專利名稱：一種氣固催化反應(yīng)器的制作方法
一種涉及化工可逆放熱反應(yīng)的氣固催化反應(yīng)器，用于化工廠氨、甲醇的合成以及其他氣固可逆反應(yīng)。屬化工設(shè)備。
在化工中大部分可逆放熱反應(yīng)，必須在催化劑的作用下才能進(jìn)行。反應(yīng)過程中，有熱量放出，催化劑床層和反應(yīng)氣體溫度將升高。隨溫度的升高，而反應(yīng)速度卻逐漸降低，當(dāng)溫度升達(dá)到某一溫限時(shí)，正逆反應(yīng)速度相等，處于平衡狀態(tài)，但此時(shí)的反應(yīng)生成物卻很少。下面的數(shù)據(jù)都以合成氨反應(yīng)為例，當(dāng)溫升達(dá)到470～480℃時(shí)，反應(yīng)氣體中氨含量只有5～6%，達(dá)不到工業(yè)生產(chǎn)的要求。為此，必須設(shè)法將反應(yīng)過程中的熱量移出，進(jìn)行熱交換降溫，使其溫度降至平衡狀態(tài)以下。
在化學(xué)工業(yè)中通常采用的方法是先絕熱反應(yīng)一段，使溫升達(dá)到某一范圍，用間接換熱方法降溫，即用未反應(yīng)的冷氣在管外流動(dòng)，反應(yīng)了的熱氣體在管內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)行熱交換，將熱氣降至某一溫度范圍。接著再進(jìn)行第二段(層)絕熱反應(yīng)，再降溫，依次再進(jìn)行第三、第四段，當(dāng)反應(yīng)中生成物達(dá)到所要求的反應(yīng)物濃度時(shí)，終止其反應(yīng)。
此種反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1為四段間接換熱反應(yīng)器示意圖，AB段為一絕熱段(層)，BC為第一換熱器，CD為第二絕熱段，DE為第二換熱器，EF為第三絕熱段(層)，F(xiàn)G為第三換熱器，GH為第四絕熱段，實(shí)線箭頭所示為未反應(yīng)的冷氣體，虛線箭頭所示為反應(yīng)后的熱氣體。
圖2為四段間接換熱反應(yīng)器的氨含量與溫度關(guān)系曲線圖(即X-t圖)在圖1中，AB、CD、EF、GH四段為絕熱層，內(nèi)裝有催化劑，BC、DE、FG為列管式換熱器，管內(nèi)為熱氣，管外為冷氣。
從圖1所示的四段間接換熱器反應(yīng)器可以看出，它存在以下問題若要達(dá)到所需反應(yīng)物含量濃度，必須要設(shè)置多段才能完成。但段數(shù)愈多，在催化劑床層間需要安裝的換熱器也越多，換熱器占據(jù)的空間位置也越大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)、工藝流程復(fù)雜，催化劑裝填量減少。對(duì)反應(yīng)物的生成反而不利。因此，實(shí)際上的反應(yīng)器一般只用三段，反應(yīng)后的生成物含量低。如三段合成氨反應(yīng)器，生成物含量其凈值只有12～14%。
在合成氨工業(yè)中，也有采用四段冷激式反應(yīng)器，它不用或少用換熱器，在各段之間，用部分反應(yīng)了的熱氣體與冷氣體直接混合降溫。這種四段冷激式反應(yīng)器如圖3所示。AB段與BC段間用冷氣a與AB段下來的熱氣混合降溫;BC段與CD段間，用b冷氣與BC段下來的熱氣直接混合降溫，同理，CD段與DE段間用c冷氣降溫。這種反應(yīng)器比間接式反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但其最終氨含量比間接式要低2～3.5%，因?yàn)楸晃捶磻?yīng)的冷氣沖稀所致，仍不能達(dá)到反應(yīng)生成物含量高的要求。圖4為四段冷激式x-t圖，從圖4可以看出，第一段為A即第一段反應(yīng)后(B點(diǎn))氨含量已達(dá)到10.5%，溫度達(dá)498℃，加入一般未反應(yīng)的冷氣后，達(dá)到C點(diǎn)，此時(shí)溫度降到390℃，氨含量降到7.5%，這樣每反應(yīng)一段，溫度及濃度都降低一次，所以最終氨含量只有15%。
鑒上，本發(fā)明的目的在于利用一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的冷管進(jìn)行換熱，采用三絕熱冷激內(nèi)冷分流式流程，最終氨含量高的氣固反應(yīng)器。
本發(fā)明為三絕熱(冷激)內(nèi)冷分流式反應(yīng)器，如圖5所示，它采用分流形式，將未反應(yīng)的冷氣體分成兩股氣流，大部分冷氣(約60～75%)自反應(yīng)器的底部往上流動(dòng)，在床外進(jìn)行熱交換，使冷氣加熱到催化劑的活性溫度。另一股冷氣約25～40%則從反應(yīng)器底部側(cè)進(jìn)氣口經(jīng)內(nèi)外筒體間環(huán)形氣道，通過二根導(dǎo)氣管流至冷管束，自上而下進(jìn)行熱交換，再經(jīng)升氣管將被加熱的冷氣送至催化床層，進(jìn)行催化合成反應(yīng)，以此來實(shí)現(xiàn)上述目的。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)特征。


，圖1為四段間接換熱反應(yīng)器示意圖;
圖2為四段間接換熱反應(yīng)器x-t曲線圖;
圖3為四段冷激式反應(yīng)器示意圖;
圖4為四段冷激式反應(yīng)器x-t圖;
圖5為三絕熱冷激內(nèi)冷分流式反應(yīng)器示意圖。
參見圖5，本發(fā)明其外形為一圓筒體，它分為外筒和內(nèi)筒兩部分，外筒為厚壁空心圓柱體，內(nèi)筒為錐底形圓柱體，兩筒套裝并與外界密封的容器，兩筒體間有環(huán)隙，供進(jìn)氣之用。它主要由底部換熱器(1)、中心管(2)、支承環(huán)(3)、下環(huán)管(4)、冷管(5)、上環(huán)管(6)、升氣管(7)、環(huán)狀菱形混合器(8)、導(dǎo)氣管(9)、內(nèi)筒體(10)、外筒體(11)、外筒上蓋(12)、換熱器底蓋(13)、底側(cè)進(jìn)氣口(14)、錐形封頭(15)、進(jìn)氣管(16)、外筒體底蓋(17)、出氣管(18)所組成。根據(jù)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和功能大致可分為A、B、C、D四段，A段為中心管(2)頂端的催化劑上界面至環(huán)狀菱形混合器(8)中心線之間的催化床層，該處為第一絕熱段。
環(huán)狀菱形混合器(8)中心線至上環(huán)管(6)中心線之間的催化床層為第二絕熱段，即B段。
上環(huán)管(6)與下環(huán)管(4)兩中心線間的催化床層，此處為C段，也可稱為冷管束段，在此段內(nèi)有熱交換。
下環(huán)管(4)中心線以下至換熱器(1)頂部之間的催化床層，為D段，D段為第三絕熱層。
本發(fā)明的主要構(gòu)件內(nèi)筒體(10)。是一個(gè)錐底形薄壁空心圓柱體，內(nèi)裝有底部換熱器(1)，中心管(2)，支承環(huán)(3)，下環(huán)管(4)，冷管(5)，上環(huán)管(6)，升氣管(7)，環(huán)狀菱形混合器(8)，導(dǎo)氣管(9)。由上下環(huán)管(6)與(4)，升氣管(7)以及冷管(5)組成的冷管束，位于內(nèi)筒體(10)的中部，底部換熱器(1)位于內(nèi)筒體(10)的下部，換熱器(1)的頂部與中心管(2)連通，其下部與錐形封頭(13)連通，中心管(2)貫通冷管束和環(huán)狀菱形混合器(8)的中心。支承環(huán)(3)與內(nèi)筒體(10)連接，冷管束由支承環(huán)(3)支承，升氣管(7)的上端與菱形混合器(8)相連通。類似一個(gè)罩子，罩住升氣管(7)、混合器(8)的外緣與內(nèi)筒體(10)的內(nèi)壁間距為25～80毫米，混合器(8)內(nèi)緣與中心管(2)的外壁間距為20～30毫米。環(huán)狀菱形混合器(8)其橫截面為菱形。菱形的每個(gè)面都加工有小孔，其通氣面積為15～30%，由升氣管(7)進(jìn)入環(huán)狀菱形混合器(8)未反應(yīng)較熱的冷氣，其溫度為280～350℃，與A段已反應(yīng)溫度為450℃～500℃的熱氣體混合進(jìn)行熱交換，流入B段反應(yīng)。導(dǎo)氣管(9)的下端與上環(huán)管(6)的上部相連通。外筒體(11)的上下端分別與外筒上蓋(12)和外筒體底蓋(17)密接。在外筒體底蓋(17)的底部中心設(shè)置有供進(jìn)氣管(16)和出氣管(18)的通孔，進(jìn)出氣管為套裝且彼此間互相密封。底蓋(17)的一側(cè)設(shè)有底側(cè)進(jìn)氣口(14)，由底側(cè)進(jìn)氣口(14)進(jìn)來未反應(yīng)的冷氣體，其溫度為30～180℃，通過內(nèi)外筒體間的環(huán)隙進(jìn)入導(dǎo)氣管(9)。內(nèi)筒體(10)的內(nèi)腔除裝置有關(guān)構(gòu)件外，其余空間均充填催化劑，在反應(yīng)器的反應(yīng)段(A+B+C+D)只有C段為內(nèi)冷段，它占整個(gè)反應(yīng)段高度的15～30%。
本發(fā)明的工作過程未反應(yīng)的冷氣體分成兩股，約60～75%的冷氣從反應(yīng)器底部的進(jìn)氣管(16)進(jìn)入到底部換熱器(1)換熱管的管外空間，與管內(nèi)已反應(yīng)的熱氣體進(jìn)行熱交換，經(jīng)換熱器(1)加熱，未反應(yīng)的冷氣體將升溫至350～400℃，使之達(dá)到催化劑的活性溫度。通過與熱交換器(1)上端相連通的中心管(2)自下而上進(jìn)入到催化床A段，進(jìn)行催化絕熱反應(yīng)?；旌蠚鉁囟壬?，反應(yīng)物濃度增加。另一股約25～40%的冷氣，從底側(cè)進(jìn)氣口(14)，經(jīng)內(nèi)外筒體間的環(huán)隙，由下而上到達(dá)內(nèi)筒體(10)的頂部，通過至少兩根以上的導(dǎo)氣管(9)進(jìn)入到上環(huán)管(6)，再分流至各冷管(5)，因該股冷氣的溫度范圍較寬約30～180℃，用它可以調(diào)節(jié)器內(nèi)的反應(yīng)溫度。在此處，冷管(5)內(nèi)的冷氣與管外催化床層的熱氣進(jìn)行熱交換，管內(nèi)的冷氣被加熱，管外的熱氣被冷卻。冷管(5)的冷氣加熱后由上而下流至下環(huán)管(4)，再折轉(zhuǎn)經(jīng)由至少兩根(包括兩根)以上的升氣管(7)進(jìn)入環(huán)狀菱形混合器(8)，因件(8)的四面均有小孔，在此處，由A段下來的已反應(yīng)高溫混合氣與升氣管(5)流出已加熱未反應(yīng)的冷氣直接混合?；旌虾蟮臍怏w，其溫度約為390～450℃，它比A段下來的氣體溫度要低，而比升氣管(7)出來的氣體溫度要高。根據(jù)反應(yīng)的不同和其他條件的差異，其混合氣的溫度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。
混合氣自上而下流動(dòng)，經(jīng)B段絕熱反應(yīng)后，溫度和生成物含量都上升，再經(jīng)C段繼續(xù)反應(yīng)，并放出熱量。但此時(shí)，由于C段內(nèi)有冷管束的冷卻，反應(yīng)混合氣的溫度逐漸降低，而生成物含量卻逐漸增加。
混合氣體繼續(xù)往下流動(dòng)，經(jīng)D段絕熱反應(yīng)和底部換熱器(1)的熱交換，由于在D段內(nèi)無冷卻，也未加入新的冷氣，因此混合氣的溫度回升，而生成物濃度繼續(xù)增加。用此法達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)要求為止，以合成氨為例，氨含量可達(dá)到16～19%。
本發(fā)明由于采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小的冷管束，構(gòu)成一催化劑裝填量多的四段冷激分流式反應(yīng)器，而其反應(yīng)溫度又能調(diào)節(jié)在較為理想狀態(tài)，因此有利于反應(yīng)生成物含量的提高。以氨凈值計(jì)，其他所有形式的反應(yīng)器氨凈值一般為14%左右，最高為15～16%，本發(fā)明則可達(dá)16～19%。
本發(fā)明在冷管束的結(jié)構(gòu)上，由于導(dǎo)氣管(9)，升氣管(7)都采用至少兩根以上的結(jié)構(gòu)，冷管束的熱應(yīng)力分布較為均勻合理。冷管(5)斷裂的可能性降低，相應(yīng)提高了反應(yīng)器的安全性，同時(shí)亦減少了不銹鋼的用量。
權(quán)利要求
1.一種氣固催化反應(yīng)器，用于化工生產(chǎn)中氨及甲醇的合成以及其他氣固可逆反應(yīng)中，其特征在于它由一個(gè)圓柱形外筒體和一個(gè)錐底形圓柱形內(nèi)筒體套裝，且筒體間有間隙，并與外界密封的容器，構(gòu)成一個(gè)由A、B、C、D段三絕熱冷激內(nèi)冷分流式四緩反應(yīng)器，主要由底部換熱器(1)、中心管(2)、支承環(huán)(3)、下環(huán)管(4)、冷管(5)、上環(huán)管(6)、升氣管(7)、環(huán)狀菱形混合器(8)、導(dǎo)氣管(9)、內(nèi)筒體(10)、外筒體(11)、外筒上蓋(12)、換熱器底蓋(13)、底側(cè)進(jìn)氣口(14)、錐形封頭(15)、進(jìn)氣管(16)、外筒體底蓋(17)、出氣管(18)所構(gòu)成，在反應(yīng)器的中部裝有一個(gè)由支承環(huán)(3)支承并由上下環(huán)管(6)和(4)、冷氣管(5)、升氣管(7)、導(dǎo)氣管(9)組成的冷管束，冷管束的升氣管(7)的頂端與環(huán)狀菱形混合器(8)相連通，升氣管(7)的下端與下環(huán)管(4)相連通，反應(yīng)器的底部為底部換熱器(1)，其頂部與中心管(2)連通，下部與錐形封頭(15)連通，內(nèi)筒體(10)套裝在外筒體(11)內(nèi)，兩筒體間有間隙，外筒體(11)的上、下端分別與外筒上蓋(12)和外筒底蓋(17)密接，底蓋(17)的底部中心設(shè)置有供進(jìn)氣管(16)和出氣管(18)的通孔，進(jìn)出氣管為套裝且彼此間互密，底蓋(17)的一側(cè)設(shè)有底側(cè)進(jìn)氣口(14)，未反應(yīng)的冷氣分成兩股，約60～75%的冷氣經(jīng)進(jìn)氣管(16)進(jìn)入底部換熱器(1)的管間，通過中心管(2)流至A段催化床層，另一股約25～40%從底側(cè)進(jìn)氣口(14)進(jìn)入內(nèi)外筒體間的環(huán)隙，經(jīng)導(dǎo)氣管(9)流至冷管束，通過升氣管(7)和混合器(8)進(jìn)入催化床層，該股冷氣的進(jìn)入溫度約為30～180℃，兼作調(diào)節(jié)器內(nèi)反應(yīng)溫度，在反應(yīng)器內(nèi)，除安裝構(gòu)件外，其余空間均裝填催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣固催化反應(yīng)器，其特征在于A、B段為第一、二絕熱反應(yīng)段，C段為內(nèi)冷換熱反應(yīng)段，D段為絕熱反應(yīng)段，C段占整個(gè)反應(yīng)段(A+B+C+D)高度的15～30%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣固催化反應(yīng)器，其特征在于由冷管束的升氣管(7)出來的較冷氣體，其溫度范圍為280～350℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣固催化反應(yīng)器，其特征在于由冷管束的升氣管(7)的上端與環(huán)狀菱形混合器(8)相連通，其下端與下環(huán)管(4)連通，冷管束的升氣管(7)至少有兩根。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣固催化反應(yīng)器，其特征在于環(huán)狀菱形混合器(8)的菱形各面加工有小孔，其通氣面積占各面面積的15～30%，混合器(8)的外緣與內(nèi)筒體(10)的內(nèi)壁間距為25～80毫米，混合器(8)的內(nèi)緣與中心管(2)的外壁間的距離為20～50毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣固催化反應(yīng)器，其特征在于中心管(2)貫通冷管束和混合器(8)的中心。
全文摘要
一種氣固催化反應(yīng)器，用于化工生產(chǎn)中氨及甲醇的合成以及其他氣固催化可逆反應(yīng)。主要由內(nèi)筒體(10)和外筒體(11)構(gòu)成的密封容器，在器內(nèi)分成A、B、C、D四段，A、B、D段為絕熱段，C段為內(nèi)冷段，中部沒有冷管束，底部設(shè)有換熱器(1)進(jìn)行換熱，按三絕熱內(nèi)冷分流式工藝流程。未反應(yīng)的冷氣分成兩股；約60～75％的冷氣從進(jìn)氣管(16)進(jìn)入器內(nèi)，另一股溫度為30～180℃約25～40％的冷氣從底側(cè)進(jìn)氣口(14)進(jìn)入，兼作調(diào)節(jié)器內(nèi)反應(yīng)溫度，使之處于最佳狀態(tài)，因此氨凈值由14～15％增加到16～19％，且反應(yīng)器的可靠性提高。
文檔編號(hào)B01J8/04GK1104126SQ9311565
公開日1995年6月28日 申請(qǐng)日期1993年12月24日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月24日
發(fā)明者謝定中, 嚴(yán)朝建, 盧健, 李春陽, 徐天相 申請(qǐng)人:湖南省安淳節(jié)能技術(shù)有限公司