CN101785981B - 一种低阻力固定床反应器 - Google Patents
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Abstract
一种低阻力固定床反应器，主要由由带有气体进口14和气体出口15催化剂筐3组成，采用流体作冷却介质移去反应热用于流体催化反应和传热过程，特别适用于高压甲烷化精制合成氨原料气等反应过程，具有低阻力，催化剂装量大、效果好的有益效果。
Description
技术领域
本发明是一种催化反应设备及应用方法，用于流体催化反应和传热过程，属化学工程领域，特别适用于高压甲烷化精制合成氨原料气等反应过程。
背景技术
对于如氨合成、甲醇合成、甲烷化等反应均是放热反应，常用的固定床反应器有轴向反应器和径向反应器，径向塔阻力低但因设内外气体分布筒，使容积利用率小，催化剂效率低，轴向塔有容积率高和催化剂效率高的优点，但阻力较大。
发明人在授权专利ZL98240557一种热平衡高压节能反应器和专利ZL93105920.8等高压型甲醇和氨的联合生产装置中对此均作了详细说明，但结构复杂，阻力较大。
本发明为克服上述现有技术缺点，提供一种低阻力，催化剂装量大、效果好的低阻力固定床反应器。
发明内容
对于像用高压甲醇甲烷化技术净化合成氨原料气时，进甲烷化塔CO+CO2含量一般＜0.1％，比常规0.5～0.7％要低，故反应热少，为维持反应温度不能自热而需用外热，专利ZL98240557一种热平衡高压节能反应器中对此作了详细说明，即不能靠高压甲烷化塔塔内换热器或甲烷化出塔气来加热进甲烷化原料气达到反应温度，在发明人的发明专利ZL93105920.8等高压型甲醇和氨的联合生产装置中，甲烷化压力可以高达30MPa，甲烷化反应温度又可高达300～450℃，故采用受压壳体，用低温冷气保护，低温原料气经受压外壳和催化剂层间冷气通道到塔外，然后先后用甲烷化塔出塔热气升温加热再进甲烷化塔，或者再进一步用外热换热器加热，或者在甲烷化塔中用电加热器进一步加热，同时由于甲烷化反应热少，故可采用绝热反应，将高压催化剂分为上下二层，将原料气一分为二成二股，分别向上和向下反应反向流动或对向流动流经催化剂层反应，由于气体流经催化剂层高度降为1/2，且气量一分为二，流速降低1/2，故经催化剂床层阻力降低为原来的1/8，实际可达到1/5～1/7。
对于进塔气中参与反应的原料气浓度较高，反应热大的催化反应，可在上下催化剂层中设置换热管，用水等换热介质移出反应热，当合成压力不高时，例如低于10MPa的甲醇合成则可将催化剂层直接装在壳体内。
本发明提供一种低阻力固定床反应器，由带有气体进口14和气体出口15的催化剂筐3组成，其中催化剂筐3中的催化剂层是由中部有气体分布器或集气器8的上部催化剂层41和下部催化剂层42组成，顶部管6连接上部催化剂层与催化剂筐顶部封头4之间的空间31和顶部气体进出口155，下部管9连接催化剂支承板12和催化剂筐下封头间的空间32和气体进口14，接管7连接集气器8和气体出口15，未反应原料气由中部气体分布器8分为二股，分别经上部催化剂层41向上流动气51，经下部催化剂层42反应向下流动气52反向流动反应后出塔，或者未反应原料气分为二股分别经上部催化剂层41向下流动反应气53和经下部催化剂层42向上流动反应气54对向流动反应，然后二股反应气于催化剂层中部的集气器8汇合经气体出口15出塔。
在本发明的一个较好实例中，所述设备的催化剂筐3设有用于加热进塔原料气的电炉60的中心管5，中心管5下部与原料气进口14连结，上部与上部催化剂层41面上催化剂筐上封头4间的空间31连通，连通管11与上部空间31和催化剂多孔支承板12与催化剂筐下封头间空间32连通，反应气出口管7连结催化剂筐中部集气室8和下部反应气出口15。
在本发明的一个较好实例中，所述设备的受压壳体1和催化剂筐二者间有与催化剂层不直接连通的冷气通道22连结外壳冷气进口21和下部冷气出口23，冷气出口23连结塔外自热换热器61的进口24，换热器61的出口25连结外热换热器62进口26，换热器62的出口27连结催化剂筐气体进口14，反应器热气出口15与自换热器热气进口28连结。
在本发明的一个较好实例中，所述设备的催化剂直接装在受压的催化剂筐3内，催化剂层由中部气体分布器8分为上层催化剂层41和下层催化剂层42，上下两层催化剂层中设有换热管组71和换热管组72，用导热介质例如水移去催化剂床层反应热。
附图说明
下面结合附图具体说明。
图1是气体分为二股上下反向流动的低阻力固定床反应器示意图。
图2是气体分为二股上下对向流动的低阻力固定床反应器示意图。
图3是内置加热电炉的低阻力固定床反应器示意图。
图4是有换热管组的低阻力固定床反应器示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细地说明。
图1是气体分为二股上下反向流动的低阻力固定床反应器示意图。图中低阻力反应器顶部有盖板2和有冷气进口21和出口23的壳体1，盖板2和壳体1用高压螺栓连结，壳体内有催化剂筐3与顶部封头4用螺栓螺母连结，上接管6连结封头4和热气进出口155，接管7连接下封头10热气进出口15；催化剂筐3下部有催化剂多孔支承板12，催化剂筐筒体3内有气体分布器8连结热气进出口接管7，催化剂筐3由底部支承架支承在外壳1下封头10内，图中17为催化剂下料管，18为测温管，当用于高压甲烷化塔时，来自高压甲醇塔分配甲醇后的醇后气CO+CO2＜0.1％，压力11～32MPa，温度30℃上下，由冷气进口21进入甲烷化塔外壳1和催化剂筐3间冷气通道22，以使外壳壁保持低温，由下部冷气出口23出塔，出塔气经外部换热，温度升到如230～450℃，由下部热气进口14经管7到气体分布器8，分为向上反应气51经上部催化剂层41，在230～350℃下反应到催化剂上面顶部封头4间的空间31经上接管6顶部出口155出塔，向下反应气52经下部催化剂层42在230～350℃下反应，经连接支承板12和底部封头10间的空间32的接管9由底部出口15出塔，二股出塔气汇合后去换热器回收反应热。
图2结构及标注和图1有很多相同，不再具体说明，与图1不同的是图2中的气体分为二股上下对向流动，经加热到230℃以上原料气二部分分别由顶部热气进口155进塔在上部催化剂层41由上向下流动反应，另一部分由底部进口14经管9到多孔支承板12在下部催化剂层42中由下向上流动气52，上下二股反应气在中部集气器8中汇合经管7和底部出口15出塔。
图3是内置加热电炉的低阻力固定床反应器示意图。图中反应器内带有电加热对向流反应器，与图1不同的一是催化剂筐中有中心管5内装有电加热器60，供开车升温还原催化剂时或正常生产时供热；二是设有连通顶部上封头内空间31和下部内封头空间32的连通管11；三是有塔外换热器，甲烷化进出塔气换热器61和外热换热器62，冷气出口23与换热器61的进口24相接，换热器61出口和外热换热器62进口26连接，换热器62出口27与热气进口14连接，用于高压甲烷化反应时，温度35℃上下冷气由冷气进口21经壳体和催化剂筐通道22约40℃上下温度由出口23出塔，与甲烷化出口15来的300℃上下反应气换热升温到例如270℃上下，再经外热换热器温度350℃左右换热升温到300℃内反应器底部热气进口14进中心管，到顶部上封头4内的空间31，原料气分为二部分，一部分由上即下经上部催化剂层41反应，另一部分连通管11到下部封头32内空间折流向上经多孔支承板12向上流经下部催化剂层42向上流动反应，达到CO+CO2≤10ppm，二股反应气体在中部集气室8汇合经管7到热气出口15出塔到自动换热器61加热反应前冷气降到＜70℃，再去水冷却器或进一步经氨冷却器冷却，分离水份作氨合成原料气。
图4是有换热管组的低阻力固定床反应器示意图。主要用于反应热较大、反应压力较低的情况，例如甲醇合成反应器。图4是催化剂直接装在受压的催化剂筐3内，催化剂层由中部气体分布器8分为上层催化剂层41和下层催化剂层42，上下两层催化剂层中设有换热管组71和换热管组72，用导热介质例如水移去催化剂床层反应热。
实施例1：年产30万吨即1000吨/日氨厂用与氨合成等压即20MPa进行高压甲醇甲烷化，用内径φ1600甲烷化塔，催化剂层总高15米用J105型甲烷化催化剂，在250℃上下温度下进行甲烷化反应，粗高压甲醇进甲烷化塔气量成分和结果见表1。采用本发明采用图1对向流甲烷化塔，算得塔压差为7KPa，仅为序号2中单轴向塔压差56KPa的1/8。
附表1
有益效果
本发明与已有技术相比有显著优点，一是可设计成高径比较大轴向反应器，在同样催化剂和生产能力下降低设备投资；二是气体分为二股分别在上下二层催化剂层中流动反应，于气体经催化剂的流速和路程都减少一半，故阻力仅为全部气体全床层流动的1/8，大幅降低阻力和能耗；三是催化剂容积率和生产强度比径向塔提高；四是可采用气体在上下催化剂床层上前后不同时期分别采用对向流或反向流，充分利用床层不同部位催化剂流程提高催化剂使用寿命。
通过上述图例和实施例对本发明主题作了充分描述，根据本发明的构思精神，本领域的普通技术人员能容易地进行各种变化。本发明中下栅板12可以设计成下封头一样椭圆形便于卸催化剂，上部可设定位栅位支承中心管和连通管，中部气体集气或分气器可设计成菱形、环形等形状，外层可罩有不锈钢丝网的多孔栅板或鱼鳞板，内有连通进出气管并开有小孔管壁。
Claims (4)
1.一种低阻力固定床反应器，主要由带有气体进口(14)和气体出口(15)的催化剂筐(3)组成，其特征是催化剂筐(3)中的催化剂层是由中部有气体分布器或集气器(8)的上部催化剂层(41)和下部催化剂层(42)组成，顶部管(6)连接上部催化剂层与催化剂筐顶部封头(4)之间的空间(31)和顶部气体进出口(155)，下部管(9)连接催化剂多孔支承板(12)和催化剂筐下封头(10)之间的空间(32)和气体进口(14)，接管(7)连接集气器(8)和气体出口(15)，未反应原料气由中部气体分布器(8)分为二股，分别经上部催化剂层(41)向上流动气(51)，经下部催化剂层(42)反应向下流动气(52)反向流动反应后出塔，或者未反应原料气分为二股分别经上部催化剂层(41)向下流动反应气(53)和经下部催化剂层(42)向上流动反应气(54)对向流动反应，然后二股反应气于催化剂层中部的集气器(8)汇合经气体出口(15)出塔。
2.根据权利要求1所述的一种低阻力固定床反应器，其特征是催化剂筐(3)设有用于加热进塔原料气的电炉(60)的中心管(5)，中心管(5)下部与原料气进口(14)连结，上部与上部催化剂层(41)面上催化剂筐上封头(4)间的空间(31)连通，连通管(11)与上部空间(31)和催化剂多孔支承板(12)与催化剂筐下封头间的空间(32)连通，接管(7)连结催化剂筐中部集气室(8)和气体出口(15)。
3.根据权利要求1所述的一种低阻力固定床反应器，其特征是受压壳体(1)和催化剂筐(3)二者间有与催化剂层不直接连通的冷气通道(22)连结外壳冷气进口(21)和下部冷气出口(23)，冷气出口(23)连结塔外自热换热器(61)的冷气进口(24)，换热器(61)的出口(25)连结外热换热器(62)进口(26)，换热器(62)的出口(27)连结催化剂筐气体进口(14)，反应器热气出口(15)与自换热器热气进口(28)连结。
4.根据权利要求1所述的一种低阻力固定床反应器，其特征是催化剂直接装在受压的催化剂筐(3)内，催化剂层由中部气体分布器(8)分为上层催化剂层(41)和下层催化剂层(42)，上下两层催化剂层中设有第一换热管组(71)和第二换热管组(72)，用导热介质水移去催化剂床层反应热。
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