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(yīng)器的制作方法
絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工反應(yīng)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，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(yīng)器。背景技術(shù)：
在甲醇合成、氨合成、 一氧化碳變換、有機(jī)化合物加氫、二甲醚合成、 液體燃料合成、環(huán)氧乙烷合成等可逆放熱反應(yīng)中，都使用固體顆粒催化劑，都存在熱量對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響以及催化劑回收利用的問(wèn)題；在成規(guī)模的工業(yè) 化生產(chǎn)過(guò)程中，都需要應(yīng)用固定床催化反應(yīng)器。 在催化反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，主要的技術(shù)有(l)英國(guó)ICI反應(yīng)器該反應(yīng)器為固定床四段絕熱段間冷激式軸向流動(dòng)反應(yīng)器，其熱量是通過(guò) 特殊設(shè)計(jì)的菱形分布器將冷激氣噴入床層中間帶走，床層多段連續(xù)，壓降約為0.5 0.6Mpa;該反應(yīng)器適和做成大型化反應(yīng)器，也易于安裝維修；但是， 該反應(yīng)器催化床溫度分布不甚理想，反應(yīng)器的操作和溫度的控制難度較大， 氣體返混嚴(yán)重，轉(zhuǎn)化率低，能量利用效率較低。(2) 德國(guó)Lurgi反應(yīng)器該反應(yīng)器為列管式反應(yīng)器，管內(nèi)填充催化劑，由管間沸水移去反應(yīng)熱， 副產(chǎn)蒸汽；用過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)，用背壓低壓蒸汽作甲醇蒸餾熱源。 但是，該反應(yīng)器催化床存在嚴(yán)重的壁效應(yīng)，影響催化劑時(shí)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(yīng)器曰本三菱重工業(yè)株式會(huì)社(簡(jiǎn)稱MHI)和三菱瓦斯株式會(huì)社(簡(jiǎn)稱MGC)共同開發(fā)了一種新的甲醇合成技術(shù)，其甲醇合成反應(yīng)器是一種立式雙套管換 熱器，在列管式反應(yīng)器的催化管內(nèi)加一根冷管，用以預(yù)熱原料氣，催化劑裝 填在內(nèi)外管的環(huán)隙。此外，我國(guó)在本技術(shù)領(lǐng)域也有適應(yīng)我國(guó)目前生產(chǎn)狀況的固定床催化反應(yīng) 器技術(shù)，根據(jù)生產(chǎn)發(fā)展的需要，這些技術(shù)有進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)的空間。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種化工生產(chǎn)中適合單系 列大型化發(fā)展需求的、能合理利用能量、副產(chǎn)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(yīng)器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)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(yīng)器，含有筒體、 上封頭、絕熱反應(yīng)段、管殼外冷段和下封頭，在上封頭上設(shè)有氣體入口和裝 填催化劑的人孔，在管殼外冷段內(nèi)設(shè)置有上管板、下管板、 一組換熱管、換 熱介質(zhì)進(jìn)口和換熱介質(zhì)出口，在下封頭上設(shè)有氣體出口、卸催化劑口，其特 征是，在絕熱反應(yīng)段設(shè)置有1 2個(gè)絕熱層，絕熱層后設(shè)有原料氣體冷激，絕 熱反應(yīng)段的高度為反應(yīng)器催化劑層總高度的5 30%;在管殼外冷段的一組換熱管內(nèi)填裝催化劑，填裝催化劑的高度為反應(yīng)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(gòu)成，冷激氣分布器為環(huán)形結(jié)構(gòu)，在環(huán)形結(jié)構(gòu)的下部分設(shè)有小孔；冷激管的上端固定設(shè)置在反應(yīng)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(gè)絕熱層設(shè)有一個(gè)原料氣體冷激。 所述的原料氣體冷激由一個(gè)冷激氣分布器和一根冷激管構(gòu)成。 所述的原料氣體冷激由多個(gè)冷激氣分布器和多根冷激管構(gòu)成。 所述環(huán)形結(jié)構(gòu)的冷激氣分布器下部分小孔的直徑為1 5毫米。 當(dāng)可逆放熱反應(yīng)，如合成氣制甲醇、合成氨反應(yīng)、合成氣制二甲醚、合成液體燃料等的反應(yīng)氣體進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，先通過(guò)由催化劑組成的絕熱層，在 絕熱層中隨反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)放熱，使催化床層溫度升高；反應(yīng)后的氣體與冷的 原料氣進(jìn)行熱量交換，使反應(yīng)氣體溫度降低到下一段反應(yīng)的溫度；催化床設(shè) 置絕熱段，還可以吸附原料氣體中對(duì)催化劑有害的氣體，保證后面的催化劑 不受有害氣體的影響，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。在管殼外冷段催化床中，反 應(yīng)氣體在管內(nèi)催化劑床層反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的反應(yīng)熱由殼程的介質(zhì)冷卻，該介質(zhì) 可以是水，也可以是其它熱介質(zhì)；如果是水，應(yīng)從反應(yīng)器下部的換熱介質(zhì)進(jìn) 口進(jìn)入，吸收熱量后形成中壓蒸汽從反應(yīng)器管殼外冷段上部的換熱介質(zhì)出口 排出；如該介質(zhì)為其它熱介質(zhì)，應(yīng)能產(chǎn)生相變，從反應(yīng)器下部的換熱介質(zhì)進(jìn) 口進(jìn)入，吸收熱量產(chǎn)生相變后從反應(yīng)器管殼外冷段上部的換熱介質(zhì)出口排出。 本發(fā)明絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應(yīng)器的積極效 果是(1) 是針對(duì)可逆放熱反應(yīng)的特點(diǎn)而提出的一種反應(yīng)器組合形式，它充分 考慮了可逆放熱反應(yīng)的熱效應(yīng)，合理地布置催化劑，在反應(yīng)器的上部設(shè)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(chǎn)能，又能及時(shí)移 走反應(yīng)熱——反應(yīng)器下部的管殼外冷結(jié)構(gòu)通過(guò)殼程冷卻介質(zhì)移走反應(yīng)熱，保 證可逆放熱反應(yīng)在最佳溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)副產(chǎn)中壓蒸汽，充分合理地利 用了能量。(2) 在反應(yīng)器上部的絕熱反應(yīng)段增加了絕熱層，它可以過(guò)濾掉由反應(yīng)氣 體帶入的微量的對(duì)催化劑有害的物質(zhì)，從而延長(zhǎng)了催化劑的使用壽命。(3) 反應(yīng)器由絕熱層、原料氣體冷激和管殼外冷段的換熱管組成，結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，催化劑裝卸方便，催化劑升溫還原容易，催化床層溫度調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，可 回收高位能反應(yīng)熱，副產(chǎn)蒸汽，適合大規(guī)?；どa(chǎn)。
附圖為本發(fā)明絕熱一冷激一管殼外冷組合式氣固相固定床催化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的標(biāo)號(hào)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(zhì)進(jìn)口， 13、換熱介質(zhì) 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(shí)施方式以下通過(guò)附圖給出本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但是，本發(fā)明不限于以下的 實(shí)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(yīng)器，由筒體15、 上封頭16、絕熱反應(yīng)段、管殼外冷段和下封頭10構(gòu)成，在上封頭16上設(shè)有 氣體入口1和人孔17，在反應(yīng)器的下封頭10上設(shè)有氣體出口8、卸催化劑口 9。筒體15的內(nèi)徑為3. 8米，上部為絕熱反應(yīng)段，設(shè)有兩個(gè)絕熱層第一絕 熱層2和第二絕熱層4，第一絕熱層2設(shè)置在第二絕熱層4的上方；在第一絕 熱層2后設(shè)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(gòu)成， 第一冷激氣分布器3為環(huán)形結(jié)構(gòu)，在環(huán)形結(jié)構(gòu)的下部分設(shè)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(yīng)器的上封頭16上，同時(shí)起到將第一冷激氣分布 器3固定在第一絕熱層2后面的作用；在第二絕熱層4后設(shè)有原料氣體冷激， 它由第二冷激氣分布器5 (結(jié)構(gòu)同第一冷激氣分布器3)和第二冷激管18 (結(jié) 構(gòu)同第一冷激管19)構(gòu)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(yīng)器上封頭16上，同時(shí)起到將第二冷激 氣分布器5固定在第二絕熱層4后面的作用；每個(gè)絕熱層高度為1. 5米，絕熱反應(yīng)段的高度為反應(yīng)器催化劑層總高度的5 30%，可裝填34立方米催化劑。本發(fā)明的原料氣體冷激可由一個(gè)冷激氣分布器和一根冷激管構(gòu)成，本發(fā) 明的原料氣體冷激也可由多個(gè)冷激氣分布器和多根冷激管構(gòu)成。筒體15的下部為管殼外冷段，內(nèi)徑同樣為3.8米，其內(nèi)設(shè)有上管板14、 下管板11、 一組換熱管7、換熱介質(zhì)進(jìn)口 12和換熱介質(zhì)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(zhì)冷卻，在換熱管7內(nèi)填裝催化劑，填裝催化劑的高度 為反應(yīng)器催化劑層總高度的50 95%，可裝填37立方米催化劑，整個(gè)反應(yīng)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?dú)?N2)、氬氣(Ar)組成的合成氣體進(jìn)入反應(yīng)器， 溫度為189°C，壓力為8.0Mpa，經(jīng)過(guò)第一冷激氣分布器3冷激后的反應(yīng)溫度 為20rC，經(jīng)過(guò)第二冷激氣分布器5冷激后的反應(yīng)溫度為209-C，進(jìn)入管殼外 冷段后熱點(diǎn)溫度為235r，反應(yīng)器氣體出口8溫度為232"C，進(jìn)入反應(yīng)器的氣 體流量為725141 NmVh。本發(fā)明可生產(chǎn)甲醇51. 2萬(wàn)噸/年(按300天計(jì)算)， 產(chǎn)生中壓蒸汽1.2噸/噸甲醇。在具體實(shí)施中，絕熱 一冷激一管殼外冷組合式固定床催化反應(yīng)器可以采 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(dāng)絕熱層很薄時(shí)，也可以是絕熱一管殼 外冷的組合形式，不設(shè)冷激結(jié)構(gòu)。
權(quán)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(yīng)器，含有筒體、上封頭、絕熱反應(yīng)段、管殼外冷段和下封頭，在上封頭上設(shè)有氣體入口和裝填催化劑的人孔，在管殼外冷段內(nèi)設(shè)置有上管板、下管板、一組換熱管、換熱介質(zhì)進(jìn)口和換熱介質(zhì)出口，在下封頭上設(shè)有氣體出口、卸催化劑口，其特征在于，在絕熱反應(yīng)段設(shè)置有1～2個(gè)絕熱層，絕熱層后設(shè)有原料氣體冷激，絕熱反應(yīng)段的高度為反應(yīng)器催化劑層總高度的5～30％；在管殼外冷段的一組換熱管內(nèi)填裝催化劑，填裝催化劑的高度為反應(yīng)器催化劑層總高度的50～95％。
2、 根據(jù)權(quán)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(yīng)器，其特征在于，所述的原料氣體冷激由冷激氣分布器和冷激管構(gòu)成， 冷激氣分布器為環(huán)形結(jié)構(gòu)，在環(huán)形結(jié)構(gòu)的下部分設(shè)有小孔；冷激管的上端固 定設(shè)置在反應(yīng)器上封頭上，冷激管的下端連接在冷激氣分布器上。
3、 根據(jù)權(quán)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(yīng)器，其特征在于，所述的絕熱層為一個(gè)絕熱層設(shè)有一個(gè)原料氣體冷激。
4、 根據(jù)權(quán)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(yīng)器，其特征在于，所述的原料氣體冷激由一個(gè)冷激氣分布器和 一根冷激管構(gòu)成。
5、 根據(jù)權(quán)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(yīng)器，其特征在于，所述的原料氣體冷激由多個(gè)冷激氣分布器和 多根冷激管構(gòu)成。
6、 根據(jù)權(quán)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(yīng)器，其特征在于，所述環(huán)形結(jié)構(gòu)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(yīng)器，含有設(shè)有氣體入口和人孔的上封頭，設(shè)有上管板、下管板、一組換熱管、換熱介質(zhì)進(jìn)口、換熱介質(zhì)出口的管殼外冷段，設(shè)有氣體出口、卸催化劑口的下封頭，其特征是，在絕熱反應(yīng)段設(shè)有兩個(gè)絕熱層，絕熱層后設(shè)有由冷激氣分布器和冷激管構(gòu)成原料氣體冷激，絕熱反應(yīng)段高度為反應(yīng)器催化劑層總高度的5～30％；在換熱管內(nèi)填裝催化劑，填裝的高度為反應(yīng)器催化劑層總高度的50～95％。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是是針對(duì)可逆放熱反應(yīng)的特點(diǎn)而專門設(shè)計(jì)的，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，催化劑裝卸方便，催化劑升溫還原容易，催化床層溫度調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，可回收高位能反應(yīng)熱，副產(chǎn)蒸汽，非常適合大規(guī)?；どa(chǎn)。
文檔編號(hào)B01J8/02GK101249406SQ20081003578
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月9日
發(fā)明者應(yīng)衛(wèi)勇, 張海濤, 房鼎業(yè), 進(jìn) 蔡, 馬宏方 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)