一种用于放热加压催化反应的方法及其反应器技术

本发明专利技术提供一种用于放热加压催化反应的方法及其反应器。该方法及反应器采用一带有催化床（４）的圆形压力容器（７），气体进口（１）位于容器（７）的封头上与内分布筒（５）相连接，形成反应气体的分流流道（２），而出口（１１）与容器（７）器壁和外分布筒（６）间形成的空间相连接，形成反应气体的集流流道（３），外分布筒（６）和内多孔壁筒（５）之间构成催化床（４），其间填装催化剂；反应气体由内分布筒（５）向外分布筒（６）径向流动呈离心式。该方法及反应器具有反应气体沿轴向分配均匀，床层温度分布优化，催化剂利用率高，流体经反应器的压降小等特点，适用于合成甲醇、氨、二甲醚等催化反应，同样适用于其它放热的加压气固相催化反应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化学反应工程
，具体的说，涉及一种用于放热加压催化反应的 方法及其反应器，特别涉及一种用于合成甲醇、氨、二甲醚等催化反应的方法及其反应 器。
技术介绍
众所周知，对于合成甲醇、氨、二甲醚等的催化反应过程一般采用固定床催化反应 器。为了降低反应器床层阻力，提高空速和增加生产能力而采用固定床径向催化反应器。 另外，对于由加压下合成甲醇、氨和二甲醚等这类气固相催化放热反应，随着反应过程 的进行，不断放出的反应热会使催化剂层温度提高，为了提高反应过程的效率，往往需 要及时把反应热移出以降低反应温度。在工业反应器中广为使用的一种是具有段间换热 的多段绝热反应器，段间采用原料气直接或者中间介质间接换热的方式来降低反应温 度，但这种反应器因原料气直接换热降低了反应物浓度，同时反应热也没有充分利用， 而间接换热使反应温度偏离最佳温度曲线过多，影响了反应过程的效率。在工业反应器 中广为使用的另一种英国专利GB689214公开的具有连续换热的管壳式轴向固定床反应 器，床层内由于连续换热，床层内温度较均一，又称之为拟等温轴向固定床反应器，该 类反应器不但反应温度均匀，转化率较高，反应副产物少，原料消耗低，空时产率较高， 而且可以充分利用反应热，在工业生产中使用广 乏，但是它的反应器容积利用率仅为1/3 左右，由于受设备加工限制，反应器直径不能过大，致使反应器床层高度很高，造成床 她阻力大、单位催化剂的比换热面积很低的众多缺陷，而且化工生产装置的单系列大型 化趋势出现后，大直径反应器在加工、制造、运输中均存在目前难以克服的困难。因此，为了提高反应效率，减少反应器内的压降损失，尽可能的回收高温位热量， 充分延长催化剂的使用寿命，更能满足反应器大型化的需求，不少工程技术人员开发了 床层内换热的径向固定床催化反应器。美国专利US4321234公开了一种径向流动固定床 催化反应器，给出了流体的流动方式和冷却管的排列方式，克服了列管式固定床反应器 床层阻力大的缺点，又能有效的利用反应热，但是反应器内存在较严重的流体分布不均 匀问题，且催化剂不能得到充分利用。日本专利JP59162942和中国专利CN1054430则公开了一种利用插管换热的径向流动固定床催化反应器，同样存在径向床层流体分布不 均匀，比较影响催化剂利用率，反应器结构复杂，催化剂装卸困难等缺陷。美国专利 US7055583和中国专利CN1571697公开了一种径向流动等温固定床催化反应器中的换 热单元，采用板式换热器，换热单元一体化设计但结构复杂，工程实施颇为困难。中国 专利CN1788835公开了一种横向流管式换热反应设备，反应器卧式放置，换热管横向 排列，反应物流从上向下横向流动并与之换热，降低了反应器的阻力，但是反应物流分 布不均，催化剂装卸困难，反应器内滑动管板密封困难。中国专利CN2880821公开了 一种悬挂式水管等温径向反应器，同样存在反应器结构复杂，催化剂装卸困难等缺陷。 中国专利CN2291201和CN2355787公开了一种径向流动副产蒸汽的固定床催化反应器， 其冷管分别为直管或盘管，直管传热效果差，而盘管加工复杂，床层更难以达到适宜的 温度分布。目前生产中工业中主要甲醇反应器类型指标的比较表见表1。表l、主要甲醇反应器类型指标的比较表<table>table see original document page 6</column></row><table>总而言之，上述各专利的反应器大都为流体由外向内呈向心式流动的z型径向反应器。分流流道位于反应器外筒壁一侧，由于外壁的热损失，将严重影响径向反应器的床层轴向温度分布，不均匀的床层温度，使催化剂的效率下降；而向心式的Z型流动，反 应器往往只能采用末端控制的径向流体均布技术(即中心管分布器的控制)，则会使径 向床流体流动的均匀度下降，不均匀的流动更难以使催化反应过程实现优化。考察了上述反应器结构、换热方式和反应气体的流动方式，归纳存在如下问题' 1、反应气体由外向内、由上向下流动，呈向心式Z型，流体的径向流动过程靠中 心管分布器控制，为此难以达到全床层的流体均布，或者不得不采用控制压降很大的气体分布器，将会使径向反应器低压降的特点大部丢失。横向管式换热的卧式设置，流体 分布更难均匀。2、 反应器内传统换热管径向传热效果较差；插管换热的径向反应器大直径制造困 难；而采用板式换热单元结构复杂，加工难度高，又将使径向反应器宜于大型化的特点 丢失。3、 传统径向反应器采用由外向内的向心式，反应气体在筒体与外分布筒之间的分 流流道内流动，由于热量损失产生温差变化，会导致床层轴向产生颇大的温度差异。4、 大多数径向反应器采用了向心式流动，流体流动速度沿半径方向逐渐加快，对 那些严重受平衡制约的化学反应，其后期反应速度又显著变慢，二者不相匹配，将会影 响径向反应器效率。
技术实现思路
本申请的专利技术人通过研究，对于放热的加压固定床气固相催化反应，找到一种优化的反应方法，反应气体在反应器内呈离心式的z型或n型流动，同时采用了强化径向传热的措施以及将径向传热过程与反应过程相适应的催化床最佳温度分布的方法，不仅可 以使轴径向流体分布均匀、降低反应器压降、提高催化床换热效率和提高催化剂利用率， 而且适合反应装置大型化加工、制造和运输，同时解决了现有反应器中的技术难题，也 克服了现有技术存在的上述缺陷。因此，本专利技术的首要目的就在于提供一种用于放热加压催化反应的方法。 本专利技术的另 一 目的在于提供一种能实现上述催化反应方法的反应器。 本专利技术需要解决的技术问题是-(1) 提供一种优化的用于合成甲醇、氨、二甲醚等放热反应的床层内换热式固定 床气固径向催化反应装置，催化剂利用率高，床层压降低，反应气体沿轴向均匀分布， 催化剂装填系数高等特点，更适合反应装置大型化加工、制造和运输。(2) 反应器内换热单元结构简单，采用有效措施强化径向错流传热，提高催化床 内的换热效果，单位催化床的比传热面积小。(3) 采用优化的流体均布方法和流体均布控制技术，釆用有利全程流体均布的始、 末端双边控制技术，采用最佳分流和集流流道的组合流体控制技术等低压降流体均布技 术，满足大直径的大型径向反应器技术要求。(4) 避免了反应气体在近外壁分流流道中的热损失，使催化床层的轴向温度更为均匀。(5)反应器采用了由内向外流动的离心式，反应气体沿半径流速逐渐变缓的过程 与受平衡制约的化学反应变慢的过程相匹配，有利于催化反应效率的优化； 因此，本专利技术的构思是这样的1. 反应气体采用由内向外、由上向下流动的Z型或由上向上、由下向下的n型流 动方式；且采用流体流动的始、末端双边控制技术，使流体径向流过催化床层实现全程 的流体分布均匀；2. 优化了分流流道和集流流道的流道截面设计，优化了其流道内的静压分布，达 到了可使用低压降的气体分布器，进一步降低了径向反应器的压降；3. 根据反应过程设计高效换热单元，让换热速率与反应速率相匹配，实现床层内 的温度分布最佳化，能显著提高反应器的效率；4. 气体由内向外作离心式流动，避免了反应器筒体热损失所造成的催化床轴向温 度的差异；5. 气体由内向外作离心式流动，沿半本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于放热加压催化反应的方法，其特征在于，在气固相固定床催化反应器内，换热为床层内进行，反应气体的流动方式为由内向外的离心式。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱子彬，朱学栋，唐黎华，李瑞江，吴勇强，黄震尧，刘玉兰，倪燕慧，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]