CN100386138C - 内部换热催化反应方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种内部换热催化反应器，主要由带有顶部管口1、底部管口2、底部有催化剂出口5的受压壳体P和支承于壳体底部支承架S上的内部换热管胆C_R、支承于底部催化剂多孔支承板R的管外催化剂层K组成，采用气冷和水冷换热或气冷和水冷换热结合用于甲醇、二甲醚、甲胺等反应，具有提高反应效率，提高产量，节约能耗，实现大型化目的。

Description

内部换热催化反应方法及设备

技术领域

本发明是一种催化反应装置，用于流体催化反应和传热过程，属化学工程领域，特别适用于甲醇、烃类等合成反应过程，也可用于甲胺、氨、甲烷、甲醚等合成过程。

背景技术

对于由加压下甲醇合成、甲胺、甲醚、氨、烃类等合成这类放热催化反应，随着反应过程的进行，不断放出的反应热使催化剂层温度提高。为了提高反应器的效率，需要把反应热移出以降低反应温度。在工业反应器中曾广为使用的一种是多段原料气冷激来降低反应温度，这种反应器因原料气冷激时在降低反应器温度的同时也降低了反应物浓度，影响了合成率。另一种如西德Lurgi公司的用于甲醇合成的列管式反应器，原料气从上部进气口进入分布到各管中，在管内装催化剂层中合成甲醇，管间侧面进水。反应热被管外沸腾水连续移热，产生蒸汽由侧面管出，反应气由底部出气管出塔，该塔温差小，但催化剂装填系数小，投资大，大型化难度大。

本发明的任务是依据催化放热可逆反应的特点，克服现有技术的缺点，提供一个生产能力大、触媒活性高、结构简单可靠、操作性能好的反应器。

发明的内容

本发明提供一种内部换热催化反应设备，由带有顶部管口1、底部管口2、底部有催化剂出口5的受压壳体P和支承于壳体底部支承架S上的内部换热管胆C_R、支承于底部催化剂多孔支承板R的管外催化剂K组成，主要是换热管胆C_R由同轴心大小不同圈径多重冷管胆同心套装组成，每一冷管胆由上导管A、上环管B和连结在上环管B上的多排冷管C构成，上导管A下端与上环管B连通，上导管A上端开口并通过壳体P上端小筒体E内的隔板F上的填料函G，隔板F与小筒体E间通过小筒体法兰H紧固并用垫圈密封，壳体P的筒体与上封头I可以用大法兰Q间唇形焊密封，上封头I也可以直接与直筒焊接。

在本发明的一个较好实例中，所述反应器的每个冷管胆中冷管C为一端连结上环管B另一上端开口的U形管，原料气由顶部管口1进入小筒体E内分布到引出隔板F、填料函G的上导管A，经上导管A到上环管B内再分布到连结上环管B的多排U形冷管C。

在本发明的另一个较好实例中，所述反应器的每一冷管胆的冷管C由连接上环管B和下环管D的多排下冷管C和连结下环管D上端开口的上行冷管C₁组成，气体经下冷管C进下环管D，再经上行冷管C₁出冷管进催化剂层K反应，再经底部管口2出塔。

在本发明的另一个较好实例中，所述反应器的每一冷管胆的冷管C全部由连接上环管B和下环管D的冷管C组成，下环管D与下导管L连通，下导管L与底部总管M连通，总管M底部有管口2，冷气或水等其他冷却介质由底部管口2经总管M分布到各下导管L，再经各环管D到连接下环管上各排冷管C，向上流动吸收热量，再经各上环管B、连结上环管的上导管A穿过小筒体上隔板F上填料函G进入小筒体E内再经顶部管口1出反应器，壳体P上部有管口3连通到催化剂层K供原料气进口，底部有管口4供反应气出口。

在本发明的另一个较好实例中，所述反应器的催化剂层K可以是只装在冷管胆层冷管外，也可由冷管胆层催化剂层K₁和下部绝热催化剂层K₂组成。

在本发明的另一个较好实例中，所述反应器壳体内有圆筒形多孔气体分布器T和多孔气体集气器V，气体在进塔分布器T和集气器V之间催化剂层K中呈径向流动反应。

在本发明的另一个较好实例中，所述反应器的催化剂层K可以是固定床反应器，也可以为三相床或浆态床，这时气体由底部管口4进，在冷管外向上流动反应到上部管口3出口。

在本发明的另一个较好实例中，所述反应器可以是一台管内气冷反应器RA与另一台轴向或径向管式水冷反应器RB串联使用，管内气冷反应器RA顶部管口1与管式水冷反应器RB上部管口3连通，管内气冷反应器RA上部管口3与管式水冷反应器RB底部管口4连通，经管内气冷反应器RA冷管胆加热的气体经顶部管口1出塔到管式水冷反应器RB反应，反应气经管式水冷反应器RB底部管口4再进管内气冷反应器RA管外催化剂层反应，再由管内气冷反应器RA底部管口4出塔。管式水冷反应器RB可以是本发明的管内水冷反应器，也可以是管外水冷的管壳式反应器。

附图说明

下面结合附图具体说明。

图1是单管折流气冷反应器。

图2是管内水冷气固相催化反应器。

图3是管内逆流气冷气固相催化反应器。

图4是管内气冷径向流程反应器。

图5是管内气冷反应器与管式水冷反应器组合图。

图6是管内气冷反应器与管壳式水冷反应器组合图。

图7是管式水冷和管内气冷上下组合一个反应器示意图。

下面结合附图说明具体实施应用。

图1是单管折流气冷反应器。由带有顶部管口1小筒体E通过法兰H与壳体P上封头I连接，壳体P上部与上封头I之间用大法兰Q间唇形焊密封连接，当冷管胆C_R需检修，则拆开法兰吊出冷管胆。法兰间装有填料函G的隔板F。用作甲醇合成反应器时，原料气压力5～13MPa，含氢、碳氧化物原料气约100℃左右由顶部管口1进反应器小筒体E内，进入装于填料函G的上导管A到各上环管B，进冷管胆C_R的各下冷管C与管外催化剂层K并流换热，到下环管D后再经上冷管C₁与管外催化剂层K逆流换热，出上冷管C₁进入管外催化剂层K反应，反应气经多孔支承板R出底部管口2出反应器，底部有出口5供停车卸催化剂用。

图2是管内水冷副产蒸汽反应器，冷管胆C_R由上环管B、下环管D和连结上下环管的冷管C组成，冷管胆支承于支架S上，下环管D由下导管L与进水总管M连结，上环管B由上导管A和小筒体E内连通，甲醇合成时氢、碳氧化物原料气由上部管口3进入反应器经冷管胆C_R外催化剂层K反应，反应热被冷管内水吸收，出催化剂层K反应气经多孔支承板R由底部管口4出反应器，锅炉水由底部管口2、底部总管M经各下导管L到各下环管D分流到各冷管C，管内水吸收管外催化剂层K的反应热，产生蒸汽，上流到各上环管B经上导管A到隔板F上的小筒体E内，再经顶部管口1出塔。

图3为冷管逆流气冷和绝热结合的反应器。原料气如甲醇合成原料气由上部管口3进入催化剂层K后与图2一样向下流动，先在冷管胆C_R外催化剂层K₁反应，再在下部导气管L外绝热催化剂层K₂反应，下部设绝热层可充分利用反应器空间装催化剂，提高出反应器产物含量，增加产量。气冷反应器由低温100℃左右的低温甲醇合成原料气底部管口2进总管M，分到各下导管L进入下环管D到冷管C向上流动与管外催化剂层逆流换热到200℃多，再到各上环管B，经上导管A出口到隔板F与小筒体E间由顶部管口1出塔。

图4是管内水冷或气冷径向流反应器，原料气体由上部管口3进反应器，经多孔气体分布器T径向流过催化剂层K到多孔气体集气器V，反应气经催化剂多孔支承板R到底部管口4出反应器，冷气或水等冷却介质在冷管胆的冷管内向上流动。

图2、图3、图4各具有二个进口管口和二个出口管口，可用于二个反应器串联结合。

图5是管内气冷反应器RA与管式水冷反应器RB串联组合图。例如甲醇合成，原料气约100℃由管内气冷反应器RA底部管口2进入，经冷管胆C_R中冷管逆流向上流动，吸收管外催化剂层K反应气热量加热到200℃多，经顶部管口1出塔到管式水冷反应器RB管外催化剂层K，反应温度200～280℃，反应热被反应管外锅炉水吸收产生蒸汽回收热量，出管式水冷反应器RB气体再进管内气冷反应器RA管外催化剂层K反应，反应热被冷管胆冷管内冷原料气吸收，然后由底部管口4出塔。

图6是管内气冷反应器RA与管壳式水冷反应器RC组合图。例如甲醇合成，原料气约100℃由管内气冷内部换热反应器RA底部管口2进，经冷管胆C_R中冷管逆流向上流动，吸收管外催化剂层K反应气热量加热到200℃多，经顶部管口1出塔到管壳式水冷反应器RC管内催化剂层，反应温度200～280℃，反应热被反应管外锅炉水吸收产生蒸汽回收热量，出管壳式水冷反应器RC气体再回到管内气冷反应器RA由上部管口3进入，锅炉水由底部管口2进入，在催化剂层K管间吸热产生蒸汽，由上部管口3出口，在管内气冷反应器RA管外催化剂层K反应，反应热被冷管胆冷管内冷原料气吸收，然后由底部管口4出塔。

图7是管内水冷反应器与管内气冷反应器上下组合成同一壳体P内的反应器示意图，气体由管内气冷反应器底部管口2经下联管M，经冷管胆冷管C与管外催化剂层K逆流换热，到各上环管B后连通到中心管Y向上到顶部出口，先进入上部管内水冷催化剂层K₁反应，再到下部管内气冷管催化剂层K₂反应，反应气由底部管口4出塔，锅炉水由进口6经总环管W、分水导管N到各下环管D分流到各水冷管C，吸收管外催化剂层反应热并产生蒸汽，再由导管A到顶部小筒体E内再由管口7出塔。

本发明反应器结构还可用于浆态床和三相床，主要结构如图3这时原料气由底部管口4进气，反应在冷管胆外进行，反应产物由上部管口3出塔。冷却介质水等同样由底部管口2经总管M到冷管胆C_R内冷管C逆流向上，吸收管外反应热，产生蒸汽等由顶部管口1出塔。

本发明与现有技术比较，一是通过反应器内部换热实现最佳反应温度，避免了冷激式反应器对反应产物的稀释效应，提高了合成率；二是采用内都换热管胆与壳体间隔板活动密封装配，避免了管壳式反应器反应管与两端管板固定焊接，提高结构可靠性，并采用上端小筒体结构解决了大型反应器的制造安装使用难题；三是催化剂装冷管外提高催化剂容积装填率，大幅减小反应器尺寸。此外本发明反应器既可以合理利用反应器副产中压蒸汽，又可以节省进塔气换热器投资，提高生产能力，尤其适应大型化装置，如下面所举年产165万吨大型反应器。以上只是以甲醇合成为例，但不限于甲醇合成，还可用于二甲醚、甲胺、甲醇制丙烯、氨合成等。

主要实施方式

本发明可通过以下实施例说明：

实施例：用图3管内气冷反应器RA和图4管式水冷反应器RB串联组合如图5，管内气冷反应器RA内径4.6M，装NC307甲醇催化剂105M³。管式水冷反应器RB内径4.6米，装NC307催化剂100M³。在合成压力9MPa下，合成气88125Kmol/H，含H₂ 67.18％、CO 10％、CO₂ 1.5％、CH₄+N₂21％、H₂O 0.06％、CH₃OH 0.26％，温度120℃，进管内气冷反应器RA底部管口2，在冷管胆内吸收管外反应热升温到220℃，经顶部管口1出塔到管式水冷反应器RB反应，反应热被管内水吸收产生蒸汽，出管式水冷反应器RB气体温度250℃，再回到管内气冷反应器RA管外催化剂层K反应，最后由管内气冷反应器RA底部管口4出塔，反应气为75073Kmol/H，含H₂ 60.80％、CO 3.74％、CO₂ 1.1％、CH₄+N₂24.65％、H₂O 0.73％、CH₃OH 9.0％，温度210℃，甲醇产量5000吨/日。

Claims (10)

1.一种内部换热催化反应设备，由带有顶部管口(1)、底部管口(2)、底部有催化剂卸出口(5)的受压壳体(P)、支承于壳体底部支承架(S)上的内部换热管胆(C_R)、支承于底部催化剂多孔支承板(R)的管外催化剂(K)组成，其特征是换热管胆(C_R)由同轴心大小不同圈径多重冷管胆同心套装组成，每一冷管胆由上导管(A)、上环管(B)和连结在上环管(B)上的多排冷管(C)构成，上导管(A)下端与上环管(B)连通，上导管(A)上端开口并通过壳体(P)上端小筒体(E)内的隔板(F)上的填料函(G)，隔板(E)与小筒体(E)间通过小筒体法兰(H)紧固并用垫圈密封，壳体(P)的筒体与上封头(I)用大法兰(Q)间唇形焊密封，或上封头(I)直接与直筒焊接。

2.根据权利要求1所述的内部换热催化反应设备，其特征是每个冷管胆中冷管(C)为一端连结上环管(B)另一上端开口的U形管，或每一冷管胆的冷管(C)由连接上环管(B)和下环管(D)的多排下冷管(C)和连结下环管(D)的上端开口的多排上行冷管(C₁)组成。

3.根据权利要求1所述的内部换热催化反应设备，其特征是每一冷管胆的冷管(C)全部由连接上环管(B)和下环管(D)的多排冷管(C)组成，下环管(D)与下导管(L)连通，下导管(L)与底部总管(M)连通，总管(M)底部有管口(2)，冷气或水等其它冷却介质由管口(2)经总管(M)分布到各下导管(L)，再经各下环管(D)到连接下环管(D)上各排冷管(C)，向上流动吸收热量，再经各上环管(B)与上导管(A)连通，上导管(A)穿过小筒体(E)内的隔板(F)上的填料函(G)进入小筒体(E)内再经顶部管口(1)出反应器，壳体(P)上部有管口(3)连通到催化剂层(K)供原料气进口，底部有管口(4)供反应气出口。

4.根据权利要求1所述的内部换热催化反应设备，其特征是催化剂层(K)只装在冷管胆层冷管外，冷管胆下环管底部为耐火陶球支承催化剂。

5.根据权利要求1所述的内部换热催化反应设备，其特征是催化剂层(K)由冷管胆层催化剂层(K₁)和下部的一层绝热催化剂层(K₂)组成。

6.根据权利要求1所述的内部换热催化反应设备，其特征是壳体内有圆筒形多孔气体分布器(T)和多孔气体集气器(V)，原料气经气体分布器(T)径向流过催化剂层(K)，反应到多孔气体集气器(V)经多孔支承板(R)到底部管口(4)出反应器。

7.根据权利要求1所述的内部换热催化反应设备，其特征是催化剂层(K)为三相床或浆态床时，气体由底部管口(4)进，在冷管胆外向上流动反应到上部管口(3)出口。

8.根据权利要求3所述的内部换热催化反应设备，其特征是该管内气冷反应器(RA)顶部管口(1)与轴向或径向管式水冷反应器(RB)上部管口(3)连通，管内气冷反应器(RA)上部管口(3)与管式水冷反应器(RB)底部管口(4)连通。

9.根据权利要求3所述的内部换热催化反应设备，其特征是该管内气冷反应器(RA)顶部管口(1)与管壳式水冷反应器(RC)顶部管口(3)连通，管内气冷反应器(RA)上部管口(3)与管壳式水冷反应器(RC)底部管口(4)连通。

10.根据权利要求3所述的内部换热催化反应设备，其特征是管内水冷反应器和管内气冷反应器上下组合成同一壳体(P)内，下部管内气冷反应器有底部管口(2)与总管(M)连通，总管(M)经冷管胆冷管(C)与各上环管(B)连通到中心管(Y)向上到顶部出口，锅炉水进口(6)与总环管(W)连通，总环管(W)经分水导管(N)与各下环管(D)连通到各水冷管(C)，上导管(A)与顶部小筒体(E)的顶部管口(1)连通。

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