一种催化反应设备,主要由壳体1,上封头2,下封头3组成,壳体1与上封头2、下封头3连接,上封头2有换热介质出口管5和接管4,下封头3有出气管7,壳体1有换热介质进口管8,内装催化剂的换热外管10连接上管板11和下管板12组成,用于甲醇、烃类等合成反应过程,也可用于甲烷、甲醚等合成过程,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。
1.一种催化反应设备,包括壳体(1),上封头(2),下封头(3),壳体(1)与上封头(2)、下封头(3)连接,内装催化剂(18)的换热管(10)连接上管板(11)和下管板(12),其特征是上封头(2)有换热介质出口管(5)和接管(4),上封头(2)内有上内封头(23),上内封头(23)与上管板(11)连接构成上部内腔(24),上内封头(23)有进气管(20)与上封头(2)的接管(4)通过密封填料(26)活动连结,或者进气管(20)和接管(4)通过挠性管或膨胀节(22)连接,下管板(12)与下封头(3)连接,下封头(3)底部有出气管(7),壳体(1)下端有换热介质进口管(8)经壳体(1)与换热管(10)外空间(9)与冷却介质出口管(5)连通,或者下封头(3)内有下内封头(19),下管板(12)与下内封头(19)连接构成下部内腔(17),下内封头(19)上有出气管(7),下封头(3)有换热介质进口管(8),经壳体(1)与换热管(10)外空间(9)与冷却介质出口管(5)连通。
2.根据权利要求1所述的一种催化反应设备,其特征是上封头(2)有换热介质出口管(5),下管板(12)与壳体(1)连结,壳体(1)下端有换热介质进口管(8),下封头(3)有出气管(7)和人孔(6),出气管(7)上部有多孔顶盖(13)或有联管(15)的多孔顶盖(13)。
3.根据权利要求1所述的一种催化反应设备,其特征是下封头(3)内有下内封头(19)与下管板(12)连接构成下部内腔(17),下封头(3)底部有出气管(7),下内封头(19)上部支承陶瓷球和催化剂的多孔顶盖(13)的联管(15)用填料(14)与下封头(3)的出气管(7)活动密封,由上下内封头、换热管、催化剂构成的内件(40),通过下内封头(19)底部支承(16)支承在下封头(3)上。
4.根据权利要求1所述的一种催化反应设备,其特征是上封头(2)与壳体(1)直接焊接或者通过上封头(2)和壳体(1)上的法兰(30)和螺栓(31)螺母(32)连结并用唇形焊密封。
5.根据权利要求1所述的一种催化反应设备,其特征是上管板(11)上面装有上部绝热催化剂层(41)或者下管板(12)下部有绝热催化剂层(42)。
6.根据权利要求1所述的一种催化反应设备,其特征是该反应设备(100)的出气管(7)和管内水冷反应(200)的壳体(1)顶部的进气管(4)连通,反应器(200)的壳体(1)底部有反应气出口(7),壳体(1)内有换热管组件(34),壳体(1)和换热管组件(34)间有催化剂层(18),换热管组件(34)下部有换热介质进口管(8)穿过壳体(1)底封头,上部有换热介质出口管(5)通过膨胀节或填料密封(26)穿过壳体(1)顶部封头,反应器(200)的壳体(1)上部封头有人孔(16)供装催化剂用,底部封头有人孔(6)供卸催化剂用,反应设备(100)的换热介质进口管(8)和出口管(5)与反应器(200)的换热介质进口管(8)和出口管(5)与各自的汽包相连结。
7.根据权利要求1所述的一种催化反应设备,其特征是该反应设备(100)的出气管(7)和管内气冷反应器(300)的壳体(1)顶部的进气口(4)连通,反应器(300)的壳体(1)底部有反应气出口(7),壳体(1)内有换热管组件(34),壳体(1)和换热管组件(34)间有催化剂层(18),换热管组件(34)下部有合成气进口管(8)穿过壳体(1)底封头,上部有合成热气出口管(5)通过膨胀节或填料密封(26)穿过壳体(1)顶部封头,壳体(1)上部封头有人孔(16)供装催化剂用,底部封头有人孔(6)供卸催化剂用,反应器(300)出口管(5)和反应设备(100)进口管(20)连结。
8.根据权利要求1所述的一种催化反应设备,其特征是与该反应设备(100)的出气管(7)和管内水冷横向流反应器(400)底部进气管(4)连接,反应器(400)的壳体(1)内装有底部有换热介质进口管(8),顶部有换热介质出口管(5)的换热管组件(34),下部有与壳体(1)一边连接的下隔板(37)和上部与壳体(1)另一边连接的上隔板(38),上隔板(38)和下隔板(37)分别与左边的多孔气体分布器(39)和右边的多孔气体集气器(40)与壳体(1)连接,在上隔板(38)和下隔板(37)以及左气体分布器(39)和右气体集气器(40)和换热管(10)间装满催化剂(18)。
9.根据权利要求1所述的一种催化反应设备,其特征是该反应设备(100)的出气管(7)与径向管内水冷径向反应器(500)的进气管(4)连结,反应器(500)壳体(1)内有换热管组件(34),换热管组件(34)中心有连接支承催化剂的多孔板(13)的多孔气体分布器(22),壳体(1)和换热管组件(34)间有与上端开口底部与壳体(1)连结的多孔气体收集器(23)。
10.根据权利要求1所述的一种催化反应设备的方法,其特征是在催化反应设备中进行放热反应,由进口管(8)进入到出口管(5)流出的换热介质是冷却介质,或在催化设备中进行吸热反应,由进口管(8)进入到出口管(5)流出的换热介质是加热气体或液体。技术领域
本发明是一种反应设备,用于流体催化反应和传热过程,属化学工程领域,特别适用于甲醇、低碳混合醇、二甲醚、甲烷及烃类等合成反应过程,以及用于甲醇制烃类、硫化氢氧化制硫磺、一氧化碳变换、乙二醇和环氧乙烷等反应过程和前述放热反应化工生产及IGCC电力联产过程,也可用于吸热反应过程。
背景技术
对于由加压下甲醇合成、甲醚、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如德国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,但上下管板与换热管固定焊接,为解决热应力需用双相不锈钢且仍易损坏。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,提供一个结构可靠、生产能力大、触媒活性高、操作性能好的反应器。发明的内容本发明提供一种催化反应设备,包括壳体1,上封头2,下封头3,壳体1与上封头2、下封头3连接,内装催化剂18的换热管10连接上管板11和下管板12,主要是上封头2有换热介质出口管5和接管4,上封头2内有上内封头23,上内封头23与上管板11连接构成上部内腔24,上内封头23有进气管20与上封头2的接管4通过密封填料26活动连结,或者进气管20和接管4通过挠性管或膨胀节22连接,下管板12与下封头3连接,下封头3底部有出气管7,壳体1下端有换热介质进口管8经壳体1与换热管10外空间9与换热介质出口管5连通,或者下封头3内有下内封头19,下管板12与下内封头19连接构成下部内腔17,下内封头19上有出气管7,下封头3有换热介质进口管8,经壳体1与换热管10外空间9与换热介质出口管5连通。本发明提供一种催化反应设备,主要是上封头2有换热介质出口管5,下管板12与壳体1连结,壳体1下端有换热介质进口管8,下封头3有出气管7和人孔6,出气管7上部有多孔顶盖13或有联管15的多孔顶盖13。本发明提供一种催化反应设备,主要是下封头3内有下内封头19与下管板12连接构成下部内腔17,下封头3底部有出气管7,下内封头19上部支承陶瓷球和催化剂的多孔顶盖13的联管15用填料14与下封头3的出气管7活动密封,由上下内封头、换热管、催化剂构成的内件40,通过下内封头19底部支承16支承在下封头3上。本发明提供一种催化反应设备,主要是上封头2与壳体1直接焊接或者通过上封头2和壳体1上的法兰30和螺栓31螺母32连结并用唇形焊密封。本发明提供一种催化反应设备,主要是上管板11上面装有上部绝热催化剂层41或者下管板12下部有绝热催化剂层42。本发明提供一种催化反应设备,主要是该反应设备100的出气管7和管内水冷反应器200的壳体1顶部的进气管4连通,反应器200的壳体1底部有反应气出口7,壳体1内有换热管组件34,壳体1和换热管组件34间有催化剂层18,换热管组件34下部有换热介质进口管8穿过壳体1底封头,上部有换热介质出口管5通过膨胀节或填料密封26穿过壳体1顶部封头,反应器200的壳体1上部封头有人孔16供装催化剂用,底部封头有人孔6供卸催化剂用,反应设备100的换热介质进口管8和出口管5与反应器200的换热介质进口管8和出口管5与各自的汽包相连结。本发明提供一种催化反应设备,主要是该反应设备100的出气管7和管内气冷反应器300的壳体1顶部的进气口4连通,反应器300的壳体1底部有反应气出口7,壳体1内有换热管组件34,壳体1和换热管组件34间有催化剂层18,换热管组件34下部有合成气进口管8穿过壳体1底封头,上部有合成热气出口管5通过膨胀节或填料密封26穿过壳体1顶部封头,壳体1上部封头有人孔16供装催化剂用,底部封头有人孔6供卸催化剂用,反应器300出口管5和反应设备100进口管20连结。本发明提供一种催化反应设备,主要是与该反应设备100的出气管7和管内水冷横向流反应器400底部进气管4连接,反应器400的壳体1内装有底部有换热介质进口管8,顶部有换热介质出口管5的换热管组件34,下部有与壳体1一边连接的下隔板37和上部与壳体1另一边连接的上隔板38,上隔板38和下隔板37分别与左边的多孔气体分布器39和右边的多孔气体集气器40与壳体1连接,在上隔板38和下隔板37以及左气体分布器39和右气体集气器40和换热管10间装满催化剂18。本发明提供一种催化反应设备,主要是该反应设备100的出气管7与径向管内水冷径向反应器500的进气管4连结,反应器500壳体1内有换热管组件34,换热管组件34中心有连接支承催化剂的多孔板13的多孔气体分布器22,壳体1和换热管组件34间有与上端开口底部与壳体1连结的多孔气体收集器23。本发明提供一种催化反应设备的方法,主要是在催化反应设备中进行放热反应,由进口管8进入到出口管5流出的换热介质是冷却介质,或在催化设备中进行吸热反应,由进口管8进入到出口管5流出的换热介质是加热气体或液体。
附图说明
下面结合附图具体说明。图1是有一个内封头的催化反应设备示意图。图2是有一个内封头的另一种催化反应设备示意图。图3是有上下内封头的催化反应设备示意图。图4是是有上下绝热层且外壳有法兰的催化反应设备示意图。图5是上述图1至图4之一的反应设备100和轴向水管反应设备200组合示意图。图6是上述图1至图4之一的反应设备100和轴向气冷反应设备300组合示意图。图7是上述图1至图4之一的反应设备100和横向水冷管反应设备400组合示意图。图8是上述图1至图4之一的反应设备100和管内水冷径向反应设备500组合示意图。图9是上述图1至图4反应设备之一种的二台催化反应设备101和102并联组合示意图。
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是有一个内封头的催化反应设备示意图。图1中壳体1与上封头2、下封头3连接构成受压外壳,上封头2有接管4和换热介质出口管5,换热介质可以是锅炉软水吸收反应热后产生的蒸汽,也可以是高温载热体。下封头3有人孔6和出气管7。壳体1下端有换热介质如水的进口管8,内装催化剂的多根换热管10连接上管板11和下管板12构成换热管组40,上封头2内有上内封头23,上内封头23与上管板11连接构成上部内腔24,上内封头23有进气管20与上封头2的接管4通过密封填料26活动连结,下管板12与下封头3连接构成下部内腔17,出气管7内有支承陶瓷球和催化剂的多孔顶盖13的联管15与出气管7活动装配,上管板11和下管板12间有换热管10连接,换热管10内装催化剂18,换热管10与上部内腔24和下部内腔17相通。图中上管板11上部有绝热催化剂层41,图中有人孔6供卸催化剂和底部陶瓷球用,如不设人孔6可取下底部出气管7内的联管15卸出,图中换热介质进口管8在壳体1下端和出口管5与去外部汽包连结,换热介质例如用水流经多根换热管10间吸收反应热汽化成蒸汽,催化剂可由顶部进气管20装入,由底部人孔6卸出。原料气例如合成甲醇的H₂、CO、CO₂等加压到5~12MPa,温度210°C上下,由顶部接管4进入上内封头23的上部内腔24的上管板11上的上绝热催化剂层41开始反应,再进入换热管组40换热管10的铜基甲醇催化剂层18催化反应,反应热被换热管10外的水吸收,反应气温度220~280°C,CH₃OH含量8~26%,经底部多孔顶盖13的联管15由出气管7出反应器,由进口管8进入的水经壳体1内的换热管10外空间9,在换热管10外吸收反应热,副产2~5MPa蒸汽,经顶部上封头2和上内封头23之间,由出口管5引出。图2与图1一样也是上部有一个内封头的催化反应设备,与图1不同在于一是顶部进气管20通过膨胀节22与上封头2的接管4连结;二是底部出气管7上部由多孔顶盖13支承催化剂;三是下管板12下面有下绝热催化剂层42,催化剂和陶瓷惰性球可由人孔6卸出。换热管组40还设有多块折流档板,用于固定换热管10,并使管间冷却介质折流流动,折流档板在所有附图中省略,不再画出。图3是有上下内封头的催化反应设备示意图。图3与图1结构不同之处在于一是下部有内封头19,下管板12与下内封头19连接构成下部内腔17,由上下内封头、换热管和催化剂-构成的内件40通过下内封头19底部支承16支承在下封头3上,下内封头19上有支承陶瓷球和催化剂的多孔顶盖13的联管15通过填料14与出气管7活动装配,下封头3底部有换热介质例如水的进口管8通过换热管10管外的空间9连通上封头2的换热介质出口管5;二是壳体1与上封头2间通过法兰30和螺栓31螺母32并用唇形焊连接壳体1构成受压外壳,这样打开法兰30,由上下封头、管板和换热管构成的内件40可以吊出外壳,以便检修;三是下管板12下部设有下绝热催化剂层42,上管板11上部也有上绝热催化剂层41。图4与图3一样也是有上下内封头的催化反应设备,反应设备的换热介质进口管8和出口管5分别在上封头2和下封头3上,并通过换热管外空间9连通,这样可避免Lurgi管壳式反应器进出水管开在壳体1侧面而减小设备尺寸,与图3不同在于一是壳体1与上封头2直接焊接不用法兰;二是下内封头19有专供卸催化剂或检修的接管28与下封头3接管29用填料30密封。图5是上述图1至图4之一的反应设备100和轴向水管反应设备200组合示意图。图5中反应设备100顶部膨胀节22装在上内封头23的进口管20上,进口管20再与上封头2的接管4连接。轴向水管反应器200的壳体1底部有反应气出口7,壳体1内有换热管组件34,壳体1和换热管组件34间有催化剂层18,换热管组件34下部有换热介质进口管8穿过壳体1底封头,上部有换热介质出口管5通过膨胀节或填料密封26穿过壳体1顶部封头,反应器200的壳体1上部封头有人孔16供装催化剂用,底部封头有人孔6供卸催化剂用,反应设备100的换热介质进口管8和出口管5与反应器200的换热介质进口管8和出口管5与各自的汽包相连结,这样可通过各自调节冷却介质和催化剂温度,反应设备100的出气管7和管内水冷反应器200的壳体1顶部的进气口4连通。当用于生产甲醇时,含H₂、CO、CO₂等的合成气可先在反应设备100反应合成达到甲醇含量15%左右,再进轴向水管反应器200进一步合成到甲醇25%左右。图6是上述图1至图4之一的反应设备100和轴向气冷反应设备300组合示意图。轴向气冷反应器300的壳体1底部有反应气出口7,壳体1内有换热管组件34,壳体1和换热管组件34间有催化剂层18,换热管组件34下部有合成气进口管8穿过壳体1底封头,上部有合成热气出口管5通过膨胀节或填料密封26穿过壳体1顶部封头,壳体1上部封头有人孔16供装催化剂用,底部封头有人孔6供卸催化剂用,反应器300出口管5和反应器100进口管4连结,反应设备100的出气管7和气冷反应器300的壳体1顶部的进气口4连通。当用于合成甲醇时例如压力在8MPa上下,含H₂、CO的合成气温度约60°C,由反应器300底部进气管8进入换热管组34管内吸收换热管10外催化剂18的反应热到210°C上下,由轴向气冷反应器300顶部出口管7进入反应设备100顶部进口管20进入反应设备100在管内催化剂在260°C上下进行反应,再从反应设备100底部出口管7到轴向气冷反应器300顶部进口管4进轴向气冷反应器300的管外催化剂层在200~250°C下反应,例如达到甲醇含量15%上下出塔。图7是上述图1至图4之一的反应设备100和横向水冷管反应设备400组合示意图。管内水冷横向流反应器400壳体1内装有底部进水的进口管8,顶部有出水的出口管5的换热管组件34下部有与壳体1一边连接的下隔板37和上部与壳体1另一边连接的上隔板38,上隔板38和下隔板37分别与左边的多孔气体分布板39和右边的多孔气体分布板40与壳体1连接,在上隔板38和下隔板37以及左气体分布板39和右气体分布板40和换热管10间装满催化剂18。反应器100底部出口管7和横向流反应器400底部进口4连接,当合成气制二甲醚时,CO、H₂、CO₂先在反应设备100中在管内铜基甲醇催化剂合成20%的甲醇,反应气再由反应设备100出气口7送到反应器400进口管4进入塔在换热管组34外的γ-氧化铝等催化剂下脱水生成二甲醚。图8是上述图1至图4之一的反应设备100和管内水冷径向反应设备500组合示意图。管内水冷径向反应器500壳体1内有换热管组件34,换热管组件34中心有连接支承催化剂的多孔板13的多孔气体分布管22,壳体1和换热管组件34间有与上端开口底部与壳体1连结的多孔气体收集筒23,反应设备100的出气管7与管内水冷径向反应器500的底部进气口4连结。当用于合成气制汽油时,合成气先在反应设备100的管内甲醇催化剂中合成甲醇30%上下,再由反应设备100出口管7进入径向水冷反应器500底部进口4,由中心气体分布管22到水冷管组34外分子筛甲醇脱水催化剂18中径向流动脱水反应生成汽油等,反应气再到外层壳体1和气体多孔集气板23之间向上流动到出口管7出塔,反应热由换热管胆34的冷却介质例如水吸收回收热量产生蒸汽。图9是由上述图1至图4的二个催化反应设备101、102并联组合示意图。合成气进气总管50分别与反应设备101、102的进气管51、52连接,合成气在二台反应设备中催化反应,-反应气经各自出口管71、72到连结的出口总管70汇总。 实施例 本发明催化反应设备用于合成气制甲醇,用水作冷却介质,采用图7本发明催化反应设备100和横向水冷管反应器400组合反应设备,前者反应设备100直径3.9米,在φ42×2管内装C306铜基甲醇催化剂50M³,后者反应器400直径4米,换热管间装国产C307催化剂135M³;用附表中序号1组成和气量的合成气与序号4的循环气汇合,在合成压力8.8MPa下,进塔气经加热到约220°C进甲醇合成塔100,在反应设备100换热管10内合成催化反应块区催化作用下约260°C下合成甲醇,该催化反应的温度可以通过连通汽包汽化压力来调节控制,然后由反应设备100底部出口管7出塔,由反应器400底部进口4进入,在反应器400中的多孔气体分布板39进入换热管间催化剂层横向流经催化剂层,在210~250°C下进一步合成甲醇,催化合成反应温度同样可由连通汽包压力调节的换热管水汽化温度控制。在循环气与新鲜气比值为1.2时,出塔甲醇含量为20.8%,甲醇日产5000吨/日,数据见附表1。 xa0xa0序号
xa0xa0组成mol%
xa0xa0H₂
xa0xa0N₂
xa0xa0CH₄
xa0xa0CO
xa0xa0CO₂
xa0xa0H₂O
xa0xa0CH₃OH
xa0xa0Nm³/h
xa0xa01
xa0xa0新鲜气
xa0xa066.146
xa0xa00.640
xa0xa00.1001
xa0xa029.885
xa0xa03.2293
xa0xa00.0000
xa0xa00.0000
xa0xa048182
xa0xa02
xa0xa0入塔气
xa0xa062.722
xa0xa015.121
xa0xa01.4000
xa0xa015.901
xa0xa04.6153
xa0xa00.0430
xa0xa00.1972
xa0xa0985222
xa0xa03
xa0xa0出塔气
xa0xa046.301
xa0xa021.312
xa0xa01.9732
xa0xa03.098
xa0xa05.3463
xa0xa01.2192
xa0xa020.7495
xa0xa0712124
xa0xa04
xa0xa0循环气
xa0xa059.804
xa0xa027.464
xa0xa02.5078
xa0xa03.983
xa0xa05.7965
xa0xa00.0796
xa0xa00.3652
xa0xa0541872
xa0xa05
xa0xa0放空气
xa0xa059.804
xa0xa027.464
xa0xa02.5078
xa0xa03.983
xa0xa05.7965
xa0xa00.0796
xa0xa00.3652
xa0xa07050
有益效果 本发明与已有技术相比有显著效果,一是内件与壳体自由膨胀收缩,消除Lurgi管壳式上下管板与壳体固定焊接,在使用中温度应力发生拉裂、损坏设备,影响安全生产;二是反应管用国产不锈钢替代双相不锈钢,壳体用普通钢代替耐热低合金钢,降低设备投资,降低反应器壳体使用压力和使用温度及氢腐蚀;三是将冷却介质例如蒸汽出口改为上封头或冷却介质进口例如进水管亦为下封头,与Lurgi管壳式相比减少设备外形尺寸,便于大型化和运输内件或内件和外壳分开;四是与管内水冷反应相比,内件与壳体密封,压力和温度低,例如甲醇合成,受压壳体介质由于是水和蒸汽压力2~4MPa,温度<260°C,比管壳式压力~9MPa,温度280°C要低,且不易泄漏;五是将轴向管壳反应器和横向或径向管内水冷反应器串联组合既可降低循环比,提高甲醇净值,又可比国外Lurgi水冷-气冷全轴向反应器降低阻力,节约能耗,提高付产蒸汽产量。以上通过众多图例对本发明的主题作了充分描述,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并应用到合成气制合成甲醇、二甲醚、烃等,实际实施中可根据实际需要选用图1至图9结构和各种形式的组合,可以放置上绝热层或下绝热层或同时设上下绝热层进行组合。上述具体实施方式和实施例中所举催化剂种类型号和例举的反应温度、压力、组成,并不表示对这些参数的限定而可根据实际需要优化调节选择。