絕熱-冷激-管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應器的製作方法

2023-04-29 21:46:41 1

專利名稱：絕熱-冷激-管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應器的製作方法
絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應器技術領域：
本發明涉及化工反應設備技術領域，具體地說，是一種絕熱一冷激一管 殼外冷組合式氣固相固定床催化反應器。背景技術：
在甲醇合成、氨合成、 一氧化碳變換、有機化合物加氫、二甲醚合成、 液體燃料合成、環氧乙烷合成等可逆放熱反應中，都使用固體顆粒催化劑，都存在熱量對反應結果的影響以及催化劑回收利用的問題；在成規模的工業 化生產過程中，都需要應用固定床催化反應器。 在催化反應器技術領域，主要的技術有(l)英國ICI反應器該反應器為固定床四段絕熱段間冷激式軸向流動反應器，其熱量是通過 特殊設計的菱形分布器將冷激氣噴入床層中間帶走，床層多段連續，壓降約為0.5 0.6Mpa;該反應器適和做成大型化反應器，也易於安裝維修；但是， 該反應器催化床溫度分布不甚理想，反應器的操作和溫度的控制難度較大， 氣體返混嚴重，轉化率低，能量利用效率較低。(2) 德國Lurgi反應器該反應器為列管式反應器，管內填充催化劑，由管間沸水移去反應熱， 副產蒸汽；用過熱蒸汽驅動離心式壓縮機，用背壓低壓蒸汽作甲醇蒸餾熱源。 但是，該反應器催化床存在嚴重的壁效應，影響催化劑時空收率，且催化劑 容易被原料氣中的毒物侵害而喪失活性，影響使用壽命。(3) 日本三菱瓦斯公司(MGC/MHI)反應器曰本三菱重工業株式會社(簡稱MHI)和三菱瓦斯株式會社(簡稱MGC)共同開發了一種新的甲醇合成技術，其甲醇合成反應器是一種立式雙套管換 熱器，在列管式反應器的催化管內加一根冷管，用以預熱原料氣，催化劑裝 填在內外管的環隙。此外，我國在本技術領域也有適應我國目前生產狀況的固定床催化反應 器技術，根據生產發展的需要，這些技術有進一步發展和改進的空間。
發明內容本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種化工生產中適合單系 列大型化發展需求的、能合理利用能量、副產中壓蒸汽、且操作快捷方便的 絕熱 一 冷激 一 管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應器。為實現上述目的，本發明採取的技術方案為一種絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應器，含有筒體、 上封頭、絕熱反應段、管殼外冷段和下封頭，在上封頭上設有氣體入口和裝 填催化劑的人孔，在管殼外冷段內設置有上管板、下管板、 一組換熱管、換 熱介質進口和換熱介質出口，在下封頭上設有氣體出口、卸催化劑口，其特 徵是，在絕熱反應段設置有1 2個絕熱層，絕熱層後設有原料氣體冷激，絕 熱反應段的高度為反應器催化劑層總高度的5 30%;在管殼外冷段的一組換熱管內填裝催化劑，填裝催化劑的高度為反應器催化劑層總高度的50 95%。 所述的原料氣體冷激由冷激氣分布器和冷激管構成，冷激氣分布器為環形結構，在環形結構的下部分設有小孔；冷激管的上端固定設置在反應器上封頭上，冷激管的下端連接在冷激氣分布器上。所述的絕熱層為一個絕熱層設有一個原料氣體冷激。 所述的原料氣體冷激由一個冷激氣分布器和一根冷激管構成。 所述的原料氣體冷激由多個冷激氣分布器和多根冷激管構成。 所述環形結構的冷激氣分布器下部分小孔的直徑為1 5毫米。 當可逆放熱反應，如合成氣制甲醇、合成氨反應、合成氣制二甲醚、合成液體燃料等的反應氣體進入反應器時，先通過由催化劑組成的絕熱層，在 絕熱層中隨反應進行反應放熱，使催化床層溫度升高；反應後的氣體與冷的 原料氣進行熱量交換，使反應氣體溫度降低到下一段反應的溫度；催化床設 置絕熱段，還可以吸附原料氣體中對催化劑有害的氣體，保證後面的催化劑 不受有害氣體的影響，延長催化劑的使用壽命。在管殼外冷段催化床中，反 應氣體在管內催化劑床層反應時所產生的反應熱由殼程的介質冷卻，該介質 可以是水，也可以是其它熱介質；如果是水，應從反應器下部的換熱介質進 口進入，吸收熱量後形成中壓蒸汽從反應器管殼外冷段上部的換熱介質出口 排出；如該介質為其它熱介質，應能產生相變，從反應器下部的換熱介質進 口進入，吸收熱量產生相變後從反應器管殼外冷段上部的換熱介質出口排出。 本發明絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應器的積極效 果是(1) 是針對可逆放熱反應的特點而提出的一種反應器組合形式，它充分 考慮了可逆放熱反應的熱效應，合理地布置催化劑，在反應器的上部設置絕 熱層和原料氣體冷激，既加大了催化劑的裝填量，增加了產能，又能及時移 走反應熱——反應器下部的管殼外冷結構通過殼程冷卻介質移走反應熱，保 證可逆放熱反應在最佳溫度範圍內進行，同時副產中壓蒸汽，充分合理地利 用了能量。(2) 在反應器上部的絕熱反應段增加了絕熱層，它可以過濾掉由反應氣 體帶入的微量的對催化劑有害的物質，從而延長了催化劑的使用壽命。(3) 反應器由絕熱層、原料氣體冷激和管殼外冷段的換熱管組成，結構 簡單，催化劑裝卸方便，催化劑升溫還原容易，催化床層溫度調節簡單，可 回收高位能反應熱，副產蒸汽，適合大規模化工生產。
附圖為本發明絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應器的結構示意圖。圖中的標號分別為1、氣體入口， 2、第一絕熱層，3、第一冷激氣分布器，4、第二絕熱層， 5、第二冷激氣分布器，6、管殼段催化劑層，7、換熱管，8、氣體出口， 9、 卸催化劑口， 10、下封頭，11、下管板，12、換熱介質進口， 13、換熱介質 出口， 14、上管板，15、筒體，16、上封頭，17、人孔，18、第二冷激管， 19、第一冷激管。
具體實施方式以下通過附圖給出本發明的具體實施方式
，但是，本發明不限於以下的 實施方式。一種絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應器，由筒體15、 上封頭16、絕熱反應段、管殼外冷段和下封頭10構成，在上封頭16上設有 氣體入口1和人孔17，在反應器的下封頭10上設有氣體出口8、卸催化劑口 9。筒體15的內徑為3. 8米，上部為絕熱反應段，設有兩個絕熱層第一絕 熱層2和第二絕熱層4，第一絕熱層2設置在第二絕熱層4的上方；在第一絕 熱層2後設有原料氣體冷激，它由第一冷激氣分布器3和第一冷激管19構成， 第一冷激氣分布器3為環形結構，在環形結構的下部分設有小孔，小孔的直 徑為1 5毫米，第一冷激氣分布器3的下端連接著第一冷激管19，第一冷激 管19的上端固定連接在反應器的上封頭16上，同時起到將第一冷激氣分布 器3固定在第一絕熱層2後面的作用；在第二絕熱層4後設有原料氣體冷激， 它由第二冷激氣分布器5 (結構同第一冷激氣分布器3)和第二冷激管18 (結 構同第一冷激管19)構成，第二冷激氣分布器5的下端連接著第二冷激管18， 第二冷激管18的上端固定連接在反應器上封頭16上，同時起到將第二冷激 氣分布器5固定在第二絕熱層4後面的作用；每個絕熱層高度為1. 5米，絕熱反應段的高度為反應器催化劑層總高度的5 30%，可裝填34立方米催化劑。本發明的原料氣體冷激可由一個冷激氣分布器和一根冷激管構成，本發 明的原料氣體冷激也可由多個冷激氣分布器和多根冷激管構成。筒體15的下部為管殼外冷段，內徑同樣為3.8米，其內設有上管板14、 下管板11、 一組換熱管7、換熱介質進口 12和換熱介質出口 13，在上管板 14和下管板ll之間焊接有一組直徑為44mm、管壁厚2mm的換熱管，在殼程 與換熱管7之間通介質冷卻，在換熱管7內填裝催化劑，填裝催化劑的高度 為反應器催化劑層總高度的50 95%，可裝填37立方米催化劑，整個反應器 總共可裝填催化劑71立方米。由含量為74.64%氫氣、含量為10.89%—氧化碳、含量為1.36%二氧化碳 以及少量的甲烷(CH4)、氮氣(N2)、氬氣(Ar)組成的合成氣體進入反應器， 溫度為189°C，壓力為8.0Mpa，經過第一冷激氣分布器3冷激後的反應溫度 為20rC，經過第二冷激氣分布器5冷激後的反應溫度為209-C，進入管殼外 冷段後熱點溫度為235r，反應器氣體出口8溫度為232"C，進入反應器的氣 體流量為725141 NmVh。本發明可生產甲醇51. 2萬噸/年(按300天計算)， 產生中壓蒸汽1.2噸/噸甲醇。在具體實施中，絕熱 一冷激一管殼外冷組合式固定床催化反應器可以採 用多種組合形式，如絕熱一冷激一絕熱一冷激一管殼外冷的組合形式；或， 絕熱一冷激一管殼外冷的組合形式；當絕熱層很薄時，也可以是絕熱一管殼 外冷的組合形式，不設冷激結構。
權利要求
1. 一種絕熱-冷激-管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應器，含有筒體、上封頭、絕熱反應段、管殼外冷段和下封頭，在上封頭上設有氣體入口和裝填催化劑的人孔，在管殼外冷段內設置有上管板、下管板、一組換熱管、換熱介質進口和換熱介質出口，在下封頭上設有氣體出口、卸催化劑口，其特徵在於，在絕熱反應段設置有1～2個絕熱層，絕熱層後設有原料氣體冷激，絕熱反應段的高度為反應器催化劑層總高度的5～30％；在管殼外冷段的一組換熱管內填裝催化劑，填裝催化劑的高度為反應器催化劑層總高度的50～95％。
2、 根據權利要求l所述的絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固定床催 化反應器，其特徵在於，所述的原料氣體冷激由冷激氣分布器和冷激管構成， 冷激氣分布器為環形結構，在環形結構的下部分設有小孔；冷激管的上端固 定設置在反應器上封頭上，冷激管的下端連接在冷激氣分布器上。
3、 根據權利要求1所述的絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固定床催 化反應器，其特徵在於，所述的絕熱層為一個絕熱層設有一個原料氣體冷激。
4、 根據權利要求l、或2所述的絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固 定床催化反應器，其特徵在於，所述的原料氣體冷激由一個冷激氣分布器和 一根冷激管構成。
5、 根據權利要求l、或2所述的絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固 定床催化反應器，其特徵在於，所述的原料氣體冷激由多個冷激氣分布器和 多根冷激管構成。
6、 根據權利要求2所述的絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應器，其特徵在於，所述環形結構的冷^:氣分布器下部分小孔的直徑為 1 5毫米。
全文摘要
一種絕熱—冷激—管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應器，含有設有氣體入口和人孔的上封頭，設有上管板、下管板、一組換熱管、換熱介質進口、換熱介質出口的管殼外冷段，設有氣體出口、卸催化劑口的下封頭，其特徵是，在絕熱反應段設有兩個絕熱層，絕熱層後設有由冷激氣分布器和冷激管構成原料氣體冷激，絕熱反應段高度為反應器催化劑層總高度的5～30％；在換熱管內填裝催化劑，填裝的高度為反應器催化劑層總高度的50～95％。本發明的優點是是針對可逆放熱反應的特點而專門設計的，反應器結構簡單，催化劑裝卸方便，催化劑升溫還原容易，催化床層溫度調節簡單，可回收高位能反應熱，副產蒸汽，非常適合大規模化工生產。
文檔編號B01J8/02GK101249406SQ20081003578
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月9日 優先權日2008年4月9日
發明者應衛勇, 張海濤, 房鼎業, 進 蔡, 馬宏方 申請人:華東理工大學