專利名稱：螺旋管－直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種甲醇合成塔，尤其是一種螺旋管-直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔，屬于石油，化工固定床催化反應器技術領域。
背景技術：
固定床催化反應器是石油與化學工業(yè)中最常見的一種反應壓力容器，尤其在合成氨和甲醇以及一氧化碳變換等工業(yè)過程中應用更為廣泛。無論是國內(nèi)還是國外，在石油與化學工業(yè)中所使用的固定床反應壓力容器，其結(jié)構(gòu)型式種類繁多、各不相同。按氣體在床層中流動的形式分類，可分為軸向流動反應壓力容器和徑向流動反應壓力容器兩種類型。按換熱形式分類，可分為冷激式、內(nèi)冷式和外冷式三種類型。但是，無論是哪種形式的反應器，都各有其優(yōu)點和不足之處。例如英國ICI公司的多段冷激式反應器，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較為簡單，制造比較方便，單臺反應器的生產(chǎn)能力較大，有利于生產(chǎn)規(guī)模大型化的工業(yè)裝置。但是其顯著的缺點就是反應溫度不均勻，操作難度大，氣體“返混”現(xiàn)象較為嚴重，因此，轉(zhuǎn)化率較低，特別是能量利用很不合理，不能付產(chǎn)蒸汽。又例如內(nèi)冷式反應器，早在上世紀五、六十年代，在合成氨工業(yè)裝置中就已廣泛應用的單管逆流，單管并流，雙套管并流以及三套管并流等就屬內(nèi)冷式反應器。這類反應器的優(yōu)點就是利用自身的反應熱對原料氣進行預熱。其缺點是催化劑床層溫度不均，且不能付產(chǎn)蒸汽，這種結(jié)構(gòu)型式的反應器多用于中、小型生產(chǎn)規(guī)模的工廠，很難實現(xiàn)單系列大型化。再例如外冷式的反應器，德國魯奇公司專利(專利號DE2123950)管殼式反應器。這種類型的反應器優(yōu)點可以付產(chǎn)蒸汽，反應熱得充分利用，由于反應管完全被浸在水中，所以床層溫度均勻，操作也比較方便。但其缺點也是單塔生產(chǎn)能力低，很難適應單系列大型化生產(chǎn)的要求。
實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術問題在于，針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種外冷式甲醇合成塔，該合成塔為螺旋管-直管復合串聯(lián)外冷式，床層溫度均勻，操作方便，合理利用反應熱能，付產(chǎn)蒸汽，產(chǎn)量高，能實現(xiàn)單系列大型化的要求。
本實用新型所要解決的技術問題，是通過如下技術方案實現(xiàn)的一種螺旋管-直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔，它由上段殼體和下段殼體組成，在上段殼體和下段殼體之間設有法蘭盤將二者連接，組成一個整體；上段殼體內(nèi)設有觸媒筐，觸媒筐筐體上端焊接在上段殼體內(nèi)側(cè)，下端自由膨脹，筐內(nèi)設置一程以上螺旋冷卻水管，管外填充觸媒，筐底設有多孔板。
螺旋冷卻水管按同心圓排列，冷卻水管徑向凈空距離為50-100mm，冷卻水管規(guī)格可為φ19×2-φ57×4mm。
每一程冷卻水的流量與該程螺旋冷卻管所對應的觸媒量相適應，通過冷卻水入口孔徑大小的不同來控制每程的水量。
每程螺旋管冷卻水入口處，即冷卻水進口總管上的開孔孔徑是不同的，其目的是為了控制每程的水量。
觸媒筐懸吊固定在上部殼體內(nèi)側(cè)，其下端為自由端。
觸媒筐底設置的多孔板的孔徑為φ3-φ25mm，其開孔率為10-20％。
綜上所述，本實用新型的主要優(yōu)點在于可實現(xiàn)單系列大型化；上、下兩段觸媒床層的冷卻水均可付產(chǎn)中壓蒸汽；溫度調(diào)節(jié)方便、迅速、有效；床層溫度合理分布，催化劑的時空收率高；催化劑使用壽命長；合成塔的操作適應性強；產(chǎn)品質(zhì)量好；便于制造、維修、運輸、裝、卸催化劑及升溫還原。


圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型合成塔上段觸媒筐螺旋管結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2的A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的技術方案進行詳細地說明。
如圖1所示，為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1中可知，一種螺旋管-直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔，它由上段殼體100和下段殼體200組成，在上段殼體100和下段殼體200之間設有法蘭盤300將二者連接；上段殼體100內(nèi)設有觸媒筐5，上段殼體100與觸媒筐5的上端焊接，觸媒筐5下端自由膨脹，觸媒筐5內(nèi)設置若干程螺旋冷卻水管6，管外填充觸媒，觸媒筐5底為多孔板17。
結(jié)合圖2、圖3所示，分別為本實用新型合成塔上段觸媒筐螺旋管結(jié)構(gòu)示意圖和A-A剖面示意圖。從圖2中可知，螺旋冷卻水管6按同心圓排列，螺旋冷卻水管6的管體徑向凈空距離為50-100mm，規(guī)格可為φ19×2-φ57×4mm。
每一程冷卻水的流量與該程螺旋冷卻管所對應的觸媒量相適應，當氣體通過時所放出的反應熱能被管內(nèi)冷卻水及時移走。
每程螺旋管水入口處，即冷卻水進口總管上的開孔孔徑是不同的。
觸媒筐固定在上部封頭內(nèi)側(cè)，其下端為自由端，可以自由膨脹。
多孔板的孔徑為φ3-φ25mm，開孔率為10-20％。
如圖1所示，工作過程是這樣的來自入塔氣預熱器的原料氣9溫度約200℃左右，壓力為5.0-5.5MPa，從合成塔頂部N1入口管進入上段觸媒床層的上部空間，通過一個氣體分布器8，使原料氣能均勻進入上段觸媒床層7，自上而下軸向流過上段觸媒床層，發(fā)生催化放熱反應。在觸媒床層內(nèi)設置了若干程按同心圓排列的螺旋冷卻盤管6，冷管表面積與觸媒體積之比，又稱之為比冷面，可在15-150m2/m3之間，可根據(jù)觸媒筐5和冷卻盤管6的結(jié)構(gòu)尺寸而定。這樣可使反應熱能迅速而均勻地被管內(nèi)冷卻水帶走，同時水被加熱汽化，汽水混合物10從N7去汽包進行汽水分離而產(chǎn)生中壓蒸汽。觸媒床層的溫度比較均勻，觸媒不會產(chǎn)生過熱而失效，使用壽命可以延長。反應后的氣體通過觸媒筐底部的多孔板17，該多孔板17的開孔率為10-20％，流出上段觸媒，進入上、下兩段之間的混合空間。觸媒筐的上端被焊接在上部球形封頭的內(nèi)側(cè)，下端可以自由向下膨脹。上部殼體100設有人孔M1以便裝上段觸媒，中部空間設有人孔M2，觸媒出口12，以便于卸出上段觸媒。同時在上段和下段之間把承壓殼體2分成上、下兩段，采用法蘭連接。
經(jīng)過上段反應后的氣體在中部空間與從N3接管進入的冷激氣4充分混合，使氣體溫度控制在下段觸媒活性起始溫度范圍之內(nèi)，再進入下段觸媒管3內(nèi)，自上而下與管內(nèi)觸媒發(fā)生催化反應，反應熱被管外(殼程)從N4進入的冷卻水1帶走，水被加熱汽化，汽/水混合物13從N5引至汽包進行汽、水分離而產(chǎn)生蒸汽。反應后的甲醇合成氣16溫度約235℃左右，壓力為4.8-5.3MPa，從塔底部N2出口管流出，進入下一工序。
在上段觸媒床層和中部空間均設置了熱電偶，可以方便地監(jiān)控和調(diào)節(jié)溫度，使其達到最佳操作狀態(tài)。
本實用新型甲醇合成塔的主要特點簡述如下1.可實現(xiàn)單系列大型化國外現(xiàn)有的甲醇合成塔如英國ICI公司和日本三菱公司的多段冷激型合成塔雖可實現(xiàn)單系列大型化，但觸媒床層溫度不均，溫差大，易超溫，副反應多，且不付產(chǎn)蒸汽，熱能利用不合理。德國魯奇公司的甲醇合成塔，雖然溫度較平穩(wěn)，也付產(chǎn)中壓蒸汽，但難以實現(xiàn)單系列大型化。本實用新型既能付產(chǎn)中壓蒸汽又能實現(xiàn)單系列大型化。
例承壓殼體內(nèi)徑及對應的甲醇產(chǎn)量Φ3200-3400mm 可年產(chǎn)甲醇 20萬噸Φ3800-4000mm 可年產(chǎn)甲醇 30萬噸Φ4400-4600mm 可年產(chǎn)甲醇 40萬噸注①催化劑為國產(chǎn)如采用國外催化劑產(chǎn)量會更高。
②目前年產(chǎn)甲醇10萬噸的塔內(nèi)徑為Φ3400mm。
2.可付產(chǎn)中壓蒸汽回收高位熱能本實用新型上、下兩段觸媒床層的冷卻水均可付產(chǎn)中壓蒸汽。
蒸汽參數(shù)為壓力1.8MPa 溫度180℃壓力4.0MPa 溫度250℃若以煤為原料制合成氣，則每生產(chǎn)一噸甲醇可付產(chǎn)中壓蒸汽0.9-1.1噸。
若以天然氣為原料，則每生產(chǎn)一噸甲醇可付產(chǎn)中壓蒸汽0.8-1.0噸。
3.溫度調(diào)節(jié)方便、迅速、有效上、下兩段觸媒床層的溫度都可通過調(diào)節(jié)付產(chǎn)蒸汽的壓力和冷激氣量控制床層溫度，并且熱點和靈敏點的溫度調(diào)節(jié)更是迅速有效。在觸媒操作后期可以不開冷激付線。維持理想的反應溫度。
4.床層溫度合理分布，催化劑的時空收率高觸媒床層溫度優(yōu)化分布上段觸媒床層離平衡較遠，在較低溫度下進床層反應；下段觸媒床層離平衡較近，在等溫下反應。
催化劑生產(chǎn)強度大，時空收率高。
5.催化劑使用壽命長由于觸媒床層溫度控制合理、優(yōu)化、觸媒床層就不會超溫，因此可以實現(xiàn)觸媒長周期運轉(zhuǎn)操作，壽命可超過三年以上。
6.合成塔的操作適應性強①對催化劑的適應性強可使用國產(chǎn)催化劑，如西南化工研究院生產(chǎn)的C30Z型、XN-98型；南化公司研究院生產(chǎn)的NC-306和307型催化劑。也可使用國外生產(chǎn)的催化劑，如托普索公司生產(chǎn)的催化劑。
②對原料氣的適應性強可以使用以煤為原料的合成氣(新鮮氣CO26-28％)，也可以使用以天然氣為原料的合成氣(CO11-13％)，還可以使用焦爐氣轉(zhuǎn)化的合成氣(催化轉(zhuǎn)化和非催化轉(zhuǎn)化)。
③對原料氣進口溫度適應性強觸媒操作前期可控制床層進口溫度195℃-200℃，中期200℃-210℃，后期210℃-220℃，若有變化，亦能適應。
④操作彈性大可在50％-120％的負荷下操作。
7.產(chǎn)品質(zhì)量好由于觸媒床層溫床控制在最佳范圍內(nèi)，所以副反應少，高級醇、醚、醛少、粗甲醇產(chǎn)品質(zhì)量好。
8.便于制造、維修、運輸、裝、卸催化劑及升溫還原①結(jié)構(gòu)簡單、制造無難度；②上、中、下均設有人孔檢修方便，催化劑裝卸可從卸料孔卸出；③中部設置法蘭把塔體分為兩段便于運輸；④觸媒還原時，只需將原通冷卻水的一側(cè)改為蒸汽加熱即可，十分方便。
綜上所述。本實用新型是一種高效、節(jié)能型合成塔。以天然氣為原料年產(chǎn)20萬噸甲醇的這種塔型，將于2004年底投入運行。可以預期，更大規(guī)模(如年產(chǎn)40萬噸、60萬噸、乃至100萬噸甲醇)這種塔型在不久的將來將會出現(xiàn)在大型工業(yè)裝置中。
最后需要說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而未脫離本實用新型技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求1.一種螺旋管-直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔，其特征在于它由上段殼體和下段殼體組成，在上段殼體和下段殼體之間設有法蘭盤將二者連接，組成一個整體；上段殼體內(nèi)設有觸媒筐，觸媒筐筐體上端固定在上段殼體內(nèi)側(cè)，觸媒筐筐體內(nèi)設置多程螺旋冷卻水管，管體外填充觸媒，觸媒筐筐底設有具有多個通孔的多孔板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋管-直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔，其特征在于所述的螺旋冷卻水管按同心圓排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的螺旋管-直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔，其特征在于所述的冷卻水管徑向凈空距離為50-100mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的螺旋管-直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔，其特征在于所述的螺旋冷卻水管尺寸為φ19×2-φ57×4mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的螺旋管-直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔，其特征在于所述的每程螺旋管冷卻水入口的管徑不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的螺旋管-直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔，其特征在于所述的觸媒筐懸吊固定在上部殼體內(nèi)側(cè)，其下端為自由膨脹端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的螺旋管-直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔，其特征在于所述的開孔的孔徑為φ3-φ25mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的螺旋管-直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔，其特征在于所述的多孔板的開孔率為10-20％。
專利摘要一種螺旋管－直管復合串聯(lián)外冷式甲醇合成塔，它由上段殼體和下段殼體用法蘭連接組成一個整體；上段殼體內(nèi)設有觸媒筐，觸媒筐筐體的上端焊接在上段殼體內(nèi)側(cè)，觸媒筐筐體的下端自由膨脹，筐內(nèi)設置一程以上螺旋冷卻水管，管外填充觸媒，筐底設有多孔板；下段殼體內(nèi)設有直管，管內(nèi)裝有觸媒，管外為冷卻水；上段殼體和下段殼體兩段觸媒床層的冷卻水均可副產(chǎn)中壓蒸汽。本實用新型可實現(xiàn)單系列大型化；溫度調(diào)節(jié)方便、迅速、有效；床層溫度合理分布，催化劑的時空收率高；催化劑使用壽命長；合成塔的操作適應性強；產(chǎn)品質(zhì)量好；便于制造、維修、運輸、裝、卸催化劑及升溫還原。
文檔編號C07C29/00GK2764777SQ20042011793
公開日2006年3月15日 申請日期2004年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月20日
發(fā)明者劉武烈, 萬蓉, 龐彪, 龐玉學, 張學仲, 王志堅 申請人:龐玉學