CN105233763A - 水冷反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水冷反应器，包括外筒、径向反应筐、水冷系统、中心管、水室、汽室和装卸料结构，径向反应筐位于外筒内，且径向反应筐和外筒之间形成间隙，水冷系统包括伸入径向反应筐的水冷管，水冷管分别与水室和汽室连通，中心管伸入径向反应筐内，且部分穿过径向反应筐并伸出外筒外；水冷反应器还包括间隔设置于外筒内的下管板和上管板，上管板与外筒的一端间隔一定距离，并在外筒一端与上管板之间形成水室和汽室之一，下管板和上管板之间形成水室和汽室之另一，下管板为弧形管板。在该水冷反应器中，由于下管板为弧形管板，其受到压力后，因此下管板的厚度可设计得较薄，可降低设备重量，节约设备成本。

Description

水冷反应器

技术领域

本发明涉及化工技术领域，特别是涉及一种应用于氨合成、甲醇合成生产中的水冷反应器。

背景技术

甲醇合成反应为强放热可逆反应，主要反应式

CO+2H₂＝CH₃OH+ΔH_R1

CO₂+3H₂＝CH₃OH+H₂O+ΔH_R2

ΔH_R1＝-76519.5-49.2909T----------P132

ΔH_R2＝-37858.2-22.666T-------P132

反应是在装有催化剂的反应器中进行的，现代甲醇催化剂为低压低温铜锌铝系，其压力为4.0MPa～8.5MPa，210℃～280℃。由上可知，未反应气必需先预热至210℃，反应过程中放热量大，温度上升大，例如每反应1％CO温升32℃，温升不能过高，应控制在280℃以内。

甲醇合成工艺技术的核心是甲醇合成反应器的设计。CO与H₂生成甲醇的反应是强放热反应，与H₂、N₂气体合成氨比较，生成1mol甲醇比生成1mol氨放出的热量几乎要多一倍，而合成甲醇的铜系催化剂的使用温度范围只有50℃左右，合成氨的铁系催化剂使用温度范围有120℃～150℃，反应过程需要快速移走反应热。在反应过程中，除了温度要达到一定的要求外，反应器内的压力也要达到一定的要求，因此，反应器的受压能力十分重要，目前，为了增大反应器的受压能力，一般是尽量加大反应器的壁厚，但壁厚的增加会加大设备的重量，尤其是增加管板的厚度，会大大增加设备的成本。

发明内容

基于此，有必要提供一种可降低重量、节约成本的水冷反应器。

一种水冷反应器，包括外筒、径向反应筐、水冷系统、中心管、水室、汽室和装卸料结构，所述径向反应筐位于所述外筒内，且所述径向反应筐和所述外筒之间形成间隙，所述水冷系统包括伸入所述径向反应筐的水冷管，所述水冷管分别与所述水室和所述汽室连通，所述中心管伸入所述径向反应筐内，且部分穿过所述径向反应筐并伸出所述外筒外；所述水冷反应器还包括间隔设置于所述外筒内的下管板和上管板，所述上管板与所述外筒的一端间隔一定距离，并在所述外筒一端与所述上管板之间形成所述水室和所述汽室之一，所述下管板和所述上管板之间形成所述水室和所述汽室之另一，所述下管板为弧形管板。

在上述水冷反应器中，由于下管板为弧形管板，其受到压力后，应力状态较好，因此在满足水冷反应器工作压力、温度的情况下，可将下管板的厚度设计得较薄，可降低设备重量，节约设备成本。

在其中一个实施例中，所述下管板为椭圆形管板、蝶形管板、球冠形管板或球形管板。

在其中一个实施例中，所述下管板设置于所述径向反应筐的顶部，所述下管板的上侧为所述汽室，下侧为所述径向反应筐。

在其中一个实施例中，所述外筒上设有与所述水室连通的进水口、与所述间隙连通的第一气口、与所述汽室连通的水汽出口。

在其中一个实施例中，所述水冷管包括内管和外管，所述内管套设于所述外管内，且所述内管套设于所述外管的底端开口，所述内管的顶端与所述水室连通，所述外管的顶端与所述汽室连通。

在其中一个实施例中，所述装卸料机构包括多个间隔分布的加料管和卸料管，所述加料管从所述径向反应筐顶部伸入所述径向反应筐，所述卸料管从所述径向反应筐底部伸出所述径向反应筐；所述装卸料机构还包括导流板，所述导流板倾斜设置，且所述导流板的较低处与所述卸料管连接。

在其中一个实施例中，所述导流板为倾斜的平板或锥形板。

在其中一个实施例中，所述卸料管与所述中心管间隔一定距离，所述导流板的较高的一端连接于所述中心管。

在其中一个实施例中，所述径向反应筐和/或所述中心管均包括筒体和透气板，所述通气孔包括贯通所述筒体的第一通气孔和贯通所述透气板的第二通气孔，所述第二通气孔与所述第一通气孔相互连通，且所述第二通气孔的总截面积大于所述第一通气孔的总截面，所述径向反应筐的所述筒体较所述透气板靠近所述外筒，所述中心管的所述筒体较所述透气板远离所述径向反应筐的所述筒体。

在其中一个实施例中，所述筒体的所述第一通气孔包括敞开孔和收拢孔，所述敞开孔大于所述收拢孔，所述收拢孔较所述敞开孔靠近所述透气板；所述透气板的所述第二通气孔包括上孔和下孔，所述上孔较所述下孔靠近所述筒体，且所述上孔的尺寸小于所述下孔。

在其中一个实施例中，所述径向反应筐和/或所述中心管还包括间隔环，所述间隔环密封地设于所述筒体和所述透气板之间，将所述筒体和所述透气板之间的所述缝隙间隔成多个区间；所述径向反应筐和/或所述中心管还包括所述筛网，所述筛网设置在所述透气板远离所述筒体的一侧。

附图说明

图1为一实施方式的水冷反应器的结构示意图；

图2为图1所示气冷反应器的外筒和径向反应筐的局部结构示意图；

图3为图1所示气冷反应器的中心管的局部结构示意图；

图4为另一实施例的中心管的第一通气孔的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

请参阅图1，水冷反应器300包括外筒3001、径向反应筐3003、水冷系统3005、中心管3010、水室3017、汽室3019和装卸料结构。径向反应筐3003位于外筒3001内，且径向反应筐3003和外筒3001之间形成间隙3015。水冷系统3005包括伸入径向反应筐3003的水冷管30051，水冷管30051分别与水室3017和汽室3019连通。中心管3010伸入径向反应筐3003内，且部分穿过径向反应筐3003并伸出外筒3001外。

外筒3001上设有与水室3017连通的进水口3007、与间隙3015连通的第一气口3009、与汽室3019连通的水汽出口3013，进水口3007可供水进入水室3017，第一气口3009可供气体进入外筒3001和径向反应筐3003之间的间隙3015，水汽出口3013可供水汽从汽室3019输出。

水冷管30051包括内管30053和外管30055，内管30053套设于外管30055内，且内管30053套设于外管30055的底端开口，内管30053的顶端与水室3017连通，外管30055的顶端与汽室3019连通。水室3017内的水可通过内管30053的顶端进入内管30053，从内管30053的底端进入外管30055，水在反应过程中吸收热量变成汽体，汽水混合物从外管30055的顶端进入汽室3019。

中心管3010可设于径向反应筐3003的中心处，在其伸出外筒3001的一端开设有第二气口3011。中心管3010伸入径向反应筐3003的部分的侧壁还开设有通气孔。

水冷反应器300还包括间隔设置于外筒3001内的下管板3021和上管板3023，上管板3023与外筒3001的一端间隔一定距离，并在外筒3001一端与上管板3023之间形成上述水室3017，下管板3021和上管板3023之间形成上述汽室3019。其中，下管板3021为球形管板，也就是说，下管板3021的形状为半球体。可以理解，下管板3021也可为椭圆形管板、蝶形管板或球冠形管板等其他形状的弧形管板，也就是说，下管板3021的形状可以为椭球体的一部分、球体的一部分或者椭球体一部分与球体一部分的组合。由于下管板3021为弧形管板，其受到压力后，应力状态较好，因此在满足水冷反应器300工作压力、温度的情况下，可将下管板3021的厚度设计得较薄，可降低设备重量，节约设备成本。例如，在3.4MPa、240℃的设计工况下，相比平板管板的下管板，球形管板的厚度可减薄30％，对于水冷反应器这种大型的设备，尤其是应用在180万吨以上甲醇合成技术采用的特大型水冷反应器，降低的重量和成本非常可观。可以理解，外筒3001一端与上管板3023之间也可形成上述汽室3019，下管板3021和上管板3023之间形成上述水室3017，即水室3017和汽室3019的位置可互换。

具体地，下管板3021设置于径向反应筐3003的顶部。可见，下管板3021的上侧为汽室3019，下侧为径向反应筐3003，其两侧均需要承受较大的气压，由此可见，下管板3021的受力非常重要。

装卸料机构包括多个间隔分布的加料管3025和卸料管3027，加料管3025从径向反应筐3003顶部伸入径向反应筐3003，卸料管3027从径向反应筐3003底部伸出径向反应筐3003。由于多个加料管3025的设置，可将催化剂均匀地加入到径向反应筐3003内，使反应更为充分。

加料管3025依次穿过上管板3023和下管板3021，并伸入径向反应筐3003。

卸料管3027的数量为多个，多个卸料管3027间隔分布。

装卸料机构还包括导流板3029，导流板3029倾斜设置，且导流板3029的较低处与卸料管3027连接。导流板3029可将径向反应筐3003内的催化剂导向卸料管3027，使卸料更干净，避免催化剂在径向反应筐3003卸不干净而残留。

导流板3029可为倾斜的平板，也可为锥形板。

卸料管3027与中心管3010间隔一定距离，导流板3029的较高的一端连接于中心管3010。

水冷反应器300还包括供水装置705，供水装置705与进水口3007连接。

水汽出口3013也与供水装置705连接。具体地，供水装置705可为汽包。供水装置705还连通于一蒸汽回收装置(图未示)以回收蒸汽。可以理解，水汽出口3013也可连接到其他设备。

工作时，未反应气从第一气口3009进入间隙3015，然后经过径向反应筐3003侧壁的通气孔进入径向反应筐3003，气体在催化剂的作用下在径向反应筐3003内反应，同时，反应产生的热量由冷却系统3005的水冷管30051冷却带走，反应后的气体经过中心管3010的通气孔进入中心管3010，最后从中心管3010的第二气口3011输出水冷反应器300，这样完成一个循环反应过程。在此过程中，水从供水装置705经进水口3007输入水室3017，然后流经水冷管30051的内管30053后进入外管30055，在吸收了反应热后至少部分水变成水汽，从外管30055进入汽室3019，最后经水汽出口3013输出至供水装置705。

可以理解，气体的路径也可与上述路径相反，即未反应气也可从第二气口3011进入中心管3010后进入径向反应筐3003，然后进入间隙3015，最后经第一气口3009输出水冷反应器300。

在其中一实施例中，请参阅图2，径向反应筐3003包括筒体701和透气板703，透气板703套设于筒体701内，径向反应筐3003的通气孔包括贯通筒体701的第一通气孔和贯通透气板703的第二通气孔。其中，第二通气孔与第一通气孔相互连通，且第二通气孔的总截面积大于第一通气孔的总截面积。当径向反应筐3003设置于外筒3001时，径向反应筐3003的筒体701较透气板703靠近外筒3001，且筒体701和外筒3001间隔设置从而形成前述间隙3015。由于径向反应筐3003的通气孔包括贯通筒体701的第一通气孔和贯通透气板703的第二通气孔，且第二通气孔的总截面积大于第一通气孔的总截面积，因此，气体从间隙3015先进入第一通气孔，气体分散后再经过更多数量的第二通气孔将气体进一步分散，最后进入径向反应筐3003内部，对气体起到了很到的分散的作用，使气体在径向反应筐3003内均匀分布，使反应更加均匀和充分，确保反应床层内的反应气体在高度方向和圆周方向均能分布均匀，流动一致，避免形成气体死区导致局部超温从而烧坏触媒。在本具体实施例中，第二通气孔的数量多于第一通气孔的数量。

筒体701的第一通气孔包括敞开孔7013和收拢孔7015，敞开孔7013大于收拢孔7015，收拢孔7015较敞开孔7013靠近透气板703。具体地，敞开孔7013为喇叭状，收拢孔7015为圆柱状，收拢孔7015连接于敞开孔7013尺寸较小的一端，更具体地，敞开孔7013可为圆台状。可以理解，收拢孔7015可省略。由于筒体701的敞开孔7013和收拢孔7015的设置，可使气体可从间隙3015充分进入第一通气孔。

透气板703的第二通气孔包括上孔7035和下孔7037，上孔7035较下孔7037靠近筒体701，且上孔7035的尺寸小于下孔7037。具体地，透气板703包括基板7031和设于基板7031上的多个相互间隔的凸起7033，上孔7035开设于凸起7033，下孔7037开设于基板7031。

筒体701和透气板703间隔设置从而在其间形成缝隙(图未标)，该缝隙连通第一通气孔和第二通气孔。

径向反应筐3003还可以包括间隔环705，间隔环705密封地设于筒体701和透气板703之间，将筒体701和透气板703之间的缝隙间隔成多个区间。具体地，间隔环705可以为圆形钢环。由于间隔环705的设置，使径向反应筐3003的内部在高度方向上的各个部分均有相当的气体进入，使气体在径向反应筐3003内均匀分布，使反应更加均匀和充分。

径向反应筐3003还可以包括筛网707，筛网707设置在透气板703远离筒体701的一侧。具体地，筛网707可紧贴透气板703。筛网707的设置可进一步分散气体，使气体在径向反应筐3003内均匀分布，使反应更加均匀和充分。

中心管3010部分设置于径向反应筐3003内，且一端伸出径向反应筐3003和外筒3001外，以使经过反应的气体从径向反应筐3003进入中心管3010后导出到外筒3001外。

具体地，中心管3010可为筒状，其侧壁上可开设有多个通气孔，以使气体进入。

请参阅图3，中心管3010包括筒体801和透气板803，透气板803套设于筒体801外，中心管3010的通气孔包括贯通筒体801的第一通气孔和贯通透气板803的第二通气孔。其中，第二通气孔与第一通气孔相互连通，且第二通气孔的总截面积大于第一通气孔的总截面积。当中心管3010设置于径向反应筐3003时，中心管3010的筒体801较透气板803远离径向反应筐3003的筒体701。中心管3010的通气孔的作用与径向反应筐3003的通气孔的作用相反，径向反应筐3003的通气孔是为了使气体分散，而中心管的通气孔是为了将分散的气体集拢并进入中心管3010内部。

筒体801的第一通气孔包括敞开孔8013和收拢孔8015，敞开孔8013大于收拢孔8015，收拢孔8015较敞开孔8013靠近透气板803。具体地，敞开孔8013为喇叭状，收拢孔8015为圆柱状，收拢孔8015连接于敞开孔8013尺寸较小的一端，更具体地，敞开孔8013可为圆台状。可以理解，收拢孔8015可省略；同时，请参见图4，也可以将敞开孔8013和收拢孔8015的位置互换，使敞开孔8013更靠近透气板803。

透气板803的第二通气孔包括上孔8035和下孔8037，上孔8035较下孔8037靠近筒体801，且上孔8035的尺寸小于下孔8037。具体地，透气板803包括基板8031和设于基板8031上的多个相互间隔的凸起8033，上孔8035开设于凸起8033，下孔8037开设于基板8031。

筒体801和透气板803间隔设置从而在其间形成缝隙(图未标)，该缝隙连通第一通气孔和第二通气孔。

中心管3010还可以包括间隔环805，间隔环805密封地设于筒体801和透气板803之间，将筒体801和透气板803之间的缝隙间隔成多个区间。具体地，间隔环805可以为圆形钢环。

中心管3010还可以包括筛网807，筛网807设置在透气板803远离筒体801的一侧。具体地，筛网807可紧贴透气板803。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种水冷反应器，其特征在于，包括外筒、径向反应筐、水冷系统、中心管、水室、汽室和装卸料结构，所述径向反应筐位于所述外筒内，且所述径向反应筐和所述外筒之间形成间隙，所述水冷系统包括伸入所述径向反应筐的水冷管，所述水冷管分别与所述水室和所述汽室连通，所述中心管伸入所述径向反应筐内，且部分穿过所述径向反应筐并伸出所述外筒外；所述水冷反应器还包括间隔设置于所述外筒内的下管板和上管板，所述上管板与所述外筒的一端间隔一定距离，并在所述外筒一端与所述上管板之间形成所述水室和所述汽室之一，所述下管板和所述上管板之间形成所述水室和所述汽室之另一，所述下管板为弧形管板。

2.根据权利要求1所述的水冷反应器，其特征在于，所述下管板为椭圆形管板、蝶形管板、球冠形管板或球形管板。

3.根据权利要求1所述的水冷反应器，其特征在于，所述下管板设置于所述径向反应筐的顶部，所述下管板的上侧为所述汽室，下侧为所述径向反应筐。

4.根据权利要求1所述的水冷反应器，其特征在于，所述外筒上设有与所述水室连通的进水口、与所述间隙连通的第一气口、与所述汽室连通的水汽出口。

5.根据权利要求1所述的水冷反应器，其特征在于，所述水冷管包括内管和外管，所述内管套设于所述外管内，且所述内管套设于所述外管的底端开口，所述内管的顶端与所述水室连通，所述外管的顶端与所述汽室连通。

6.根据权利要求1所述的水冷反应器，其特征在于，所述装卸料机构包括多个间隔分布的加料管和卸料管，所述加料管从所述径向反应筐顶部伸入所述径向反应筐，所述卸料管从所述径向反应筐底部伸出所述径向反应筐；所述装卸料机构还包括导流板，所述导流板倾斜设置，且所述导流板的较低处与所述卸料管连接。

7.根据权利要求6所述的水冷反应器，其特征在于，所述导流板为倾斜的平板或锥形板。

8.根据权利要求6或7所述的水冷反应器，其特征在于，所述卸料管与所述中心管间隔一定距离，所述导流板的较高的一端连接于所述中心管。

9.根据权利要求1所述的水冷反应器，其特征在于，所述径向反应筐和/或所述中心管均包括筒体和透气板，所述通气孔包括贯通所述筒体的第一通气孔和贯通所述透气板的第二通气孔，所述第二通气孔与所述第一通气孔相互连通，且所述第二通气孔的总截面积大于所述第一通气孔的总截面，所述径向反应筐的所述筒体较所述透气板靠近所述外筒，所述中心管的所述筒体较所述透气板远离所述径向反应筐的所述筒体。

10.根据权利要求9所述的径向反应器，其特征在于，所述筒体的所述第一通气孔包括敞开孔和收拢孔，所述敞开孔大于所述收拢孔，所述收拢孔较所述敞开孔靠近所述透气板；所述透气板的所述第二通气孔包括上孔和下孔，所述上孔较所述下孔靠近所述筒体，且所述上孔的尺寸小于所述下孔。

11.根据权利要求9所述的径向反应器，其特征在于，所述径向反应筐和/或所述中心管还包括间隔环，所述间隔环密封地设于所述筒体和所述透气板之间，将所述筒体和所述透气板之间的所述缝隙间隔成多个区间；所述径向反应筐和/或所述中心管还包括所述筛网，所述筛网设置在所述透气板远离所述筒体的一侧。