CN102794152B - 一种环管反应器 - Google Patents

Abstract

一种环管反应器，包括有直套管、夹套弯头和安装支座，所述直套管包括有内管和外管，所述夹套弯头包括有内弯头和夹套连通管，所述内弯头与所述内管依次串联连接成反应物料的输送及反应的连通流道，所述夹套连通管位于所述内弯头处与所述外管连接，将所述内管与所述外管之间形成的夹套流道以及所述内弯头和所述夹套连通管之间形成的弯头夹套流道串联一起形成输送冷却介质的连通流道，其中，所述直套管的夹套流道内和/或所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置有螺旋导流管。与现有技术相比，本发明采用螺旋导流管后，不仅对直套管中的内管起加强作用，提高了高耸直套管的夹套结构的抗弯钢度，而且还延长了流体的换热时间，使得换热充分，同时还便于直套管内的放置和焊接。

Description

一种环管反应器

技术领域

本发明涉及石油化工专用机械装备工程技术，特别是涉及一种具有螺旋导流管的环管反应器。

背景技术

现有技术中，聚烯烃（如：聚丙烯和聚乙烯）是通用的合成树脂中产量和消费量最大的品种，聚烯烃通常的生产技术包括有三种：即淤浆法，气相法和溶液法。所谓淤浆法（Slurry Process）又称为浆液法或溶剂法工艺方法，是世界上最早的用于生产聚丙烯的工艺技术。淤浆法生产技术是生产HDPE的主要方法，该生产工艺方法为：将丙烯或乙烯与烃溶剂混合，生产出的聚合物悬浮于溶剂中，浆液法的工业化应用时间较早，工艺技术成熟，且生产过程中压力、温度较低。淤浆法采用的反应设备根据反应器形式，淤浆法采用的反应器可以分为搅拌釜式反应器和环管反应器两种。

现有技术中，通常的环管反应器，包括有根据产能大小设置的若干条直套管、以及对应的夹套连通管、弯头、安装支座、连接梁等，直套管包括有内管和外管，弯头的端部与内管的端部依次串联连接，连成用于反应物料的输送及反应的连通流道，因聚合反应会产生热量，因此在直套管的内管和外管之间形成夹套流道，夹套连通管与外管连接将夹套流道串联成用于输送冷却介质的连通流道，通过夹套流道内的冷却物介质把反应热带走。直套管的外管上设置有波形膨胀节、安装支座及支梁座，连接梁通过螺栓与支梁座连接，把直套管组合成一个立体框架。由于环管反应器为多基础支承，即每条直套管都设置有与其相对应的安装支座支承，由此导致直套管的长度、轴线位置、方位、标高、间距等误差，以及直套管平行度、法兰垂直度、弯头的制造误差等诸多因素都会同时对环管安装密封性能产生影响；并且环管反应器采用低温钢制造，对制造、焊接、热处理的要求都较高。为了使物料在直套管内流动顺畅，内管内壁须经多次打磨、抛光至接近镜面的程度，防止反应物粘壁，产生爆聚。

例如， 30万吨/年的生产聚丙烯的环管反应器的结构，如图1所示，包括有六条各长为50m、外径为φ609.6×16 mm的直套管R1、R2、R3、R4、R5、R6，六个弯头A1、A2、A3、B1、B2、B3一一对应与直套管的内管依次串联接接而形成一个循环整体的连通流道，五条夹套连通管C1、C2、C3、C4、C5和外管连接将夹套流道依次串联成一个连通流道；冷却介质由夹套流道的冷却介质流入口2A进入，至夹套流道的冷却介质流出口2F流出，六个安装支座D1、D2、D3、D4、D5、D6位于各直套管R1、R2、R3、R4、R5、R6的下部。环管反应器的底部弯头B1、B2、B3处设置有轴流泵，反应物料由反应物料流入口1A进入环管反应器，在轴流泵的驱动下，反应物料在直套管R1、R2、R3、R4、R5、R6内搅拌、循环，并在催化剂的作用下，进行反应形成浆状的聚丙烯后，再由反应物料流出口1B泄出，然后进入至造粒系统；该环管反应器坐落在11m高的平台基础上，整台设备重约210吨。环管底部弯头处设有轴流泵，反应物料由1A处进入环管反应器，在轴流泵的驱动下在管内搅拌、循环，在催化剂的作用下反应形成浆状聚丙烯，由1B处泄出进入造粒系统；夹套间彼此有五条夹套连通管相连；夹套上附有膨胀节、支梁座及支座，相邻两夹套之间H型钢相连，形成8个空间平台。

随着石油资源的匮乏，为适应市场对乙烯专用料的巨大需求和发展，对环管反应器设备的结构、产能、质量均提出了新的更苛刻的要求，对原油的炼制及化工工艺上日益提高深化要求充分利用资源，一台设备要能够切换生产不同牌号的产品，同时，化工企业期望通过高产能的规模效应来降低成本，提高价格的市场竞争力。目前国内单台聚丙烯环管反应器的产能已由1996年首次国产化的7万吨/年提高到目前的40万吨/年，随着产能规模的进一步扩大，上述现有技术中的环管反应器，由于直套管采用一体的细长竖直结构，所以当直套管的长度超过60m时，将会出现以下的不足之处：

(a) 直套管其安装方式只有垂直直立式，随着直套管高度的增加超过60m，高耸钢结构在动载荷作用下的强度和稳定性较难保证，如果单靠增加之套管的壁厚来提高强度和稳定性，不但设备投资成本增大，而且厚壁的热阻增大，对换热效果有不良影响，不利于节能减排；

(b) 随着直管规格由φ609.6×16 mm增大为φ711.2×19.05 mm，需相应增大夹套内冷却水流量以带走更多的反应热，不利于节水减排；

(c) 随着直套管长度的增加超过50m，夹套内冷却水流态渐趋稳定，在内管的外表面上形成膜状的层流，增加热阻，降低换热效率，不利于节水减排。

现有技术中，例如，中国发明专利申请（公开号为：CN101598508A）于2009年12月9日公开了一种“螺旋导流板换热器管束” ，其技术方案包括：“一种螺旋导流板换热器管束，包括在一个壳体(10)内，有一个中芯柱(1)围盘着螺旋导流板(2)(3)，中芯柱(1)两端各放置一块管板(8)(9)，中芯柱(1)内穿满不锈钢波节换热管(7)，中芯柱(1)外与壳体(10)内的空间盘旋螺旋导流板(2)(3)，两端管板(8)(9)上的管孔与螺旋导流板(2) (3)上的管孔同心，穿装换热管，其特征在于，中芯柱(1)内穿满不锈钢波节换热管(7)，波节换热管(7)之间的管间距与波节换热管(7)的波峰相同，管板(8)(9)上的管孔直径与波节换热管(7)的波谷相同，中芯柱(1)一端切割多边槽口焊接在管板(9)上，另一端距管板(8)有间距。螺旋导流板(2)(3)可分内螺旋导流板(2)和外螺旋导流板(3)，内螺旋导流板(2)围盘焊接在中芯柱(1)外表面上，螺旋升角不大于14°，外螺旋导流板(3)围盘焊接在内螺旋导流板(2)外围边上，外螺旋导流板(3)的螺距是内螺旋导流板(2)螺距的整数倍。” 上述技术方案针对的是列管式换热器的管束，所谓管束是列管式换热器的核心构件，管束通常由换热管、支持板（或者折流板）和管板组成，成排的换热管通过支持板（或者折流板）支承，其两端穿进管板的管孔中，并与管板相连接，从而保证接头的密封性和强度，上述技术方案采用螺旋导流板替代折流板，通过在螺旋导流板上开孔，穿进多个换热管，同时该螺旋导流板的固定是通过中芯柱和定距杆实现整体定位的，这种结构中的螺旋流体不直接与中芯柱换热，而且中芯柱浪费了宝贵的壳内承压空间；同时产生螺旋流的结构复杂、不便于在环管反应器上的应用。

综上所述，研发一种具有螺旋导流管的环管反应器的技术，在工业上和经济上具有深远和重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种能够提高流体换热效果的环管反应器。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供了一种环管反应器，包括有直套管、夹套弯头和安装支座，所述直套管包括有内管和外管，所述夹套弯头包括有内弯头和夹套连通管，所述内弯头与所述内管依次串联连接成反应物料的输送及反应的连通流道，所述夹套连通管位于所述内弯头处与所述外管连接，将所述内管与所述外管之间形成的夹套流道以及所述内弯头和所述夹套连通管之间形成的弯头夹套流道串联一起形成输送冷却介质的连通流道，其中，所述直套管的夹套流道内和/或所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置有螺旋导流管。

其中，所述直套管的夹套流道内和/或所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置的螺旋导流管连续分布设置。

其中，所述直套管的夹套流道内和/或所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置的螺旋导流管分段分布设置，且相邻两段螺旋导流管的螺旋方向相同。

其中，所述直套管的夹套流道内和/或所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置的螺旋导流管分段分布设置，且相邻两段螺旋导流管的螺旋方向相反。

其中，设置于所述直套管的夹套流道内的所述相邻两段螺旋导流管分别焊接于所述内管的外壁面和所述外管的内壁面。

其中，设置于所述直套管的夹套流道内的所述相邻两段螺旋导流管之间沿所述直套管的轴向方向的间隔距离设置为4米。

其中，所述直套管的夹套流道内设置的螺旋导流管，其焊接于所述外管的内壁面或者焊接于所述内管的外壁面。

其中，位于所述直套管的下管段的夹套流道内设置的螺旋导流管的厚度，大于位于所述直套管的上管段的夹套流道内设置的螺旋导流管的厚度。

其中，所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置的螺旋导流管，其焊接于所述夹套连通管的内壁面或者焊接于所述内弯头的外壁面。

其中，所述直套管的夹套流道内设置的螺旋导流管通过设置于所述内管的外壁面、并沿所述内管的轴向呈螺旋状分布设置的螺旋定位片放置；所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置的螺旋导流管，通过设置于所述内弯头的外壁面、并沿所述内弯头的轴向呈螺旋状分布设置的螺旋定位片放置。

本发明的有益效果：

本发明在直套管的夹套流道内和/或夹套弯头的弯头夹套流道内增设有螺旋导流管。与现有技术相比，具有以下特点：（1）用于填充直套管内内管与外管之间的空隙，使得螺旋导流管一方面对内管起加强作用，另一方面通过直套管的直线度的偏差能把套进外管里的内管组合到一起，大大提高了高耸直套管的夹套结构的抗弯钢度，这对于高大的设备的防震很重要；(2)引导夹套流道内的流体由原来沿夹套流道轴向的流动为绕着夹套流道螺旋打圈地流动，即便保守地按螺距等于管径计算，流程路径也可增长π倍，延长了流体的换热时间，使得换热充分；(3)螺旋流能打破原来沿夹套流道轴向长距离流动时产生的流动层流，引发激烈的紊乱流，明显提高传热膜系数；(4)螺旋流能使流体沿周向更加均匀，充分利用流体温差换热；(5) 螺旋流及激烈的冲刷能避免夹套流道内结垢，排出杂质，保持换热效果持久有效；（6）螺旋导流管便于在直套管的夹套流道内和/或夹套弯头的弯头夹套流道的焊接或放置；（7）由于螺旋导流管盘绕于内管的外壁面，所以可以很好地保证其与直套管的同心度。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是现有技术中的环管反应器的结构示意图。

图2是本发明的一种环管反应器的实施例1的结构示意图。

图3是本发明的一种环管反应器的实施例3的结构示意图。

在图1中包括有：

R1、R2、R3、R4、R5、R6——直套管、

A1、A2、A3、B1、B2、B3——弯头、

C1、C2、C3、C4、C5——夹套连通管、

D1、D2、D3、D4、D5、D6——安装支座、

2A——夹套流道的冷却介质流入口、2F——夹套流道的冷却介质流出口、

1A——反应物料流入口、1B——反应物料流出口、

在图2和图3中包括有：

21——内管、22——螺旋导流管。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本发明的一种环管反应器的具体实施方式之一，如图2所示，包括有直套管、夹套弯头和安装支座，所述直套管包括有内管21和外管，所述夹套弯头包括有内弯头和夹套连通管，所述内弯头与所述内管21依次串联连接成反应物料的输送及反应的连通流道，所述夹套连通管位于所述内弯头处与所述外管连接，将所述内管21与所述外管之间形成的夹套流道以及所述内弯头和所述夹套连通管之间形成的弯头夹套流道串联一起形成输送冷却介质的连通流道，上述技术特征与现有技术中的环管反应器的结构相同。本发明的一种环管反应器也具备现有技术中的环管反应器的其它基本结构。本发明的改进之处在于，所述直套管的夹套流道内和/或所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置有螺旋导流管22。其数量视直套管的长度及夹套弯头的长度而定。

本发明增设螺旋导流管22的作用：（1）用于填充直套管内内管21与外管之间的空隙，使得螺旋导流管22一方面对内管21起加强作用，另一方面通过直套管的直线度的偏差能把套进外管里的内管21组合到一起，大大提高了高耸直套管的夹套结构的抗弯钢度，这对于高大的设备的防震很重要；(2)引导夹套流道内的流体由原来沿夹套流道轴向的流动为绕着夹套流道螺旋打圈地流动，即便保守地按螺距等于管径计算，流程路径也可增长π倍，延长了流体的换热时间，使得换热充分；(3)螺旋流能打破原来沿夹套流道轴向长距离流动时产生的流动层流，引发激烈的紊乱流，明显提高传热膜系数；(4)螺旋流能使流体沿周向更加均匀，充分利用流体温差换热；(5) 螺旋流及激烈的冲刷能避免夹套流道内结垢，排出杂质，保持换热效果持久有效；（6）螺旋导流管22便于在直套管的夹套流道内和/或夹套弯头的弯头夹套流道的焊接或放置；（7）由于螺旋导流管22盘绕于内管21的外壁面，所以可以很好地保证其与直套管的同心度。

具体的，所述直套管的夹套流道内和/或所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置的螺旋导流管22连续分布设置。

具体的，所述直套管的夹套流道内设置的螺旋导流管22，其焊接于所述外管的内壁面或者焊接于所述内管21的外壁面。螺旋导流管22焊接在直套管内管21的外壁面上，原来沿轴向流动的夹套流体在螺旋导流管22的作用下，其沿螺旋方向X流动，离开螺旋导流管22后又沿轴向Y流动，螺旋导流管22的高度h要控制均匀以便其能顺利套进外管内。螺旋导流管22与外管的内壁面焊接的好处是：(1) 避免螺旋导流管22与内管21焊接，因为有些内管21采用低温钢材料，焊接工艺复杂，不好操作，容易出现焊接裂纹，而外管一般是碳素钢，螺旋导流管22也是碳素钢，两者很容易焊接到一起；(2) 节约螺旋导流管22与内管21焊时贵重的低温钢焊材； (3) 内管21外壁面减少焊接后，也同时省去焊接后的消除残余应力热处理，减少工序，节省能源；(4) 螺旋流在旋转中有离心倾向，螺旋导流管22与外管焊接后，消除了螺旋导流管22与外管之间的间隙，使离心贴向外管内壁的流体不会沿间隙泄漏产生轴向流，提高换热效率。

    另，螺旋导流管22直接紧密盘绕于内管21的外壁面或者外管的内壁面，能够充分的按照螺旋流的方向与内管21内的反应物料进行彻底换热，而且螺旋导流管22便于在夹套流道内设置。

具体的，位于所述直套管的下管段的夹套流道内设置的螺旋导流管22的厚度，大于位于所述直套管的上管段的夹套流道内设置的螺旋导流管22的厚度。优选的，位于所述直套管的下管段的夹套流道内设置的螺旋导流管22的厚度，比位于所述直套管的上管段的夹套流道内设置的螺旋导流管22的厚度大2mm。

具体的，所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置的螺旋导流管22，其焊接于所述夹套连通管的内壁面或者焊接于所述内弯头的外壁面。将螺旋导流管22与内管21的外壁面相焊接，对内管21已是一种加强作用，通常设置在夹套的进料口处、支梁座处和膨胀节附近，以便对这些结构变化部位起到更直接的加强作用。螺旋导流管22引导流体产生螺旋流，打破层流，有利于提高换热效果。

实施例2

本发明的一种环管反应器的具体实施方式之二，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，所述直套管的夹套流道内和/或所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置的螺旋导流管22分段分布设置，且相邻两段螺旋导流管22的螺旋方向相同。

具体的，设置于所述直套管的夹套流道内的所述相邻两段螺旋导流管22分别焊接于所述内管21的外壁面和所述外管的内壁面。

具体的，设置于所述直套管的夹套流道内的所述相邻两段螺旋导流管22之间沿所述直套管的轴向方向的间隔距离设置为4米。

另，分段设置的螺旋导流管22的螺距是不一样的，靠近夹套进出口的螺旋导流板的螺距较小。

实施例3

本发明的一种环管反应器的具体实施方式之三，如图3所示，本实施例的主要技术方案与实施例2相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例2中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例2的区别在于，所述直套管的夹套流道内和/或所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置的螺旋导流管22分段分布设置，且相邻两段螺旋导流管22的螺旋方向相反。如前一段是右旋的，则后一段就是左旋的；如前一段是左旋的，则后一段就是右旋的。参见图3所示，螺旋导流管22焊接在直套管内管21的外壁面上，原来沿轴向流动的夹套流体沿螺旋导流管22的螺旋+X方向流动，离开螺旋导流管22后又沿轴向Y流动，到了下一段螺旋导流管22则是沿－X方向流动。反向设置的分段螺旋导流管22，使得环管反应器的换热效果更好。

实施例4

本发明的一种环管反应器的具体实施方式之四，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，所述直套管的夹套流道内设置的螺旋导流管22通过设置于所述内管21的外壁面、并沿所述内管21的轴向呈螺旋状分布设置的螺旋定位片放置；所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置的螺旋导流管22，通过设置于所述内弯头的外壁面、并沿所述内弯头的轴向呈螺旋状分布设置的螺旋定位片放置。

上述螺旋导流管22既不与外管内壁面相焊，也不与内管21外壁面相焊，只是通过螺旋定位片相对固定在夹套流道内，该结构的好处是：(1) 螺旋导流管22不与内外管焊接，因为有些内管21采用低温钢材料，焊接工艺复杂，不好操作，容易出现焊接裂纹；(2) 节约螺旋导流管22与内外管相焊时的焊材；(3) 内管21外壁面减少焊接后，也同时省去焊接后的消除残余应力热处理，减少工序，节省能源；(4) 由于结构是立式安装，螺旋导流管22在自重力、流体压头和流体弹性等因素的共同作用下存在随机平衡状态，可以轻微振动，既可去除夹套流道内的垢尘从而减少热传递阻力，又能形成紊流从而提高传热膜系数。

本发明的环管反应器的螺旋导流管22结构除适用于石油化工中的聚乙烯、聚丙烯生产外,也适用于石油化工中的泥浆冷却器、丁烯冷却器、乙烯激(急)冷器(锅炉)等生产工艺设备，还适用于石油炼制中酮苯脱蜡工艺的套管结晶器上。

本发明中的环管反应器的螺旋导流管22还可应用于环管换热器或者带夹套的环管换热器技术领域。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1. 一种环管反应器，包括有直套管、夹套弯头和安装支座，所述直套管包括有内管和外管，所述夹套弯头包括有内弯头和夹套连通管，所述内弯头与所述内管依次串联连接成反应物料的输送及反应的连通流道，所述夹套连通管位于所述内弯头处与所述外管连接，将所述内管与所述外管之间形成的夹套流道以及所述内弯头和所述夹套连通管之间形成的弯头夹套流道串联一起形成输送冷却介质的连通流道，其特征在于：所述直套管的夹套流道内和/或所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置有螺旋导流管，所述螺旋导流管分段分布设置，且相邻两段螺旋导流管的螺旋方向相反; 分段设置的螺旋导流管的螺距不相同，且靠近夹套进出口的螺旋导流管的螺距小于其他位置设置的螺距;位于所述直套管的下管段的夹套流道内设置的螺旋导流管的厚度，大于位于所述直套管的上管段的夹套流道内设置的螺旋导流管的厚度。

2. 根据权利要求1所述的一种环管反应器，其特征在于：设置于所述直套管的夹套流道内的所述相邻两段螺旋导流管分别焊接于所述内管的外壁面和所述外管的内壁面。

3. 根据权利要求1所述的一种环管反应器，其特征在于：设置于所述直套管的夹套流道内的所述相邻两段螺旋导流管之间沿所述直套管的轴向方向的间隔距离设置为4米。

4. 根据权利要求1所述的一种环管反应器，其特征在于：所述直套管的夹套流道内设置的螺旋导流管，其焊接于所述外管的内壁面或者焊接于所述内管的外壁面。

5. 根据权利要求1所述的一种环管反应器，其特征在于：所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置的螺旋导流管，其焊接于所述夹套连通管的内壁面或者焊接于所述内弯头的外壁面。

6. 根据权利要求1所述的一种环管反应器，其特征在于：所述直套管的夹套流道内设置的螺旋导流管通过设置于所述内管的外壁面、并沿所述内管的轴向呈螺旋状分布设置的螺旋定位片放置；所述夹套弯头的弯头夹套流道内设置的螺旋导流管，通过设置于所述内弯头的外壁面、并沿所述内弯头的轴向呈螺旋状分布设置的螺旋定位片放置。