CN2290400Y - 改进均温型气固相催化反应器 - Google Patents

Abstract

一种用于放热可逆反应的气固向催化反应器,其触媒层中有连续换热的冷管胆,冷气在冷管胆内与管外触媒层的反应气向并流换热后与来自换热器的气体混合进触媒层反应。该反应器具有工艺性能优良,触媒层温差小,合成率高,阻力小,生产能力大,操作调节方便,设备结构简单可靠的优点。

Description

改进均温型气固相催化反应器

本实用新型是一种气固相催化反应装置，用于流体催化反应和传热过程，属化学工程领域，特别适用于氨合成反应过程。也可用于甲醇、甲烷、甲醚合成过程。

众所周知，对于由加压下甲醇合成，氨合成这类气固相放热催化反应，随着反应过程的进行，不断放出反应热使催化剂层温度提高。为了提高反应器的效率，因此需要把反应热移出以降低反应气体温度。在工业反应器中曾广为使用的一种是多段原料气冷激式反应器，如英国ICI公司的冷激型甲醇合成塔和美国Kellogg公司的四段触媒床氨合成塔，在各段间都是用原料气冷激来降低反应气温度，这种反应器因原料气冷激时在降低反应气温度的同时也降低了反应物浓度影响了合成率。另一种是将催化剂分为多段触媒床段间用间接换热(见Cagale公司申请的CN1030878)，但这种反应器在床层中设间接换热器使设备结构复杂。还有一种如西德Lurgi公司的用于甲醇合成的列管式反应器，管内装触媒合成甲醇，反应热被管外沸腾水连续移热。该塔温差小，但触媒装填系数小，投资大。

本实用新型的任务是依据气一固相催化放热可逆反应的特点，克服现有技术的缺点，提供一个触媒层温度分布合理、触媒活性高、结构简单可靠、操作性能好的反应器。

本实用新型主要通过以下改进方法来实现目的：一是原料气主要分成气流1和气流2二股分别加热，气流1与触媒层出口反应气换热升温，气流2不经塔内换热器而直接到冷管胆，气体在触媒层的冷管内与管外触媒层中的反应气换热升温，进冷管胆的管内气体温度低，提高了从触媒层移热的效率，冷管内气流2的气量和温度可以根据触媒层温度需要来调节，以便达到理想的工艺要求。二是经加热后的原料气流1和气流2混合后在冷管触媒层中反应并与冷管内的原料气换热，对于甲醇合成，为了减少触媒层温差以适应甲醇触媒使用温度窄的需要，气体可在冷管层中反应直到出触媒层，对于氨合成经冷管层的气体可再进下部触媒层中绝热反应。本实用新型的合成反应器主要有外壳P、触媒筐R或触媒筐R和塔内换热器E组成的内件，外壳p承受压力，一般反应压力为10～32MPa，内件有触媒筐R的盖板H，简体S，触媒筐R底部有带孔的花板J支承触媒筐中的触媒层。触媒层由内带向并流冷管胆Cb的冷管触媒层K1或冷管触媒层k1和绝热触媒层K2组成，冷管胆cb主要由进气管a，下冷管b，上冷管c，连接进气管a和下冷管b的环管d1连接下冷管b和上冷管c的环管(12组成。进气管a有进气口5与气流2进口连通，上冷管有出气口6，触媒层中心有中心管1，内装有供开车用电加热器Q，中心管下端有进这气口8，上端有出气口7与触媒层上端空间连通，原料气由进气管a进入经过环管d1分配到各根下冷管b中，管内的原料气流2被管外触媒层K1中的高温反应气并流加热，升温后经环管d2分配到上冷管c与管外气逆流换热后出口与来自中心管I出口的气流2混合，依次进冷管触媒层K1反应并与冷管内气休向并流换热出床层或再进入绝热触媒层K2反应后出床层。冷管层的触媒可占触媒总量的50-100％，气体可以在冷管触媒层K1和绝热触媒层中均呈轴向流动，也可先在冷管触媒层k1中作轴向流动后在绝热触媒层k2中作径向、轴径向流动。

下面结合附图作进一步的说明

图1是轴向向并流冷管层和绝热层组成的反应器示意图。

图2是轴向向并流冷管层和径向绝热层组成的反应器示意图。

图3是轴向向并流冷管层组成的反应器示意图。

图4是反应器与塔外设备管路连接图。

图5是无塔内换热器的反应器与塔外设备管路连接图。

图1表示本实用新型中适用反应器高径比不大的一种反应器，例如氨或甲醇合成塔。在承压外筒P中安装内件，外筒和内筒器壁S之间有环形空隙F，内件上部是触媒筐R，中间有中心管I，触媒筐内装有触媒，在上部触媒层K1中装有冷管胆Cb，冷管胆有多根冷管b，分成同轴心的2到4排，下冷管b连通上环管d1和下环管d2，上环管d2连通进气管a，下环管d2连通上冷管c，进气管a穿过触媒盖板H并用填料函G活动密封或用波型软管连接，环管d1位于还原后触媒层上方空间，在使用中冷管胆受热可自由伸缩，冷管胆cb由支承架L支承并与触媒一起支承在多孔花板j上，图中内件下部上列管式换热器E，亦可以是螺旋板换热器。通过筒体和底封头U将进塔气1和2隔开，换热器底盖V将进这塔气1与出塔气4隔开。本实用新型的工作过程为在触媒升温时，冷气进塔后经内件换热器底封头U和底盖V之间进入换热器E与出触煤层热气换热，又经中心管I中的电加热器Q加热，再入触媒层进行触媒升温还原。在正常生产时，进塔气主要分为气流1和气流2二股，气流1经换热器E与反应气换气换热后由中心管I出口，气流2进塔后经外筒P和内件之间环隙f，由进气管a进入冷管胆cb，由上环管d1均匀分配到各下冷管b中由上到下流动，并与管外反应气并流换热升高温度，直到下环d2汇集后经上冷管c与管外反应气逆流换热后由顶部5出口，再与来自中心管I的原料气1混合。对于氨合成例如为～430℃的混合氢氮气先在冷管层氨触媒层K1中反应，产物浓度提高，反应中放出热量使气体温度升高，同时与冷管b和c内冷气向并流换热，反应气温度升高到热点温度～460℃后又开始降低温度到～440℃左右，然后在下部绝热触媒层K2中绝热反应，再升高到温度460℃左右，产物浓度进一步提高，如氨合成为1 5～20％，气体在上述冷管层K1和绝热层K2中均为轴向流动，反应气出触媒层再到换热器E中与进塔气1换热即为出塔气4出塔。图中气体3为调节触媒零米温度用的冷付线气。

图2为适用于高径比较大的一种反应器，气体在冷管触媒层中也为轴向流动，与图1不同的是触媒筐R中的下部为径向流动绝热层K2，触媒支承板J不开孔通气，在触媒筐筒体S内侧有多孔外分布筒X，在中心管I外侧有同心多孔内分布筒Y，经过上部冷管触媒层K1之大部分反应气先进入外分布筒X和筒壁S的环形空间，然后穿过外分布筒X进入绝热层K2由外向内成径向流动反应直到由内分布筒Y进入内分布筒Y和中心管I的环形空间，与小部分由冷管层轴向流动进入这里的反应气体会合，去下部换热器E(图中为列管式换热器)与进塔气1换热后即为出塔气4，图2冷管胆由支承架L支承于内筒壁S上，冷管胆Cb有二个，图2中其它图示和符号与图1相同，当然，下部绝热层中也可设计成气气体由内向外径向流动。

图3表示适用触媒层温差小的一种反应器，与图1一样反应器主要有外壳P和触媒筐r和塔内换热器e组成的内件，与图1不同的是触媒层中只有装有冷管胆cb的冷管触媒层K1而无绝热触媒层K2，冷管胆的下环管d2直接支承在花板J上。这一反应器在正常生产时，进塔气主要分为气流1和气流2二股，气流1经换热器E与反应气换热后由中心管出口，气流2进塔后经外筒和内件之间环隙F由进气管a进入冷管胆cb，由上环管d1均匀分配到各下冷管b中由上到下流动，并与管外反应气并流换热升高温度，直到下环管d2汇集后经上冷管c与管外反应气逆流换热后由顶部出口，再与来自中心管I的原料气1混合。对于甲醇合成例如温度为230～250℃的混合气在冷管触媒层K1甲醇触媒上反应，产物浓度提高，反应中放出热量使气体温度升高，同时与冷管b和c内冷气向并流换热，反应气温度升高到热点温度240～260℃后又降低到230～250℃左右，Co转化率达到70～90％出触媒层再到换热器E中与进塔气1换热即为出塔气4出塔。

图4为反应器与塔外设备管路连接图，其中R1为反应器，内部结构见图1-2，E1为塔外冷热气换热器，E2为付产蒸汽锅炉，E3为冷却冷凝器，V1为产品分离器，T1为循环机。由循环机送来的进塔气分为三股，其中气流1经塔外换热器E1加热后进反应器内的换热器再进一步加热，气流2进反应器内冷管胆吸收冷管层触媒反应热，气流1和气流2的气量可调节，进冷管胆的气流2的气量一般为总气量的40～70％。气流2的温度可用经过和不经过换热器E1的气量比来调节，以用于根据不同触媒使用时期调整触媒层温度；气流3为调节触媒层零米温度用的冷付线气，气流4为出塔反应气，经锅炉E2回收热量后去换热器E1加热入塔原料气。图4中5为分离的产品如液氨或甲醇，6为弛放气，7为补充原料气。图中循环机位于氨分V1与换热器E1之间，在大型氨厂中循环机多在换热器E1和E3之间。

图5为反应器无塔内换热器设备管路连接的一种例子，这时图5中经塔外换热器E1加热的气流1进反应器R1后直接与经冷管胆加热的气流2混合进触媒层反应。反应温度可以通过气流1和气流2的气量来调节。与图4不同，冷付线气3在塔外与气流1会合后再进塔，减少了进塔气管线，同样起到调温作用。图中气流1亦可用E2的旁路与不经E2回收热量的出塔反应气4直接换热。当反应器用热壁容器，不单独设外筒时，冷管胆进气管a可由反应器顶部进口。对于甲醇合成塔进换热器的入塔气流1温度不高的情况，气流1也可从外壳上端部经内外筒环隙F进换热器，这时进冷管胆气流2可由外筒大盖开孔穿过引气管a进入。

本实用新型与现有技术相比有以下显著优点：

(1)工艺性能优良，合成率高。一是避免了冷激塔因用冷气降温的同时降低反应物浓度，二是避免了段间换热器降温因换热器占据空间降低触媒装量。对于醇合成特别是高压甲醇合成由于进冷管胆的气流2与经换热器的气流1分流，二者比例可以调节，气流2的进口温度可以调节，为控制触媒层各点温度提供了方便，例如在触媒使用前期可降低气流2温度，由于不经过换热的气流2直接进冷管胆可避免甲醇触媒的超温，从而提高反应气中甲醇含量。同样用于氨合成塔时，所得到的氨合成率比已有技术高，生产能力大。

(2)气体分流可使阻力有效降低，节约电耗。在合成反应器中的塔阻中，换热器中包括冷气和热气通道占全塔总阻力之1/2到2/3，采用进塔气分流并流经过换热器和冷管胆比现有技术入塔气串联经过换热器和冷管胆塔阻降低1/3左右。

(3)结构简单可靠，安装使用方便。现有一些合成反应器多具有3个或更多个触媒床，床层间又被分隔，或装有换热器，结构复杂。本实用新型反应器中触媒层从冷管层到绝热层为连在一起的单个床层，未加分隔，既显著增加了触媒装量又使装卸触媒十分方便。每个冷管胆只有进气管a穿过触媒筐盖板，可用填料函密封，或用波纹管连接，每个冷管胆进气管a一般设中心对称二根，减少了密封点，结构简单可靠。

Claims (9)

1.一种改进均温型气固相催化反应器，主要由外壳(P)、触媒筐(R)或者触媒筐(R)和塔内换热器(E)组成的内件，内有触媒筐(R)的盖板(H)，筒体(S)，中心管(1)，触媒筐(R)的底部有花板(J)支承触媒筐中的触媒层，其特征是触媒层内带冷管胆(Cb)，冷管胆(Cb)由进气管(a)、下冷管(b)、上冷管(c)、连接进气管(a)和下冷管(b)的环管(d1)、连接下冷管(b)和上冷管(c)的环管(d₂)组成，进气管(a)有进气口(5)，上冷管(c)顶端有出气口(6)，触媒层中心有中心管(I)，中心管下端有进气口(8)，上端有出气口(7)，中心管内装有电加热器(Q)，进气管(a)通过盖板上的填料函(G)与盖板(H)活动配合，进气管(a)上端开口(5)与气流2进口连通，中心管(I)出气口(7)与触媒层上端空间连通，进塔气2由进气管(a)进入经环管(d₁)分配到各下冷管(b)中，再经下环管(d₂)到各上冷管(c)中，管内的原料气被管外触媒层中的高温反应气向并流加热后出上冷管(c)与中心管(I)出口的气流1混合进触媒层反应。

2.根据权利要求1的反应器，其特征是冷管胆(Cb)的下环管(d₂)直接支承在花板(J)上，触媒层全部为冷管触媒层。

3.根据权利要求1的反应器，其特征是冷管胆(Cb)的下环管(d₂)通过支承架(L)支承在花板(J)上，触媒层由上部冷管触媒层(K₁)和下部绝热触媒层(K₂)组成。

4.根据权利要求1的反应器，其特征是中心管(I)下端进气口(8)直接与进塔气1进口相连，反应器下部不设塔内换热器。

5.根据权利要求1的反应器，其特征是中心管(I)下端进气口(8)与塔内换热器(E)冷气出口相连。

6.根据权利要求1的反应器，其特征是冷管触媒层(K₁)和绝热触媒层(K₂)中气体为轴向流动。

7.根据权利要求1的反应器，其特征是冷管层(K₁)中气体为轴向流动，绝热层(K₂)中设有多孔外分布筒(X)和多孔内分布筒(Y)供气体径向流过下绝热层。

8.根据权利要求1的反应器，其特征是冷管层的触媒(K₁)占触媒总重量的50～100％。

9.根据权利要求1所述的反应器，其特征是触媒筐R的冷管层中有一个或成同轴心套装的数个冷管胆(Cb)，每个冷管胆由进气管(a)，下冷管(b)，上冷管(c)，连接进气管(a)和冷管(b)的环管(d₁)，连接下冷管(b)和上冷管(c)的环管(d₂)组成，气体在冷管触媒层(K₁)中反应并与下冷管(b)和上冷管(c)中的气体向并流换热。

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