CN110327847A - 径向流动换热式固定床催化反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明的径向流动换热式固定床催化反应器采用换热管管间装填催化剂、换热管管内通换热介质的结构形式，将反应器的换热系统与径向流动的中心管合二为一，采用径向设置的中心管并将中心管分别通过换热分布装置和换热汇集装置与若干换热管相相连：若干根换热管的上端成一定角度弯曲后汇集于中心管的上端形成换热汇集装置，下端成一定角度弯曲后汇集于中心管的下端形成换热分布装置；在反应器筒体内设置外有开孔板的催化剂筒以在换热管之间填充催化剂，本发明能使径向流动换热式固定床催化反应器的结构更合理，催化剂的装填和卸出更方便，反应热的移走效果更好，更有利于石油化工及煤化工领域的大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及石油化工及煤化工领域的大型反应装备，具体地说，是一种结构简单、采用管间装填催化剂、管内通换热介质的径向流动换热式固定床催化反应器。
背景技术
在甲醇合成、氨合成、一氧化碳变换、有机化合物加氢、二甲醚合成、环氧乙烷合成、合成气制甲烷、乙二醇合成等反应过程中，都伴随着热量的变化，同时反应器进出口都是气体反应物和产物，都要使用固体颗粒催化剂作为反应器的床层，同时还需要换热介质随时移走反应热。就此，目前的工业化生产一般多采用轴向流动气固相固定床催化反应器。所述轴向流动气固相固定床催化反应器采用的是管内装催化剂管间走换热介质，其直径比较大。随着甲醇合成、氨合成、一氧化碳变换、有机化合物加氢、二甲醚合成、环氧乙烷合成、合成气制甲烷、乙二醇合成等可逆放热反应工业化规模的不断扩大，所述轴向流动气固相固定床催化反应器因直径过大、运输不便，已经无法满足石油化工及煤化工领域大型化生产的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种径向流动换热式固定床催化反应器，它采用管间装填催化剂、管内通换热介质的结构形式，具有直径较小、结构简单的优势，能为伴有热量转移的石油化工及煤化工大型化生产提供可靠的生产设备。
在石油化工及煤化工大型反应装备技术领域，一般意义上的径向流动换热式固定床催化反应器，其换热管需要在反应器的两端设置分布及汇集换热介质的换热分布装置和换热汇集装置，不管采用什么型号的径向流动反应器，这种换热分布装置和换热汇集装置都是必备的。但是，随着产能的扩大，所述换热分布装置和换热汇集装置会成为径向流动反应器的技术瓶颈，它们不仅制造难度大，热应力难于消除，而且会使换热管管间催化剂的装填和卸出比较麻烦。对此，本发明的创意是：采用换热管管间装填催化剂、换热管管内通换热介质的结构形式；将反应器的换热系统与径向流动的中心管合二为一，采用中心管分别连接换热分布装置和换热汇集装置；再将换热分布装置和换热汇集装置与换热管相连：在换热汇集装置的下方设置径向的中心管，在换热分布装置的上方设置气体出口；催化剂由位于反应器上封头的人孔(催化剂装料口)进行装填，由位于反应器下封头的催化剂卸料口卸出；反应气体由位于上封头上的气体进口进入，通过分流流道边下行边径向穿过催化剂筒汇合于中心管，再下行通过中心管下方的气体流出口，最后由位于下封头上的气体出口流出反应器；换热介质则由位于下封头上的换热介质入口进入反应器，通过位于气体流出口下方的换热分布装置分流到各个换热管与反应气体进行热交换，然后在催化剂筒上方的换热汇集装置集中后由反应器顶部的换热介质出口流出反应器。从而使径向流动换热式固定床催化反应器的结构更合理，反应热的移走更有效，更有利于大规模生产。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种径向流动换热式固定床催化反应器，含有反应器上封头、反应器下封头和反应器外筒，在所述反应器上封头上设有换热介质出口、气体进口和人孔，在所述反应器下封头上设有催化剂卸料口、换热介质进口和气体出口，其特征在于：采用了在换热管管间装填催化剂、在换热管管内通换热介质的结构形式；在反应器上封头与反应器下封头之间的反应器筒体内设置上支撑板、下支撑板以及中心管、换热管和催化剂筒，所述中心管、换热管和催化剂筒通过所述上支撑板、下支撑板固定设置在反应器筒体内：所述中心管设置在反应器筒体的中心，在所述中心管与所述反应器外筒之间的筒体内设置若干根换热管，所述若干根换热管的上端成一定角度弯曲后汇集于所述中心管的上端，形成换热汇集装置；所述若干根换热管的下端成一定角度弯曲后汇集于所述中心管的下端，形成换热分布装置；在所述若干根换热管与所述反应器外筒之间的反应器筒体内设置所述催化剂筒，在所述催化剂筒内的换热管之间能填充催化剂；在所述中心管下方设有气体流出口，所述气体流出口的直径与所述中心管的直径一致，能保证气体顺利地流出。
进一步，将反应器的换热系统与径向流动的中心管合二为一，用中心管分别连接换热分布装置和换热汇集装置；再将换热分布装置和换热汇集装置与换热管相连：在换热汇集装置的下方设置径向的中心管，在换热分布装置的上方设置气体流出口，这样的设计大大简化了径向流动反应器换热介质分布与汇合系统和反应器进出口布置的矛盾，使得反应器制造大为简化，操作更为流畅。
进一步，所述中心管的上端通过换热汇集装置与反应器上封头上的换热介质出口连接，所述中心管的下端通过气体流出口和换热分布装置与反应器下封头上的换热介质入口连接。
可选的，所述中心管采用直径为600mm～800mm的专用管材。
进一步，所述若干根换热管之间通过管束进行固定，能确保换热管在反应时不会晃动。
可选的，所述换热管采用直径为25mm～38mm的专用管材。
进一步，在所述催化剂筒的外侧设有有规则排孔的开孔板，所述开孔板能确保反应气体的进入但里面的催化剂不会泄漏。
本发明径向流动换热式固定床催化反应器的积极效果是：
(1)采用了管间装填催化剂、管内通换热介质结构形式的径向流动换热式固定床催化反应器，并在专门设置的催化剂筒内的换热管之间填充催化剂，避免了在换热分布装置和换热汇集装置内填充催化剂，从而避免了催化剂装填和卸出麻烦的不足。
(2)由于采用径向流动方式，克服了大型化轴向反应器(反应管内装填催化剂)直径过大，无法运输的弊端。
(3)本发明采用的“换热分布装置”和“换热汇集装置”，结构更合理，反应热的移走更有效，更有利于大规模生产，同时克服了径向流动换热式固定床催化反应器固有的换热介质分布与汇合装置与反应器进出口布置的矛盾，使得整个径向反应器结构简单，易于制造，操作流畅。
附图说明
图1为本发明径向流动换热式固定床催化反应器的结构示意图。
图2为换热管与管束的结构示意图。
图中的标号分别为：
1、换热介质出口； 2、气体进口；
3、进口气体分流流道； 4、催化剂筒；
5、开孔板； 6、换热管；
7、催化剂； 8、反应器外筒；
9、下支撑板； 10、催化剂卸料口；
11、换热介质入口； 12、气体出口；
13、反应器下封头； 14、气体流出口；
15、中心管； 16、管束；
17、上支撑板； 18、反应器上封头；
19、人孔； 20、换热汇集装置；
21、换热分布装置。
具体实施方式
以下结合附图给出本发明径向流动换热式固定床催化反应器的具体实施方式，但是应当指出，本发明的实施不限于以下的实施方式。
一种径向流动换热式固定床催化反应器(参见图1)，含有换热介质出口1、气体进口2、进口气体分流流道3、催化剂筒4、开孔板5、换热管6、催化剂7、反应器外筒8、下支撑板9、催化剂卸料口10、换热介质入口11、气体出口12、反应器下封头13、气体流出口14、中心管15、管束16、上支撑板17、反应器上封头18、人孔19、换热汇集装置20、换热分布装置21，它采用了在换热管6管间装填催化剂7、在换热管6管内通换热介质的结构形式。
本发明的径向流动换热式固定床催化反应器可采用内径为3.2米～4.2米的反应器筒体，含有反应器上封头18、反应器下封头13和反应器外筒8。在所述反应器上封头18上设置换热介质出口1、气体进口2和人孔19(催化剂装料口)，在所述反应器下封头13上设置催化剂卸料口10、换热介质进口11和气体出口12；在反应器上封头18与反应器下封头13之间的反应器筒体内设置上支撑板17、下支撑板9以及催化剂筒4、换热管6和将反应器的换热系统与径向流动的中心管合二为一的中心管15，所述催化剂筒4、换热管6和中心管15通过所述上支撑板17、下支撑板9固定设置在反应器筒体内。所述反应器上封头18、反应器下封头13和反应器外筒8以及所述上支撑板17、下支撑板9可采用现有的结构件。
所述中心管15可采用直径为600～800mm的专用管材，将之设置在反应器筒体的中心，中心管15的上端通过换热汇集装置20与反应器上封头18上的换热介质出口1连接，中心管15的下端通过气体流出口14和换热分布装置21与反应器下封头13上的换热介质入口11连接。
在所述中心管15与所述反应器外筒8之间筒体内设置若干根换热管6。所述换热管6可采用直径为25～38mm的专用管材，在所述若干根换热管6的之间可用管束16进行固定(参见图2)，这样能确保换热管6在反应时不会晃动。所述若干根换热管6在反应器筒体内的设置位置虽然不同，但其上端应通过不同的、成一定角度的弯曲后汇集于所述中心管15的上端，以形成换热汇集装置20；所述若干根换热管6的下端也应通过不同的、成一定角度的弯曲后汇集于所述中心管15的下端，以形成换热分布装置21。正因为所述换热管6的上下端需通过不同的弯曲度弯曲后汇集形成换热汇集装置20和换热分布装置21的复杂结构，因此，制造中应格外注意，避免在材料和工艺上出问题。
在所述若干根换热管6、既在换热汇集装置20与换热分布装置21之间的换热管6区域与所述反应器外筒8之间的反应器筒体内设置催化剂筒4，在所述催化剂筒4内的换热管6之间能填充催化剂7。在所述催化剂筒4的外侧设有有规则排孔的开孔板5，所述开孔板5能确保反应气体能进入催化剂筒4内，但催化剂筒4里面的催化剂不会泄漏。
在所述催化剂筒4外壁与所述反应器外筒8之间的反应器筒体内设置进口气体分流流道3。在所述中心管15的下方、既高于所述换热分布装置21的位置，设置气体流出口14，所述气体流出口14的直径与所述中心管15的直径一致，能保证气体顺畅地流出。
本发明的径向流动换热式固定床催化反应器采用换热管6管间装填催化剂7、换热管6管内通换热介质的结构形式，将反应器的换热系统与径向流动的中心管合二为一采用中心管15，并将中心管15分别连接换热汇集装置20和换热分布装置21；再将换热汇集装置20和换热分布装置21与换热管6相连：在换热汇集装置20的下方设置径向的中心管15，在换热分布装置21的上方设置气体流出口14；催化剂7由位于反应器上封头18的人孔19(催化剂装料口)进行装填，由位于反应器下封头13的催化剂卸料口10给予卸出；反应气体由位于反应器上封头18上的气体进口2进入，通过进口气体分流流道3边下行边径向穿过催化剂筒4汇合于中心管15，再下行通过中心管15下方的气体流出口14，最后由位于反应器下封头13上的气体出口12流出反应器；换热介质则由位于反应器下封头13上的换热介质入口11进入反应器，通过位于气体流出口14下方的换热分布装置21分流到各个换热管6与反应气体进行热交换，然后在催化剂筒4上方的换热汇集装置20集中后由反应器顶部的换热介质出口1流出反应器。本发明能使径向流动换热式固定床催化反应器的结构更合理，反应热的移走效果更好，更有利于石油化工及煤化工领域的大规模生产。
以下提供本发明径向流动换热式固定床催化反应器的3个具体实施例。
实施例1
一种径向流动换热式固定床催化反应器，采用内径为3.2米的反应器筒体，采用外径25mm、厚度2mm的换热管6，在催化剂筒4内的换热管6之间装填40.44m3催化剂，由煤基合成气与循环气组成的入塔气进入反应器的温度为220℃，压力为5.5MPa(G)，气体径向流过催化剂7床层，热点温度为267℃，反应器气体出口12温度为262℃。
所述径向流动换热式固定床催化反应器可满足年产甲醇30万吨(按300天计算)的要求，产生中压蒸汽0.94吨/吨甲醇。
实施例2
一种径向流动换热式固定床催化反应器，采用内径为3.8米的反应器筒体，采用外径32mm、厚度2mm的换热管6，在催化剂筒4内的换热管6之间装填75.08m3催化剂，由煤基合成气与循环气组成的入塔气进入反应器的温度为220℃，压力为5.5MPa(G)，气体径向流过催化剂7床层，热点温度为268℃，反应器气体出口12温度为265℃。所述径向流动换热式固定床催化反应器可满足年产甲醇70万吨(按300天计算)的要求，产生中压蒸汽0.91吨/吨甲醇。
实施例3
一种径向流动换热式固定床催化反应器，采用内径为4.2米的反应器筒体，采用外径38mm、厚度2mm的换热管6，在催化剂筒4内的换热管6之间装填113.07m3催化剂，由煤基合成气与循环气组成的入塔气进入反应器的温度为220℃，压力为5.5MPa(G)，气体径向流过催化剂7床层，热点温度为269℃，反应器气体出口12温度为264℃。所述径向流动换热式固定床催化反应器可满足年产甲醇100万吨(按300天计算)的要求，产生中压蒸汽0.92吨/吨甲醇。
Claims (7)
1.一种径向流动换热式固定床催化反应器，含有反应器上封头(18)、反应器下封头(13)和反应器外筒(8)，在所述反应器上封头(18)上设有换热介质出口(1)、气体进口(2)和人孔(19)，在所述反应器下封头(13)上设有催化剂卸料口(10)、换热介质进口(11)和气体出口(12)，其特征在于：采用了在换热管(6)管间装填催化剂(7)、在换热管(6)管内通换热介质的结构形式；在反应器上封头(18)与反应器下封头(13)之间的反应器筒体内设置上支撑板(17)、下支撑板(9)以及中心管(15)、换热管(6)和催化剂筒(4)，所述中心管(15)、换热管(6)和催化剂筒(4)通过所述上支撑板(17)、下支撑板(9)固定设置在反应器筒体内：所述中心管(15)设置在反应器筒体的中心，在所述中心管(15)与所述反应器外筒(8)之间的筒体内设置若干根换热管(6)，所述若干根换热管(6)的上端成一定角度弯曲后汇集于所述中心管(15)的上端，形成换热汇集装置(20)；所述若干根换热管(6)的下端成一定角度弯曲后汇集于所述中心管(15)的下端，形成换热分布装置(21)；在所述若干根换热管(6)与所述反应器外筒(8)之间的反应器筒体内设置所述催化剂筒(4)，在所述催化剂筒(4)内的换热管(6)之间能填充催化剂(7)；在所述中心管(15)下方设有气体流出口(14)，所述气体流出口(14)的直径与所述中心管(15)的直径一致，能保证气体顺利地流出。
2.根据权利要求1所述的径向流动换热式固定床催化反应器，其特征在于，将反应器的换热系统与径向流动的中心管(15)合二为一，用中心管(15)分别连接换热分布装置(21)和换热汇集装置(20)；再将换热分布装置(21)和换热汇集装置(20)与换热管(6)相连：在换热汇集装置(20)的下方设置径向的中心管(15)，在换热分布装置(21)的上方设置气体流出口(14)。
3.根据权利要求2所述的径向流动换热式固定床催化反应器，其特征在于，所述中心管(15)的上端通过换热汇集装置(20)与反应器上封头(18)上的换热介质出口(1)连接，所述中心管(15)的下端通过气体流出口(14)和换热分布装置(21)与反应器下封头(13)上的换热介质入口(11)连接。
4.根据权利要求3所述的径向流动换热式固定床催化反应器，其特征在于，所述中心管(15)采用直径为600mm～800mm的专用管材。
5.根据权利要求1所述的径向流动换热式固定床催化反应器，其特征在于，所述若干根换热管(6)之间通过管束(16)进行固定，能确保换热管(6)在反应时不会晃动。
6.根据权利要求5所述的径向流动换热式固定床催化反应器，其特征在于，所述换热管(6)采用直径为25mm～38mm的专用管材。
7.根据权利要求1所述的径向流动换热式固定床催化反应器，其特征在于，在所述催化剂筒(4)的外侧设有有规则排孔的开孔板(5)，所述开孔板(5)能确保反应气体的进入但里面的催化剂不会泄漏。
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