一种水冷甲醇合成反应器的制作方法

本发明涉及到化工设备，尤其涉及一种水冷甲醇合成反应器。

背景技术：

甲醇是重要的化工基础原料和清洁液体燃料，广泛应用于有机合成、染料、农药、医药等工业中。甲醇合成是可逆放热反应，反应温度决定着反应体系的平衡和反应速率。反应温度升高，反应速率增大，但反应的平衡常数减少。对于特定催化剂和操作环境，都有最佳甲醇合成反应温度区间。实现最佳反应温度的方法，工业上常采用连续换热、多段冷激式、水移热式等方法，使催化剂床层的温度尽可能沿最佳温度分布。

为了防止甲醇反应催化剂迅速老化，在催化剂使用初期，反应温度宜维持较低的数值，随着使用时间的增加，逐步提高反应温度。例如铜基催化剂使用前期，床层温度一般控制在240～260℃；后期，床层温度一般控制在260～280℃。

为了控制甲醇合成反应能在设计温度下稳定进行，对于水移式反应器，通常采用在反应器内设置换热管，通过向换热管内通冷却水移走甲醇合成反应产生的热量，通过控制水所产中压蒸汽压力来控制反应温度。在催化剂使用中后期，催化剂活性有所降低，导致催化剂的活性温度升高，由初期的240℃左右升高至280℃左右，相对应换热管内蒸汽的温度从225℃缓慢升至265℃，锅炉水产生的蒸汽压力从2.7mpa(g)逐渐升至5.2mpa(g)。

甲醇合成初末期反应温度的波动会传导到反应床层内用于移热的换热管，进而引起换热管内所产蒸汽温度和压力的波动，尤其随着甲醇合成装置的大型化和多系列化，富产的蒸汽量也越来越多，但等温甲醇合成反应器始终无法解决蒸汽压力的波动及相关设备和管道工程投资增加问题，主要体现如下：

(1)从设计压力考虑，由于换热管内所产蒸汽的压力在2.7mpa(g)～5.2mpa(g)之间波动，因此与其相关联的设备及管道均需要考虑较高的设计压力，否则无法满足催化剂后期5.2mpa(g)的蒸汽压力要求，同时设备及管道壁厚的增加推高了工程投资；

(2)从富产蒸汽考虑，催化剂后期虽然可以富产5.2mpa(g)的高品质蒸汽，但全厂蒸汽管网平衡却由催化剂初期的2.7mpa(g)蒸汽决定，在工程设计时只能将5.2mpa(g)的高品质蒸汽减压降级使用，不但需要增加与减压相关的管道阀件及自控仪表元件，而且还对全厂蒸汽管网造成一定冲击。

简而言之，甲醇合成反应器内的锅炉水系统管道及设备均需要按照苛刻温度和压力来设计，同时催化剂后期所产出的中压蒸汽却在降级使用，从投资和全厂蒸汽管网平衡两方面考虑均不够合理。

公布号为cn102698659a的中国专利公开了《一种甲醇合成反应器结构》，该甲醇合成反应器在反应床层内埋设换热管，甲醇合成在催化剂床层中进行，放出的反应热通过换热管内锅炉水移走。但存在催化剂后期富产蒸汽压力升高，与其相关联的设备及管道不得不按照后期蒸汽压力及温度进行设计，增加了工程投资；同时工艺系统在进行全厂蒸汽管网平衡设计时，只能按照催化剂初期较低的蒸汽压力及蒸汽品质进行设计，但在催化剂后期又对全厂蒸汽管网造成一定冲击。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种水冷甲醇合成反应器，在满足甲醇合成反应催化剂初末期反应温度区间的同时，能够较好的解决锅炉水气化温度和压力波动问题，进而可以实现工程投资的降低和全厂蒸汽管网系统的优化之目标，满足甲醇合成装置的大型化和节能化发展要求。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该水冷甲醇合成反应器，包括炉体和设置在所述炉体内的催化剂框，所述催化剂框的中部设有合成气收集管；所述合成气收集管的入口有多个，间隔布置在合成气收集管的侧壁上；所述催化剂框的侧壁上设有供原料气通过的进气孔，所述合成气收集管出口连通炉体上的合成气出口；换热管设置在所述催化剂框与合成气收集管之间，换热管的进口连接进水管道，换热管的出口连接蒸汽管道；

其特征在于：

所述换热管包括由多根第一换热管组成的第一换热管组以及由多根第二换热管组成的第二换热管组；各所述换热管以所述合成气收集管为芯轴螺旋盘绕在催化剂床层内；

各所述换热管螺旋盘绕后形成多个换热管层，相邻换热管层之间具有间隙；

所述进水管道包括第一进水管道和第二进水管道；各所述第一换热管的入口均连通所述第一进水管道，各所述第二换热管的入口均连通所述第二进水管道，所述第二进水管道上设有开关阀，并且各所述第二换热管的换热面积之和为总换热面积的15～40％；

各所述第一换热管的出口和各所述第二换热管的出口均连通蒸汽管道。

各所述第一换热管的换热面积为各所述第一换热管内腔的横截面积之和；各所述第二换热管的换热面积为各所述第二换热管内腔的横截面积之和；总换热面积为各所述第一换热管的换热面积与各所述第二换热管的换热面积之和。

较好的，每层换热管层上都布置有第一换热管和第二换热管，并且第一换热管布置在相邻的两个第二换热管之间。该结构能够进一步改善各阶段催化剂床层撤热的均匀性。

较好的，相邻的两根所述的第二换热管之间设有2～5根第一换热管；

所述第一换热管和所述第二换热管的口径相等。

优选相邻的所述换热管层的旋向相反。

优选各所述换热管层均固定在多根支撑杆上，各所述支撑杆均竖向设置且间隔布置，相邻支撑杆不在同一径向放射线上。更好地，各换热管通过环箍固定在支撑板上。

作为上述各方案的进一步改进，所述第一进水管道包括第一进水连接管和与所述第一进水连接管的出口相连通的第一管箱；各所述第一换热管的入口连接所述第一管箱；

所述第二进水管道包括第二进水连接管和与所述第二进水连接管的出口相连通的第二管箱，各所述第二换热管的入口均连通所述第二管箱。

所述蒸汽管道可以包括连接所述汽包的蒸汽连接管，所述蒸汽连接管连接蒸汽收集管；各所述第一换热管和第二换热管的出口均连接所述蒸汽收集管。在关闭第二换热管时，第二换热管仍旧能够顺畅地排汽，以避免使用同一组蒸汽管道所导致的憋气问题。

较好的，所述蒸汽连接管上设有膨胀节，以吸收装置运行时的热膨胀。

为方便检修，所述合成气收集管可以由多段筒体依次可拆卸连接而成，所述筒体的内侧壁上沿高度方向依次间隔设有多个脚梯。

与现有技术相比，本发明所提供的水冷甲醇合成反应器，克服现有技术的缺陷，将等温甲醇合成反应器设计成可变温的水冷甲醇合成反应器，设置了两组换热管，能够根据反应各阶段催化剂的活性要求改变撤热量，从而满足各阶段催化剂活性温度的要求，维持产率恒定，同时避免了现有技术中反应后期需要升高汽包和换热管内压力来提高反应温度的方法所导致的换热管壁厚增加、汽包壁厚增加以及配套管线及设备需要改变等问题，降低了设备投资，避免了前后期控制难的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的纵向剖视图；

图2为图1中a部分的局部放大图；

图3为本发明实施例中换热管层的固定结构。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图3所示，该水冷甲醇合成反应器包括：

炉体1，为常规结构，包括上封头11、下封头12和连接在上封头11和下封头12之间的筒体13。

催化剂框2，设置在筒体13内。催化剂框2可以根据需要选用现有技术中的任意一种，本实施例为径向反应器，原料气从催化剂框2的侧壁进入到催化剂框内。原料气经甲醇合成催化反应后，进入合成气收集管3。

合成气收集管3，用于收集合成气，设置在催化剂框2空腔内的中部位置，由多段筒体31依次可拆卸连接而成，本实施例中各筒体31之间通过法兰34连接；筒体31的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯32。端盖可拆卸连接在合成气收集管3的上端口上，合成气收集管3的下端口连接合成气管道33。合成气收集管3的侧壁上间隔设有多个出气孔，进入合成气收集管3内的合成气经由合成气管道33送出炉体1。

合成气收集管3与催化剂框之间的空间装填催化剂后，形成催化剂床层。

换热管，包括由多根第一换热管41组成的第一换热管组以及由多根第二换热管42组成的第二换热管组。为便于区别，在图2中各第二换热管以实心圆及实体填充图案表示，各第一换热管以空心圆表示。

各换热管沿合成气收集管3依次盘绕在合成气收集管3外，形成多层，相邻层之间的换热管螺旋方向相反。每层换热管中都含有第一换热管41和第二换热管42，第一换热管41和第二换热管42间隔交错均匀布置。即设置2～5根第一换热管41后设置1根第二换热管42，本实施例为设置2根第一换热管后设置1根第二换热管42。

各所述换热管层均固定在多根支撑杆6上，各所述支撑杆6竖向设置且相互间隔布置，相邻支撑杆不在同一径向放射线上。优选各换热管通过环箍61固定在支撑杆上。

第一换热管41和第二换热管42的口径可根据装置规模及负荷变化灵活调整，本实施中各换热管口径相同。

各第二换热管42的换热面积之和为总换热面积的15～40％，本实施例为33％。

进水管道，用于连通汽包(图中未示出)和各换热管，进水管道分别连接第一进水管51和第二进水管52。所述第一进水管51出口连通第一管箱55，第一管箱55连接各第一换热管41入口；所述第二进水管52出口连通第二管箱54，第二管箱54连接各第二换热管42入口。所述第二进水管52上设有阀门56。

第一管箱55和第二管箱54可以为环管结构，如本实施例图1中所示出；两个管箱还可以是上、下叠合布置的箱体结构，两个管箱还可以是管板形式。

蒸汽管道包括连接所述汽包的蒸汽连接管59和蒸汽收集管58，所述蒸汽收集管58的出口连接所述蒸汽连接管59；各所述第一换热管的出口和所述第二换热管的出口连通所述蒸汽收集管58上各的入口。蒸汽收集管58可以是环管结构，也可以是箱体结构，或其它结构。

膨胀节59a，设置在蒸汽连接管59上，用于吸收热应力。

装置运行初期，催化剂活性高，控制两组换热管同时工作，撤走的反应热量多，催化剂床层维持在设定的温度下进行甲醇合成反应，产率恒定在设定值；装置运行后期，由于催化剂活性降低，所需的催化剂活性温度升高；维持汽包及其内锅炉水、蒸汽压力等参数不变，调节第二进水管的进水流量直至关闭第二换热管，减少催化剂床层的撤热量，此时催化剂床层温度上升至催化剂的活性温度，甲醇合成反应正常进行，产率仍旧维持在设计值，并且出汽包的蒸汽压力不变，不需要改变配套管线和设备的参数。

由于第一换热管和第二换热管的特殊布置，因此，即使关闭第二换热管，第一换热管仍旧能从催化剂床层均匀撤热。