CN204365252U - 一种大型反应器及其装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种均温、高效、低压降的大型反应器及其装置，包括壳体、换热内件、进口管箱和出口管箱，所述的换热内件采用换热绕管，所述的进口管箱和/或出口管箱的数量各为2或2的倍数，分别设于下封头和上封头上，或者筒体下部和上部，所述的大型反应器为轴径向反应器或径轴向反应器。本实用新型公开的大型反应器具有易大型化、节能降耗、投资低、结构安全可靠、优化设计易大型化等优点。

Description

一种大型反应器及其装置

技术领域

本实用新型涉及石油和煤化工领域，特别是流体固定床催化反应和传热过程，尤其适用大型石化煤化工中甲醇、甲醚、烃类等强放热和吸热化学反应过程。

背景技术

目前我国煤化工广受国内外关注，一是发展迅速、投资大；二是规模大型化，国家发改委对新上煤化工设定规模要求，例如甲醇合成为年产100万吨，乙二醇为年产20万吨，一些知名国外公司如Lurgi、DAVY等均已成功开发日产5000吨大甲醇，并在我国神华宁煤、包头等煤化工装置投运；三是煤化工项目中大型反应器都采用国外技术；四是大型煤化工项目中采用多台反应器组合，单台能力尚不大。

目前国际跨国公司以其巨大的实力和知名度成功开发了多种型式的反应器，在应用最多的固定床反应器中就有绝热式、冷激式、水冷或气冷换热、管式或板式换热、轴向和径向、立式或卧式反应器。其中DAVY径向塔阻力低，而移热能力不足，投运后热点高达300℃多高温，影响催化剂寿命，Lurgi大甲醇水冷和气冷塔串联均为轴向塔，合成塔压降和合成回路阻力大，总阻力高达0.7MPa多，增加了电耗。

美国Exxon-mobil化学专利公司的大型甲醇合成反应系统专利WO2007021393、CN101243027由一台管壳反应器和一台气冷管，和一台水冷管外催化剂反应器串联组成，直径5.8米，总床高22米，CO单程转化率35.3％，同样存在反应器大、合成阻力大的问题。

总之，至今为止国内外均还没有工艺性能好、温度均匀、转化率高、容积利用率大、能效高、单台达到年产100万吨的大型甲醇塔。

实用新型内容

本实用新型针对现有大型工艺反应技术和反应器的不足提出均温、高效、低压降的大型反应工艺技术和反应器的解决方案。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

一种大型反应器，包括壳体、换热内件、进口管箱和出口管箱，所述的换热内件包括换热绕管，所述的壳体包括上封头、筒体、下封头，所述的上封头和下封头上分别设有进气口和 出气口，所述的进口管箱和/或出口管箱的数量各为2或2的倍数，分别设于下封头和上封头上，或者筒体下部和上部并按圆周对称布置，所述的进口管箱和出口管箱分别连接换热绕管的两端，所述的换热绕管由定位条分隔定位缠绕成层层管组，所述的换热绕管间装填催化剂形成催化剂层。

作为一种优选，所述的上封头上方设有兼做出口管箱的汽包，所述的汽包与上封头之间的管板上连接偶数个扇形布管区的绕管组。

作为一种优选，所述的大型反应器是径轴向反应器，所述的筒体内壁的中下部设有多孔集气筒，筒体中心设有中心分气筒，所述的中心分气筒的中下部开孔，所述的中心分气筒和多孔集气筒上靠催化剂一侧铺有不锈钢丝网，所述的中心分气筒和多孔集气筒之间为换热绕管外的催化剂层，所述的出气口位于上封头上，所述的进气口位于中心分气筒顶端，所述的中心分气筒为底端密封的中空芯轴。该结构形式的反应器为先径向后轴向的轴径向绕管反应器，气体从中心分气筒顶端的进气口进入，经中心分气筒中下部的分气孔均匀分布进入催化剂层，大部分气体径向穿过催化剂层进入多孔集气筒，在多孔集气筒内轴向向上流动，出多孔集气筒后的反应气继续轴向向上流动，从出气口出反应器。

作为一种优选，所述的大型反应器是轴径向反应器，所述的筒体内壁三分之二高度的中下部设有多孔分气筒，筒体中心设有中心集气筒，所述的中心集气筒的中下部开孔，所述的中心集气筒和多孔分气筒上靠催化剂层一侧铺有不锈钢丝网，所述的中心集气筒用定位圈固定于筒体中心，所述的中心集气筒和多孔分气筒之间为换热绕管外的催化剂层，所述的进气口位于上封头顶部，所述的出气口位于中心集气筒底端，所述的中心集气筒为顶端密封的中空芯轴。该结构形式的反应器为先轴向后径向的轴径向绕管反应器，气体从上封头顶部的进气口进入，轴向向下流动进入多孔分气筒，从多孔分气筒上的分气孔均匀分布进入催化剂层，径向流动穿过催化剂层，从中心集气筒上的集气孔进入，再沿中心集气筒向下从底部的出气口出反应器。

作为一种优选，所述的换热绕管为小管径螺旋换热管，管内径10～25mm。

作为一种优选，位于催化剂床层自上而下10～50％高度部分的换热绕管轴向上下相邻二管的管壁间距为正常均匀间距的10～90％。

由于气体在催化剂床层中的反应速度和放出的反应热是变化的，在反应的前部高而后面低，在采用管壳式反应器时，因换热面积都是一样的，因此在前部形成一个床层反应温度的峰值，为此本实用新型可采用在催化反应的前部用减小上下圈换热管管壁距的方式，例如在气体进床层10％到50％部分管壁距减小10-90％，增加换热面积，加大移热速度，就可解决催化剂层热点温度过高、超温失活的问题，延长催化剂使用寿命。

作为一种优选，位于催化剂床层自下而上20％高度部分的换热绕管轴向上下相邻二管的管壁间距为正常均匀间距的10～90％。在催化反应床层底部，因反应气中产物含量高，对放热反应距离产物平衡温度近，为了进一步提高产物含量，也可采用缩小上下层管壁距，例如在床层深度80％以上部分管壁距减小10-90％，增加移热量、降低反应温度，有利于进一步提高产物含量。

作为一种优选，所述的大型反应装置包括单台水冷绕管大型反应器，或水冷绕管大型反应器串气冷大型反应器。

如上所述的大型反应器，可用于费托反应合成油、甲烷化、环氧乙烷、乙二醇生产等放热反应或吸热反应。

一种采用如权利要求1所述的大型反应器的大型甲醇合成工艺，其特征在于包括以下步骤：

1)新鲜原料气和合成驰放气回收氢气混合成混合气，上下，经深度净化后与循环气混合，达到出口反应气中甲醇摩尔分率＞10％，进大型反应器合成甲醇；

2)混合气经换热器换热升温到高于210℃，合成甲醇的反应热加热换热绕管内的水副产中压蒸汽，达到吨醇高于1吨蒸汽；

3)出大型反应器后，高甲醇含量的热气经换热器换热冷却，加热锅炉水降温或用空气冷却器降温后再经水冷冷却到40℃上下，去醇分离器分离甲醇；

4)分离产物后的反应气经循环机返回再去反应的循环气和新鲜原料气之比即循环比小于3，另一部分驰放气用膜分离、变压吸附等方法回收利用有效氢气，再返回合成甲醇，或者进入下一个小反应回路进一步反应。

本实用新型与现有技术相比具有明显的优势，具体比较见下表：

日产5000吨大甲醇主要技术设备经济比较

由上可见主要优势是：

1.易大型化：由于均温，显著提高催化剂活性，加之催化剂装填系数比管壳式增加一倍，易实现大型化，例如一台甲醇塔可替代目前国外Lurgi和DAVY等大甲醇技术的多台合成塔。

2.节能降耗，合成转化率高，原料气耗低，副产蒸汽高，热回收好，循环比小，电耗低， 运用成本低。

3.投资低：设备管道小、占地少，投资低，合成塔催化剂装填系数高和单位催化剂活性高、效率高、产量高，高效利用反应热，反应器副产蒸汽量多、热回收率高、循环比低，产物净值高；阻力小，电耗能耗低。

4.结构安全可靠：内件无焊接点，螺旋换热管弹性结构无温差应力，从根本上保证合成塔结构安全可靠，无泄漏；管板管子焊接点在壳体管箱，检修不影响催化剂活性；成功解决大塔制造安装、维修、运输难题，安全可靠。

5.优化设计易大型化：掌握先进的设计手段，已建立绕管合成塔数学模型，可用于不同生产能力和不同工艺条件和参数计算优化结构参数，达到最佳效果；无大管板、折流板，用小换热管箱和定位条结构，为加工大直径塔克服难题。

附图说明

图1是由单台立式轴向水冷绕管合成塔和换热分离循环等设备组成的大型甲醇合成回路示意图。

图2是由水冷绕管塔和气冷绕管塔串联组成。

图3是由有偶数成对进出口管箱的轴向水冷绕管反应器。

图4是汽包设在合成塔上封头的轴向水冷绕管反应器。

图5是一种先径向后轴向的轴径向绕管反应器。

图6是一种先轴向后径向的轴径向绕管反应器。

附图标记说明：

1-反应器         2-换热器             3-空冷器            4-水冷器

5-醇分器         6-氢回收器           7-循环机            8-汽包

9-水泵           1a-水冷反应器        1b-气冷反应器       11-筒体

12-换热绕管      13-绕管轴芯          14-进口管箱         15-出口管箱

16-上封头        17-下封头            18-进气口           19-出气口

20-定位条        21-顶部汽包          22a-汽包人孔        22b-上封头人孔

22c-下封头人孔   23-管板              24-蒸汽出口         25-多孔集气筒

26-中心分气筒    27-多孔分气筒        28-中心集气筒       L1-原料气

L2-出塔气        L3-驰放气            L40循环气           L5-燃料气

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的进行详细的描述。

实施例1

如图1所示，单台立式水冷绕管合成塔和换热分离循环等设备组成的大型甲醇合成回路，反应器1为立式水冷绕管反应器，结构如图3所示，反应器1的进口管路与换热器2壳程连接，换热器2前连接循环机7，反应器1的出口管路与换热器2的管程连接，换热器2的管程出口再依次连接空冷器3、水冷器4和醇分器5，醇分器5的出口管路分为二路，一路与循环机7连接，另一路连接氢回收器6。氢回收器6与循环机7之间也有管路连接。反应器1外接汽包8和水泵9。原料气L1与循环气L4混合后经换热器2被出塔气L2加热升温到高于210℃，进反应器1合成甲醇，合成甲醇的反应热加热绕管内的水副产中压蒸汽，出塔气L2经换热器2、空冷器3、水冷器4冷却到40℃左右，再去醇分器5分离甲醇，分离甲醇后的反应气一部分作循环气L4经循环机7返回，另一部分作为驰放气L3进氢回收器6回收氢气，再返回合成甲醇，其余部分L5送出作燃料气等。

图1中采用的反应器1的结构如图3所示，包括壳体、换热内件、进口管箱14和出口管箱15，所述的进口管箱14和出口管箱15的数量各2个，分别设于下封头17和上封头16上，所述的换热内件包括沿绕管轴芯13呈螺旋形缠绕布置的换热绕管12，换热绕管的两端分别与进口管箱14和出口管箱15连接，形成2个以绕管轴芯为圆心、不同圈径的换热管束，所述的壳体包括上封头16、筒体11、下封头17，所述的上封头16和下封头17上设有进气口18和出气口19，所述的换热绕管12由内到外由定位条20分隔定位缠绕成层层管组，所述的换热绕管间装填催化剂形成催化剂层。所述的上封头16和下封头17上还设有人孔供装卸催化剂和检修用。如图1中的原料气L1与循环气L2混合经加热器2升温后从图3所示的进气口18进入反应器1，进入催化剂层发生甲醇合成反应，反应热被换热绕管12中的水吸收，产生中压蒸汽。反应后的气体从出气口19出塔。反应器1的进口管箱14和出口管箱15分别与水泵9、汽包8连接构成回路。

实施例2

如图2所示的大型甲醇合成回路，包括水冷绕管结构的水冷反应器1a和气冷绕管结构的气冷反应器1b，水冷反应器1a的结构同实施例1所述的反应器1相同，气冷反应器1b可以是本实用新型所述结构的反应器(例如反应器1)，也可以是其他类型结构的气冷反应器，例如申请人已授权的中国发明专利ZL01808570.9。

水冷反应器1a的进口管箱和出口管箱分别与水泵9、汽包8连接构成回路，水冷反应器1a的壳程进气口与气冷反应器1b的管程出口连接，水冷反应器1a的壳程出气口与气冷反应 器1b的壳程进口连接，气冷反应器1b的壳程出口与换热器2、水冷器4、醇分器5依次连接，醇分器5的出口管路分为二路，一路与循环机7连接，另一路连接氢回收器6。氢回收器6与循环机7之间也有管路连接。气冷反应器1b的管程进口与循环机7连接。

水冷反应器1a和气冷反应器1b都是采用绕管结构，所不同的是水冷反应器1a的换热绕管内的换热介质为水，换热绕管通过进口管箱和出口管箱与汽包、水泵连接副产蒸汽，而气冷反应器1b的换热绕管内的换热介质为原料气，气冷反应器1b的管程进口和管程出口即指换热介质的进口和出口。而壳程进口和壳程出口指的是反应气的进口和出口。

原料气L1与循环气L4混合后先进气冷反应器1b的管程进口，在气冷反应器1b的换热绕管内被出塔气L2加热升温，再从出气冷反应器1b的管程出口，进水冷反应器1a的壳程进口，在水冷反应器1a的催化剂层内进行甲醇合成反应，合成甲醇的反应热加热换热绕管内的水副产中压蒸汽，出塔气L2再从气冷反应器1b的壳程进口进入，在气冷反应器1b内的管外催化剂层反应进一步合成甲醇，加热换热绕管内的原料气，再从壳程出口出塔，依次经换热器2、水冷器4冷却到40℃左右，再去醇分器5分离甲醇，分离甲醇后的反应气一部分经循环机7返回作循环气L4，另一部分作为驰放气L3进氢回收器6回收氢气，再返回合成甲醇。回收氢气后其余气体送去作燃料气L5。

实施例3

如图4所示的轴向水冷绕管反应器，包括壳体、换热内件和进口管箱14，所述的进口管箱14有2个，位于下封头17上对称布置，壳体包括上封头16、筒体11和下封头17，所述的上封头16顶部设有兼做出口管箱的顶部汽包21，所述的顶部汽包21与上封头16之间的管板23上连接2个间距500mm上下的扇形布管区绕管管束组。所述的上封头16侧边还设有进气口18和上封头人孔22b。顶部汽包21上设有蒸汽出口24和汽包人孔22a。汽包人孔22a用于检修，上封头人孔22b用于催化剂装入和检修。所述的下封头17上设有出气口19，以及用于催化剂卸出和检修的下封头人孔(图中未示)。所述的换热内件包括沿绕管轴芯13呈螺旋形缠绕布置的换热绕管12，换热绕管的两端分别与进口管箱14和管板23扇形管束组连接，形成以绕管轴芯为圆心、不同圈径的换热管束。所述的换热绕管12由内到外由定位条20分隔定位缠绕成层层管组，所述的换热绕管间装填催化剂形成催化剂层。

用图1装置，原料气L1与循环气L2混合后从进气口18进入反应器1，进入催化剂层发生甲醇合成反应，反应后的气体从出气口19出塔。换热介质一水从进口管箱14进入换热绕管12，沿换热绕管12自下而上螺旋向上，甲醇合成的反应热被换热绕管12中的水吸收，产生中压蒸汽，进入顶部汽包21并从蒸汽出口24出反应器。

实施例4

如图5所示的先径向后轴向的径轴向绕管反应器，包括壳体、换热内件、进口管箱14和出口管箱15，所述的进口管箱14和出口管箱15的数量各2个，分别设于下封头17和上封头16上，所述的换热内件包括呈螺旋形缠绕布置的换热绕管12，换热绕管的两端分别与进口管箱14和出口管箱15连接，形成以绕管轴芯为圆心、不同圈径的换热管束，所述的壳体包括上封头16、筒体11、下封头17，所述的上封头16上设有出气口19(上封头16上还设有用于催化剂装入及检修用的上封头人孔，由于位置所限图中未示)，所述的换热绕管12由内到外由定位条分隔定位缠绕成层层管组(为清晰显示本实施例中气体流向，图5未显示筒体内部的换热绕管布置)，所述的换热绕管间装填催化剂形成催化剂层。所述的下封头17上设有用于催化剂卸出和检修的下封头人孔22c。

所述的筒体11内壁的中下部设有多孔集气筒25，筒体中心设有中心分气筒26，所述的中心分气筒26为中空结构，所述的中心分气筒26为底端密封的中空轴芯，其顶端即进气口18，中心分气筒26的中下部开孔，所述的中心分气筒26和多孔集气筒25上靠催化剂一侧铺有不锈钢丝网(图中未示)，所述的中心分气筒26和多孔集气筒25之间为换热绕管外的催化剂层。(为了显示出气口19和下封头人孔22c，图5中只显示了一个进口管箱14和一个出口管箱15，实际为各一对)。

气体从中心分气筒26顶端的进气口18进入，经中心分气筒26中下部的分气孔均匀分布进入催化剂层发生合成反应，大部分气体径向穿过催化剂层进入多孔集气筒25，在多孔集气筒25内向上流动，出多孔集气筒25后的反应气和少部分从中心分气筒26出来的气体再轴向向上流动反应，从出气口19出反应器。

实施例5

如图6所示的先轴向后径向的轴径向绕管反应器，

包括壳体、换热内件、进口管箱14和出口管箱15，所述的壳体包括上封头16、筒体11、下封头17，所述的上封头16上设有用于催化剂装入及检修用的上封头人孔22b，所述的下封头17上设有出气口19和用于催化剂卸出和检修的下封头人孔22c。所述的进口管箱14为二个，所述的出口管箱15为4个，分别设于下封头17和上封头16上(为了显示上封头人孔22b和下封头人孔22c，图5中只显示了一个进口管箱14和一个出口管箱15，实际分别为一对和二对)，所述的换热内件包括呈螺旋形缠绕布置的换热绕管12，换热绕管的两端分别与进口管箱14和出口管箱15连接，形成以绕管轴芯为圆心、不同圈径的换热管束(为清晰显 示本实施例中气体流向，图5未显示筒体内部的换热绕管布置)，所述的换热绕管间装填催化剂形成催化剂层。

所述的筒体11内壁约70～90％长度的中下部设有多孔分气筒27，筒体中心设有中心集气筒28，所述的中心集气筒28的对应高度中下部开孔，所述的中心集气筒28为顶端密封的中空芯轴，所述的中心集气筒28和多孔分气筒27上靠催化剂一侧铺有不锈钢丝网(图中未示)，所述的中心集气筒28用定位圈固定于筒体中心，所述的中心集气筒28和多孔分气筒27之间为换热绕管外的催化剂层，所述的进气口18位于上封头顶部，所述的出气口19即中心集气筒28的底端。

该结构形式的反应器为先轴向后径向的轴径向绕管反应器，气体从上封头16顶部的进气口18进入，轴向向下流动进入多孔分气筒27，从多孔分气筒27上的分气孔均匀分布进入催化剂层，径向流动穿过催化剂层，从中心集气筒28上的集气孔进入，小部分靠近中心的气体轴向流动反应进入中心集气筒28，再沿中心集气筒28向下从底部的出气口19出反应器。

实施例6

采用本实用新型中图3所示轴向反应器用于日产5000吨大甲醇，合成压力8.2MPa，反应器直径5.8米，催化剂床层高7.5米，用南京世德甲醇合成催化剂，催化剂装量172M³，空速6270/时，循环比1.28，原料气量46×10⁴NM³/h，进塔气量107.8×10⁴NM³/h，空塔速度6271NM³/h，经与出合成塔气换热升温到210℃以上，进甲醇塔在约250℃上下，合成甲醇。出塔气量78.5×10⁴NM³/h，出塔气甲醇含量19.1％，反应器压降0.13MPa，CO总转化率97.4％，CO₂总转化率95.8％，出合成塔气经换热回收热量，温度约230℃，水冷到40℃进甲醇分离器分离液相，含甲醇约98％，水2％，粗甲醇产品送去精馏，得精甲醇5024吨/日。气相大部分作循环气经升压与原料气混合再去合成甲醇，另一部分驰放气用膜分离法回收氢气也返回合成甲醇，其他部分作燃料气而利用。吨醇消耗原料气2265NM³/吨醇，合成甲醇的反应热加热反应器绕管内的锅炉水，吨醇副产1.3吨2～4MPa中压蒸汽。

实施例7

采用本实用新型中图6所示轴径向反应器用于日产10000吨大甲醇，合成压力8.2MPa，反应器直径5.4米，催化剂床层高18.8米，用国产催化剂(南京N306或成都XN98)350M³，空速6990/时，原料气量97×10⁴NM³/h，原料气氢碳比与循环比1.47 的循环气混合，进塔气量240×10⁴NM³/h，空塔速度6271NM³/h，经与出合成塔气换热升温到220℃进本实用新型反应器，在250℃上下合成甲醇。到底部出塔气量179.5×10⁴NM³/h，出塔气甲醇含量17.2％，CO总转化率99.3％，CO₂总转化率94％，温度约230℃，出合成塔气经换热回收热量，水冷到40℃进甲醇分离器分离液相，含甲醇约96.3％的粗醇产品送去精馏，得精甲醇10369吨/日。气相大部分作循环气返回与原料气混合再合成甲醇，少部分为驰放气经膜分离法回收氢气再返回合成甲醇，其余为放空气作为燃料气而利用。原料气消耗为2243NM³/吨醇，甲醇合成反应热加热反应器绕管内的锅炉水，吨醇副产2-4MPa中压蒸汽1.5吨。反应器压降＜0.1MPa。

Claims (8)

1.一种大型反应器，包括壳体、换热内件、进口管箱和出口管箱，所述的换热内件包括换热绕管，所述的壳体包括上封头、筒体、下封头，所述的上封头和下封头上分别设有进气口和出气口，其特征在于：所述的进口管箱和/或出口管箱的数量各为2或2的倍数，分别设于下封头和上封头上，或者筒体下部和上部并按圆周对称布置，所述的进口管箱和出口管箱分别连接换热绕管的两端，所述的换热绕管由内到外由定位条分隔定位缠绕成层层管组，所述的换热绕管间装填催化剂形成催化剂层。

2.如权利要求1所述的大型反应器，其特征在于：所述的上封头上部设有兼做出口管箱的汽包，所述的汽包与上封头之间的管板上连接偶数个扇形布管区的绕管组。

3.如权利要求1所述的大型反应器，其特征在于：所述的大型反应器是径轴向反应器，所述的筒体内壁的中下部设有多孔集气筒，筒体中心设有中心分气筒，所述的中心分气筒中下部开孔，所述的中心分气筒和多孔集气筒上靠催化剂层一侧铺有不锈钢丝网，所述的中心分气筒和多孔集气筒之间为换热绕管外的催化剂层，所述的出气口位于上封头上，所述的进气口位于中心分气筒顶端，所述的中心分气筒为底端密封的中空芯轴。

4.如权利要求1所述的大型反应器，其特征在于：所述的大型反应器是轴径向反应器，所述的筒体内壁中下部设有多孔分气筒，筒体中心设有中心集气筒，所述的中心集气筒的中下部开孔，所述的中心集气筒和多孔分气筒上靠催化剂层一侧铺有不锈钢丝网，所述的中心集气筒用定位圈固定于筒体中心，所述的中心集气筒和多孔分气筒之间为换热绕管外的催化剂层，所述的进气口位于上封头顶部，所述的出气口位于中心集气筒底端，所述的中心集气筒为顶端密封的中空芯轴。

5.如权利要求1所述的大型反应器，其特征在于：所述的换热绕管为小管径螺旋换热管，管内径10～25mm。

6.如权利要求1所述的大型反应器，其特征在于：位于催化剂床层自上而下10～50％高度部分的换热绕管轴向上下相邻二管的管壁间距为正常均匀间距的10～90％。

7.如权利要求1所述的大型反应器，其特征在于：位于催化剂床层自下而上20％高度部分的换热绕管轴向上下相邻二管的管壁间距为正常均匀间距的10～90％。

8.一种大型反应装置，其特征在于：所述的大型反应装置使用如权利要求1所述的大型反应器，所述的大型反应装置包括单台水冷绕管大型反应器，或水冷绕管大型反应器串气冷大型反应器。