CN105032305A - 一种新型径向板式反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型径向板式反应器，包括反应器外壳、换热组件、中心筒和气体环隙，所述的反应器外壳包括筒体、上封头、下封头、原料进口、反应产物出口、换热介质进口和换热介质出口，所述的换热组件包括换热板对束、换热介质分配总管、换热介质分配支管、换热介质收集总管和换热介质收集支管，所述的换热板对束由多对换热板对呈扇形结构排布形成圆柱体状，其特征在于，所述的扇形结构为单层扇形结构、两层扇形结构、多层扇形结构中的一种，以适应不同反应热量或反应器直径。与现有技术相比，本发明传热效率高、反应选择性高、反应器体积小、催化剂装填率高、有利于设备大型化。

Description

一种新型径向板式反应器

技术领域

本发明涉及一种用于放热或吸热反应的固定式反应器，尤其是一种新型径向板式反应器。

背景技术

化学反应过程往往伴随放热或吸热现象，若采用绝热式反应器，对于放热反应，尤其是对放热强度大的反应，通常有绝热温升高，催化剂易失活，反应选择性下降，转化率低，多个反应釜串联，工艺流程复杂及投资高等问题，如合成气制甲烷、合成甲醇、合成二甲醚、甲醇制烯烃、水气变换反应、合成氨及加氢反应等等；对于吸热反应，会出现反应温度降低到反应温度以下，反应速率降低，单个反应釜的处理量受限，需多釜串联，釜外换热，如乙苯制苯乙烯。若采用内换热式反应器，则可控制催化剂床层在合适的温度，保持较高的催化活性和反应速率，提高反应选择性即产品性能，扩大单个反应釜产能，减少反应器数量，缩短流程，减少投资。

列管式反应器是常见的内换热固定床反应器，但是列管的传热系数不高，需要较多的换热面积，增加反应器体积；催化剂装填在列管内，一个反应器内列管数量有成千上万根，催化剂装卸工作量大，检漏维修等较为复杂。当需要实现高产能和单台设备高产量时，列管式反应器往往面临压降大、热点高以及体积大等问题。在水气变换反应及甲醇合成反应的大型装置中，采用径向列管式反应器，可以解决压降大、能耗高的问题，但同时又存在以下问题：管板导致催化剂装卸困难，且管板结构不适合现场焊接，在运输上存在尺寸限制；采用管箱或环管结构，换热管需特殊弯制，工序繁多，加工难度大；管束支撑设置困难；列管有管径和管心距等要求，使得移热组件占反应器空间多，且在剧烈放热或吸热区域，换热面积及换热能力不足，导致飞温或反应骤停，在反应热量或吸热量少的区域，换热面积大量富余，导致反应器体积增加，成本增加。

在百万吨级甲醇装置中，Casale采用了径向反应器形式，避免了列管式径向反应器的缺点，但同时也存在弊端，比如由于径向板式结构中，板呈径向发散形式，这样就导致在靠近中心管处板密集，换热效率高，而在靠近催化剂外围床层处，板与板之间的距离大，换热效果差，而不同反应的放热或吸热过程各有不同，单一的排列形式难以适用各种放热或吸热过程，难免会在放热强或吸热强而换热面积不足的地方出现温度积累或温度降低，影响反应的选择性及反应速度，更有可能使反应器处于失稳状态，出现飞温或反应骤停等。

国内也已见径向板式反应器的相关专利，其结构为径向排布的板片与冷管结合，冷管位于催化剂外围即较大的板间距处，解决板间距增大导致的传热效果变差的问题。然而该冷管的截面呈三角形、梯形、正方形、菱形等形状，所占据的反应器空间较大，而且专利中提到板为冲压制成，这种制造过程形成的板难以承受较高的反应压力，所适用的工况受到限制。

板式径向反应器在用于放热或吸热反应时，由于需要兼顾热点温度或最低温度和出口温度，往往板对间角度较小，造成靠近中心筒处，板对密集，换热面积大量富余；板间距很小，装填催化剂时，易造成搭桥阻塞；换热介质进出支管设置紧密，且管径受限，不能满足换热介质流量大的情况。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种换热均匀、催化剂容易装填、体积较小的用于放热或吸热反应的新型径向板式反应器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种新型径向板式反应器，该反应器包括反应器外壳、换热组件、中心筒和气体环隙，所述的反应器外壳包括筒体、上封头、下封头、原料气进口、反应气出口、换热介质进口和换热介质出口，所述的换热组件包括换热板对束、换热介质分配总管、换热介质分配支管、换热介质收集总管和换热介质收集支管，其特征在于，所述的换热板对束由多对换热板对排布形成圆柱体状，所述的换热板对束呈多层排列结构。

所述的换热板对束的排列结构包括单层简单扇形结构、两层独立扇形结构、两层非独立扇形结构以及多层扇形结构。

所述的单层简单扇形结构为每张换热板对的宽度等于催化剂床层的径向厚度；

所述的两层独立扇形结构为内、外两层换热板对束套接排列而成，其中内、外两层换热板对数量、夹角和径向长度相互独立；

所述的两层非独立扇形结构为内、外两层换热板对束嵌套排列而成，其中外层板对的长度小于内层板对的长度，外层板对设置在相邻内层板对之间，靠近催化剂框外围。

所述的两层非独立扇形结构中，催化剂框外围上连接的板对数量为中心筒上连接的板对数量的两倍或n+1倍，n＞1。

所述的多层扇形结构，其换热板对束在径向上可分为多层，层与层之间可套接排列，该套接排列与所述的两层独立扇形结构的套接排列方式相同；层与层之间也可嵌套排列，该嵌套排列与所述的两层非独立扇形结构的嵌套排列方式相同；即层与层之间可以相互制约，也可以相互独立，其具体设置参数以满足换热需求为目的，尽量将反应温度维持在合适的范围内。

当所述换热板对束采用单层简单扇形结构时的换热量满足反应要求时，即反应热量不大，则板束结构采用简单扇形结构，且反应器直径优选3～6m。当所述的反应热量较大，即单层简单扇形结构的换热量不能满足反应温度要求时，宜采用两层独立扇形结构或两层非独立扇形结构，反应器直径优选3～9m，反应热量变化剧烈时，优选采用三层及三层以上的扇形结构。

所述的换热板对在反应器横截面上呈直线形或弧形。

所述的换热板对由两张金属板片通过焊接形成一个密闭的板程腔体，仅在两端各留一通口，组成换热板对的两张金属板片之间均匀设置了多处焊接，焊接方式可以是点形焊接或条形焊接，焊接位置交错设置，使板对表面形成凹凸形状。

所述的换热组件分成多个模块，每个模块相同的，由3～100张换热板对组成，每张换热板对两端分别设有一换热介质分配支管和换热介质收集支管作为换热介质进出口，多张板对的支管焊接到同一换热介质分配总管或换热介质收集总管，换热介质分配总管或换热介质收集总管上留有一个与主管道的连接管，主管道再与本模块的换热介质进口或换热介质出口连接，多个模块可现场焊接组装，换热组件可以通过反应器上封头吊装进反应器内。

所述的原料气进口和反应气出口采用同心圆套管结构，原料气进口和反应气出口可以在反应器同一端，使反应器内流体П型分布；原料气进口和反应气出口也可以在反应器不同端，使流体为Z型分布。

所述的换热介质分配总管和换热介质收集总管可以位于径向反应器的中心筒或环隙。

所述的催化剂装填在换热板对与换热板对之间，即反应器壳程；催化剂通过上封头或人孔进行装填，通过下封头卸料口卸载。

本发明径向反应器适用于放热反应和吸热反应，尤其适用于放热或吸热强烈的反应。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)热点温度低，反应选择性高：

该新型反应器结构形式灵活，采用单层扇形、两层或多层同心圆扇形结构，严格按照反应热量的变化及热点温度的要求，分层设置换热板对数量和面积，换热曲线紧密贴合反应热量变化，使反应器内温度平缓，适用于不同反应热量及不同反应热量变化速率的反应，反应有利于生产操作的稳定及产品性能的稳定。

(2)反应器体积小，催化剂装填率高：

首先，换热介质流通通道所占反应器体积小，在不考虑反应气体分流管和集流管的情况下，该反应器的催化剂装填率在60％～90％之间。

其次，因为不同床层深度的换热板对疏密程度根据反应放热量或吸热量随反应进度的变化设置，反应热量被及时移走或得到补充，温度波动范围小；与列管式径向反应器或传统径向反应器相比，同时在保证一定的换热面积余量的情况下，换热板对所占的反应器的空间是严格控制的，没有换热面积浪费的现象，有利于设备大型化；同时，从结构上看，靠近中心筒处板对排列较疏，为换热介质进出支管留下较大弹性空间，也方便催化剂的装填。

(3)该新型换热板对换热效率高：

该新型换热板对的交错焊接形式和凹凸不平的表面强化了两侧流体的扰动，增强了换热效率，反应热及时移走，相邻板对之间的温度平缓分布，更接近等温反应，有利于减少副反应的发生，提高反应选择性和收率，延长催化剂的使用寿命，适用于双氧水法制环氧丙烷反应。

(4)有利于设备大型化：

常规运输方式对于物体尺寸的限制，是反应器设备大型化的障碍之一。而该新型反应器中模块化结构的运用，则可以成功绕开这个问题。反应器的核心结构所在的换热板对束，可以分成若干模块单独运输，在现场焊接安装，而反应器中的中心筒和外分布筒等结构都可以分开单独运输，而反应器外壳则可以现场制备，运输问题迎刃而解，且节省大量运输费用。

(5)反应气体分布均匀：

反应为中低压时，原料气进口和反应气出口设置在反应器同一端，气体П型分布；高压时，原料气进口和反应气出口设置在在反应器不同端，气体Z型分布，分流管和集流管之间压差均匀分布，从而反应气体在催化剂中均匀分布，有效避免设备大型化后物料分布不均匀的想象。

(6)催化剂装填简便：

催化剂装填在反应器壳程，即换热板对与换热板对之间，换热板对两端无管板、触点等障碍，催化剂可以从上封头进行装填，板对数量通常在几十到几百之间，装填空间集中，装填工作量小。

附图说明

图1为本发明气体为Z型分布的反应器结构示意图；

图2为本发明气体为П型分布的反应器结构示意图；

图3为本发明换热组件模块的结构示意图；

图4为本发明单层扇形换热组件的俯视结构示意图；

图5为本发明两层独立扇形换热组件的俯视结构示意图；

图6为本发明两层非独立扇形“2+1”换热组件的俯视结构示意图；

图7为本发明两层非独立扇形“2+2”换热组件的俯视结构示意图；

图8为本发明弧形板对换热组件的俯视结构示意图；

图9为本发明多层独立扇形换热组件的俯视结构示意图；

图10(a)～图10(d)为径向反应器流体流动的4种形式示意图，其中：

图10(a)为Z型向心流动，图10(b)为Z型离心流动，图10(c)为П型向心流动，图10(d)为П型离心流动；

附图标记：1、反应器外壳；2、原料气进口；3、反应气出口；4、换热介质进口；5、换热介质出口；6、换热介质分配总管；7、换热介质收集总管；8、换热介质分配支管；9、换热介质收集支管；10、换热板对；10a、内层换热板对；10b、外层换热板对；11、中心筒；12、卸料口；13、连接管；14、主管道；15、弧形板对；16、气体环隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1和图2所示，一种新型径向板式反应器，包括反应器外壳1、换热组件、中心筒11、气体环隙，反应器外壳1包括筒体、上封头、下封头、原料气进口2、反应气出口3、换热介质进口4、换热介质出口5和卸料口12，换热组件包括换热板对束、换热介质分配总管6、换热介质分配支管8、换热介质收集总管7和换热介质收集支管9，换热板对束由多对换热板对呈扇形结构排布形成圆柱体状，即各换热板对形状相同，沿反应器横截面半径方向均匀排布，换热板对束横截面为放射状。扇形结构为单层扇形结构、两层扇形结构、多层扇形结构中的一种，以适应不同反应温度或反应器直径，两层扇形结构的换热板对束在径向上设置内、外两层换热板对，多层扇形结构的换热板对束在径向上设置三层以上换热板对。板式径向反应器中，两张相邻的板之间的间距逐渐增大，传热系数逐渐减小，在温差相同的情况下，移热量的变化是板片数量及板片间距的函数，而单一的同角度的扇形结构难以适用不同反应热量和放热或吸热速率的反应，难免会在反应热量大而换热面积不足的地方出现温度积累或减少，或者在反应热量少的地方又面积过剩。因此尤其是用于强放热或强吸热反应的新型板式径向反应器，为两层或多层相对独立同心圆的扇形径向结构，每层板片数量是不等的，根据不同位置的具体反应热量设置，可以最大化地做到换热曲线与反应热量曲线紧密贴合，从而很好地控制床层温度。

两层独立扇形结构或两层非独立扇形结构，两层独立扇形结构的内、外两层换热板对数量、夹角和板对径向长度相互独立；两层非独立扇形结构的内层板对径向长度比外层板对径向长度长，外层板对设置在相邻内层板对之间；反应器直径较大时，或者反应热量剧烈时，换热板对束采用多层扇形结构。

新型换热板对上的若干焊接交错排列，使冷却介质流体内部剧烈扰动，介质流体一直处于湍流状态，为强制对流换热。反应侧物料在靠近换热元件壁面处，往往会形成液膜或气膜，该液膜或气膜产生的热阻在反应侧总热阻中占比重非常大。而在该新型板对表面，由于其形状凹凸不平，对液膜或气膜形成了积极的扰动作用，得以使液膜或气膜更新速度加快，从而减小其热阻，提高反应侧整体的传热系数。

如图3所示，换热介质分配总管6和换热介质收集总管7可以位于径向反应器的中心筒11或环隙。换热组件可以分成多个模块，每个模块相同的，由3～100张换热板对组成，每张换热板对两端分别设有一换热介质分配支管8和换热介质收集支管9作为换热介质进出口，多张板对的支管焊接到同一换热介质分配总管6或换热介质收集总管7，换热介质分配总管6或换热介质收集总管7上留有一个与主管道14的连接管13，主管道14再与本模块的换热介质进口4或换热介质出口5连接，多个模块可现场焊接组装，换热组件可以通过反应器上封头吊装进反应器内。

催化剂装填在换热板对与换热板对之间，即反应器壳程；催化剂通过上封头或人孔进行装填，通过下封头卸料口12卸载。

本新型径向板式反应器中，原料气从原料气进口2进入分流管，由分流管均匀分配，径向通过催化剂床层，在集流管中收集，并从反应气出口3流出。原料气进口2和反应气出口3采用同心圆套管结构，如图2所示，原料气进口2和反应气出口3可以在反应器同一端，使反应器内流体П型分布，П型分布如图10(c)和图10(d)所示：离心流动时，气体由中心向外流动，再反方向沿反应器内壁流动，向心流动时，气体由反应器内壁向中心流动，然后反方向沿中心流出反应气体出口3；如图1所示，原料气进口2和反应气出口3也可以在反应器不同端，使流体为Z型分布，如图10(a)和图10(b)所示，同样也分为离心流动和向心流动。当反应器操作压力为中低压时，且当流体在分流管和集流管中的流动满足动量交换控制时，(分流管L/de≤30，集流管L/de≤50时)，宜采用П型流动形式，分流管中沿流体流动方向，静压逐渐上升，集流管中沿流体流动方向，静压逐渐下降，且在开孔分布合理的情况下，催化剂床层两侧，分流管与集流管静压差分布完全均匀，则反应气体在催化剂床层中的分布均匀，催化剂的使用效率高，同一反应停留时间处，反映热量均匀，反应器内不会出现局部温度波动过大等现象。对于高压反应，例如合成氨，则属于摩擦损失控制，宜采用Z型流动形式，分流管中沿流体流动方向，静压逐渐下降，集流管中沿流体流动方向，静压逐渐下降，分流管与集流管静压差分布均匀。

本实施例中，由于反应和催化剂的适温范围较宽，操作压力高，因此采用的扇形结构为如图4所示单层扇形结构，该结构设计、制造及安装过程简单，换热板对每张板对的径向长度等于催化剂床层的径向厚度；换热板对在反应器横截面上呈直线形。进口气体温度低于出口气体温度，为保护反应器壳体，降低壳体制造难度，气体流动方式采用如图10(a)所示的Z型向心流动。

实施例2

所述的扇形结构为如图5所示的两层独立扇形结构，其内层换热板对10a和外层换热板对10b的数量、夹角和板对径向长度相互独立，根据不同位置的具体反应热量设置，当反应热量大时，设置紧密，反应热量小时，设置稀疏，因此可以最大化地做到换热曲线与反应热量紧密贴合，从而很好地控制床层温度。其余与实施例1相同。

实施例3

所述的扇形结构为如图6所示的两层非独立扇形结构，两层非独立扇形结构的内层换热板对10a径向长度较长，外层换热板对10b径向长度较长，即相邻内层换热板对10a之间靠近催化剂框外围增加板对的结构，写为“2+1”或“2+n”结构，外层换热板对10b的数量是内层换热板对10a数量的两倍或n+1倍。板对排列形式和板对数量根据反应热量的变化、换热曲线的变化以及对温差控制的要求等参数确定。本实施例中，每对相邻的内层换热板对10a之间设置一对外层换热板对10b，形成“2+1”结构。其余与实施例1相同。

将上述反应器用于合成气制甲醇，外层换热板对数是内层板的4倍，装填CuO-ZnO-Al₂O₃系催化剂150m³，其处理量即可达到年产250万吨甲醇生产能力，在操作条件下：反应压力8.8Mpa、反应物料进口温度240℃、副产250℃、4MPa的蒸汽400t/h，在本实施例的反应器内催化剂的装填均匀，压力场分布均匀，压降小于300KPa，而且在本实施例的换热板对的作用下，可以将反应热点温度控制在270℃以内，催化剂保持较高活性且副反应少，出口甲醇摩尔分率可以达到12％，满足工艺要求，且效益显著。

实施例4

所述的扇形结构为如图7所示的两层非独立扇形结构，每对相邻的内层换热板对10a之间设置两对外层换热板对10b，形成“2+2”结构。其余与实施例1相同。

实施例5

当出口气体温度低于进口气体温度时，为保护反应器壳体，降低制造成本，将实施例1～实施例4中任意一个所述的Z型向心流动改为Z型离心流动，其余不变。

实施例6

当反应操作压力及设计压力为中低压时，将实施例1～实施例5中任意一个所述的Z型流动改为П型流动，如变换反应、合成甲烷和羰化等反应，其余不变。

工业上乙苯脱氢制苯乙烯过程是一个摩尔数增加的反应，适当地提高反应温度及采取负压操作，有利于提高乙苯的转化率及苯乙烯的选择性。若采用绝热式反应器，需两台反应器串联，第一台反应器进料为乙苯与过热蒸汽的质量比1：1.3。出口温度降到560℃左右，再经间接换热器加热反应气体混合物，温度升高到625℃，再进入第二台反应器。该过程由于乙苯与过热蒸汽混合，依靠过热蒸汽加热反应物料，降低了反应器的处理量，并使得后续分离精制过程变得复杂。若采用该新型径向板式反应器，П型离心流动方式，“2+1”型板对排布方式，只需要一台反应器，催化剂填充于板对与板对之间，过热蒸汽流通于板程，间接加热反应气体，反应气入口温度620℃，出口温度610℃左右，乙苯转化率为0.7左右，选择率为96％～97％。

实施例7

如图8所示，将实施例1～实施例6中任意一个所述的换热板对形状由直板形变为弧线形板对15，在板对间距和角度相同时，弧线形板较直形板的换热面积多，适用于需要换热面积大且预留足够的进出口支管空间的案例，其余不变。

实施例8

如图9所示，在反应热量变化剧烈时，采用三层扇形结构，层与层之间套接排列，该套接排列与所述的两层独立扇形结构的套接排列方式相同。

层与层之间也可嵌套排列，该嵌套排列与所述的两层非独立扇形结构的嵌套排列方式相同，其具体设置参数以满足换热需求为目的，尽量将反应温度维持在合适的范围内以获得更大的换热面积，满足工艺要求，其余与实施例1相同。

Claims (9)

1.一种新型径向板式反应器，包括反应器外壳、换热组件、中心筒和气体环隙，所述的反应器外壳包括筒体、上封头、下封头、原料气进口、反应气出口、换热介质进口和换热介质出口，所述的换热组件包括换热板对束、换热介质分配总管、换热介质分配支管、换热介质收集总管和换热介质收集支管，其特征在于，所述的换热板对束由多对换热板对扇形排布形成圆柱体状，所述的换热板对束呈多层排列结构。

2.根据权利要求1所述的一种新型径向板式反应器，其特征在于，所述的换热板对束的排列结构包括单层简单扇形结构、两层独立扇形结构、两层非独立扇形结构以及多层扇形结构。

3.根据权利要求2所述的一种新型径向板式反应器，其特征在于，所述的单层简单扇形结构为每张换热板对的宽度等于催化剂床层的径向厚度；

所述的两层独立扇形结构为内、外两层换热板对束套接排列而成，其中内、外两层换热板对数量、夹角和径向长度相互独立；

所述的两层非独立扇形结构为内、外两层换热板对束嵌套排列而成，其中外层板对的长度小于内层板对的长度，外层板对设置在相邻内层板对之间，靠近催化剂框外围；

所述的多层扇形结构，其换热板对束在径向上分为多层，层与层之间套接排列或嵌套排列。

4.根据权利要求2或3所述的一种新型径向板式反应器，其特征在于，所述的两层非独立扇形结构中，与催化剂框外围连接的板对数量为与中心筒连接的板对数量的两倍或n+1倍，n为大于1的整数。

5.根据权利要求1所述的一种新型径向板式反应器，其特征在于，所述的换热板对在反应器横截面上呈直线形或弧形；所述的换热板对由两张金属板片通过焊接形成一个密闭的板程腔体，仅在两端各留一通口，为换热介质的流通通道，所述的换热板对上两张板片之间设置至少一处焊接，焊接方式为点形焊接或条形焊接，焊接位置交错设置，使板对表面形成凹凸形状。

6.根据权利要求1所述的一种新型径向板式反应器，其特征在于，所述的换热组件分成多个模块，每个模块相同的，由3～100张换热板对组成，每张换热板对两端分别设有一换热介质分配支管和换热介质收集支管作为换热介质进出口，多张板对的支管焊接到同一换热介质分配总管或换热介质收集总管，换热介质分配总管或换热介质收集总管上留有一个与主管道的连接管，主管道再与本模块的换热介质进口或换热介质出口连接，多个模块可现场焊接组装，换热组件可以通过反应器上封头吊装进反应器内。

7.根据权利要求1所述的一种新型径向板式反应器，其特征在于，所述的原料气进口和反应气出口采用同心圆套管结构，原料气进口和反应气出口可以在反应器同一端，使反应器内流体П型分布；原料气进口和反应气出口也可以在反应器不同端，使流体为Z型分布。

8.根据权利要求1所述的一种新型径向板式反应器，其特征在于，所述的换热介质分配总管和换热介质收集总管位于径向反应器的中心筒或环隙。

9.根据权利要求1所述的一种新型径向板式反应器，其特征在于，所述的反应器中，催化剂装填在换热板对与换热板对之间，即反应器壳程；催化剂通过上封头或人孔进行装填，通过下封头卸料口卸载。