CN109225075B - 一种可变温等温甲醇合成反应器 - Google Patents

一种可变温等温甲醇合成反应器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及到一种可变温等温甲醇合成反应器，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原料气分配管，换热管设置在所述催化剂框内，换热管的进口连接进水管道，换热管的出口连接蒸汽管道；其特征在于所述换热管至少有两组，所述进水管道和所述出水管道的数量与所述换热管的组数相匹配；各组换热管的入口分别连接各自对应的进水管道，各组换热管的出口分别连接的蒸汽管道；并且，各进水管道上均设有阀门。

Description

一种可变温等温甲醇合成反应器
技术领域
本发明涉及到化工设备，尤其涉及一种可变温等温甲醇合成反应器。
背景技术
甲醇是重要的化工基础原料和清洁液体燃料，广泛应用于有机合成、染料、农药、医药等工业中。甲醇合成是可逆放热反应，反应温度决定着反应体系的平衡和反应速率。反应温度升高，反应速率增大，但反应的平衡常数减少。对于特定催化剂和操作环境，都有最佳甲醇合成反应温度区间。实现最佳反应温度的方法，工业上常采用连续换热、多段冷激式、水移热式等方法，使催化剂床层的温度尽可能沿最佳温度分布。
为了防止甲醇反应催化剂迅速老化，在催化剂使用初期，反应温度宜维持较低的数值，随着使用时间的增加，逐步提高反应温度。例如铜基催化剂使用前期，床层温度一般控制在240～260℃；后期，床层温度一般控制在260～280℃。
为了控制甲醇合成反应能在设计温度下稳定进行，对于水移式反应器，通常采用在反应器内设置换热管，通过向换热管内通冷却水移走甲醇合成反应产生的热量，通过控制水所产中压蒸汽压力来控制反应温度。在催化剂使用中后期，催化剂活性有所降低，导致催化剂的活性温度升高，由初期的240℃左右升高至280℃左右，相对应换热管内蒸汽的温度从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CN102698659A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可变温等温甲醇合成反应器，在满足甲醇合成反应催化剂初末期反应温度区间的同时，能够较好的解决锅炉水气化温度和压力波动问题，进而可以实现工程投资的降低和全厂蒸汽管网系统的优化之目标，满足甲醇合成装置的大型化和节能化发展要求。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该可变温等温甲醇合成反应器，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原料气分配管，所述原料气分配管连接所述炉体上的原料气入口；所述原料气分配管的出口有多个，间隔布置在原料气分配管的侧壁上；所述催化剂框的侧壁上设有供合成气通过的出气孔，所述出气孔连通炉体上的合成气出口；换热管设置在所述催化剂框与原料气分配管之间，换热管的进口连接进水管道，换热管的出口连接蒸汽管道；
其特征在于所述换热管至少有两组，所述进水管道和所述出水管道的数量与所述换热管的组数相匹配；各组换热管的入口分别连接各自对应的进水管道，各组换热管的出口连接蒸汽管道；至少一根进水管道上设有阀门。
换热管的组数可以根据催化剂衰减的比较明显的几个点来设置。较好的，所述换热管有两组，其中第一组换热管由多根第一换热管组成，第二组换热管由多根第二换热管组成；
各所述第二换热管的横截面积之和为各所述第一换热管的横截面积之和的15～40％。
较好的，所述进水管道有两组，分别为第一进水管和第二进水管，所述第一进水管出口连通第一管箱，第一管箱连接各第一换热管入口；所述第二进水管出口连通第二管箱，第二管箱连接各第二换热管入口。
优选所述第一换热管沿所述炉体的径向方向呈放射状布置；所述第二换热管沿所述炉体的径向方向呈放射状布置。
进一步地，所述第二换热管与第一换热管不在同一放射线上，并且各所述第二换热管所在的放射线位置与对应位置上的各所述第一换热管所在的放射线依次交错布置。以使在第二换热管关闭后，各第一换热管仍能对催化剂床层进行均匀撤热。
作为进一步优化，所述第二换热管在所述炉体的径向方向上分两个区域布置，其中第一区域靠近所述原料气分配管，第二区域靠近所述催化剂框的外周缘。
或者，各所述第二换热管可以与各所述第一换热管一一对应设置。
优选各所述第二换热管螺旋盘绕在各自对应的所述第一换热管上。
作为上述各方案的进一步优化，各所述换热管在周向方向上在以所述催化剂框的轴线为中心的多个同心圆周线上均匀布置。
进一步地，同一周线上相邻换热管之间的间距m可以控制在30～150mm，同一放射线上相邻换热管之间的间距n控制在30～150mm；
并且，m-n的绝对值为0～50mm。
上述各方案中，所述原料气分配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。以方便检修维护。
上述各方案中，各换热管组共用一个蒸汽管道；为避免蒸汽憋在停工的换热管内，所述蒸汽管道可以包括连接所述汽包的蒸汽连接管和蒸汽收集管，所述蒸汽收集管的出口连接所述蒸汽连接管；各所述第一换热管的出口和所述第二换热管的出口连通所述蒸汽收集管上各入口。
优选在所述蒸汽连接管上设有膨胀节。
与现有技术相比，本发明所提供的可变温等温甲醇合成反应器，克服现有技术的缺陷，将等温甲醇合成反应器设计成可变温的等温甲醇合成反应器，通过多组换热管的设计，能够根据反应各阶段催化剂的活性要求改变撤热量，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1的纵向剖视图；
图2为本发明实施例1的横向剖视图；
图3为图2中A部分的局部放大图；
图4为图2中B部分的局部放大图；
图5为本发明实施例2的横向剖视图；
图6为图5中C部分的局部放大图；
图7为本发明实施例2中第一换热管和第二换热管的缠绕结构示意图；
图8为本发明实施例2中第一换热管和第二换热管之间的连接结构示意图。
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。
实施例1
如图1至图4所示，该可变温等温甲醇合成反应器包括：
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。
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，原料气从原料气分配管3进入催化剂框2的催化剂框内；催化剂框的侧壁上设有多个合成气出气孔；原料气经甲醇合成催化反应后，从催化剂框上的各合成气出气孔排出，进入到催化剂框和炉体之间的通道中，经由该通道进入合成气出口，最后经由连接合成气出口的合成气管道33送出炉体1。
原料气分配管3，用于分配原料气，设置在催化剂框2空腔内的中部位置，由多段筒体31依次可拆卸连接而成，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。端盖可拆卸连接在原料气分配管3的下端口上，原料气分配管3的上端口连接炉体顶部的原料气进口，原料气进口连接原料气管道35；原料气分配管3的下端口封闭；原料气分配管3的侧壁上间隔设有多个出气孔，进入原料气分配管3内的原料气经由各出气孔进入到催化剂床层。
原料气分配管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，穿设在催化剂床层内，有两组，包括第一组换热管和第二组换热管，其中第一组换热管由多根第一换热管41组成，第二组换热管由多根第二换热管42组成。为便于区别、查看，图2至图4中第一换热管41用空心圆表示，第二换热管42有实心圆表示。
本实施例中的各第一换热管41和各第二换热管42穿过催化剂床的部分均各自沿催化剂框2的径向方向呈放射状布置，第二换热管42与第一换热管41不在同一放射线上，并且各第二换热管42所在的放射线位置与对应位置上的各所述第一换热管41所在的放射线依次交错布置。
考虑到反应后期撤热的均匀性，本实施例中在整个催化剂床层内由内而外均设有第一换热管41；而第二换热管42在催化剂框的径向方向上分两个区域布置，其中第一区域靠近原料气分配管3，第二区域靠近催化剂框的外周缘。
本实施例中，各换热管的布置原则为：周向方向上，相邻第一换热管41之间的周向间距控制在30～150mm之间；加入第二换热管42后，相邻换热管之间的间距m控制在30～100mm之间。同一径线方向上，相邻换热管之间的间距控制n在30～150mm，并且m-n的绝对值控制在0～50mm之间。
各换热管之间的间距还可以根据管径以及催化剂的动力学方程，选用其它尺寸，m优选30～100mm，n优选30～50mm。
并且，各第二换热管42的内腔的换热面积之和为各第一换热管41的横截面积之和的25％。该比例可以根据所使用催化剂的动力学方程计算，控制在15～40％。
这样，在第二换热管42停用后，各第一换热管仍旧能够将催化剂床层中的热量均匀撤走。并且，在第二换热管42启用时，由于各第二换热管42大部分是靠近催化剂框的边缘设置，且设置在相邻的第一换热管的放射线之间，因此在催化剂活性较高的装置运行前期，第二换热管的布置填补了外周围相邻放射线上的第一换热管之间间距较大的问题，使得催化剂活性较高状态下能够均匀撤热。
各换热管呈放射状布置，还方便了催化剂卸料。检修时，对积结的催化剂块，工具可以从相邻放射线之间间隙中插入，以方便敲碎催化剂块；同时也方便了催化剂的装填，装填催化剂时，仅需简单地将催化剂从上方倒入催化剂框内，催化剂颗粒即会沿各换热管之间的间隙下落，并且因为这些间隙自上至下是畅通无阻碍的，因此催化剂下落过程中不会被阻挡，能够均匀地布满整个催化剂框的内腔。
进水管道，用于连通汽包(图中未示出)和各换热管，进水管道分别连接第一进水管51和第二进水管52。所述第一进水管51出口连通第一管箱55，第一管箱55连接各第一换热管41入口；所述第二进水管52出口连通第二管箱54，第二管箱54连接各第二换热管42入口。所述第二进水管52上设有阀门56。
第一管箱55和第二管箱54可以为环管结构，如本实施例图1中所示出；两个管箱还可以是上、下叠合布置的箱体结构，两个管箱还可以是管板形式。
蒸汽管道包括连接所述汽包的蒸汽连接管59和蒸汽收集管58，所述蒸汽收集管58的出口连接所述蒸汽连接管59；各所述第一换热管的出口和所述第二换热管的出口连通所述蒸汽收集管58上各的入口。蒸汽收集管58可以是环管结构，也可以是箱体结构，或其它结构。
膨胀节59a，设置在蒸汽连接管59上，用于吸收热应力。
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，调节第二进水管的进水流量直至关闭第二换热管，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。
实施例2
如图5至图8所示，本实施例中，第一换热管41和第二换热管42一一对应布置。本实施例中将第二换热管42螺旋缠绕在第一换热管41上，如图8所示，两者之间通过管卡43连接在一起。
各第一换热管41和对应的第二换热管42也可以直立设置，相对应的两根第一换热管和第二换热管之间通过连接件定位；或者，还可以是第一换热管螺旋缠绕在第二换热管上；或者，也可以是对应的两根第一换热管和第二换热管螺旋缠绕在一起。
第二换热管42的内径为第一换热管41的内径的二分之一至五分之一；缠绕后的第一换热管和第二换热管形成一对换热管，各对换热管沿催化剂框的同心圆周向方向布置，并且相邻圆周线之间的间隔相同，同一周线上相邻换热管对之间的间距相同，以达到均匀取热的目的，避免局部飞温现象的发生。
如果有三组换热管，甚至更多组换热管，各组换热管中相对应的三根换热管或更多根换热管也可按上述方式布置；各换热管的管径与各阶段催化剂的活性温度相匹配。
其余内容与实施例1相同。

Claims (7)

1.一种可变温等温甲醇合成反应器，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(2)的中部设有原料气分配管(3)，所述原料气分配管(3)连接所述炉体上的原料气入口(35)；所述原料气分配管(3)的出口有多个，间隔布置在原料气分配管(3)的侧壁上；所述催化剂框(2)的侧壁上设有供合成气通过的出气孔，所述出气孔连通炉体上的合成气出口；换热管设置在所述催化剂框(2)与原料气分配管(3)之间，换热管的进口连接进水管道，换热管的出口连接蒸汽管道；
其特征在于所述换热管至少有两组，所述进水管道和所述出水管道的数量与所述换热管的组数相匹配；各组换热管的入口分别连接各自对应的进水管道，各组换热管的出口连接蒸汽管道；至少一根进水管道上设有阀门；
所述换热管有两组，其中第一组换热管由多根第一换热管(41)组成，第二组换热管由多根第二换热管(42)组成；
所述第一换热管(41)沿所述炉体(1)的径向方向呈放射状布置；所述第二换热管(42)沿所述炉体(1)的径向方向呈放射状布置；
所述第二换热管(42)与第一换热管(41)不在同一放射线上，并且各所述第二换热管(42)所在的放射线位置与对应位置上的各所述第一换热管(41)所在的放射线依次交错布置。
2.根据权利要求1所述的可变温等温甲醇合成反应器，其特征在于各所述第二换热管(42)的横截面积之和为各所述第一换热管(41)的横截面积之和的15~40%。
3.根据权利要求2所述的可变温等温甲醇合成反应器，其特征在于所述进水管道有两组，分别为第一进水管(51)和第二进水管(52)，所述第一进水管(51)出口连通第一管箱(55)，第一管箱(55)连接各第一换热管(41)入口；所述第二进水管(52)出口连通第二管箱(54)，第二管箱(54)连接各第二换热管(42)入口。
4.根据权利要求1所述的可变温等温甲醇合成反应器，其特征在于所述第二换热管(42)在所述炉体的径向方向上分两个区域布置，其中第一区域靠近所述原料气分配管(3)，第二区域靠近所述催化剂框的外周缘。
5.根据权利要求1所述的可变温等温甲醇合成反应器，其特征在于各所述第二换热管(42)与各所述第一换热管(41)一一对应设置。
6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的可变温等温甲醇合成反应器，其特征在于各所述换热管在周向方向上在以所述催化剂框的轴线为中心的多个同心圆周线上均匀布置。
7.根据权利要求6所述的可变温等温甲醇合成反应器，其特征在于同一周线上相邻换热管之间的间距m控制在30~150mm，同一放射线上相邻换热管之间的间距n控制在30~150mm；
并且，m-n的绝对值为0~50mm。
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