专利名称：节能冷管型甲醇合成反应器的制作方法
技术领域：
本发明是一种有效利用反应热的甲醇和氨合成生产装置尤其是甲醇合成装置，属于化学反应工程领域。
在由含氢、一氧化碳、二氧化碳原料气合成甲醇工业过程中放出大量反应热可以利用，对这些反应热利用的现有方法一类如西德Lurgi公司用于低压法的管壳式甲醇塔(见Emil Supp HydrocarbonPrcocessing March1981)，其结构象一台有固定管板的列管式换热器，管内填装铜基甲醇触媒进行甲醇合成，管间为沸腾水吸收管内反应热以产生蒸气形式回收热量，该塔热量回收好，但触媒装填系数小，投资大，且对材料和制造要求高；二是英国ICI用于低压法的冷激式甲醇塔(见房鼎业等的《甲醇生产技术及进展》华东化工学院出版社1990年P214)，反应后的高温气经与入塔原料气换热，再去水冷器，且触媒层温差大。而国内现有大量中压法和高压法甲醇合成塔尚无反应热回收。
因为在目前甲醇合成工业中，由于铜基甲醇催化剂活性高于过去所用的锌基催化剂而被广泛使用，但铜基催化剂耐热性差，使用温度低，温度范围多为200～280℃，最高在300℃左右，这就要求甲醇反应器的触媒层温差小，一般要求全床层保持在240～280℃。在冷激式甲醇塔中，要求先把进料气加热到上述触媒活性温度下限以上，再进触媒层绝热反应，而出口反应气又不能超过触媒容许温度上限。触媒层温差小，则可避免触媒过热，延长触媒使用寿命，故此需要用出口反应气先与进料气换热将其加热到触媒活性温度，而反应气经换热后温度仅有100℃左右，故难以再回收热量。用冷管式甲醇反应器则进料气在气体换热器中不必加热到触媒活性温度，只要加热到100℃左右，然后去反应器冷管中吸收反应热温度升高到触媒活性温度，由于气体在触媒层反应中被冷管连续移热，故有利于缩小触媒层温差。同时在270℃左右的出口反应气可经反应热回收器先回收热量降温到200℃以下再去气体换热器加热进料气。另外甲醇合成反应热大，对于目前用气体在反应器中间接冷却的甲醇塔，随着反应气中甲醇含量的增加进出反应器气体的温差也增大，因此将反应气先回收热量再加热原料气就更合理。
本发明的任务是根据甲醇合成的特点，克服现有技术的缺点，提供一种触媒层温度分布平坦，甲醇合成效率高，热量回收好，节能降耗结构简单可靠的甲醇合成反应装置。
一种节能冷管型甲醇合成反应器，主要有触媒筐R，进出料气体换热器E1，反应热回收器E2等组成，其特征是经气体换热器E1加热后的进料气在触媒筐R的冷管中加热到触媒活性温度再到触媒层K中反应，高温反应气通过热气通道6先到反应热回收器E2回收热量后再在进出料气体换热器E1中加热去触媒筐的进料气。
这一节能冷管型反应器由于反应热回收器E2位于进出料换热器E1之前，故又可称为前置式回收反应热的甲醇合成反应器。
下面结合附图作具体说明，附
图1为本发明中之一种，该反应器由受压外筒P和触媒筐R及换热器E1组成。触媒筐中有支承在花板6上的甲醇触媒K和冷管胆Cb，冷管胆由引气管a、上环管c、下环管d和位于不同圈径上成同心园周上分布的多层上行冷管b2和下行冷管b1组成。在图1中不同圈径上排列有外中内三层冷管，各层都有下冷管b1和上冷管b2。冷管可以是园管，也可为扁平管。由氢、一氧化碳、二氧化碳等组成的冷原料气由外筒P上部进口1进塔，经外筒P内和触媒筐R之间环隙由下部进换热器E1管间被管13内热气加热到低于触媒活性温度，然后经顶板7和上板8间由外向中心流动并与来自调节温度的冷付线12的气体汇合后向上经中心管2到上部集气室3，然后改变方向到盖板4上通过填料盒活动装配的冷管胆Cb中，在冷管胆Cb中，气体由集气室3经引气管a、上环管C均匀分配到各排下行冷管b1中，气体吸收管外触媒层K中反应热，再经下环管d分配到各上行冷管b2被加热到触媒活性温度例如250℃，再出冷管进入触媒层K反应生成甲醇，气体自上而下一边反应放热一边被冷管胆内气体冷却，因此全床层温度均匀平稳，气体到底部温度例如255℃出触媒层K经过连接顶板7和上板8之间的联通短管9经分气盒上室10，中套管内热气通道6出塔去塔外热量回收器E2(见图3)回收热量后再由外套管11回入塔内列管进出料换热器E1管13内加热去触媒筐的进料气。
在图1中只有一个冷管胆，但随着反应器尺寸的增大，冷管型反应器中冷管排数也要增加，否则触媒层温差增加，达不到均温目的使触媒易过热失活，这样单用一个上环管和一个下环管来连结很多层冷管时会使环管和冷管之间的连结加工及检修增加困难。图2为另一节能冷管型的前置式热量回收反应器，同样由受压外筒P和触媒筐R及换热器E1组成，其触媒筐与图1不同的是，冷管胆由内外二个大小不同的冷管胆Cb1、Cb2组成，外冷管胆Cb1有外、中、内三层冷管，内冷管胆有外、内二层冷管，二个冷管胆成共轴心套装，每个冷管胆都由引气管a、上环管c、下环管d和上冷管b2、下冷管b1组成。从换热器E1来之进料气经中心管2、集气室3进入装在盖板4的冷管胆Cb1、Cb2加热后进入触媒层K反应，然后经多孔花板5到气体换热器E1。另外不同的是换热器E1为螺旋板换热器，出触媒筐R的高温反应气经内管21和中套管22之间的环形热气通道6去反应热回收器E2(见图3)回收热量后再经通道23进入螺旋板换热器热气通道加热进料气，然后由通道24出塔。在冷气通道被加热后的进料气通过连接外套管22和内管21之间一个或数个连通管20，由套管外进入内管21中再去触媒筐R反应。上述冷管层数和冷管胆数随反应器直径的增加而增加，相邻二层冷管中心间距为30～120mm。上述图1和图2中，进出料气体换热器E1均在甲醇塔外筒内，图3则将此进出料换热器E1设在塔外，在外筒P中只有触媒筐R，进料冷气从上部进气口1进塔后经内外筒环形空间以使外筒P保持低温，然后由下部出塔经管L1、L2经换热器E1与热气换热升高温度后与来自调节反应温度的冷付线L3的气体混合再进塔经中心管2到反应器R中上部集气室3到装在板4上的冷管胆Cb加热后到触媒层K反应，反应气由触媒筐R底部多孔花板5经热气通道6出塔经管L4，L5去反应热回收器E2回收热量后经管L7去气体气换热器E1加热进料气后由管L9去换热器E1，图中有近路L6可供开车时出塔气不经E2直接到换热器E1加热进料气。图中近路L8为不经换热器E1而到E3可进一步回收热量，如用于加热锅炉才。如不回收热量则为水冷器。图4是一种用于低压法前置式反应热回收甲醇反应器示意图，反应气为轴径向流动，该反应器不另设外筒，筒体30的顶部和底部分别有进气口31和热气出口6，触媒卸出口33，触媒筐R的隔板34上通过填料盒35装有冷管胆，冷管胆和填料盒间用填料36密封。冷管胆结构如前述，由引气管a和上下环管C、d和上下冷管b2、b1构成。冷管胆可由一个或多个成相同园心的多个冷管胆组成。图4中为内外二个冷管胆，内冷管胆Cb2由外、中、内三层冷管，外冷管胆Cb1有内、外二层，每层合理布置下行冷管和上行冷管使全床层温度均匀。图4中设有外分布筒38和内分布筒39，该外分布筒38和内分布筒39上都开有气孔，外分布筒38延伸到触媒床层K的上方空间，内分布筒39顶部在触媒还原后仍处在触媒床层K中，出上冷管b2的原料气一部分在触媒床层K的顶部作轴向流动并起密封作用，而原料气大部分在触媒床层K的中下部作径向流动，按图示原料气径向流动方向由外分布筒38到内分布筒39。图4中还有进出料换热器E1和反应热回收器E2，由管L1来的进料气经E1与高温反应气换热后提高温度经管L2由反应器R顶部进口31入反应器，L3为调节入塔温度冷付线，原料气进入反应器隔板34上部的分气室37分配到装在填料盒中的冷管胆中，气体在冷管胆中吸收管外反应热温度升高到触媒活性温度后经由各上行冷管b2出口进入触媒层k中一边反应生成甲醇一边被管内气体冷却，从而达到触媒层温度均匀平稳、温差小。气体到底部由出口6，管L4，L5到反应热回收器E2加热锅炉软水产生蒸汽，而高温反应气经回收热量后由管L7进气体换热器E1加热去甲醇塔的原料气，然后出E1由管L9去水冷器进一步冷却到30℃左右以便分离甲醇。图中管L6，L8等为调节温度的近路。对于中、高压法另设有外筒的甲醇塔，触媒床层K中原料气作轴径向流动时，同样在图4的触媒筐R中设内分布筒和外分布筒，内分布筒可为中心管的同心套管，同样触媒层K顶部要保持足够高度轴向层并作气封用，所不同的是花板5不能再开孔，变成密封底，反应气经内分布筒和中心管之间环隙流动由热气通道6至换热器E1与冷原料气换热。该轴径向甲醇塔除上述优点外还具有塔阻力小的突出优点。图5为用于低压法的前置式反应热回收的另一种甲醇反应器。其中壳体与盖板、冷管胆Cb等与图4相同，不同的是没有外分布筒38和内分布筒39，气体进反应器R经冷管胆Cb1、Cb2吸收反应热后出冷管，然后在触媒层K中成轴向自上而下流动，一边反应放热一边被冷管胆内气体冷却达到触媒层温差小、温度均匀平稳。其进出塔换热器E1和反应热回收器E2及管线与图4相似不再画出。
采用本发明由于直接用出触媒层高温反应气(一般高于250℃)先回收反应热，故可付产蒸汽。目前我国一些氨合成塔带有中置锅炉付产蒸汽，即将氨合成反应气在中置锅炉前后分二次与合成进料气换热，若将这类氨合成塔改成甲醇合成塔，则用本发明可改成前置式付产蒸汽甲醇合成反应器，原有设备得到充分利用，既能发挥生产能力，又能同时付产蒸汽，达到节能降耗的目的。前置式付产蒸汽甲醇合成反应器可采用各类冷管型，例如单管并流，逆流双套管，三套管等间接冷却的甲醇合成反应器。采用本发明中共轴心套装组成的多个冷管胆介决了大塔径冷管型甲醇塔均匀布置冷管实现全床触媒层缩小温本发明这种新型冷管型甲醇反应器就可不设热量回收器，这时图1和图2中反应器下部的气体换热器E1可采用普通的列管式或螺旋板式换热器，即反应气在进出料换热器换热后再出塔。本发明也可用于氨合成生产，这时即为氨合成反应器，由主要为氢和氮气的原料气合成氨。采用共轴心套装的多个冷管胆同样可达到大塔径冷管型氨合成反应器全床层温度均匀的目的。前置式付产蒸汽氨合成塔的结构特征与前述各图相同则可与比中置式氨合成塔获得更高压力的蒸汽。
实施例1高压法甲醇生产甲醇塔外筒内径Ф1000mm，内部空程高16M，甲醇塔内件结构见图1，触媒筐中装铜基C301触媒6Ma，冷管面积130M2，换热器面积320M2，在操作压力26.0MPa下进塔气成份为H252.24％、CO10.41％、CO22.38％。CH3OH0.17％、N2＋CH4＝34.69％，进塔气量12×104NM3/h，进甲醇塔后在下部换热器中由40℃加热到124℃，进入触媒筐R的冷管胆内加热到260℃，再进触媒层合成甲醇在273℃下经热气通道6出塔在前置锅炉回收热量后被冷却到160℃，再回甲醇塔内换热器E1加热入塔原料气后降温到65℃气体二次出塔去水冷器冷到30℃后分离甲醇，锅炉水在温度90℃进入前置锅炉吸收甲醇反应气热量，在150℃产生压力0.48Mpa蒸气。出塔气成份为H245.19％、CO5.64％、CO22.12％、CH3OH6.96％、H2O0.71％、N2＋CH4＝39.39％，甲醇产量10.3吨/时。
实施例2中压法甲醇生产甲醇塔外筒内径Ф1600，内部空程高14M，甲醇塔内件结构见图3，触媒筐中装铜基C207触媒14M3，冷管面积330M2，换热器面积1220M2，在操作压力15.0MPa下进塔气成份为H278.05％、CO9.56％、CO23.11％。CH3OH0.20％、N2＋CH4＝9.02％，进塔气量26×104NM3/h，进甲醇塔后在外筒和触媒筐R间环隙气体由上而下流动温度由20℃升到30℃出塔后在进出料气体换热器E1中由30℃加热到97℃，再进入触媒筐R的冷管内加热到260℃，再进触媒层合成甲醇在276℃下经热气通道6出塔经管L4、L5在前置锅炉E2回收热量后被冷却到150℃，再经管L7去气体换热器E1加热入塔原料气后降温到78℃，气体由管L9去水冷器E3冷到30℃后分离甲醇，由管L8来之锅炉水在温度90℃进入前置锅炉吸收甲醇反应气热量，在140℃产生压力0.36MPa蒸气。出塔气成份为H272.94％、CO4.82％、CO21.96％、CH3OH8.12％、H2O1.72％、N2＋CH4＝10.44％，甲醇产量25.3吨/时。
实施例3低压法甲醇生产甲醇塔筒体内径Ф2000，内部空程高9M，甲醇反应器见图4，触媒筐中装铜基C302触媒19M3，冷管面积430M2，换热器面积1520M2，在操作压力5.0Mpa下进塔气成份为H275.97％、CO13.46％、CO22.61％。CH3OH0.39％、N2＋CH4＝7.5％，进塔气量20×104NM3/h，进料气由图4中管L1到换热器E1由30℃加热到142℃，由管L2进入触媒筐R的冷管内加热到260℃，再进触媒层合成甲醇在270℃下经热气通道6出塔经管L4、L5到前置锅炉E2回收热量后被冷却到170℃，再经管L7到气体E1换热器加热入塔原料气后降温到53℃气体去水冷器冷却到30℃后分离甲醇，锅炉水在温度90℃进入前置锅炉吸收甲醇反应气热量，在160℃产生压力0.6MPa蒸气。出塔气成份为H272.02％、CO10.86％、CO21.54％、CH3OH5.84％、H2O1.43％、N2＋CH4＝8.30％，甲醇产量14吨/时。
权利要求
1.一种节能冷管型甲醇合成反应器，主要由触媒筐R，进出料气体换热器E1，反应热回收器E2等组成，其特征是经气体换热器E1加热后的进料气在触媒筐R的冷管中被加热到触媒反应活性温度再到触媒层K中反应，高温反应气通过热气通道先到反应热回收器E2回收热量后再在气体换热器E1中加热去触媒筐的进料气。
2.根据权利要求1所述的甲醇合成反应器其特征是外有高压外筒P的甲醇合成反应器内，进出料换热器E1是列管式，出触媒筐R的高温反应气经过连接顶板7和上板8之间的一个或数个联通短管9经分气盒上室10再经中套管内热气通道6出塔去塔外反应热回收器E2回收热量后再由外套管内通道11回入塔内列管进出料换热器E1管13内加热去触媒筐的进料气，加热后的进料气经顶板7和上板8之间与冷付线管12来的冷气混合去上部触媒筐R。
3.根据权利要求1所述的甲醇合成反应器其特征是外有高压外筒P的甲醇合成反应器内进出料换热器是螺旋板式，出触媒筐R的高温反应气体经换热器E1内管21和中套管22之间的环形热气通道6去反应热回收器E2回收热量后再经外管内通道23进入螺旋板换热器E1加热进料气，由通道24出塔，在冷气通道加热后的进料气通过连接外套管22和内管21之间一个或数个连通管20，由套管外进入内管21中再去触媒筐R反应。
4.根据权利要求1所述的甲醇合成反应器其特征是触媒筐R中有一个或成同轴心套装的数个冷管胆Cb1、Cb2…...Cbn，每个冷管胆由引气管a，上下环形管c，d和由一排或位于不同圈径的多排上行冷管b2和下行冷管b1组成，低于触媒活性的进料气在冷胆管吸收管外触媒层K中的反应热，温度升到触媒活性温度再进触媒层K反应。
5.根据权利要求4所述的甲醇合成反应器其特征是触媒筐R的冷管胆中各相邻二层冷管间中心距为30～120mm。
6.根据权利要求1所述的甲醇合成反应器其特征是进料气经甲醇合成塔的外筒P和触媒筐R之间的环隙出塔在塔外进出料换热器E1中与反应气换热后再进入塔内触媒筐R反应，出R的反应气先在塔外热量回收器E2回收热量，然后再去换热器E1加热进料气。
7.根据权利要求1所述的甲醇合成反应器其特征由触媒筐热气通道出口到反应器回收器的反应温度是210～310℃。
8.根据权利要求1所述的甲醇合成反应器其特征是触媒层K装在筒壁开有通气孔的外分布筒38和内分布筒39之间，气体在触媒层中作轴径向流动。
9.根据权利要求6所述甲醇合成反应器其特征是由热回收器E2出口的反应气可经近路管L8不经换热器E1直接到热量回收器E3或去水冷器。
10.根据权利要求1所述甲醇合成反应器其特征是在低压下甲醇合成塔筒壁与触媒筐为一体，不另设承压外筒。
全文摘要
一种节能冷管型甲醇合成反应器。主要由触媒筐、进出料气体换热器、反应热回收器所组成。进料气在气体换热器中加热后再在触媒筐新型冷管胆中加热到触媒活性温度，然后进入触媒层反应。出触媒筐高温反应气先经反应热回收器回收反应热产生蒸汽，再去气体换热器加热进料气。具有触媒层温差小，温度均匀平稳，甲醇合成效率高，热量回收好，节能降耗，降低成本的优点。也可用于如氨合成等其它强放热气固相催化反应。
文档编号C07C29/00GK1129205SQ9510174
公开日1996年8月21日 申请日期1995年2月15日 优先权日1995年2月15日
发明者楼寿林 申请人:楼寿林