CN107427802A - 沸水反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于放热反应的沸水反应器。反应器包括设置在上管板的顶部上的反应物旁路插入件，以在所述上管板的顶部上提供催化剂层，且还提供反应物的冷却流，其旁路绕过催化剂的上层且冷却上管板以免由于催化剂的上层中发生放热反应引起的温度升高。

Description

沸水反应器

技术领域

本发明的实施例大体涉及用于放热反应的沸水反应器。更具体地，本发明涉及确保冷却覆盖沸水反应器的上管板的催化剂。

背景技术

沸水反应器的通常设计包括反应器壳体内的多个管。反应器壳体的受限(confined)部分在压力下填充有冷却介质。水通常被用作冷却介质，但如果沸点适当，也可以使用除水之外的其它冷却介质。反应器壳体的受限部分的压力控制冷却介质的沸点，而冷却介质如果在沸点处操作则作为具有基本恒定温度的散热器，在反应器中存在液体冷却介质的范围内。冷却介质可从外部冷却介质容器(例如蒸汽鼓)提供到反应器壳体。

沸水反应器适合的常见化学过程包括从合成气(即包括氢和碳氧化物的气体以及可能的其它成分)生产甲烷、甲醇和甲醛。合成气可源于来自多种来源，包括炭材料气化，例如煤炭、烃(通常为重烃)、固体废料和生物质、来自烃的重组、来自焦炉废气、来自沼气或来自富含碳氧化物和氢的流的组合，例如电解源(electrolytic origin)。甲烷和甲醇的生产受到可冷凝组分的平衡的限制，对于甲醛生产，由于考虑到爆炸极限和催化剂稳定性而需要将甲醇浓度保持在低水平。

为了增加沸水反应器的容量，在某些情况下不仅将催化剂装载到反应管中，而且还装载在其中安装有反应管的上管板的上方。对于放热反应，这增加了反应气体温度，甚至在反应物到达与冷却介质热接触的反应管之前。因此，存在管板的温度过高的风险以及损坏管板的风险。本发明涉及该问题的解决方案，即使将催化剂装载在用于在沸腾水反应器中的放热反应的管板上方，也避免了上管板的极高温度。本发明的另一个优点是可以补偿反应管内催化剂的收缩，因为在催化剂收缩的情况下，设置在上管板上方的催化剂层将沉入反应管中。

如在以下参考文献中可以看到，已知技术为该问题提供解决方案的很少，其中：

US5000926描述了一种用于放热反应的催化剂层固定反应器，其包括：多个反应管，其设置在反应器的壳体内；内管，其设置在每个反应管的中间部分中；催化剂层，其由反应管内部和内管外部的空间中装载的催化剂形成；以及冷却介质，其装载在每个反应管与壳体之间，其中原料气在每个内管中流动，与在固定催化剂层中流动的原料气形成共流。

US5759500公开了一种在装置中使流体反应的流体反应器、热交换装置和方法。该装置体现了一束热交换管，其在长形反应器壳体的内部安装到固定管板，该固定管板附接到壳体的一端附近的反应器壳体。热交换管也安装到位于壳体的另一端附近的浮动管板。浮动管板上附接有催化剂篮，当装置运行时，该催化剂篮将容纳催化剂。催化剂被支撑在篮中，待反应的流体将在靠近附接到固定管板的位置处进入壳体，流体将在该处与热交换管接触。流体将沿着管的外部流动，并进入催化剂篮，在此处流体将与催化剂接触并反应。随后，流体将进入热交换管，并最终在其被引入处的反应器的端部附近被从装置移除。

在EP1048343A2中，描述了一种热交换型反应器，其具有：多个管，其保持催化剂；壳体部分，传热介质通过该壳体部分以与所述管中的反应流体进行热传递；上管板和下管板，所述管的上端通过固定到所述上管板的上侧的第一膨胀接头接合到所述上管板，所述管的下端直接固定到可浮动的下管板；可浮动的空间，其形成为由所述下管板和接合到其下侧的内端板(内头部)分隔开，并在下部中具有开口，且所述开口通过第二膨胀接头接合到管侧出口，到反应器的外面。

上述已知的技术参考文献都没有像下文描述的那样对上述问题提出解决方案。

在下文中，反应器的一部分称为反应封闭件(enclosure)。然而，这不应被解释为意味着发生反应，因为反应封闭件可简单地具有热交换器的功能。

在下文中，管应被解释为任何圆周形状的封闭件，其特征仅在于比横截面距离长。通常，管呈柱形，但是其也可呈非圆形横截面的形状以及在管的长度上变化的横截面形状。

发明内容

大体而言，本发明的实施例涉及一种用于放热反应的沸水反应器。反应器包括：反应器壳体，其具有反应器壳体容积，该反应器壳体容积包括至少一个冷却介质入口和至少一个冷却介质出口。该反应器壳体容积设置成在压力下保持冷却介质。反应器壳体包括反应物入口和产物出口。沸水反应器还包括反应封闭件，其被嵌入到反应器壳体容积内。反应封闭件包括：反应区，其具有多个反应管；入口歧管，其在反应物入口与反应区之间延伸；以及出口歧管，其在反应区与产物出口之间延伸。冷却介质设置成围绕反应管在冷却介质入口与冷却介质出口之间流动，使得反应管与冷却介质热接触。反应器壳体容积的尺寸被设计成允许冷却介质的液相在反应器壳体容积内沸腾。蒸汽和水的混合物可穿过至少一个冷却介质出口到打外部蒸汽鼓，以分离液体和气相。

通常，通过控制冷却介质的压力来控制其温度，冷却介质通常保持在接近冷却介质的沸点的温度。

术语“反应器壳体”应被解释为覆盖反应器的壳体或壁，而术语“反应器壳体容积”应被解释为覆盖反应器内的空间或地方。

在本发明的一个实施例中，用于放热反应的沸水反应器包括具有反应器壳体容积的反应器壳体，该反应器壳体容积设置成在压力下保持冷却介质。冷却介质可以是水或是具有适于该过程的沸点的另一种液体。反应器壳体容积包括至少一个冷却介质入口和至少一个冷却介质出口以及反应物入口和产物出口。反应封闭件被嵌入到反应器壳体容积内，并包括反应区，该反应区具有用于在管内保持催化剂的多个反应管。在一些实施例中，催化剂可以是SNG催化剂或甲醇催化剂，但适用于该过程的任何催化剂可用于本发明。反应器还包括：入口歧管，其在反应物入口与反应区之间延伸；以及出口歧管，其在所述反应区与所述产物出口之间延伸。在反应器内至少有一个上管板和一个下管板，包括用于将反应管的每一端连接到所述管板的孔。反应管可以以本领域已知的任何适当方式连接到管板。冷却介质设置成在反应管周围在冷却介质入口与冷却介质出口之间流动，使得反应管与冷却介质热接触。沸水反应器适于将催化剂保持在管内，保持在上管板的顶部上的管上方。因此，通过反应管中的放热反应产生的热量通过反应管壁传递到冷却介质。沸水反应器还包括安装在所述上管板的顶部处的反应物旁路插入件，其适于使一部分反应物旁路绕过设置在上管板顶部的催化剂且进入到至少若干个管中。这确保反应物的未通过设置在上管板的顶部上的催化剂层的部分不会被放热反应显著地加热，其在上管板的上方，且在反应管的顶部内、在反应管接触上管板的部段中作为冷却帘幕，因此冷却管板，保护其免受可能损坏管板的临界高温。使得反应物的旁路绕过上管板的顶部上的催化剂层的部分优选小于穿过该催化剂的上层的反应物。令人惊奇地，已经示出旁路反应物是可行的，因为由于旁路引起的相对容量损失小于反应器增加的容量，总的来说，这是由于能够在上管板的上方设置更大量的催化剂。本发明的另一个优点是可以补偿反应管内催化剂的收缩，因为在催化剂收缩的情况下，设置在上管板上方的催化剂的层将沉入反应管中。冷却介质沸腾不是冷却的前提。

在本发明的一个实施例中，反应物旁路插入件包括多个单管插入件，其下端直径小于反应管的顶端的内径。这确保插入件可适配到上管板中的反应管的顶端中。管插入件的下端直径的外部尺寸与反应管的顶端的内径之间的差异限定了控制冷却上管板的反应物旁路流的环形空间。因此，根据本发明，旁路可以被定制成适配反应器中的相关过程。管插入件具有用于固定到反应管的顶端的装置。在一个实施例中，固定装置包括：管插入件的外部尺寸顶部大于反应管的顶端的内径。因此，当插入件被置于管插入件的顶部上时，管插入件通过重力被固定到反应管的顶端，然而，通过距离装置允许用于该过程的适当旁路。该距离可通过在插入件的外侧上的多个凸起来确保。

在本发明的特定实施例中，管插入件的顶部呈六边形，其仅确保插入件的上部之间的小间隙。当将催化剂装载到反应管和插入件中时，这可能是有利的，因为其最小化了在插入件之间溢出催化剂的风险。可以通过确保催化剂通过和旁路通过之间的一定的压力降比率来控制管之间的旁路流动。插入的反应物旁路插入件与反应管之间的空间可以用于产生压力降。然而，也可以使用保持管的间隔件。

在本发明的另一个实施例中，至少一个反应物旁路插入件包括：组装管插入件的托盘，其用于保持催化剂并被插入到所述反应管的顶端中；孔，其在所述托盘中，用于所述反应物的旁路。

根据前述权利要求中任一项所述的沸水反应器，还包括用于围绕反应物旁路插入件的下端安装的插入环，其中插入环适于调节反应物旁路插入件的下端与上管板的顶部之间的环形空间。这些插入环可呈允许适当量的旁路流动的任何适当形状。例如，环可设置有内片或外片或舌。

在本发明的一个实施例中，反应管的内径在20mm-500mm范围内，优选在40mm-300mm范围内。但是，本发明不仅限于这些范围，因为本发明的原理也适用于其它管的尺寸。

本发明的特征

1.一种用于放热反应的沸水反应器，所述反应器包括：

反应器壳体，其具有被设置成在压力下保持冷却介质的反应器壳体容积，

所述反应器壳体容积包括至少一个冷却介质入口和至少一个冷却介质出口，

所述反应器壳体包括反应物入口和产物出口，

反应封闭件，其被嵌入到所述反应器壳体容积内，所述反应封闭件包括具有多个反应管的反应区，所述多个反应管用于将催化剂保持在管内，

入口歧管，其在所述反应物入口与所述反应区之间延伸，以及出口歧管，其在所述反应区与所述产物出口之间延伸，

上管板和下管板，其包括用于将所述反应管的每个端部连接到所述管板的孔，

其中，所述冷却介质被设置成围绕所述反应管在所述冷却介质入口与所述冷却介质出口之间流动，使得所述反应管与所述冷却介质热接触，

其中，所述沸水反应器适于将催化剂保持在所述管内并保持在所述上管板的顶部上的所述管的上方，以及

其中，所述沸水反应器还包括至少一个反应物旁路插入件，其安装在所述上管板的顶部处，适于使所述反应物的一部分旁路绕过设置在所述上管板的顶部上的所述催化剂，并使其进入至少若干个管中。

2.根据特征1所述的沸水反应器，其中，所述至少一个反应物旁路插入件包括：多个单管插入件，所述多个单管插入件的下端直径小于所述反应管的顶端的内径，以及用于将所述管插入件固定到所述反应管的顶端的装置。

3.根据特征2所述的沸水反应器，其中，所述固定装置包括：所述管插入件的顶部的外部尺寸大于所述反应管的顶端的内径，由此所述管插入件通过重力被固定到所述反应管的顶端。

4.根据特征2或3所述的沸水反应器，其中，所述固定装置包括多个凸起。

5.根据特征2、3或4所述的沸水反应器，其中，所述管插入件的顶部呈六边形。

6.根据特征1所述的沸水反应器，其中，所述至少一个反应物旁路插入件包括：组装管插入件的托盘，其用于保持催化剂并插入所述反应管的顶端；孔，其在所述托盘中，用于所述反应物的旁路。

7.根据前述特征中任一项所述的沸水反应器，其中，所述至少一个反应物旁路插入件的下端与所述上管板的顶部之间的所述环形空间的面积适于控制旁路进入到所述反应管中的反应物的量。

8.根据前述特征中任一项所述的沸水反应器，还包括用于围绕所述至少一个反应物旁路插入件的下端安装的插入环，其中所述插入环适于调节所述至少一个反应物旁路插入件的下端与所述上管板的顶部之间的环形空间。

9.根据前述特征中任一项所述的沸水反应器，其中，所述催化剂可以是甲醇催化剂或SNG催化剂。

10.根据前述特征中任一项所述的沸水反应器，其中，所述反应管的内径在30mm-120mm的范围内，优选在40mm-80mm的范围内。

根据前述特征中任一项所述的沸水反应器，其中，所述至少一个反应物旁路插入件包括在所述外部上的间隔件，以确保所述至少一个反应物旁路插入件的外部与所述反应管的顶端的内侧之间的空隙。

附图说明

通过示例并参照附图来说明本发明的实施例。应注意的是，附图仅示出了本发明的实施例的示例，因此不应被视为限制其范围，因为本发明可允许其它等同有效的实施例。

图1示出了本领域已知的沸水反应器顶部的局部视图。

图2示出了根据本发明的沸水反应器的顶部的一部分的局部视图。

附图标记：

01.沸水反应器

02.反应器壳体

03.反应管

04.催化剂

05.上管板

06.反应物旁路插入件

具体实施方式

如本领域所已知的，不仅可以通过在反应管03内装载催化剂04，而且还可通过将催化剂04设置在上管板05的顶部来增加沸水反应器01的容量，如图1所示，将催化剂设置在管板顶部不会使反应器作为整体更加昂贵，因为否则反应器壳体02的顶部圆顶内的空间将会保留为空。但是因为一些反应可能是强烈放热的，所以随后在上管板上方和上管板上将产生不能有效除去的一定量的热，因为冷却介质位于沸水反应器的上管板下方的部段中。因此，存在上管板可能被较高温度损坏的风险。上管板的尺寸被设定成能经受一定温度范围内的热张力和过程压力。如果温度升高到该范围以上，上管板的强度就会降低，这可能导致严重的故障和缺陷。

本发明通过用反应气流冷却上管板来解决该问题，反应气流使管板上方和反应管的顶部中旁路绕过催化剂，由此该旁路流不会被在上管板附近的催化剂中的放热反应加热。图2中可见一实施例，其中示出了上管板的切开部(cut)和一个反应管的切开部。反应管被安装成其顶端在管板中的孔内。可以通过焊接或任何其它合适的已知技术方法连接成气密。在上管板的顶部上，在每个反应管的顶部内，反应物旁路插入件06设置成其下端被插入到反应管的顶部中。因此，反应物旁路插入件的下部的外部尺寸小于反应管的顶部的内部尺寸。

选择直径差异不仅确保反应物旁路插入件适配到反应管中，而且更重要的是在上管板的顶部和在与上管板热接触的反应管的顶部中，提供一环形空间以供冷却气体以在多个反应物旁路插入件之间流动。如图2所示，过程气体(反应物)的主要部分流过反应物旁路插入件的内部。由于插入件以及反应管都填充有催化剂，所以反应物的该主要部分由于与催化剂的放热反应而变热。然而，该加热的反应物将不会损坏根据本发明的上管板，因为，围绕反应物旁路插入件的外侧流动的较冷的、未反应的反应物的“帘幕”，在反应物的两股流最终在骤冷部段中的反应管中混合之前到达上管板的顶部，并继续向下流动到反应管的顶部的内壁。可以通过许多已知的技术解决方案来确保环形空间，即，在反应物旁路插入件的外侧上的凸起、具有唇缘的插入距离环、焊接到插入件的杆等。

在图2所示的实施例中，反应物旁路插入件的上部的形状呈六边形。这提供了反应物旁路插入件的上部之间的紧密配合，仅在插入件之间留下足够的空间，以确保用于冷却上管板的反应物的旁路流的通过。并且，这种六边形使得催化剂溢出到上管板上(在该处催化剂会与反应物反应并加热上管板)的风险最小化。然而，根据本发明，反应物旁路插入件的形状可以具有任何合适的形状以实现低成本但仍然有效的解决方案。

Claims (11)

1.一种用于放热反应的沸水反应器，所述反应器包括：

反应器壳体，其具有设置成在压力下保持冷却介质的反应器壳体容积，

所述反应器壳体容积包括至少一个冷却介质入口和至少一个冷却介质出口，

所述反应器壳体包括反应物入口和产物出口，

反应封闭件，其被嵌入到所述反应器壳体容积内，所述反应封闭件包括具有多个反应管的反应区，所述多个反应管用于将催化剂保持在所述管内，

入口歧管，其在所述反应物入口与所述反应区之间延伸，以及出口歧管，其在所述反应区与所述产物出口之间延伸，

上管板和下管板，其包括用于将所述反应管的每个端部连接到所述管板的孔，

其中，所述冷却介质设置成围绕所述反应管在所述冷却介质入口与所述冷却介质出口之间流动，使得所述反应管与所述冷却介质热接触，

其中，所述沸水反应器适于将催化剂保持在所述管内并保持在所述上管板的顶部上的所述管的上方，以及

其中，所述沸水反应器还包括至少一个反应物旁路插入件，所述反应物旁路插入件安装在所述上管板的顶部处，适于使所述反应物的一部分绕过设置在所述上管板的顶部上的所述催化剂，并进入到至少若干个管中。

2.根据权利要求1所述的沸水反应器，其中，所述至少一个反应物旁路插入件包括：多个单管插入件，所述多个单管插入件的下端直径小于所述反应管的顶端的内径；以及用于将所述管插入件固定到所述反应管的顶端的装置。

3.根据权利要求2所述的沸水反应器，其中，所述固定装置包括所述管插入件的顶部，所述管插入件的顶部的外部尺寸大于所述反应管的顶端的内径，由此所述管插入件通过重力被固定到所述反应管的顶端。

4.根据权利要求2或3所述的沸水反应器，其中，所述固定装置包括多个凸起。

5.根据权利要求2、3或4所述的沸水反应器，其中，所述管插入件的顶部呈六边形。

6.根据权利要求1所述的沸水反应器，其中，所述至少一个反应物旁路插入件包括：组装管插入件的托盘，用于保持催化剂并被插入到所述反应管的顶端中；多个孔，其在所述托盘中，用于所述反应物的旁路。

7.根据前述权利要求中任一项所述的沸水反应器，其中，所述至少一个反应物旁路插入件的下端与所述上管板的顶部之间的环形空间的面积适于控制旁路进入到所述反应管中的反应物的量。

8.根据前述权利要求中任一项所述的沸水反应器，还包括用于围绕所述至少一个反应物旁路插入件的下端安装的插入环，其中所述插入环适于调节所述至少一个反应物旁路插入件的下端与所述上管板的顶部之间的环形空间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的沸水反应器，其中，所述催化剂可以是甲醇催化剂或SNG催化剂。

10.根据前述权利要求中任一项所述的沸水反应器，其中，所述反应管的内径在30mm-120mm的范围内，优选在40mm-80mm的范围内。

11.根据前述权利要求中任一项所述的沸水反应器，其中，所述至少一个反应物旁路插入件包括在外部上的间隔件，以确保所述至少一个反应物旁路插入件的外部与所述反应管的顶端的内侧之间的空隙。