CN207324762U - 自限温径向均温反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种自限温径向均温反应器，包括反应器主体、水汽化移热***、汽凝结供热***，水汽化移热***和汽凝结供热***连通并为后者提供等温、等压的饱和蒸汽；水汽化移热***包括汽水室和由内管和外管嵌套而成的换热套管，内管向下流水，外管向上流汽水混合物；汽凝结供热***包括环筒状水汽环管、分布于催化剂床层反应料入口段的加热管，加热管向上延伸到催化剂床层顶部，向下开口环筒状于水汽环管顶壁；在催化剂床层的反应料入口段，垂直向下的水汽化移热***换热套管和垂直向上的汽凝结供热***加热管按比例交替分布。该反应器的催化剂床层控温较好，可用于某些受温度影响较大的可逆反应以及高温副反应较多的过程。
Description
技术领域
本实用新型属化工反应器领域，涉及一种自限温径向均温反应器。
背景技术
工业上经常使用水冷、气冷的反应器，用于某些强放热反应，以便控制催化剂床层温度。
控制反应器不超温的主要目的，一是有些反应是可逆反应，温度过高会降低反应物的转化率和目标产物的收率，二是减少高温时的副反应，提高目标产物的选择性，三是延缓催化剂的使用寿命或再生周期。
在实际生产中，为避免催化剂床层超温和帮助移出热量，催化剂床层入口的温度条件，经常被设定为或控制到明显低于催化剂床层主控温度的较低温度，利用反应初期的放热使物料流逐渐升温到主控温度，同时期望避免反应初期因反应物浓度较高而导致超温、飞温的可能。这种方式有时会产生如下影响或问题：
A）催化剂床层的物料入口段不设或少设降温构件，这在催化剂使用初期活性较高的阶段，或物料入口温度超标时，可能造成催化剂床层入口段超温，乃至飞温；
B）催化剂床层的物料入口段不设加热构件，这在反应器经过长期运转、催化剂床层入口段活性降低后，非经提高物料入口温度，不易发挥该催化剂床层入口段的反应能力，从而可能造成反应器处理能力不足；
C）反应器由冷态投用时，若通过降温***及构件给催化剂床层供热和升温，通常需要对大部分催化剂床层进行供热和升温，因而能耗较大、速度较慢。
CN201510698217.9公开了一种水冷径向反应器，包括装填催化剂的径向反应筐、外筒、水冷***、中心管、水室、汽室和装卸料结构，所述径向反应筐位于所述外筒内，且所述径向反应筐和所述外筒之间形成间隙，所述水冷***包括伸入所述径向反应筐的水冷管，所述水冷管分别与所述水室和所述汽室连通，所述中心管伸入所述径向反应筐内，且部分穿过所述径向反应筐并伸出所述外筒外；所述水冷反应器还包括间隔设置于所述外筒内的下管板和上管板，所述上管板与所述外筒的一端间隔一定距离，并在所述外筒一端与所述上管板之间形成所述水室和所述汽室之一，所述下管板和所述上管板之间形成所述水室和所述汽室之另一，所述下管板为弧形管板。
上述水冷径向反应器，没有特别提到在径向反应筐外缘的内侧，即催化剂床层的反应气入口段，垂直水冷管的设置和分布情况，这在催化剂使用初期活性较高的阶段，或物料入口温度超标时，可能造成催化剂床层入口段超温，乃至飞温；径向反应筐外缘的内侧也没有设置加热构件，这在反应器经过长期运转、催化剂床层入口段活性降低后，非经提高物料入口温度，该催化剂床层入口段反应能力不易发挥，反应器由冷态投用时，若用蒸汽通过所述汽室、水室和水冷管给催化剂床层升温，需要对大部分催化剂床层进行供热和升温，因而能耗较大、速度较慢。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种自限温径向均温反应器，包括反应器主体、水汽化移热***、汽凝结供热***，反应器主体和水汽化移热***、汽凝结供热***不连通；水汽化移热***和汽凝结供热***连通并为后者提供等温、等压的饱和蒸汽；
反应器主体包括壳体、催化剂径向反应床层、进出料管路及接口、催化剂装卸结构；
水汽化移热***包括汽水室、多根换热套管，换热套管由内管和外管嵌套而成，外管向上开口于汽水室底板，向下延伸到催化剂床层底部或之下位置并在下端封口；内管下端延伸至外管底部，上端延伸至外管上端口之外；内管向下流水，外管向上流汽水混合物；套管上端口具有能够保证内管只进水、流入水而不进汽的结构，不受本套管的外管或临近外管所排出汽水混合物的影响；
汽凝结供热***包括环筒状水汽环管、分布于径向反应器主体外缘内侧即催化剂床层反应料入口段的多根金属加热管，来自水汽化移热***的饱和蒸汽进入加热管在低温处冷凝供热，冷凝水流入水汽环管并经背压疏水阀排出；加热管向上延伸到催化剂床层顶部，向下开口环筒状于水汽环管顶壁；
在径向反应器主体外缘的内侧即催化剂床层的反应料入口段，垂直向下的水汽化移热***换热套管和垂直向上的汽凝结供热***加热管按比例交替分布。
本实用新型的自限温径向均温反应器中，汽凝结供热***环筒状水汽环管、水汽化移热***汽水室间的饱和蒸汽，可以经催化剂床层外的管道连通，此时金属加热管向上延伸到催化剂床层顶部封口，饱和蒸汽经水汽环管向上流入加热管中，冷凝水向下流回水汽环管；水汽环管、汽水室间的饱和蒸汽，也可以经催化剂床层内的金属加热管连通，此时可以是所有金属加热管都向上穿过催化剂床层并延伸到汽水室的水面以上至顶部并开口，汽水室的饱和蒸汽直接向下流入加热管中，也可以是一根至少数几根加热管向上穿过催化剂床层并延伸到汽水室的水面以上至顶部并开口，汽水室的饱和蒸汽经这几根加热管向下流入水汽环管再向上流入其余在催化剂床层顶部封口的加热管中，冷凝水向下流之水汽环管。
本实用新型的自限温径向均温反应器中，通过设置在反应器外的管道将水汽化移热***的饱和蒸汽输送到汽凝结供热***时，连通管上可设置阀门，当阀门关闭时，汽凝结供热***不发挥作用，此时，径向反应器主体外缘的内侧即催化剂床层的反应料入口段可为升温段；当阀门开启时，汽凝结供热***发挥作用。
本实用新型的自限温径向均温反应器中，催化剂床层的高度0.5-20m；水汽化移热***换热套管的间距0.02-0.15m，换热面积5-100m2/m3催化剂；汽凝结供热***加热管的间距0.05-0.10m，换热面积10-50m2/m3催化剂。
本实用新型的自限温径向均温反应器中，水汽化移热***换热套管的上端结构，要能够保证内管向下流水，外管向上流汽水混合物，可以是内管向上延伸开口而外管向侧面开口或向侧上方延伸开口，或者外管向上延伸开口，内管侧向弯曲穿过外管壁向侧面开口或向侧下方延伸开口，或者内管从外管上开口向侧下弯曲。应适当控制汽水室的汽水液位，以保证内管供水充足。
本实用新型具有高低自限温区的径向反应器中，水汽化移热***换热套管的上端结构，还可以是内管上端口延伸至高于外管上端口之处，内管上口和外管上口的高度差，可为外管内径的1-3倍；外管上端还可具有内径扩大段或喇叭口段，内径扩大段长度可为外管内径的1-2倍，内径可为外管外径的0.9-1.1倍，喇叭口段喇叭角10-20度，虽然内管向下的流水会吸入少量蒸汽泡，但内外管中汽水的流向不会改变，移热能力降幅不大，效果同样可靠。
本实用新型的自限温径向均温反应器中，可以在汽水室之上设水室，换热套管的内管向上延伸并开口在水室底板，适当控制水室液位，可提高套管内外管间的压差，增大内管向下水流的流量，可保证内管供水充足；优选由汽水室设通管连接水室，汽水室的汽水混合物全部进入水室，从水室排出蒸汽，其优点是通过充分的水汽混合可做到水室水温和饱和蒸汽一致，以获得更小的催化剂床层温差。还可进一步将汽水室、水室连接高位汽包，以获得更大的内外管压差，提高水、汽水在换热套管中的流速和移热、均热能力。
本实用新型的自限温径向均温反应器中，催化剂床层的底部，可用孔板筛网层叠支撑，也可以从反应器底部开始由大至小装填惰性瓷球进行支撑，其中后一结构便于催化剂更换时的卸出。
本实用新型的自限温径向均温反应器，用于放热反应尤其是强放热反应时，水汽化移热***换热套管的内管水向下流、外管汽水向上流的动力，来源于外管之间的垂直汽化空间中存在汽水混合物，其密度低于液态水，这个特点使该移热***具有了较强的自动双向调温能力—该自动双向调温能力在垂直水冷套管较长时更加明显，从而使催化剂床层温度基本保持不变，减小了催化剂床层温度的波动幅度和不同床层位置间的温差：若套管外的床层温度升高，则水冷套管内外管之间的汽化加剧，汽水混合物的密度进一步降低，水/汽流动的推动力增大，进入套管的水量增大，汽化量即冷却能力提高，从而限制了催化剂床层温度的升幅；相反地，若套管外的床层温度略有降低，则水冷套管内外管之间的汽化减弱，汽水混合物的密度会有所提高，水/汽流动的推动力减小，进入套管的水量减小，汽化量即移热能力降低，从而限制了催化剂床层温度的降幅；这种稳定催化剂床层温度的自动双向调节能力既存在于一根套管的不同高度位置，也存在于每一根套管中。因而该移热方式可使催化剂床层均温段的温度较为恒定，即温度波动较小、上下左右不同部位温差较小。这种水冷套管结构，其垂直使用方式带来的额外的自动双向调温能力，在其改为水平方向设置和使用时不再具有，也是大多数水平方向设置和使用的冷却构件所不容易达到和具有的。
本实用新型的自限温径向均温反应器中，通过沸水汽化移热、饱和汽凝结供热，移热、供热的温度基本相同且效率很高，只要水汽化移热***和汽凝结供热***的移热、供热面积足够大且设置、分布合理，则催化剂床层温度主要取决于饱和蒸汽的压力，通过控制或调整蒸汽压力即可保证或调整催化剂床层温度，而且床层各部位温差较小，受催化剂床层入口进料条件波动的影响不大，控制好主控点温度即可较好地控制催化剂床层的整体温度水平。
本实用新型的自限温径向均温反应器中，水汽化移热***和汽凝结供热***，启运前或启运时即排净惰性气，以免影响蒸汽压力的控制和汽凝结供热的稳定性、准确性。
本实用新型的自限温径向均温反应器中，热量不足以维持催化剂床层温度则补入，补充方式包括供入与所需床层温度相同或略高一点的蒸汽，最好是饱和蒸汽，或者供入过热蒸汽在汽水室充分混合后产生与所需床层温度相同或略高一点的饱和蒸汽，通过汽凝结供热***维持催化剂床层温度；或者通过电加热、燃料加热或蒸汽换热，给汽凝结供热***提供热量，控制***内饱和蒸汽的压力而维持催化剂床层温度。当然，强放热反应的催化剂床层热量通常会有剩余，以外供饱和蒸汽的方式移出。
本实用新型的自限温径向均温反应器，由于较好地控制了催化剂床层温度，包括有效提高了催化剂床层入口段的温度和反应能力，可采用较大的催化剂反应负荷，同样的加工量时，催化剂用量降低，床层体积小，反应器体积小；不超温，不飞温，不易结碳，催化剂使用寿命或周期较长。
本实用新型的自限温径向均温反应器，由于催化剂床层控温较好，用于某些受温度影响较大的可逆反应以及高温副反应较多的过程，如由合成气制备甲醇的反应、由中间浓度H2S酸性气硫磺回收工艺的直接氧化反应时，反应物的转化率和目标产物的收率都比较高，高温副反应产物减少，目标产物的选择性较高，同样产能时催化剂用量及反应器体积可减少30%，使用寿命可延长一年以上。
附图说明
图1，汽凝结供热***、水汽化移热***间的蒸汽连通管设在催化剂床层中的自限温径向均温反应器。
图2，汽凝结供热***、水汽化移热***间的蒸汽连通管设在反应器外的自限温径向均温反应器。
图3-8，自限温径向均温反应器的几种换热套管上端结构。
图9，现有技术CN201510698217.9的水冷径向反应器。
图例：1反应器壳体，2催化剂径向反应床层，3催化剂装填管，4汽水室，5移热套管内管，6移热套管外管，7汽水室底板，8侧壁带通气孔的径向反应床层容器，9带通气孔的径向反应床层内管，10垂直水冷移热套管，11支撑瓷球，12汽水室蒸汽出口，13汽水室水入口，14催化剂卸剂口，15进出料口，16蒸汽加热管，17水汽环管，18冷凝水排出口，19蒸汽连通管。
具体实施方式
实施例
一种自限温径向均温反应器，如附图1所示，包括反应器主体、水汽化移热***、汽凝结供热***，反应器主体和水汽化移热***、汽凝结供热***不连通；水汽化移热***和汽凝结供热***连通并为后者提供等温、等压的饱和蒸汽；
反应器主体包括壳体1、催化剂径向反应床层2、进出料口15、催化剂装填管3、催化剂卸剂口14；催化剂床层底部由瓷球11支撑；
水汽化移热***包括汽水室4、垂直水冷移热套管10，移热套管由内管5和外管6嵌套而成，外管向上开口于汽水室底板，向下延伸到催化剂床层之下位置并在下端封口；内管下端延伸至外管底部，上端延伸至外管上端口之外；套管上端的内管从外管上开口向侧下弯曲；
汽凝结供热***包括环筒状水汽环管17、分布于径向反应器主体外缘内侧即催化剂床层反应料入口段的蒸汽加热管16，来自水汽化移热***的饱和蒸汽经反应器外的蒸汽连通管19输送到水汽环管并进入加热管，在低温处冷凝供热，冷凝水流入水汽环管并经背压疏水阀排出；加热管向上延伸到催化剂床层顶部，向下开口环筒状于水汽环管顶壁；
催化剂床层的高度3.7m；汽凝结供热***加热管Φ21x3mm，间距73mm，根数150，换热面积37 m3，分布于径向反应器主体外缘的内侧即催化剂床层的反应料入口段；移热套管的间距56mm，套管内管Φ19x2mm，外管Φ38x3mm，套管根数550，换热面积250 m3；在径向反应器主体外缘的内侧即催化剂床层的反应料入口段，垂直向下的水汽化移热套管和垂直向上的汽凝结加热管按各自间距交替分布；反应器直径Φ2600mm，总高6800mm；装填催化剂13m3，底部支撑瓷球1m3。
该反应器的一个典型应用：反应器装填山东迅达化工集团有限公司A988氧化钛基硫磺回收催化剂13m3，反应原料气主要成分（质量百分数）H2S2.2%，O21.23%，H2O2.4%，余为CH4、CO2；气量15000Nm3/h；控制反应器入口温度210℃、汽水室表压2.20MPa时，催化剂床层温度228℃，不同高度和直径关键位置的温差6℃。该径向反应器在过去半年多的运转过程中，H2S转化率≥96%，单质硫选择性≥99.8%，所制得单质硫产品纯度≥99.5%，达到工业一级的要求。
本实施例的自限温径向均温反应器中，通过沸水汽化移热、饱和汽凝结供热，移热、供热的温度基本相同且效率很高，催化剂床层温度主要取决于饱和蒸汽的压力，通过控制或调整蒸汽压力即可保证或调整催化剂床层温度，而且床层各部位温差较小，受催化剂床层入口进料条件波动的影响不大，控制好主控点温度即可较好地控制催化剂床层的整体温度水平，不超温，不飞温，不易结碳，催化剂使用寿命或周期较长。
Claims (10)
1.一种自限温径向均温反应器，包括反应器主体、位于反应器主体上部的水汽化移热***、位于反应器主体下部的汽凝结供热***，反应器主体和水汽化移热***、汽凝结供热***不连通，水汽化移热***和汽凝结供热***连通并为后者提供等温、等压的饱和蒸汽；
反应器主体包括壳体、催化剂径向反应床层、进出料管路及接口、催化剂装卸结构；
水汽化移热***包括汽水室、多根换热套管，换热套管由内管和外管嵌套而成，外管向上开口于汽水室底板，向下延伸到催化剂床层底部或之下位置并在下端封口；内管下端延伸至外管底部，上端延伸至外管上端口之外；内管向下流水，外管向上流汽水混合物；套管上端口具有能够保证内管只进水、流入水而不进汽的结构，不受本套管的外管或临近外管所排出汽水混合物的影响；
汽凝结供热***包括环状筒体水汽环管、分布于径向反应器主体外缘的内侧即催化剂床层反应气入口段的多根金属加热管，加热管向下开口于水汽环管顶壁，向上延伸到催化剂床层顶部或之上位置并在上端封口；来自水汽化移热***的饱和蒸汽经水汽环管进入加热管中，在低温处冷凝供热，在等温或高温处不凝，维持加热管外邻近催化剂床层的温度下限，冷凝水向下流至水汽环管，再经背压疏水阀排出；
径向反应器主体外缘的内侧即催化剂床层的反应气入口段，垂直向下的水汽化移热***换热套管和垂直向上的汽凝结供热***加热管按比例交替分布。
2.如权利要求1所述的自限温径向均温反应器，其特征在于，汽凝结供热***环筒状水汽环管、水汽化移热***汽水室间的饱和蒸汽，经催化剂床层外的管道连通，或者经催化剂床层内的一根至多根金属加热管向上穿过催化剂床层并延伸到汽水室的水面以上连通。
3.如权利要求2所述的自限温径向均温反应器，其特征在于，通过设置在反应器外的管道将水汽化移热***的饱和蒸汽输送到汽凝结供热***时，连通管上设置阀门。
4.如权利要求1所述的自限温径向均温反应器，其特征在于，换热套管深入催化剂床层的高度0.5-20m，管间距0.02-0.15m，换热面积5-100m2/m3催化剂。
5.如权利要求1所述的自限温径向均温反应器，其特征在于，汽凝结供热***加热套管深入催化剂床层的高度0.5-20m，管间距0.05-0.10m，换热面积10-50m2/m3催化剂。
6.如权利要求1所述的自限温径向均温反应器，其特征在于，换热套管的上端结构是在汽水室液面下，内管向上延伸开口，外管向侧面开口或向侧上方延伸开口；或者外管向上延伸开口，内管侧向弯曲穿过外管壁向侧面开口或向侧下方延伸开口；或者内管从外管上开口向侧下弯曲。
7.如权利要求1所述的自限温径向均温反应器，其特征在于，换热套管的上端结构是内管上端口延伸至高于外管上端口之处，内管上口和外管上口的高度差，为外管内径的1-3倍；外管上端也可为具有内径扩大段或喇叭口段，内径扩大段长度可为外管内径的1-2倍，内径可为外管外径的0.9-1.1倍，喇叭口段喇叭角10-20度。
8.如权利要求1所述的自限温径向均温反应器，其特征在于，在汽水室之上设水室，换热套管的内管向上延伸并开口在水室底板。
9.如权利要求8所述的自限温径向均温反应器，其特征在于，将汽水室、水室连接高位汽包。
10.如权利要求1-9所述的任一自限温径向均温反应器，其特征在于，催化剂床层的底部，用孔板筛网层叠支撑，或者从反应器底部开始由大至小装填惰性瓷球进行支撑。
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