具有螺旋预热通道的合成反应器

摘要

一种具有螺旋预热通道的合成反应器，涉及到一种化学合成反应设备。主要由上端头、反应室壁体、螺旋导流板、上隔板、下隔板、下端头和反应器壳体组成，其中，反应器壳体围护在反应室壁体的外围，反应器壳体与反应室壁体之间有空间，螺旋导流板以盘旋方式设置在反应器壳体与反应室壁体之间的空间中，使反应器壳体与反应室壁体之间的空间形成螺旋预热通道；螺旋预热通道的上端由上隔板进行封闭，下隔板封闭在螺旋预热通道的下端和反应室的下端；反应室壁体的下部有环绕分布的过孔群，螺旋预热通道的下部由过孔群连通到反应室的下部。本发明的螺旋预热通道能更充分利用反应室内的反应热来加热原料气或未反应气，更容易催化合成目标产物。

权利要求

1.一种具有螺旋预热通道的合成反应器，其特征是合成反应器主要由上端头(I )、反应室壁体(10)、螺旋导流板(4)、上隔板(36)、下隔板(11)、下端头(17)和反应器壳体(5)组成，其中，反应室壁体(10)呈圆筒体结构，反应室壁体(10)圆筒体结构的内空间构成反应室(II);反应器壳体(5)呈圆筒体结构，反应器壳体(5)围护在反应室壁体(10)的外围，反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间有空间，螺旋导流板(4)以盘旋方式设置在反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间的空间中，使反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间的空间形成螺旋预热通道(I );螺旋预热通道(I )的上端由上隔板(36)进行封闭，上隔板(36)呈圆环形结构，上隔板(36)连接在反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间；下隔板(11)呈圆盘形结构，下隔板(11)封闭在螺旋预热通道(I )的下端和封闭在反应室(II)的下端构成反应室(II)的底壁；反应室壁体(10)的下部有环绕分布的过孔群(25)，螺旋预热通道(I )的下部由过孔群(25)连通到反应室(II)的下部，螺旋预热通道(I )的上部有循环气输入口(35)接入；上端头(I)安装在反应器壳体(5)的上端口，上端头(I)与反应器壳体(5)的上部围护的空间构成上气室(VI)，上气室(VI)有混合气输出接口(38)接出；下端头(17)安装在反应器壳体(5)的下端口，下端头(17)与反应器壳体(5)的下部围护的空间构成下气室(IV)，下气室(IV)的上部有混合气输入接口(21)接入，下气室(IV)的下部为集液区，集液区的底部有产物出口(19)接出。

2.根据权利要求1所述的一种具有螺旋预热通道的合成反应器，其特征是反应室(II)的底壁上有催化剂卸料出口(12)接出。

3.根据权利要求1所述的一种具有螺旋预热通道的合成反应器，其特征是循环气输入口(35)由合成反应器的外部接入到螺旋预热通道(I )的上部。

4.根据权利要求1所述的一种具有螺旋预热通道的合成反应器，其特征是混合气输出接口(38)从上气室(VI)接出合成反应器。

5.根据权利要求1所述的一种具有螺旋预热通道的合成反应器，其特征是在反应器壳体(5)的外侧壁上安装保温层(6)。

6.根据权利要求1所述的一种具有螺旋预热通道的合成反应器，其特征是在反应室(II)中有调温盘管(8)，调温盘管(8)的上端有调温介质出口(7)接出，调温盘管(8)的下端有调温介质进口(9)接入。

7.根据权利要求1所述的一种具有螺旋预热通道的合成反应器，其特征是在下气室(IV)中设置气液分离器(16)和集气罩(15)，气液分离器(16)包括百页窗式分离器、盘管冷却分离器和表冷器式分离器；集气罩(15)的内空间构成集气室(III)，集气室(III)的顶部有集气罩出口( 14)接出，集气罩出口( 14)通过循环气输出口(24)接出反应器壳体(5)的下部侧壁；在合成反应器的外部设置连通管(33)，循环气输出口(24)通过连通管(33)连接到螺旋预热通道(I )上部的循环气输入口(35)。

8.根据权利要求1所述的一种具有螺旋预热通道的合成反应器，其特征是上端头(I)为圆盘体结构，在上端头(I)与反应器壳体(5)上端的连接面之间有密封圈a (2)。

9.根据权利要求1所述的一种具有螺旋预热通道的合成反应器，其特征是下端头(17)为圆弧底结构，下端头(17 )与反应器壳体(5 )下端的连接面之间有密封圈b (20 )。

说明书

具有螺旋预热通道的合成反应器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种化工设备，特别涉及到一种化学合成反应器。

背景技术

[0002] 在化学合成的生产中，都需要把原料气或未反应器进行预热，使其在合适的温度条件下催化合成目标产物。在催化剂存在的条件下，大多数化学合成反应都是可逆反应，当目标产物达到一定浓度后，将处于平衡，反应将不再向合成目标产物的方向进行。人们在进行化合反应的生产过程中，为了使反应能继续向目标产物方向进行，必须使混合产物从合成反应器中输出以及向合成反应器内补入新原料气，使合成反应器内的目标产物浓度降低、破坏平衡后使化合反应继续进行，混合产物从合成反应器中输出后，通过分离设备把未反应气分离出来，再把未反应气返回合成反应器内进行循环反应，由于单程催化率仅在20%左右，原料气必须通过多次循环压缩后才能在合成反应器内反应成目标产物，而每次循环压缩都需消耗很大的压缩能耗。

[0003] 现有的合成反应器中，在应用催化剂合成的条件下，合成氨的操作压力在SMPa以上，合成甲醇的操作压力在3〜15MPa之间，合成气直接合成二甲醚的操作压力在2〜5MPa之间，要获得上述的操作压力，必须采取多级压缩才能实现，压缩能耗很大，因此，现有的合成反应器必须进行多次循环和多级压缩才能把原料气合成为目标产物的生产过程，存在电能消耗大的缺点。

发明内容

[0004] 本发明的目的是要克服现有化学合成设备的缺点，设计一种使原料气只需通过单程压缩就能全部合成为目标产物的具有螺旋预热通道的合成反应器，充分利用反应热使原料气或未反应气进行预热，以大幅降低电能消耗和提高催化效率，在合成氨、甲醇、二甲醚的生产及在其它需进行化学合成的生产过程中实现节能减排。

[0005] 本发明的一种具有螺旋预热通道的合成反应器，其特征是合成反应器主要由上端头(I)、反应室壁体(10)、螺旋导流板(4)、上隔板(36)、下隔板(11)、下端头(17)和反应器壳体(5)组成，其中，反应室壁体(10)呈圆筒体结构，反应室壁体(10)圆筒体结构的内空间构成反应室(II);反应器壳体(5)呈圆筒体结构，反应器壳体(5)围护在反应室壁体(10)的外围，反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间有空间，螺旋导流板(4)以盘旋方式设置在反应器壳体(5 )与反应室壁体(10 )之间的空间中，使反应器壳体(5 )与反应室壁体(10 )之间的空间形成螺旋预热通道(I );螺旋预热通道(I )的上端由上隔板(36)进行封闭，上隔板(36)呈圆环形结构，上隔板(36)连接在反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间；下隔板(11)呈圆盘形结构，下隔板(11)封闭在螺旋预热通道(I )的下端和封闭在反应室(II)的下端构成反应室(II)的底壁；反应室壁体(10)的下部有环绕分布的过孔群(25)，螺旋预热通道(I )的下部由过孔群(25)连通到反应室(II)的下部，螺旋预热通道(I )的上部有循环气输入口( 35)接入；上端头(I)安装在反应器壳体(5)的上端口，上端头(I)与反应器壳体(5)的上部围护的空间构成上气室(VI)，上气室(VI)有混合气输出接口(38)接出；下端头(17)安装在反应器壳体(5)的下端口，下端头(17)与反应器壳体(5)的下部围护的空间构成下气室(IV)，下气室(IV)的上部有混合气输入接口(21)接入，下气室(IV)的下部为集液区，集液区的底部有产物出口(19)接出。

[0006] 本发明中，反应室(II)的底壁上有催化剂卸料出口(12)接出；循环气输入口(35)由合成反应器的外部接入到螺旋预热通道(I )的上部；混合气输出接口(38)从上气室(VI)接出合成反应器；在反应器壳体(5)的外侧壁上安装保温层(6);在反应室(II)中有调温盘管(8)，调温盘管(8)的上端有调温介质出口(7)接出，调温盘管(8)的下端有调温介质进口(9)接入；在下气室(IV)中设置气液分离器(16)和集气罩(15)，气液分离器(16)包括百页窗式分离器、盘管冷却分离器和表冷器式分离器；集气罩(15)的内空间构成集气室(III)，集气室(III)的顶部有集气罩出口( 14)接出，集气罩出口( 14)通过循环气输出口(24)接出反应器壳体(5)的下部侧壁；在合成反应器的外部设置连通管(33)，循环气输出口(24)通过连通管(33 )连接到螺旋预热通道(I )上部的循环气输入口( 35 );上端头(I)为圆盘体结构，在上端头(I)与反应器壳体(5)上端的连接面之间有密封圈a (2);下端头(17)为圆弧底结构，下端头(17)与反应器壳体(5)下端的连接面之间有密封圈b (20)。

[0007] 上述发明中，利用螺旋导流板(4)以盘旋方式设置在反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间的空间中，使反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间的空间形成螺旋预热通道(I )，预热通道的有效行程得到延长，使原料气或未反应气在预热通道中的逗留时间得到延长，从而能更充分利用反应室(II)内的反应热来加热原料气或未反应气，加热后的原料气或未反应气进入到反应室(II)内后，更容易被催化合成目标产物。在进行化学合成生产时，反应室(II)内及螺旋预热通道(I )内充满原料气或未反应气，反应室(II)内的原料气或未反应气在催化剂作用下，进行化合反应，生成目标产物，在原料气进行化学合成反应时，会产生热量，所生成的反应热会使反应室(II)内升温，升高的温度通过反应室(II)的壁体(10)和螺旋导流板(4)进行传热，使螺旋预热通道(I )升温，从而使螺旋预热通道(I )内的原料气或未反应气得到升温而进行预热，经预热后的原料气或未反应气通过反应室壁体(10)下部的过孔群(25)进入到反应室(II)内，接触到催化剂后，生成目标产物，在反应室(II)内的是目标产物与未反应气的混合气。在不断生成目标产物时，便不断产生反应热，从而不断对螺旋预热通道(I )内的原料气或未反应气进行预热。

[0008] 上述的发明在具体实施时，在合成反应器的外围设置下降管，把下降管的输入接口连接到上气室(VI)的混合气输出接口(38)上，把下降管的输出接口连接到下气室(IV)的混合气输入接口( 21)上。生产时，下降管内充满目标产物与未反应气的混合气，通过对下降管进行冷却，使管内的混合气降温而密度增大，根据重力循环原理，降温后的混合气会进行下降运动，进入到下气室(IV)中，混合气中的目标产物在降温后达到露点温度以下时，便成为液态的目标产物，经气液分离器(16)分离的液态目标产物由产物出口(19)输出进入贮罐，未反应气经集气室(III)通过集气罩出口(14)、循环气输出口(24)、连通管(33)和循环气输入口(35)进入到螺旋预热通道(I )中，经预热升温后，再由反应室下部壁体上的过孔群(25)进入到反应室(II)中，进行化学合成反应，反应热使反应室(II)内的混合气升温，根据重力循环原理，升温后的混合气会进行上升运动，进入到上气室(VI)中，这时，由于下降管中的混合气进行下降运动，从而产生引力使上气室(VI)中的混合气进入到下降管中。如此周而复始，由合成反应器及设置在外围的下降管在等压条件形成自动循环，并及时分离出目标产物，合成目标产物所消耗的原料气通过原料补气接口进行补充，使合成反应器内的目标产物浓度始终低于平衡点，使得化合反应能持续进行。本发明的合成反应器与设置在外围的下降管组合应用后，使原料气只需通过单程压缩就能全部合成为目标产物，克服了原料气需进行反复循环压缩电能消耗大的缺点，提高了催化效率，实现节能减排。

[0009] 上述的发明中，在反应室(II)中设置调温盘管(8)，使调温介质在调温盘管(8)内流动，通过输入高温的调温介质或低温的调温介质，对反应室(II)进行辅助加热或辅助冷却，在设备投入运行的初始产生适合目标产物合成的室温，在设备正常运行时进行操作温度的调节，同时，起到使原料气加速循环催化的作用。

[0010] 上述的发明中，在下气室(IV)中设置集气罩(15)，其作用是使未反应气在集气罩(15)聚集，使集气罩(15)的内空间构成集气室(III)，使比重大的目标产物进不到集气罩(15)的顶部，从而防止下气室(IV)中的气态目标产物通过连通管(33)和螺旋预热通道(I )反馈到反应室(II)内，影响到反应室(II)内的催化效率。

[0011] 上述的发明中，在下气室(IV)中设置气液分离器(16)，其目的是把目标产物及时分离出来，降低合成反应器内的目标产物浓度，使化合反应向有利的方向进行，使原料气加快合成目标产物，提高催化效率。所述的气液分离器(16)包括百页窗式分离器、盘管冷却分离器和表冷器式分离器，当使用百页窗式分离器时，以碰撞分离方式进行气液分离，混合物中的雾化产物粒子在流动过程中遇到百页档板时，经碰撞相互凝结成团而形成液态的目标产物；当使用盘管冷却分离器和表冷器式分离器时，以冷凝分离方式进行气液分离，在盘管或表冷器的表面温度降到目标产物的露点温度以下时，便使气态的目标产物凝结在盘管或表冷器的表面而分离出液态产物，或者在下气室(IV)的室温降低到目标产物的露点温度以下时，气态的目标产物便冷凝成液态的目标产物，达到分离目的。

[0012] 本发明的有益效果是:设计的一种具有螺旋预热通道的合成反应器，利用螺旋导流板(4)使反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间的空间形成螺旋预热通道(I )，使得预热通道的行程得到延长，从而能更充分利用反应室(II)内的反应热来加热原料气或未反应气，使原料气或未反应气更容易被催化合成目标产物。本发明的合成反应器与设置在外围的下降管组合应用后，使原料气只需通过单程压缩就能全部合成为目标产物，以大幅降低电能消耗和提高催化效率，在化学合成的生产过程中实现节能减排。与常规技术相比，本发明克服了常规的化学合成设备需把原料气进行反复循环压缩电能消耗大的缺点。本发明可在甲醇、二甲醚、合成氨等化学合成产品的生产线上应用。

附图说明

[0013] 图1是本发明的一种具有螺旋预热通道的合成反应器结构图。

[0014] 图2是在具有螺旋预热通道的合成反应器外部增加下降管移热组件的结构图。

[0015] 图中:1.上端头，2.密封圈a，3.温度传感器，4.螺旋导流板，5.反应器壳体，6.保温层，7.调温介质出口，8.调温盘管，9.调温介质进口，10.反应室壁体，11.下隔板，12.催化剂卸料出口，13.催化剂卸料管，14.集气罩出口，15.集气罩，16.气液分离器，17.下端头，18.产物输出管，19.产物出口，20.密封圈b，21.混合气输入接口，22.原料补气接口，23.连接管b，24.循环气输出口，25.过孔群，26.下降管出口，27.冷却水进口，28.下降直管，29.下降盘管a，30.下降盘管b，31.移热器外壳，32.冷却水出口，33.连通管，34.下降管进口，35.循环气输入口，36.上隔板，37.连接管a，38.混合气输出接口，1.螺旋预热通道，I1.反应室，II1.集气室，IV.下气室，V.移热交换室，V1.上气室。

具体实施方式

[0016] 实施例1图1所示的实施例中，具有螺旋预热通道的合成反应器主要由上端头(I)、反应室壁体(10)、螺旋导流板(4)、上隔板(36)、下隔板(11)、下端头(17)和反应器壳体(5 )组成，其中，反应室壁体(1 )呈圆筒体结构，反应室壁体(10 )圆筒体结构的内空间构成反应室(II);反应器壳体(5)呈圆筒体结构，反应器壳体(5)围护在反应室壁体(10)的外围，在反应器壳体(5 )的外侧壁上安装保温层(6 )，反应器壳体(5 )与反应室壁体(10 )之间有空间，螺旋导流板(4)以盘旋方式设置在反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间的空间中，使反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间的空间形成螺旋预热通道(I );螺旋预热通道(I )的上端由上隔板(36)进行封闭，上隔板(36)呈圆环形结构，上隔板(36)连接在反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间；下隔板(11)呈圆盘形结构，下隔板(11)封闭在螺旋预热通道(I )的下端和封闭在反应室(II)的下端构成反应室(II)的底壁，在反应室(II)的底壁上有催化剂卸料出口( 12 )接出，在反应室(II)中有调温盘管(8 )，调温盘管(8 )的上端有调温介质出口( 7 )接出，调温盘管(8 )的下端有调温介质进口( 9 )接入；反应室壁体(10 )的下部有环绕分布的过孔群(25)，螺旋预热通道(I )的下部由过孔群(25)连通到反应室(II)的下部，循环气输入口(35)由合成反应器的外部接入到螺旋预热通道(I )的上部；上端头(I)为圆盘体结构，上端头(I)安装在反应器壳体(5 )的上端口，在上端头(I)与反应器壳体(5)上端的连接面之间有密封圈a (2)，上端头(I)与反应器壳体(5)的上部围护的空间构成上气室(VI)，在上气室(VI)中有温度传感器(3)，混合气输出接口(38)从上气室(VI)接出合成反应器；下端头(17)为圆弧底结构，下端头(17)安装在反应器壳体(5)的下端口，下端头(17)与反应器壳体(5)下端的连接面之间有密封圈b (20)，下端头(17)与反应器壳体
(5)的下部围护的空间构成下气室(IV)，下气室(IV)的上部有混合气输入接口(21)接入，下气室(IV)的下部为集液区，集液区的底部有产物出口( 19)接出，在下气室(IV)中设置气液分离器(16)和集气罩(15),气液分离器(16)为百页窗式分离器；集气罩(15)的内空间构成集气室(III)，集气室(III)的顶部有集气罩出口( 14)接出，集气罩出口( 14)通过循环气输出口(24)接出反应器壳体(5)的下部侧壁。本实施例中，在合成反应器的外部设置连通管
(33)，循环气输出口(24)通过连通管(33)连接到螺旋预热通道(I )上部的循环气输入口
(35)。本实施例利用螺旋导流板(4)以盘旋方式设置在反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间的空间中，使反应器壳体(5)与反应室壁体(10)之间的空间形成螺旋预热通道(I )，使得预热通道的行程得到延长，使原料气或未反应气在预热通道中的逗留时间得到延长，从而能更充分利用反应室(II)内的反应热来加热原料气或未反应气，加热后的原料气或未反应气进入到反应室(II)内后，更容易被催化合成目标产物。

[0017] 实施例2图2所示的实施例中，是在第一实施例的基础上，在合成反应器的外部增加了下降管移热组件，第一实施例所述的合成反应器不再赘述，所增加的下降管移热组件由下降直管(28)、下降盘管a (29)、下降盘管b (30)和移热器外壳(31)组成，其中，移热器外壳(31)的内空间构成移热交换室(V)，移热交换室(V)的下部有冷却水进口(27)接入，移热交换室(V)的上部有冷却水出口(32)接出，下降直管(28)、下降盘管a (29)和下降盘管b (30)设置在移热交换室(V)中，下降直管(28)、下降盘管a (29)和下降盘管b(30)的内空间互相连通，下降直管(28)的上部分别有下降盘管a (29)的上连接口和下降盘管b (30)的上连接口，下降直管(28)的下部分别有下降盘管a (29)的下连接口和下降盘管b (30)的下连接口，下降直管(28)在中心，下降盘管b (30)围绕在下降直管(28)的外围，下降盘管a (29)围绕在下降盘管b (30)的外围，下降盘管a (29)的上端口和下降盘管b (30)的上端口连接到下降直管(28)上部的连接口上，下降盘管a (29)的下端口和下降盘管b (30)的下端口连接到下降直管(28)下部的连接口上，下降直管(28)的上端由移热器外壳(31)的顶板穿出移热交换室(V)后连接到下降管进口(34)上，下降直管(28)的下端由移热器外壳(31)的底板穿出移热交换室(V)后连接到下降管出口(26)上，下降管进口(34)通过连接管a (37)连接到合成反应器的混合气输出接口(38)上，下降管出口
(26)通过连接管b (23)连接到合成反应器的混合气输入接口(21)，在下降管出口(26)与混合气输入接口(21)之间的连接管b (23)上有原料补气接口(22)接入。本实施例在进行化学合成生产时，下降直管(28)、下降盘管a (29)、下降盘管b (30)内充满目标产物与未反应气的混合气，移热交换室(V)内的冷却水对下降直管(28)、下降盘管a (29)、下降盘管b (30)进行冷却，使下降直管(28)、下降盘管a (29)、下降盘管b (30)内的混合气温度下降而密度增大，降温后的混合气进行下降运动，进入到下气室(IV)中，混合气中的目标产物在降温后达到露点温度以下时，便成为液态的目标产物，经气液分离器(16)分离的液态目标产物由产物出口(19)输出进入产品贮罐，未反应气经集气室(III)通过集气罩出口
(14)、循环气输出口(24)、连通管(33)和循环气输入口(35)进入到螺旋预热通道(I )中，经预热升温后，再由反应室壁体(10 )下部的过孔群(25 )进入到反应室(II)中，进行化学合成反应，反应热使反应室(II)内的混合气升温，升温后的混合气进行上升运动，进入到上气室(VI)中，这时，由于下降管中的混合气进行下降运动，从而产生引力使上气室(VI)中的混合气进入到下降管中。如此周而复始，由合成反应器及设置在外围的下降直管(28)、下降盘管a (29)、下降盘管b (30)在等压条件形成自动循环，并及时分离出目标产物，合成目标产物所消耗的原料气通过原料补气接口进行补充，使合成反应器内的目标产物浓度始终低于平衡点，使得化合反应能持续进行。合成反应器运行时，根据设置在上气室(VI)的温度传感器(3)检测的反应室温度，操作反应室(II)中调温盘管(8)的介质温度和流量来对反应室
(II)进行辅助加热或辅助冷却，使反应室(II)的室温适合目标产物合成的温度，使原料气加速循环催化。

[0018] 上述的实施例作为甲醇、二甲醚、合成氨或其它化学合成产品的生产线上应用。当作为合成甲醇设备应用时，在反应室(II )中设置以48%的Cu0、46%的ZnO和5%的Al2O3为组份的颗粒状催化剂，再把一体积的CO和二体积的H2混合后作为原料气输入到合成反应器内，进行合成甲醇生产，原料气合成为甲醇的反应式为C0+2H2— CH 3OH+12.5kj ;当作为一步法合成二甲醚设备应用时，在反应室(II)中设置以48%的Cu0、46%的ZnO和5%的Al2O3为组份的颗粒状催化剂，再加填ZSM-5分子筛，再把一体积的CO和二体积的H 2混合后作为原料气输入到合成反应器内，进行合成二甲醚生产，原料气合成为二甲醚的反应式为2C0+4H2—(CH3)20+H20+200.2kj ;当作为合成氨设备应用时，在反应室(II)中设置以催化剂组份以Fe为主，以A1203、K2O, CaO、S12, BaO为促进剂，再把一体积的N2和三体积的H2混合后作为原料气输入到合成反应器内，进行合成氨生产，原料气合成为氨的反应式为N2+3H2— 2NH 3+92.1kj。