[发明专利]垂直等温管壳式反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种垂直等温管壳式反应器，用于进行如甲醇合成的催化化学反应。

背景技术

等温或者非等温化学反应器是安装有内部热交换器的反应器，所述内部热交换器通常嵌入催化剂架中，用以保持化学反应的温度在最佳范围之内。一个常见的例子为甲醇合成，其中，所述热交换器利用合适的冷却液，如将沸水转换成水蒸汽来去除放热合成反应的热量。如果该反应是吸热反应，所述热交换器被供应加热介质，提供所需热量以维持自身的反应。

安装有内部管式热交换器的等温反应器简称管式反应器。

在第一个已知的结构中，管式反应器基本上是包括固定的管束的壳体，催化剂容纳在管内。然而，这种结构的每单元的最大产量是有限的。例如参照甲醇合成，这种类型的已知反应器通常每单元只能供给不超过2000mtd(每天公吨)的甲醇，而市场需求产量为5000mtd或更多的较大设备。平行安装过多的单元是非常昂贵的，因此，优选地是实现一个单独的、较大的单元。此外，比起产出量，这种反应器相对较大。

另一种结构具有分布在管外的催化剂。在已知技术中，这种反应器包含轴流式和径向外流式单元。轴流式反应器在最大容量方面也有限制，因为通过所述反应器的最大流量基本取决于横截面和流速。反应物的速度不可能增加到超过一定值，否则压力损失将会太大；加大横截面，例如，制造大的壳体，意味着制造更昂贵的反应器。另一方面，已知径向外流式反应器具有较差的热交换性能，并且使得一般较难排放和再注入所述催化剂。

基于所述原因，现有技术中的等温管式反应器仍需要改进以达到高生产率、高效率、低成本和容易排放/再注入所述催化剂这些需求之间的最佳平衡。

EP-A-1900424公开了一种等温反应器，包括：基本圆柱形的外壳、催化剂载体、相对的穿孔透气壁和热交换器单元，所述相对的穿孔透气壁用作反应物/产物的入口和出口，所述热交换器单元浸于所述催化床。所述催化床被所述相对的穿孔壁横向限定，并且热交换器安置在基本平行于横越所述催化床本身的气流的方向。

发明内容

本发明要解决的问题是要克服现有技术中的上述缺点。尤其是，本发明的目的在于实现一个结构，该结构适用于简单的和低成本的管式反应器，该管式反应器相比反应器尺寸能够处理大的流量。

所述问题通过用于化学反应的等温垂直反应器解决，该等温垂直反应器包括：壳体，具有纵向轴线；至少一个气体入口和产物出口，所述气体入口用于供给新鲜气体；平行于所述轴线的至少一个第一透气壁和平行于所述轴线的第二透气壁，使得在所述第一透气壁与所述反应器的所述壳体之间界定气体分配腔室，并且在所述第二透气壁与所述壳体之间界定连通于所述产物出口的产物收集器；催化床，容纳在壳体内，所述分配腔室和收集腔室的所述透气壁面向所述催化床；和热交换器，嵌入于所述催化床中，所述反应器的特征在于：

所述热交换器包含一束U型管，各所述U型管具有由U型部分连接的两个直线部分，因此形成了所述管束的U型端部分；

所述气体入口设置成用于将所述新鲜供给气体直接引入位于所述反应器的上腔室中以及所述催化床之上；

所述催化床和所述入口气体分配腔室连通于所述反应器的所述上腔室，因此在所述反应器的操作中，所述新鲜供给气体的第一部分可以直接进入所述催化床并穿过所述管束的所述U型端，所述新鲜供给气体的第二部分可以进入所述入口气体分配腔室，所述第一部分以混合的轴向-横向流方式流入所述催化床并且流向所述收集腔室，所述第二部分以大体横向流方式从所述气体分配腔室流入所述催化床并流向所述气体收集腔室。

优选地，所述入口气体分配腔室具有上入口，该上入口在所述反应器的所述上腔室中是敞开的，并且位于所述催化剂的最高位之上。在优选的实施方式中，所述反应器具有被两个相对的、平行的透气壁界定的一个分配腔室和一个收集腔室。所述透气壁可以被穿孔、钻槽或者设置等同物，以使得反应物/产物通过。

在另一个优选的实施方式中，所述新鲜供给气体的所述气体入口包括至少一个入口分配器喷嘴。优选地，所述喷嘴安装在所述反应器的顶盖上，更优选地，所述喷嘴与所述反应器的所述主纵轴线对齐。所述喷嘴可以有单个开口或者多个朝前的和/或者朝向侧面的开口，用于给所述反应器的所述上腔室分配所述新鲜供给气体。

在本发明的优选实施方式中，所述反应器设置成使得所述新鲜供给气体中进入所述气体分配腔室的第二部分大于通过所述管束直接进入所述催化床的第一部分。所述第一部分与第二部分的比例根据反应类型和所述反应器的大小可以变化；所述比例优选在24％-45％的范围之内。