CN109173936B - 甲醇合成水冷反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种甲醇合成水冷反应器，包括炉体和设置在所述炉体内的催化剂框、合成气收集管；所述催化剂床层中设有多根换热管，所述合成气收集管的侧壁上设有多个连通催化剂床层和合成气收集管的内腔的进气孔，合成气收集管的出口连接所述合成气出口；其特征在于所述换热管包括外管和内管；所述外管的下端口封闭，所述内管从所述外管的上端口插入到所述外管内，所述内管的下端口靠近所述外管的下端口并连通所述外管的内腔，所述内管的上端口连接锅炉水管道，并且所述内管的侧壁上间隔设有多个通孔；所述外管的侧壁与所述内管的侧壁之间具有间隙；所述外管的上端口连接蒸汽收集管。

Description

甲醇合成水冷反应器
技术领域
本发明涉及到化工设备，尤其涉及一种甲醇合成水冷反应器。
背景技术
甲醇合成是可逆的放热反应过程。对于铜基甲醇合成催化剂来说，反应温度需要维持在220℃～280℃之间，温度过低催化剂没有活性，温度过高影响催化剂的寿命和产品品质。为了使甲醇合成反应能够在适宜的温度区间进行，通常在催化剂反应床层内埋设换热管，甲醇合成时放出的反应热通过换热管内锅炉水的气化产生蒸汽移出，这种类型的反应器称之为等温甲醇合成反应器。
基于延长甲醇合成催化剂寿命考虑，催化剂使用初期反应温度一般控制在240℃～260℃之间，使用后期反应温度一般控制在260℃～280℃之间。在装置稳定运行时，通过换热管内锅炉水产生蒸汽移走的反应热是恒定的，但随着催化剂的老化，反应温度会由240℃缓慢上升到280℃，相对应换热管内锅炉水的温度从225℃缓慢升至265℃，锅炉水产生的蒸汽压力从2.7MPAG逐渐升至5.2MPAG。
甲醇合成初末期反应温度的波动会传导到反应床层内用于移热的换热管，进而引起换热管内所产蒸汽温度和压力的波动，尤其随着甲醇合成装置的大型化和多系列化，富产的蒸汽量也越来越多，但等温甲醇合成反应器始终无法解决蒸汽压力的波动及相关设备和管道工程投资增加问题，主要体现如下：
(1)从设计压力考虑，由于换热管内所产蒸汽的压力在2.7MPAG～5.2MPAG之间波动，因此与其相关联的设备及管道均需要考虑较高的设计压力，否则无法满足催化剂后期5.2MPAG的蒸汽压力要求，同时设备及管道壁厚的增加推高了工程投资；
(2)从富产蒸汽考虑，催化剂后期虽然可以富产5.2MPAG的高品质蒸汽，但全厂蒸汽管网平衡却由催化剂初期的2.7MPAG蒸汽决定，在工程设计时只能将5.2MPAG的高品质蒸汽减压降级使用，不但需要增加与减压相关的管道阀件及自控仪表元件，而且还对全厂蒸汽管网造成一定冲击。
简而言之，甲醇合成反应器内的锅炉水系统管道及设备均需要按照苛刻温度和压力来设计，同时催化剂后期所产出的中压蒸汽却在降级使用，从投资和全厂蒸汽管网平衡两方面考虑均不够合理。
公布号为CN102698659 A的中国专利公开了《一种甲醇合成反应器结构》，该甲醇合成反应器在反应床层内埋设换热管，甲醇合成在催化剂床层中进行，放出的反应热通过换热管内锅炉水移走。但存在催化剂后期富产蒸汽压力升高，与其相关联的设备及管道不得不按照后期蒸汽压力及温度进行设计，增加了工程投资；同时工艺系统在进行全厂蒸汽管网平衡设计时，只能按照催化剂初期较低的蒸汽压力及蒸汽品质进行设计，但在催化剂后期又对全厂蒸汽管网造成一定冲击。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种撤热充分、能精确控制催化剂床层温度的甲醇合成水冷反应器。
本发明所要解决的另一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种不需要增加设备壁厚即能够在催化剂整个活性期内维持恒定产率的甲醇合成水冷反应器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该甲醇合成水冷反应器，包括炉体和设置在所述炉体内的催化剂框，所述催化剂框的中部设有合成气收集管；所述炉体的顶部设有原料气入口，所述炉体的底部设有合成气出口；所述催化剂框的侧壁与所述炉体的侧壁之间具有间隙，该间隙形成原料气通道，合成气收集管与催化剂框之间的空间形成催化剂床层，所述催化剂框的侧壁上设有多个连通所述原料气通道和催化剂床层的气孔；所述催化剂床层中设有多根换热管，所述合成气收集管的侧壁上设有多个连通催化剂床层和合成气收集管的内腔的进气孔，合成气收集管的出口连接所述合成气出口；
其特征在于：
所述换热管包括外管和内管；所述外管的下端口封闭，所述内管从所述外管的上端口插入到所述外管内，所述内管的下端口靠近所述外管的下端口并连通所述外管的内腔，所述内管的上端口连接锅炉水管道，并且所述内管的侧壁上间隔设有多个通孔；所述外管的侧壁与所述内管的侧壁之间具有间隙；
所述外管的上端口连接蒸汽收集管。
优选所述通孔位于容置在所述外管内的内管部分的上部位置，通孔的孔径为4～14mm，所述通孔的开孔率相对于内管部分为0.1～0.6％。
进一步地，所述通孔的轴线与所述内管的轴线之间的夹角为30～60°。
通孔的孔径及数量需根据不同负荷工况核算确定，其设置不得造成主通道的短路。
为使换热更充分，优选在所述间隙内设有扰流板；所述扰流板沿所述内管的轴线方向螺旋布置；所述扰流板的两侧壁分别连接所述外管的侧壁和所述内管的外侧壁。
进一步地，各所述换热管分可以为两组，包括由多根第一换热管组成的第一换热管组和由多根第二换热管组成的第二换热管组；对应地，所述锅炉水管道也有两根；
其中第一换热管的内管的上端口连接第一锅炉水管道，所述第一锅炉水管道上设有阀门；第二换热管的内管的上端口连接第二锅炉水管道。
换热管分为两组，克服了现有技术中只采用一组换热管、通过提高蒸汽压力来保证装置运行后期催化剂的活性温度的偏见，将等温甲醇合成反应装置设计成可变温的甲醇合成水冷反应器，两组换热管的设计，能够根据装置运行各阶段催化剂的活性要求改变撤热量，从而满足不同反应阶段催化剂活性温度的要求，维持产率恒定，同时避免了现有技术中反应后期需要升高汽包和换热管内压力来提高反应温度的方法所导致的换热管壁厚增加、汽包壁厚增加以及配套管线及设备需要改变等问题，降低了设备投资，避免了后期控制难的问题。
优选各所述第一换热管的各内管的横截面积之和为各所述第二换热管的各内管的横截面积之和的15～40％；所述第一换热管的各外管的横截面积之和为所述第二换热管的各外管的横截面积之和的15～40％。
较好的，所述第一换热管的内管的口径与所述第二换热管的内管的口径相等，所述第一换热管的外管的口径与所述第二换热管的外管的口径相等。
进一步地，各所述第一换热管可以在所述催化剂床层上均匀布置；
各所述第二换热管布置在各自对应的所述第一换热管的周围；
各所述第一换热管与布置在其周围的各所述第二换热管形成换热管对。
每个换热管对中，各第二换热管可以沿所对应的第一换热管的周围均匀布置，或者沿第一换热管的同心圆周线布置；较好的，每个所述的换热管对中，各所述第二换热管沿矩形的四个边布置，第一换热管位于矩形的中心位置。
进一步地，每个所述的换热管对中包括八个所述的第二换热管，各第二换热管分别布置在矩形的四个顶点和边长的中点位置。
优选相邻的所述换热管对之间共用同一个边长的所述第二换热管。
上述各方案中，为便于锅炉水的均匀分布，优选第一锅炉水管道连接第一进水环管，各所述第一换热管的内管入口均连接第一进水换热；第二锅炉水管道连接第二进水环管，各所述第二换热管的内管的上端口均连通第二进水环管。
为方便检修和催化剂的装卸，尤其是对积结催化剂的处理，所述合成气收集管可以由多段筒体依次可拆卸连接而成，所述筒体的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯。
与现有技术相比，本发明所提供的甲醇合成水冷反应器，将换热管设计为内、外套管结构，并在内管上设置了通孔，以保证冷却水的停留时间和充分撤热；通孔的设计则提高了换热的均衡性，从而精确控制催化剂床层的反应温度，保证反应效果。优选方案能够根据装置运行的不同阶级改变催化剂床层的撤热量，从而满足各阶段催化剂活性温度的要求，维持产率恒定，同时避免了现有技术中反应后期需要升高汽包和换热管内压力来提高反应温度的方法所导致的换热管壁厚增加、汽包壁厚增加以及配套管线及设备需要改变等问题，降低了设备投资，避免了前后期控制难的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的纵向剖视图；
图2为沿图1中A-A线的剖视图；
图3为图2中C部分的局部放大图；
图4为图1中换热管的局部放大图；
图5为图4中内管的局部平展图；
图6为图4中D部分的局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1至图6所示，该甲醇合成水冷反应器包括：
炉体1，为常规结构，包括上封头11、下封头12和连接在上封头11和下封头12之间的筒体13；炉体1的顶部设有原料气入口14，炉体1的底部设有合成气出口。
催化剂框2，设置在筒体13内。催化剂框2可以根据需要选用现有技术中的任意一种，本实施例为径向反应器，催化剂框的侧壁与炉体的侧壁之间具有间隙，该间隙形成原料气通道，催化剂框的侧壁上设有多个原料气进孔(图中未示出)；原料气从原料气入口14进入炉体内，经由原料气通道从各原料气进孔进入催化剂床层，进行甲醇合成反应。
合成气收集管3，设置在催化剂框2的中部位置，由多段筒体31依次可拆卸连接而成，其上端口封闭；本实施例中各筒体31之间通过法兰34连接；筒体31的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯32。合成气收集管的下端口连接合成气出口，合成气出口连接合成气输送管道33；合成气收集管的侧壁上间隔设有多个进气孔；变换后的合成气经由各进气孔进入合成气收集管3内，然后经由合成气输送管道33排出。
合成气收集管3与催化剂框之间的空间装填催化剂后，形成催化剂床层。
换热管4，穿设在催化剂床层内，有两组，包括由多根第一换热管4a组成的第一换热管组和由多根第二换热管4b组成的第二换热管组。为便于区别、查看，图2和图3中第一换热管4a用实心圆表示，第二换热管4b用空心圆表示。
第一换热管和第二换热管的结构相同，均包括外管41和内管42；所述外管41的下端口封闭，所述内管42从所述外管的上端口插入到所述外管41内，所述内管的下端口靠近所述外管的下端口并连通所述外管41的内腔；并且所述内管42的侧壁上间隔设有多个通孔44；所述外管的侧壁与所述内管的侧壁之间具有间隙45。
本实施例中，所述通孔44位于内管的上半部位置，通孔44的孔径为4～14mm，本实施例为8mm；开孔率占内管侧壁面积的0.2％；该内管侧壁面积是指内管容置在外管内的部分的侧壁面积；通孔的轴线与内管轴线之间的夹角α为45°，α可在30～60°内选择；通孔的设置能有效改善冷却水在间隙中的分布，提高换热的均衡性。小孔的孔径及数量需根据不同负荷工况核算确定，其设置不得造成主通道的短路。
所述间隙45内设有扰流板43；所述扰流板43沿所述内管42的轴线方向螺旋布置；所述扰流板43的两侧壁分别连接所述外管的侧壁和所述内管的外侧壁，外套管内的物流沿扰流板43在空气45内上升，与催化剂床层中的反应热换热，在外管的上端口排出蒸汽，蒸汽进入蒸汽收集管58排出。
各第一换热管中的各内管的上端口均连接第一锅炉水分配环管54，第一锅炉水分配环管的入口连接第一锅炉水管道51，第一锅炉水管道51上设有阀门56；各第二换热管中的各内管的上端口均连接第二锅炉水分配环管55，第二锅炉水分配环管的入口连接第二锅炉水管道51。
本实施例在第一锅炉水管道51和第二锅炉水管道52上均设有膨胀节51a、52a，用于吸收锅炉水管道上的热膨胀应力。
两根锅炉水管道和蒸汽管道59均连接汽包(图中未示出)。
本实施例中第一换热管4a和第二换热管4b的结构和规格均相同；各所述第一换热管4a的内管的横截面积之和为各所述第二换热管4b的内管的横截面积之和的33％。
各所述第一换热管4a在所述催化剂床层上均匀布置；各所述第二换热管4b布置在各所述第一换热管4a的周围；各所述第一换热管4a与布置在其周围的各所述第二换热管4b形成换热管对。
每个所述的换热管对中，各所述第二换热管沿矩形的四个边布置，第一换热管位于矩形的中心位置。
每个所述的换热管对中包括八个所述的第二换热管，各第二换热管分别布置在矩形的四个顶点和边长的中点位置。
相邻的所述换热管对之间共用同一个边长的所述第二换热管。
装置运行初期，催化剂活性高，控制两组换热管同时工作，撤走的反应热量多，催化剂床层维持在设定的温度下进行甲醇合成反应，产率恒定在设定值；装置运行后期，由于催化剂活性降低，所需的催化剂活性温度升高；维持汽包及其内锅炉水、蒸汽压力等参数不变，调节第一锅炉水管道的进水流量直至关闭第一换热管，减少催化剂床层的撤热量，此时催化剂床层温度上升至催化剂的活性温度，甲醇合成反应正常进行，产率仍旧维持在设计值，并且出汽包的蒸汽压力不变，不需要改变配套管线和设备的参数。
由于第一换热管和第二换热管的特殊布置，因此，即使关闭第一换热管，第二换热管仍旧能从催化剂床层均匀撤热。

Claims (7)

1.一种甲醇合成水冷反应器，包括炉体(1)和设置在所述炉体(1)内的催化剂框(2)，所述催化剂框的中部设有合成气收集管(3)；所述炉体(1)的顶部设有原料气入口(14)，所述炉体(1)的底部设有合成气出口；所述催化剂框的侧壁与所述炉体的侧壁之间具有间隙，该间隙形成原料气通道，合成气收集管(3)与催化剂框之间的空间形成催化剂床层，所述催化剂框的侧壁上设有多个连通所述原料气通道和催化剂床层的气孔；所述催化剂床层中设有多根换热管(4)，所述合成气收集管(3)的侧壁上设有多个连通催化剂床层和合成气收集管的内腔的进气孔，合成气收集管的出口连接所述合成气出口；
其特征在于：
所述换热管(4)包括外管(41)和内管(42)；所述外管(41)的下端口封闭，所述内管(42)从所述外管的上端口插入到所述外管(41)内，所述内管的下端口靠近所述外管的下端口并连通所述外管(41)的内腔，所述内管的上端口连接锅炉水管道，并且所述内管(42)的侧壁上间隔设有多个通孔(44)；所述外管的侧壁与所述内管的侧壁之间具有间隙(45)；
所述外管的上端口连接蒸汽收集管(58)；
各所述换热管(4)分为两组，包括由多根第一换热管组成的第一换热管组和由多根第二换热管组成的第二换热管组；对应地，所述锅炉水管道也有两根；
其中第一换热管的内管(42)的上端口连接第一锅炉水管道(51)，所述第一锅炉水管道(51)上设有阀门(56)；第二换热管的内管的上端口连接第二锅炉水管道(52)；
各所述第一换热管的各内管的横截面积之和为各所述第二换热管的各内管的横截面积之和的15~40%；所述第一换热管的各外管的横截面积之和为所述第二换热管的各外管的横截面积之和的15~40%；
所述通孔(44)位于容置在所述外管内的内管部分的上部位置，通孔(44)的孔径为4~14mm，所述通孔的开孔率相对于内管部分为0.1~0.6%。
2.根据权利要求1所述的甲醇合成水冷反应器，其特征在于所述通孔(44)的轴线与所述内管的轴线之间的夹角为30~60°。
3.根据权利要求1所述的甲醇合成水冷反应器，其特征在于所述间隙(45)内设有扰流板(43)；所述扰流板(43)沿所述内管(42)的轴线方向螺旋布置；所述扰流板(43)的两侧壁分别连接所述外管的侧壁和所述内管的外侧壁。
4.根据权利要求1所述的甲醇合成水冷反应器，其特征在于所述第一换热管的内管的口径与所述第二换热管的内管的口径相等，所述第一换热管的外管的口径与所述第二换热管的外管的口径相等。
5.根据权利要求4所述的甲醇合成水冷反应器，其特征在于各所述第一换热管在所述催化剂床层上均匀布置；
各所述第二换热管布置在各所述第一换热管的周围；
各所述第一换热管与布置在其周围的各所述第二换热管形成换热管对。
6.根据权利要求5所述的甲醇合成水冷反应器，其特征在于每个所述的换热管对中，各所述第二换热管沿矩形的四个边布置，第一换热管位于矩形的中心位置。
7.根据权利要求6所述的甲醇合成水冷反应器，其特征在于每个所述的换热管对中包括八个所述的第二换热管，各第二换热管分别布置在矩形的四个顶点和边长的中点位置；相邻的所述换热管对之间共用同一个边长上的第二换热管。
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