一种将催化剂装于换热管之间的等温固定床反应器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种将催化剂装于换热管之间的等温固定床反应器，包括承压壳体、安装在承压壳体内的多个换热管和催化剂；所述多个换热管之间存在空隙形成催化剂填充区，并且气体进口、换热管之间的空隙以及气体出口形成气体通道。该等温固定床反应器，将催化剂装填于换热管间，催化剂装填量大；换热管能迅速的移走反应热，整个床层基本达到均温效果，不超温，不易发生副反应。而且本发明可以使反应气在床层内呈轴径向流，能最大限度的利用催化剂，且可使用活性更高的小颗粒催化剂。
【专利说明】一种将催化剂装于换热管之间的等温固定床反应器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种等温固定床反应器，尤其涉及一种将催化剂装于换热管之间的等 温固定床反应器，该等温固定反应器可以是轴径向反应器、纯轴向反应器或纯径向反应器。
【背景技术】
[0002] 随着化工生产的发展，为适应不同的传热要求和传热方式，出现多种固定床反应 器的结构形式，其中尤以利用气态的反应物料，通过由固体催化剂所构成的床层进行反应 的气固相催化反应器在化工生产中应用最为广泛。
[0003] 固定床反应器从反应原理上主要分为绝热式和换热式两大类。
[0004] 绝热式固定床反应器结构简单，应用广泛。但在实际操作中，绝热式反应器不能达 到很高的效率，主要有两方面的限制：①化学平衡的限制；对于放热反应而言，温度越高， 越不利于反应趋于平衡，而降低温度则会降低反应速率；②反应温升使催化剂床层温度远 远超出了催化剂使用范围，会导致催化剂表面的活性组分熔结，比表面积大幅度下降，活性 下降，副反应加剧，甚至造成飞温，损坏设备；所以对于放热型催化反应装置，要达到更深的 反应，通常采用多段带换热式绝热床工艺，流程冗长，换热网络复杂，受全厂能量平衡的牵 制，对于负荷波动及原料气组份变化影响较大，不利于装置长期稳定安全运行。
[0005] 等温型反应器由换热元件及时移走反应热，保持床层基本恒温，其主要优点为：① 等温操作使得实际反应温度曲线接近最大反应速率曲线，大大提高反应速率，使反应趋于 平衡；②等温反应给催化剂提供了温和的运行环境，从而延长了催化剂的寿命；③利用水 循环副产蒸汽带走催化剂床层反应热的方式经过几十年的实践证明是有效的，具有较强的 可控性，通过调节副产蒸汽压力可有效控制催化剂床层温度；④等温反应有效杜绝了催化 剂床层超温现象的发生，同时避免了某些反应可能发生的副反应，提高了装置的安全性。随 着装置大型化、煤气化技术多元化等特点，等温反应器的使用，或者等温反应器与绝热反应 器的联合使用会更适应某些工艺的要求。
[0006] 等温型反应器又分为轴向反应器及径向反应器。现有技术中，常用的轴向等温反 应器形式为列管式等温反应器，催化剂装填于换热管内，反应气在管内沿轴向流动，壳侧的 水汽移走反应热并副产蒸汽。例如CN101249406A公开了一种绝热-冷激-管壳外冷组合式 气固相固定床催化反应器，虽然满足了可逆放热反应移热的要求，同时还能副产中压蒸汽， 但是，因为反应器直径的限制，使其生产能力受到一定的限制。而径向反应器则由于催化剂 装载量大、流程短、降压小而成为可逆放热反应工业大型化设备的优选反应器类型。例如 CN101254442A公开了一种用于放热反应的加压催化方法，其主要是采用由内向外的离心式 径向流动反应器，催化剂装填量虽然大，但径向流动反应气体流过的催化剂量并不大，如果 气体净化不好，更容易导致催化剂失活。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服上述不足，提供一种将催化剂装于换热管之间的等温固定 床反应器，能够有效保持催化剂床层温度均匀恒定，最大限度地利用催化剂。
[0008] 本发明提供了一种将催化剂装于换热管之间的等温固定床反应器，包括承压壳 体、安装在承压壳体内的多个换热管；
[0009] 在所述承压壳体上设有气体进口、换热介质出口、气体出口、换热介质进口和催化 剂卸料口；
[0010] 所述换热管的两端分别与所述换热介质出口和换热介质进口相连接；
[0011] 所述多个换热管之间存在空隙形成催化剂填充区，并且气体进口、换热管之间的 空隙以及气体出口形成气体通道。
[0012] 优选地，所述气体进口和气体出口分别位于承压壳体的两端。
[0013] 优选地，所述换热介质进口和换热介质出口分别位于承压壳体的两端。
[0014] 优选地，换热介质进口和气体出口位于承压壳体的同一端；所述气体进口和换热 介质出口位于承压壳体的另一端。
[0015] 优选地，所述催化剂卸料口、换热介质进口和气体出口位于承压壳体的同一端；所 述气体进口和换热介质出口位于承压壳体的另一端。
[0016] 其中，所述承压壳体包括上封头、下封头、筒体；上封头与筒体的一端固定连接，下 封头与筒体的另一端固定连接。
[0017] 优选地，所述上封头设有气体进口和换热介质出口，所述下封头上设有气体出口、 换热介质进口和催化剂卸料口。
[0018] 其中，固定连接方式可以是焊接等。
[0019] 优选地，所述等温固定床反应器还包括催化剂内筒；所述催化剂内筒靠近气体进 口的一端封闭，另一端与气体出口相连接；催化剂内筒的侧壁上设有侧孔；所述换热管位 于所述催化剂内筒和承压壳体之间。
[0020] 所述催化剂内筒可以是直筒，使用时，反应气轴向进入催化剂床层，经催化剂床层 反应后的气体经催化剂内筒收集，最终从气体出口排出。
[0021] 优选地，所述等温固定床反应器还包括催化剂外筒；所述催化剂外筒的侧壁与筒 体的内壁之间形成间隙；催化剂外筒靠近气体进口的一端开放，另一端与承压壳体相连接； 催化剂外筒的侧壁上设有侧孔；所述催化剂外筒位于催化剂内筒和承压壳体之间，所述换 热管位于所述催化剂外筒和催化剂内筒之间。
[0022] 其中，催化剂内筒和/或催化剂外筒的侧孔应根据具体的工艺要求开孔，技能保 持催化剂的同时又能满足气体流通需要。
[0023] 其中，催化剂内筒可以设置一个，也可以设置为多个。
[0024] 优选地，在催化剂填充区靠近气体进口的一侧设有压层件。
[0025] 优选地，在催化剂填充区远离气体进口的另一侧设有支撑件。
[0026] 优选地，所述支撑件为支撑用惰性球；所述压层件为压层惰性球。
[0027] 优选地，所述换热管的两端分别收拢形成一根管后，分别与所述换热介质出口和 换热介质进口相连接。
[0028] 优选地，所述换热管的两端分别收拢与管板固定连接后，形成一根管，分别与所述 换热介质出口和换热介质进口相连接。
[0029] 进一步优选地，所述换热管的两端分别收拢与管板固定连接后，通过管箱分别与 所述换热介质出口和换热介质进口相连接。
[0030] 其中，所述换热管的数量依据工艺需求而定；相邻两根换热管之间的间隙依据工 艺需求及催化剂颗粒大小而定。
[0031] 优选地，将换热管至少分成两份，每一份换热管的两端分别收拢形成一根管后，分 别与所述换热介质出口和换热介质进口相连接。
[0032] 优选地，每一份换热管的两端分别收拢与管板固定连接后，形成一根管，分别与所 述换热介质出口和换热介质进口相连接。
[0033] 进一步优选地，每一份换热管的两端分别收拢与管板固定连接后，通过管箱分别 与所述换热介质出口和换热介质进口相连接。
[0034] 其中，所述管板的数量应根据设备的规模，换热管数量，以及汽包设置要求等来综 合考虑。
[0035] 其中，管板的数量为2的倍数，至少为2个，优选地，至少为4个，优选地，至少为6 个，更优选地，至少为8个。
[0036] 优选地，所述催化剂内筒为分段结构，以便于检修或装填催化剂。
[0037] 优选地，相邻连接的两个催化剂内筒分段通过扣件连接。所述扣件包括活动扣件 部和固定扣件部。按远离气体进口的顺序，将相邻两个催化剂内筒分段分为上级分段和下 级分段，所述活动扣件部和固定扣件部分别位于上级分段和下级分段上，或者所述活动扣 件部和固定扣件部分别位于下级分段和上级分段上。所述活动扣件部包括螺接部、弯折部 和支撑部，所述螺接部和支撑部分别垂直于所述弯折部固定在其两端且分处于其两侧，所 述螺接部与所述固定扣件部设有相匹配的螺孔，通过螺栓，所述螺接部可拆卸地固定至所 述固定扣件部。
[0038] 优选地，相邻连接的两个催化剂内筒分段设置成凹凸对接的连接结构。例如按远 离气体进口的顺序，将相邻两个催化剂内筒分段分为上级分段和下级分段，上级分段靠近 下级分段的一端设环形凹槽、下级分段靠近上级分段的一端设有与上级分段的环形凹槽对 接的凸环；或者上级分段靠近下级分段的一端设凸环、下级分段靠近上级分段的一端设有 与上级分段的凸环对接的环形凹槽。优选地，相邻两个催化剂内筒的分段设置成插销和插 销孔对接的连接结构。例如按远离气体进口的顺序，将相邻两个催化剂内筒分段分为上级 分段和下级分段，上级分段靠近下级分段的一端设插销孔、下级分段靠近上级分段的一端 设有与上级分段的插销孔对接的插销；或者上级分段靠近下级分段的一端设插销、下级分 段靠近上级分段的一端设有与上级分段的插销对接的插销孔。
[0039] 优选地，在催化剂填充区内填充有催化剂。
[0040] 优选地，所述催化剂优选为颗粒状催化剂，片状催化剂和块状催化剂等中的至少 一种。
[0041] 其中，所述换热管可按三角形、正方形或同心圆形等方式排列。
[0042] 其中，所述承压壳体上还可以设有其他的必要辅助管口，如热电偶口等。
[0043] 其中，上封头、下封头和筒体的材质根据工艺温度、压力、介质特性等综合选取。例 如，当本发明所述等温固定床反应器应用于煤化工耐硫变换工艺时，上封头、下封头和筒体 的内壁衬有不锈钢衬里。
[0044] 本发明提供的将催化剂装于换热管之间的等温固定床反应器，将催化剂装填于换 热管间，催化剂装填量大；换热管能迅速的移走反应热，整个床层基本达到均温效果，不超 温，不易发生副反应。而且本发明可以使反应气在床层内呈轴径向流，能最大限度的利用催 化剂，且可使用活性更高的小颗粒催化剂。
【专利附图】
【附图说明】
[0045] 图1为实施例1所述等温固定床反应器的结构示意图；
[0046] 图2为图1的A-A截面图；
[0047] 图3为图1的B-B截面图；
[0048] 图4为实施例2所述等温固定床反应器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0049] 下面参照附图，结合具体的实施例对本发明作进一步地说明，以更好地理解本发 明。
[0050] 实施例1
[0051] 参照图1、2和3, 一种将催化剂装于换热管之间的等温固定床反应器，为轴径向反 应器，包括承压壳体、安装在承压壳体内的换热管1和催化剂筒体。
[0052] 承压壳体包括上封头2、下封头3、筒体4 ;上封头2与筒体4的顶部焊接连接，在 上封头2上开设有气体进口 21和换热介质出口 22 ;下封头3与筒体4的底部焊接连接，在 下封头3上开设有气体出口 31、换热介质进口 32和催化剂卸料口 33。
[0053] 换热管1两头收拢分别焊接于管板5上，分别与上管箱61和下管箱62相通，上管 箱61与换热介质出口 22相连，下管箱62与换热介质进口 32相连；
[0054] 催化剂筒体包括催化剂外筒7和催化剂内筒8 ;催化剂外筒7的侧壁与筒体4的 内壁之间形成环隙71 ;催化剂外筒7的顶部开放，底部与承压壳体相连接；催化剂内筒8顶 部封闭，与气体出口 31相连接；催化剂外筒7和催化剂内筒8的侧壁上根据工艺需要设有 侧孔。
[0055] 换热管1位于催化剂外筒7和催化剂内筒8之间，催化剂填充在换热管1之间。在 催化剂的底部下面设有支撑用惰性球91，在催化剂的顶部上设有压层惰性球92,即催化剂 填充在支撑用惰性球91、催化剂外筒7、催化剂内筒8和压层惰性球92围成的空间内。
[0056] 其中，填充催化剂后，催化剂之间任存在空隙，气体进口、催化剂之间的空隙和气 体出口形成气体通道。
[0057] 使用时，反应气从气体进口进入承压壳体内，沿催化剂外筒与承压壳体的内壁形 成的环隙径向进入催化剂床层，同时部分反应气通过压层惰性球，从催化剂外筒的顶部轴 向进入催化剂床层，经催化剂床层反应后，气体经催化剂内筒收集，最终从气体出口排出。 其中，催化剂床层由催化剂外筒、催化剂内筒、换热管、装填于换热管间的催化剂及支撑用 惰性球和压层惰性球等组成，为整个反应器的核心。锅炉给水则由换热介质进口经下管箱 进入换热管内，吸收反应热后转化给饱和蒸汽，经上部的上管箱从顶部的换热介质出口排 出。
[0058] 实施例2
[0059] 参照图4, 一种将催化剂装于换热管之间的等温固定床反应器，为轴向反应器，包 括承压壳体、安装在承压壳体内的换热管1和催化剂筒体。
[0060] 承压壳体包括上封头2、下封头3、筒体4 ;上封头2与筒体4的顶部焊接连接，在 上封头2上开设有气体进口 21和换热介质出口 22 ;下封头3与筒体4的底部焊接连接，在 下封头3上开设有气体出口 31、换热介质进口 32和催化剂卸料口 33。
[0061] 换热管1两头收拢分别焊接于管板5上，分别与上管箱61和下管箱62相通，上管 箱61与换热介质出口 22相连，下管箱62与换热介质进口 32相连。
[0062] 催化剂筒体包括催化剂内筒8,其中，承压壳体直接构成催化剂筒体的催化剂外 筒；催化剂内筒8顶部封闭，与气体出口 31相连接；催化剂内筒8的侧壁上根据工艺需要设 有侧孔。
[0063] 换热管1位于承压壳体和催化剂内筒8之间，催化剂填充在换热管1之间。在催 化剂的底部下面设有支撑用惰性球91，在催化剂的顶部上设有压层惰性球92,即催化剂填 充在支撑用惰性球91、承压壳体、催化剂内筒8和压层惰性球92围成的空间内。
[0064] 其中，填充催化剂后，催化剂之间任存在空隙，气体进口、催化剂之间的空隙和气 体出口形成气体通道。
[0065] 使用时，反应气从气体进口进入承压壳体内，经过压层惰性球，轴向进入催化剂床 层，经催化剂床层反应后的气体经催化剂内筒收集，最终从气体出口排出。其中，催化剂床 层由承压壳体、催化剂内筒、换热管、装填于换热管间的催化剂及支撑用惰性球和顶部压层 惰性球等组成，为整个反应器的核心。锅炉给水则由换热介质进口经下管箱进入换热管内， 吸收反应热后转化给饱和蒸汽，经上部的上管箱从顶部的换热介质出口排出。
[〇〇66] 以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限 制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和 替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和 修改，都应涵盖在本发明的范围内。
【权利要求】
1. 一种将催化剂装于换热管之间的等温固定床反应器，其特征在于，包括承压壳体、安 装在承压壳体内的多个换热管； 在所述承压壳体上设有气体进口、换热介质出口、气体出口、换热介质进口和催化剂卸 料口； 所述换热管的两端分别与所述换热介质出口和换热介质进口相连接； 所述多个换热管之间存在空隙形成催化剂填充区，并且气体进口、换热管之间的空隙 以及气体出口形成气体通道。
2. 根据权利要求1所述的等温固定床反应器，其特征在于，所述换热介质进口和气体 出口位于承压壳体的同一端；所述气体进口和换热介质出口位于承压壳体的另一端。
3. 根据权利要求1所述的等温固定床反应器，其特征在于，还包括催化剂内筒；所述催 化剂内筒靠近气体进口的一端封闭，另一端与气体出口相连接；催化剂内筒的侧壁上设有 侧孔；所述换热管位于所述催化剂内筒和承压壳体之间。
4. 根据权利要求3所述的等温固定床反应器，其特征在于，还包括催化剂外筒；所述催 化剂外筒的侧壁与筒体的内壁之间形成间隙；催化剂外筒靠近气体进口的一端开放，另一 端与承压壳体相连接；催化剂外筒的侧壁上设有侧孔；所述催化剂外筒位于催化剂内筒和 承压壳体之间，所述换热管位于所述催化剂外筒和催化剂内筒之间。
5. 根据权利要求1、2、3或4所述的等温固定床反应器，其特征在于，在催化剂填充区靠 近气体进口的一侧设有压层件，另一侧设有支撑件。
6. 根据权利要求5所述的等温轴径向固定床反应器，其特征在于，所述压层件为压层 惰性球；所述支撑件为支撑用惰性球。
7. 根据权利要求1、2、3或4所述的等温固定床反应器，其特征在于，所述换热管的两端 分别收拢与管板固定连接后，形成一根管，分别与所述换热介质出口和换热介质进口相连 接。
8. 根据权利要求7所述的等温固定床反应器，其特征在于，所述换热管的两端分别收 拢与管板固定连接后，通过管箱分别与所述换热介质出口和换热介质进口相连接。
9. 根据权利要求3所述的等温固定床反应器，其特征在于，所述催化剂内筒为分段结 构。
10. 根据权利要求1所述的等温固定床反应器，其特征在于，在催化剂填充区内填充有 催化剂。
【文档编号】B01J8/02GK104096514SQ201310122373
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月9日 优先权日:2013年4月9日
【发明者】杨震东, 刘磊, 顾鹤燕, 张西原 申请人:上海国际化建工程咨询公司