具有高低自限温区的径向反应器的制作方法

本实用新型属化工反应器领域，涉及一种具有高低自限温区的径向反应器。

背景技术：

工业上经常使用水冷、气冷的反应器，用于某些放热反应，以便控制催化剂床层温度。

控制反应器不超温的主要目的，一是有些反应是可逆反应，温度过高会降低反应物的转化率和目标产物的收率，二是减少高温时的副反应，提高目标产物的选择性，三是延长催化剂的使用寿命或再生周期。

另一方面，有些应用场合需要设置两个或以上的温区，除了在整体上实现上述主要目的，还要在某个温区达到其它一些效果。

在有些工艺过程需要采用较高的入口反应段催化剂床层温度，和较低的出口反应段床层温度，两段的床层温度都应适当控制。如用于处理含低浓度H₂S酸气的Clinsulf-DO直接氧化法工艺中所用内冷却式反应器。上段是绝热床，利用反应热迅速升高催化剂床层温度，以提高反应速度并在所达到的较高温度条件下将COS、CS₂等有机硫水解转化为易处理的H₂S；下段是内设较大移热能力换热器的低温等温床，以实现较高的单质硫收率；但其缺点是上段绝热床在酸气H₂S浓度略高并足量配风时容易超温、飞温，会造成包括单质硫选择性收率降低、催化剂性能下降和寿命缩短等问题，有必要对上段即入口段催化剂床层的温度上限进行适当控制，但这种反应器的结构不易实现双温区控温或者成本较高。

因而，有必要开发一种具有高低自限温区的反应器，且两个温区的温度上限都易于调节。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种具有高低自限温区的径向反应器，包括反应器主体、位于反应器主体上部的水汽化移热系统，反应器主体和水汽化移热系统不连通；

反应器主体包括壳体、催化剂反应床层、进出料管路及接口、催化剂装卸结构；

水汽化移热系统包括不连通的汽水室A、B，汽水室A、B共用底板，通过隔板隔开，顶壁或侧壁分别设置汽水室A、B的进水、排汽接口；底板连接多根换热套管，换热套管由内管和外管嵌套而成；外管向上开口于汽水室A、B的底板，向下延伸到催化剂床层底部或之下位置并在下端封口；内管下端延伸至外管底部，上端延伸至外管上端口之上或之外；移热时内管向下流水，外管向上流汽水混合物；套管上端口具有能够保证移热过程中内管只进水、流入水而不进汽的结构，不受本套管的外管或临近外管所排出汽水混合物的影响；通过控制或调整汽水室温度或压力即可保证或调整每一个温区催化剂床层的温度上限。

本实用新型具有高低自限温区的径向反应器中，水汽化移热系统换热套管的上端结构，可以是内管向上延伸开口而外管向侧面开口或向侧上方延伸开口；也可以是外管向上延伸开口，内管侧向弯曲穿过外管壁向侧面开口或向侧下方延伸开口，或者内管从外管上开口向侧下弯曲；应适当控制汽水室的汽水液位，以保证内管供水充足。

本实用新型具有高低自限温区的径向反应器中，水汽化移热系统换热套管的上端结构，还可以是内管上端口延伸至高于外管上端口之处，内管上口和外管上口的高度差，可为外管内径的1-3倍；外管上端还可具有内径扩大段或喇叭口段，内径扩大段长度可为外管内径的1-2倍，内径可为外管外径的0.9-1.1倍，喇叭口段喇叭角10-20度，虽然内管向下的流水会吸入少量蒸汽泡，但内外管中汽水的流向不会改变，移热能力降幅不大，效果同样可靠。

本实用新型具有高低自限温区的径向反应器中，水汽化移热系统换热套管深入催化剂床层的高度0.5-20m，管间距0.005-0.10m，换热面积5-100m²/m³催化剂。内外管径、壁厚、面积、分布密度等参数，根据反应放热情况和床层控温精度确定。

本实用新型具有高低自限温区的径向反应器中，催化剂床层在径向的两个温区中，可以装填同一种催化剂，也可以装填不同的催化剂；装填不同的催化剂时，可通过在汽水室的圆筒形隔板之下、催化剂床层中的换热套管间设置孔板或筛网隔开，也可以通过将该位置的换热套管密布，使套管间距和催化剂尺寸相当来实现催化剂床层径向双温区间的隔离。

本实用新型具有高低自限温区的径向反应器，根据物料流向，反应器采用相应的进出料管路和接口、催化剂装卸结构。催化剂床层的底部，可用孔板筛网层叠支撑，也可以从反应器底部开始由大至小装填惰性瓷球进行支撑，其中后一结构便于催化剂更换时的卸出。

本实用新型具有高低自限温区的径向反应器，其垂直水冷套管因其内外管嵌套的结构，在其正常运转过程中，当套管外催化剂床层及物料的温度略高于所连接的汽水室温度时，外管之间的垂直汽化空间中部分沸水汽化，产生汽水混合物，其密度低于内管中的液态沸水，从而形成内管水向下流、外管汽水向上流的推动力，这个特点使该移热套管的移热能力根据反应放热量自动调节，且在垂直水冷套管较长时更加明显：若套管外的床层温度升高，则水冷套管内外管之间的汽化加剧，汽水混合物的密度进一步降低，水/汽水混合物流动的推动力增大，进入套管的水量增大，汽化量即移热能力提高，若套管外的床层温度略有降低（但仍高于所连接的汽水室温度），则水冷套管内外管之间的汽化减弱，移热能力相应降低。这种垂直水冷套管结构，其垂直使用方式带来的移热量自动调节能力，在其改为水平方向设置和使用时不再具有，也是大多数水平方向设置和使用的冷却构件所不容易达到和具有的。由于汽化移热能力很大，每一个温区中，催化剂床层高于相应汽水室温度的区域，其温度只是略微高于相应汽水室的温度。当然该套管结构基本没有加热能力，除非是套管中下段水汽化吸了热，可在套管中上段、催化剂床层低于对应汽水室温度之处又凝结成水放出热并供给催化剂床层。

因而，本实用新型具有高低自限温区的径向反应器中，只要水汽化移热系统套管的移热面积足够大且设置、分布合理，则每一个温区催化剂床层温度的上限基本取决于相应汽水室的温度，因而通过控制或调整汽水室温度或压力即可保证或调整每一个温区催化剂床层的温度上限，受催化剂床层入口进料条件如浓度、流量波动的影响不大，控制好两个汽水室温度和压力温度即可较好地控制各温区催化剂床层的温度上限和温度分布。

本实用新型具有高低自限温区的径向反应器中，水汽化移热系统启运前或启运时即排净惰性气，以免影响蒸汽压力的控制。

本实用新型具有高低自限温区的径向反应器，由于较好地控制了各温区催化剂床层的温度上限和温度分布，可采用略高的物料入口温度，可采用较大的催化剂反应负荷，同样的加工量时，催化剂用量降低，床层体积小，反应器体积小；不超温，不飞温，不易结碳，催化剂使用寿命或周期较长。

本实用新型具有高低自限温区的径向反应器，由于各催化剂床层温度上限较好控制，用于某些受温度影响较大的可逆反应以及高温副反应较多的过程，或者还需要分别实现高温、低温反应目的的过程中，如由合成气制备甲醇的反应、高浓度H₂S酸性气硫磺回收工艺燃烧炉后的克劳斯反应、中间浓度H₂S酸性气硫磺回收工艺的直接氧化反应时，反应物的转化率和目标产物的收率都比较高，高温副反应产物减少，过程控制平稳，目标产物的选择性较高，同样产能时催化剂用量及反应器体积可减少30%，使用寿命可延长一年以上。

附图说明

图1，具有高低自限温区的径向反应器结构示意图。

图2-7，换热套管的几种上端结构。

图例：1反应器壳体，2催化剂反应床层，3催化剂装填管，4汽水室， 5换热套管内管，6换热套管外管，7汽水室底板，8带通气孔的径向反应床层侧壁容器，9垂直水冷移热套管，10带通气孔的径向反应床层内管，11支撑瓷球，12汽水室蒸汽出口，13汽水室水入口，14催化剂卸剂口，15进出料口，16隔板。

具体实施方式

实施例

如图1所示的一种具有高低自限温区的径向反应器，主要包括反应器主体、位于反应器主体上部的水汽化移热系统，反应器主体和水汽化移热系统不连通；

反应器主体包括壳体1、催化剂反应床层2、进出料口15、催化剂装填管3、催化剂卸剂口14；

水汽化移热系统包括不连通的汽水室4A、4B，汽水室4A、4B共用底板7，通过隔板16隔开，顶壁或侧壁分别设置汽水室4A、4B的蒸汽出口12、水入口13；底板连接换热套管9，换热套管由内管5和外管6嵌套而成；外管6向上开口于汽水室4A、4B的底板，向下延伸到催化剂床层2底部或之下位置并在下端封口；内管下端延伸至外管底部，上端向上延伸至高于外管上端口之外，内管5上口高于外管6上口的差，为外管内径的2倍；带通气孔的径向反应床层侧壁容器8、带通气孔的径向反应床层内管10、支撑瓷球11之间，为催化剂床层2，床层中均匀布列垂直水冷移热套管9。

该径向反应器的一个具体实例，是一台酸性气直接氧化径向反应器，用于将所含COS全部水解转化为易处理的H₂S，将H₂S基本上直接氧化为单质硫，其主要设计参数包括：

套管内管Φ19x2mm，外管Φ40x4mm，外管壁间距54mm，套管根数280，汽水室A、B各有140根；套管顶端内管、外管皆为直管，内管上口比外管上口高64mm, 套管中设几个支撑件保持同轴或接近于同轴的结构；

反应器装填山东迅达化工集团有限公司A988G氧化钛基H₂S直接氧化硫磺回收催化剂7m³，底部支撑瓷球0.3 m³，套管在催化剂床层内高度约3.9m，换热面积137 m³；反应器直径Φ2100mm，总高7200mm。

该反应器及催化剂用于处理含H₂S、COS的酸性气，酸性气基本组成（质量百分数）H₂S3-6%，COS0.2-0.5%，H₂O1.0-1.5%，余为CO₂，气量2000-3000Nm³/h。

酸性气配入所需量的空气并混匀后，预热到180-200℃进入该反应器，先经汽水室A下的高温段催化剂床层，再进汽水室B下的低温段催化剂床层，汽水室A可控制蒸汽压力4.0-6.0MPa（表压，相应的饱和蒸汽温度250-275℃），汽水室B可控制蒸汽压力1.5-3.0MPa（表压，相应的饱和蒸汽温度200-235℃）。其中H₂S和O₂先反应放热使气流升温，形成COS水解所需要的高温段，调整汽水室A蒸汽压力使反应器出口气中COS含量低于规定值；调整汽水室B蒸汽压力使反应器出口气中H₂S含量低于规定值。

一个典型的稳定运转状态：反应原料气主要成分（质量百分数）H₂S3.6%，COS 0.25%，O₂2.0%，H₂O1.0%，余为CO₂，气量3000Nm³/h；控制反应器入口温度190℃，汽水室A，蒸汽压力4.5MPa（表压，相应的饱和蒸汽温度259℃），汽水室B蒸汽压力1.8MPa（表压，相应的饱和蒸汽温度210℃）时，催化剂床层高温段均温区测温点平均温度266℃且不同高度和直径测温位置的温差7℃，催化剂床层低温段均温区测温点平均温度216℃且不同高度和直径测温位置的温差5℃。反应器出口气中H₂S≤1200ug/L，SO₂≤450ug/L，COS≤20ug/L，达到工艺要求，所制得单质硫产品纯度≥99.5%，达到工业一级的要求。

该酸性气直接氧化径向反应器中，催化剂床层温度主要取决于蒸汽的压力，通过控制两个汽水室的蒸汽压力即可分别调整催化剂床层高温段、低温段的温度，H₂S和COS在高温段大量转化和基本全部水解，通过控制反应温度减少了SO₂的生成量，低温段反应进一步提高了H₂S的转化率，使反应器出口气中H₂S、SO₂、COS都比较低，且过程控制平稳，单质硫选择性较高，反应效果受入口进料条件波动的影响不大，反应器加工能力余量较大，催化剂性能稳定，寿命较长。