橫向管式換熱反應設備的製作方法

2023-12-03 12:31:41 1

專利名稱：橫向管式換熱反應設備的製作方法
技術領域：
本發明是一種氣固相催化反應設備，用於流體催化反應和傳熱過程，屬化學工程領域，特別適用於甲醇、甲醚、烴類等合成反應過程，也可用於乙烯氧化合成環氧乙烷，醋酸乙烯，苯酐合成，氨合成等反應過程。
背景技術：
對於由加壓下甲醇合成、甲胺、甲醚、氨、烴類等合成這類氣固相放熱催化反應，隨著反應過程的進行，不斷放出的反應熱使催化劑層溫度提高。為了提高反應器的效率，需要把反應熱移出以降低反應溫度。在工業反應器中曾廣為使用的一種是多段原料氣冷激來降低反應溫度，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。
另一種如德國Lurgi公司的用於甲醇合成的列管式反應器，在受壓外殼中有上下管板間的多根圓管，管中裝有催化劑，原料氣從上部進氣口進入分布到各管中，在管內觸媒層中合成甲醇，管間側面進水。反應熱被管外沸騰水連續移熱，產生蒸汽由側面管出，反應氣由底部出氣管出塔，該塔溫差小，但觸媒裝填係數小，投資大。其他如日本三菱公司的SPC超轉化率反應器，催化劑裝在內外套管間，同樣存在裝填係數小的問題。
本發明的任務是依據氣固相催化放熱可逆反應的特點，克服現有技術的缺點，提供一個觸媒層溫差小、觸媒活性高、結構簡單可靠、操作性能好的反應器。
發明的內容本發明提供一種橫向管式換熱催化反應設備，主要由帶封頭E的殼體P，連接換熱管b的管板(或環管)d，支承催化劑K的多孔支承板a和催化劑K上的多孔氣體分布器C，殼體P上的氣體進口1和反應氣出口2，冷卻介質進口3和出口4組成的反應器，其特徵是催化劑層的換熱管b橫向放置(與水平面夾角小於45°)，換熱管內介質橫向流動，氣體G由氣體分布器C氣孔進換熱管b外的催化劑層，由上向下流動進行反應，與換熱管內橫向流動的介質L換熱，到支承板a氣孔出催化劑層，經出氣口2出反應器。
在本發明的一個較好實例中，連接換熱管b的管板d1、d2與殼體P直接連接成為隔開換熱介質L和反應氣G的隔板，換熱介質的進口3和出口4分別在二端的封頭E2和E1上。
在本發明的一個較好實例中，在一端的封頭E1和管板d1的空間設置橫隔板F，將其分成上下二室H、I，在封頭E1的下室I有換熱介質L進口3，上室H有出口4，換熱介質L在換熱管b內由同一方向從一端流向另一端，換熱介質L由進口3進入下室I，由橫隔板下室I進入換熱管b流動，進入另一端封頭E2，然後反向由上室H連接的換熱管b反向流回，經上室H出口4流出。
在本發明的一個較好實例中，連接換熱管b的管板d1與殼體P和封頭E1連結，連結b的另一端管板d2與封頭E2內的內封頭E3連結，E3和封頭E2上的換熱介質L進口3由彈性軟管M或用導管用填料函密封連結，介質L由3進入經M到內封頭E3進入換熱管b，橫向流動到另一端封頭E1上出口4，管板d2與殼體P可以用擋圈活動密封代替固定焊接，以便管板d2和內封頭可自由伸縮。
在本發明的一個較好實例中，封頭E1與管板d1間有橫隔板F分隔為上下二室H、I，封頭E2內有內封頭E3連接管板d2，由進口3進入下室I的介質L經下部換熱管b流向E3，進入E3後又經連接上室H換熱管b反向流到上室H，由出口4流出。
在本發明的一個較好實例中，封頭E1與管板d1間有隔板F分隔為上下二室H、I，換熱管b為U形管，U形管二端管口分別與上室I和下室H相通。
在本發明的一個較好實例中，封頭E1與管板d1間有縱向隔板F分隔為左右二室H、I，U形換熱管二端管口分別與左、右H、I兩室相連通。
在本發明的一個較好實例中，換熱管b分成上下多組，每一組管b一端各有一個小封頭En1、En2……，另一端有一個用橫隔板分成上下二室的小封頭Em1、Em2……，上下二室各有連通傳熱介質L進口管和出口管連到大封頭E1。
在本發明的一個較好實例中，換熱管b分為上下多組U形管，封頭E1內每組U形管管板di與帶有橫隔板Fi的內封頭E3，橫隔板Fi上下二室Hi、Ii連通U形管二端，或者隔板Fi直接與封頭E1連接分隔成Hi、Ii多室。
在本發明的一個較好實例中，換熱管b為U形管，各U形管一端與管板d1相連接，管板d1與封頭E1間為由進口3連接分布室I，管板d1內側有管板d2與U形管另一端連接，二管板的d1、d2間為連結出口4的集流室H。
在本發明的一個較好實例中，換熱管b為雙套管，內管bi與管板d1連接，連通封頭E1中介質進口3，外管b0與管板d2連接，連通兩管板d1、d2間介質出口4。
在本發明的一個較好實例中，換熱管b為螺旋形管連通兩端管板d1、d2，兩封頭E1、E2與管板d1、d2連結，換熱介質由封頭E2中進口3進入經管板d2、螺旋換熱管b，管板d1，由封頭E1上出口4出反應器。
在本發明的一個較好實例中，前述各橫向換熱管b與水平面夾角θ＜45°，最佳為7～30°，當夾角θ≠0時，換熱管b為單程單向直管，傳熱介質出口管4一端位置高於進口管3一端。一臺橫向管式換熱反應器RA和一臺立式軸向氣冷反應器RB組合成聯合反應器，RB為內有逆流冷管膽管外裝催化劑K反應器，原料氣由RB底部進氣口1進入反應器RB內冷管，在管內逆流與管外催化劑層換熱升高溫度到230℃左右由管口2出塔進入橫向管反應器RA反應，反應器被管內介質(如水)移走，出RA反應器的氣體由RB的進口3進入RB管外催化劑層K中繼續反應後由出口4出反應器。


下面結合附圖進一步說明本發明。附圖中圖1是本發明簡單的橫向管傳熱反應器示意圖。
圖2是本發明簡單的橫向管傳熱反應器側面視圖示意圖。
圖3是一端封頭有隔板的雙程橫向管反應器示意圖。
圖4是一端有內封頭的單程橫向管反應器示意圖。
圖5是一端封頭有隔板，一端有內封頭的雙程橫向管反應器示意圖。
圖6是一端封頭有隔板的U形橫向反應器示意圖。
圖7是多組一端帶隔板內封頭和另一端帶內封頭的雙程橫向管反應器示意圖。
圖8是多組U形管反應器示意圖。
圖9是雙管板U形管反應器示意圖。
圖10是雙管板雙套管反應器示意圖。
圖11是內有兩組左右對稱U形管反應器示意圖。
圖12是換熱管是螺旋管的橫向反應器示意圖。。
圖13是斜置橫向管水冷傳熱反應器與氣冷換熱反應器組合示意圖較好實施方式結合圖1和圖2，圖中由圓形筒體P和兩側封頭E1、E2構成受壓容器，內有連結左右管板d1、d2上的多排換熱冷管b，冷管之間裝滿催化劑層K，筒體底部有多孔的催化劑支承板a，上部有多孔氣體分布板C，原料氣G由筒體上部進氣管1進入反應器內分布板C上部空間，均勻地進入管間催化劑層由上而下流動進行反應直到底部流經支承多孔板a後匯集由出氣口2出反應器，傳熱介質L例如水由封頭E2上進口3進入，從管板d2分流到各換熱管b，一邊流動一邊吸收管外催化劑層中反應熱，或用於升高介質溫度，或用於介質氣化如水成蒸汽而吸熱直到管板d1流出到出口4流出反應器，通過以上經介質的吸熱達到反應器內催化劑層中連續將反應熱及時移走，反應觸媒層溫度均勻平穩的效果。反應器內催化劑的裝卸可以從進氣口1裝入，也可另在殼體上部增開人孔用於裝催化劑，上部氣體分布板可分成多塊，便於裝催化劑，也可由二層或多層重疊交叉以便氣體分布均勻。同樣底部催化劑支承板a也可分成多塊，留有圓孔供卸催化劑用，除可用出氣口2卸催化劑外，底部還可開設多個人孔供卸催化劑用，換熱管b除被二端管板固定外，中間還設有多個縱向支承冷管定位架，圖中不再畫出，在後面的圖3到圖13中均不再說明。
圖3為本發明的雙程換熱管的一種結構，與圖1不同的是一側封頭E1和管板d1間有一橫隔板F將其分成上室H和下室I，下室I有換熱介質L進口3，上室H有出口4，換熱介質L由進口3進入下室I，由橫隔板下室I進入換熱管b流動，進入另一端封頭E2，然後反向由上室H連接的換熱管b反向流回，經上室H出口4流出。
在圖4中連接換熱管b的管板d1與殼體P和封頭E1連結，連結b的另一端管板d2與封頭E2內的內封頭E3連結，E3和封頭E2上的換熱介質L進口3由彈性軟管M連結，或者用連接直管用填料函與進口3活動連接，介質L由3進入經M到內封頭E3進入換熱管b，橫向流動到另一端封頭E1上出口4，管板d2與殼體P可以用擋圈活動密封代替固定焊接，以便管板d2和內封頭可自由伸縮。
在圖5中封頭E1與管板d1間與圖3一樣有橫隔板F分隔為上下二室H、I，封頭E2內有內封頭E3，連接管板d2，由進口3進入下室I的介質L經下部換熱管b流向E3，進入E3後又經連接上室H換熱管b反向流到上室H，由出口4流出，管板d2與殼體P可以用擋圈活動密封代替固定焊接，以便管板d2和內封頭可自由伸縮。
在圖6中封頭E1與管板d1間有橫隔板F分隔為上下二室H、I，換熱管b為U形管，U形管二端管口分別與上室H和下室I相通，另一端為U形管彎頭可自由伸縮，不需管板。
在圖7中，換熱管b分成上下多組，每一組管b一端各有一個小封頭En1、En2……，另一端有一個用橫隔板分成上下二室的小封頭Em1、Em2……，上下二室各有連通傳熱介質L進口管3a、3b、3c和出口管4a、4b、4c連到大封頭E1。
在圖8中，換熱管b分為上下多組(圖中為二組)U形管，封頭E1內每組U形管管板di與帶有橫隔板Fi的小封頭Ei，橫隔板Fi上下二室Hi、Ii連通U形管二端，或者隔板Fi直接與封頭E1連接分隔成Hi、Ii多室。
對圖7、圖8換熱管b分成多組時還可以在封頭E2上開人孔，供安裝檢修換熱管組用。對圖7、圖8，換熱管分為多組的結構，組數的多少可根據設備能力和直徑大小增減，除水平分組外，還可縱向再分組。
在圖9中，換熱管b為U形管，各U形管一端與管板d1相連接，管板d1與封頭E1間為傳熱介質L由進口3連接分布室I，管板d1內側有管板d2與U形管另一端連接，二管板的d1、d2間為連結出口4的集流室H。
在圖10中，換熱管b為雙套管，內管b2與管板d1連接，連通封頭E1中介質進口3，外管b0與管板d2連接，連通兩管板d1、d2間介質出口4。
圖11為兩組左右對稱U形管反應器，可視作圖6U形管反應器對稱拼接而成，左右封頭E1和E2與左右管板d1、d2間分別用橫隔板F1、F2隔成上下兩室H1、I1、H2、I2，這種結構尤其適用在直徑限制情況下用增加長度增加生產能力。
圖12是用螺旋管作換熱管反應器示意圖，換熱管b為螺旋形管連通兩端管板d1、d2，兩封頭E1、E2與管板d1、d2連結，換熱介質由封頭E2中進口3進入經管板d2、螺旋換熱管b，管板d1，由封頭E1上出口4出反應器。
圖13中為一臺橫向管式換熱反應器，例如由圖4帶內封頭反應器RA和一臺立式軸向氣冷反應器RB組合成的反應器，RB為內有逆流冷管膽管外裝催化劑K反應器，原料氣由RB底部進氣1進入反應器RB內冷管，在管內逆流與管外催化劑層換熱升高溫度到230℃左右由管口2出塔進入橫向管反應器RA反應，反應器被管內介質(如水)移走，出RA反應器的氣體由RB的進口3進入RB管外催化劑層K中繼續反應後由出口4出反應器，橫向管式反應器RA與水平面夾角為25°以利汽水混合。
本發明比已有技術有明顯優點，一是因觸媒裝在冷管間，故增加了觸媒裝填係數，達到70％，而德國Lurgi管殼式的甲醇反應器催化劑裝在管內，裝填係數只達30％，因此同樣能力的反應器體積大為縮小，投資節省一半，同時可用增加長度、擴大催化劑裝量和能力，尤其適用於大型、超大型年產百萬噸裝置。二是氣體流動一方面由於催化劑裝在管間增加流通截面，另一方面由於催化劑層由Lurgi管殼塔軸向流動改為臥式，經催化劑床層通氣截面大幅增加，催化劑床層降低故反應器壓力降大幅降低，節約動力消耗。三是催化劑床中氣體橫向流過換熱管，錯流提高傳熱係數和效率，減小溫差。四是換熱管數可按從上到下氣體放出反應熱多少而優化設計，克服軸向管殼式反應器沿軸向傳熱面不可變的缺點。五是管外裝催化劑成為一體，裝填易均勻。六是採用U形管作換熱管或帶活動內封頭，可自由伸縮，結構可靠。七是可採用帶法蘭封頭，將帶內封頭的冷管組抽出殼體P外，清理冷管和裝卸催化劑方便。
實施例使用圖6的橫向U形管合成塔進行低壓甲醇合成，塔內徑4.6米，長16米，裝NC307或C302銅基甲醇，觸媒裝填量195m3，合成壓力8.9MPa，進塔氣成份H263.73％，CO 10.25％，CO25.87％，H2O 0.06％，N27.81％，CH412.02％，CH3OH 0.28％，進塔氣量1800000Nm3/h，觸媒層熱點溫度260℃，甲醇產量5100噸/日，反應熱加熱鍋爐水副產4MPa蒸汽4500噸/日。而用Lurgi管殼式塔在同樣條件和產量下合成塔需直徑4米多3臺，投資增加一倍以上。
以上通過眾多圖例和實施例對本發明的主題作了充分描述，但不限於這些內容，例如還可以用環管作分流和集流管代替圖中管板和內封頭連通傳熱管b，可以用波紋管、螺旋管盤管作為傳熱管。
權利要求
1.一種橫向管式換熱催化反應設備，主要由帶封頭(E)的殼體(P)，連接換熱管(b)的管板(或環管)(d)，支承催化劑(K)的多孔支承板(a)和催化劑(K)上的多孔氣體分布器(C)，殼體(P)上的氣體進口(1)和反應氣出口(2)，冷卻介質進口(3)和出口(4)組成的反應器，其特徵是催化劑層的換熱管(b)橫向放置，換熱管內介質橫向流動，氣體(G)由氣體分布器(C)氣孔進換熱管(b)外的催化劑層，由上向下流動進行反應，與換熱管內橫向流動的介質(L)換熱，到支承板(a)氣孔出催化劑層，經出氣口(2)出反應器。
2.如權利要求1所述的反應器，其特徵是連接換熱管(b)的管板(d1)、(d2)與殼體(P)直接連接成為隔開換熱介質(L)和反應氣(G)的隔板，換熱介質的進口(3)和出口(4)分別在二端的封頭(E2)和(E1)上，或者在一端的封頭(E1)和管板(d1)的空間設置橫隔板(F)，將其分成上下二室(H)、(I)，在封頭(E1)的下室(I)有換熱介質(L)進口(3)，上室(H)有出口(4)，換熱介質(L)在換熱管(b)內由同一方向從一端流向另一端，換熱介質(L)由進口(3)進入下室(I)，由橫隔板下室(I)進入換熱管(b)流動，進入另一端封頭(E2)，然後反向由上室(H)連接的換熱管(b)反向流回，經上室(H)出口(4)流出。
3.如權利要求1所述的反應器，其特徵是換熱管(b)為螺旋形管連通兩端管板(d1)、(d2)，兩封頭(E1)、(E2)與管板(d1)、(d2)連結，換熱介質由封頭(E2)中進口(3)進入經管板(d2)、螺旋換熱管(b)，管板(d1)，由封頭(E1)上出口(4)出反應器。
4.如權利要求1所述的反應器，其特徵是連接換熱管(b)的管板(d1)與殼體(P)和封頭(E1)連結，連結(b)的另一端管板(d2)與封頭(E2)內的內封頭(E3)連結，(E3)和封頭(E2)上的換熱介質(L)進口(3)由彈性軟管(M)或用導管用填料函密封連結，介質(L)由(3)進入經(M)到內封頭(E3)進入換熱管(b)，橫向流動到另一端封頭(E1)上出口(4)，管板(d2)與殼體(P)可以用擋圈活動密封代替固定焊接，以便管板(d2)和內封頭可自由伸縮，或者封頭(E1)與管板(d1)間有橫隔板(F)分隔為上下二室(H)、(I)，封頭(E2)內有內封頭(E3)連接管板(d2)，由進口(3)進入下室(I)的介質(L)經下部換熱管(b)流向(E3)，進入(E3)後又經連接上室(H)換熱管(b)反向流到上室(H)，由出口(4)流出。
5.根據權利要求1所述的反應器，其特徵是封頭(E1)與管板(d1)間有橫隔板(F)分隔為上下二室(H)、(I)，換熱管(b)為U形管，U形管二端管口分別與上室(I)和下室(H)相通，或者封頭(E1)與管板(d1)間有縱向隔板(F)分隔為左右二室(H)、(I)，U形換熱管二端管口分別與左右(H)、(I)兩室相連通。
6.如權利要求1所述的反應器，其特徵是換熱管(b)分成上下多組，每一組管(b)一端各有一個小封頭(En1)、(En2)......，另一端有一個用橫隔板(Fi)分成上下二室的小封頭(Em1)、(Em2)......，上下二室各有連通傳熱介質(L)進口管和出口管連到大封頭(E1)。
7.根據權利要求1的反應器，其特徵是換熱管(b)分為上下多組U形管，封頭(E1)內每組U形管管板(di)與帶有橫隔板(Fi)的內封頭(E3)，橫隔板(Fi)上下二室(Hi)、(Ii)連通U形管二端，或者隔板(Fi)直接與封頭(E1)連接分隔成(Hi)(Ii)多室。
8.根據權利要求1的反應器，其特徵是管板(d1)與封頭(E1)間為有傳熱介質(L)進口(3)的分布室(I)，管板(d1)內側有管板(d2)，管板的(d1)、(d2)間為連結出口(4)的集流室(H)，換熱管(b)為U形管，各U形管一端與管板(d1)相連接，U形管另一端與管板(d2)連接，或者換熱管(b)為雙套管，內管(bi)與管板(d1)連接，連通封頭(E1)中介質進口(3)，外管(b0)與管板(d2)連接，連通兩管板(d1)、(d2)間介質出口(4)。
9.根據權利要求5、7、8、9的反應器其特徵是兩組U形管和管板反向對稱組合構成橫向管換熱反應器。
10.根據權利要求1的反應器，其特徵是各換熱管(b)與水平面夾角θ＜45°，最佳為7～30°，當夾角θ≠0時，傳熱介質出口管(4)一端位置高於進口管(3)一端，或者橫向管式換熱反應器RA與氣冷反應器RB串聯組合。
全文摘要
一種橫向管式換熱催化反應設備，主要由帶封頭E的殼體P，連接換熱管b的管板d，支承催化劑K的多孔支承板a和催化劑K上的多孔氣體分布器C，殼體P上的氣體進口1和反應氣出口2，冷卻介質L進口3和出口4組成。催化劑層的換熱管b橫向放置，換熱管內介質橫向流動，氣體G由氣體分布器C氣孔進換熱管b外的催化劑層，由上向下流動進行反應，與換熱管內橫向流動的介質L換熱，是一種催化劑層溫差小、觸媒活性高、觸媒裝填係數大，床層阻力小，結構簡單可靠、操作性能好的反應器。
文檔編號B01J8/02GK1788835SQ20041010310
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月14日 優先權日2004年12月14日
發明者樓壽林, 樓韌 申請人:杭州林達化工技術工程有限公司