拆开组合式上管板，将催化剂均匀装于环管中，和上部径向筐中。装载完毕后，将组合式上管板盖好，装好密封条，拧紧镙钉，并进行气密试验，确定密封完好。
参考附图3，本发明悬挂催化剂管式甲醇塔，更换催化剂时，采用大功率、高真空泵23抽吸，其卸载系统，由数根连接软管24、27、28、空气导管25、分离罐26组成。
本发明的甲醇合成工艺流程如下：
150℃左右未反应气经接口3进入塔体上封头簿管板上各内套管11中，由上而下至下端出口，被管外反应气加热至230℃～238℃，折向到内外管环隙，由下而上经催化剂，进行合成反应，反应温度稳定于240℃，至催化剂管上端到径向催化剂床6底部瓷球层9，穿过瓷球中的小孔和瓷球间隙分别由径向和轴向经催化剂继续反应至终点，温度达238℃～245℃，反应后气体集于集气管（5）由塔顶输出甲醇塔。
催化剂管内12的反应热被管外水吸收变成2.5MPa～3.9MPa蒸汽，同时反应热被内管11未反应气吸收升温。经接近反应终点的气体在径向催化剂床7内反应至终点，放出反热较少，被刚进入内管11的未反应冷气冷却。
由汽包2下降的水汽混合物经下降管15从下部进入筒体内。吸收催化剂管内的反应热，汽化为蒸汽，经汽水上升管17由下而上到汽包2，汽水混合物经分离器分离水后，引出并入蒸汽管网。
本发明悬挂催化剂管式甲醇塔的特征径向催化剂床的外周环隙筒体，80%（轴向下部）封闭，20%（轴向上部）开孔，形成径向气流通道。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (32)
1.一种管壳式反应器，包括外壳（13），所述外壳（13）的上封头处设有未反应气进口接管（3）和反应气出口接管（4）；其特征在于，所述外壳（13）内的上部设有上管板（6）和下管板（8），该上管板（6）和下管板（8）之间设有径向催化剂床（7）；所述下管板（8）上装有多根催化剂管（12）；所述径向催化剂床（7）的周向与所述外壳（13）内壁之间设有环形间隙；所述径向催化剂床（7）上部设有连通所述环形间隙的径向气流通道；
所述催化剂管（12）内装有内套管（11），该内套管（11）的两端均为开口，且内套管（11）的上端固定于上管板（6）上，内套管（11）的下端穿过径向催化剂床（7）并插入所述催化剂管（12）中，所述内套管（11）的下端口与催化剂管（12）底部具有间隙；所述催化剂管（12）的下端封闭且竖向布置在外壳（13）内的中下部，该催化剂管（12）的上端敞开并与所述径向催化剂床（7）连通，该径向催化剂床（7）中心设置有穿过上管板（6）的集气管（5），该集气管（5）与反应气出口接管（4）连通；
所述外壳（13）上设有位于下管板（8）下方的汽水上升管（17）接口和水汽下降管（15）接口。
2.根据权利要求1所述的管壳式反应器，其特征在于，所述集气管（5）设置在径向催化剂床（7）的顶部中心位置。
3.根据权利要求1所述的管壳式反应器，其特征在于，所述径向催化剂床（7）包括环管和设置在环管上的径向框；所述环形间隙由环管、径向框与所述外壳（13）内壁之间形成，所述径向气流通道由径向框形成。
4.根据权利要求1所述的管壳式反应器，其特征在于，所述下管板（8）与径向催化剂床（7）之间设有通气层。
5.根据权利要求4所述的管壳式反应器，其特征在于，所述通气层内设有多个瓷球（9），所述瓷球（9）上开有至少一个通气孔（91）。
6.根据权利要求5所述的管壳式反应器，其特征在于，所述瓷球（9）开有十字型的通气孔（91）。
7.根据权利要求5所述的管壳式反应器，其特征在于，所述瓷球的几何尺寸较催化剂颗粒大。
8.根据权利要求7所述的管壳式反应器，其特征在于，所述瓷球的几何尺寸为6mm~7mm。
9.根据权利要求5所述的管壳式反应器，其特征在于，所述通气孔（91）的孔径为1.5mm~2mm。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的管壳式反应器，其特征在于，多根催化剂管（12）悬挂固定在所述下管板（8）上。
11.根据权利要求1所述的管壳式反应器，其特征在于，所述多根催化剂管与径向催化剂床（7）内装设的催化剂之比为81%~79%。
12.根据权利要求1所述的管壳式反应器，其特征在于，所述外壳（13）的顶部上方设有汽包（2），该汽包（2）上连接有给水管（18）、蒸汽管（1）、汽水上升管（17）和水汽下降管（15）；所述汽水上升管（17）与汽水上升管（17）接口连通，所述水汽下降管（15）与水汽下降管（15）接口连通。
13.根据权利要求12所述的管壳式反应器，其特征在于，所述汽水上升管（17）接口的位置比水汽下降管（15）接口的位置高。
14.根据权利要求1所述的管壳式反应器，其特征在于，所述外壳（13）的上封头处设有人孔（16），和/或所述外壳（13）的底部设有排污管（14）。
15.一种利用管壳式反应器进行甲醇合成的工艺，其特征在于，所述管壳式反应器，包括外壳（13），所述外壳（13）的上封头处设有未反应气进口接管（3）和反应气出口接管（4）；其特征在于，所述外壳（13）内的上部设有上管板（6）和下管板（8），该上管板（6）和下管板（8）之间设有径向催化剂床（7）；所述下管板（8）上装有多根催化剂管（12）；
所述催化剂管（12）内装有内套管（11），该内套管（11）的两端均为开口，且内套管（11）的上端固定于上管板（6）上，内套管（11）的下端穿过径向催化剂床（7）并插入所述催化剂管（12）中，所述内套管（11）的下端口与催化剂管（12）底部具有间隙；所述催化剂管（12）的下端封闭且竖向布置在外壳（13）内的中下部，该催化剂管（12）的上端敞开并与所述径向催化剂床（7）连通，该径向催化剂床（7）中心设置有穿过上管板（6）的集气管（5），该集气管（5）与反应气出口接管（4）连通；
所述外壳（13）上设有位于下管板（8）下方的汽水上升管（17）接口和水汽下降管（15）接口；
所述甲醇合成的工艺包括如下步骤：
S1、130℃~170℃的未反应气经未反应气进口接管（3）进入各内套管（11）内，未反应气由上而下至经过内套管（11）时被内套管（11）外的反应气加热至230℃~238℃；
S2、加热至230℃~238℃的未反应气从内套管（11）的低端出口折向到催化剂管（12）与内套管（11）的环隙中经催化剂进行合成反应；
S3、催化剂管（12）中的反应气自下而上进入径向催化剂床（7）内反应，反应温度为238℃~245℃，反应后气体集于集气管（5）后从反应气出口接管（4）输出。
16.根据权利要求15所述的工艺，其特征在于，所述径向催化剂床（7）的周向与所述外壳（13）内壁之间设有环形间隙。
17.根据权利要求16所述的工艺，其特征在于，所述径向催化剂床（7）上部设有连通所述环形间隙的径向气流通道。
18.根据权利要求16所述的工艺，其特征在于，所述集气管（5）设置在径向催化剂床（7）的顶部中心位置。
19.根据权利要求17所述的工艺，其特征在于，所述径向催化剂床（7）包括环管和设置在环管上的径向框；所述环形间隙由环管、径向框与所述外壳（13）内壁之间形成，所述径向气流通道由径向框形成。
20.根据权利要求15所述的工艺，其特征在于，所述下管板（8）与径向催化剂床（7）之间设有通气层。
21.根据权利要求20所述的工艺，其特征在于，所述通气层内设有多个瓷球（9），所述瓷球（9）上开有至少一个通气孔（91）。
22.根据权利要求21所述的工艺，其特征在于，所述瓷球（9）开有十字型的通气孔（91）。
23.根据权利要求21所述的工艺，其特征在于，所述瓷球的几何尺寸较催化剂颗粒大。
24.根据权利要求23所述的工艺，其特征在于，所述瓷球的几何尺寸为6mm~7mm。
25.根据权利要求21所述的工艺，其特征在于，所述通气孔（91）的孔径为1.5mm~2mm。
26.根据权利要求15-25中任一项所述的工艺，其特征在于，多根催化剂管（12）悬挂固定在所述下管板（8）上。
27.根据权利要求15所述的工艺，其特征在于，所述多根催化剂管与径向催化剂床（7）内装设的催化剂之比为81%~79%。
28.根据权利要求15所述的工艺，其特征在于，所述外壳（13）的顶部上方设有汽包（2），该汽包（2）上连接有给水管（18）、蒸汽管（1）、汽水上升管（17）和水汽下降管（15）；所述汽水上升管（17）与汽水上升管（17）接口连通，所述水汽下降管（15）与水汽下降管（15）接口连通。
29.根据权利要求28所述的工艺，其特征在于，所述汽水上升管（17）接口的位置比水汽下降管（15）接口的位置高。
30.根据权利要求15所述的工艺，其特征在于，所述外壳（13）的上封头处设有人孔（16），和/或所述外壳（13）的底部设有排污管（14）。
31.根据权利要求15-25中任一项所述的工艺，其特征在于，步骤S3中，催化剂管（12）中的反应气从径向催化剂床（7）的径向和轴向进入径向催化剂床（7）中反应。
32.根据权利要求15-25中任一项所述的工艺，其特征在于，步骤S3中，反应气反应时，由水汽下降管（15）接口通入到外壳（13）内中下部的水吸收催化剂管（12）内的反应热汽化为蒸汽，经汽水上升管（17）接口排出。
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