CN2235316Y - 折流组合冷管式自换热催化反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种自换热催化反应器。它适用于氨合成或甲醇合成等场合的化工单元操作设备，主要特征是反应器内催化剂床层埋设的冷管组是由两个或多个用两层冷管与环管组焊成的折流冷管组套装成的折流组合冷管组。上部分气盒采用悬挂式分气盒。需作轴向移动件的密封部位采用不等径环密封结构。具有生产强度高，密封可靠，易制造、安装、检查、维修等突出优点及显著的经济效益。

Description

折流组合冷管式自换热催化反应器

本实用新型是关于自换热的催化反应器，是一种化学反应工程单位元操作设备。可用于氨合成反应器，甲醇合成反应器和其他需要内部进行自换热的催化反应设备。

研究表明，催化反应过程的强度与催化剂的活性有着密切的关系。而催化剂的活性除了与组成催化剂的成分、物理特性及制造方法有关外，还与其还原的好坏程度有关。催化剂最佳还原温度的范围一般都是比较窄的，使催化剂均能充分还原，尽可能地提高催化剂的话性以达到最佳的催化反应过程的强度。对轴向合成反应器来说，在催化剂还原末期，应力求近似实现等温还原(即同平面温差和轴向温差都应尽可能地缩小)。

研究还表明，在催化反应的过程中适当提高进入催化剂床层的温度可以使“热点”上移，以使上层催化剂充分发挥其催化作用。从而提高催化剂的利用率，达到提高设备的生产能力。

催化剂床层同平面温差、轴向温差的大小以及进催化剂床层温度的高、低都与反应器的结构型式有关。U型管式反应器、单管折流式反应器及分集气环折流式反应器都是为改善催化剂床层温度的分布，提高进催化剂床层温度和催化剂活性及利用率而采用的结构型式。这三种型式的反应器在生产应用中，虽有了些改进，但都尚存在不足之处。

U型管式反应器的特征是催化剂床层埋设的冷管是U型的。U形管是用等径无缝钢管制成。U形管固定方式曾使用过的有三种，即固定在催化剂筐筒体顶部的分气盒上；或固定在与中心管相连的分气环管上；或固定在中心管上。这种结构的反应器存在着：①逆流部分(上行冷管)与并流部分(下行冷管)的换热面积之比无法减小，而上行冷管内的气体与催化剂床层的温差很小，相应换热强度也小，故所需的总换热面积就大，使设备容积利用率降低和冷管材料增加；②组焊后不易对U形冷管组进行试压；③在U形管之间不易设置支撑架，使床层中冷管分布不均，因此致使同平面温差差大；④对直径较大的反应器无法使布管相对合理，故只能用于小型反应器。

单管折流式反应器的特征是催化剂床层中设置了多根上行冷管和下行冷管与催化剂托篦下的集分气盒固定。这种结构的反应器存在：①上行冷管和下行冷管的管端面分布在下、上两个平面上，并相互交错，冷管与集分气盒固定焊之后不易试压；②由于下行冷管上部都得采用填料密封，并且密封点多，故泄漏点也多；③下行冷管上部有600毫米长的隔热套管，造成耗材多并使催化剂填装量减少；④所有冷管都要穿过催化剂托篦，才能与集分气盒固焊，因此，要求托篦和集分气盒有很高的加工精度，而且使冷管与集分气盒组焊不方便；⑤装填催化剂困难，而且易漏入下面的换热器内，堵塞换热管。

分集气环折流式反应器的特征是催化剂床层中埋设的冷管组通常是由三层冷管与环管组焊成冷管组。上部分气盒有两种即用隔板把催化剂筐上部隔一空腔作分气盒或在催化剂筐顶部设置一分气盒。这种结构的反应器存在：①分集气环管直径较大，环管上焊接三层冷管，造成下行冷管与上行冷管分布不均，同平面温差较大，且冷管与环管组焊时有一部分焊缝看不见，因此，焊接、检查、返修都较困难，制造质量难保证；②环管的弯曲半径与环管管径之比过小，制造困难，只有少数厂才能制造；③上部分气盒无论采用上述的那种结构都会给安装、检修、催化剂的装卸以及器内填料函中填料的更换带来不便；④对较大直径的反应器冷管布设更加不均匀，会制造同平面温差过大，因此只适用于小型反应器.

本人在1991年设计了一种新结构的反应器取了专利权(专利号91 2 13979.X)。经制造、安装和使用证明了这种结构的反应器，制造、安装和检修容易，制造和安装质量容易保证，操作稳定，同平面温差小，反应产物净值高，使用寿命长。但是进催化剂床层的温度不及上述三种反应器高。

本实用新型的目的在于提供一种优于上述各种型式的反应器。该反应器具有生产强度高，密封性好，在制造、安装、检查、催化剂的卸和检修方面均较方便，而且操作稳定使用寿命长。与上述现有技术比，本实用新型的冷管采用折流组合冷管组，上部分气盒采用悬挂式分气盒，需作轴向移动件的密封部位，采用不等径环密封结构。折流组合冷管组，是由两个或多个大小不同的折流冷管组套装而成的。环管弯曲半径与环管管径之比大，容易制造，冷管焊接在环管上，能使冷管与环管焊接的焊缝容易焊接，焊后焊缝检查，试压发现渗漏等质量问题易返修，使冷管组的制造质量得到保证。上行冷管和下行冷管的布置更加合理，能使冷管之间合理的设置支撑架，保证了冷管在任何部位都能分布得更理想。这样既能使催化剂床层中温度分布更合理，为实现近似的等温还原创造了条件；又能提高进催化剂床层的温度，进而使床层上部的催化剂充分发挥作用；同时也减少了总换热面积，并节省了管材和提高了设备容积利用率，因此提高了设备的生产强度。悬挂式分气盒，是把分气盒制成敞口盒形，悬挂在催化剂筐的顶部法兰上。这样方更了催化剂筐内的零部件拆装、查修和催化剂的装卸。若采用91 2 13979.X号专利所述的温差式自紧密封结构将更为便利。由于使用悬挂式分气盒取代了惯用的隔板分气盒，这里隔板的支承圈就被取消，冷管就可以尽量向外排，因此大大改善了靠近催化剂筐筒体床层的换热，使床层同平面温差更加缩小。不等径环密封结构，是用直径大小不等的密封环置于密封盒中，外面用压盖适当压紧，使密封环产生一定的弹性变形，大环的外侧与外密封面密合，小环的内侧与内密封面密合来阻止介质的泄漏，既使密合不太好由于节流效应的作用仍可获得较好的密封效果。根据不同需要可选用不同的材料来制造密封环，环的截面形状和环的多少都可按需要确定。这种密封，结构紧凑，简单，并且密封可靠，能承受压力和温度的波动。

附图描述了本实用新型的一个实例。

图1：为折流组合冷管式自换热催化反应器总体示意图。

1——冷气入口

2——悬挂式分气盒

3——催化剂筐筒体

4——壳体

5——催化剂床层

6——中心管

7——电加热器

8——折流组合冷管组

9——器内换热器

10——气体出口

11——副线入口

本图描述了折流组合冷管式自换换催化反应器。它由壳体(4)，悬挂式分气盒(2)、催化剂筐筒体(3)、折流组合冷管组(8)、器内换热器(9)等组成。气体从冷气入口(1)进入设备，经壳体(4)和催化剂筐筒体(3)之间的环隙自上而下进入设备底部，用来保护壳体(4)不致过热。这股气体再从设备底部进入器内换热器(9)的管间与反应后的管程热气体换热，之后经中心管(6)进入悬挂式分气盒(2)，分别由折流组合冷管组(8)的各引气管进入相连的分气环管，再进入各下行冷管向下流动，带走床层中的反应热而自身被加热。沿下行冷管下行的气体进入集气环管后，再入各上行冷管折流向上流动并继续升温。被加热后的气体由催化剂床层(5)上面，进入床层向下流动并进行化学反应。未反应的原料气和反应产物一起流出催化剂床层进入器内换热器(9)的管程。气体通过器内换热器换热后，从气体出口(10)流出。当反应气的温度或床层的温度过高时从副线入口(11)通入适当的冷气来调节温度。电加热器(7)主要是为催化剂升温、还原用。本反应器的气体先进入中心管经电加热器加热后进冷管，有利于催化剂的升温还原。

图2：为A型折流组合冷管组示意图

12——引气管

13——外折流冷管组分气环管

14——内折流冷管组分气环管

15——下行冷管

16——上行冷管

17——支撑架

18——外折流冷管组集气环管

19——内折流冷管维集气环管

图2描述了A型折流给合冷管组。它由引气管(12)、外折流冷管组分气环管(13)、外折流冷管组集气环管(18)、内折流冷管组分气环管(14)、内折流冷管组集气环管(19)、下行冷管(15)、上行冷管(16)和支撑架(17)组成。每一冷管组都是由两层冷管与环管组焊并和支撑架一起构成一个独立的换热组件，使焊接时焊缝易见，检验时易发现缺陷和好进行返修。每一冷管组经检验合格后再套装成折流组合冷管组以确保制造的质量。

图3：为B型折流组合冷管组示意图。

20——引气管

21——外折流冷管组分气环管

22——内折流冷管给分气环管

23——支撑架

24——折弯式上行冷管

25——下行冷管

26——内折流冷管组集气环管

27——外折流冷管组集气环管

图3描述了B型折流组合冷管组。它是由引气管(20)、外折流冷管组分气环管(21)、折弯式上行冷管(24)、下行冷管(25)、外折流冷管组集气环管(27)组焊并与支撑架(23)组成外折流冷管组。由引气管(20)、内折流冷管组分气环管(22)、折弯式上行冷管(24)、下行冷管(25)、内折流冷管组集气环管(26)组焊并与支撑架(23)组成内折流冷管组。再将检验合格后的内、外折流冷管组套装成折流组合冷管组。与A型不同之处是上行冷管采用了折弯式上行冷管，以使催化剂床层中温度分布更加合理。

图4：为焊死悬挂式分气盒结构示意图。

28——盖板

29——压圈

30——筒端法兰

31——悬挂式分气盒本体

图4描述了焊死悬挂式分气盒。它主要由盖板(28)和悬挂式分气盒本体(31)构成。筒端法兰(30)与悬挂式分气盒本体以及该本体与盖板(28)的连接均采用密封焊，荷载主要是通过压圈(29)传给连接螺柱承受。这种结构安装方便，无泄漏。

图5：为可折悬挂式分气盒结构示意图。

32——顶盖

33——密封元件

34——筒端法兰

35——悬挂式分气盒本体

图5描述了可折悬挂式分气盒。它主要由顶盖(32)、密封元件(33)和悬挂式分气盒本体(35)组成。它是用螺柱连接在筒端法兰(34)上。本件采用了91 2 13979.X号专利所述的温差式自紧密封结构，密封可靠，装折方便。

图6：为A型不等径环密封结构示意图。

36——内环

37——外侧密封面

38——压盖

39——外环

40——内侧密封面

图6描述了A型不等径环密封结构。它主要由内环(36)、外侧密封面(37)、压盖(38)、外环(39)和内侧密封面(40)构成。这种密封结构是通过特定形状的密封环并施加压力使其产生适当的径向分力，密封环发生弹性变形，造成内外环分别与内外侧密封面密合，同时内外环也相互密合以达到密封的目的。

图7：为B型不等径环密封结构示意图。

41——内环

42——外侧密封面

43——内侧密封面

44——外环

45——压环

46——压紧螺母

图7描述了B型不等径环密封结构。它是由内环(41)、外侧密封面(42)、内侧密封面(43)、外环(44)、压环(45)和压紧螺母(46)构成。密封工作原理与A型相同，但适用场合各异。A型用于外侧密封面轴向尺寸小的地方，如反应器上分气盒中管子的密封。B型用于外侧密封面轴向尺寸较大的地方，如反应器内件伸入壳体顶、底封头的管端等部位的密封。

本实用新型在制造、安装、检查、维修及操作方面比现有技术具有突出的优点，因而也具有显著的经济效益。

Claims (4)

1.一种折流组合冷管式自换热催化反应器，其特征在于催化反应器由轴向流动折流组合冷管组(7)、悬挂式分气盒(2)及不等径环密封装置组成。

2.按权利要求1所述的催化反应器，其特征在于折流冷管组是由两层冷管与环管组焊成而成，且由两个或多个大小不同的折流冷管组套装成折流组合冷管组。

3.按权利要求1所述的催化反应器，其特征在于分气盒采用悬挂式气盒。

4.按权利要求1所述的催化反应器，其特征在于需作轴向移动件的密封部位采用不等径环密封结构。

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