專利名稱：垂直等溫管殼式反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種垂直等溫管殼式反應(yīng)器，用于進(jìn)行如甲醇合成的催化化學(xué)反應(yīng)。
背景技術(shù)：
等溫或者非等溫化學(xué)反應(yīng)器是安裝有內(nèi)部熱交換器的反應(yīng)器，所述內(nèi)部熱交換器通常嵌入催化劑架中，用以保持化學(xué)反應(yīng)的溫度在最佳范圍之內(nèi)。一個(gè)常見的例子為甲醇合成，其中，所述熱交換器利用合適的冷卻液，如將沸水轉(zhuǎn)換成水蒸汽來去除放熱合成反應(yīng)的熱量。如果該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所述熱交換器被供應(yīng)加熱介質(zhì)，提供所需熱量以維持自身的反應(yīng)。安裝有內(nèi)部管式熱交換器的等溫反應(yīng)器簡(jiǎn)稱管式反應(yīng)器。在第一個(gè)已知的結(jié)構(gòu)中，管式反應(yīng)器基本上是包括固定的管束的殼體，催化劑容納在管內(nèi)。然而，這種結(jié)構(gòu)的每單元的最大產(chǎn)量是有限的。例如參照甲醇合成，這種類型的已知反應(yīng)器通常每單元只能供給不超過2000mtd (每天公噸)的甲醇，而市場(chǎng)需求產(chǎn)量為 5000mtd或更多的較大設(shè)備。平行安裝過多的單元是非常昂貴的，因此，優(yōu)選地是實(shí)現(xiàn)一個(gè)單獨(dú)的、較大的單元。此外，比起產(chǎn)出量，這種反應(yīng)器相對(duì)較大。另一種結(jié)構(gòu)具有分布在管外的催化劑。在已知技術(shù)中，這種反應(yīng)器包含軸流式和徑向外流式單元。軸流式反應(yīng)器在最大容量方面也有限制，因?yàn)橥ㄟ^所述反應(yīng)器的最大流量基本取決于橫截面和流速。反應(yīng)物的速度不可能增加到超過一定值，否則壓力損失將會(huì)太大；加大橫截面，例如，制造大的殼體，意味著制造更昂貴的反應(yīng)器。另一方面，已知徑向外流式反應(yīng)器具有較差的熱交換性能，并且使得一般較難排放和再注入所述催化劑?；谒鲈?，現(xiàn)有技術(shù)中的等溫管式反應(yīng)器仍需要改進(jìn)以達(dá)到高生產(chǎn)率、高效率、低成本和容易排放/再注入所述催化劑這些需求之間的最佳平衡。EP-A-1900424公開了一種等溫反應(yīng)器，包括基本圓柱形的外殼、催化劑載體、相對(duì)的穿孔透氣壁和熱交換器單元，所述相對(duì)的穿孔透氣壁用作反應(yīng)物/產(chǎn)物的入口和出口，所述熱交換器單元浸于所述催化床。所述催化床被所述相對(duì)的穿孔壁橫向限定，并且熱交換器安置在基本平行于橫越所述催化床本身的氣流的方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是要克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點(diǎn)。尤其是，本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)一個(gè)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)適用于簡(jiǎn)單的和低成本的管式反應(yīng)器，該管式反應(yīng)器相比反應(yīng)器尺寸能夠處理大的流量。所述問題通過用于化學(xué)反應(yīng)的等溫垂直反應(yīng)器解決，該等溫垂直反應(yīng)器包括殼體，具有縱向軸線；至少一個(gè)氣體入口和產(chǎn)物出口，所述氣體入口用于供給新鮮氣體；平行于所述軸線的至少一個(gè)第一透氣壁和平行于所述軸線的第二透氣壁，使得在所述第一透氣壁與所述反應(yīng)器的所述殼體之間界定氣體分配腔室，并且在所述第二透氣壁與所述殼體之間界定連通于所述產(chǎn)物出口的產(chǎn)物收集器；催化床，容納在殼體內(nèi)，所述分配腔室和收集腔室的所述透氣壁面向所述催化床；和熱交換器，嵌入于所述催化床中，所述反應(yīng)器的特征在于所述熱交換器包含一束U型管，各所述U型管具有由U型部分連接的兩個(gè)直線部分，因此形成了所述管束的U型端部分；所述氣體入口設(shè)置成用于將所述新鮮供給氣體直接引入位于所述反應(yīng)器的上腔室中以及所述催化床之上；所述催化床和所述入口氣體分配腔室連通于所述反應(yīng)器的所述上腔室，因此在所述反應(yīng)器的操作中，所述新鮮供給氣體的第一部分可以直接進(jìn)入所述催化床并穿過所述管束的所述U型端，所述新鮮供給氣體的第二部分可以進(jìn)入所述入口氣體分配腔室，所述第一部分以混合的軸向-橫向流方式流入所述催化床并且流向所述收集腔室，所述第二部分以大體橫向流方式從所述氣體分配腔室流入所述催化床并流向所述氣體收集腔室。優(yōu)選地，所述入口氣體分配腔室具有上入口，該上入口在所述反應(yīng)器的所述上腔室中是敞開的，并且位于所述催化劑的最高位之上。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述反應(yīng)器具有被兩個(gè)相對(duì)的、平行的透氣壁界定的一個(gè)分配腔室和一個(gè)收集腔室。所述透氣壁可以被穿孔、鉆槽或者設(shè)置等同物，以使得反應(yīng)物/產(chǎn)物通過。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述新鮮供給氣體的所述氣體入口包括至少一個(gè)入口分配器噴嘴。優(yōu)選地，所述噴嘴安裝在所述反應(yīng)器的頂蓋上，更優(yōu)選地，所述噴嘴與所述反應(yīng)器的所述主縱軸線對(duì)齊。所述噴嘴可以有單個(gè)開口或者多個(gè)朝前的和/或者朝向側(cè)面的開口，用于給所述反應(yīng)器的所述上腔室分配所述新鮮供給氣體。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述反應(yīng)器設(shè)置成使得所述新鮮供給氣體中進(jìn)入所述氣體分配腔室的第二部分大于通過所述管束直接進(jìn)入所述催化床的第一部分。所述第一部分與第二部分的比例根據(jù)反應(yīng)類型和所述反應(yīng)器的大小可以變化；所述比例優(yōu)選在 24% -45%的范圍之內(nèi)。所述熱交換器的所述管優(yōu)選固定到所述反應(yīng)器底部的管片或者歧管上。在所述管束上部的U型部分優(yōu)選為半圓形。循環(huán)于所述管內(nèi)部的加熱或者冷卻流體可以是任何合適的流體；在一些實(shí)施方式中所述流體為水。在特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述反應(yīng)器具有頂蓋，其為供給有所述新鮮供給空氣的所述上腔室劃界，并且包括與所述主縱軸線對(duì)齊的軸向氣體入口分配器和檢修孔。在所述殼體的底部，具有至少一個(gè)產(chǎn)物出口和一個(gè)或者優(yōu)選多個(gè)催化劑排出口，所述產(chǎn)物出口連通于所述產(chǎn)物收集腔室，所述催化劑排出口排放廢棄的催化劑。本發(fā)明的優(yōu)選應(yīng)用是用于甲醇合成的反應(yīng)器(甲醇合成塔)。特別優(yōu)選的應(yīng)用是甲醇合成塔，其中，反應(yīng)的熱量用于產(chǎn)生蒸汽，例如，所述管式熱交換器被供應(yīng)沸騰給水 (BFff)和蒸汽或者在所述管的所述出口收集水/蒸汽混合物。根據(jù)本發(fā)明的所述反應(yīng)器具有如下優(yōu)點(diǎn)。由于混合軸向-橫向流，所述氣流在穿過所述催化床時(shí)遭遇低壓降。因此，相比所述殼體的大小和直徑，所述反應(yīng)器能接收較大的流量。應(yīng)該指出，所述反應(yīng)器的成本與直徑密切相關(guān)。本發(fā)明允許充分利用可用的的催化劑，因?yàn)樗鲂迈r供給氣體是通過所述分配腔室的透氣壁和所述催化床敞開的上部均勻地分配入所述催化床中，在所述熱交換器的所述殼體側(cè)，允許處理所述反應(yīng)物/產(chǎn)物的具有低壓降的較大的流量。
所述反應(yīng)器的主要部件相對(duì)簡(jiǎn)單，僅有所述殼體、所述管束、一個(gè)管片或管歧管和所述內(nèi)部透氣壁。這有助于減少成本。另一優(yōu)點(diǎn)是容易進(jìn)入所述催化床進(jìn)行維修。能夠從所述反應(yīng)器的頂部輕松進(jìn)入通向所述反應(yīng)器的所述上腔室的所述催化床，而所述催化劑可以從底部的排出口排放。本發(fā)明提供了頂部敞開式料桶結(jié)構(gòu)，替換舊的(廢棄的)催化劑的操作變得更簡(jiǎn)單，更快速。為示例和非限制性目的，通過下文參照附圖的描述，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將更清林疋。


圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的反應(yīng)器的縱截面示意圖；圖2是圖1的反應(yīng)器的橫截面示意具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，用于化學(xué)反應(yīng)的垂直反應(yīng)器1，如甲醇合成塔，包括具有縱軸線A-A的殼體2，殼體2被頂蓋3和底蓋4所覆蓋。管式熱交換器5包含于所述反應(yīng)器1內(nèi)，并且嵌入于催化床中。所述熱交換器5 是管式熱交換器，具有固定至底部管片7的多個(gè)U型管。在備選的實(shí)施方式中，所述管可以連接到歧管。如固體顆粒形狀的所述催化劑，填充從所述管片7直至最高位6之間的反應(yīng)空間。 在操作中，所述催化劑將固化和/或收縮以使催化床降低到較低位6'。在操作中，等溫反應(yīng)的可用空間被包括在所述底片7與所述催化床的最高位6 ‘之間。在反應(yīng)空間內(nèi)，反應(yīng)物和產(chǎn)物保持在大體等溫的條件下。所述頂蓋3安裝有入口噴嘴14，用于供給反應(yīng)物的新鮮供給空氣F?；瘜W(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物P被傳送到位于所述殼體2底部區(qū)域的出口 15。所述熱交換器5適于通過補(bǔ)償由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量或吸收的熱量，將所述催化床的溫度維持在預(yù)定的范圍內(nèi)。為了這個(gè)目的，向所述交換器5的管側(cè)供給合適的熱交換流體，使得在所述底蓋4上的入口 8進(jìn)入并在相同的蓋4上的出口 9流出。熱交換流體分配腔室10和收集腔室11由分隔壁12劃界。所述熱交換器5的各U型管具有由U型轉(zhuǎn)彎連接的兩個(gè)直線部分。所述管中的一個(gè)如圖1中13所示，具有直線部分13a，固定到所述管片7，并且連通于所述流體分配腔室 10 ；U型部分13b ；和另一個(gè)直線部分13c，固定到所述管片7，并且連通于所述流體收集腔室11。所述U型部分1 連接所述直線部分13a和13b。因此，所述交換器5的整個(gè)管束具有由所述管的所述U型部分形成的U型頂端部分恥。所述反應(yīng)器1還包括透氣性穿孔壁16和相對(duì)的透氣性穿孔壁18，所述透氣性穿孔壁16平行于所述軸線A-A并且界定側(cè)面的氣體分配腔室17，所述透氣性穿孔壁18界定側(cè)面的產(chǎn)物收集腔室19.所述產(chǎn)物出口 15連通于所述收集腔室19。所述分配腔室17被界定于所述殼體2和所述穿孔壁16之間，所述產(chǎn)物收集腔室 19被界定于所述殼體2和所述穿孔壁18之間。所述催化床容納于所述穿孔壁之間，使得所述穿孔壁面向所述催化床，從而面向所述反應(yīng)器1內(nèi)的反應(yīng)空間。
優(yōu)選地，如圖所示，所述透氣壁是平行的且相對(duì)的，但是備選實(shí)施方式，如，具有多個(gè)透氣壁且對(duì)應(yīng)的分配和收集腔室的實(shí)施方式是可能的。在所給的例子中，所述分配腔室 17和收集腔室19的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)圖2的截面圖進(jìn)一步了解。所述分配腔室17具有上入口 20，上入口 20位于所述催化劑的最高位6之上，并在所述反應(yīng)器1的上腔室21中敞開。所述上腔室21位于所述催化床之上并且大體由頂蓋3 劃界。所述催化床直接連通于所述反應(yīng)器的所述上腔室21。在所述頂蓋3上還提供了檢修孔22。在所述殼體2上提供一個(gè)或者多個(gè)催化劑排出口 23。合適的支撐件M被固定到所述殼體2上，用于垂直安裝。在操作中，所述檢修孔22和所述催化劑排出口 23被固定法蘭所封閉。其它的特征如壓力計(jì)，熱電偶等依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)置所述噴嘴14和所述分配腔室17，使得所述新鮮供給氣體F的第一部分Fl直接進(jìn)入所述催化床，以圖1中箭頭所指示的軸向-橫向流，從所述反應(yīng)器的上腔室21，通過所述熱交換器5的所述U型頂端部分恥，流入所述催化床，然后流向所述穿孔壁18和收集腔室19。所述新鮮供給氣體F的第二部分F2，進(jìn)入所述分配器17的所述入口 20，然后以大體橫向(水平的)流方式，流經(jīng)所述穿孔壁16和所述催化床，到達(dá)所述收集腔室19。優(yōu)選地，所述第二部分F2大于所述第一部分Fl。應(yīng)該指出，通過所述分配器17供給所述新鮮供給氣體F的一部分，允許充分利用可用的催化劑，也即遠(yuǎn)離所述噴嘴14的較低部分。這有助于維持整個(gè)所述催化床的均勻的等溫反應(yīng)，并且最大化反應(yīng)器1的產(chǎn)量。另一方面，為催化床直接供給至少一部分新鮮氣體是考慮到頂部完全敞開的料桶，使得容易裝載催化劑。所述反應(yīng)器1的操作如下所示。所述新鮮供給氣體F通過所述噴嘴14進(jìn)入所述反應(yīng)器1的上腔室21。所述新鮮供給氣體F的一部分，對(duì)應(yīng)于流線F1，以軸向-橫向流方式， 直接穿過所述上腔室21進(jìn)入頂部敞開的催化床，流經(jīng)所述管束，然后通過所述收集腔室19 的所述穿孔壁18。剩余部分F2通過所述入口 20引入所述分配腔室17，從而以大體橫向流方式流入所述催化床。產(chǎn)物收集在收集腔室19中并從出口 15排出。一個(gè)優(yōu)選的但不是排他性的應(yīng)用為甲醇合成。在這種情況下，所述新鮮供給氣體F 是適合的補(bǔ)充合成氣體，所述熱交換器5有責(zé)任去除甲醇合成的放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。優(yōu)選地，所述熱交換流體是進(jìn)入所述法蘭8并且至少部分地在所述管內(nèi)蒸發(fā)的沸水，因此出口 9輸送蒸汽或水/蒸汽的混合流。
權(quán)利要求
1.一種用于化學(xué)反應(yīng)的等溫垂直反應(yīng)器(1)，包括殼體O)，所述殼體具有縱軸線(A-A)；至少一個(gè)氣體入口(14)和一個(gè)產(chǎn)物出口(15)，所述氣體入口用于供給新鮮氣體(F)；至少一個(gè)第一透氣壁(16)和第二透氣壁(18)，所述第一透氣壁平行于所述軸線，所述第二透氣壁平行于所述縱軸線(A-A)，使得在所述第一透氣壁和所述反應(yīng)器的所述殼體之間限定分配腔室(17)，并且在所述第二透氣壁與所述殼體之間限定與所述產(chǎn)物出口(15) 連通的產(chǎn)物收集腔室(19)；催化床，所述催化床容納于所述殼體內(nèi)，所述分配腔室和所述收集腔室的所述透氣壁面向所述催化床；熱交換器(5)，所述熱交換器嵌入于所述催化床中，所述反應(yīng)器的特征在于所述熱交換器( 包括U型管的束(13)，每個(gè)U型管具有由U型部分(13b)連接的兩個(gè)直線部分(13a，13c)，因此形成了所述管束的U型端部分(5b)；所述氣體入口(14)設(shè)置成用于將供給的所述新鮮氣體引入所述反應(yīng)器的上腔室中、所述催化床上方；所述催化床和所述分配腔室(17)與所述反應(yīng)器的所述上腔室連通，使得在所述反應(yīng)器的操作期間，供給的新鮮氣體(F)的第一部分(Fl)能夠直接進(jìn)入所述催化床并穿過所述管束的所述U型部分( )，并且供給的新鮮氣體的第二部分(F》能夠進(jìn)入所述入口氣體分配腔室(17)，所述第一部分以混合的軸向-橫向流方式流入所述催化床并且流向所述產(chǎn)物收集腔室(19)，所述第二部分以大致橫向流方式從所述氣體分配腔室(17)流入所述催化床并流向所述收集腔室(19)。
2.如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其中所述分配腔室(17)具有上入口(20)，所述上入口位于所述反應(yīng)器的所述上腔室中并且位于所述催化床的催化劑的最高位(6)上方。
3.如權(quán)利要求1或2所述的反應(yīng)器，其中所述反應(yīng)器具有被兩個(gè)相對(duì)的、平行透氣壁 (16，18)限定的一個(gè)分配腔室和一個(gè)產(chǎn)物收集腔室。
4.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的反應(yīng)器，其中所述氣體入口包括至少一個(gè)分配器噴嘴 (14)。
5.如權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其中所述噴嘴設(shè)置在所述反應(yīng)器⑴的頂蓋(3)上，并且與所述主縱軸線(A-A)對(duì)齊。
6.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的反應(yīng)器，其中所述殼體(2)包括至少一個(gè)催化劑排出口 03)。
7.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的反應(yīng)器，其特征在于，在所述反應(yīng)器的操作期間，供給的所述新鮮氣體的所述第二部分(^)大于供給的所述新鮮氣體的所述第一部分(Fl)。
8.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的反應(yīng)器用于通過甲醇補(bǔ)充合成氣的轉(zhuǎn)化來合成甲醇的用途。
全文摘要
用于化學(xué)反應(yīng)的等溫垂直反應(yīng)器(1)，包括殼體(2)，具有用于限定入口分配腔室(17)的內(nèi)部透氣壁(16)和用于界定產(chǎn)物收集腔室(19)的內(nèi)部透氣壁(18)；頂部敞開的催化床，位于所述透氣壁之間；管式熱交換器(5)，嵌入上述催化床中，所述管式熱交換器(5)包括一束U型管，其中入口(14)設(shè)置成用于將新鮮供給氣體引入上腔室(21)內(nèi)和所述催化床和所述管束的U型頂端部分上方；所述新鮮供給氣體的一部分(F1)以混合的軸向-橫向流方式穿過所述催化床，并且新鮮供給氣體的另一部分(F2)進(jìn)入所述入口氣體分配腔室(17)，并且以大致橫向流式穿過所述催化床。
文檔編號(hào)B01J8/02GK102497923SQ201080026347
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2010年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月2日
發(fā)明者埃爾曼諾·菲利皮, 恩里科·里奇, 米爾科·塔里齊 申請(qǐng)人:卡薩爾甲醛公司