CN203635176U

CN203635176U - 具有双上升动能的自循环合成反应器

Info

Publication number: CN203635176U
Application number: CN201420003515.2U
Authority: CN
Inventors: 周开根
Original assignee: Quzhou Yunrui Industrial Design Co Ltd
Current assignee: Quzhou Yunrui Industrial Design Co Ltd
Priority date: 2014-01-04
Filing date: 2014-01-04
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2024-01-04

Abstract

一种具有双上升动能的自循环合成反应器，涉及到一种化学合成反应器。主要由壁体、上升管、螺旋导流板、上隔板、下隔板和反应器壳体组成，其中，壁体呈圆筒体结构，上升管设置在壁体的内空间中，上升管的内空间构成第一上升通道，上升管与壁体之间的空间构成反应室和第二上升通道，在壁体的下部有过孔群；壁体的外围为反应器壳体，螺旋导流板以盘旋方式设置在壁体与反应器壳体之间，壁体与反应器壳体之间的空间构成螺旋预热通道，上升管的上部内空间连通到螺旋预热通道的上部，螺旋预热通道的下部由过孔群连通到反应室和第二上升通道的下部。本实用新型利用反应热分别在上升管内和反应室中形成上升动能，只需把原料气一次压缩就能全部合成为目标产物。

Description

具有双上升动能的自循环合成反应器

技术领域

本实用新型涉及一种化工设备，特别涉及到一种化学合成反应器。

背景技术

在化学合成的生产中，都需要把原料气或未反应器进行预热，使其在合适的温度条件下催化合成目标产物。在催化剂存在的条件下，大多数化学合成反应都是可逆反应，当目标产物达到一定浓度后，将处于平衡，反应将不再向合成目标产物的方向进行。人们在进行化合反应的生产过程中，为了使反应能继续向目标产物方向进行，必须使混合产物从合成反应器中输出以及向合成反应器内补入新原料气，使合成反应器内的目标产物浓度降低、破坏平衡后使化合反应继续进行，混合产物从合成反应器中输出后，通过分离设备把未反应气分离出来，再把未反应气返回合成反应器内进行循环反应，由于单程催化率仅在20%左右，原料气必须通过多次循环压缩后才能在合成反应器内反应成目标产物，而每次循环压缩都需消耗很大的压缩能耗。

现有的合成反应器中，在应用催化剂合成的条件下，合成氨的操作压力在8MPa以上，合成甲醇的操作压力在3～15MPa之间，合成气直接合成二甲醚的操作压力在2～5MPa之间，要获得上述的操作压力，必须采取多级压缩才能实现，压缩能耗很大，因此，现有的合成反应器必须进行多次循环和多级压缩才能把原料气合成为目标产物的生产过程，存在电能消耗大的缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是要克服现有化学合成设备需把原料气进行反复循环压缩电能消耗大的缺点，设计一种具有双上升动能的自循环合成反应器，使原料气只需通过一次压缩就能全部合成为目标产物，并且充分利用反应热使原料气或未反应气进行预热，以大幅降低电能消耗和提高催化效率，在合成氨、甲醇、二甲醚的生产及在其它需进行化学合成的生产过程中实现节能减排。

本实用新型的一种具有双上升动能的自循环合成反应器，其特征是合成反应器主要由壁体（5）、上升管（6）、螺旋导流板（23）、上隔板（27）、下隔板（9）、上端头（1）、下端头（16）和反应器壳体（24）组成，其中，壁体（5）呈圆筒体结构，上升管（6）设置在壁体（5）的内空间中，上升管（6）为一根或多根设置，上升管（6）的内空间构成第一上升通道（Ⅲ），上升管（6）与壁体（5）之间的空间构成反应室和第二上升通道（Ⅱ），在壁体（5）的下部有多只洞孔，多只洞孔构成过孔群（8）；壁体（5）的外围为反应器壳体（24），壁体（5）与反应器壳体（24）之间有空间，螺旋导流板（23）以盘旋方式设置在壁体（5）与反应器壳体（24）之间，使壁体（5）与反应器壳体（24）之间的空间构成螺旋预热通道（Ⅰ），在壁体（5）上端的外侧与反应器壳体（24）之间通过上隔板（27）进行连接，上隔板（27）构成螺旋预热通道（Ⅰ）的顶部封闭端，下隔板（9）封闭在反应室和第二上升通道（Ⅱ）的底端和螺旋预热通道（Ⅰ）的底端；上升管（6）的上部内空间连通到螺旋预热通道（Ⅰ）的上部，螺旋预热通道（Ⅰ）的下部由过孔群（8）连通到反应室和第二上升通道（Ⅱ）的下部；上端头（1）安装在反应器壳体（24）的上端口，上端头（1）与反应器壳体（24）的上部所围护的空间构成上气室（Ⅵ），上气室（Ⅵ）连通到反应室和第二上升通道（Ⅱ），上气室（Ⅵ）有混合气输出接口（30）接出；下端头（16）安装在反应器壳体（24）的下端口，下端头（16）与反应器壳体（24）的下部所围护的空间构成下气室（Ⅴ），下气室（Ⅴ）的顶部连通到上升管（6）的下部内空间，下气室（Ⅴ）的上部有混合气输入接口（18）接入，下气室（Ⅴ）的下部为集液区（Ⅳ），集液区（Ⅳ）的底部有产物出口（12）接出。

本实用新型中，当上升管（6）为一根设置时，在上升管（6）的上部与螺旋预热通道（Ⅰ）上部部位的壁体（5）之间有连接支管（4），上升管（6）的上端口封闭，上升管（6）的上部的内空间通过连接支管（4）连通到螺旋预热通道（Ⅰ）的上部；当上升管（6）为多根设置时，各个上升管（6）的上部为弯曲结构，多根上升管（6）环形陈列在反应室和第二上升通道（Ⅱ）中，各个上升管（6）的上端口连接在螺旋预热通道（Ⅰ）上部部位的壁体（5）上；在反应室和第二上升通道（Ⅱ）的底部有催化剂卸料出口（10）接出；在下气室（Ⅴ）的上部有原料补气接口（21）接入；在上升管（6）下部的入口端上有过滤器（22），下气室（Ⅴ）通过滤液器（22）连通到上升管（6）的内空间；在上气室（Ⅵ）部位的反应器壳体（24）外侧上和在螺旋预热通道（Ⅰ）部位的反应器壳体（24）外侧上安装保温层（26）；在反应室和第二上升通道（Ⅱ）中有加热器（7），加热器（7）为电热器和热交换器其中的一种。

上述实用新型中，在壁体（5）的内空间中设置上升管（6），在上升管（6）与壁体（5）之间的空间中设置催化剂，使得上升管（6）与壁体（5）之间的空间构成反应室，利用化学合成反应过程中释放的热量来加热上升管（6），使上升管（6）内的原料气或未反应气受热升温，形成上升动能，使原料气或未反应气进行上升运动，上升管（6）内的原料气或未反应气由上升管（6）的上部进入到螺旋预热通道（Ⅰ）之中，再由过孔群（8）进入到壁体（5）与上升管（6）外侧之间的空间中，在催化剂存在的条件下，进行化合反应，合成目标产物，在原料气或未反应气合成目标产物的过程中，会产生热量，所产生的反应热使气态的目标产物和未反应气升温又会形成上升动能，气态的目标产物和未反应气的混合气进行上升运动，进入到上气室（Ⅵ）中，经混合气输出接口（30）输出，再通过循环回路冷却降温后，返回到合成反应器的下气室（Ⅴ）中，其中的未反应气循环到上升管（6）中再次受热形成上升动能。因此，上升管（6）的内空间构成第一上升通道（Ⅲ），上升管（6）与壁体（5）之间的空间构成第二上升通道（Ⅱ）。第一上升通道（Ⅲ）和第二上升通道（Ⅱ）共同产生上升动能，使合成反应器自己形成未反应气的循环而进行化合反应。

上述的实用新型中，利用螺旋导流板（23）以盘旋方式设置在反应器壳体（24）与壁体（5）之间，使反应器壳体（24）与壁体（5）之间的空间形成螺旋预热通道（Ⅰ），预热通道的有效行程得到延长，使原料气或未反应气在预热通道中的逗留时间得到延长，从而能更充分利用反应室（Ⅱ）内的反应热来加热原料气或未反应气，加热后的原料气或未反应气进入到反应室（Ⅱ）内后，更容易被催化合成目标产物。在进行化学合成生产时，反应室（Ⅱ）内及螺旋预热通道（Ⅰ）内充满原料气或未反应气，反应室（Ⅱ）内的原料气或未反应气在催化剂作用下，进行化合反应，生成目标产物，在原料气进行化学合成反应时，会产生热量，所生成的反应热会使反应室（Ⅱ）内升温，升高的温度通过反应室（Ⅱ）的壁体（5）和螺旋导流板（23）进行传热，使螺旋预热通道（Ⅰ）升温，从而使螺旋预热通道（Ⅰ）内的原料气或未反应气得到升温而进行预热，经预热后的原料气或未反应气通过壁体（5）下部的过孔群（8）进入到反应室（Ⅱ）内，接触到催化剂后，生成目标产物，在反应室（Ⅱ）内的是目标产物与未反应气的混合气。在不断生成目标产物时，便不断产生反应热，从而不断对螺旋预热通道（Ⅰ）内的原料气或未反应气进行预热。

上述的实用新型在具体实施时，在合成反应器的外围设置下降管，把下降管的输入接口连接到上气室（Ⅵ）的混合气输出接口（30）上，把下降管的输出接口连接到下气室（Ⅴ）的混合气输入接口（18）上。生产时，下降管内充满目标产物与未反应气的混合气，通过对下降管进行冷却，使管内的混合气降温而密度增大，根据重力循环原理，降温后的混合气会进行下降运动，进入到下气室（Ⅴ）中，混合气中的目标产物在降温后达到露点温度以下时，便成为液态的目标产物，液态的目标产物由产物出口（12）输出进入贮罐，未反应气通过过滤器（22）进入到上升管（6）内的第一上升通道（Ⅲ）中，受热升温后进行上升运动，由上升管（6）的上部进入到螺旋预热通道（Ⅰ）之中，再经预热升温后，由壁体（5）下部的过孔群（8）进入到反应室和第二上升通道（Ⅱ）中，进行化学合成反应，反应热使反应室和第二上升通道（Ⅱ）内的混合气升温，根据重力循环原理，升温后的混合气会进行上升运动，进入到上气室（Ⅵ）中，这时，由于下降管中的混合气进行下降运动，从而产生引力使上气室（Ⅵ）中的混合气进入到下降管中。如此周而复始，由合成反应器及设置在外围的下降管在等压条件形成自动循环，并及时分离出目标产物，合成目标产物所消耗的原料气通过原料补气接口进行补充，使合成反应器内的目标产物浓度始终低于平衡点，使得化合反应能持续进行。本实用新型的合成反应器与设置在外围的下降管组合应用后，使原料气只需通过单程压缩就能全部合成为目标产物，克服了原料气需进行反复循环压缩电能消耗大的缺点，提高了催化效率，实现节能减排。

上述的实用新型中，在反应室和第二上升通道（Ⅱ）设置加热器（7）的作用是为反应室和第二上升通道（Ⅱ）进行辅助加热，在设备投入运行的初始产生适合目标产物合成的室温，在设备正常运行时进行操作温度的调节，同时，起到使原料气加速循环催化的作用。所述的加热器（7）为电热器或热交换器，选用市场现有产品。

上述的实用新型中，在上升管（6）下部的入口端上有过滤器（22），过滤器（22）的作用是防止下气室（Ⅴ）中的目标产物反馈到反应室（Ⅱ）内，影响到反应室（Ⅱ）内的催化效率。

上述的实用新型中，进入到下气室（Ⅴ）中的混合物在经过下降管冷却后，其中的目标产物在露点温度以下时便成为液态的目标产物，液态的目标产物由集液区（Ⅳ）底部的产物出口（12）及时分离出来，以降低反应器内的目标产物浓度，使化合反应向有利的方向进行，使原料气加快合成目标产物，提高催化效率。

本实用新型的有益效果是：设计的一种具有双上升动能的自循环合成反应器，利用反应室内化学合成反应时放出的反应热分别在上升管（6）内和反应室中形成上升动能，实现由反应器自己进行循环，只需把原料气一次压缩就能全部合成为目标产物，同时，利用螺旋导流板（23）使壁体（5）与反应器壳体（24）之间的空间形成螺旋预热通道（Ⅰ），使得预热通道的行程得到延长，从而能更充分利用反应室（Ⅱ）内的反应热来加热原料气或未反应气，使原料气或未反应气更容易被催化合成目标产物。与常规技术相比，本实用新型克服了常规的化学合成设备需把原料气进行反复循环压缩电能消耗大的缺点。本实用新型可在甲醇、二甲醚、合成氨等化学合成产品的生产线上应用。

附图说明

图1是本实用新型的一种具有双上升动能的自循环合成反应器结构图。

图2是本实用新型的另一种具有双上升动能的自循环合成反应器结构图。

图3是图1的A-A剖面图。

图4是图2的B-B剖面图。

图5是外部连接有下降管的具有双上升动能的自循环合成反应器结构图。

图中：1.上端头，2.密封圈a，3.温度传感器，4.连接支管，5.反应室壁体，6.上升管，7.加热器，8.过孔群，9.下隔板，10.催化剂卸料出口，11.催化剂卸料管，12.产物出口，13.产物输出管，14.基础，15.支架，16.下端头，17.密封圈b，18.混合气输入接口，19.下降管出口，20.冷却供水管，21.原料补气接口，22.过滤器，23.螺旋导流板，24.反应器壳体，25.下降管，26.保温层，27.上隔板，28.下降管进口，29.喷淋器，30.混合气输出接口，Ⅰ.螺旋预热通道，Ⅱ.反应室和第二上升通道，Ⅲ.第一上升通道，Ⅳ.集液区，Ⅴ.下气室，Ⅵ.上气室。

具体实施方式

实施例1 附图1所示的实施例中，具有双上升动能的自循环合成反应器主要由壁体（5）、上升管（6）、螺旋导流板（23）、上隔板（27）、下隔板（9）、上端头（1）、下端头（16）和反应器壳体（24）组成，其中，壁体（5）呈圆筒体结构，上升管（6）设置在壁体（5）的内空间中，上升管（6）的内空间构成第一上升通道（Ⅲ），上升管（6）与壁体（5）之间的空间构成反应室和第二上升通道（Ⅱ），在反应室和第二上升通道（Ⅱ）中有加热器（7），加热器（7）为电热器。在壁体（5）的下部有多只洞孔，多只洞孔构成过孔群（8）；壁体（5）的外围为反应器壳体（24），壁体（5）与反应器壳体（24）之间有空间，螺旋导流板（23）以盘旋方式设置在壁体（5）与反应器壳体（24）之间，使壁体（5）与反应器壳体（24）之间的空间构成螺旋预热通道（Ⅰ），在壁体（5）上端的外侧与反应器壳体（24）之间通过上隔板（27）进行连接，上隔板（27）构成螺旋预热通道（Ⅰ）的顶部封闭端，下隔板（9）封闭在反应室和第二上升通道（Ⅱ）的底端和螺旋预热通道（Ⅰ）的底端；上升管（6）为一根设置，在上升管（6）的上部与螺旋预热通道（Ⅰ）上部部位的壁体（5）之间有连接支管（4），上升管（6）的上端口封闭，上升管（6）的上部的内空间通过连接支管（4）连通到螺旋预热通道（Ⅰ）的上部，螺旋预热通道（Ⅰ）的下部由过孔群（8）连通到反应室和第二上升通道（Ⅱ）的下部，在反应室和第二上升通道（Ⅱ）的底部有催化剂卸料出口（10）接出；上端头（1）为圆弧顶结构，上端头（1）安装在反应器壳体（24）的上端口，在上端头（1）与反应器壳体（24）上端口的连接面之间有密封圈a（2），上端头（1）与反应器壳体（24）的上部所围护的空间构成上气室（Ⅵ），上气室（Ⅵ）连通到反应室和第二上升通道（Ⅱ），在上气室（Ⅵ）中有温度传感器（3），上气室（Ⅵ）有混合气输出接口（30）接出；下端头（16）为圆弧底结构，下端头（16）安装在反应器壳体（24）的下端口，在下端头（16）与反应器壳体（24）下端口的连接面之间有密封圈b（17），下端头（16）与反应器壳体（24）的下部所围护的空间构成下气室（Ⅴ），上升管（6）的下端穿过下隔板（9）进入到下气室（Ⅴ），在上升管（6）下端的入口上有过滤器（22），下气室（Ⅴ）通过滤液器（22）连通到上升管（6）的内空间，下气室（Ⅴ）的上部有混合气输入接口（18）接入和原料补气接口（21）接入，下气室（Ⅴ）的下部为集液区（Ⅳ），集液区（Ⅳ）的底部有产物出口（12）接出；在上端头（1）上气室（Ⅵ）部位的反应器壳体（24）外侧上和在螺旋预热通道（Ⅰ）部位的反应器壳体（24）外侧上安装保温层（26）。

实施例2 图2所示的实施方式中，是在第一实施例的结构上，把上升管（6）设置为三根，各个上升管（6）的上部为弯曲结构，三根上升管（6）环形陈列在反应室和第二上升通道（Ⅱ）中，各个上升管（6）的上端口连接在螺旋预热通道（Ⅰ）上部部位的壁体（5）上。其它的与第一实施例相同，不再赘述。

实施例3 图5所示的实施方式中，是在第一实施例的基础上，在合成反应器的外部增加下降管（25）和喷淋器（29），其中，下降管（25）为螺旋盘管结构，下降管进口（28）在下降管（25）的上端，下降管出口（19）在下降管（25）的下端，喷淋器（29）分布在下降管（25）的周边，喷淋器（29）由冷却供水管（20）提供冷却水，喷淋器（29）的喷嘴指向下降管（25），使下降管（25）降温，喷淋后的由接水盘或水池回收进行循环利用（图中未示出）；下降管进口（28）连接到上气室（Ⅵ）的混合气输出接口（30），下降管出口（19）连接到下气室（Ⅴ）的混合气输入接口（18）。本实施例的合成反应器结构与第一实施例所述的相同，不再赘述。本实施例在进行化学合成生产时，下降管（25）内充满目标产物与未反应气的混合气，喷淋器（29）的喷嘴对下降管（25）喷洒冷却水，使下降管（25）内的混合气温度下降而密度增大，降温后的混合气进行下降运动，进入到下气室（Ⅴ）中，混合气中的目标产物在温度降到露点温度以下时，便成为液态的目标产物，液态的目标产物经集液区（Ⅳ）下部的产物出口（12）分离出来进入贮罐，未反应气经过滤器（22）进入到上升管（6）中，间接接受反应室和第二上升通道（Ⅱ）内的反应热后，温度升高，进行上升运动，由上升管（6）的上部进入到螺旋预热通道（Ⅰ）之中，再经预热升温后，由壁体（5）下部的过孔群（8）进入到反应室和第二上升通道（Ⅱ）中，进行化学合成反应，反应热使反应室和第二上升通道（Ⅱ）内的混合气升温，升温后的混合气会进行上升运动，进入到上气室（Ⅵ）中，这时，由于下降管（25）中的混合气进行下降运动，从而产生引力使上气室（Ⅵ）中的混合气进入到下降管中。如此周而复始，由合成反应器及设置在外围的下降管在等压条件形成自动循环，并及时分离出目标产物，合成目标产物所消耗的原料气通过原料补气接口进行补充，使合成反应器内的目标产物浓度始终低于平衡点，使得化合反应能持续进行。

上述的实施例作为甲醇、二甲醚、合成氨或其它化学合成产品的生产线上应用。当在甲醇生产线上应用时，在反应室和第二上升通道（Ⅱ）中设置以48%的CuO、46%的ZnO和5%的Al₂O₃为组份的颗粒状催化剂，再把一体积的CO和二体积的H₂混合后输入到合成反应器内，进行合成甲醇生产，原料气合成为甲醇的反应式为CO+2H₂→CH₃OH+102.5kj；当在一步法合成二甲醚生产线上应用时，在反应室和第二上升通道（Ⅱ）中设置以48%的CuO、46%的ZnO和5%的Al₂O₃为组份的颗粒状催化剂，再加填ZSM-5分子筛，再把一体积的CO和二体积的H₂混合后作为原料气输入到合成反应器内，进行合成二甲醚生产，原料气合成为二甲醚的反应式为2CO+4H₂→（CH₃）₂O+H₂O+200.2kj；当在合成氨生产线上应用时，在反应室和第二上升通道（Ⅱ）中设置以催化剂组份以Fe为主，以 Al₂O₃、K₂O、CaO、SiO₂、BaO为促进剂，再把一体积的N₂和三体积的H₂混合后作为原料气输入到合成反应器内，进行合成氨生产，原料气合成为氨的反应式为N₂+3H₂→2NH₃+92.1kj。

Claims

1.一种具有双上升动能的自循环合成反应器，其特征是合成反应器主要由壁体（5）、上升管（6）、螺旋导流板（23）、上隔板（27）、下隔板（9）、上端头（1）、下端头（16）和反应器壳体（24）组成，其中，壁体（5）呈圆筒体结构，上升管（6）设置在壁体（5）的内空间中，上升管（6）为一根或多根设置，上升管（6）的内空间构成第一上升通道（Ⅲ），上升管（6）与壁体（5）之间的空间构成反应室和第二上升通道（Ⅱ），在壁体（5）的下部有多只洞孔，多只洞孔构成过孔群（8）；壁体（5）的外围为反应器壳体（24），壁体（5）与反应器壳体（24）之间有空间，螺旋导流板（23）以盘旋方式设置在壁体（5）与反应器壳体（24）之间，使壁体（5）与反应器壳体（24）之间的空间构成螺旋预热通道（Ⅰ），在壁体（5）上端的外侧与反应器壳体（24）之间通过上隔板（27）进行连接，上隔板（27）构成螺旋预热通道（Ⅰ）的顶部封闭端，下隔板（9）封闭在反应室和第二上升通道（Ⅱ）的底端和螺旋预热通道（Ⅰ）的底端；上升管（6）的上部内空间连通到螺旋预热通道（Ⅰ）的上部，螺旋预热通道（Ⅰ）的下部由过孔群（8）连通到反应室和第二上升通道（Ⅱ）的下部；上端头（1）安装在反应器壳体（24）的上端口，上端头（1）与反应器壳体（24）的上部所围护的空间构成上气室（Ⅵ），上气室（Ⅵ）连通到反应室和第二上升通道（Ⅱ），上气室（Ⅵ）有混合气输出接口（30）接出；下端头（16）安装在反应器壳体（24）的下端口，下端头（16）与反应器壳体（24）的下部所围护的空间构成下气室（Ⅴ），下气室（Ⅴ）的顶部连通到上升管（6）的下部内空间，下气室（Ⅴ）的上部有混合气输入接口（18）接入，下气室（Ⅴ）的下部为集液区（Ⅳ），集液区（Ⅳ）的底部有产物出口（12）接出。

2.根据权利要求1所述的一种具有双上升动能的自循环合成反应器，其特征是当上升管（6）为一根设置时，在上升管（6）的上部与螺旋预热通道（Ⅰ）上部部位的壁体（5）之间有连接支管（4），上升管（6）的上端口封闭，上升管（6）的上部的内空间通过连接支管（4）连通到螺旋预热通道（Ⅰ）的上部。

3.根据权利要求1所述的一种具有双上升动能的自循环合成反应器，其特征是当上升管（6）为多根设置时，各个上升管（6）的上部为弯曲结构，多根上升管（6）环形陈列在反应室和第二上升通道（Ⅱ）中，各个上升管（6）的上端口连接在螺旋预热通道（Ⅰ）上部部位的壁体（5）上。

4.根据权利要求1所述的一种具有双上升动能的自循环合成反应器，其特征是在反应室和第二上升通道（Ⅱ）的底部有催化剂卸料出口（10）接出。

5.根据权利要求1所述的一种具有双上升动能的自循环合成反应器，其特征是在下气室（Ⅴ）的上部有原料补气接口（21）接入。

6.根据权利要求1所述的一种具有双上升动能的自循环合成反应器，其特征是在上升管（6）下部的入口端上有滤液器（22），下气室（Ⅴ）通过过滤器（22）连通到上升管（6）的内空间。

7.根据权利要求1所述的一种具有双上升动能的自循环合成反应器，其特征是在上气室（Ⅵ）部位的反应器壳体（24）外侧上和在螺旋预热通道（Ⅰ）部位的反应器壳体（24）外侧上安装保温层（26）。

8.根据权利要求1所述的一种具有双上升动能的自循环合成反应器，其特征是在反应室和第二上升通道（Ⅱ）中有加热器（7），加热器（7）为电热器和热交换器其中的一种。