CN102188936B - 一种固定床反应器 - Google Patents
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Abstract
一种固定床反应器是反应器中设置有一向两边延伸至反应器端口Ⅰ、Ⅱ的反应管；在所述反应管的一端包含有一反应螺旋管；在所述反应管外套设有电加热装置；在所述反应管周围设有气体腔连通有气体腔进气口；其原料气进口分别连通有气体管路Ⅰ和气体管路Ⅱ。本发明保证了反应管内外气体压力平衡且互不混合，且具有结构简单，操作安全方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种固定床反应器，尤其是一种沿反应器轴线设置一反应管和电加热装置，采用气体腔实现金属反应管内外压力平衡的固定床反应器。
技术背景
在煤气化生产中往往是在高温高压下进行，如煤直接甲烷化是在800-1000摄氏度和8-10兆帕的条件下进行，这对反应器的结构和材质提出了很高要求。现有高温高压反应器主要有釜式反应器和列管式反应器，这些反应器多采用不锈钢材料，但是不锈钢在1000摄氏度的高温下不能承受较高压力。采用不锈钢反应釜内衬非金属材料结构有效地解决了这个问题，但是不锈钢反应釜内衬非金属材料的结构又使得外加热时其传热效率大大降低。
现有文献CN1785492A公开报道了“一种等压内冷式高温高压化学反应器”，该反应器采用双层结构，层间采用液体冷却。外部设置有压力控制器，由反应器内部的压力控制冷却液的压力，使反应器内部的压力和层间冷却液的压力基本保持相等，确保反应器内层承受高温，反应器外层承受高压。因为整个反应器未设置加热装置，所以该反应器主要用于放热反应的反应过程，不适合吸热反应的反应过程。
现有文献CN101537327A公开了 “一种固定床反应器”，该反应器法兰密封面右边的壳体中央设置有直径占反应器内径1∕10的石英反应管，石英反应管一端至法兰密封面，并与反应器内腔连通，另一端延伸至壳体外；在石英反应管外套设有电加热装置，其左端位于距法兰密封面的1/8处，其长度为石英反应管的2∕5；法兰密封面左边的壳体中央设置有直径占反应器内径1∕10的气体通管，气体通管的右端与石英反应管的左端相对接，并与反应器内腔连通，另一端延伸至壳体外；壳体中空填充有耐高温材料。
该反应器采用反应器内部直接电加热，有效地提高了热效率，反应器筒体和石英管外的空间填充有耐高温材料，其高温由耐高温材料承受，其高压由外部筒体承受，这种结构的反应器，很好地解决了高温高压下反应器筒体的材料问题。
但是，在壳体中央设置有石英反应管和气体通管，石英反应管一端与气体通管的一端在法兰密封面处相对接，气体通过石英管与气体通道管对接处进入壳体，使得石英管在高温反应时，其内部和外部的压力维持相等，使得石英管能够在高温高压条件下进行反应，而压力主要作用在反应器壁上。这种结构的反应器由于其反应器中石英反应管外平衡气与管内反应生成的产品气相互混合，使得反应器的反应效率低下，在试验中其反应效率仅为15%左右 。
发明内容
为了解决上述反应器中由于其反应管的外平衡气与反应管内生成的产品气相互混合，使得反应器的反应效率低下的问题，本发明提供一种固定床反应器。
本发明采取的措施是一种固定床反应器，所述反应器包括：
一反应器中设置有一向两边延伸至反应器端口Ⅰ、Ⅱ的反应管；
一在所述反应管周围设置有一气体腔连通有气体腔进气口；
一原料气进口分别连通有气体管路Ⅰ和气体管路Ⅱ；
一在所述反应管的一端包含有一反应螺旋管。
在上述技术方案中，所述反应管是金属或非金属反应管；所述反应管周围设置有气体腔的直径是反应器筒体直径的1/9；所述反应管外套设有反应管长度1/4的电加热装置；所述反应螺旋管的长是反应管总长的1/10；所述反应螺旋管的直径是反应管直径的1/5；所述反应器筒体与气体腔之间的空间填充有耐高温材料；所述耐高温材料是高质纤维棉或莫来石轻质保温砖；所述反应管的反应温度是800-1200摄氏度，反应压力是6-12兆帕。
本发明所述的一种固定床反应器，与现有技术相比，通过在反应器中设置一向两边延伸至反应器端口Ⅰ、Ⅱ的反应管，避免了反应气与平衡气的混合，该反应管结构简单，操作方便，效果明显；通过反应管周围设置气体腔，气体腔中的气体作为平衡气保护反应管在高温下工作时不承受压力；通过反应管的一端包含一反应螺旋管，保护反应管在高温下不会因高温膨胀而受力变形；通过设置气体分配装置，实现了金属反应管内气体和气体腔中气体的压力平衡，通过设置气体单向阀使进入气体腔的气体不会回流与反应管内气体混合；通过反应管外套设电加热装置，直接对反应管加热，热量利用效率高，电加热装置加热均匀利于吸热反应进行；设置的耐高温材料能够保证反应器不锈钢筒体处温度降至50摄氏度以下，这降低了设备材料成本，保证了反应器的工作安全；设备的不同位置安装有三个测温热电偶，能够准确的显示反应区温度分布情况。
附图说明
图1是本发明固定床反应器的总体结构示意图。
图中：1：反应管进气口；2：法兰Ⅰ；3：反应器端口Ⅰ；4：法兰Ⅱ；5：右封头；6：耐高温材料；7：电加热装置；8：测温热电偶；9：反应器筒体；10：反应管；11：左封头；12：法兰Ⅲ；13：反应管出气口；14：反应器端口Ⅱ；15：法兰Ⅳ；16：气体腔；17：安全阀；18：气体腔进气口；19：气体管路Ⅰ；20：压力表Ⅰ；21：气体单向阀；22：气体流量控制显示器Ⅰ；23：截止阀Ⅰ；24：原料气进口；25：气体分配装置；26：气体管路Ⅱ；27：截止阀Ⅱ；28：气体流量控制显示器Ⅱ；29：压力表Ⅱ。
图2是本发明固定床反应器的金属反应管结构示意图。
图中：30：密封垫Ⅰ；31：出气口垫片；32：密封垫Ⅱ；33：反应螺旋管；34：变径接头；35：反应管直管段；36：进气口接头；37：软密封结构；38：密封垫Ⅲ；39：进气口垫片；40：密封垫Ⅳ。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施方式来进一步详细描述本发明提出的一种固定床反应器。
如图1和图2，实施本发明所述的一种固定床反应器，是沿反应器轴线设置有一向两边延伸至反应器端口Ⅰ3和反应器端口Ⅱ14的反应管10，在本实施例中以设置金属反应管为例，说明本发明反应器的构成；本固定床反应器通过设置金属反应管10实现反应管内外气体相互隔绝，避免了平衡气混入生成气中导致反应气的转化率降低的问题；金属反应管10的一端包含有一反应螺旋管33。反应螺旋管33的设置能够提供足够的弹性空间，以避免反应管10因高温膨胀产生变形的影响；反应管10外套设有电加热装置7为反应器内反应的进行提供热量；反应管10周围设置有气体腔16连通有气体腔进气口18，气体腔16的设置为反应管10提供平衡气，使得反应管内反应物在高温高压下反应，反应管只承受高温不承受压力，保护反应管10的运行安全，也解决了反应管的材质问题；原料气进口24分别连通有气体管路Ⅰ19和气体管路Ⅱ26，通过该气体管路的设置实现了反应管内外压力平衡。
气体腔16和反应器筒体9之间为耐高温材料6，气体腔16的直径是反应器筒体9直径的1/9，这样保证高温通过这部分耐高温材料层传至不锈钢筒体时温度降至50摄氏度以下，也为电加热装置7的安装提供了足够空间；反应管10外设置有电加热装置7，电加热装置7是反应管10长度的1/4，这样的结构可以为反应物提供足够长的高温区，保证了反应物受热均匀，也使得高温沿反应管10传至软密封结构37和各个焊缝处温度降至100摄氏度以下。反应螺旋管33的长是反应管10总长的1/10，这为反应管10提供了足够的伸缩裕量，能避免反应管10因高温产生不可逆变形，也避免了变径接头34的焊缝处于高温区。反应螺旋管33的直径是反应管10直径的1/5，这保证了反应螺旋管33弹性良好且气体经过反应螺旋管33时阻力较小；电加热装置7由内置或外盘加热电阻丝的陶瓷管制成，电加热装置7对反应管直接加热，大大提高了热量利用效率；反应器筒体9和气体腔16之间填充有耐高温材料6，耐高温材料6为高质纤维棉或莫来石保温转，耐高温材料6能够保证高温传至反应器筒体时温度降至50摄氏度以下，可以保证人身和设备安全。反应管10的反应温度是800-1200摄氏度，反应压力是6-12兆帕。
反应管10由密封垫Ⅰ30、出气口垫片31、密封垫Ⅱ32、反应螺旋管33、变径接头34、反应管直管段35、进气口接头36、软密封结构37、密封垫Ⅲ38、进气口垫片39、密封垫Ⅳ40组成。反应螺旋管33两端分别与出气口垫片31和变径接头34焊接。变径接头34的另一端与反应管直管段35焊接。反应管直管段35采用0Cr25Ni20不锈钢等耐高温、耐腐蚀和耐氧化材料，能够在1200摄氏度的高温下工作。进气口接头36内部为正六边形通孔结构，外表面为螺纹结构；进气口垫片39中央开有两个半孔使进气口垫片39形成气体通路。其中直径较大的半孔为内螺纹结构，与进气口接头36通过螺纹连接的同时挤紧软密封结构37；软密封结构37采用氟橡胶等耐高温材料制作的欧型圈或密封垫等结构，保证反应管10内反应气体和气体腔16中平衡气的隔绝。
原料气进口24接气体分配装置25分别连通有气体管路Ⅰ19和气体管路Ⅱ26，气体管路Ⅰ19上设置有压力表Ⅰ20、气体单向阀21、气体流量控制显示器Ⅰ22、截止阀Ⅰ23，并与反应管进气口1相连；气体管路Ⅱ26上设置有截止阀Ⅱ27、气体流量控制显示器Ⅱ28、压力表Ⅱ29，并与气体腔进气口18相连。气体分配装置25将原料气分成压力相等的两路气体分别经过气体管路Ⅰ19和气体管路Ⅱ26进入气体腔16和反应管10内，实现反应管10内外压力相等；气体单向阀21保证通入气体腔16的平衡气不会倒流与反应管10内气体混合。
本发明通过采用反应管10内外压力相等的方式实现反应管10在高温下不承受高压，使得反应管材质问题得以解决；通过设置气体腔16和气体腔进气口18为反应管10提供平衡气，保证反应管安全稳定工作；通过设置气体管路Ⅰ19和气体管路Ⅱ26实现反应管10内气体和气体腔16中气体压力平衡且平衡气不会与反应气混合；通过设置反应螺旋管33保护反应管不会因高温变形；反应管10上通过设置密封垫Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和软密封结构37使得反应管内外气体与大气三者之间完全密封；反应管10上通过设置进气口接头36和进气口垫片39实现反应管的反复拆装。
下面就煤加氢气化甲烷化反应为例具体说明本发明一种固定床反应器的结构。
将煤料从进气口接头36处装入金属反应管10，然后将金属反应管10从反应器端口Ⅱ14置入反应器，由螺栓将法兰Ⅲ12与法兰Ⅳ15挤紧，这样密封垫Ⅰ30和密封垫Ⅱ32被挤紧，出气口端密封完成。进气口一端，将软密封结构37安装在进气口接头36与进气口垫片39之间，此时软密封结构37起密封作用。由螺栓挤紧法兰Ⅰ2和法兰Ⅱ4，进气口端密封完成。原料气进口24来的氢气通过气体分配装置25分成两路压力相同的气体——反应气和平衡气分别进入气体管路Ⅱ26和气体管路Ⅰ19，再分别进入反应管10和气体腔16，实现反应管10内外压力平衡。通过电加热装置7和外部连接的温度显示和控制器实现反应温度的调节和变化。反应器上设置有测温热电偶8能够准确显示反应器内温度分布情况。
对比实施例1
利用专利CN101537327A公开的“一种固定床反应器”进行煤加氢甲烷化反应。
为了区分平衡气和反应气，先将氮气作为平衡气通入反应器中进入石英反应管外，待反应器内温度和压力达到需要的条件时，通入氢气作为反应气进入石英反应管，此时开始计时。在出气口处采集气体样品，分析气体组成情况。结果见表1：
表1不同时刻得到的气体样品的组成情况
| 15min | 30min | 45min | 60min | 80min | 100min | 120min | 150min | 180min | |
| 平衡气含量% | 95.3 | 92.0 | 93.8 | 91.1 | 86.6 | 88.2 | 86.3 | 85.2 | 86.1 |
| 产品气含量% | 4.7 | 8.0 | 6.2 | 8.9 | 13.4 | 11.8 | 13.7 | 14.8 | 13.9 |
由表1可知，煤加氢甲烷化反应开始后3小时内，在不同时刻出气口得到的气体样品中，平衡气占85%以上。气体样品中平衡气含量总体呈下降趋势，但波动很大。由于平衡气大量混入产品气中使得原料气转化率降低，不能满足生产要求。
实施例1
利用本发明 “一种固定床反应器”进行煤加氢甲烷化反应。
本实施例也对平衡气和反应气加以区别（在实验或生产过程中平衡气和反应气可采用同一气体）：在气体腔中通入氮气作为平衡气，在金属反应管内通入氢气作为反应气，待反应管内温度压力均达到需要的条件时开始计时。在金属反应管出气口处采集气体样品，分析气体样品组成情况。结果见表2：
表2不同时刻得到的气体样品的组成情况
| 15min | 30min | 45min | 60min | 80min | 100min | 120min | 150min | 180min | |
| 平衡气含量% | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 产品气含量% | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
由表2可知，采用本发明“一种固定床反应器”进行煤加氢甲烷化反应，气体腔中平衡气没有混入金属反应管内产品气中。采用本发明的反应气转化率不会受到平衡气的混合和稀释的影响，金属反应管出气口处气体能够很好的反映反应管内的反应进行情况。
Claims (8)
1.一种固定床反应器，包括：
一反应器中设置有一向两边延伸至反应器端口Ⅰ、Ⅱ（3、14）的反应管（10）；
在所述反应管（10）的一端包含有一反应螺旋管（33）；
在所述反应管（10）周围设置有一气体腔（16）连通有气体腔进气口（18）；所述气体腔（16）与反应器筒体（9）之间的空间填充有耐高温材料；所述气体腔（16）是金属反应管外壁面与耐高温材料层的内壁面所围成的空间；
还包括一原料气进口（24）分别连通有气体管路Ⅰ（19）和气体管路Ⅱ（26）；所述气体管路Ⅰ（19）上设置有压力表Ⅰ（20）、气体单向阀（21）、气体流量控制显示器Ⅰ（22）、截止阀Ⅰ（23），并与气体腔进气口（18）相连；所述气体管路Ⅱ（26）上设置有截止阀Ⅱ（27）、气体流量控制显示器Ⅱ（28）、压力表Ⅱ（29），并与反应管进气口（1）相连；气体分配装置（25）将原料气分成压力相等的两路气体，其中，一路气体经气体管路Ⅰ（19）进入气体腔（16），另一路气体经气体管路Ⅱ（26）进入反应管（10）内。
2.如权利要求书1所述的一种固定床反应器，其所述反应管（10）是金属或非金属反应管。
3.如权利要求书1所述的一种固定床反应器，其所述反应管（10）周围设置的气体腔（16）的直径是反应器筒体（9）直径的1/9。
4.如权利要求书1所述的一种固定床反应器，其所述反应管（10）外套设有反应管（10）长度1/4的电加热装置（7）。
5.如权利要求书4所述的一种固定床反应器，其所述反应螺旋管（33）的长是反应管（10）总长的1/10。
6.如权利要求书1或5所述的一种固定床反应器，其所述反应螺旋管（33）的直径是反应管（10）直径的1/5。
7.如权利要求书7所述的一种固定床反应器，其所述耐高温材料(6)是高质纤维棉或莫来石轻质保温砖。
8.如权利要求书1所述的一种固定床反应器，其所述反应管（10）的反应温度是800-1200摄氏度，反应压力是6-12兆帕。
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