本發(fā)明涉及一種化工反應(yīng)器，尤其涉及的是一種水路自然循環(huán)的球腔聯(lián)箱蛇管式反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的加氫反應(yīng)器一般為列管式反應(yīng)器或板式反應(yīng)器，列管式反應(yīng)器，管內(nèi)裝填催化劑、管外是水。加氫反應(yīng)器的列管為φ45×4～φ70×4，目前在市場上已投運的最大產(chǎn)能為10萬噸的乙二醇，加氫反應(yīng)器規(guī)格做到φ6800H_催＝10000的規(guī)格，因熱應(yīng)力消除不徹底，床層阻力高，反應(yīng)器泄露，裝置處于停產(chǎn)狀態(tài)。在市場上很多地方投入運行的乙二醇裝置，實際單系列為5萬噸的乙二醇產(chǎn)能，20萬噸乙二醇的加氫反應(yīng)采用兩個系列，四臺φ4200、H_催＝6000的加氫反應(yīng)器并聯(lián)運行，存在催化劑裝填少、移熱能力差、阻力大、能耗高、副反應(yīng)物多、裝置難以放大等缺陷；板式加氫反應(yīng)器的板內(nèi)走水、板外裝填催化劑、氣體為全徑向流動，理論上可以滿足裝置大型化乙二醇裝置，實際工程上不適合加氫反應(yīng)使用。由于乙醇與乙二醇會發(fā)生增碳反應(yīng)，如果床層出現(xiàn)超溫容易形成結(jié)焦。

板式加氫反應(yīng)器的換熱元件時由若干個150～400(板寬)×H(板高)的長方體板圍成圓周面，此圓周面實際是一個多邊型的，催化劑會出現(xiàn)厚薄不均勻，容易發(fā)生催化劑床層局部過熱，出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象，沒有辦法投入實際的運行。

現(xiàn)有的羰化反應(yīng)器一般為列管式反應(yīng)器或板式反應(yīng)器，列管式反應(yīng)器，管內(nèi)裝填催化劑、管外是水。羰化反應(yīng)器的列管為φ25×2～φ32×2，目前在市場上已投運的最大產(chǎn)能為10萬噸的乙二醇，羰化反應(yīng)器規(guī)格做到φ6000H_催＝8000的規(guī)格，因熱應(yīng)力消除不徹底，床層阻力高，反應(yīng)器泄露，裝置處于停產(chǎn)狀態(tài)。在市場上很多地方投入運行的乙二醇裝置，實際單系列為5萬噸的乙二醇產(chǎn)能，20萬噸乙二醇的羰化反應(yīng)采用兩個系列，四臺φ4600、H_催＝6000的羰化反應(yīng)器并聯(lián)運行，存在催化劑裝填少、移熱能力差、阻力大、能耗高、容易發(fā)生分解爆炸、副反應(yīng)物多、管板易燒穿、裝置難以放大等缺陷；

板式羰化反應(yīng)器的換熱元件時由若干個150～400(板寬)×H(板高)的長方體板圍成圓周面，此圓周面實際是一個多邊型的，催化劑會出現(xiàn)厚薄不均勻，容易發(fā)生催化劑床層局部過熱，實際工程上不適合羰化反應(yīng)使用，由于亞硝酸甲酯在140℃就開始發(fā)生熱分解反應(yīng)，155～160℃時亞硝酸甲酯就會發(fā)生完全熱分解，而且發(fā)生熱分解反應(yīng)放出熱量大(3216j/g CH₃ONO)，同時是一個體積增大反應(yīng)(2CH₃ONO→CH₃OH+CH₂O+2NO)，導(dǎo)致溫度和壓力快速升高，勢必造成事故發(fā)生。

現(xiàn)有的甲醇反應(yīng)器一般為列管式反應(yīng)器、板式反應(yīng)器或小管板聯(lián)箱管束式反應(yīng)器，列管式反應(yīng)器，管內(nèi)裝填催化劑、管外是水。甲醇合成反應(yīng)器的列管為φ38×2～φ44×2，目前在市場上已投運的最大產(chǎn)能為40萬噸的甲醇，甲醇合成反應(yīng)器規(guī)格做到φ4200H_催＝7000的規(guī)格，因熱應(yīng)力消除不徹底，床層阻力高，反應(yīng)器泄露，列管式甲醇合成反應(yīng)器滿足不了大型化甲醇合成裝置。國內(nèi)在運行的大型化甲醇裝置，單系列產(chǎn)能為60或90萬噸，反應(yīng)器為卡薩利板式甲醇合成反應(yīng)器或戴維的小管板聯(lián)箱管束式甲醇合成反應(yīng)器，大型化甲醇反應(yīng)器市場已被國外技術(shù)商壟斷。但國內(nèi)引進(jìn)卡薩利板式甲醇合成反應(yīng)器九套，有六套泄露(如內(nèi)蒙古久泰能源、安徽華誼、內(nèi)蒙新新能源等)，檢修板式換熱器元件漏點時必須將催化卸出，檢修時間均在一個月以上。戴維的小管板聯(lián)箱管束式甲醇合成反應(yīng)器國內(nèi)引進(jìn)十套以上，布管難度大，換熱面積小副反應(yīng)物多，催化劑床層超溫(如神華包頭甲醇制烯烴項目的甲醇合成反應(yīng)器)，大型化裝置采用兩臺以上并聯(lián)運行，單臺甲醇合成反應(yīng)器難以實現(xiàn)大型化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種水路自然循環(huán)的球腔聯(lián)箱蛇管式反應(yīng)器，在徑向和軸向上消除應(yīng)力滿足生產(chǎn)需要。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括承壓殼體、催化劑框體和換熱管束，所述催化劑框體和換熱管束分別設(shè)置在承壓殼體內(nèi)；所述換熱管束包括出水管、集水球腔聯(lián)箱、蛇管、分水球腔聯(lián)箱和進(jìn)水管，所述出水管設(shè)置在承壓殼體的頂部，所述集水球腔聯(lián)箱的一端連接出水管的進(jìn)口，另一端通過支管和蛇管的出口相連，所述蛇管沿承壓殼體的軸向分布，所述分水球腔聯(lián)箱的一端通過支管連接蛇管的進(jìn)口，另一端連接進(jìn)水管的出口，所述進(jìn)水管連接在承壓殼體的底部。

檢修人員可以通過進(jìn)水管及出水管分別進(jìn)入分水球腔聯(lián)箱內(nèi)部和集水球腔聯(lián)箱內(nèi)部，不卸出催化劑前提下完成蛇管焊縫檢修。

所述承壓殼體包括上封頭、殼體、支撐平臺、下封頭；所述上封頭和殼體通過法蘭連接，所述支撐平臺設(shè)置在下封頭上，所述下封頭固定在殼體的底部。承壓殼體不參與反應(yīng)，主要承受壓力，不接觸高溫反應(yīng)氣體。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方式之一，所述上封頭上設(shè)有熱電偶口、出水口和上氣口，所述出水管設(shè)置在出水口內(nèi)。

作為本發(fā)明的優(yōu)選方式之一，所述下封頭上設(shè)有下氣口、進(jìn)水口和催化劑自卸口；所述進(jìn)水管設(shè)置在進(jìn)水口內(nèi)。

所述催化劑框體包括平蓋、外氣筒、內(nèi)氣筒、夾套和導(dǎo)氣管；所述平蓋設(shè)置在集水球腔聯(lián)箱的頂部，所述外氣筒沿殼體的軸向設(shè)置，所述內(nèi)氣筒套設(shè)在外氣筒內(nèi)，所述蛇管設(shè)置于外氣筒和內(nèi)氣筒之間的空隙內(nèi)，所述外氣筒和殼體之間具有空隙，所述集水球腔聯(lián)箱和分水球腔聯(lián)箱分別設(shè)置在外氣筒的頂部和底部，所述夾套套設(shè)在分水球腔聯(lián)箱上，所述夾套分別連通內(nèi)氣筒和導(dǎo)氣管，所述導(dǎo)氣管連接在下氣口內(nèi)，所述分水球腔聯(lián)箱和夾套支撐在支撐平臺上，所述出水管、平蓋、集水球腔聯(lián)箱、外氣筒、蛇管、內(nèi)氣筒、夾套、導(dǎo)氣管、進(jìn)水管形成的空間內(nèi)裝填催化劑。

一種使用所述的反應(yīng)器進(jìn)行加氫反應(yīng)或甲醇合成反應(yīng)的方法。

所述加氫反應(yīng)或甲醇合成反應(yīng)的方法，包括以下步驟：

(11)在催化劑框內(nèi)填裝銅硅系或銅鋅系催化劑；

(12)蛇管內(nèi)由下至上走水，上氣口進(jìn)反應(yīng)氣體，經(jīng)過外氣筒沿徑向穿過催化劑床層至內(nèi)氣筒，發(fā)生加氫反應(yīng)或甲醇合成反應(yīng)；

(13)反應(yīng)后，蛇管內(nèi)的水相變吸熱，將催化劑框內(nèi)的加氫或甲醇合成反應(yīng)后的熱量移出，氣體則由內(nèi)氣筒收集，進(jìn)入夾套與分水球腔聯(lián)箱的環(huán)隙，然后經(jīng)下氣口排出并帶走熱量。

一種使用所述的反應(yīng)器進(jìn)行羰化反應(yīng)的方法。

所述羰化反應(yīng)的方法，包括以下步驟：

(21)在催化劑框內(nèi)填裝鈀系催化劑；

(22)蛇管內(nèi)由下至上走水，下氣口進(jìn)反應(yīng)氣體，進(jìn)入夾套與分水球腔聯(lián)箱的環(huán)隙，經(jīng)過內(nèi)氣筒沿徑向穿過催化劑床層至外氣筒，發(fā)生羰化反應(yīng)；

(23)反應(yīng)后，蛇管內(nèi)的水相變吸熱，將催化劑框內(nèi)的羰化反應(yīng)后的熱量移出，氣體則由外氣筒收集，然后經(jīng)上氣口排出并帶走熱量。

本發(fā)明采用蛇管為主要換熱管束，蛇管管束在軸向和徑向上徹底消除熱應(yīng)力；采用外氣筒和內(nèi)氣筒技術(shù)確保氣體徑向流經(jīng)催化劑床層，羰化反應(yīng)的床層阻力≤0.001MPa，加氫反應(yīng)的床層阻力≤0.005MPa，甲醇合成反應(yīng)的床層阻力≤0.008MPa；采用蛇管為主要換熱管束，管內(nèi)走水管外走氣，氣體流動方向與水流動方向為垂直狀態(tài)；采用汽包與蛇管管束之間的水路循環(huán)為自然循，水路循環(huán)倍率高；采用蛇管為主要換熱管束與徑向氣體分布器技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，催化劑裝填量多、移熱能力強(qiáng)；采用進(jìn)水管及出水管分別分水球腔聯(lián)箱內(nèi)部和集水球腔聯(lián)箱內(nèi)部焊接密封，檢修人員可以通過進(jìn)水管及出水管分別進(jìn)入分水球腔聯(lián)箱內(nèi)部和集水球腔聯(lián)箱內(nèi)部，不卸出催化劑的前提下完成蛇管焊縫檢修。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明蛇管管束在軸向和徑向上徹底消除熱應(yīng)力，有效提高羰化、加氫、甲醇合成反應(yīng)器的安全穩(wěn)定性，有效避免現(xiàn)有技術(shù)中列管式反應(yīng)器容易泄露及板式反應(yīng)器中換熱板容易泄露等缺陷；

2、采用外氣筒和內(nèi)氣筒結(jié)合的技術(shù)確保氣體徑向流經(jīng)催化劑床層，有效降低羰化、加氫反應(yīng)及甲醇合成反應(yīng)循環(huán)機(jī)電耗，羰化反應(yīng)中每噸乙二醇可以降低循環(huán)機(jī)電耗300KW.h/t乙二醇以上，加氫反應(yīng)中每噸乙二醇可以降低循環(huán)機(jī)電耗100KW.h/t乙二醇以上，甲醇合成反應(yīng)中每噸甲醇可以降低循環(huán)機(jī)電耗56KW.h/t甲醇以上；

3、采用蛇管管內(nèi)走水、管外裝填催化劑管外走氣，催化劑裝填和自卸非常方便簡捷，采用外氣筒和內(nèi)氣筒技術(shù)確保氣體徑向流經(jīng)催化劑床層，氣體流動方向與水流動方向為垂直狀態(tài)；采用蛇管與分水球腔及集水球腔內(nèi)部焊接，實現(xiàn)不卸出催化劑前提下完成蛇管漏點檢修；

4、采用蛇管為主要換熱管束，管內(nèi)走水管外走氣，管內(nèi)水為湍流狀態(tài)，氣側(cè)水側(cè)傳熱系數(shù)高，氣體流動方向與水流動方向為垂直狀態(tài)，總體傳熱系數(shù)高移熱能力強(qiáng)，做到催化劑床層為近似等溫床層，有效避免床層超溫、結(jié)焦(加氫反應(yīng))、亞硝酸加熱熱分解現(xiàn)象(羰化反應(yīng))發(fā)生及結(jié)蠟(甲醇合成反應(yīng))，杜絕安全事故發(fā)生；

5、氣體徑向流動、阻力低，催化劑裝填量多、移熱能力強(qiáng)，滿足乙二醇、甲醇裝置大型化需要，10～30萬噸乙二醇的羰化反應(yīng)器或加氫反應(yīng)器一臺即可，羰化/加氫裝置僅為一個系列，可以使現(xiàn)有羰化/加氫裝置占地面積減少50％以上，工程投資降低50％以上，運行操作費用降低40％以上；90萬噸甲醇裝置一臺反應(yīng)器即可；

6、采用汽包與蛇管管束之間的水路循環(huán)為自然循環(huán)，有效杜絕現(xiàn)有強(qiáng)制循環(huán)羰化反應(yīng)裝置在突然停電時發(fā)生羰化反應(yīng)器及羰化系統(tǒng)爆炸的事故發(fā)生，同時杜絕現(xiàn)有強(qiáng)制循環(huán)加氫反應(yīng)裝置在突然停電時發(fā)生加氫反應(yīng)器超溫結(jié)焦等事故，確保大型化甲醇合成裝置副反應(yīng)物≤1000PPm。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。

實施例1

如圖1所示，本實施例包括承壓殼體、催化劑框體和換熱管束，所述催化劑框體和換熱管束分別設(shè)置在承壓殼體內(nèi)；所述換熱管束包括出水管4、集水球腔聯(lián)箱7、蛇管11、分水球腔聯(lián)箱13和進(jìn)水管18，所述出水管4設(shè)置在承壓殼體的頂部，所述集水球腔聯(lián)箱7的一端連接出水管4的進(jìn)口，另一端通過支管和蛇管11的出口相連，所述蛇管11沿承壓殼體的軸向分布，所述分水球腔聯(lián)箱13的一端通過支管連接蛇管11的進(jìn)口，另一端連接進(jìn)水管18的出口，所述進(jìn)水管18連接在承壓殼體的底部。

檢修人員可以通過進(jìn)水管18及出水管4分別進(jìn)入分水球腔聯(lián)箱13內(nèi)部和集水球腔聯(lián)箱7內(nèi)部，不卸出催化劑前提下完成蛇管11焊縫檢修。

承壓殼體包括上封頭5、殼體9、支撐平臺16、下封頭17；所述上封頭5和殼體9通過法蘭8連接，所述支撐平臺16設(shè)置在下封頭17上，所述下封頭17固定在殼體9的底部。承壓殼體不參與反應(yīng)，主要承受壓力，不接觸高溫反應(yīng)氣體。

上封頭5上設(shè)有熱電偶口1、出水口2和上氣口3，所述出水管4設(shè)置在出水口2內(nèi)；下封頭17上設(shè)有下氣口19、進(jìn)水口20和催化劑自卸口21；所述進(jìn)水管18設(shè)置在進(jìn)水口20內(nèi)。

所述催化劑框體包括平蓋6、外氣筒10、內(nèi)氣筒12、夾套14和導(dǎo)氣管15；所述平蓋6設(shè)置在集水球腔聯(lián)箱7的頂部，所述外氣筒10沿殼體9的軸向設(shè)置，所述內(nèi)氣筒12套設(shè)在外氣筒10內(nèi)，所述蛇管11設(shè)置于外氣筒10和內(nèi)氣筒12之間的空隙內(nèi)，所述外氣筒10和殼體9之間具有空隙，所述集水球腔聯(lián)箱7和分水球腔聯(lián)箱13分別設(shè)置在外氣筒10的頂部和底部，所述夾套14套設(shè)在分水球腔聯(lián)箱13上，所述夾套14分別連通內(nèi)氣筒12和導(dǎo)氣管15，所述導(dǎo)氣管15連接在下氣口19內(nèi)，所述分水球腔聯(lián)箱13和夾套14支撐在支撐平臺16上，所述出水管4、平蓋6、集水球腔聯(lián)箱7、外氣筒10、蛇管11、內(nèi)氣筒12、夾套14、導(dǎo)氣管15、進(jìn)水管18形成的空間內(nèi)裝填催化劑。

本實施例使用上述反應(yīng)器進(jìn)行加氫反應(yīng)的方法，包括以下步驟：

(11)在催化劑框內(nèi)填裝銅硅系催化劑；

(12)蛇管11內(nèi)由下至上走水，上氣口3進(jìn)反應(yīng)氣體，經(jīng)過外氣筒10沿徑向穿過催化劑床層至內(nèi)氣筒12，發(fā)生加氫反應(yīng)或甲醇合成反應(yīng)；

(13)反應(yīng)后，蛇管11內(nèi)的水相變吸熱，將催化劑框內(nèi)的加氫或甲醇合成反應(yīng)后的熱量移出，氣體則由內(nèi)氣筒12收集，進(jìn)入夾套14與分水球腔聯(lián)箱13的環(huán)隙，匯集到導(dǎo)氣管15，然后經(jīng)下氣口19排出并帶走熱量。

使用本實施例的反應(yīng)器進(jìn)行加氫反應(yīng)，可以完成CH₃OCOCOCH₃O+2H₂＝HOCH₂COOCH₃+CH₃OH+Q_放、HOCH₂COOCH₃+2H₂＝HOCH₂CH₂OH+CH₃OH+Q_放、HOCH₂CH₂OH+H₂＝CH₃CH₂OH+H₂O+Q_放、HOCH₂CH₂OH+CH₃CH₂OH＝HOCH₂C(CH₂CH₃)HOH+H₂O+Q_放等加氫反應(yīng)，反應(yīng)放出熱量被蛇管11內(nèi)的水吸收移除催化劑床層熱量，并副產(chǎn)1.0～2.5MPa飽和蒸汽。

實施例2

本實施例使用所述的反應(yīng)器進(jìn)行羰化反應(yīng)的方法，包括以下步驟：

(21)在催化劑框內(nèi)填裝鈀系催化劑；

(22)蛇管11內(nèi)由下至上走水，下氣口19進(jìn)反應(yīng)氣體，進(jìn)入夾套14與分水球腔聯(lián)箱13的環(huán)隙，經(jīng)過內(nèi)氣筒12沿徑向穿過催化劑床層至外氣筒10，發(fā)生羰化反應(yīng)；

(23)反應(yīng)后，蛇管11內(nèi)的水相變吸熱，將催化劑框內(nèi)的羰化反應(yīng)后的熱量移出，氣體則由外氣筒10收集，然后經(jīng)上氣口3排出并帶走熱量。

使用本實施例的反應(yīng)器，可以完成2CH₃ONO+2CO＝CH₃OCOCOCH₃O+2NO+Q_放、2CH₃ONO+CO＝CH₃OCOCH₃O+2NO+Q_放、2CH₃ONO＝HCHO+CH₃OH+2NO+Q_放等羰化反應(yīng)，反應(yīng)放出熱量被蛇管11內(nèi)水吸收移除催化劑床層熱量，并副產(chǎn)0.08～0.12MPa飽和蒸汽。

本實施例的氣體走向與實施例1相反，其他實施方式和實施例1相同。

實施例3

本實施例使用所述的反應(yīng)器進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)的方法，包括以下步驟：

(31)在催化劑框內(nèi)填裝銅鋅系催化劑；

(32)蛇管11內(nèi)由下至上走水，上氣口3進(jìn)反應(yīng)氣體，經(jīng)過外氣筒10沿徑向穿過催化劑床層至內(nèi)氣筒12，發(fā)生H₂與CO、CO₂生成CH₃OH(甲醇)合成反應(yīng)；

(33)反應(yīng)后，蛇管11內(nèi)的水相變吸熱，將催化劑框內(nèi)的甲醇合成反應(yīng)后的熱量移出，氣體則由內(nèi)氣筒12收集，進(jìn)入夾套14與分水球腔聯(lián)箱13的環(huán)隙，匯集到導(dǎo)氣管15,然后經(jīng)下氣口19排出并帶走熱量。

使用本實施例的反應(yīng)器，可以完成2H₂+CO＝CH₃OH+Q_放、3H₂+CO₂＝CH₃OH+H₂O+Q_放等甲醇合成反應(yīng)，反應(yīng)放出熱量被蛇管11內(nèi)水吸收移除催化劑床層熱量，并副產(chǎn)2.0～3.8MPa飽和蒸汽。

其他實施方式和實施例1相同。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。