CN201052456Y - 绕管式催化氧化反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种绕管式催化氧化反应器，该反应器包括气体进口、进口气体分布器、反应器本体、绝热层、等温层、气体出口和气体收集器，还包括冷却水进口、冷却水进口分布器、冷却水出口收集器、冷却水出口和冷却管，冷却管在等温层内时，均匀地盘绕在等温层内，穿出等温层后，竖直地穿过绝热层，连通冷却水出口收集器；调节冷却管的数量和其内流量，达到降温和恒温的目的。本实用新型催化氧化反应器适用于处理不同浓度硫化氢等气体，其优点是硫的回收率高，副产品的纯度高；操作简单，可进一步实现工业自动化；结构简单，安装维护方便，能广泛应用于在煤化行业排出的硫化氢气体的治理。
Description
技术领域：
本实用新型涉及环保技术领域，特别涉及煤化工行业以煤为原料生产多种化工产品工艺过程中，脱除硫化氢的催化氧化反应器技术领域。
背景技术：
我国能源探明储量中，96％的是煤炭，油气资源仅占总量的4％左右。因此煤炭是我国能源的主力，所以近几年来以煤为原料制甲醇和合成氨以及煤制油和烯烃不断增多，以缓解油气资源的压力。
新一代煤化工是以碳一化学为基础，合成各种燃料油和化工产品。在煤化工反应过程中，由于煤中含有硫等杂质，这些杂质存在于煤气中，对煤气进一步使用有毒害作用，必须去除。煤中硫成分的复杂性以及受煤化工工艺、温度不同的影响，煤中硫转化到气体中硫的形态是非常复杂的，主要是无机硫(H2S)以及各种形态的有机硫，这对硫的脱除和硫的回收带来困难。
近几年，国内新建的合成氨和甲醇装置中的气体净化大都采用低温甲醇洗和NHD法气体净化技术。两种方法都采用物理吸收的方法，但无论采用哪种技术，溶剂闪蒸后的酸性气体中含有大量的CO2和少量H2S，用传统的碱性(主要是Na2CO3)物质+活性载体溶液吸收+再生的方法已不适应大型煤化工发展需要，主要原因体现在：1、碱溶液消耗太大。2、操作条件比较苛刻。3、硫磺质量不高。4、环境污染严重。目前，将含有大量CO2气体和H2S气体采用克劳斯回收技术是使用最多的一种方法。
克劳斯回收技术分传统克劳斯和各种克劳斯延伸工艺。
19世纪开发的原型克劳斯工艺基于以空气中的O2在催化剂的作用下直接氧化H2S，由于反应的强放热性，过程的空速很低。
传统克劳斯技术主要存在如下缺点：
1、有机硫转化率比较低。
2、对硫化氢有一定要求。
3、尾气中硫化氢含量(H2S、SO2)满足不了环保要求。
因此世界各国纷纷对克劳斯技术进行变型改造，开发出各种各样的回路和流程。如荷兰Comprimo公司的SUPERCLAUS工艺、德国林德的CLINSULF工艺等虽能满足净化要求，但引进技术费用昂贵，使得许多国内厂家望而却步。
20世纪30年代，德国法本公司将原型克劳斯工艺改革为两段反应：热反应段及催化反应段，这就是后来被诸多文献称为的改良克劳斯工艺。热反应段即燃烧炉内如下主反应：
H2S+3/2O2＝SO2+H2O+518.9kJ/mol
H2S+1/2SO2＝3/4S2+H2O-4.75kJ/mol
催化反应段的主反应则为：
H2S+1/2SO2＝3/2nSOn+H2O+48.05kJ/mol
催化反应段是在绝热条件下，也可在较高的空速条件下运行，此外催化反应段生成硫的形态主要为S8也有S6，在燃烧反应段主要是S2。事实上，在发生如上主反应外，还有十分复杂的副反应，包括酸性气体中烃类的氧化反应、H2S裂解反应以及有机硫的生成反应等。
主要缺点是：
1、H2S浓度大于25％以上，在燃烧炉中才能维持其燃烧，小于25％要用燃料补充才能保证其稳定燃烧。
2、燃烧炉投资高，操作过程中联锁多。
3、工艺流程长。
4、有机硫转化率低，由于反应平衡的原因，达不到环保要求。
5、为了满足H2S大于25％，在脱硫部分和再生部分进行浓缩而引发再生操作复杂和动能消耗增加。
由于克劳斯反应产生较高的热量而使催化剂难以承受，中国新型专利(专利号：200520009096.4)中反应器中催化剂床层设置两层，上层为绝热段，下部为等温段。绝热段使床层温度迅速上升加快反应，在较高温度下使有机硫转化并可得到较高的反应速率。等温段借有效冷却控制温度略高于硫露点，使之有更高的转化率，但是其借助激冷气的降温效果有限，只适合3％以下的H2S，对于较高浓度的H2S的反应产生热量，难以控制。
实用新型内容：
本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种适用于以煤为原料、生产多种化工产品工艺过程中、对再生气中脱除各种浓度的硫化氢的反应器，该反应器使硫的回收率达到99％以上，经该反应器处理后的硫化氢的排放量达到排放标准的要求，设计简单合理，安装方便，且温度的调节稳定，应用广泛。
为实现上述实用新型目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种绕管式催化氧化反应器，包括气体进口、进口气体分布器、反应器本体、绝热层、等温层、气体出口和气体收集器，该反应器还包括冷却水进口、冷却水进口分布器、冷却水出口收集器、冷却水出口和冷却管；气体进口位于反应器本体的顶部；进口气体分布器位于反应器本体内的顶部，连接气体进口；绝热层位于反应器本体内的上部，在进口气体分布器的下方；等温层位于反应器本体内的下部；气体出口位于反应器本体内的底部，安装在反应器本体上，其在反应器本体内的部分连接气体收集器；气体收集器位于反应器本体内的下部，等温层的下方；冷却水进口分布器位于反应器本体内，设置在气体收集器的附近；冷却水进口在反应器内连接冷却水进口分布器，安装在反应器本体上；冷却水出口收集器设置在反应器本体内的顶部，进口气体分布器的附近；冷却管连通冷却水进口分布器和冷却水出口收集器，数量大于1根；冷却水出口位于反应器本体内的顶部，安装在反应器本体上，其在反应器本体内的部分连接冷却水出口收集器；
冷却管在等温层内时，均匀地盘绕在等温层内；穿出等温层后，竖直地穿过绝热层，连通冷却水出口收集器；
反应器设有支撑柱；支撑柱设置在反应器本体内，上下贯通反应器本体，固定在反应器本体的中心位置，穿过绝热层和等温层；冷却管在等温层内时，围绕支撑柱均匀地盘绕在等温层内；
支撑柱可为为中空管，设置在反应器本体内，上下贯通反应器本体，穿过绝热层和等温层；其下端连通反应器本体内的下端，其上端通过设置在反应器本体上端的阀门连通到反应器本体的外部；冷却管在等温层内时，围绕所述的支撑柱均匀地盘绕在等温层内；
反应器设置有支撑杆；支撑杆设置在等温层内，一端连接在支撑柱上，另一端连接在冷却管上；支撑杆的数量大于1根，在等温层内均匀、水平、分层设置；
催化氧化反应器的底部填充耐火球；
耐火球为直径的20-30毫米氧化铝耐火球；
催化氧化反应器设置有上端人孔、下端人孔和卸料口；上端人孔设置在反应器本体的顶部；下端人孔设置在反应器本体的下部，靠近等温层的底部；卸料口设置在反应器本体的底部；
绝热层、等温层内分别放置二氧化钛催化剂，其厚度分别为2500-6000毫米。
本实用新型提供的硫化氢催化氧化反应器的工作原理：由煤化工脱硫工段来的再生气与根据化学反应所要求的空气量混合后，在外界预热器中加热到200-250度后，从气体进口通入到反应器本体内，在流经两级催化剂时，再生气中的硫化氢与氧气反应，生成硫和水；由于硫化氢和氧气的反应是放热反应，其产生的热量可维持催化剂层的自身温度，并使硫和水保持气态流经气体收集器，由气体出口排出反应器本体外，然后再进入在外部设置的冷凝器和硫固化器，将气态硫冷凝下来，固化成单质硫的产品。分离后气体经进一步处理达到环保要求后排入大气。由于本实用新型是针对煤化工脱硫工段来的再生气，在初始阶段，可在冷却管中通入高温气体，使反应器本体内的温度达到220度左右，或直接在进气口通入经预热的气体；由于硫化氢的含量不等，含量高时(大于3％)催化剂的催化氧化产生大量的热量，温度过高使催化剂效率降低或失效，为了使硫化氢的氧化反应在二氧化钛催化剂的最佳温度下进行，当绝热层温度升高后，利用冷却水进入等温层，通过调节均匀分布在等温层中的冷却管的数量和流量，使绝热层的温度维持在300-600度左右，以保证反应器的气体出口温度不致太高，而影响到硫化氢氧化反应的正常进行，达到降温、恒温的目的；冷却水在等温层中以液态形式存在，沿管路盘绕上升，带走反应产生的热量，硫化氢浓度越高，反应产生的热量越大，调节冷却管的数量和流量，使冷却水在离开等温层时为气态，经绝热层、冷却水出口收集器、冷却水出口排出反应器本体；由于冷却管的数量和流量可调节，进气口的硫化氢的浓度和进气量可以调节，本实用新型催化氧化反应器适用处理硫化氢浓度的范围从0.1％-100％；另外，可设置支撑柱，保证冷却管的分布均匀，支撑柱为中空的，且连通反应器本体的下部，便于维护时反应器的放气；设置了上下端的人孔，便于维护和催化剂的装填；设置了卸料口，便于耐火球的装卸。
本实用新型的上述技术方案与现有技术相比具有以下优点：适用于处理0.1％-100％浓度硫化氢等气体；硫的回收率高，副产品的纯度高；操作简单，可进一步实现工业自动化；结构简单，安装方便，能广泛应用于在煤化行业排出的硫化氢气体的治理。
附图说明
图1：是本实用新型绕管式催化氧化反应器结构示意图；
图2：是本实用新型绕管式催化氧化反应器含有支撑柱的结构示意图；
图3：是本实用新型绕管式催化氧化反应器冷却管结构俯视示意图；
图4：是本实用新型绕管式催化氧化反应器带支撑柱的冷却管结构俯视示意图；
图5：是本实用新型绕管式催化氧化反应器带支撑柱的冷却管结构侧视示意图。
具体实施方式1：
如图1、3所示：以配用年产量20万吨甲醇工程的硫化氢催化氧化反应器为例，硫化氢的浓度为6％左右：
本实用新型绕管式硫化氢催化氧化反应器，包括气体进口1、进口气体分布器1a、反应器本体2、绝热层3、等温层5、气体出口6和气体收集器6a，该反应器还包括冷却水进口4、冷却水进口分布器4a、冷却水出口收集器4b、冷却水出口4d和冷却管4c；反应器本体2由不锈钢板卷焊而成，上、下两端各配焊一个封头；气体进口1位于反应器本体2的上封头顶部；进口气体分布器1a呈圆桶状，在圆筒的侧面开有长方形的孔六个，孔的长和宽分别为50毫米和5毫米，位于反应器本体2内的顶部，连接气体进口1；绝热层3位于反应器本体2内的上部，在进口气体分布器1a的下方；等温层5位于反应器本体2内的下部；气体出口6位于反应器本体2内的下封头的底部，安装在反应器本体2上，其在反应器本体2内的部分连接气体收集器6a；气体收集器6a气体收集器6a呈圆桶管状结构，上面和侧面开有孔，孔的直径在15毫米，上面和侧面各开两个，位于反应器本体2内的下部、等温层5的上方；冷却水进口分布器4a位于反应器本体2内，设置在气体收集器6a的下方；冷却水进口4在反应器内连接冷却水进口分布器4a，安装在反应器本体2上；冷却水出口收集器4b设置在反应器本体2内的顶部、进口气体分布器1a的下方；冷却管4c为10根直径为4厘米的不锈钢管，连通冷却水进口分布器4a和冷却水出口收集器4b；冷却水出口4d位于反应器本体2内的上封头的顶部，安装在反应器本体2上，其在反应器本体2内的部分连接冷却水出口收集器4b；
冷却管4c在等温层5内时，均匀地盘绕(间距10厘米)在等温层5内；穿出等温层5后，竖直地穿过绝热层3，连通冷却水出口收集器4b；
绝热层3内放置二氧化钛催化剂，其厚度为2500毫米；等温层5内放置二氧化钛催化剂，其厚度为3000毫米。
本实施例硫化氢催化氧化反应器的工作原理：由煤化工脱硫工段来的再生气与根据化学反应所要求的空气量混合后，在外界预热器中加热到200-250度后，从气体进口通入到反应器本体内，在流经两级催化剂时，再生气中的硫化氢与氧气反应，生成硫和水；由于硫化氢和氧气的反应是放热反应，其产生的热量可维持催化剂层的自身温度，并使硫和水保持气态流经气体收集器，由气体出口排出反应器本体外，然后再进入在外部设置的冷凝器和硫固化器，将气态硫冷凝下来，固化成单质硫的产品。分离后气体经进一步处理达到环保要求后排入大气。由于本实施例是针对煤化工脱硫工段来的再生气，在初始阶段，可在冷却管中通入高温气体，使反应器本体内的温度达到220度左右；由于硫化氢的含量6％，催化剂的催化氧化产生大量的热量，温度过高使催化剂效率降低或失效，为了使硫化氢的氧化反应在二氧化钛催化剂的最佳温度下进行，当绝热层温度升高后，利用冷却水进入等温层，通过调节流量，使绝热层的温度维持在400度左右，以保证反应器的气体出口温度不致太高，而影响到硫化氢氧化反应的正常进行，达到降温、恒温的目的；冷却水在等温层中以液态形式存在，沿管路盘绕上升，带走反应产生的热量，调节冷却管的流量，使冷却水在离开等温层时为气态，经绝热层、冷却水出口收集器、冷却水出口排出反应器本体；该反应器适用于处理硫化氢等气体；硫的回收率高，副产品的纯度高；操作简单，可进一步实现工业自动化；结构简单，安装方便，能广泛应用于在煤化行业派出的硫化氢气体的治理。
具体实施方式2：如图2、4、5所示：以配用年产量20万吨的甲醇工程的硫化氢催化氧化反应器为例，硫化氢的浓度为20％左右：
与实施例1不同之处在于：反应器设有支撑柱7；支撑柱7设置在反应器本体2内，为直径20厘米的不锈钢柱，上下贯通反应器本体2，固定在反应器本体2的中心位置穿过绝热层3和等温层5；冷却管4c为18根直径为4厘米的不锈钢管，在等温层5内时，围绕所述的支撑柱7均匀地盘绕(间距8厘米)在等温层5内；反应器设置有支撑杆8共30根，宽为10毫米的扁不锈钢棍；支撑杆8设置在等温层5内，一端连接在支撑柱7上，另一端连接在冷却管4c上；在等温层5内均匀、水平、分10层设置；催化氧化反应器的底部填充直径为20毫米的氧化铝耐火球10；绝热层3和等温层5的内二氧化钛催化剂的厚度分别为5000毫米和6000毫米。
本实施例硫化氢催化氧化反应器的工作原理：由煤化工脱硫工段来的再生气与根据化学反应所要求的空气量混合后，在外界预热器中加热到200-250度后，从气体进口通入到反应器本体内，在流经两级催化剂时，再生气中的硫化氢与氧气反应，生成硫和水；由于硫化氢和氧气的反应是放热反应，其产生的热量可维持催化剂层的自身温度，并使硫和水保持气态流经气体收集器，由气体出口排出反应器本体外，然后再进入在外部设置的冷凝器和硫固化器，将气态硫冷凝下来，固化成单质硫的产品。分离后气体经进一步处理达到环保要求后排入大气。由于本实施例是针对煤化工脱硫工段来的再生气，在初始阶段，可在冷却管中通入高温气体，使反应器本体内的温度达到220度左右；由于硫化氢的含量20％，催化剂的催化氧化产生大量的热量，温度过高使催化剂效率降低或失效，为了使硫化氢的氧化反应在二氧化钛催化剂的最佳温度下进行，当绝热层温度升高后，利用冷却水进入等温层，冷却管为18根，通过调节流量，使绝热层的温度维持在400度左右，以保证反应器的气体出口温度不致太高，而影响到硫化氢氧化反应的正常进行，达到降温、恒温的目的；冷却水在等温层中以液态形式存在，沿管路盘绕上升，带走反应产生的热量，调节冷却管的流量，使冷却水在离开等温层是为气态，经绝热层、冷却水出口收集器、冷却水出口排出反应器本体；该反应器适用于处理硫化氢等气体；硫的回收率高，副产品的纯度高；操作简单，可进一步实现工业自动化；结构简单，安装方便，能广泛应用于在煤化行业派出的硫化氢气体的治理。
具体实施方式3、如图2、4、5所示：以配用年产量20万吨的甲醇工程的硫化氢催化氧化反应器为例，硫化氢的浓度为30％左右：
与实施例2不同之处在于：支撑柱7为中空管，直径15厘米，其下端连通反应器本体2内的下端，其上端通过设置在反应器本体2上端的阀门9连通到反应器本体2的外部；冷却管4c为30根；支撑杆8共90根，为宽10毫米的扁不锈钢棍；支撑杆8设置在等温层5内，一端连接在支撑柱7上，另一端连接在冷却管4c上；在等温层5内均匀、水平、分30层设置；设置有上端人孔11、下端人孔12和卸料口13；上端人孔11设置在反应器本体2的顶部；下端人孔12设置在反应器本体2的下部，靠近等温层5的底部；卸料口13设置在反应器本体2的底部；在进气口1、上端人孔11、下端人孔、12、卸料口13和气体出口6上加设金属丝网；另外，可省略气体收集器6a。
本实施例硫化氢催化氧化反应器的工作原理：由煤化工脱硫工段来的再生气与根据化学反应所要求的空气量混合后，在外界预热器中加热到200-250度后，从气体进口通入到反应器本体内，在流经两级催化剂时，再生气中的硫化氢与氧气反应，生成硫和水；由于硫化氢和氧气的反应是放热反应，其产生的热量可维持催化剂层的自身温度，并使硫和水保持气态流经气体收集器，由气体出口排出反应器本体外，然后再进入在外部设置的冷凝器和硫固化器，将气态硫冷凝下来，固化成单质硫的产品。分离后气体经进一步处理达到环保要求后排入大气。由于本实施例是针对煤化工脱硫工段来的再生气，在初始阶段，可在冷却管中通入高温气体，使反应器本体内的温度达到220度左右；由于硫化氢的含量30％，催化剂的催化氧化产生大量的热量，温度过高使催化剂效率降低或失效，为了使硫化氢的氧化反应在二氧化钛催化剂的最佳温度下进行，当绝热层温度升高后，利用冷却水进入等温层，冷却管增加到30根，通过调节流量，使绝热层的温度维持在450度左右，以保证反应器的气体出口温度不致太高，而影响到硫化氢氧化反应的正常进行，达到降温、恒温的目的；冷却水在等温层中以液态形式存在，沿管路盘绕上升，带走反应产生的热量，调节冷却管的流量，使冷却水在离开等温层是为气态，经绝热层、冷却水出口收集器、冷却水出口排出反应器本体；该反应器适用于处理硫化氢等气体；硫的回收率高，副产品的纯度高；操作简单，可进一步实现工业自动化；结构简单，安装方便，便于维护，能广泛应用于在煤化行业派出的硫化氢气体的治理。
综上所述本实用新型催化氧化反应器适用于处理不同浓度硫化氢等气体；硫的回收率高，副产品的纯度高；操作简单，可进一步实现工业自动化；结构简单，安装维护方便，能广泛应用于在煤化行业派出的硫化氢气体的治理。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型的技术方案，而并非是对本实用新型的保护范围的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动，仍处于本实用新型的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种绕管式催化氧化反应器，包括气体进口(1)、进口气体分布器(1a)、反应器本体(2)、绝热层(3)、等温层(5)、气体出口(6)和气体收集器(6a)，其特征在于：该反应器还包括冷却水进口(4)、冷却水进口分布器(4a)、冷却水出口收集器(4b)、冷却水出口(4d)和冷却管(4c)；所述气体进口(1)位于反应器本体(2)的顶部；所述进口气体分布器(1a)位于反应器本体(2)内的顶部，连接气体进口(1)；所述绝热层(3)位于反应器本体(2)内的上部，在进口气体分布器(1a)的下方；所述等温层(5)位于反应器本体(2)内的下部；所述气体出口(6)位于反应器本体(2)内的底部，安装在反应器本体(2)上，其在反应器本体(2)内的部分连接气体收集器(6a)；所述气体收集器(6a)位于反应器本体(2)内的下部、等温层(5)的下方；所述冷却水进口分布器(4a)位于反应器本体(2)的底部，气体收集器(6a)的附近；所述冷却水进口(4)在反应器内连接冷却水进口分布器(4a)，安装在反应器本体(2)上；所述的冷却水出口收集器(4b)设置在反应器本体(2)内的顶部、进口气体分布器(1a)的附近；所述的冷却管(4c)连通冷却水进口分布器(4a)和冷却水出口收集器(4b)，其数量大于1根；所述的冷却水出口(4d)位于反应器本体(2)内的上封头的顶部，安装在反应器本体(2)上，其在反应器本体(2)内的部分连接冷却水出口收集器(4b)。
2.根据权利要求1所述绕管式催化氧化反应器，其特征在于：所述的冷却管(4c)在等温层(5)内时，均匀地盘绕在等温层(5)内；穿出等温层(5)后，竖直地穿过所述的绝热层(3)，连通冷却水出口收集器(4b)。
3.根据权利要求1所述绕管式硫化氢催化氧化反应器，其特征在于：所述的反应器还设有支撑柱(7)；所述的支撑柱(7)设置在反应器本体(2)内，上下贯通反应器本体(2)，固定在反应器本体(2)的中心位置，穿过绝热层(3)和等温层(5)；冷却管(4c)在等温层(5)内时，围绕所述的支撑柱(7)均匀地盘绕在等温层(5)内。
4.根据权利要求3所述绕管式催化氧化反应器，其特征在于：所述的支撑柱(7)为中空管，设置在反应器本体(2)内，上下贯通反应器本体(2)，固定在反应器本体(2)的中心位置，穿过绝热层(3)和等温层(5)；其下端连通反应器本体(2)内的下端，其上端通过设置在反应器本体(2)上端的阀门(9)连通到反应器本体(2)的外部；冷却管(4c)在等温层(5)内时，围绕所述的支撑柱(7)均匀地盘绕在等温层(5)内。
5.根据权利要求1、3、4所述绕管式催化氧化反应器，其特征在于：所述的反应器设置有支撑杆(8)；所述的支撑杆(8)设置在等温层(5)内，一端连接在所述的支撑柱(7)上，另一端连接在冷却管(4c)上；支撑杆(8)的数量大于1根，在等温层(5)内均匀、水平、分层设置。
6.根据权利要求1所述绕管式催化氧化反应器，其特征在于：所述催化氧化反应器的底部填充耐火球(10)。
7.根据权利要求6所述绕管式催化氧化反应器，其特征在于：所述耐火球(10)为直径的20-30毫米氧化铝耐火球。
8.根据权利要求1所述绕管式催化氧化反应器，其特征在于：所述催化氧化反应器还设置有上端人孔(11)、下端人孔(12)和卸料口(13)；所述的上端人孔(11)设置在反应器本体(2)的顶部；所述的下端人孔(12)设置在反应器本体(2)的下部，靠近等温层(5)的底部；所述的卸料口(13)设置在反应器本体(2)的底部。
9.根据权利要求1所述绕管式催化氧化反应器，其特征在于：所述绝热层(3)、等温层(5)内分别放置二氧化钛催化剂，其厚度分别为2500-6000毫米。
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