CN201253565Y - 外冷式合成塔 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种外冷式合成塔，包括壳体、上管板、下管板、反应管、浮头和托管，其中上管板密闭封装在所述壳体上部，该上管板上具有插孔；至少一根反应管，每根反应管的一端与所述上管板上的一个插孔密闭连接，反应管与所述上管板密闭的壳体上部相导通，并且每根反应管内填充有催化剂；下管板上具有插孔，每一个插孔与一根反应管的一端密闭连接；浮头容置于所述壳体内部，该浮头的一端开口与所述下管板外缘密闭连接；托管，与所述浮头连接并导通；该壳体内部，反应管、浮头和托管外侧容置有饱和水。本实用新型外冷式合成塔通过将管束浸在饱和水中，使得可以方便有效地调节催化剂床层温度均匀，且能够副产蒸汽，合理利用反应热能。

Description

外冷式合成塔

技术领域

本实用新型涉及固定床催化反应器领域，特别涉及一种用于甲醇/费托合成反应的外冷式合成塔。

背景技术

合成塔是煤、石油与化学工业中最常见的一种反应压力容器，尤其在合成氨和甲醇，或者一氧化碳变换等工业过程中应用更为广泛。无论是国内还是国外，在石油与化学工业中所使用的合成塔的结构型式种类繁多、各不相同。按气体在催化剂床层中流动的形式分类，可分为轴向流动合成塔和径向流动合成塔两种类型。按换热形式分类，可分为冷激式、内冷式和外冷式三种类型。但是，无论是哪种形式的合成塔，都各有其优点和不足之处。例如：英国ICI公司的多段冷激式合成塔，其优点是结构较为简单，制造比较方便，单台合成塔的生产能力较大，有利于生产规模大型化的工业装置。但是其显著的缺点是反应温度不均匀，操作难度大，气体“返混”现象较为严重，因此，转化率较低，特别是能量利用很不合理，不能副产蒸汽。又例如：内冷式合成塔，早在上世纪五、六十年代，在合成氨工业装置中就已广泛应用的单管逆流，单管并流，双套管并流以及三套管并流等就属于内冷式合成塔。这类合成塔的优点就是利用自身的反应热对原料气进行预热。其缺点是催化剂床层温度不均，且不能副产蒸汽，这种结构型式的合成塔多用于中、小型生产规模的工厂，很难实现单系列大型化。综上所述，现有合成塔主要存在以下几种缺陷：

1、催化剂床层温度不均匀，催化剂床层有些地方温度过高，有些地方温度又很低，这样会造成催化剂的寿命降低；

2、能量利用很不合理，不能副产蒸汽，造成催化反应产生的热量不能有效充分地加以利用；

3、单塔生产能力低，很难适应单系列大型化生产的要求；

4、操作适应性差。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种外冷式合成塔，有效解决现有技术中催化剂床层温度不均匀、不能副产蒸汽等技术缺陷。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种外冷式合成塔，包括：

壳体；

上管板，密闭封装在所述壳体上部，该上管板上具有插孔；

至少一根反应管，每根反应管的一端与所述上管板上的一个插孔密闭连接，反应管与所述上管板密闭的壳体上部相导通，并且每根反应管内填充有催化剂；

下管板，该下管板上具有插孔，每一个插孔与一根反应管的另一端密闭连接；

浮头，容置于所述壳体内部，该浮头的一端开口与所述下管板外缘密闭连接；

托管，与所述浮头连接并导通，该托管下端与所述壳体相密闭封接；

该壳体内部，反应管、浮头和托管外侧容置有饱和水。

所述壳体的顶端具有用于导入反应物的第一入口。所述壳体的下端具有用于导入饱和水的第二入口。所述壳体的顶端具有用于导入催化剂的第三入口。所述上管板之下的壳体具有用于导出饱和水和/或水蒸气的第一出口。所述托管和浮头的连接部具有用于支承催化剂和使合成气顺利流出的瓷球。所述壳体下部具有用于补偿所述壳体和浮头之间膨胀差以及密封饱和水的波形补偿器。所述上管板和壳体上部的封装为焊接或法兰连接。所述托管和壳体的密闭封接为焊接或法兰连接。所述反应管的直径为25～60毫米，所述反应管的长度为6000～13000毫米。

本实用新型外冷式合成塔通过将反应管浸在饱和水中，使得可以方便有效地带走反应热，调节催化剂床层的温度，还可延长催化剂寿命，且能够副产蒸汽，合理利用反应热能，单塔产量高，能实现单系列大型化，此外还具有操作适应性强的优点。

附图说明

图1为本实用新型外冷式合成塔第一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型外冷式合成塔第二实施例的结构示意图；

图3为本实用新型外冷式合成塔第三实施例的结构示意图。

附图标记说明：

1-壳体；           2-上管板；        3-反应管；

4-下管板；         5-浮头；          6-托管；

7-出口管；         8-第一入口；      9-第二入口；

10-第三入口；      11-第一出口；     12-瓷球；

13-波形补偿器；    14-支承管。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本实用新型外冷式合成塔第一实施例的结构示意图，如图1所示，本实用新型外冷式合成塔包括壳体1、上管板2、反应管3、下管板4、浮头5、托管6和出口管7，其中，上管板2与壳体1的上部密闭封装，且上管板2上具有至少一个插孔；在壳体1内还具有至少一根反应管3，每根反应管3内填充有催化剂，每根反应管3的一端都与上管板2上的一个插孔密闭连接，且反应管3的上部端口与上管板2所密闭的壳体1的上部是相导通的；下管板4位于壳体1的下部，其上也具有至少一个插孔，每一个插孔都与一根反应管3的一端密闭连接；在下管板4的下端具有浮头5，浮头5容置于壳体1内部，该浮头5的上端开口与下管板4的外缘密闭连接；浮头5的下部连接托管6且与托管6是相导通的，该托管6的下端与壳体1相密闭封接，且在托管6内有一根用于支托瓷球和催化剂的支承管14。此外，在壳体1内部的反应管3、浮头5和托管6外侧都容置有饱和水。

本实用新型外冷式合成塔工作时，来自入塔气预热器的原料气从合成塔顶部的原料气入口进入该合成塔内的反应管3中，自上而下轴向流过反应管3中的催化剂床层，发生催化放热反应，反应热被反应管3外的饱和水迅速而均匀地带走，这样可使得反应管3内的催化剂床层的温度比较均匀，催化剂不会产生过热而失效，使用寿命可以延长。反应后的气体可以通过壳体1下部的出口管7流出进入下一个设备。

本实用新型外冷式合成塔通过将反应管浸在饱和水中，使得可以方便有效地带走反应热，调节催化剂床层的温度，还可以延长催化剂寿命，且能够副产蒸汽，合理利用反应热能。

如图1所示，本实用新型外冷式合成塔包括壳体1、上管板2、反应管3、下管板4、浮头5、托管6和出口管7，其中反应管3的直径为φ25～φ60毫米，长度为6000～13000毫米，此外，还可以包括第一入口8、第二入口9、第三入口10、第一出口11、瓷球12和波形补偿器13以及支承管14。用于导入反应物的第一入口8设置于壳体1的顶端，壳体1的顶端还设置有用于装填催化剂的第二入口9，壳体1的下端设置有用于导入饱和水的第三入口10；上管板2下方的壳体1上设置用于导出水蒸气的第一出口11，托管6和浮头5的连接部具有用于支承催化剂和利于合成气顺利流出的瓷球12，并且托管6内有一根用以支承瓷球12和催化剂的支承管14，在壳体1的下部还设置有波形补偿器13，波形补偿器13用于补偿壳体1和反应管3之间由于温差所引起的膨胀差，而且还能够对壳体1内的饱和水起到密封作用。

本实用新型外冷式合成塔的工作过程是这样的：如图1所示，以生产甲醇为例，反应前，可以从壳体1顶端的第一入口8导入反应物，从壳体1顶端的第二入口9导入催化剂，从壳体1下端的第三入口10导入饱和水，然后来自入塔气预热器的原料气温度约200℃左右，压力为5.0-6.0MPa，从合成塔顶部的第一入口8进入反应管3内的催化剂床层，自上而下轴向流过该催化剂床层，发生催化放热反应。反应管3全部浸没在饱和水中，这样可以使得反应管3内的催化反应热能迅速而均匀地被反应管3外的饱和水带走，同时饱和水被加热，产生的水蒸气从第一出口11导出，汽水混合物从去汽包进行汽水分离就可以得到中压蒸汽，此中压蒸汽的温度参数为：比如当压力为1.8MPa时，中压蒸汽的温度为180℃，当压力为4.0MPa时，中压蒸汽的温度为250℃；此中压蒸汽的产量为：若以煤为原料，则每生产一吨甲醇可副产中压蒸汽0.9-1.1吨，若以天然气为原料，则每生产一吨甲醇可副产中压蒸汽0.8-1.0吨。副产中压蒸汽可以使催化反应热能够更有效充分地加以利用。此外，该副产的中压蒸汽还有一个作用，反应管3中的催化剂床层的温度一般情况下可能会出现有些地方过热，会造成催化剂的寿命降低，除了前述的可以通过反应管3外的饱和水迅速而均匀地带走，还可以通过调节副产的中压蒸汽的压力来控制催化剂床层的温度，并且可以迅速有效地调节热点和灵敏点的温度，使得催化剂床层温度分布比较均匀，催化剂就不会产生过热而失效，使用寿命可以延长，并且由于催化剂床层温床控制在最佳范围内，所以副反应少，高级醇、醚、醛少，粗甲醇产品质量好。反应管3还采用了浮头结构，浮头5的上端开口与下管板4的外缘密闭连接组成下管箱，可以向下自由浮动，就可以解决在生产过程中由于反应管和壳体制造材料不同以及温度不同形成膨胀差使得反应管束和壳体以及反应管和管板的连接处产生较大的温差应力而引起反应管破裂的问题。气体从反应管3出来，经过支承管14和其上部的瓷球12，再从出口管7流出。此外，在壳体1的下部出口管上还设置了波纹补偿器13，一方面可以进一步补偿壳体1与反应管3之间由于温差所引起的膨胀差，另一方面对壳程的饱和水也能够起到密封作用。反应后的气体通过壳体1底部的出口管7流出进入下一设备。

以上实施例中托管6和壳体1下部的密闭封接方式为焊接，其也可以为法兰连接，图2为本实用新型外冷式合成塔第二实施例的结构示意图，如图2所示，托管6和壳体1下部的密闭封接方式为法兰连接。另外，以上实施例中上管板2和壳体1上部的封装方式为焊接，此外也可以为法兰连接，图3为本实用新型外冷式合成塔第三实施例的结构示意图，如图3所示，上管板2和壳体1上部的封装方式为法兰连接，当采用法兰连接时，内部反应管3为可抽出式结构。

本实用新型外冷式合成塔单塔产量大，可以实现单系列大型化。以天然气为原料制甲醇为例，当壳体1内径为Φ3400mm时，对应的甲醇年产量为40万吨，当壳体1内径为Φ4000-4200mm时，对应的甲醇年产量为60万吨；催化剂可以采用国产的，如采用国外催化剂产量会更高。

本实用新型外冷式合成塔的操作适应性较强，对催化剂、原料气和原料气进口温度的适应性均很好，并且操作弹性大。本实用新型外冷式合成塔的催化剂可使用国产催化剂，如：西南化工研究院生产的C30Z型、XN-98型；南化公司研究院生产的NC-306和307型催化剂，更可使用国外生产的催化剂，如：托普索公司生产的催化剂。原料气可以使用以煤为原料的合成气(新鲜气CO：26-28％)，也可以使用以天然气为原料的合成气(CO：11-13％)，还可以使用焦炉气转化的合成气(催化转化和非催化转化)。原料气进口温度催化剂操作前期可控制床层进口温度195℃-200℃，中期200℃-210℃，后期210℃-220℃，若有变化，也能适应。本实用新型外冷式合成塔还可在50％-120％的负荷下操作。壳体和反应管材料易于采购，成本相对较低。

综上所述，本实用新型外冷式合成塔是一种高效、节能型合成塔，通过将反应管束浸在饱和水中，使得可以方便有效地调节催化剂床层的温度均匀，催化剂的时空收率高、使用寿命长；且能够副产蒸汽，合理利用反应热能，单塔产量高，能实现单系列大型化；此外本实用新型外冷式合成塔的操作适应性强；产品质量好；便于制造、维修、运输、装卸催化剂及升温还原。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1、一种外冷式合成塔，其特征在于包括：

壳体；

上管板，密闭封装在所述壳体上部，该上管板上具有插孔；

至少一根反应管，每根反应管的一端与所述上管板上的一个插孔密闭连接，反应管与所述上管板密闭的壳体上部相导通，并且每根反应管内填充有催化剂；

下管板，该下管板上具有插孔，每一个插孔与一根反应管的另一端密闭连接；

浮头，容置于所述壳体内部，该浮头的一端开口与所述下管板外缘密闭连接；

托管，与所述浮头连接并导通，该托管下端与所述壳体相密闭封接；

该壳体内部，反应管、浮头和托管外侧容置有饱和水。

2、根据权利要求1所述的外冷式合成塔，其特征在于，所述壳体的顶端具有用于导入反应物的第一入口。

3、根据权利要求2所述的外冷式合成塔，其特征在于，所述壳体的顶端具有用于导入催化剂的第二入口。

4、根据权利要求3所述的外冷式合成塔，其特征在于，所述壳体的下端具有用于导入饱和水的第三入口。

5、根据权利要求1所述的外冷式合成塔，其特征在于，所述上管板之下的壳体具有用于导出饱和水和/或水蒸气的第一出口。

6、根据权利要求1所述的外冷式合成塔，其特征在于，所述托管和浮头的连接部具有用于支承催化剂和使合成气顺利流出的瓷球。

7、根据权利要求1所述的外冷式合成塔，其特征在于，所述壳体下部具有用于补偿所述壳体和浮头之间膨胀差以及密封饱和水的波形补偿器。

8、根据权利要求1所述的外冷式合成塔，其特征在于，所述上管板和所述壳体上部的封装为焊接或法兰连接。

9、根据权利要求1所述的外冷式合成塔，其特征在于，所述托管和壳体的密闭封接为焊接或法兰连接。

10、根据权利要求1所述的外冷式合成塔，其特征在于，所述反应管的直径为25～60毫米，所述反应管的长度为6000～13000毫米。

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