一種甲醇合成反應器結構的製作方法
2023-05-02 04:51:01
專利名稱：一種甲醇合成反應器結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及到化工設備領域，具體指一種甲醇合成反應器結構。
背景技術：
甲醇是重要的有機化工原料和清潔液體燃料，同時也是碳ー化學的基礎。由甲醇制烯烴技術，開闢了一條非石油原料製取低碳烯烴的生產路線，這ー技術的エ業化，可以減少對石油資源的過度依賴，對均衡合理利用我國資源具有重要意義。甲醇合成反應器是甲醇生產的心臟設備。近年來，國內已建或在建的大型甲醇裝置基本採用國外技術和關鍵設備，如Lurgi甲醇合成反應器、Davy徑向流動甲醇合成反應 器及ICI多段冷激型甲醇合成反應器等。隨著甲醇裝置規模的日趨擴大，甲醇合成反應器的單系列規模也趨於大型化。目前，國外單臺規模已達150萬噸/年，如魯奇公司135萬噸/年，Davy公司150萬噸/年等。目前國內甲醇合成反應器單臺規模僅達到50萬噸/年，與國外相比差距甚大，因此，非常有必要開發大型甲醇合成反應器技木。Lurgi採用管殼型反應器和氣冷反應器。第一反應器即管殼型反應器為水冷反應器，結構類似於ー個固定管板列管式換熱器，操作壓カ5 6MPa，殼體和管板、反應管之間採用焊接結構。第二反應器為氣冷反應器，反應放出的熱量傳給冷管內的原料氣。出第一反應器的反應氣進入第二反應器。在大型化上，水冷反應器受到了管板和殼體成一整體的制約，如提高反應器的高徑比，則催化劑易被壓碎；如提高合成壓カ，則使反應管內外和管板上下壓差增加，増加了製造加工技術難度；必須採用多臺管殼式反應器組合的方式，而這將帶來增加設備投資等問題。氣冷式反應器的管板是開漸開線槽的結構件，是設計和製造的關鍵所在。氣冷式反應器的結構只能用於氣氣交換，不能用於氣液交換。目前採用2臺管殼型反應器並聯再和I臺氣冷反應器組合，生產能力可達135萬噸/年。Davy徑向流動甲醇合成反應器，氣體徑向流動、副產蒸汽、能量利用合理。但換熱管需要特殊彎制、換熱管支撐件結構複雜。目前單臺生產能力可達150萬噸/年。ICI多段冷激型甲醇合成反應器，採用四段絕熱床層，層間採取三次冷激。在大型化上結構簡單、易於安裝維修、催化劑裝卸方便，但出口的甲醇濃度低、催化劑時空率不高、能量利用不合理，設備比較重，大規模的反應器會帶來運輸問題。在大型化上，増大反應器內徑以擴大生產能力，目前單臺生產能力可達165萬噸/年。Topsoe徑向流動甲醇合成反應器，氣體在床層內向心流動，床層內裝有催化劑。但很難實現反應氣體的均布、對加工製造要求較高、不能高位能回收反應熱、床層各部分催化劑利用程度不同。在大型化上，在直徑不變的情況下，増加反應器的高度，有利於單系列大型化生產。目前，採用3臺徑向流動絕熱反應器串聯，生產能力可達150萬噸/年。國內杭州林達公司的JJD低壓均溫型反應器，反應熱通過雙U型管移走，熱補償較其它結構好。但難以大型化。目前已投產的最大生產能力為20萬噸/年。林達臥式管殼水冷甲醇合成反應器採用臥式結構，避免了反應器大型化時直徑過大的問題，易於大型化。由於採用管殼式結構，催化劑裝填在管外，當反應器為臥式時，催化劑的裝填麻煩，催化劑還原收縮後，氣體的均布存在問題。目前已投產的最大生產能力為50萬噸/年。國內傳統的徑向流動甲醇合成反應器，換熱管經特殊彎制後與上下兩環管連接，換熱管與環管的連接焊接難度大，質量不易保證；換熱管需特殊彎制，エ序繁多；環管上換熱管管孔加工難度大、精度不易保證；且不便設置管束支撐件，影響催化劑的使用壽命和出ロ甲醇的濃度；接頭處發生洩漏，很難檢修等。只適用於小型甲醇反應器，不易大型化。因此，現有的單臺甲醇合成反應器比較適用於小型甲醇反應器，不易大型化。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的現狀提供ー種加工製造方便且易於大型化的甲醇合成反應器結構。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為該甲醇合成反應器結構，包括筒 體、連接在筒體兩端的上封頭和下封頭，所述筒體的內腔內設有供冷卻介質流通的多根換熱管組成的管束，各所述換熱管之間填充有催化劑，管束的兩端分別連接進水管和出水管；所述進水管穿過所述的下封頭連接外界的冷卻介質系統，所述的出水管穿過所述的上封頭連接外界的冷卻介質系統；並且所述的進水管和所述出水管相對於各自對應的下封頭和上封頭而定位；所述上封頭的頂部設有進料ロ，所述下封頭的底部設有氣體入ロ，所述筒體的側壁上設有供合成氣排出的氣體出ロ ；其特徵在於所述筒體的內腔內還設有與所述筒體內壁間隔有間隙的進水箱和出水箱；所述進水管穿過進水箱的底面連通進水箱的內腔，所述出水管穿過所述出水箱的頂面連通出水箱的內腔；所述進水箱的頂面和所述出水箱的底面上對應於各所述換熱管設有多個管孔；各所述換熱管呈直線型結構，並且各換熱管的兩端分別插設在對應的出水箱和進水箱上的管孔內從而連通所述的出水箱和所述的進水箱。所述進水箱和所述出水箱的結構可以有多種，例如立方體、長方體，或者立方體、長方體與弧形結構的結合等等，較好的，為了進一歩方便加工，所述進水箱和所述出水箱可以為環形結構，並且，所述進水箱和所述出水箱的上、下底面為平板結構且相互平行；所述筒體內腔的中部設有氣體分布器；所述氣體分布器的下端連接所述的氣體入口，所述氣體分布器的上端位於所述出水箱的中間環孔內；氣體分布器的側壁上均勻設有多個出氣孔。將進、出水箱的上下底面設計為平板結構，不僅方便了加工，而且增加了合成器內的操作空間，方便檢修和維護。現有技術中，催化劑的裝填只能從設置在上封頭上的專用的進料孔內自下而上的裝填，裝填過程是ー個盲操作過程，不能保證催化劑在管束之間的均勻分布。而催化劑的分布對反應的均勻性有著至關重要的作用。為了保證催化劑能夠均勻地裝填在管束之間，本申請將氣體分布器設計為可拆卸結構，具體使用的技術方案為所述的氣體分布器包括有多段，各段的端部具有向內或向外凸出的折邊，相鄰各段的折邊可拆卸聯接從而將各段連接在一起；所述上封頭上設有人孔。操作人員通過人孔進入筒體內，裝填好一段催化劑後再安裝上上一段的氣體分布器，然後再裝填上一段氣體分布器所對應的管束間的催化劑，不僅充分保證了催化劑的均勻裝填，而操作非常方便，同時也降低了氣體分布器的加工難度。上述可拆卸式氣體分布器的結構還可以採用其它的方式，例如相鄰段使用螺栓連接等。同時，如果改變進料和出料的途徑，該氣體分布器還可以作為氣體收集器使用。
進ー步改進，可以在所述氣體分布器的外周環套有格柵結構的夾套，該夾套與所述氣體分布器的外周壁之間填充有顆粒狀瓷球。夾套和瓷球的設計，可使反應氣體再分布，使氣體分布的更均勻，同時也有隔熱作用，保護內層分布器。上述各方案中，對於大規模反應器，換熱管較長，在反應器的運輸過程中，換熱管會彎曲變形；同時在反應器的運行過程中，換熱管可能會產生振動而損壞換熱管。為了方便運輸和反應器的運行，所述筒體內還可以設有多個相互平行設置的用於支撐各所述換熱管的管束支撐柵，各所述的換熱管穿設在各管束支撐柵上對應的管孔內。通過管束支撐柵來加強支撐各換熱管，結構簡単，使用可靠。為了有效解決使甲醇反應器運行過程中管束所產生的熱膨脹，所述的出水管可以為高壓膨脹節。較好的，所述的高壓膨脹節可以為多層多波紋結構。通過調整膨脹節層數和波數，可適配不同規模的反應器。與現有技術相比較，本發明將進、出水裝置設置為箱體結構，並且其與換熱管相連接的端面表面採用平板結構，換熱管端部不需要彎制即可方便地焊接到環形管板上，降低了反應器的製作加工難度；同時由於環形管板上換熱管管孔是平面加工，且管孔間距相等，便於畫線與鑽孔，加工精度高。同時，出水箱採用浮動式結構，不受固定式管板結構的制約，不僅可以用於小規模的甲醇反應器上，也可用於百萬噸級以上的甲醇反應器上。而在上封頭上開設的人孔，不僅便於人員進出反應器進行檢維修工作，而且便於催化劑的裝填。
圖I為本發明實施例裝配結構的剖視示意圖；圖2為圖I的俯視圖；圖3為本發明實施例中B部分的局部放大圖；圖4為本發明實施例中出水箱部分的局部剖視放大圖；圖5為圖4的俯視圖；圖6為沿圖I中A-A線的剖視圖；圖7為本發明實施例中氣體分布器和夾套裝配結構的局部示意圖(不含瓷球)；圖8為圖7的俯視圖；圖9為圖7的局部放大圖；圖10為本發明實施例中換熱管與支撐柵裝配結構的橫向剖視圖；圖11為圖7的C向視圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發明作進ー步詳細描述。如圖I至圖7所示，該甲醇合成反應器結構包括筒體1，為甲醇合成反應的主要場所；筒體I的兩端分別連接上封頭11和下封頭12 ;筒體的側壁上設有供合成氣出入的出氣孔18。上封頭11上設有人孔13和出水孔。本實施例中的人孔13也兼作為進料孔。出水管17的下端焊接在下述出水箱3上，出水管14的上端套設在多層多波紋高壓膨脹節14內，兩者焊接在一起。焊接後的出水管14和高壓膨脹節14穿過出水孔外露於上封頭11外。下封頭12上設有進氣孔15和供進水管穿過的進水孔，進水管16穿過下封頭連接下述的進水箱2。進水箱2和出水箱3，為環形結構，進水箱2和出水箱3的頂面和底面水平設置。進水管16的出口穿過進水箱2的底面從而連通進水箱2的內腔；出水管17的出水ロ穿過出水箱3的頂面從而連通出水箱3的內腔。 進水箱2和出水箱3的頂面和底面為環形管板23，管板上均勻設有供換熱管插設焊接的管孔。出水箱的頂部設有供出水管插設焊接的出水孔21和供操作人員進入水箱內進行檢修維護的人孔22，以便換熱管的檢修以及與管板的焊接。換熱管4，有多根，呈直線狀相互平行設置在出水箱3和進水箱2之間。由於設備的大型化，換熱管較長，在反應器的運輸過程中，換熱管會彎曲變形；而在反應器的運行過程中，換熱管可能會產生振動而損壞換熱管。因此，本實施例在出水箱和進水箱之間還設置了管束支撐柵5以加強支撐各換熱管4。管束支撐柵5有多個，垂直於換熱管4設置，各所述換熱管4穿插在這些管束支撐柵5上對應的管孔內。用支撐柵加強後的各換熱管的兩端分別插設在出水箱和進水箱上對應的管孔內焊接固定好，從而連通所述的出水箱和所述的進水箱。管束支撐柵可以是平板上開孔結構，也可以採用格柵夾持結構。氣體分布器6，對應於各所述的換熱管設置在所述筒體的內腔的中部，用於輸送進入反應器內的氣體並使其均勻分布。氣體分布器的進氣ロ連接下封頭上進氣孔15，其餘部分位於進、出水箱中部的環孔內。氣體分布器的側壁上均勻設有多個出氣孔61。本實施例中的氣體分布器包括橫向分隔的多段，各段的端緣具有內凸的凸起62，相鄰段上的凸起通過螺栓可拆卸連接在一起；同時各段又縱向分隔為多塊，各塊的側緣上具有內凸的折邊63，相鄰折邊通過螺栓可拆卸連接在一起。夾套7，為格柵結構，夾套的內周壁上設有金屬網8。本實施例中的夾套7也是有多塊組裝而成，其包括縱向分隔的多段，相鄰各段之間設有相對應的內凸的凸緣72，相鄰凸緣72通過螺栓連接在一起，從而將各段連接成為夾套7。夾套的內周壁上還設有與氣體分布器內周壁上的連結塊64相對應的內凸的連結塊71，相對應的連結塊64、71通過螺栓連接在一起從而將夾套7和金屬網8限位。該甲醇合成反應器的工作原理如下使用前，氣體分布器只有與進氣孔15相連接的最下段已經安裝好。操作人員從人孔13內進入反應器內，先在下部各換熱管之間裝填上催化劑。當對應於最下段氣體分布器部分的催化劑裝填好後，用螺栓將最下段和第二段氣體分布器連接起來，然後再裝填上與第二段氣體分布器區段相對應的催化劑。依次類推，將反應器內的催化劑裝填完畢。人工進入反應器內裝填催化劑便利，催化劑裝填均勻。催化劑裝填完畢後，從進料孔14和進氣孔15送入反應物料。原料氣在催化劑床層內徑向流動，氣體經氣體分布器的出氣孔61在整個反應器內均勻流出到瓷球之間，經瓷球的進ー步均勻分布，進入催化劑之間，發生反應。反應所產生的反應熱由換熱管內的冷卻介質帶走。
權利要求
1.一種甲醇合成反應器結構，包括筒體、連接在筒體兩端的上封頭和下封頭，所述筒體的內腔內設有供冷卻介質流通的多根換熱管組成的管束，各所述換熱管之間填充有催化齊U，管束的兩端分別連接進水管和出水管；所述進水管穿過所述的下封頭連接外界的冷卻介質系統，所述的出水管穿過所述的上封頭連接外界的冷卻介質系統；並且所述的進水管和所述出水管相對於各自對應的下封頭和上封頭而定位；所述上封頭的頂部設有進料ロ，所述下封頭的底部設有氣體入ロ，所述筒體的側壁上設有供合成氣排出的氣體出ロ ；其特徵在於所述筒體的內腔內還設有與所述筒體內壁間隔有間隙的進水箱和出水箱；所述進水管穿過進水箱的底面連通進水箱的內腔，所述出水管穿過所述出水箱的頂面連通出水箱的內腔；所述進水箱的頂面和所述出水箱的底面上對應於各所述換熱管設有多個管孔；各所述換熱管呈直線型結構，並且各換熱管的兩端分別插設在對應的出水箱和進水箱上的管孔內從而連通所述的出水箱和所述的進水箱。
2.根據權利要求I所述的甲醇合成反應器結構，其特徵在於所述進水箱和所述出水箱為環形結構，並且，所述進水箱和所述出水箱的上、下底面為平板結構且相互平行，進水箱的頂板上設有檢修入口 ；所述筒體內腔的中部設有氣體分布器；所述氣體分布器的下端連接所述的氣體入口，所述氣體分布器的上端位於所述出水箱的中間環孔內；氣體分布器的側壁上均勻設有多個出氣孔。
3.根據權利要求2所述的甲醇合成反應器結構，其特徵在於所述的氣體分布器的外周環套有格柵結構的夾套，所述夾套的內壁上設有網狀內村，該內襯與所述氣體分布器的外周壁之間填充有顆粒狀瓷球。
4.根據權利要求3所述的甲醇合成反應器結構，其特徵在於所述的氣體分布器和所述的夾套、所述的內襯均包括有橫向分隔的多段，各段的端部具有向內或向外凸出的折邊，相鄰各段的折邊可拆卸連接從而將各段連接在一起；所述上封頭上設有人孔。
5.根據權利要求4所述的甲醇合成反應器結構，其特徵在於各段所述的氣體分布器、所述的夾套以及所述的內襯還縱向分隔為多個部分，並且各部分之間為可拆卸連接。
6.根據權利要求I至5任ー權利要求所述的甲醇合成反應器結構，其特徵在於所述筒體內還設有多個相互平行設置的用於支撐各所述換熱管的管束支撐柵，各所述的換熱管穿設在各管束支撐柵上對應的管孔內。
7.根據權利要求6所述的甲醇合成反應器結構，其特徵在於所述的出水管為高壓膨脹節。
8.根據權利要求7所述的甲醇合成反應器結構，其特徵在於所述的高壓膨脹節為多層多波紋結構。
全文摘要
本發明涉及到一種甲醇合成反應器結構，包括筒體、上封頭和下封頭；其特徵在於所述筒體的內腔內還設有與所述筒體內壁間隔有間隙的進水箱和出水箱；進水管穿過進水箱的底面連通進水箱的內腔，出水管穿過所述出水箱的頂面連通出水箱的內腔；所述進水箱的頂面和所述出水箱的底面上對應於各所述換熱管設有多個管孔；各所述換熱管呈直線型結構，並且各換熱管的兩端分別插設在對應的出水箱和進水箱上的管孔內從而連通所述的出水箱和所述的進水箱。與現有技術相比較，本發明將進、出水裝置設置為箱體結構，並且其與換熱管相連接的端面表面採用平板結構，換熱管端部不需要彎制即可方便地焊接到環形管板上，降低了反應器的製作加工難度；加工精度高。
文檔編號B01J8/06GK102698659SQ20121008646
公開日2012年10月3日 申請日期2012年3月28日 優先權日2012年3月28日
發明者劉玉英, 周水鈞, 應衛勇, 肖珍平, 費名儉, 趙斌義, 陸亞東 申請人:中國石化集團寧波工程有限公司, 中國石化集團寧波技術研究院, 中國石油化工股份有限公司