改進均溫型氣固相催化反應器的製作方法
2023-05-08 23:37:16
專利名稱：改進均溫型氣固相催化反應器的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種氣固相催化反應裝置，用於流體催化反應和傳熱過程，屬化學工程領域，特別適用於氨合成反應過程。也可用於甲醇、甲烷、甲醚合成過程。
眾所周知，對於由加壓下甲醇合成，氨合成這類氣固相放熱催化反應，隨著反應過程的進行，不斷放出反應熱使催化劑層溫度提高。為了提高反應器的效率，因此需要把反應熱移出以降低反應氣體溫度。在工業反應器中曾廣為使用的一種是多段原料氣冷激式反應器，如英國ICI公司的冷激型甲醇合成塔和美國Kellogg公司的四段觸媒床氨合成塔，在各段間都是用原料氣冷激來降低反應氣溫度，這種反應器因原料氣冷激時在降低反應氣溫度的同時也降低了反應物濃度影響了合成率。另一種是將催化劑分為多段觸媒床段間用間接換熱(見Cagale公司申請的CN1030878)，但這種反應器在床層中設間接換熱器使設備結構複雜。還有一種如西德Lurgi公司的用於甲醇合成的列管式反應器，管內裝觸媒合成甲醇，反應熱被管外沸騰水連續移熱。該塔溫差小，但觸媒裝填係數小，投資大。
本實用新型的任務是依據氣一固相催化放熱可逆反應的特點，克服現有技術的缺點，提供一個觸媒層溫度分布合理、觸媒活性高、結構簡單可靠、操作性能好的反應器。
本實用新型主要通過以下改進方法來實現目的一是原料氣主要分成氣流1和氣流2二股分別加熱，氣流1與觸媒層出口反應氣換熱升溫，氣流2不經塔內換熱器而直接到冷管膽，氣體在觸媒層的冷管內與管外觸媒層中的反應氣換熱升溫，進冷管膽的管內氣體溫度低，提高了從觸媒層移熱的效率，冷管內氣流2的氣量和溫度可以根據觸媒層溫度需要來調節，以便達到理想的工藝要求。二是經加熱後的原料氣流1和氣流2混合後在冷管觸媒層中反應並與冷管內的原料氣換熱，對於甲醇合成，為了減少觸媒層溫差以適應甲醇觸媒使用溫度窄的需要，氣體可在冷管層中反應直到出觸媒層，對於氨合成經冷管層的氣體可再進下部觸媒層中絕熱反應。本實用新型的合成反應器主要有外殼P、觸媒筐R或觸媒筐R和塔內換熱器E組成的內件，外殼p承受壓力，一般反應壓力為10～32MPa，內件有觸媒筐R的蓋板H，簡體S，觸媒筐R底部有帶孔的花板J支承觸媒筐中的觸媒層。觸媒層由內帶向並流冷管膽Cb的冷管觸媒層K1或冷管觸媒層k1和絕熱觸媒層K2組成，冷管膽cb主要由進氣管a，下冷管b，上冷管c，連接進氣管a和下冷管b的環管d1連接下冷管b和上冷管c的環管(12組成。進氣管a有進氣口5與氣流2進口連通，上冷管有出氣口6，觸媒層中心有中心管1，內裝有供開車用電加熱器Q，中心管下端有進這氣口8，上端有出氣口7與觸媒層上端空間連通，原料氣由進氣管a進入經過環管d1分配到各根下冷管b中，管內的原料氣流2被管外觸媒層K1中的高溫反應氣並流加熱，升溫後經環管d2分配到上冷管c與管外氣逆流換熱後出口與來自中心管I出口的氣流2混合，依次進冷管觸媒層K1反應並與冷管內氣休向並流換熱出床層或再進入絕熱觸媒層K2反應後出床層。冷管層的觸媒可佔觸媒總量的50-100％，氣體可以在冷管觸媒層K1和絕熱觸媒層中均呈軸向流動，也可先在冷管觸媒層k1中作軸向流動後在絕熱觸媒層k2中作徑向、軸徑向流動。
以下結合附圖作進一步的說明
圖1是軸向向並流冷管層和絕熱層組成的反應器示意圖。
圖2是軸向向並流冷管層和徑向絕熱層組成的反應器示意圖。
圖3是軸向向並流冷管層組成的反應器示意圖。
圖4是反應器與塔外設備管路連接圖。
圖5是無塔內換熱器的反應器與塔外設備管路連接圖。
圖1表示本實用新型中適用反應器高徑比不大的一種反應器，例如氨或甲醇合成塔。在承壓外筒P中安裝內件，外筒和內筒器壁S之間有環形空隙F，內件上部是觸媒筐R，中間有中心管I，觸媒筐內裝有觸媒，在上部觸媒層K1中裝有冷管膽Cb，冷管膽有多根冷管b，分成同軸心的2到4排，下冷管b連通上環管d1和下環管d2，上環管d2連通進氣管a，下環管d2連通上冷管c，進氣管a穿過觸媒蓋板H並用填料函G活動密封或用波型軟管連接，環管d1位於還原後觸媒層上方空間，在使用中冷管膽受熱可自由伸縮，冷管膽cb由支承架L支承並與觸媒一起支承在多孔花板j上，圖中內件下部上列管式換熱器E，亦可以是螺旋板換熱器。通過筒體和底封頭U將進塔氣1和2隔開，換熱器底蓋V將進這塔氣1與出塔氣4隔開。本實用新型的工作過程為在觸媒升溫時，冷氣進塔後經內件換熱器底封頭U和底蓋V之間進入換熱器E與出觸煤層熱氣換熱，又經中心管I中的電加熱器Q加熱，再入觸媒層進行觸媒升溫還原。在正常生產時，進塔氣主要分為氣流1和氣流2二股，氣流1經換熱器E與反應氣換氣換熱後由中心管I出口，氣流2進塔後經外筒P和內件之間環隙f，由進氣管a進入冷管膽cb，由上環管d1均勻分配到各下冷管b中由上到下流動，並與管外反應氣並流換熱升高溫度，直到下環d2匯集後經上冷管c與管外反應氣逆流換熱後由頂部5出口，再與來自中心管I的原料氣1混合。對於氨合成例如為～430℃的混合氫氮氣先在冷管層氨觸媒層K1中反應，產物濃度提高，反應中放出熱量使氣體溫度升高，同時與冷管b和c內冷氣向並流換熱，反應氣溫度升高到熱點溫度～460℃後又開始降低溫度到～440℃左右，然後在下部絕熱觸媒層K2中絕熱反應，再升高到溫度460℃左右，產物濃度進一步提高，如氨合成為1 5～20％，氣體在上述冷管層K1和絕熱層K2中均為軸向流動，反應氣出觸媒層再到換熱器E中與進塔氣1換熱即為出塔氣4出塔。圖中氣體3為調節觸媒零米溫度用的冷付線氣。
圖2為適用於高徑比較大的一種反應器，氣體在冷管觸媒層中也為軸向流動，與
圖1不同的是觸媒筐R中的下部為徑向流動絕熱層K2，觸媒支承板J不開孔通氣，在觸媒筐筒體S內側有多孔外分布筒X，在中心管I外側有同心多孔內分布筒Y，經過上部冷管觸媒層K1之大部分反應氣先進入外分布筒X和筒壁S的環形空間，然後穿過外分布筒X進入絕熱層K2由外向內成徑向流動反應直到由內分布筒Y進入內分布筒Y和中心管I的環形空間，與小部分由冷管層軸向流動進入這裡的反應氣體會合，去下部換熱器E(圖中為列管式換熱器)與進塔氣1換熱後即為出塔氣4，圖2冷管膽由支承架L支承於內筒壁S上，冷管膽Cb有二個，圖2中其它圖示和符號與
圖1相同，當然，下部絕熱層中也可設計成氣氣體由內向外徑向流動。
圖3表示適用觸媒層溫差小的一種反應器，與
圖1一樣反應器主要有外殼P和觸媒筐r和塔內換熱器e組成的內件，與
圖1不同的是觸媒層中只有裝有冷管膽cb的冷管觸媒層K1而無絕熱觸媒層K2，冷管膽的下環管d2直接支承在花板J上。這一反應器在正常生產時，進塔氣主要分為氣流1和氣流2二股，氣流1經換熱器E與反應氣換熱後由中心管出口，氣流2進塔後經外筒和內件之間環隙F由進氣管a進入冷管膽cb，由上環管d1均勻分配到各下冷管b中由上到下流動，並與管外反應氣並流換熱升高溫度，直到下環管d2匯集後經上冷管c與管外反應氣逆流換熱後由頂部出口，再與來自中心管I的原料氣1混合。對於甲醇合成例如溫度為230～250℃的混合氣在冷管觸媒層K1甲醇觸媒上反應，產物濃度提高，反應中放出熱量使氣體溫度升高，同時與冷管b和c內冷氣向並流換熱，反應氣溫度升高到熱點溫度240～260℃後又降低到230～250℃左右，Co轉化率達到70～90％出觸媒層再到換熱器E中與進塔氣1換熱即為出塔氣4出塔。
圖4為反應器與塔外設備管路連接圖，其中R1為反應器，內部結構見
圖1-2，E1為塔外冷熱氣換熱器，E2為付產蒸汽鍋爐，E3為冷卻冷凝器，V1為產品分離器，T1為循環機。由循環機送來的進塔氣分為三股，其中氣流1經塔外換熱器E1加熱後進反應器內的換熱器再進一步加熱，氣流2進反應器內冷管膽吸收冷管層觸媒反應熱，氣流1和氣流2的氣量可調節，進冷管膽的氣流2的氣量一般為總氣量的40～70％。氣流2的溫度可用經過和不經過換熱器E1的氣量比來調節，以用於根據不同觸媒使用時期調整觸媒層溫度；氣流3為調節觸媒層零米溫度用的冷付線氣，氣流4為出塔反應氣，經鍋爐E2回收熱量後去換熱器E1加熱入塔原料氣。圖4中5為分離的產品如液氨或甲醇，6為弛放氣，7為補充原料氣。圖中循環機位於氨分V1與換熱器E1之間，在大型氨廠中循環機多在換熱器E1和E3之間。
圖5為反應器無塔內換熱器設備管路連接的一種例子，這時圖5中經塔外換熱器E1加熱的氣流1進反應器R1後直接與經冷管膽加熱的氣流2混合進觸媒層反應。反應溫度可以通過氣流1和氣流2的氣量來調節。與圖4不同，冷付線氣3在塔外與氣流1會合後再進塔，減少了進塔氣管線，同樣起到調溫作用。圖中氣流1亦可用E2的旁路與不經E2回收熱量的出塔反應氣4直接換熱。當反應器用熱壁容器，不單獨設外筒時，冷管膽進氣管a可由反應器頂部進口。對於甲醇合成塔進換熱器的入塔氣流1溫度不高的情況，氣流1也可從外殼上端部經內外筒環隙F進換熱器，這時進冷管膽氣流2可由外筒大蓋開孔穿過引氣管a進入。
本實用新型與現有技術相比有以下顯著優點(1)工藝性能優良，合成率高。一是避免了冷激塔因用冷氣降溫的同時降低反應物濃度，二是避免了段間換熱器降溫因換熱器佔據空間降低觸媒裝量。對於醇合成特別是高壓甲醇合成由於進冷管膽的氣流2與經換熱器的氣流1分流，二者比例可以調節，氣流2的進口溫度可以調節，為控制觸媒層各點溫度提供了方便，例如在觸媒使用前期可降低氣流2溫度，由於不經過換熱的氣流2直接進冷管膽可避免甲醇觸媒的超溫，從而提高反應氣中甲醇含量。同樣用於氨合成塔時，所得到的氨合成率比已有技術高，生產能力大。
(2)氣體分流可使阻力有效降低，節約電耗。在合成反應器中的塔阻中，換熱器中包括冷氣和熱氣通道佔全塔總阻力之1/2到2/3，採用進塔氣分流並流經過換熱器和冷管膽比現有技術入塔氣串聯經過換熱器和冷管膽塔阻降低1/3左右。
(3)結構簡單可靠，安裝使用方便。現有一些合成反應器多具有3個或更多個觸媒床，床層間又被分隔，或裝有換熱器，結構複雜。本實用新型反應器中觸媒層從冷管層到絕熱層為連在一起的單個床層，未加分隔，既顯著增加了觸媒裝量又使裝卸觸媒十分方便。每個冷管膽只有進氣管a穿過觸媒筐蓋板，可用填料函密封，或用波紋管連接，每個冷管膽進氣管a一般設中心對稱二根，減少了密封點，結構簡單可靠。
權利要求1.一種改進均溫型氣固相催化反應器，主要由外殼(P)、觸媒筐(R)或者觸媒筐(R)和塔內換熱器(E)組成的內件，內有觸媒筐(R)的蓋板(H)，筒體(S)，中心管(1)，觸媒筐(R)的底部有花板(J)支承觸媒筐中的觸媒層，其特徵是觸媒層內帶冷管膽(Cb)，冷管膽(Cb)由進氣管(a)、下冷管(b)、上冷管(c)、連接進氣管(a)和下冷管(b)的環管(d1)、連接下冷管(b)和上冷管(c)的環管(d2)組成，進氣管(a)有進氣口(5)，上冷管(c)頂端有出氣口(6)，觸媒層中心有中心管(I)，中心管下端有進氣口(8)，上端有出氣口(7)，中心管內裝有電加熱器(Q)，進氣管(a)通過蓋板上的填料函(G)與蓋板(H)活動配合，進氣管(a)上端開口(5)與氣流2進口連通，中心管(I)出氣口(7)與觸媒層上端空間連通，進塔氣2由進氣管(a)進入經環管(d1)分配到各下冷管(b)中，再經下環管(d2)到各上冷管(c)中，管內的原料氣被管外觸媒層中的高溫反應氣向並流加熱後出上冷管(c)與中心管(I)出口的氣流1混合進觸媒層反應。
2.根據權利要求1的反應器，其特徵是冷管膽(Cb)的下環管(d2)直接支承在花板(J)上，觸媒層全部為冷管觸媒層。
3.根據權利要求1的反應器，其特徵是冷管膽(Cb)的下環管(d2)通過支承架(L)支承在花板(J)上，觸媒層由上部冷管觸媒層(K1)和下部絕熱觸媒層(K2)組成。
4.根據權利要求1的反應器，其特徵是中心管(I)下端進氣口(8)直接與進塔氣1進口相連，反應器下部不設塔內換熱器。
5.根據權利要求1的反應器，其特徵是中心管(I)下端進氣口(8)與塔內換熱器(E)冷氣出口相連。
6.根據權利要求1的反應器，其特徵是冷管觸媒層(K1)和絕熱觸媒層(K2)中氣體為軸向流動。
7.根據權利要求1的反應器，其特徵是冷管層(K1)中氣體為軸向流動，絕熱層(K2)中設有多孔外分布筒(X)和多孔內分布筒(Y)供氣體徑向流過下絕熱層。
8.根據權利要求1的反應器，其特徵是冷管層的觸媒(K1)佔觸媒總重量的50～100％。
9.根據權利要求1所述的反應器，其特徵是觸媒筐R的冷管層中有一個或成同軸心套裝的數個冷管膽(Cb)，每個冷管膽由進氣管(a)，下冷管(b)，上冷管(c)，連接進氣管(a)和冷管(b)的環管(d1)，連接下冷管(b)和上冷管(c)的環管(d2)組成，氣體在冷管觸媒層(K1)中反應並與下冷管(b)和上冷管(c)中的氣體向並流換熱。
專利摘要一種用於放熱可逆反應的氣固向催化反應器,其觸媒層中有連續換熱的冷管膽,冷氣在冷管膽內與管外觸媒層的反應氣向並流換熱後與來自換熱器的氣體混合進觸媒層反應。該反應器具有工藝性能優良,觸媒層溫差小,合成率高,阻力小,生產能力大,操作調節方便,設備結構簡單可靠的優點。
文檔編號B01J8/02GK2290400SQ9721147
公開日1998年9月9日 申請日期1997年2月27日 優先權日1997年2月27日
發明者樓韌, 樓壽林, 盧慕書 申請人:樓壽林, 盧慕書, 樓韌