一種優化溫度的反應器的制作方法

本實用新型涉及化學工程領域，尤其涉及一種優化溫度的反應器及其適用的反應工藝。

背景技術：

對于由加壓下氨合成等這類放熱催化反應，隨著反應過程的進行，不斷放出的反應熱使催化劑層溫度提高。為了提高反應器的效率，需要把反應熱移出以保持最適宜的反應溫度。發明人曾發明一種接近最佳反應溫度的催化反應設備，獲得中國發明專利CN96111851.2和美國發明專利US6214296，用于氨合成塔并成功投運，取得良好效果，但該技術在合成塔外回收反應熱和副產中低壓蒸汽。現在氨合成等正向回收高壓副產蒸汽、節能降耗的方向發展，如國外布朗公司的3合成塔三廢鍋流程，托普索和伍德公司雙塔雙廢鍋都是合成塔外副產蒸汽。

直到目前國內外已工業化的大型氨合成裝置由氨合成和反應熱回收和產品氨從合成氣中的冷卻分離部分組成。圖1是國外布朗公司的氨合成圈流程圖，由圖可見，這種日產千噸的布朗氨合成裝置由三個氨合成塔前后串聯，每一個合成塔出口都連接一個廢熱鍋爐回收反應熱副產高壓蒸汽而降低合成氣溫度再進入下一個氨合成塔，即氨合成反應和反應熱回收在二個獨立的設備中分開進行，而后反應氣再先后經水冷器、氨冷氣冷到低溫4.4℃進一步分離液氨，分氨后氣體少量部分作馳放氣放空，大部分循環機與合成原料氣匯合經循環機升高壓力回到氨塔進一步合成氨。

KBR公司的等溫氨反應器(EP0994072)專利中提出管殼式反應器用于氨合成回路中，管內裝催化劑，原料氣從上部進氣口進入分布到各管中，在管內觸媒層中合成，管間側面進水。反應熱被管外沸騰水連續移熱，產生蒸汽由側面管出，反應氣由底部出氣管出塔，該塔溫差小，用高價貴金屬釕系氨合成催化劑，適用低溫315～435℃下操作，不適用大量采用的鐵系催化劑的高溫使用溫度，且管殼反應器觸媒裝填系數小，容積利用率低，反應管固定及焊接結構欠可靠，投資高，大型化難度大。

上述國外各法均存在工藝流程長、所需設備多、投資大的不足。

技術實現要素：

為克服上述現有技術的不足問題，本實用新型提供了一種結構簡單可靠、合成效率高的反應器。

一種優化溫度的反應器，所述的反應器包括殼體、換熱管組成的換熱內件以及帶多孔氣體分布板的催化劑筐，所述的催化劑筐中心帶有多孔集氣管或多孔分氣管，所述的殼體上有反應氣的進氣口和出氣口、催化劑裝卸口、人孔、換熱管束進水管箱和出水汽管箱，所述的催化劑筐的內筐按橫截面分布有多排換熱管組成的換熱區，內外換熱區之間有不設換熱管的絕熱區，所述的換熱區和絕熱區用多孔圓環套筒間隔，按同心圓環間隔布置，多個同心圓環換熱區的換熱管的兩端分別連接進水管箱和出水汽管箱，所述的進水管箱和出水汽管箱與單個帶有蒸汽壓力調節管線的汽包直接或者經循環水泵串聯構成循環回路，通過調節換熱介質的汽化壓力調節汽化溫度來獨立調節個換熱區和絕熱區各層溫度。所述的循環回路為多個時，每個循環回路可為不同換熱介質。

上述反應器使用時，原料反應氣經殼體上的進氣口進入反應器，進入外殼和催化劑筐中間經多孔分布器向心逐個經絕熱區和換熱區的催化劑層向心流動到多孔集氣管，或者相反由底部進氣口進入，經中心多孔分氣管由內到外離心逐層經過絕熱區和換熱區的催化劑層反應，經殼體內通到上部經頂部出氣口反應氣出塔，連結內層換熱區和汽包的循環回路和連結外層換熱區和汽包的循環回路分別通過調節汽包上的壓力調節閥，可獨立調節反應器內外換熱和絕熱催化劑的反應。

所述的催化劑筐內外和中心分氣或集氣管外催化劑一側均設有絲網。

所述的換熱區中的換熱管為螺旋形繞管。

對用于氨合成這類需要10MPa多壓力的高壓合成反應器，為了降低對承高壓殼體的材料要求和用量，可以選用向心型徑向反應器，這時反應氣主線從反應器頂部進氣，反應器底部設置冷副線進氣孔，部分低溫氣由下而上經外殼筒壁和催化劑筐向上，降低外殼塔壁溫度，到頂部催化劑上方空間混合均勻，因反應器中心管頂部密封并有約5％管子長度管壁不開孔，故少量氣體軸向由上而下經催化劑層反應，絕大部分混合原料氣與催化劑筐內壁和圓筒形多孔氣體分布板的分氣室由上而下流動，均勻經氣體分布板和多孔絲網由外而內向心經過絕熱和換熱催化反應區到多孔中心集氣筒，反應氣由上而下從底部出反應器。

一種使用如上所述的反應器的工藝方法，合成氣經換熱器升溫后進入反應器反應，所述的反應器外接包括汽包的循環回路，反應氣反應時產生的高溫加熱換熱介質，產生蒸汽，反應后的氣體出反應器與入塔前的合成氣換熱，再經風冷器和水冷器或水冷器和氨冷卻器后，再在氣液分離器中進行氣液分離。

所述的工藝方法用于氨合成裝置，采用低壓和煤或渣油制合成氣的等壓氨合成技術，氨合成壓力≤18MPa。

所述的工藝方法用于氨合成裝置，采用鐵、亞鐵或鐵-鈷或釕基氨合成催化劑，氨合成壓力≤22MPa，更優為≤18MPa。

所述的氨合成循環氣量與原料氣量之比的循環比＜2.5，合成馳放氣用膜分離等方法回收有效氣氫氣。

所述的工藝方法用于合成氣制甲烷采用與原料合成氣同等壓力的等壓或＞5MPa的高壓甲烷化。

所述的反應器用于反應溫度＞300℃的甲醇脫水制烯烴和汽油即MTP、MTO、MTG，以及鄰二甲苯氧化制鄰苯二甲酸酐的高溫固定床氣固相催化反應。

本實用新型反應器與現有其他反應器相比，具有眾多的突出優點：

1.反應與產汽合一，控溫和產汽合一，結構簡單可靠。

2.反應器構件無熱應力，換熱管在反應區無焊接點，確保反應器本質安全。

3.徑向塔，細粒小催化劑，催化劑內擴散阻力小，活性高，合成效率高。

4.傳熱效率高，催化劑層在最佳反應溫度區，溫差小，用蒸汽壓力調溫方便穩定，分層調溫，催化劑壽命長。

5.催化劑裝換熱管外，比換熱管內裝催化劑的管殼式氨合成塔裝填系數高2倍多，反應器尺寸和投資大幅減少。

6.合成回路流程短，設備少，投資大幅減少，阻力小，能耗低，節能降耗顯著，降低噸產品生產成本。

附圖說明

圖1為國外布朗公司的氨合成圈流程圖。

圖2為本實用新型反應器的結構示意圖。

圖3為本實用新型反應器的橫向截面結構示意圖，圖中設有一層換熱區和二層絕熱區。

圖4為本實用新型反應器的另一種橫向截面結構示意圖，圖中設有二層換熱區和三層絕熱區。

圖5為本實用新型使用工藝的流程圖。

附圖標記說明：

1-殼體 2-換熱管 3-多孔氣體分布板 4-進氣口

5-出氣口 6a-催化劑裝入 6b-催化劑卸出 7-進水管箱

8-出水汽管箱 9-汽包 10-水泵 11a-外層絲網

11b-內層絲網 12-中心管 13-分隔筒 14-催化劑

15-冷副線進氣口 16-支撐桿 I-換熱區 II-絕熱區

R-合成塔 E1-換熱器 E2-水冷器 E3-冷交

E4-氨冷器 E5-開工加熱器 C-循環機 S-氨分離器

具體實施方式

實施例1

如圖2所示的本發明反應器，包括殼體1、換熱管2組成的換熱內件以及帶多孔氣體分布板3的催化劑筐，所述的催化劑筐中心設有中心管12作為多孔集氣管，所述的中心管12用支承桿16固定于反應器內，所述的殼體1上設有反應氣的進氣口4和出氣口5、催化劑裝入口6a(兼作人孔)、催化劑卸出口6b(兼作人孔)、連接換熱管2兩端的進水管箱7和出水汽管箱8，所述的催化劑筐的內筐按橫截面分布有換熱內件所在的換熱區I(見圖3)，內外換熱區之間有不設換熱內件的絕熱區II(見圖3)，所述的換熱區I和絕熱區II按同心圓環間隔布置，所述的換熱內件由多組換熱管按順時針和逆時針不同方向間隔纏繞布置組成，換熱區I的換熱管的兩端分別連接進水管箱7和出水汽管箱8。反應器橫向截面如圖3所示，所述的催化劑筐內分氣板內壁和中心集氣管外催化劑一側均設有絲網11。

采用上述反應器的工藝圖如圖5所示，反應器即合成塔R設有循環回路外接裝有壓力調節閥出汽管和加水管的汽包9和水泵10，合成塔R與換熱器E1、水冷器E2、氨分離器S、冷交E3、氨冷器E4連接，循環機C與換熱器E1連接，合成氣經換熱器E1升溫后進入合成塔R反應，反應氣反應時產生的高溫加熱換熱介質，產生蒸汽，反應后的氣體出合成塔R與入塔前的合成氣換熱，再經水冷器E2降溫，進氨分離器S分離液氨，再經冷交E3和氨冷器E4后，一小部分作馳放氣，另外大部分進循環機C與合成氣混合。合成塔R進氣管線上還設有開工加熱器E5，供開車時氨合成催化劑升溫還原催化劑用。

原料反應氣大部分經換熱升溫到350℃，去殼體1頂部的進氣口4進入反應器，另外來自循環機C未經換熱器加熱的部分低溫合成氣由反應器R底部冷副線進氣口15進入，沿殼體1和催化劑筐之間靠近殼體1一側的通道由下到上到達反應器上部空間，與從進氣口4進來的反應氣混合，再從殼體1和催化劑筐之間靠近催化劑筐一側的通道由上向下，經多孔氣體分布板3向心逐個經絕熱區II和換熱區I的催化劑層向心流動到用作多孔集氣管的中心管12，在中心管12內向下從出氣口5出反應器。

實施例2

日產1000噸氨合成反應器，結構如圖3所示，內設一層換熱區I，換熱區I內外各有一層絕熱區II，換熱繞管連結下部進水管箱7和上部出水汽管箱8，催化劑筐內裝有直徑1.5～3mm小顆高活性國產氨合成催化劑(CN01135660)80M³，換熱管的兩端分別連接進水管箱7和出水汽管箱8，并與單個帶有蒸汽壓力調節管線的汽包9、循環水泵10串聯構成循環回路，如圖4所示，通過調節換熱介質的汽化壓力調節汽化溫度來獨立調節個換熱區和絕熱區各層溫度。

本實施例合成圈的主要指標和國外布朗和托普索公司指標(見李瓊玖主編，合成氨和碳一化學，四川科技出版社第495頁)見表1第二列“例1”、第2列“布朗”及第3列“TopsΦe”。

表1

實施例3

采用如圖2所示反應器結構，與實施例2不同的是本實施例反應器內設內外二層圓環形換熱區和三個絕熱區(參見圖4)，換熱區和絕熱區間隔布置，兩個換熱區的換熱管分別與進水管箱和出水汽管箱以及汽包和循環水泵構成水循環回路，連結內層換熱區和汽包的循環回路和連結外層換熱區和汽包的循環回路分別通過調節汽包上的壓力調節閥，可獨立調節反應器內外換熱區和絕熱區催化劑的反應。催化劑筐內裝國產高活性催化劑79M³(粒度1.5～3mm)，進催化劑層溫度350℃，熱點溫度415℃，出口溫度400℃。具體數據見表1第5列“例2”。

實施例4

采用本申請反應器結構用于甲烷合成，內設三層繞管換熱區，各換熱區之間為絕熱區(共四個)，換熱繞管通過上下管箱和三個獨立汽包構成三路水汽循環系統，內裝國產大連物化所鎳基高活性甲烷化催化劑76M³。每一路均由上下一對成180度對稱布置的二個進出口水箱。

本實施例甲烷化與國外DAVY公司甲烷化技術主要指標比較見表2(參見《天然氣化工》2013年第6期第42-45頁)

表2本實施例與國外甲烷化反應器主要指標

實施例5

甲醇脫水制烯烴。中國寧夏年產167萬噸甲醇制年產50萬噸烯烴(MTP)，于2006年與國外公司簽約技術許可費1.3億元。MTP反應器共三臺，為開二臺，一臺備用(煤化工手冊，徐振剛主編，化學工業出版社)。MTP反應器結構見PCT專利WO2004/018089。每臺MTP反應器包括6個催化劑床層，上下床層間均有側線冷DME/甲醇進料，控制各催化劑層溫升相同(約10℃)。進床層溫度為470℃，出床層為480℃，經層間進料冷DME/甲醇冷卻降溫再進下一層。現采用本發明反應器，采用水冷或換熱繞管徑向反應器分層設置絕熱層7層和換熱層6層，外配6個汽包構成6個回路。采用上海石化研究院ZAPO-34MTP催化劑，用調節汽包壓力控制進絕熱層450℃進行絕熱反應，進換熱層460℃進行換熱反應。在同樣裝置規模下，反應器催化劑裝填系數由Lurgi分段冷激塔的25％左右提高到75％，反應器由原直徑10多米、高30多米大幅減小，同時，由絕熱段間冷原料降溫改為水冷式冷管間接換熱降溫，避免了反應產物的稀釋，大幅提高了反應效率，節約了能耗，降低了生產成本。另外可用于ZSM-5催化劑在310-430℃甲醇脫水制汽油。

任何反應器的溫度穩定控制是反應器成功高效運行的關鍵，用以調節反應器溫度的冷卻劑需滿足以下要求：①化學穩定性好；②比熱容大，汽化潛熱高等。由于水的化學穩定性好，比熱容高，汽化熱大，因此水是最常用的冷卻劑，在生產過程中可用副產水蒸汽回收熱量。但在高于300℃下需用礦物油，礦物油的蒸氣壓低，但熱穩定性不佳，比熱容小，閃點低，故不大使用。聯苯或聯苯-聯苯醚屬導熱油，化學穩定性好，一般用于規模不大場合，熔鹽蒸氣壓更低，可以更高溫度下操作，多用于400℃以上的高溫場合，缺點是腐蝕性大。

由上各實施例可見，采用本申請專利可以在＞300℃的高溫催化固定床反應器中也能像目前廣泛用于中低溫反應，管內裝催化劑的管殼式反應器一樣實現高溫反應器內副產高溫高壓蒸汽，例如用于氨合成的例1到例4，用于合成氣甲烷化制人工天然氣LNG(實施例5)，將反應器和外部副產蒸汽鍋爐合二為一，用于甲醇脫水制丙烯MTP，反應器內副產蒸汽替代用原料甲醇冷氣冷激降溫，比現有國外先進技術大大簡化了流程，節約了投資，降低能耗，具有顯著的經濟效益。

本申請專利列舉的實施例和內容，在反應器內管內冷卻介質換熱反應區和絕熱反應區間隔布置前提下，具體設備和工藝參數不限于本說明書，例如：換熱管可以是螺旋繞管，也可以是直管或是換熱板，換熱區數目和反應區出口區可設絕熱層，也可不設而用換熱層，氣體可以是由外到內向心流，也可以是由內到外離心或水循環，可以采用泵強制循環，也可不用泵自然循環。