CN1533828A - 特别适用于甲醇合成的卧式化学反应器 - Google Patents

Abstract

一种卧式化学反应器包含在反应器中水平设置的并且包括一个用做气体出口的下部透气壁(6)的至少一个催化床(5a－5d)和所述至少一个催化床的保持部件(2)。

Description

特别适用于甲醇合成的卧式化学反应器

技术领域

本发明涉及一种卧式反应器。更具体而言，本发明涉及一种用于多相放热合成的反应器，并且特别是但是又不排除其他的用于甲醇合成的反应器。

正如人们所知，一般说来在多相放热合成领域中，更具体而言在甲醇生产中，对于具有高生产率和高转换率、同时又具有低能耗和低投资费用的合成反应器的需求日益增加。

背景技术

为此目的，在一段时间，作为具有一个或多个催化床的常规立式合成反应器的替代物，曾提出过采用具有更大的水平分布空间的反应器。

例如，在美国专利US-A 4 696 799中，描述了一种用于氨的多相放热合成的卧式反应器，该反应器包括一个在其上以相互隔开的方式支撑多个催化床的支架。

在支架上还配备具体包含两个气/气热交换器的冷却装置，所述的热交换器用于间接冷却从第一和第二催化床流过来的已部分反应的合成气。

为在许多方面更有利而言，以上所述的卧式反应器显示出多个的缺陷，其中首要的就是对于该反应器所有的内部部件来说、特别是对于设置在支架上的冷却装置来说，可接近性差。

为了完成在所述的装置上的任何类型的维修操作，即更换有缺陷的或损坏了的部件，都必须从反应器上拆下整个支架，而后进行所需要的维修操作，最后将修理好的支架再安装到反应器上。

结果，一旦要对处于运行中的反应器所要进行的任何处置都是长时间的、困难的、并且特别是成本昂贵的。

此外，诸如刚刚所描述过的那种反应器包括了非常复杂的结构，实际制造起来非常困难。

在此方面，没有什么有价值的事情，这是因为在反应容器内不同的操作温度，其引起支架不同于催化床的热膨胀，不可能在支架和催化床之间提供可靠并且有效的密封，尤其是在支撑催化剂的床底。这导致不可避免的催化剂从催化床的泄漏，因此导致总反应体积的损失，其不利地影响反应产量和反应器的生产率。

在现有技术中，还建议了一种卧式催化化学反应器，其中反应器壳体直接支撑并且含有催化床和冷却装置。

尽管相对于有支架的反应器，在制备和维护方面具有更多的优势，这种反应器甚至更遭受涉及催化剂泄漏的缺陷。

一般而言，由于对于制备反应器所要求的高制造公差(tolerances)，导致壳体的内表面起皱纹，并且其尺寸(直径、椭圆形和线性)与设计值存在差异。因此，不能保证壳体和安置在壳体内的催化床的催化剂支撑底部之间精确的、不变的和可靠的连接。

此外，由于壳体和催化剂支撑底部是由完全不同的材料制成的，其经受完全不同的操作温度，导致它们以实质上不同的方式热膨胀。

结果，常规的密封手段如包装绳密封根本不适宜来补偿这些热膨胀及来确保这些部件之间的有效连接，由此发生催化剂从催化床的泄漏。壳体的直径越大，这种泄漏越大。

由于这些缺陷，迄今为止在多相放热合成的领域中宁可限制使用所考虑过的这种类型的卧式反应器。

发明内容

发明概述

本发明的技术问题是能够得到一种具有高生产率和高转换率、同时又具有低能耗和低投资成本的用于多相放热合成的卧式反应器，该反应器将是结构简单和维修容易的。

该技术问题的解决是借助于一种卧式化学反应器，其包含：

-在所述反应器中水平安置的、并且包含一个用于气体出口的下部透气壁的至少一个催化床，

-所述至少一个催化床的保持部件，

其特征在于，其还包含：

-催化剂密封装置，其包含一个在所述的下部透气壁之下被固定在所述保持部件上的支撑部件，和一个其一端被固定到所述的支撑部件上、并且在其中间部分支撑下部透气壁的侧端的连接部件，预定大小的多个填充部件，所述的填充部件安置在所述下部透气壁的侧端和所述保持部件的内壁之间，并且其在朝向所述保持部件内壁、从所述中间部分突出的部分由所述的连接部件支撑。

在以下参照附图借助非限定性的例子给出的实施例中描述根据本发明的化学反应器的特征和优点。

附图说明

在图中：

图1所示为根据本发明的卧式化学反应器的平面图，

图2所示为沿图1的A-A线所取的图1的卧式反应器的纵剖面图，

图3所示为沿图1的B-B线所取的图1的卧式反应器的剖面图，

图4所示为沿图2的C-C线所取的图1的卧式反应器的另一幅纵剖面图，以及

图5所示为图3的卧式反应器的剖面图的详图。

具体实施方式

参照附图1-5的实例，参考号1表示一个卧式化学反应器的整体，优选其用于多相放热合成、特别是甲醇合成。

反应器1包括外管式壳体2，在其端部安装有分别用做反应剂气体入口和反应产物出口的的开口3，4。

5a-5d表示在壳体2中沿反应器1的纵轴X-X并排水平排列的、并且包括分别上下对置的透气壁6，7的多个催化床。在此实例中，壳体2组成催化床的反应器保持部件。

上部透气壁7具有避免气体反应剂对于催化剂过于强烈的冲击的功能。因此，所述的壁在低速气流的情况下是不需要的。透气壁6具有支撑催化剂物料的功能。

根据本发明，有利的是，下部透气壁6通过密封装置20与壳体2的内壁连接-如图5所示-以便避免从催化床5a和5d不希望的催化剂泄漏。

特别是，为了避免不希望出现的催化剂通过在下部透气壁6和壳体2的内壁之间存在的间隙离开各催化床，有利的是，装置20包括一个在所述的下部透气壁6之下被固定在壳体2上的支撑部件21，和一个在其一端22a被固定到所述的支撑部件21上、并且在其中间部分22b支撑下部透气壁6的侧端的连接部件22。

此外，装置20还包含：预定大小的多个填充部件23，其安置在所述下部透气壁6的侧端和壳体2的内壁之间。有利的是，填充部件23由所述的连接部件22在其从所述的中间部分22b朝向壳体的内壁突出的部分22c支撑。

装置20确保-以简单而又经济的方式-在下部透气壁6和壳体2之间，有效、可靠和长期的催化剂密封，其是容易制造的，并且不需要特别的维护。由之而来的是，由于本发明，实际上完全避免了催化剂物料的损失，显示出催化反应器的最理想的操作的全部优点和确保了反应的收率和反应器的生产率。

优选连接部件22是“L型”并且以可拆卸的方式固定至支撑部件22。优选支撑元件22的一端22a是简单地插入在支撑元件21的孔21a中的。

此外，优选填充部件23包含隋性球，如陶瓷球或金属球。有利的是，填充部件23是由硬材料由此制成的，其不经受磨损或腐蚀，长时间地保持它们的密封性能不变。

填充部件23的尺寸(直径)基本上比在催化床中含有的催化剂的直径大，在任何情况下，将这些部分的所有可能的热膨胀考虑进去，其大于连接元件22的端部22c和壳体2内壁间的剩余间隙。

根据本发明密封装置20的一个优选实施方案，填充材料23并且还优选至少部分下部透气壁6被适宜的金属丝网所覆盖，以避免催化剂穿透在填充材料23中，这有损坏的危险。在图5的实例中，金属丝网由虚线24表示并且有利地延伸至壳体2的整个内壁。

有利地是，本发明的密封装置20还可以应用于化学反应器中，其中催化床保持部件是安排在壳体内的支架(未显示)。

优选催化床5a-5d相邻并且用多个全部用8表示的档板相互隔开，横向延伸至反应器1的纵轴X-X。8a和8d分别表示催化床5a和5d的对置的封闭侧壁。

多个空气空间9a-9h被限定在壳体2的内壁和催化床5a-5d的透气壁6和7之间，用做气体从一个催化床到另一个催化床的通道。

在催化床5a-5d之间限定了多个圆筒状腔室10a、10b、10c，其横向延伸至催化床、并且可从壳体2的外部通过相应的孔11a、11b、11c接近。

所述的腔室10a、10b、10c的每一个都分别为气体的进出口配置对置的通道12a、13a至12c、13c，其相应于空气空间9a-9h打开。按照这种方式在多对相邻的催化床5a-5d之间限定多个流体路径。

在图2中，在腔室10内部以可拆卸的方式设置了用于间接地冷却在所述的相邻的催化床5a-5d之间流动的气体的相应的冷却装置14。有利地是，其中设置冷却装置的圆柱形腔室10特别适宜用于部分反应过的热气体和冷却液体之间的最理想的热交换。

所述的冷却装置14包括延伸进入腔室10a-10c的多个U形管15。管15的端部通过管板16与作为冷却流体的进出口的相应的腔室17、18，形成流体连通。

腔室17、18是用冷却装置14的封罩19制成的，封罩与管板16形成一体。

管板16按照常规可拆卸方式，对应于孔11a-11c，例如通过螺栓连接，安装到壳体2上。

在一个优选的实施方案中，所述的冷却装置14使用水作为冷却流体，并因此实际上构成一个用于产生高热能级(thermal level)的蒸汽的蒸发器。由此，这有利于在反应热的高热能级下实现回收，以产生可以用于工厂其它部分使用的高压蒸汽。

作为一个备选方案，冷却装置14也可以使用部分冷的反应剂气体作为冷却流体，于是构成一个反应剂气体的预热器。

在另一个实施方案中(未示出)，蒸发器或热交换器可以是卡口式的。

通过所述的冷却装置14的冷却流体的流动可以采用自然循环式或者强制循环式。

由于卧式反应器的特殊结构，现在可以容易地加入冷却装置，其可以容易地单独置换，同时避免所有对其它反应器部件损坏的危险。按照这种方式，对于冷却装置的维护和维修在技术上是简单和经济的。

此外，在催化床之间安置的特殊腔室10中、并且从壳体的外部可到达的可拆卸的冷却装置的安置，还允许对催化床进行简单且有效的维护，其是特别是涉及催化剂的加载和卸载。

事实上，由于上面所述的腔室的存在，与已知的卧式反应器相比，现在可以降低这种加载和卸载操作所必须的人孔和手孔的数目。

本卧式反应器的另一个优点在于：其同时使用下面两种可能性的灵活性，即关于在不同类型的相同的反应器冷却装置中互换使用例如来产生高热能级的蒸汽或用于预热供给入反应器的气体反应剂的可能性，而且还关于通过下面的方法改变反应器内部结构的可能性，即在腔室中以需要的顺序安置冷却装置，以在床与床之间进行或者不直接进行冷却，这取决于意欲进行的合成反应。

在后一种情形下，壳体相应于未由冷却装置占据的腔室有利地配备有可拆卸的封罩。

在图2和3中，箭头F表示沿空气空间9a-9h、通过催化床5a-5d和冷却装置14的气体反应剂所采取的各种路径。

在图2中，箭头W和S分别表示进入腔室17的冷却水的路径和离开腔室18的蒸汽的路径。

虚线箭头G表示采用预热型装置14预热的冷合成气的路径。

本发明的卧式反应器的操作如下。

参照图2，已经预热至反应温度(大约240℃)的反应剂气体流，例如H₂、CO和CO₂，通过作为气体入口的开口3被引入反应器1，沿空气空间9a流动并且以绝热方式从顶部向下横向移过第一催化床5a。

部分反应过的气体在大约290℃的温度下从后者中流出并通过通道12a进入腔室10a，在其中，它们利用通过蒸发器14的管15的水流借助于间接热交换被冷却。

按照这种方式，合成气被调至初始温度，同时产生高压蒸汽，例如20-25巴的蒸汽。有利的是，这样产生的蒸汽例如可以用于甲醇蒸馏阶段。

离开腔室10a的被冷却了的部分反应过的气流被收集在空气空间9c，而后按照与以上所述相同的方式进入第二催化床5b。

来自最后一个催化床5d的反应产物通过开口4流出反应器。

这样构思出来的卧式反应器在甲醇合成领域中具有可与相等催化容积的等温反应器相媲美的最理想的热力学效率，已知这使得能够达到最高的转换率。

有利的是，根据本发明的、具有非常简单的内部结构和模块型的卧式床可以容纳可变数量的催化床，优选至少二个插有冷却装置，其与壳体内的内部压力条件相容。

特别满意的结果是由四个绝热催化床与三个中间冷却装置(如所示例子那样)得到的反应器，或者三个绝热催化床与二个中间冷却装置得到的反应器。

此外，由于并排设置和至少部分相邻的催化床的存在，使得有可能达到对反应器的有用容积的高度利用，催化剂所占容积的比例甚至可以高达80-83％。

因此，对于相等的催化剂安装容积来说，根据本发明的反应器与已有技术的反应器相比较将具有较小的压力主体(壳体)，节省材料很可观。

人们将意识到，根据本发明的卧式反应器可以很好地应用于与该反应器结构相适应的不同类型的多相放热合成中。

这样构思出来的本发明容许更多的实施方案和修改，所有这些都落入本领域技术人员的技能之内，都落入本发明本身的保护范围以及由后附权利要求所限定的范围之内。

Claims (16)

1.一种卧式反应器，该反应器包括：

-在所述反应器中水平安置的、并且包含一个用于气体出口的下部透气壁(6)的至少一个催化床(5a-5d)，，

-所述至少一个催化床(5a-5d)的保持部件(2)，

其特征在于，其还包含：

-催化剂密封装置(20)，其包含一个在所述的下部透气壁(6)之下被固定在所述保持部件(2)上的支撑部件(21)，和一个其一端(22a)被固定到所述的支撑部件(21)上、并且在其中间部分(22b)支撑下部透气壁(6)的侧端的连接部件(22)，预定大小的多个填充部件(23)，所述的填充部件安置在所述下部透气壁(6)的侧端和所述保持部件(2)的内壁之间，并且其在朝向所述保持部件(2)内壁、从所述中间部分(22b)突出的部分(22c)由所述的连接部件(22)支撑。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的连接部件(22)是“L型”的。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的连接部件(22)是以可拆卸的方式固定在所述支撑部件(21)上的。

4.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于所述连接部件(22)的一端(33a)是插入在所述支撑部件(21)的孔(21a)中的。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述填充部件(23)包含惰性球，如陶瓷球或金属球。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述填充部件(23)是由合适的金属丝网(24)覆盖的。

7.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述保持部件(2)是安置在反应器内的支架。

8.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述保持部件是基本上圆筒形的反应器的外壳(2)，并且其特征在于其包含：

-至少两个催化床(5a-5d)，其在所述壳体(2)中并排水平排列并且包含所述的用于气体出口的下部透气壁(6)，

-至少一个腔室(10a-10c)，其在所述的至少两个催化床(5a-5d)之间延伸并且可从壳体(2)的外部接近，

-在气体进口和出口对置的通道(12a，13a-12c，13c)之间的流体路径，其用于在所述的至少一个腔室(10a-10c)中限定的所述床(5a-5d)之间流动的气体，和

-冷却装置(14)，所述的冷却装置以可拆卸的方式安置在所述的至少一个腔室(10a-10c)中，用于间接冷却在所述床(5a-5d)之间流动的气体。

9.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于所述的至少两个催化床(5a-5d)是相邻的。

10.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于其还包含用做气体进出所述床(5a-5d)的通道的多个空气空间(9a-9h)，所述的空气空间被限定在壳体(2)的内壁和所述床的对置的上和下表面(7，6)之间。

11.根据权利要求10所述的反应器，其特征在于所述用做气体进出所述至少一个腔室(10a-10c)的所述通道(12a，13a-12c，13c)是相应于所述的空气空间(9a-9h)打开的。

12.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于所述的至少一个腔室(10a-10c)基本上呈圆筒形。

13.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于所述的冷却装置包括至少一个用于产生高热能级蒸汽的蒸发器(14)。

14.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于所述的蒸发器(14)为管束型或卡口型。

15.根据权利要求14所述的反应器，其特征在于所述的蒸发器(14)为自然循环式或者强制循环式。

16.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于所述的冷却装置包含至少一个气/气热交换器(14)。