CN201211474Y - 一种固定床组合反应设备 - Google Patents

Abstract

一种固定床组合反应设备，主要由带封头的圆筒形壳体，壳体上的反应气进口和反应气出口，多孔气体分布器和多孔集气板，催化剂层和冷却介质移热的换热管组成的反应设备，装有蒸汽压力调节阀的汽包，构成至少有一个换热反应块区中的催化剂装在管内的冷却介质循环回路，使反应中换热按反应热移出的大小需要设计，用于合成甲醇、合成二甲醚、甲烷化、F－T反应、邻二甲苯氧化制邻苯二甲酸酐等强效反应过程，具有缩小温差，提高反应效率，提高产量，节能降耗，实现大型化目的。

Description

一种固定床组合反应设备

技术领域

本实用新型是一种催化反应设备，用于流体催化反应和传热过程，属化学工程领域，特别适用于合成甲醇、合成二甲醚、费托反应制液态烃和甲烷、邻二甲苯氧化制邻苯二甲酸酐等强效反应过程。

背景技术

对于如甲醇合成、合成气制二甲醚、费托反应制液态烃和甲烷、邻二甲苯氧化制邻苯二甲酸酐等一些强放热反应，为了提高反应效率，需要在反应同时移出反应热，例如Lurgi管壳式甲醇塔用壳程水移走反应管中的反应热，在管壳式反应器设计中，在催化剂全床层换热中冷却剂温度不变。当需强化移热时采用增加传热面积受到结构的限制，管壳式比冷面即一立方米催化剂换热面积已高达120多平方米，难以再提高。因此采用提高进塔气量和气体线速度，以便及时把反应热带出塔外防止“超温”和“飞温”，为此需采用高达5～10倍多于原料气的循环气(即循环比)来降低进合成塔气体中有效气，否则快速反应速度产生的强反应热会使催化剂过热失活，但高的循环比需要增加相应的甲醇合成圈的设备和管道投资，并增加动力和能耗。计算表明用煤为原料使用Shell粉煤气化或Texaco水煤浆气化制得的合成气，采用低循环比时出合成塔的甲醇含量可达50％多，而现有典型的甲醇合成出塔甲醇含量只有5％左右，仅为上述的十分之一，文献表明“如采用Lurgi法循环比为5，出塔甲醇含量5～6％；采用ICI法循环比为10，出塔甲醇含量3～4％”(宋维端等编著，甲醇工学，化学工业出版社，1991.1，8178)，高循环比增加了工业装置大型化的难度和投资。

本实用新型的任务是克服上述现有技术的缺点，提供实现低循环比，在高浓度原料气、高反应速度下高效节能反应设备。以下说明中从反应器的进口到出口气体反应过程前后中统称为反应气。

发明内容

由于催化反应在催化剂上并不按前后相等速度进行，一般反应器前部离平衡远，反应速度快，放出反应热也多，后部随反应接***衡，反应速度减慢，放出反应热也少，而如前所述现有的管壳式水冷反应器，冷却剂的温度前后一样，这样如果降低冷却剂温度，加大传热温差和移热，达到上部或前部高反应速度和强反应热的移热要求，则反应器下部或后部反应热减小，移热大于反应热造成反应温度下降，使反应速度进一步减慢直到催化剂活性以下就停止反应，因此难以做到前后部反应都在最佳反应温度下进行的两全其美的办法。本实用新型针对这一根本矛盾，突破现有用同一温度的冷却剂，而采用反应器不同区段采用不同温度冷却剂来解决，使反应中换热按反应热移出的大小需要设计，具体可按反应气在催化剂层中流动方向顺序划分为前后多个块区，由冷却剂通过换热管来间接换热，对于像甲醇合成反应，反应温度在180℃～300℃范围内，可采用加压热水作载热体，在反应器内液体汽化吸热远高于冷却介质温升吸收的显热，对于更高反应温度则需用挥发性低的矿物油、导热油或熔盐作冷却剂，把热量通过冷却循环回路带到汽包中，通过汽包内换热管将热量传给水产生蒸气回收热量。用水作冷却剂时载热体移去甲醇合成反应热同时直接副产蒸汽时，甲醇催化剂可以装在换热管内即如同Lurgi管壳式反应器，这时换热管为反应管，反应管外壳程为锅炉水，催化剂也可装在换热管外，这时换热管为水管即水管式反应器，水管可以是列管式、螺旋式，也可以横向水管即卧式水冷甲醇塔。一是前后不同催化剂块区采用分组换热管，每组换热管可根据需要与不同汽化压力、汽化温度的一个汽包连通，例如反应前期位于反应前部换热管中低压低温下汽化，增加传热温差强化传热，解决反应前部反应速度快、反应热特大的问题；位于反应后部催化反应速度和反应热减少，换热水管汽化压力和温度相应提高，减小传热温差，避免因后部反应热减小，移热过多，反应温度过低。二是汽包压力可以调节高低，随着催化剂使用时间的增加，催化反应向后部推进，后部反应热增加时，也可将后部催化剂中换热水管汽化压力降低或与低压汽包连结，使后期水管在低温低压下气化加大传热温差和传热速度。上述换热管组和调压汽包汽化压力可根据需要在0.2～13MPa之间选取，不同催化反应块区31、32中，换热块区21、22与其相连的调压汽包51、52压差可在0.2～7MPa。

本实用新型提供一种固定床组合反应设备，主要由带封头的圆筒形壳体1，壳体1上的反应气进口2和反应气出口3，多孔气体分布器4和多孔集气板5，催化剂层6和冷却介质7移热的换热管8组成的反应设备，装有蒸汽压力调节阀61、62的汽包51、52，其特征是催化剂层6依反应气流动方向顺序划分为前后若干个催化反应块区，其中至少有二个块区31、32中分别由换热管8和换热介质7构成换热反应块区21、22，其中至少一个催化反应块区中的催化剂6装在换热管内，各换热块区由反应设备冷却介质7的进口管202、204和出口管201、203与各自可独立调节汽化压力的汽包51或52连结，构成至少二个有不同汽化压力和温度的冷却介质循环回路，反应气依次在催化反应块区以不同的换热速度反应。

本实用新型提供一种固定床组合反应设备，在先后二个不同换热温度的换热反应块区可以装相同的催化剂6，也可分别装不同催化剂6A、6B，供反应气先后在催化剂6A上进行A反应，再在催化剂6B上进行B反应，例如合成气先在250℃温度下在甲醇合成催化剂上进行甲醇合成反应，再在300℃下在甲醇脱水催化剂上进行甲醇脱水反应。

附图说明

图1是有二个换热块区各带汽包的管壳式组合反应设备示意图。

图2是有三个换热块区各带汽包的管壳式组合反应设备示意图。

图3是管壳-水管复合型组合反应设备示意图。

图4是顶部有绝热层，上下壳体用法兰连结的管壳-水冷组合反应设备示意图。

图5是二台管壳式反应器串联组合示意图。

图6是管壳型和水管型反应器串联组合反应设备示意图。

图7是有二个换热块区各带汽包且汽包中有换热管的管壳式组合反应设备示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细地说明。

图1是有隔板分成二个换热块区的管壳式反应设备示意图，由带封头的圆筒形壳体1，壳体1上的反应气进口2和反应气出口3，多孔气体分布器4和多孔集气板5，催化剂层6和冷却介质7移热的换热管8组成的反应设备，装有蒸汽压力调节阀61、62的汽包51、52，汽包上还有加水管71、72连结。管内装催化剂，壳体1内有三块管板11、12、13将壳程换热介质7分隔成二个换热块区21、22与块区换热管内的催化反应块区31、32换热，各换热块区21、22有换热介质的进口管202、204和出口管201、203分别与各自可独立调节汽化压力的汽包51、52连结，构成不同汽化压力、汽化温度的换热介质循环回路，反应气由进口2进入各反应换热管8的催化剂层6，依次在催化反应块区以不同的换热速度反应。

图2是有三个换热块区各带汽包的管壳式组合反应设备示意图，壳体1内有四块管板11、12、13、14将壳程换热介质7分隔成三个换热块区21、22、23与各块区换热管内的催化反应块区31、32、33换热，换热块区21的进口管202和换热块区22的出口管203之间有带阀门的连通管41连结，进口管202由带阀门的管302与连结汽包51的循环泵81连结，出口管203由带阀门的管303与汽包52连结，换热块区22的进口管204和换热块区23的出口管205之间有带阀门的连通管42连结，进口管204由带阀门的管304与连结汽包51的循环泵81连结，出口管205由带阀门的管305与汽包52连结，开通管304、305和连通管41的阀门，关闭管302、303和连通管42的阀门，连结成换热块区21和22连通与汽包51构成换热介质循环回路，换热块区23与汽包52构成独立调节汽化压力的换热介质循环回路，或者关闭管304、305和连通管41的阀门，开通管302、303和连通管42的阀门，连结成换热块区22和23连通与汽包52构成换热介质循环回路，换热块区21与汽包51构成独立调节汽化压力的换热介质循环回路，反应气由进口2进入后进换热管内催化剂层6，先在换热块区21的较低换热介质温度下反应，再在换热块区22、23的较高换热介质温度下反应，其中图2中加水管71、72分别连接在图中循环水泵81、82的进水管上。

图3是管壳-水管复合型组合反应设备示意图。上下壳体相连反应器上部为催化剂6装在换热管8内，管外壳程为冷却介质7的管壳式换热块区21和催化反应块区31，下部是换热管8外装催化剂6，管内为冷却介质7的列管或螺旋管换热块区22和催化反应块区32，上下催化反应块区31、32中催化剂6连成一体，上部管壳冷却换热块区21中管外冷却介质7由进口管202和出口管201与调压汽包51连结，下部换热管内冷却换热块区22中冷却介质7由进口管204和出口管203与调压汽包52连结，构成可单独调节汽化压力和温度的循环回路，反应气由进口2进塔后，先在上部管壳式壳程汽化压力和冷却温度较低下反应再进下部水管式管内冷却介质7较高汽化压力和冷却介质温度下反应。

图4结构及标注和图3有很多相同，也是上部是管壳式，下部是水管式的组合反应设备，与图3不同的一是图4中在上部管壳段管体和下部水管段壳体间用法兰40间唇形焊密封，方便检修，二是在管壳式反应器顶部管板11上部有一层绝热催化剂层30，可使反应气在较低温度下210℃左右由进口2进入后可较快升温到最佳反应温度。

图5是二台管壳式反应器串联组合示意图。二台管内装催化剂，壳程是换热介质，各自有调节蒸汽压力汽包51、52的管壳式换热反应器A、B前后串连组合，管壳式反应器层A的气体出口3与反应器B的气体进口4用管100连通，反应气由反应器A气体进口2进入在催化反应块区31管内催化剂中反应，再经气体出口3和管100到反应器B的气体进口4进入，在催化反应块区32管内催化剂内继续反应，反应器A中换热块区21换热介质的汽化压力和温度低于反应器B中换热块区22的汽化压力和温度。

图6是管壳型和水管型反应器串联组合反应设备示意图。图中一台换热管内装催化剂6管外是换热介质7，换热介质由进出口管202、201与调压汽包51连结的管壳式换热反应器A与一台管外装催化剂6管内是换热介质7，换热介质由进出口管204、203与调压汽包52连结的水管式换热反应器C，由管101连通管壳式反应器A的出口3和水管式反应器C的进口4，管壳式反应器A中壳程冷却换热介质汽化压力和温度低于水管式反应器C管内冷却介质的汽化压力和温度。

图7是有二个换热块区各带汽包且汽包中有换热管的管壳式组合反应设备示意图。图7结构及标注和图1有很多相同，与图1不同的一是图7中汽包内有换热管，二是有循环泵81、82，用于熔盐作导热介质在管壳反应块区吸热到汽包传热给水汽化产生蒸汽，降温后再到管壳反应器。

实施例1：

本实用新型组合反应设备用于甲醇合成反应，用水作冷却介质，采用图2所示反应设备。图2中以实心阀门表示阀门关，空心阀门表示阀门开。汽包51连通换热块区21可在0.5～3MPa低压下汽化，汽包52连通换热块区22、23可在1～5MPa压力下汽化。反应气在催化反应块区31、32、33中自上而下反应，上部反应速度大、反应热大，可在230～280℃上下反应，换热块区21内外有数十度传热温差，换热块区22、23外催化剂层反应热小，可在220～270℃上下反应，换热块区22、23内外传热温差小。换热块区21达到高反应热区与强移热相配，换热块区22、23则是低反应热与少移热相配，达到等温反应或按所需最佳反应温度分布进行。

反应器直径3.9米，在φ42×2管内装C306铜基甲醇催化剂50M³，用Shell法煤制合成气与循环气汇合，压力8.8MPa，经加热到220℃进甲醇合成塔，先在上部合成催化反应块区31催化作用下250℃上下合成甲醇，该催化反应块区31的温度可以通过换热块区21连通汽包51汽化压力来调节控制。同样调节换热块区22、23连通汽包52汽化压力，可以使甲醇催化反应块区32、33在240℃左右温度下进行甲醇合成反应，在循环气与新鲜气比值为1.0时，出塔甲醇含量为21.85％，甲醇日产1304吨/日，数据见附表1。

附表1

当循环气与新鲜气比值降低到0.3，合成压力提高到10MPa，下部催化反应块区33在200～210℃合成甲醇时，出塔甲醇浓度可提高到46％。

实施例2：用空气催化氧化邻二甲苯(A)生成邻苯二甲酸酐(B)，文献表明(朱炳辰主编，化学反应工程，化学工业出版社，P167)，“原料气为空气和邻二甲苯混合物，其中邻二甲苯为0.8432％，氧气20.33％，氮气78.8268％(体积比)，生成产物主反应反应热是1285KJ/mol，而生产副反应CO、CO₂的反应热4561KJ/mol，用V₂O₅和钛化合物为催化剂，操作压力0.1275MPa，用管壳式反应器管内径26mm，管长3m，反应管外用泵强制循环的熔盐冷却，反应气进料气浓度40.8g/m³，空速1500h^-1，熔盐温度360℃时，当进口气温度353℃，床深0.8米时催化床热点温度383.8℃，床深2米后为367℃；当进口气温度357℃，床深1米处温度463℃，在床深1.05米处温度超过727℃即飞温。

现采用本实用新型中图7，将反应划分为前后二个换热块区21、22，二个换热块区各自有熔盐用泵和带有换热管的汽包51、52强制独立循环，进塔气温度仍为353℃，但前部换热块区21熔盐温度为356℃，管内热点温度为380℃，即有24℃传热温差，后部换热块区22熔盐温度365℃，管内反应温度为370℃，传热温差5℃，即在前部反应速度最大，反应热最大容易飞温区域采用低温冷却，而在中后部不易失控飞温区域提高冷却介质熔盐温度，控制较高温度从而可提高进料浓度，增加产物收率。

有益效果

本实用新型与已有技术相比有显著的优点，一是对反应器不同部分催化剂层换热管组采用换热介质的不同汽化压力和气化温度，特别对反应速度快、反应热大的前面部分，采用低气化压力汽化加大传热温差充分移去反应热，使催化剂不超温，而反应速度和反应热较小部分则采用较高汽化压力和温度，避免移热过多，使温度过低，从而使循环比比现有技术降低一倍多，使甲醇合成回路气量降低一半，从而大幅度减少了合成装置的设备尺寸，既大幅节省了投资，又为大型化创造了有利条件。二是降低循环比同时出甲醇塔甲醇含量达10～50％，比现有技术(即3～6％)提高数倍，从而达到循环机电耗随循环比的降低而成倍降低，吨醇回收反应热及副产蒸汽量大幅提高，而用于冷却反应气用的水冷器冷却水耗量大幅降低，因此大幅度降低能耗，达到节能降耗的显著效果。三是催化剂不同部位，温度可根据反应的要求独立自由调节，例如实现达到合成氨等反应速度最大的最佳温度线，又如根据反应前后不同时期催化剂活性衰退而反应热点后移的情况，调整上下部催化剂层换热管汽化压力、气化温度，使催化剂发挥最佳效果。四是反应气中高的甲醇含量，为生产二甲醚采用固定床反应器合成气一步法创造了条件，比现有技术高数倍甲醇含量的反应气，在等压下经甲醇脱水催化剂脱水后反应气生成的二甲醚含量高达10％以上，有利于二甲醚的分离。

以上通过众多图例和实施例对本实用新型的主题作了充分描述，根据本实用新型的构思精神，本领域的普通技术人员能容易地进行各种变化并应用到甲醇合成二甲醚中。本实用新型固定床组合反应设备，可以分别与二个汽包相连但不限于二个，也可以是三个以上。组合反应器汽包来的水管可以连通水泵强制循环进水，也可以不用水泵，用自然循环进水，进出水管可以由阀门调节，也可以没有阀门的一组换热管对一个汽包。换热管可以是圆管也可以是扁平管或换热板，换热介质可以是水，也可以是矿物油、导热油或熔盐。

在反应气进入催化剂开始反应时，一般温度较低，故在换热管组前也可设置绝热段，但此绝热段催化剂量在还原收缩后应不超过总量的十分之一，在催化剂后部在换热反应段后也可以设置绝热段。

Claims (8)

1.一种固定床组合反应设备，主要由带封头的圆筒形壳体(1)，壳体(1)上的反应气进口(2)和反应气出口(3)，多孔气体分布器(4)和多孔集气板(5)，催化剂层(6)和冷却介质(7)移热的换热管(8)组成的反应设备，装有蒸汽压力调节阀(61)、(62)的汽包(51)、(52)，其特征是催化剂层(6)依反应气流动方向顺序划分为前后若干个催化反应块区，其中至少有二个块区(31)、(32)中分别由换热管(8)和换热介质(7)构成换热反应块区(21)、(22)，其中至少一个换热反应块区中的催化剂(6)装在换热管内，各换热块区由反应设备冷却介质(7)的进口管(202)、(204)和出口管(201)、(203)与各自可独立调节汽化压力的汽包(51)或(52)连结，构成至少二个有不同汽化压力和温度的冷却介质循环回路，反应气依次在催化反应块区(31)、(32)以不同的换热速度反应。

2.根据权利要求1所述的固定床组合反应设备，其特征是反应设备是管内装催化剂的管壳式反应器，壳体(1)内至少有三块管板(11)、(12)、(13)将壳程换热介质(7)分隔成至少二个换热块区(21)、(22)与块区换热管内的催化反应块区(31)、(32)换热，各换热块区(21)、(22)有换热介质的进口管(202)、(204)和出口管(201)、(203)分别与各自可独立调节汽化压力的汽包(51)、(52)连结，构成不同汽化压力、汽化温度的换热介质循环回路。

3.根据权利要求1所述的固定床组合反应设备，其特征是反应设备是管内装催化剂的管壳式反应器，壳体(1)内至少有四块管板(11)、(12)、(13)、(14)将壳程换热介质(7)分隔成至少三个换热块区(21)、(22)、(23)与各块区换热管内的催化反应块区(31)、(32)、(33)换热，换热块区(21)的进口管(202)和换热块区(22)的出口管(203)之间有带阀门的连通管(41)连结，进口管(202)由带阀门的管(302)与连结汽包(51)的循环泵(81)连结，出口管(203)由带阀门的管(303)与汽包(52)连结，换热块区(22)的进口管(204)和换热块区(23)的出口管(205)之间有带阀门的连通管(42)连结，进口管(204)由带阀门的管(304)与连结汽包(51)的循环泵(81)连结，出口管(205)由带阀门的管(305)与汽包(52)连结，开通管(304)、(305)和连通管(41)的阀门，关闭管(302)、(303)和连通管(42)的阀门，连结成换热块区(21)和(22)连通与汽包(51)构成换热介质循环回路，换热块区(23)与汽包(52)构成独立调节汽化压力的换热介质循环回路，或者关闭管(304)、(305)和连通管(41)的阀门，开通管(302)、(303)和连通管(42)的阀门，连结成换热块区(22)和(23)连通与汽包(52)构成换热介质循环回路，换热块区(21)与汽包(51)构成独立调节汽化压力的换热介质循环回路。

4.根据权利要求1所述的固定床组合反应设备，其特征是上下壳体相连反应器上部为催化剂(6)装在换热管(8)内，管外壳程为冷却介质(7)的管壳式换热块区(21)和催化反应块区(31)，下部是换热管(8)外装催化剂(6)管内为冷却介质(7)的列管或螺旋管换热块区(22)和催化反应块区(32)，上下催化反应块区(31)、(32)中催化剂(6)连成一体，上部管壳冷却换热块区(21)中管外冷却介质(7)由进口管(202)和出口管(201)与调压汽包(51)连结，下部换热管内冷却换热块区(22)中冷却介质(7)由进口管(204)和出口管(203)与调压汽包(52)连结，构成可单独调节汽化压力和温度的循环回路，上部管壳式壳程汽化压力和温度低于下部水管式管内冷却介质(7)汽化压力和温度。

5.根据权利要求1至5中任一项所述的固定床组合反应设备，其特征是上下二个有不同汽化压力和温度的换热和反应块区的壳体直接连为一体或者用带有法兰(40)的唇形焊密封连结。

6.根据权利要求1所述的固定床组合反应设备，其特征是二台管内装催化剂，壳程是换热介质，各自有调节蒸汽压力汽包(51)、(52)的管壳式换热反应器(A)、(B)前后串连组合，管壳式反应器层(A)的气体出口(3)与反应器(B)的气体进口(4)用管(100)连通。

7.根据权利要求1所述的固定床组合反应设备，其特征是一台换热管内装催化剂(6)管外是换热介质(7)，换热介质由进出口管(202)、(201)与调压汽包(51)连结的管壳式换热反应器(A)与一台管外装催化剂(6)管内是换热介质(7)，换热介质由进出口管(204)、(203)与调压汽包(52)连结的水管式换热反应器(C)，由管(101)连通管壳式反应器(A)的出口(3)和水管式反应器(C)的进口(4)，管壳式反应器(A)中壳程冷却换热介质汽化压力和温度低于水管式反应器(C)管内冷却介质的汽化压力和温度。

8.根据权利要求1所述的固定床组合反应设备，其特征是二个与不同汽包冷却介质循环回路连结的催化反应块区的冷却介质汽化压力的压差是0.2～7MPa。

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