CN105344295B - 气冷系统及径向气冷反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于径向气冷反应器的气冷管，所述气冷管为回形结构，且所述气冷管包括进口和出口，所述进口和出口均位于所述气冷管的中部，且相互间隔设置。本发明还公开包括该气冷管的气冷系统和气冷反应器。由于采用了该气冷管，气体可从气冷管的中部的进口向两端流动，再向中部流动到出口，使热交换更为均匀，同时降低气体流动阻力，为合成系统节约循环功耗。

Description

气冷系统及径向气冷反应器

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、甲醇合成生产中的气冷管、气冷系统及径向气冷反应器。

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℃，因此如何将甲醇反应热快速移走，使其温度控制在允许的范围内是甲醇合成反应器设计的重要问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种可将温度控制在适当的范围内的气冷管、气冷系统及径向气冷反应器。

一种用于径向气冷反应器的气冷管，所述气冷管为回形结构，且所述气冷管包括进口和出口，所述进口和出口均位于所述气冷管的中部，且相互间隔设置。

利用上述气冷管，气体可从气冷管的中部的进口向两端流动，再向中部流动到出口，使热交换更为均匀，可以把温度控制在适当的范围内。

在其中一个实施例中，所述气冷管包括上管和下管，所述上管和所述下管分别包括进口和出口，所述上管的进口和所述下管的进口连通，所述上管的出口和所述下管的出口连通。

在其中一个实施例中，所述上管和所述下管均为U形管，所述上管和所述下管对接形成所述回形结构。

在其中一个实施例中，所述上管和所述下管为对称结构，所述上管和所述下管的所述进口和所述出口均位于所述气冷管的中点处。

一种用于径向气冷反应器的气冷系统，包括上述气冷管。

利用上述气冷管的气冷系统，气体可从气冷管的中部的进口向两端流动，再向中部流动到出口，使热交换更为均匀，可以把温度控制在适当的范围内，同时降低气体流动阻力，为合成系统节约循环功耗，同时降低气体流动阻力，为合成系统节约循环功耗。

在其中一个实施例中，所述气冷系统还包括进气管和集气管，所述进气管与所述气冷管的所述进口连通，所述集气管与所述气冷管的所述出口连通。

在其中一个实施例中，所述气冷系统包括依次连通的所述进气管、分气管、第一连通管、气冷管、第二连通管和所述集气管。

在其中一个实施例中，所述分气管为多个，多个所述分气管分别与所述进气管连通。

在其中一个实施例中，所述气冷系统还包括连通于所述分气管和所述第一连通管之间的分气环。

在其中一个实施例中，所述分气环分别连通多个分气管和多个第一连通管。

在其中一个实施例中，所述气冷系统还包括连通于所述第一连通管和所述气冷管的所述进口之间的第一环管，多个所述气冷管连接所述第一环管。

在其中一个实施例中，所述气冷系统还包括连通于所述第二连通管和所述气冷管的所述出口之间的第二环管，多个所述气冷管连接所述第二环管。

一种径向气冷反应器，包括气冷系统，所述气冷系统包括上述气冷管。

利用上述气冷管的径向气冷反应器，气体可从气冷管的中部的进口向两端流动，再向中部流动到出口，使热交换更为均匀，可以把温度控制在适当的范围内。

在其中一个实施例中，所述气冷系统包括所述气冷管、进气管和集气管，所述进气管与所述气冷管的所述进口连通，所述集气管与所述气冷管的所述出口连通。

附图说明

图1为一实施方式的气冷反应器的结构示意图；

图2为图1所示气冷反应器的气冷系统的气冷管的结构示意图；

图3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4为图1所示气冷反应器的第一集气管和径向反应筐的局部结构示意图；

图5为另一实施例的第一集气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，本发明一实施例的气冷反应器包括外筒10、气冷系统50、径向反应筐70和第一集气管80。

在本具体实施例中，外筒10为中空筒状，其包括顶部101和底部103。更具体地，外筒10中部为圆筒状，顶部101和底部103均为半球状或椭圆状。外筒10的顶部101设有装料孔，外筒10的底部103设有卸料孔。外筒10上还开设有气口104，以将已预热的待反应气输入外筒10。

气冷系统50包括进气管51、分气管52、分气环53、第一连通管54、第一环管55、第二环管56、气冷管57、第二连通管58和第二集气管59。

进气管51设于外筒10的底部103，并穿过外筒10和径向反应筐70内，通过进气管51与其他设备连通以输入未反应冷气。

分气管52位于径向反应筐70内，且连通于进气管51和分气环53之间，以将从进气管51输入的未反应冷气输入分气环53。具体地，分气管52可为多个，多个分气管52分别与进气管51连通以将未反应冷气均匀分散。

分气环53位于径向反应筐70内，且连通于分气管52和第一连通管54之间，且分气环53为环状，这样，即使分气管52的数量为一个，由于分气环53 为环状，分气环53可与多个第一连通管54连通，将未反应冷气输送至多个第一连通管54。可以理解，分气环53也可省略，使分气管52和第一连通管54直接连通。

第一连通管54位于径向反应筐70内，且连通于分气环53或分气管52与气冷管57之间，以将未反应冷气输送至气冷管57，未反应冷气在气冷管57内被气冷管57外部的气体加热。

在其中一实施例中，第一连通管54还可通过第一环管55与气冷管57连通，这样，未反应冷气进入第一环管55后再进入气冷管57。具体地，气冷管57包括进口和出口，多个气冷管57的进口连通第一环管55，这样可以减少第一连通管54的数量，通过第一环管55将未反应冷气输送至多个气冷管，使热传递更均匀。具体地，也可以多个第一连通管54连通一个第一环管55。在本具体实施例中，第一环管55为圆环形。

第二连通管58位于径向反应筐70内，且连通于气冷管57的出口与第二集气管59之间，将经过加热的气体从第二集气管59导出径向反应筐70和外筒10。

在其中一实施例中，第二连通管58还可通过第二环管56与气冷管57连通，这样，经过加热的气体进入第二环管56后再进入第二连通管58。具体地，多个气冷管57的出口可连通第二环管56，这样可以减少第二连通管58的数量。在本具体实施例中，第二环管56为圆环形。

气冷管57设置于径向反应筐70内，从其进口通入未反应冷气，在气冷管 57外热气的加热下，气体被加热后从其出口输出气冷管57，最后输出径向反应筐70。请参阅图2，具体地，气冷管57为回形结构，且其进口和出口分别位于气冷管57的中部，也就是说，气冷管57的进口和出口不位于气冷管57的两端。由于气冷管57的进口和出口分别位于气冷管57的中部，因此气体可从气冷管 57的中部的进口向两端流动，再向中部流动到出口，使热交换更为均匀，可以把温度控制在适当的范围内，同时降低气体流动阻力，为合成系统节约循环功耗。这里所说的回形结构不限于“回”字形结构，只要是首尾相接即可。

更具体地，气冷管57可包括上管571和下管573，上管571的进口、下管 573的进口和第一连通管54的一端相互连通，上管571的出口、下管573的出口和第二连通管58的一端相互连通，这样气体可从第一连通管54同时进入上管571和下管573，并从上管571和下管573同时出来进入第二连通管58，可使气体的热交换更加均匀，径向反应筐70内的温度也更均匀。可以理解，上管 571和下管573也可为一整体，在气冷管57上开设进口和出口即可。

具体地，上管571和下管573均可为U形管，上管571和下管573对接可形成回形结构。可以理解，上管571和下管573也为其他形状的管，只要气冷管57能形成回形结构即可。

具体地，上管571和下管573可为对称结构，上管571和下管573的进口和出口均位于气冷管57的中点处，这样每根气冷管57的上管571与下管573 的对应位置的温度相同，使气体的热交换更加均匀，径向反应筐70内的温度也更均匀。

第二集气管59连通多个第二连通管58，且第二集气管59穿过径向反应筐 70和外筒10，且一端伸出外筒10，以将经过加热的气体导出。

径向反应筐70设于外筒10内，其用于容纳催化剂，且径向反应筐70与外筒10之间留有间隙105。径向反应筐70侧壁开设有通气孔，以使从外筒10的气口104进入到间隙105的待反应气从该通气孔由径向进入径向反应筐70，在催化剂的作用下进行反应。

具体地，径向反应筐70中部设置有容纳腔71，以容纳前述的第一环管55 和第二环管56，多个第一环管55和第二环管56同心设置于容纳腔71内。

请参阅图3，在其中一实施例中，径向反应筐70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70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 70设置于外筒10时，径向反应筐70的筒体701较透气板703靠近外筒10，且筒体701和外筒10间隔设置从而形成前述间隙105。由于径向反应筐70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105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70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70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105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70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70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70内均匀分布，使反应更加均匀和充分。

径向反应筐70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70内均匀分布，使反应更加均匀和充分。

第一集气管80部分设置于径向反应筐70内，且一端伸出径向反应筐70和外筒10外，以使经过反应的气体从径向反应筐70进入第一集气管80后导出到外筒10外。

具体地，第一集气管80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4，第一集气管80包括筒体801和透气板803，透气板803套设于筒体801内，第一集气管80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。当第一集气管80设置于径向反应筐70时，第一集气管80的筒体801较透气板803远离径向反应筐70的筒体 701。第一集气管80的通气孔的作用与径向反应筐70的通气孔的作用相反，径向反应筐70的通气孔是为了使气体分散，而第一集气管的通气孔是为了将分散的气体集拢并进入第一集气管80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5，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。

第一集气管80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。

第一集气管80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。

具体地，第一集气管80的一端可靠近外筒10的顶部101，另一端可从外筒 10的底部103伸出。

具体地，进气管51为截面为环状的筒状，进气管51套设于第一集气管80 外，分气管52的一端连接于进气管51的侧壁。

上述气冷反应器工作时，将未反应冷气通入进气管51，未反应冷气依次通过分气管52、分气环53、第一连通管54、第一环管55和气冷管57。将已预热的待反应气通过气口104进入间隙105，待反应气通过径向反应筐70侧壁的通气孔进入径向反应筐70，在催化剂的作用下发生反应，同时产生热量，产生的热量被气冷管57内的未反应冷气吸收，一方面对气冷管57内的未反应冷气进行加热，另一方面未反应冷气对径向反应筐70内进行冷却，使径向反应筐70 及其内的催化剂处于合适的温度范围内。经加热的未反应气体从气冷管57出来后经过第二环管56、第二连通管58和第二集气管59输出气冷反应器；而经过反应后的气体从径向反应筐70进入第一集气管80后输出气冷反应器。

本发明的气冷反应器，由于采用径向反应筐，气体从外筒和径向反应筐之间的间隙从径向反应筐侧壁进入径向反应筐，气体阻力小；且反应过程中产生的热量可被气冷系统的未反应冷气吸收，一方面对径向反应筐内的温度冷却，同时对未反应冷气进行加热，能源利用率高，节能效果明显；气冷系统的气冷管采用上管和下管连接的结构，使热交换更加均匀。

可以理解，待反应气也可以从第一集气管80进入，然后进入径向反应筐70，在催化剂的作用下发生反应，同时产生热量，产生的热量被气冷管57内的未反应冷气吸收，经过反应后的气体经过径向反应筐70侧壁的通气孔进入间隙105，最后从气口104输出气冷反应器。当待反应气从第一集气管80进入，从气口104 输出时，径向反应筐70的通气孔结构的筒体701应当设置在较透气板703靠近外筒10的一侧，第一集气管80的筒体801应当设置在较透气板803远离径向反应筐70的筒体701的一侧，且径向反应筐70的通气孔的结构优选为图4所示的通气孔结构，而第一集气管80的通气孔的结构优选为图3所示的通气孔结构，即径向反应筐70和第一集气管80的通气孔的结构互换。

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 (10)

1.一种用于径向气冷反应器的气冷系统，其特征在于，所述气冷反应器包括外筒及径向反应框，所述径向反应框设于所述外筒内；所述气冷系统包括多个气冷管，所述气冷管为回形结构，且所述气冷管包括进口和出口，所述进口和出口均位于所述气冷管的中部，且相互间隔设置；

所述气冷系统还包括进气管和集气管，多个所述气冷管设置于所述径向反应框内，所述进气管穿过所述外筒及所述径向反应框与所述气冷管的所述进口连通，所述集气管包括第一集气管及第二集气管，所述第一集气管部分设置于所述径向反应框内，另一端伸出所述径向反应框和所述外筒外，以将经过反应的气体导出；

所述第二集气管与所述气冷管的所述出口连通，以将经过加热的气体导出；

所述气冷系统包括依次连通的所述进气管、分气管、第一连通管、气冷管、第二连通管和所述第二集气管。

2.根据权利要求1所述的气冷系统，其特征在于，所述气冷管包括上管和下管，所述上管和所述下管分别包括进口和出口，所述上管的进口和所述下管的进口连通，所述上管的出口和所述下管的出口连通。

3.根据权利要求2所述的气冷系统，其特征在于，所述上管和所述下管均为U形管，所述上管和所述下管对接形成所述回形结构。

4.根据权利要求3所述的气冷系统，其特征在于，所述上管和所述下管为对称结构，所述上管和所述下管的所述进口和所述出口均位于所述气冷管的中点处。

5.根据权利要求1～4任一项所述的气冷系统，其特征在于，所述分气管为多个，多个所述分气管分别与所述进气管连通。

6.根据权利要求1～4任一项所述的气冷系统，其特征在于，所述气冷系统还包括连通于所述分气管和所述第一连通管之间的分气环。

7.根据权利要求6所述的气冷系统，其特征在于，所述分气环分别连通多个分气管和多个第一连通管。

8.根据权利要求1～4任一项所述的气冷系统，其特征在于，所述气冷系统还包括连通于所述第一连通管和所述气冷管的所述进口之间的第一环管，多个所述气冷管连接所述第一环管。

9.根据权利要求1～4任一项所述的气冷系统，其特征在于，所述气冷系统还包括连通于所述第二连通管和所述气冷管的所述出口之间的第二环管，多个所述气冷管连接所述第二环管。

10.一种径向气冷反应器，其特征在于，其包括外筒、径向反应框及气冷系统，所述径向反应框设于所述外筒内，所述气冷系统包括气冷管，所述气冷管为回形结构，且所述气冷管包括进口和出口，所述进口和出口均位于所述气冷管的中部，且相互间隔设置；

所述气冷系统还包括进气管和集气管，多个所述气冷管设置于所述径向反应框内，所述进气管穿过所述外筒及所述径向反应框与所述气冷管的所述进口连通，所述集气管包括第一集气管及第二集气管，所述第一集气管部分设置于所述径向反应框内，另一端伸出所述径向反应框和所述外筒外，以将经过反应的气体导出；

所述第二集气管与所述气冷管的所述出口连通，以将经过加热的气体导出；

所述气冷系统包括依次连通的所述进气管、分气管、第一连通管、气冷管、第二连通管和所述第二集气管。