多段冷氢进料的乙酸甲酯加氢反应器及换热系统的制作方法

本发明涉及煤化工领域，具体涉及一种多段冷氢进料的乙酸甲酯加氢反应器及换热系统。

背景技术：

现有技术中正在推广乙醇汽油，生物乙醇产能缺口较大，煤基乙醇发展迅速。合成气经二甲醚羰基化制乙酸甲酯，乙酸甲酯加氢制乙醇的工艺路线，反应转化率高，生成乙醇的选择性好，且不使用贵金属催化剂。与其他乙醇生产工艺相比，能有效降低设备投资和能耗。

乙酸甲酯加氢反应的催化剂适用温度范围较窄，一般200～240℃，温度升高，副产物增多，不利于分离过程。在初期的工业示范装置中，为了更好的控制反应温度，选择了副产蒸汽的列管式等温反应器。随着煤基乙醇工业规模的扩大，列管式反应器劣势逐渐显现：设备大型化，加工制造难度大，催化剂装填容积利用率低，设备投资高。以50万吨/年煤基乙醇为例，列管式加氢反应器直径约5m，列管长度约12m，类似尺寸的反应器成功应用案例在国内罕有报导，具备加工能力的制造厂也屈指可数。为了降低设备大型化带来的工艺风险和加工制造难度，应进一步研究加氢反应，优化反应器型式。

技术实现要素：

本发明提供了一种多段冷氢进料的乙酸甲酯加氢反应器及换热系统，以达到提高催化剂装填容积利用率的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多段冷氢进料的乙酸甲酯加氢反应器，包括：反应器本体；多个催化剂床层，沿竖直方向间隔设置在反应器本体内，相邻两个催化剂床层之间形成补气空间；多根并联设置的冷氢进料管，每个补气空间均与至少一根冷氢进料管的出口连通。

进一步地，催化剂床层的个数为3～8个。

进一步地，多个催化剂床层包括一个位于底端的催化剂床层和至少两个位于上方的催化剂床层，至少两个位于上方的催化剂床层的高度均相同，且位于底端的催化剂床层的高度大于位于上方的催化剂床层的高度。

进一步地，位于底端的催化剂床层的高度范围是2.5m至4.5m，位于上方的催化剂床层的高度范围是1m至3m。

进一步地，相邻两个催化剂床层之间还设置有填料层，填料层设置在冷氢进料管的出口与位于下方的催化剂床层之间。

进一步地，填料层的高度范围是200mm至800mm。

进一步地，填料层内填设有拉西环、鲍尔环、阶梯环、矩鞍环、共轭环、双弧环、扁环、纳特环或英特洛克斯中的任一种填料。

进一步地，反应器本体上端设置有进料口，多段冷氢进料的乙酸甲酯加氢反应器还包括气体分布器，设置在反应器本体内并与入料口连接。

进一步地，气体分布器设置在多个催化剂床层的上方。

本发明还提供了一种换热系统，包括上述的多段冷氢进料的乙酸甲酯加氢反应器，换热系统还包括反应器进出口换热器，反应器进出口换热器的物料出口与反应器本体上端设置的进料口连接，反应器进出口换热器的换热入口与反应器本体下端设置的出料口连接。

本发明的有益效果是，多个催化剂床层沿竖直方向间隔设置形成分段式固定床反应器，并在相邻两个催化剂床层之间设置冷氢进料管，一方面能够提高氢气/乙酸甲酯的摩尔比，促进反应进行；另一方面降低下一段床层的进料温度，以充分利用催化剂各温度区间的活性，达到提高催化剂装填容积利用率的目的。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中多段冷氢进料的乙酸甲酯加氢反应器的结构示意图；

图2为本发明实施例中换热系统的结构示意图。

图中附图标记：1、反应器本体；2、催化剂床层；3、冷氢进料管；4、填料层；5、气体分布器；6、反应器进出口换热器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种多段冷氢进料的乙酸甲酯加氢反应器，包括反应器本体1、多个催化剂床层2和多根并联设置的冷氢进料管3。多个催化剂床层2沿竖直方向间隔设置在反应器本体1内，相邻两个催化剂床层2之间形成补气空间；每个补气空间均与至少一根冷氢进料管3的出口连通。

多个催化剂床层2沿竖直方向间隔设置形成分段式固定床反应器，并在相邻两个催化剂床层2之间设置冷氢进料管3，一方面能够提高氢气/乙酸甲酯的摩尔比，促进反应进行；另一方面降低下一段床层的进料温度，以充分利用催化剂各温度区间的活性，达到提高催化剂装填容积利用率的目的。

本发明实施例中催化剂床层2的个数为3～8个，优选为4～6个，设置上述数量的催化剂床层2能够使多段冷氢进料的乙酸甲酯加氢反应器的结构简单，加工制造难度降低，同时能够缩短交货周期。

如图1所示，多个催化剂床层2包括一个位于底端的催化剂床层2和至少两个位于上方的催化剂床层2，至少两个位于上方的催化剂床层2的高度均相同，且位于底端的催化剂床层2的高度大于位于上方的催化剂床层2的高度。底端的催化剂床层2的高度大于上方的催化剂床层2的高度，能够使本实施例进出口温差在15℃以上，便于实现出料与冷进料进行换热。

需要说明的是，位于底端的催化剂床层2的高度范围是2.5m至4.5m，位于上方的催化剂床层2的高度范围是1m至3m。该高度可以确保上述进出口温差在15℃以上，满足工况需求。

相邻两个催化剂床层2之间还设置有填料层4，填料层4设置在冷氢进料管3的出口与位于下方的催化剂床层2之间。设置填料层4能够促进冷热气体混合与分布，避免冷氢急冷催化剂床层2，导致催化剂粉化、使用寿命降低的问题。

需要说明的是，填料层4的高度范围是200mm至800mm。优选高度范围300mm至500mm。填料层4内填设有拉西环、鲍尔环、阶梯环、矩鞍环、共轭环、双弧环、扁环、纳特环或英特洛克斯等散堆填料中的任一种填料，填料规格优选dg25和dg38。

如图1所示，反应器本体1上端设置有进料口，多段冷氢进料的乙酸甲酯加氢反应器还包括气体分布器5，设置在反应器本体1内并与进料口连接。气体分布器5能够使通入的气体在整个截面上均匀分布。本发明实施例中的气体分布器5设置在多个催化剂床层2的上方。即气体分布器5的底壁高于位于最上端的催化剂床层2。

如图2所示，本发明还提供了一种换热系统，包括上述的多段冷氢进料的乙酸甲酯加氢反应器，换热系统还包括反应器进出口换热器6，反应器进出口换热器6的物料出口与反应器本体1上端设置的进料口连接，反应器进出口换热器6的换热入口与反应器本体1下端设置的出料口连接。本发明实施例能够控制出料口温度高于进料口温度15℃以上，反应器出料与进料在进出口换热器6换热，直接将进料加热至反应所需温度，无需中压蒸汽过热。

以30万吨/年煤基乙醇为例，进料口设置气体分布器，催化剂床层2分四段，第一至三段床层高度2m，第四段床层高度3m；第二至第四段催化剂床层2上方设置300mm不锈钢鲍尔环填料。约40℃的氢气与乙酸甲酯按一定摩尔比混合，经反应器进出口换热器6换热，被加热至200℃左右进入反应器，先通过气体分布器5使原料气均匀分布；再进入催化剂床层2进行反应，放出的热量使反应体系和催化剂床层2温度升高，第一段出口温度约210℃；第一段出口补充冷氢，冷氢摩尔流量为反应器进口乙酸甲酯摩尔流量的1.25倍，冷氢与第一段出口气在第二段上方的鲍尔环填料层充分混合，温度降低至200℃左右进入第二段催化剂床层2，第二段催化剂床层2的出口温度约210℃；第二段出口补充冷氢，冷氢量同第一段出口，冷氢与第二段催化剂床层2出口气在第三段上方的鲍尔环填料层充分混合，温度降低至200℃左右进入第四段催化剂床层，依此类推。第四段出口即反应器出口温度约215℃，反应产物直接与进料换热，温度降至96℃后送至三级分凝过程处理。

进一步地，本实施例为外形尺寸φ3000x15000的铬钼钢制成，设备净重约105吨(对应产能的列管式反应器外形尺寸φ4100x11000，设备净重约275吨，其中2205双相钢约100吨)；年节省中压蒸汽8万吨。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：多个催化剂床层2沿竖直方向间隔设置形成分段式固定床反应器，并在相邻两个催化剂床层2之间设置冷氢进料管3，一方面能够提高氢气/乙酸甲酯的摩尔比，促进反应进行；另一方面降低下一段床层的进料温度，以充分利用催化剂各温度区间的活性，达到提高催化剂装填容积利用率的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。