CN104368281A - 列管式反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列管式反应器，包括反应器箱体以及间隔设置在所述反应器箱体内的多个列管，反应器箱体包括箱体主体和固定在该箱体主体底部的水平基座，所述反应器箱体上还设置有与所述多个列管连通的反应原料进口和反应产物出口，其中，至少一个所述列管相对于所述水平基座倾斜设置。由于本发明提供的列管式反应器中的至少一个列管相对于水平基座倾斜设置，因此在填充催化剂的过程中，可以借助催化剂自身重量相对较慢地滑入列管中，因此能够提供催化剂填料的均匀性，从而能够提高反应流体流动性，降低压降，并且可以解决放热反应操作中所产生的气附问题，能够提高列管传热，从而保证反应器的安全可靠性。

Description

列管式反应器

技术领域

本发明涉及反应器领域，具体地，涉及一种列管式反应器，更具体地涉及一种列管式固定床催化反应器。

背景技术

在化工产业中，固定床反应器是指流体通过由固体催化剂形成的固定不动的床层而进行化学反应的装置。固定床催化反应器广泛应用于工业生产中，例如，氨的合成、馏分油加氢、渣油加氢。但是对于放热量较大的化工过程，如FT合成，苯胺加氢制环己胺、乙烯氧化制环氧乙烷、二氧化硫氧化制三氧化硫、合成气合成甲醇、乙炔氯化制氯乙烯、苯氧化制顺丁烯二酸酐、邻二甲苯制邻苯二甲酸酐等，为了方便取热和反应过程中的稳定控制，常常需要列管式固定床催化反应器，在本文中均称为列管式反应器。

该列管式反应器是当前化学工业中广泛使用的一类反应装置。与流化床反应器相比，列管式反应器的管内流动接近平推流，物料返混不严重，反应选择性和转化率较高，放大效应小，开发周期短。而与绝热固定床或层间换热式固定床反应器相比，列管式反应器移热能力强，管内径向温差小，有利于反应选择性的提高，管内温度易于控制，由于毋需把反应物料大量稀释，而提高了设备的生产能力。基于上述优点，列管式反应器仍被广泛应用于高选择性、高转化率的强放热反应过程。

几十年来，虽然列管式反应器设计的基础理论和操作特性等方面得到了广泛地研究，许多规律性的东西都已基本察明，但普遍认为在怎样有效传热、降低压降、改善管间流体分布，从而进一步提高转化率、生产强度方面还需进行大量的研究工作。

其中，垂直式或称为立式的列管式催化反应器为此类反应器中常用的一种。实践中发现，即便是对于新装填的反应器，立式的列管式催化反应器的压降偏高，反应器的工业效果存在很大改进空间。

此外，在传热上，如果采用高压水和蒸气取热，由于下层管壁的影响，垂直式的列管的外侧面会形成较大面积的气膜，即气附问题。导致热量不易外传，最终不但会影响化工生产过程的反应性能问题，也会影响反应器的安全问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种列管式反应器，该列管式反应器能够至少部分地提高催化剂填料的均匀性，且压降较低并能够至少部分地提升列管式反应器的反应效果和可靠性。

为了实现上述目的，本发明提供一种列管式反应器，包括反应器箱体以及间隔设置在所述反应器箱体内的多个列管，所述反应器箱体包括箱体主体和固定在该箱体主体底部的水平基座，所述反应器箱体上还设置有与所述多个列管连通的反应原料进口和反应产物出口，其中，至少一个所述列管相对于所述水平基座倾斜设置。

优选地，所述多个列管平行设置且均相对于所述水平基座倾斜设置。

优选地，所述列管与所述水平基座之间的夹角为10°～70°，优选为30°～60°。

优选地，所述箱体主体的轴线与所述列管的延伸方向平行。

优选地，所述列管的内径为0.39cm～25.4cm，优选地为0.8cm～15.8cm，更优选地为1.6cm～10.3cm。

优选地，所述列管的长度为0.5m～50m，优选地为3m～25m，更优选地为5m～20m。

优选地，所述反应器箱体还包括水平顶盖，该水平顶盖固定在所述箱体主体的上端。

优选地，所述水平顶盖上固定有与所述反应原料入口连通的第一接头，所述水平基座上固定有与所述反应产物出口连通的第二接头，所述第一接头和所述第二接头的延伸方向分别垂直于所述水平顶盖和所述水平基座。

优选地，所述反应器箱体封闭，且设置有热交换介质入口和热交换介质出口，并且所述箱体主体上固定有与所述热交换介质入口连通的第三接头，以及与所述热交换介质入口连通的第四接头。

优选地，所述反应器箱体内还固定有分隔板，该分隔板位于相邻的所述列管之间。

通过上述技术方案，由于本发明提供的列管式反应器中的至少一个列管相对于水平基座倾斜设置，因此在填充催化剂的过程中，可以实现催化剂借助重力相对较慢地滑入该列管中，因此又能够实现催化剂的装填，还能通过较慢的速度滑入动作提高在列管内填料的均匀性。从而能够提高反应流体在列管中的流动性，降低压降，并且能够提高列管传热，从而保证反应器的安全可靠性。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是显示本发明优选实施方式提供的列管式反应器的结构示意图；

图2是显示图1中列管与水平基座所呈角度的示意图；

图3是显示使用本发明优选实施方式提供的装配方法的列管式反应器的装配状态示意图。

附图标记说明

1       反应器箱体  2    列管

5       分隔板      6    水平基面

8       支座

11、71  箱体主体    12   水平基座

13      水平顶盖    31   第一接头

32      第二接头    41   第三接头

41      第四接头

72      基座        73   顶盖

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”、通常是在本发明提供的列管式反应器正常工作的情况下定义的，具体地可参考图1和图3所示的图面方向，其中在图1中，列管式反应器的水平基座12的延伸方向为“水平方向”，而在图3中，则为水平基面6的延伸方向为“水平方向”。这些方位词只用于说明本发明，并不用于限制本发明。

以下将结合附图1至图3介绍本发明提供的列管式反应器和列管式反应器的装配方法，二者均能够实现本发明的目的，其中本发明提供的列管式反应器通过自身结构实现，而本发明提供的装配方法则可将通过装配手段使得列管式反应器也能够实现本发明的目的。其中本发明提供的装配方法可以适应于各种形式的列管式反应器。为了清楚说明，首先介绍本发明提供的列管式反应器。

如图1和图2所示，本发明提供一种列管式反应器，包括反应器箱体1以及间隔设置在反应器箱体1内的多个列管2，反应器箱体1包括箱体主体11和固定在该箱体主体11底部的水平基座12，在工作时，该水平基座12水平地固定在工作场合。并且，反应器箱体1上还设置有与多个列管2连通的反应原料进口和反应产物出口。因此在工作时，能够首先在列管中填充催化剂，当催化剂在列管内形成均匀的固定床层后，能够通过从反应原料进口输入反应流体，并且在反应产物出口输出反应产物，其中，为了完成本发明的目的，在本发明提供的列管式反应器中，至少一个列管2相对于水平基座12倾斜设置。即在工作时，该至少一个列管2能够相对于水平方向倾斜设置。

因此，在上述技术方案中，相对于水平式（卧式）和垂直式（立式）的列管式反应器，本发明提供的反应器在进行催化剂装填时，可以实现催化剂借助重力相对较慢地滑入该列管中，因此既能够实现催化剂的装填，还能通过较慢的速度滑入动作提高在列管内填料的均匀性，不会导致反应物料和产物物料偏流和短路，有效保证了后续反应过程中的物料流动顺畅，有效降低了反应设备的两端压降，这对反应器的工业效果是非常有利。

另外，在传热方面，如果采用高压水和蒸汽取热，反应管管壁外侧面产生的气泡会产生气泡，气泡产生的速度随管壁与取热介质的温差上升而增加，且不断地离开壁面上升至蒸汽空间。气泡在脱离表面前连接起来，形成一层不稳定的的蒸气膜，使液体不能和加热表面直接接触。由于蒸汽的导热性能差，气膜的附加热阻使对流传热系数和热通量都急剧下降。

垂直反应管（立式）管壁产生的气泡会由于沿着管壁向上运动，这些气泡特别容易连接起来在管壁外侧面产生更大的气泡，进而会发生大面积的气附现象，从而引起反应传热的障碍。反应管的倾斜可以使反应管壁产生的气泡在上升过程的行程较短，一般不大于d/cosβ(d为反应管直径，β为反应管倾斜角)，不会形成大的气泡就可以进入液体相，在较短时间内离开反应管，不产生大面积的气膜，从而促进液体的湍流，对化工生产过程的反应性能问题和安全问题都有利。

需要说明的是，能够实现上述技术方案的实施方式有多种，例如列管2的具体布置方式、反应器箱体1的结构等等，为了方面说明本发明，在此只重点介绍其中的优选实施方式，该优选实施方式只用于说明本发明，并不用于限制本发明。

如图1所述，在本发明的优选实施方式中，优选地，列管式反应器内的多个列管2平行设置且均相对于水平基座12倾斜设置。并且更优选地，箱体主体11的轴线与列管2的延伸方向平行。因此能够最大程度地实现本发明的目的，并且最大程度地利用了箱体主体11内的空间，便于相应部件的安装。其中优选地，列管与水平基座11之间的夹角β为10°～70°，更优选地为30°～60°。

为了使得列管2之间的稳定和相互独立，优选地，反应器箱体1内还固定有分隔板5，该分隔板5位于相邻的列管2之间。即，通过分隔板5能够使得每个列管都处于一个相对独立的空间中，而不会相互干涉。

另外，优选地，反应器箱体1还包括与水平基座12平行安装的水平顶盖13，该水平顶盖13固定在箱体主体11的上端。因此如图1所示，本发明提供的列管式反应器的截面形成为平行四边形的结构，即箱体主体11的轴线方向与列管2的延伸方向平行，并且二者均与水平基座12和水平顶盖13呈角度设置，即呈现夹角β。从而使得整体反应器的结构合理占用空间并且结构稳定。

此外，为了保证反应的温度，优选地，本发明提供的列管式反应器还具有热交换功能，如图1所示，反应器箱体11封闭，且设置有热交换介质入口和热交换介质出口，因此通过通过热交换介质入口、出口向反应器箱体11内不断通过热交换介质，例如冷却水、热蒸汽等等，以使得列管式反应器内能够一定温度，从而保证相应反应的顺利进行。

如图1所示，为了方便反应原料的输入、反应产物的输出，热交换介质的进出，优选地，水平顶盖13上固定有与反应原料入口连通的第一接头31，水平基座12上固定有与反应产物出口连通的第二接头32，第一接头31和第二接头32的延伸方向分别垂直于水平顶盖13和水平基座12，以方便反应原料进入各个列管2中以及反应产物的输出。另外还优选地，箱体主体11上固定有与热交换介质入口连通的第三接头41，以及与热交换介质入口连通的第四接头42，该第三接头41和第四接头42沿水平方向延伸，以方面热交换介质的输送。上述第一、第二、第三和第三接头均采用法兰盘作为与相应管道的连接件，从而方便将本发明提供的列管式反应器应用各种场合。

另外，在列管的设计上，为了使得反应的效果和可靠性更高，可设计列管的内径为0.39cm～25.4cm，优选地为0.8cm～15.8cm，更优选地为1.6cm～10.3cm。以及设计列管2的长度为0.5m～50m，优选地为3m～25m，更优选地为5m～20m。从而最大程度地提升列管的反应效率和单位时间的反应量。

最后，本发明提供的列管式反应器的各个组件如反应器箱体1、列管2、分隔板5等均使用不锈钢材质制成，以提供设备的抗腐蚀性。

上述介绍了通过本身结构实现本发明目的列管式反应器，下面介绍通过装配方式实现本发明目的的列管式反应器的装配方法。

如图3所示，在本发明提供的列管式反应器的装配方法，首先列管反应器包括反应器箱体1以及间隔设置在反应器箱体1内的多个平行布置的列管2，反应器箱体1上还设置有与多个列管2连通的反应原料进口和反应产物出口，因此，在实际使用中能够完成连续的化学反应。其中为了实现本发明的上述目的，本发明提供的装配方法包括将反应器箱体1固定在水平基面6上，并使得列管2相对于水平基面6倾斜设置。具体地，可通过在水平基面6和反应器1的箱体之间设置支座8，通过不同规格的支座8能够使得不同于本发明提供的列管式反应器的其他列管式反应器也能实现本发明的目的。其中本领域技术人员能够根据所需要的列管2的倾斜角度，设计各种不同的支座8，其中优选地该支座8是可调节性的支座，以使得列管式反应器具有多种不同的倾斜角度，从而进一步提升实用性。

即，可将列管式反应器中的列管2相对于所述水平基面倾斜。从而能够实现本发明的目的。即，够降通过催化剂自身重力相对较慢地滑入列管中，以提高相应列管的填料的均匀性，从而能够提高反应流体在列管中的流动性，降低压降，并且能够提高列管传热，从而保证反应器的安全可靠性。

其中，为了得到最好的使用效果，使得列管与水平基面6之间的夹角β为10°～70°，更优选地，使得夹角β为30°～60°。并且为了使得各个列管在倾斜装配时的稳定，反应器箱体1内还固定有分隔板5，该分隔板5位于相邻的列管2之间，以保证各个列管的相对独立性。

其中，由于使用了本发明提供的装配方法，因此就列管式反应器本身的结构而言，不需设置列管2与本身的结构具有夹角，因此，优选地，如图3所示，反应器箱体1包括箱体主体71、固定在箱体主体71上部顶盖73以及固定在箱体主体71下端的基座72，设计箱体主体71的轴线与顶盖73和基座72相互垂直，并与列管2相互平行。该结构同样能够最大程度地利用反应器箱体1内的空间。并且，优选地，该列管式反应器也具有热交换功能，即，反应器箱体封闭，且设置有热交换介质入口和热交换介质出口，以通过热交换介质以满足列管的反应温度。

其中在结构上，优选地顶盖73上固定有与反应原料入口连通的第一接头31，基座72上固定有与反应产物出口连通的第二接头32，第一接头31和第二接头32的延伸方向分别垂直于顶盖73和基座72。并且箱体主体11上固定有与热交换介质入口连通的第三接头41，以及与热交换介质入口连通的第四接头42。该第一、第二、第三和第四接头与本发明优选实施方式提供的列管式反应器相同，均采用法兰作为与相应管道的连接件。

另外，为了保证倾斜状态下的列管工作效率和效果，同样优选地，列管的内径为0.39cm～25.4cm，优选地为0.8cm～15.8cm，更优选地为1.6cm～10.3cm。以及列管的长度为0.5m～50m，优选地为3m～25m，更优选地为50m～20m。并且，反应器箱体1、列管2分隔板5等部件均为不锈钢材质。

综上，不论是本发明提供的列管式反应器，还是列管式反应器的装配方法，均能够实现本发明的目的，即，够通过催化剂自身重力相对较慢地滑入列管中而提高填料的均匀性，从而能够提高反应流体在列管中的流动性，降低压降，并且能够提高列管传热，从而保证反应器的安全可靠性。从而具有较高的实用性和推广价值。

以下通过实施例更详细地说明本发明中的效果。

分别取15升（质量为9.3kg）直径为1.1mm，长度为3-4mm的蝴蝶形γ-氧化铝条作为催化剂，装填充以下列管式反应器，以测试压降。

压降测试方法为，以空气为介质，在流量为1.25m3/min的条件下测量反应器前后的压力差。

对比例1.在列管式反应器中选取10m长，内径5.15cm的不锈钢列管，并在反应时，使其垂直放置。

实施例1.在列管式反应器中选取10m长，内径5.15cm的不锈钢列管，并在反应时，使其与水平方向具有30°的夹角。

实施例2.在列管式反应器中选取10m长，内径5.15cm的不锈钢列管，并在反应时，使其与水平方向具有45°的夹角。

实施例3.在列管式反应器中选取10m长，内径5.15cm的不锈钢列管管，并在反应时，使其与水平具有60°的夹角。

其中实施例1-3中的使得列管倾斜的方式可以通过采用本发明提供的反应器实现也可以采用本发明提供的装配方法实现，所得反应结果列于表1所示，可以看出本发明在降低反应设备两端的压降上的优势明显。

表1

	对比例	实施例1	实施例2	实施例3.
					压降/MPa	0.423	0.314	0.312	0.317

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种列管式反应器，包括反应器箱体（1）以及间隔设置在所述反应器箱体（1）内的多个列管（2），所述反应器箱体（1）包括箱体主体（11）和固定在该箱体主体（11）底部的水平基座（12），所述反应器箱体（1）上还设置有与所述多个列管（2）连通的反应原料进口和反应产物出口，其特征在于，至少一个所述列管（2）相对于所述水平基座（12）倾斜设置。

2.根据权利要求1所述的列管式反应器，其特征在于，所述多个列管（2）平行设置且均相对于所述水平基座（12）倾斜设置。

3.根据权利要求1或2所述的列管式反应器，其特征在于，所述列管与所述水平基座（11）之间的夹角（β）为10°～70°，优选为30°～60°。

4.根据权利要求2所述的列管式反应器，其特征在于，所述箱体主体（11）的轴线与所述列管（2）的延伸方向平行。

5.根据权利要求1所述的列管式反应器，其特征在于，所述列管的内径为0.39cm～25.4cm，优选地为0.8cm～15.8cm，更优选地为1.6cm～10.3cm。

6.根据权利要求1所述的列管式反应器，其特征在于，所述列管的长度为0.5m～50m，优选地为3m～25m，更优选地为5m～20m。

7.根据权利要求1所述的列管式反应器，其特征在于，所述反应器箱体（1）还包括水平顶盖（13），该水平顶盖（13）固定在所述箱体主体（11）的上端。

8.根据权利要求7所述的列管式反应器，其特征在于，所述水平顶盖（13）上固定有与所述反应原料入口连通的第一接头（31），所述水平基座（12）上固定有与所述反应产物出口连通的第二接头（32），所述第一接头（31）和所述第二接头（32）的延伸方向分别垂直于所述水平顶盖（13）和所述水平基座（12）。

9.根据权利要求1所述的列管式反应器，其特征在于，所述反应器箱体封闭，且设置有热交换介质入口和热交换介质出口，并且所述箱体主体（11）上固定有与所述热交换介质入口连通的第三接头（41），以及与所述热交换介质入口连通的第四接头（42）。

10.根据权利要求1所述的列管式反应器，其特征在于，所述反应器箱体（1）内还固定有分隔板（5），该分隔板（5）位于相邻的所述列管（2）之间。