CN1104126A - 一种气固催化反应器 - Google Patents

Abstract

一种气固催化反应器，用于化工生产中氨及甲醇 的合成以及其他气固催化可逆反应。主要由内筒体 (10)和外筒体(11)构成的密封容器，在器内分成A、 B、C、D四段，A、B、D段为绝热段，C段为内冷段，中 部没有冷管束，底部设有换热器(1)进行换热，按三绝 热内冷分流式工艺流程。未反应的冷气分成两股；约 60～75％的冷气从进气管(16)进入器内，另一股温 度为30～180℃约25～40％的冷气从底侧进气口 (14)进入，兼作调节器内反应温度，使之处于最佳状 态，因此氨净值由14～15％增加到16～19％，且反 应器的可靠性提高。

Description

一种涉及化工可逆放热反应的气固催化反应器，用于化工厂氨、甲醇的合成以及其他气固可逆反应。属化工设备。

在化工中大部分可逆放热反应，必须在催化剂的作用下才能进行。反应过程中，有热量放出，催化剂床层和反应气体温度将升高。随温度的升高，而反应速度却逐渐降低，当温度升达到某一温限时，正逆反应速度相等，处于平衡状态，但此时的反应生成物却很少。下面的数据都以合成氨反应为例，当温升达到470～480℃时，反应气体中氨含量只有5～6%，达不到工业生产的要求。为此，必须设法将反应过程中的热量移出，进行热交换降温，使其温度降至平衡状态以下。

在化学工业中通常采用的方法是：先绝热反应一段，使温升达到某一范围，用间接换热方法降温，即用未反应的冷气在管外流动，反应了的热气体在管内流动，进行热交换，将热气降至某一温度范围。接着再进行第二段（层）绝热反应，再降温，依次再进行第三、第四段，当反应中生成物达到所要求的反应物浓度时，终止其反应。

此种反应器的结构示意图如图1所示。

图1为四段间接换热反应器示意图，AB段为一绝热段（层），BC为第一换热器，CD为第二绝热段，DE为第二换热器，EF为第三绝热段（层），FG为第三换热器，GH为第四绝热段，实线箭头所示为未反应的冷气体，虚线箭头所示为反应后的热气体。

图2为四段间接换热反应器的氨含量与温度关系曲线图（即X-t图）

在图1中，AB、CD、EF、GH四段为绝热层，内装有催化剂，BC、DE、FG为列管式换热器，管内为热气，管外为冷气。

从图1所示的四段间接换热器反应器可以看出，它存在以下问题：若要达到所需反应物含量浓度，必须要设置多段才能完成。但段数愈多，在催化剂床层间需要安装的换热器也越多，换热器占据的空间位置也越大，导致结构、工艺流程复杂，催化剂装填量减少。对反应物的生成反而不利。因此，实际上的反应器一般只用三段，反应后的生成物含量低。如三段合成氨反应器，生成物含量其净值只有12～14%。

在合成氨工业中，也有采用四段冷激式反应器，它不用或少用换热器，在各段之间，用部分反应了的热气体与冷气体直接混合降温。这种四段冷激式反应器如图3所示。AB段与BC段间用冷气a与AB段下来的热气混合降温;BC段与CD段间，用b冷气与BC段下来的热气直接混合降温，同理，CD段与DE段间用c冷气降温。这种反应器比间接式反应器，其结构虽然简单，但其最终氨含量比间接式要低2～3.5%，因为被未反应的冷气冲稀所致，仍不能达到反应生成物含量高的要求。图4为四段冷激式x-t图，从图4可以看出，第一段为A即第一段反应后（B点）氨含量已达到10.5%，温度达498℃，加入一般未反应的冷气后，达到C点，此时温度降到390℃，氨含量降到7.5%，这样每反应一段，温度及浓度都降低一次，所以最终氨含量只有15%。

鉴上，本发明的目的在于利用一个结构简单的冷管进行换热，采用三绝热冷激内冷分流式流程，最终氨含量高的气固反应器。

本发明为三绝热（冷激）内冷分流式反应器，如图5所示，它采用分流形式，将未反应的冷气体分成两股气流，大部分冷气（约60～75%）自反应器的底部往上流动，在床外进行热交换，使冷气加热到催化剂的活性温度。另一股冷气约25～40%则从反应器底部侧进气口经内外筒体间环形气道，通过二根导气管流至冷管束，自上而下进行热交换，再经升气管将被加热的冷气送至催化床层，进行催化合成反应，以此来实现上述目的。

以下结合附图和实施例，详述本发明的原理和结构特征。

附图说明，

图1为四段间接换热反应器示意图;

图2为四段间接换热反应器x-t曲线图;

图3为四段冷激式反应器示意图;

图4为四段冷激式反应器x-t图;

图5为三绝热冷激内冷分流式反应器示意图。

参见图5，本发明其外形为一圆筒体，它分为外筒和内筒两部分，外筒为厚壁空心圆柱体，内筒为锥底形圆柱体，两筒套装并与外界密封的容器，两筒体间有环隙，供进气之用。它主要由底部换热器（1）、中心管（2）、支承环（3）、下环管（4）、冷管（5）、上环管（6）、升气管（7）、环状菱形混合器（8）、导气管（9）、内筒体（10）、外筒体（11）、外筒上盖（12）、换热器底盖（13）、底侧进气口（14）、锥形封头（15）、进气管（16）、外筒体底盖（17）、出气管（18）所组成。根据反应器的结构和功能大致可分为A、B、C、D四段，A段为中心管（2）顶端的催化剂上界面至环状菱形混合器（8）中心线之间的催化床层，该处为第一绝热段。

环状菱形混合器（8）中心线至上环管（6）中心线之间的催化床层为第二绝热段，即B段。

上环管（6）与下环管（4）两中心线间的催化床层，此处为C段，也可称为冷管束段，在此段内有热交换。

下环管（4）中心线以下至换热器（1）顶部之间的催化床层，为D段，D段为第三绝热层。

本发明的主要构件内筒体（10）。是一个锥底形薄壁空心圆柱体，内装有底部换热器（1），中心管（2），支承环（3），下环管（4），冷管（5），上环管（6），升气管（7），环状菱形混合器（8），导气管（9）。由上下环管（6）与（4），升气管（7）以及冷管（5）组成的冷管束，位于内筒体（10）的中部，底部换热器（1）位于内筒体（10）的下部，换热器（1）的顶部与中心管（2）连通，其下部与锥形封头（13）连通，中心管（2）贯通冷管束和环状菱形混合器（8）的中心。支承环（3）与内筒体（10）连接，冷管束由支承环（3）支承，升气管（7）的上端与菱形混合器（8）相连通。类似一个罩子，罩住升气管（7）、混合器（8）的外缘与内筒体（10）的内壁间距为25～80毫米，混合器（8）内缘与中心管（2）的外壁间距为20～30毫米。环状菱形混合器（8）其横截面为菱形。菱形的每个面都加工有小孔，其通气面积为15～30%，由升气管（7）进入环状菱形混合器（8）未反应较热的冷气，其温度为280～350℃，与A段已反应温度为450℃～500℃的热气体混合进行热交换，流入B段反应。导气管（9）的下端与上环管（6）的上部相连通。外筒体（11）的上下端分别与外筒上盖（12）和外筒体底盖（17）密接。在外筒体底盖（17）的底部中心设置有供进气管（16）和出气管（18）的通孔，进出气管为套装且彼此间互相密封。底盖（17）的一侧设有底侧进气口（14），由底侧进气口（14）进来未反应的冷气体，其温度为30～180℃，通过内外筒体间的环隙进入导气管（9）。内筒体（10）的内腔除装置有关构件外，其余空间均充填催化剂，在反应器的反应段（A+B+C+D）只有C段为内冷段，它占整个反应段高度的15～30%。

本发明的工作过程：未反应的冷气体分成两股，约60～75%的冷气从反应器底部的进气管（16）进入到底部换热器（1）换热管的管外空间，与管内已反应的热气体进行热交换，经换热器（1）加热，未反应的冷气体将升温至350～400℃，使之达到催化剂的活性温度。通过与热交换器（1）上端相连通的中心管（2）自下而上进入到催化床A段，进行催化绝热反应。混合气温度升高，反应物浓度增加。另一股约25～40%的冷气，从底侧进气口（14），经内外筒体间的环隙，由下而上到达内筒体（10）的顶部，通过至少两根以上的导气管（9）进入到上环管（6），再分流至各冷管（5），因该股冷气的温度范围较宽约30～180℃，用它可以调节器内的反应温度。在此处，冷管（5）内的冷气与管外催化床层的热气进行热交换，管内的冷气被加热，管外的热气被冷却。冷管（5）的冷气加热后由上而下流至下环管（4），再折转经由至少两根（包括两根）以上的升气管（7）进入环状菱形混合器（8），因件（8）的四面均有小孔，在此处，由A段下来的已反应高温混合气与升气管（5）流出已加热未反应的冷气直接混合。混合后的气体，其温度约为390～450℃，它比A段下来的气体温度要低，而比升气管（7）出来的气体温度要高。根据反应的不同和其他条件的差异，其混合气的温度可以进行调节。

混合气自上而下流动，经B段绝热反应后，温度和生成物含量都上升，再经C段继续反应，并放出热量。但此时，由于C段内有冷管束的冷却，反应混合气的温度逐渐降低，而生成物含量却逐渐增加。

混合气体继续往下流动，经D段绝热反应和底部换热器（1）的热交换，由于在D段内无冷却，也未加入新的冷气，因此混合气的温度回升，而生成物浓度继续增加。用此法达到工业生产要求为止，以合成氨为例，氨含量可达到16～19%。

本发明由于采用结构简单、体积较小的冷管束，构成一催化剂装填量多的四段冷激分流式反应器，而其反应温度又能调节在较为理想状态，因此有利于反应生成物含量的提高。以氨净值计，其他所有形式的反应器氨净值一般为14%左右，最高为15～16%，本发明则可达16～19%。

本发明在冷管束的结构上，由于导气管（9），升气管（7）都采用至少两根以上的结构，冷管束的热应力分布较为均匀合理。冷管（5）断裂的可能性降低，相应提高了反应器的安全性，同时亦减少了不锈钢的用量。

Claims (6)

1、一种气固催化反应器，用于化工生产中氨及甲醇的合成以及其他气固可逆反应中，其特征在于它由一个圆柱形外筒体和一个锥底形圆柱形内筒体套装，且筒体间有间隙，并与外界密封的容器，构成一个由A、B、C、D段三绝热冷激内冷分流式四缓反应器，主要由底部换热器(1)、中心管(2)、支承环(3)、下环管(4)、冷管(5)、上环管(6)、升气管(7)、环状菱形混合器(8)、导气管(9)、内筒体(10)、外筒体(11)、外筒上盖(12)、换热器底盖(13)、底侧进气口(14)、锥形封头(15)、进气管(16)、外筒体底盖(17)、出气管(18)所构成，在反应器的中部装有一个由支承环(3)支承并由上下环管(6)和(4)、冷气管(5)、升气管(7)、导气管(9)组成的冷管束，冷管束的升气管(7)的顶端与环状菱形混合器(8)相连通，升气管(7)的下端与下环管(4)相连通，反应器的底部为底部换热器(1)，其顶部与中心管(2)连通，下部与锥形封头(15)连通，内筒体(10)套装在外筒体(11)内，两筒体间有间隙，外筒体(11)的上、下端分别与外筒上盖(12)和外筒底盖(17)密接，底盖(17)的底部中心设置有供进气管(16)和出气管(18)的通孔，进出气管为套装且彼此间互密，底盖(17)的一侧设有底侧进气口(14)，未反应的冷气分成两股，约60～75%的冷气经进气管(16)进入底部换热器(1)的管间，通过中心管(2)流至A段催化床层，另一股约25～40%从底侧进气口(14)进入内外筒体间的环隙，经导气管(9)流至冷管束，通过升气管(7)和混合器(8)进入催化床层，该股冷气的进入温度约为30～180℃，兼作调节器内反应温度，在反应器内，除安装构件外，其余空间均装填催化剂。

2、根据权利要求1所述的一种气固催化反应器，其特征在于A、B段为第一、二绝热反应段，C段为内冷换热反应段，D段为绝热反应段，C段占整个反应段（A+B+C+D）高度的15～30%。

3、根据权利要求1所述的一种气固催化反应器，其特征在于由冷管束的升气管（7）出来的较冷气体，其温度范围为280～350℃。

4、根据权利要求1所述的一种气固催化反应器，其特征在于由冷管束的升气管（7）的上端与环状菱形混合器（8）相连通，其下端与下环管（4）连通，冷管束的升气管（7）至少有两根。

5、根据权利要求1所述的一种气固催化反应器，其特征在于环状菱形混合器（8）的菱形各面加工有小孔，其通气面积占各面面积的15～30%，混合器（8）的外缘与内筒体（10）的内壁间距为25～80毫米，混合器（8）的内缘与中心管（2）的外壁间的距离为20～50毫米。

6、根据权利要求1所述的一种气固催化反应器，其特征在于中心管（2）贯通冷管束和混合器（8）的中心。

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