一种双封头可控水移热反应器

摘要

本发明公开了一种双封头可控水移热反应器，主筒体的顶部连接下法兰，主筒体的底部连接下外封头，上法兰和下法兰相连；所述催化剂装填管的一端连接在上内封头和气体分布筒之间，另一端依次穿过隔板和上外封头，所述导水管一端连通于隔板和上外封头之间，另一端套设在换热管内，所述换热管的管体位于气体分布筒内，换热管的出口位于隔板和上内封头之间，所述集气筒的筒体位于气体分布筒内，集气筒的出口连接出气口。将换热管埋在催化剂床层内部能够将催化剂床层内部反应热及时移走，有效解决了现有变换、合成及加氢等催化剂使用寿命短、易超温、副反应物多、床层温不易控制、开车时间长、难以大型化、运行能耗高、工程投资大等缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固定床催化剂，气相状态下的变换、合成、加氢反应器，尤其涉及的是 一种双封头可控水移热反应器。

背景技术

CO变换反应后器作为化工行业的一种广泛应用反应器，其间，人们对变换反应器进行了 多次的改进，由原来全轴向改为全径向，在催化剂床层阻力方面取得很好效果，但催化剂床 层仍为绝热反应，催化剂床层分为若干床层，每床层之间采取间接换热或用水冷激。这种间 接换热回收变换系统热能品位低，回收显热和潜热效率低、催化剂易超温、同时变换还拌有 甲烷化等副反应等缺陷。

煤制乙二醇的羰基化合成反应器，目前采用ф25X2的管内装填催化剂，管外用水移热， 一台列管反应器由数千个全轴向ф21圆柱形催化剂床层组成，气体分布不均匀、副反应物 多、催化剂床层阻力大、热应力大、设备泄漏、一套20万吨/年的乙二醇装置的羰基化合成 反应器需要6台管壳反应器并联运行，工程投资大等缺陷。

煤制乙二醇的酯化加氢反应器，目前采用ф38X2的管内装填催化剂，管外用水移热，一 台列管反应器由数千个全轴向ф34圆柱形催化剂床层组成，气体分布不均匀、副反应物多、 催化剂床层阻力大、热应力大、设备泄漏、工程投资大等缺陷。

目前，煤制天然气的反应采用：n个绝热床层+n个废过热锅炉的移热方式，而且需要增 加反应物水蒸气来抑制第一、第二绝热床层反应，同时配置循环气，否则出现第一、第二绝 热床层飞温现象，运行能耗高、装置投资大、系统阻力大等缺陷。

目前，煤制油、煤制石蜡的费托合成反应还没有在运行的大型化装置，部分在运行的小 型费托合成装置反应器也为列管式反应器，Fe(或Co)系催化剂装填在ф76X4管内，仍然 存在气体分布不均匀、超温、积碳、长碳链烷烃收率低、阻力大、设备泄漏、难以大型化等 缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种双封头可控水移热反应器，利用换 热管内水转化为蒸汽发生相变吸热原理及时移走催化剂床层内反应热量，并副产不同压力下 的饱和蒸汽。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括连为一体的催化剂装填管、进水管、上 外封头、隔板、出水管、至少一个导水管、至少一个换热管、上内封头、上法兰、气体分布 筒、集气筒、下内封头和催化剂自卸管，连为一体的下法兰、主筒体、下外封头、催化剂自 卸口、进气口和出气口；所述进水管开设于上外封头的顶部，隔板设置于上外封头和上内封 头之间，所述出水管设置于隔板和上内封头之间，所述上外封头的底部、上内封头的底部和 气体分布筒的顶部分别连接在上法兰上，所述气体分布筒的底部连接在下内封头上，所述气 体分布筒套设在主筒体内，所述主筒体的顶部连接下法兰，主筒体的底部连接下外封头，上 法兰和下法兰相连；所述催化剂装填管的一端连接在上内封头和气体分布筒之间，另一端依 次穿过隔板和上外封头，所述导水管一端连通于隔板和上外封头之间，另一端套设在换热管 内，所述换热管的管体位于气体分布筒内，换热管的出口位于隔板和上内封头之间，所述集 气筒的筒体位于气体分布筒内，集气筒的出口连接出气口，所述催化剂自卸口、进气口和出 气口分别设置于下外封头上，所述催化剂自卸管一端连接于下内封头上，另一端连接于催化 剂自卸口上。

作为本发明的优选方式之一，所述上外封头和上法兰之间设置短接接筒，所述出水管设 置于短接接筒上，短接接筒的一端连接上外封头，另一端固定在上法兰上，隔板位于短接接 筒和上外封头之间。

作为本发明的优选方式之一，所述换热管为一端封闭一端开口的结构，换热管的管体和 封闭端位于气体分布筒内，换热管的开口端设置于隔板和上内封头之间，所述导水管套设在 换热管内。

作为本发明的优选方式之一，所述上内封头为挠性管板或标准封头，所述标准封头选自 球形封头、椭圆封头、锥形封头、蝶形封头、球冠型封头中的一种。作为本发明的优选方式 之一，所述上内封头和短接接筒分别焊接在上法兰上。

作为本发明的优选方式之一，所述上法兰为异形法兰，所述异形法兰为标准法兰或非标 准法兰。

作为本发明的优选方式之一，所述上法兰和下法兰通过紧固件连接，上法兰和下法兰之 间设有密封垫片。

作为本发明的优选方式之一，所述密封垫片为Ω密封垫片。

作为本发明的优选方式之一，所述气体分布筒上设有多个进气孔。

作为本发明的优选方式之一，所述集气筒的筒体上设有多个集气孔。

本发明针对CO变换反应反应器存在问题和不足，以及现在高水/气、高CO水煤气变换的 需求，开发出双封头可控水移热变换反应器，将采用换热管埋在变换催化剂床层内，利用换 热管内水转化为蒸汽发生相变吸热原理将CO+H₂O→H₂+CO₂+Q_放变换反应放出热量，并及时移出 催化剂床层，确保催化剂床层温度≤380℃，并副产0.8～9.0MPa的饱和蒸汽，利于催化剂自 卸和便于换热管部分的维修。有效解决了现有变换反应器回收热能品位低、回收热能效率低、 催化剂易超温、甲烷化副反应、催化剂难自卸及工程投资大缺陷。

本发明针对装填Pd/AI₂O₃系催化剂、乙二醇的羰基化列管式合成反应器存在问题和不足， 开发出双封头可控水移热羰基化合反应器，将采用将采用换热管埋在变换催化剂床层内，利 用换热管内水转化为蒸汽发生相变吸热原理将CO+CH₃ONO→(COOCH₃)₂+NO+Q_放反应放出热量及 时移出催化剂床层，确保催化剂床层温度≤140℃，并副产0.2～0.3MPa的饱和蒸汽，催化剂 床层采用全径向结构。有效解决了现有羰基化合成反应器催化剂易超温、副反应大、床层阻 力大、难以大型化、催化剂难自卸及工程投资大缺陷。

本发明针对装填Cu系催化剂、乙二醇的酯化加氢列管式合成反应器存在问题和不足，开 发出双封头可控水移热加氢反应器，将采用将采用换热管埋在变换催化剂床层内，利用换热 管内水转化为蒸汽发生相变吸热原理将CH₃ONO加H₂反应(4H₂+(COOCH₃)₂→(OHCH₂CH₂OH)₂+ 2CH₃OH+Q_放)放出热量及时移出催化剂床层，确保催化剂床层温度≤250℃，并副产1.8～3.2MPa 的饱和蒸汽，催化剂床层采用全径向结构。有效解决了现有酯化加氢反应器催化剂易超温、 副反应大、床层阻力大、难以大型化、催化剂难自卸及工程投资大缺陷。

本发明针对国内催化剂单位已经开发出在320～420℃使用温度的Ni系催化剂,开发出双 封头可控水移热甲烷合成反应器，将采用将采用换热管埋在变换催化剂床层内，利用换热管 内水转化为蒸汽发生相变吸热原理将CO与H₂的甲烷化反应(CO+H₂→CH₄+H₂O+Q_放)放出热量及 时移出催化剂床层，确保催化剂床层温度≤420℃，并副产3.8～12.0MPa的饱和蒸汽，催化 剂床层采用全径向结构。有效解决了现有甲烷合成反应器催化剂易超温、床层阻力大、运行 能耗高、装置投资大、系统阻力大等缺陷。

本发明针对装填Fe(或Co)系催化剂的费托列管式合成反应器存在问题和不足，开发 出双封头可控水移热费托合成反应器，将采用将采用换热管埋在变换催化剂床层内，利用换 热管内水转化为蒸汽发生相变吸热原理将CO与H₂的费托合成反应(nCO+(2n+1)H₂→C_nH_2n+2+nH₂O+Q_放)放出热量及时移出催化剂床层，确保Co催化剂床层温度≤240℃，并副产1.8～ 2.8MPa的饱和蒸汽；Fe催化剂床层温度≤260℃，并副产1.6～3.8MPa的饱和蒸汽，催化剂 床层采用全径向结构。有效解决了现有费托合成反应器存在的缺陷。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明进水分布、集水、催化反应三位一体可以单 独起吊的组合体与外筒体分离，便于检修、催化剂自卸、催化剂装填；

将换热管埋在催化剂床层内部能够将催化剂床层内部反应热及时移走，避免原有变换、 合成及加氢催化剂被烧结现象发生，有效解决了现有变换、合成及加氢等催化剂使用寿命短、 易超温、副反应物多、床层温不易控制、开车时间长、难以大型化、运行能耗高、工程投资 大等缺陷；

催化剂床层的温度通过副产蒸汽压力来调节，确保调节方面灵活、易控制；同时也确保 开车时，采取向水循环系统添加蒸汽，迅速将一种双封头可控水移热反应器温升起来，以缩 短开车时间；

水路采取自然循环，突然停车时，本发明的反应器内部残余部分的反应物继续反应，水 路也仍然保持循环，并将催化剂床层内部热量移出，确保在突然停车状态一种双封头可控水 移热反应器的床层温度也不会超，有效保护催化剂使用寿命；

本发明的气体分布筒及集气筒，在反应器的内外之间采用双向补偿，使径向气体分布误 差≤5.0％，确保气体分布均匀；反应器床层整体阻力≤0.01MPa；

采用全径向催化剂床层，易于装置大型化，不仅解决运输难题，同时降低工程投资。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括连为一体的催化剂装填管2、进水管3、上外封头4、隔板6、 出水管7、多个导水管18、多个换热管19、上内封头10、上法兰11、气体分布筒16、集气 筒20、下内封头23和催化剂自卸管27，连为一体的下法兰13、主筒体15、下外封头24、 催化剂自卸口29、进气口25和出气口28；

进水管3开设于上外封头4的顶部，隔板6设置于上外封头4和上内封头10之间，出水 管7设置于隔板6和上内封头10之间，上外封头4和上法兰11之间设置短接接筒9，出水 管7设置于短接接筒9上，短接接筒9的一端连接上外封头4，另一端固定在上法兰11上， 隔板6位于短接接筒9和上外封头4之间，短接接筒9便于器件分布；上内封头10和短接接 筒9分别焊接在上法兰11上，气体分布筒16的顶部连接在上法兰11上，气体分布筒16的 底部连接在下内封头23上，气体分布筒16套设在主筒体15内，主筒体15的顶部连接下法 兰13，主筒体15的底部连接下外封头24，上法兰11和下法兰13相连；催化剂装填管2的 一端连接在上内封头10和气体分布筒16之间，另一端依次穿过隔板6和上外封头4，催化 剂装填管2位于上外封头4之外的顶部设有催化剂装填口1，导水管18一端连通于隔板6和 上外封头4之间，另一端套设在换热管19内，换热管19的管体位于气体分布筒16内，换热 管19的出口位于隔板6和上内封头10之间，集气筒20的筒体位于气体分布筒16内，集气 筒20的出口通过出气管26连接出气口28，催化剂自卸口29、进气口25和出气口28分别设 置于下外封头24上，催化剂自卸管27一端连接于下内封头23上，另一端连接于催化剂自卸 口29上。

本实施例中，催化剂装填管2、上外封头4、隔板6和导水管18构成了进水分布室5， 隔板6、上内封头10、上法兰11、出水管7和换热管19构成了集水室8，上内封头10、上 法兰11、气体分布筒16、换热器、下内封头23构成了催化剂框22，上法兰11、下法兰13、 外筒体、下外封头24、下内封头23、进气口25和出气口28构成了气体分布室17，集气筒 20内的空间形成集气室21。

换热管19为一端封闭一端开口的结构，换热管19的管体和封闭端位于气体分布筒16内， 换热管19的开口端设置于隔板6和上内封头10之间，导水管18套设在换热管19内。

上法兰11和下法兰13通过紧固件14连接，上法兰11和下法兰13之间设有Ω密封垫片 12。气体分布筒16上设有多个进气孔。集气筒20的筒体上设有多个集气孔。

本实施例的上内封头10为挠性管板制成，其他实施例中的上内封头10也可以为标准封 头，标准封头选自球形封头、椭圆封头、锥形封头、蝶形封头、球冠型封头中的一种。

本实施例的上法兰11为非标准法兰的异形法兰。

气体由进气口25进入气体分布室17，在气体分布室17内通过气体分布筒16进入催化 剂框22反应，反应放出热量由导水管18与换热管19形成的空心圆柱体内水吸收。出催化剂 框22反应后气体由集气筒20进入集气室21、出气管26，然后由出气管26流出反应器；不 饱和水由进水管3进入进水分布室5，然后均匀分布到导水管18，在导水管18内部自上而下 流动，在导水管18底部流出翻转180°在导水管18与换热管19形成的空心圆柱体内自下而 上流动，并吸收换热管19外部催化剂床层热量，形成过饱和水进入集水室8，然后由出水管 7流出反应器进入外界汽包，并在汽包内闪蒸出饱和蒸汽。图1中空心箭头为水流方向，实 心箭头为气流方向。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原 则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。