專利名稱：橫向管式換熱反應(yīng)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種氣固相催化反應(yīng)設(shè)備，用于流體催化反應(yīng)和傳熱過程，屬化學工程領(lǐng)域，特別適用于甲醇、甲醚、烴類等合成反應(yīng)過程，也可用于乙烯氧化合成環(huán)氧乙烷，醋酸乙烯，苯酐合成，氨合成等反應(yīng)過程。
背景技術(shù)：
對于由加壓下甲醇合成、甲胺、甲醚、氨、烴類等合成這類氣固相放熱催化反應(yīng)，隨著反應(yīng)過程的進行，不斷放出的反應(yīng)熱使催化劑層溫度提高。為了提高反應(yīng)器的效率，需要把反應(yīng)熱移出以降低反應(yīng)溫度。在工業(yè)反應(yīng)器中曾廣為使用的一種是多段原料氣冷激來降低反應(yīng)溫度，這種反應(yīng)器因原料氣冷激時在降低反應(yīng)氣溫度的同時也降低了反應(yīng)物濃度，影響了合成率。
另一種如德國Lurgi公司的用于甲醇合成的列管式反應(yīng)器，在受壓外殼中有上下管板間的多根圓管，管中裝有催化劑，原料氣從上部進氣口進入分布到各管中，在管內(nèi)觸媒層中合成甲醇，管間側(cè)面進水。反應(yīng)熱被管外沸騰水連續(xù)移熱，產(chǎn)生蒸汽由側(cè)面管出，反應(yīng)氣由底部出氣管出塔，該塔溫差小，但觸媒裝填系數(shù)小，投資大。其他如日本三菱公司的SPC超轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器，催化劑裝在內(nèi)外套管間，同樣存在裝填系數(shù)小的問題。
本發(fā)明的任務(wù)是依據(jù)氣固相催化放熱可逆反應(yīng)的特點，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一個觸媒層溫差小、觸媒活性高、結(jié)構(gòu)簡單可靠、操作性能好的反應(yīng)器。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明提供一種橫向管式換熱催化反應(yīng)設(shè)備，主要由帶封頭E的殼體P，連接換熱管b的管板(或環(huán)管)d，支承催化劑K的多孔支承板a和催化劑K上的多孔氣體分布器C，殼體P上的氣體進口1和反應(yīng)氣出口2，冷卻介質(zhì)進口3和出口4組成的反應(yīng)器，其特征是催化劑層的換熱管b橫向放置(與水平面夾角小于45°)，換熱管內(nèi)介質(zhì)橫向流動，氣體G由氣體分布器C氣孔進換熱管b外的催化劑層，由上向下流動進行反應(yīng)，與換熱管內(nèi)橫向流動的介質(zhì)L換熱，到支承板a氣孔出催化劑層，經(jīng)出氣口2出反應(yīng)器。
在本發(fā)明的一個較好實例中，連接換熱管b的管板d1、d2與殼體P直接連接成為隔開換熱介質(zhì)L和反應(yīng)氣G的隔板，換熱介質(zhì)的進口3和出口4分別在二端的封頭E2和E1上。
在本發(fā)明的一個較好實例中，在一端的封頭E1和管板d1的空間設(shè)置橫隔板F，將其分成上下二室H、I，在封頭E1的下室I有換熱介質(zhì)L進口3，上室H有出口4，換熱介質(zhì)L在換熱管b內(nèi)由同一方向從一端流向另一端，換熱介質(zhì)L由進口3進入下室I，由橫隔板下室I進入換熱管b流動，進入另一端封頭E2，然后反向由上室H連接的換熱管b反向流回，經(jīng)上室H出口4流出。
在本發(fā)明的一個較好實例中，連接換熱管b的管板d1與殼體P和封頭E1連結(jié)，連結(jié)b的另一端管板d2與封頭E2內(nèi)的內(nèi)封頭E3連結(jié)，E3和封頭E2上的換熱介質(zhì)L進口3由彈性軟管M或用導管用填料函密封連結(jié)，介質(zhì)L由3進入經(jīng)M到內(nèi)封頭E3進入換熱管b，橫向流動到另一端封頭E1上出口4，管板d2與殼體P可以用擋圈活動密封代替固定焊接，以便管板d2和內(nèi)封頭可自由伸縮。
在本發(fā)明的一個較好實例中，封頭E1與管板d1間有橫隔板F分隔為上下二室H、I，封頭E2內(nèi)有內(nèi)封頭E3連接管板d2，由進口3進入下室I的介質(zhì)L經(jīng)下部換熱管b流向E3，進入E3后又經(jīng)連接上室H換熱管b反向流到上室H，由出口4流出。
在本發(fā)明的一個較好實例中，封頭E1與管板d1間有隔板F分隔為上下二室H、I，換熱管b為U形管，U形管二端管口分別與上室I和下室H相通。
在本發(fā)明的一個較好實例中，封頭E1與管板d1間有縱向隔板F分隔為左右二室H、I，U形換熱管二端管口分別與左、右H、I兩室相連通。
在本發(fā)明的一個較好實例中，換熱管b分成上下多組，每一組管b一端各有一個小封頭En1、En2……，另一端有一個用橫隔板分成上下二室的小封頭Em1、Em2……，上下二室各有連通傳熱介質(zhì)L進口管和出口管連到大封頭E1。
在本發(fā)明的一個較好實例中，換熱管b分為上下多組U形管，封頭E1內(nèi)每組U形管管板di與帶有橫隔板Fi的內(nèi)封頭E3，橫隔板Fi上下二室Hi、Ii連通U形管二端，或者隔板Fi直接與封頭E1連接分隔成Hi、Ii多室。
在本發(fā)明的一個較好實例中，換熱管b為U形管，各U形管一端與管板d1相連接，管板d1與封頭E1間為由進口3連接分布室I，管板d1內(nèi)側(cè)有管板d2與U形管另一端連接，二管板的d1、d2間為連結(jié)出口4的集流室H。
在本發(fā)明的一個較好實例中，換熱管b為雙套管，內(nèi)管bi與管板d1連接，連通封頭E1中介質(zhì)進口3，外管b0與管板d2連接，連通兩管板d1、d2間介質(zhì)出口4。
在本發(fā)明的一個較好實例中，換熱管b為螺旋形管連通兩端管板d1、d2，兩封頭E1、E2與管板d1、d2連結(jié)，換熱介質(zhì)由封頭E2中進口3進入經(jīng)管板d2、螺旋換熱管b，管板d1，由封頭E1上出口4出反應(yīng)器。
在本發(fā)明的一個較好實例中，前述各橫向換熱管b與水平面夾角θ＜45°，最佳為7～30°，當夾角θ≠0時，換熱管b為單程單向直管，傳熱介質(zhì)出口管4一端位置高于進口管3一端。一臺橫向管式換熱反應(yīng)器RA和一臺立式軸向氣冷反應(yīng)器RB組合成聯(lián)合反應(yīng)器，RB為內(nèi)有逆流冷管膽管外裝催化劑K反應(yīng)器，原料氣由RB底部進氣口1進入反應(yīng)器RB內(nèi)冷管，在管內(nèi)逆流與管外催化劑層換熱升高溫度到230℃左右由管口2出塔進入橫向管反應(yīng)器RA反應(yīng)，反應(yīng)器被管內(nèi)介質(zhì)(如水)移走，出RA反應(yīng)器的氣體由RB的進口3進入RB管外催化劑層K中繼續(xù)反應(yīng)后由出口4出反應(yīng)器。


下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。附圖中圖1是本發(fā)明簡單的橫向管傳熱反應(yīng)器示意圖。
圖2是本發(fā)明簡單的橫向管傳熱反應(yīng)器側(cè)面視圖示意圖。
圖3是一端封頭有隔板的雙程橫向管反應(yīng)器示意圖。
圖4是一端有內(nèi)封頭的單程橫向管反應(yīng)器示意圖。
圖5是一端封頭有隔板，一端有內(nèi)封頭的雙程橫向管反應(yīng)器示意圖。
圖6是一端封頭有隔板的U形橫向反應(yīng)器示意圖。
圖7是多組一端帶隔板內(nèi)封頭和另一端帶內(nèi)封頭的雙程橫向管反應(yīng)器示意圖。
圖8是多組U形管反應(yīng)器示意圖。
圖9是雙管板U形管反應(yīng)器示意圖。
圖10是雙管板雙套管反應(yīng)器示意圖。
圖11是內(nèi)有兩組左右對稱U形管反應(yīng)器示意圖。
圖12是換熱管是螺旋管的橫向反應(yīng)器示意圖。。
圖13是斜置橫向管水冷傳熱反應(yīng)器與氣冷換熱反應(yīng)器組合示意圖較好實施方式結(jié)合圖1和圖2，圖中由圓形筒體P和兩側(cè)封頭E1、E2構(gòu)成受壓容器，內(nèi)有連結(jié)左右管板d1、d2上的多排換熱冷管b，冷管之間裝滿催化劑層K，筒體底部有多孔的催化劑支承板a，上部有多孔氣體分布板C，原料氣G由筒體上部進氣管1進入反應(yīng)器內(nèi)分布板C上部空間，均勻地進入管間催化劑層由上而下流動進行反應(yīng)直到底部流經(jīng)支承多孔板a后匯集由出氣口2出反應(yīng)器，傳熱介質(zhì)L例如水由封頭E2上進口3進入，從管板d2分流到各換熱管b，一邊流動一邊吸收管外催化劑層中反應(yīng)熱，或用于升高介質(zhì)溫度，或用于介質(zhì)氣化如水成蒸汽而吸熱直到管板d1流出到出口4流出反應(yīng)器，通過以上經(jīng)介質(zhì)的吸熱達到反應(yīng)器內(nèi)催化劑層中連續(xù)將反應(yīng)熱及時移走，反應(yīng)觸媒層溫度均勻平穩(wěn)的效果。反應(yīng)器內(nèi)催化劑的裝卸可以從進氣口1裝入，也可另在殼體上部增開人孔用于裝催化劑，上部氣體分布板可分成多塊，便于裝催化劑，也可由二層或多層重疊交叉以便氣體分布均勻。同樣底部催化劑支承板a也可分成多塊，留有圓孔供卸催化劑用，除可用出氣口2卸催化劑外，底部還可開設(shè)多個人孔供卸催化劑用，換熱管b除被二端管板固定外，中間還設(shè)有多個縱向支承冷管定位架，圖中不再畫出，在后面的圖3到圖13中均不再說明。
圖3為本發(fā)明的雙程換熱管的一種結(jié)構(gòu)，與圖1不同的是一側(cè)封頭E1和管板d1間有一橫隔板F將其分成上室H和下室I，下室I有換熱介質(zhì)L進口3，上室H有出口4，換熱介質(zhì)L由進口3進入下室I，由橫隔板下室I進入換熱管b流動，進入另一端封頭E2，然后反向由上室H連接的換熱管b反向流回，經(jīng)上室H出口4流出。
在圖4中連接換熱管b的管板d1與殼體P和封頭E1連結(jié)，連結(jié)b的另一端管板d2與封頭E2內(nèi)的內(nèi)封頭E3連結(jié)，E3和封頭E2上的換熱介質(zhì)L進口3由彈性軟管M連結(jié)，或者用連接直管用填料函與進口3活動連接，介質(zhì)L由3進入經(jīng)M到內(nèi)封頭E3進入換熱管b，橫向流動到另一端封頭E1上出口4，管板d2與殼體P可以用擋圈活動密封代替固定焊接，以便管板d2和內(nèi)封頭可自由伸縮。
在圖5中封頭E1與管板d1間與圖3一樣有橫隔板F分隔為上下二室H、I，封頭E2內(nèi)有內(nèi)封頭E3，連接管板d2，由進口3進入下室I的介質(zhì)L經(jīng)下部換熱管b流向E3，進入E3后又經(jīng)連接上室H換熱管b反向流到上室H，由出口4流出，管板d2與殼體P可以用擋圈活動密封代替固定焊接，以便管板d2和內(nèi)封頭可自由伸縮。
在圖6中封頭E1與管板d1間有橫隔板F分隔為上下二室H、I，換熱管b為U形管，U形管二端管口分別與上室H和下室I相通，另一端為U形管彎頭可自由伸縮，不需管板。
在圖7中，換熱管b分成上下多組，每一組管b一端各有一個小封頭En1、En2……，另一端有一個用橫隔板分成上下二室的小封頭Em1、Em2……，上下二室各有連通傳熱介質(zhì)L進口管3a、3b、3c和出口管4a、4b、4c連到大封頭E1。
在圖8中，換熱管b分為上下多組(圖中為二組)U形管，封頭E1內(nèi)每組U形管管板di與帶有橫隔板Fi的小封頭Ei，橫隔板Fi上下二室Hi、Ii連通U形管二端，或者隔板Fi直接與封頭E1連接分隔成Hi、Ii多室。
對圖7、圖8換熱管b分成多組時還可以在封頭E2上開人孔，供安裝檢修換熱管組用。對圖7、圖8，換熱管分為多組的結(jié)構(gòu)，組數(shù)的多少可根據(jù)設(shè)備能力和直徑大小增減，除水平分組外，還可縱向再分組。
在圖9中，換熱管b為U形管，各U形管一端與管板d1相連接，管板d1與封頭E1間為傳熱介質(zhì)L由進口3連接分布室I，管板d1內(nèi)側(cè)有管板d2與U形管另一端連接，二管板的d1、d2間為連結(jié)出口4的集流室H。
在圖10中，換熱管b為雙套管，內(nèi)管b2與管板d1連接，連通封頭E1中介質(zhì)進口3，外管b0與管板d2連接，連通兩管板d1、d2間介質(zhì)出口4。
圖11為兩組左右對稱U形管反應(yīng)器，可視作圖6U形管反應(yīng)器對稱拼接而成，左右封頭E1和E2與左右管板d1、d2間分別用橫隔板F1、F2隔成上下兩室H1、I1、H2、I2，這種結(jié)構(gòu)尤其適用在直徑限制情況下用增加長度增加生產(chǎn)能力。
圖12是用螺旋管作換熱管反應(yīng)器示意圖，換熱管b為螺旋形管連通兩端管板d1、d2，兩封頭E1、E2與管板d1、d2連結(jié)，換熱介質(zhì)由封頭E2中進口3進入經(jīng)管板d2、螺旋換熱管b，管板d1，由封頭E1上出口4出反應(yīng)器。
圖13中為一臺橫向管式換熱反應(yīng)器，例如由圖4帶內(nèi)封頭反應(yīng)器RA和一臺立式軸向氣冷反應(yīng)器RB組合成的反應(yīng)器，RB為內(nèi)有逆流冷管膽管外裝催化劑K反應(yīng)器，原料氣由RB底部進氣1進入反應(yīng)器RB內(nèi)冷管，在管內(nèi)逆流與管外催化劑層換熱升高溫度到230℃左右由管口2出塔進入橫向管反應(yīng)器RA反應(yīng)，反應(yīng)器被管內(nèi)介質(zhì)(如水)移走，出RA反應(yīng)器的氣體由RB的進口3進入RB管外催化劑層K中繼續(xù)反應(yīng)后由出口4出反應(yīng)器，橫向管式反應(yīng)器RA與水平面夾角為25°以利汽水混合。
本發(fā)明比已有技術(shù)有明顯優(yōu)點，一是因觸媒裝在冷管間，故增加了觸媒裝填系數(shù)，達到70％，而德國Lurgi管殼式的甲醇反應(yīng)器催化劑裝在管內(nèi)，裝填系數(shù)只達30％，因此同樣能力的反應(yīng)器體積大為縮小，投資節(jié)省一半，同時可用增加長度、擴大催化劑裝量和能力，尤其適用于大型、超大型年產(chǎn)百萬噸裝置。二是氣體流動一方面由于催化劑裝在管間增加流通截面，另一方面由于催化劑層由Lurgi管殼塔軸向流動改為臥式，經(jīng)催化劑床層通氣截面大幅增加，催化劑床層降低故反應(yīng)器壓力降大幅降低，節(jié)約動力消耗。三是催化劑床中氣體橫向流過換熱管，錯流提高傳熱系數(shù)和效率，減小溫差。四是換熱管數(shù)可按從上到下氣體放出反應(yīng)熱多少而優(yōu)化設(shè)計，克服軸向管殼式反應(yīng)器沿軸向傳熱面不可變的缺點。五是管外裝催化劑成為一體，裝填易均勻。六是采用U形管作換熱管或帶活動內(nèi)封頭，可自由伸縮，結(jié)構(gòu)可靠。七是可采用帶法蘭封頭，將帶內(nèi)封頭的冷管組抽出殼體P外，清理冷管和裝卸催化劑方便。
實施例使用圖6的橫向U形管合成塔進行低壓甲醇合成，塔內(nèi)徑4.6米，長16米，裝NC307或C302銅基甲醇，觸媒裝填量195m3，合成壓力8.9MPa，進塔氣成份H263.73％，CO 10.25％，CO25.87％，H2O 0.06％，N27.81％，CH412.02％，CH3OH 0.28％，進塔氣量1800000Nm3/h，觸媒層熱點溫度260℃，甲醇產(chǎn)量5100噸/日，反應(yīng)熱加熱鍋爐水副產(chǎn)4MPa蒸汽4500噸/日。而用Lurgi管殼式塔在同樣條件和產(chǎn)量下合成塔需直徑4米多3臺，投資增加一倍以上。
以上通過眾多圖例和實施例對本發(fā)明的主題作了充分描述，但不限于這些內(nèi)容，例如還可以用環(huán)管作分流和集流管代替圖中管板和內(nèi)封頭連通傳熱管b，可以用波紋管、螺旋管盤管作為傳熱管。
權(quán)利要求
1.一種橫向管式換熱催化反應(yīng)設(shè)備，主要由帶封頭(E)的殼體(P)，連接換熱管(b)的管板(或環(huán)管)(d)，支承催化劑(K)的多孔支承板(a)和催化劑(K)上的多孔氣體分布器(C)，殼體(P)上的氣體進口(1)和反應(yīng)氣出口(2)，冷卻介質(zhì)進口(3)和出口(4)組成的反應(yīng)器，其特征是催化劑層的換熱管(b)橫向放置，換熱管內(nèi)介質(zhì)橫向流動，氣體(G)由氣體分布器(C)氣孔進換熱管(b)外的催化劑層，由上向下流動進行反應(yīng)，與換熱管內(nèi)橫向流動的介質(zhì)(L)換熱，到支承板(a)氣孔出催化劑層，經(jīng)出氣口(2)出反應(yīng)器。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是連接換熱管(b)的管板(d1)、(d2)與殼體(P)直接連接成為隔開換熱介質(zhì)(L)和反應(yīng)氣(G)的隔板，換熱介質(zhì)的進口(3)和出口(4)分別在二端的封頭(E2)和(E1)上，或者在一端的封頭(E1)和管板(d1)的空間設(shè)置橫隔板(F)，將其分成上下二室(H)、(I)，在封頭(E1)的下室(I)有換熱介質(zhì)(L)進口(3)，上室(H)有出口(4)，換熱介質(zhì)(L)在換熱管(b)內(nèi)由同一方向從一端流向另一端，換熱介質(zhì)(L)由進口(3)進入下室(I)，由橫隔板下室(I)進入換熱管(b)流動，進入另一端封頭(E2)，然后反向由上室(H)連接的換熱管(b)反向流回，經(jīng)上室(H)出口(4)流出。
3.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是換熱管(b)為螺旋形管連通兩端管板(d1)、(d2)，兩封頭(E1)、(E2)與管板(d1)、(d2)連結(jié)，換熱介質(zhì)由封頭(E2)中進口(3)進入經(jīng)管板(d2)、螺旋換熱管(b)，管板(d1)，由封頭(E1)上出口(4)出反應(yīng)器。
4.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是連接換熱管(b)的管板(d1)與殼體(P)和封頭(E1)連結(jié)，連結(jié)(b)的另一端管板(d2)與封頭(E2)內(nèi)的內(nèi)封頭(E3)連結(jié)，(E3)和封頭(E2)上的換熱介質(zhì)(L)進口(3)由彈性軟管(M)或用導管用填料函密封連結(jié)，介質(zhì)(L)由(3)進入經(jīng)(M)到內(nèi)封頭(E3)進入換熱管(b)，橫向流動到另一端封頭(E1)上出口(4)，管板(d2)與殼體(P)可以用擋圈活動密封代替固定焊接，以便管板(d2)和內(nèi)封頭可自由伸縮，或者封頭(E1)與管板(d1)間有橫隔板(F)分隔為上下二室(H)、(I)，封頭(E2)內(nèi)有內(nèi)封頭(E3)連接管板(d2)，由進口(3)進入下室(I)的介質(zhì)(L)經(jīng)下部換熱管(b)流向(E3)，進入(E3)后又經(jīng)連接上室(H)換熱管(b)反向流到上室(H)，由出口(4)流出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是封頭(E1)與管板(d1)間有橫隔板(F)分隔為上下二室(H)、(I)，換熱管(b)為U形管，U形管二端管口分別與上室(I)和下室(H)相通，或者封頭(E1)與管板(d1)間有縱向隔板(F)分隔為左右二室(H)、(I)，U形換熱管二端管口分別與左右(H)、(I)兩室相連通。
6.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是換熱管(b)分成上下多組，每一組管(b)一端各有一個小封頭(En1)、(En2)......，另一端有一個用橫隔板(Fi)分成上下二室的小封頭(Em1)、(Em2)......，上下二室各有連通傳熱介質(zhì)(L)進口管和出口管連到大封頭(E1)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其特征是換熱管(b)分為上下多組U形管，封頭(E1)內(nèi)每組U形管管板(di)與帶有橫隔板(Fi)的內(nèi)封頭(E3)，橫隔板(Fi)上下二室(Hi)、(Ii)連通U形管二端，或者隔板(Fi)直接與封頭(E1)連接分隔成(Hi)(Ii)多室。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其特征是管板(d1)與封頭(E1)間為有傳熱介質(zhì)(L)進口(3)的分布室(I)，管板(d1)內(nèi)側(cè)有管板(d2)，管板的(d1)、(d2)間為連結(jié)出口(4)的集流室(H)，換熱管(b)為U形管，各U形管一端與管板(d1)相連接，U形管另一端與管板(d2)連接，或者換熱管(b)為雙套管，內(nèi)管(bi)與管板(d1)連接，連通封頭(E1)中介質(zhì)進口(3)，外管(b0)與管板(d2)連接，連通兩管板(d1)、(d2)間介質(zhì)出口(4)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5、7、8、9的反應(yīng)器其特征是兩組U形管和管板反向?qū)ΨQ組合構(gòu)成橫向管換熱反應(yīng)器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的反應(yīng)器，其特征是各換熱管(b)與水平面夾角θ＜45°，最佳為7～30°，當夾角θ≠0時，傳熱介質(zhì)出口管(4)一端位置高于進口管(3)一端，或者橫向管式換熱反應(yīng)器RA與氣冷反應(yīng)器RB串聯(lián)組合。
全文摘要
一種橫向管式換熱催化反應(yīng)設(shè)備，主要由帶封頭E的殼體P，連接換熱管b的管板d，支承催化劑K的多孔支承板a和催化劑K上的多孔氣體分布器C，殼體P上的氣體進口1和反應(yīng)氣出口2，冷卻介質(zhì)L進口3和出口4組成。催化劑層的換熱管b橫向放置，換熱管內(nèi)介質(zhì)橫向流動，氣體G由氣體分布器C氣孔進換熱管b外的催化劑層，由上向下流動進行反應(yīng)，與換熱管內(nèi)橫向流動的介質(zhì)L換熱，是一種催化劑層溫差小、觸媒活性高、觸媒裝填系數(shù)大，床層阻力小，結(jié)構(gòu)簡單可靠、操作性能好的反應(yīng)器。
文檔編號B01J8/02GK1788835SQ20041010310
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月14日
發(fā)明者樓壽林, 樓韌 申請人:杭州林達化工技術(shù)工程有限公司