CN105903413B - 气气换热型等温反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了气气换热型等温反应器，在外壳上设有热合成气入口、冷合成气出口、热合成气出口和冷合成气进口；气体分布器设在热合成气入口处，气体径向分布筒和集气筒设在气体分布器与热合成气出口之间；气体径向分布筒和集气筒沿外壳的轴线方向延伸，集气筒设置在气体径向分布筒的中心，集气筒的下端连通热合成气出口；集束管组合件设在气体径向分布筒和集气筒之间且沿外壳的轴线方向延伸，集束管组合件的上端与冷合成气出口连通，下端与冷合成气进口连通，集束管组合件由集束管围成一个用于放置催化剂的空腔，所述空腔为上、下两端收缩，中间大的空腔；本发明运行温度平稳、气体分布均匀、可以大型化和不易泄漏。

Description

气气换热型等温反应器
技术领域
本发明属于化工设备技术领域，是一种立式组合式反应器，具体地说是一种高效轴向或径向运用气冷移走热量的气气换热型等温反应器。
背景技术
目前，化学反应器种类繁多，运用气体移走热量的此类换热型等温反应器结构上大体都是使用大管板的管壳式反应器。它的缺点是使用大管板，制造上不宜大型化、焊点多，同时这种结构主要都是轴向塔，因而塔阻力大。即使免强作为径向反应器，它的气体也是从外向内分布，气体分布极不均匀。综上所述，目前的此类气气换热型等温反应器存在的主要缺点是：泄漏点多、安全性差、气体分布不均匀、不易大型化、反应器造价昂贵。
发明内容
本发明的目的是针对现有气气换热型等温反应器泄漏点多、安全性差、气体分布不均匀、不易大型化、反应器造价昂贵等问题，而设计的一种运行温度平稳、气体分布均匀、可以大型化和不易泄漏的立式气气换热型等温反应器。
本发明的具体技术方案如下：
当原料气以径向流时，气气换热型等温反应器，包括外壳，在外壳的顶部设有热合成气入口和冷合成气出口，外壳的底部设有热合成气出口和冷合成气进口；在所述外壳内设有集束管组合件、气体分布器、气体径向分布筒和集气筒；气体分布器设在热合成气入口处，气体径向分布筒和集气筒设在气体分布器与热合成气出口之间；气体径向分布筒和集气筒沿外壳的轴线方向延伸，集气筒设置在气体径向分布筒的中心，集气筒的下端连通热合成气出口；集束管组合件设在气体径向分布筒和集气筒之间且沿外壳的轴线方向延伸，集束管组合件的上端与冷合成气出口连通，下端与冷合成气进口连通，集束管组合件由集束管围成一个用于放置催化剂的空腔，所述空腔为上、下两端收缩，中间大的空腔；
在气体径向分布筒内设置有兼具折流作用和固定集束管的固定架；固定架设置在气体径向分布筒内的中间部，固定架可以采用钢质的杆件来制作，并将杆件固定在一个圆环上，该圆环固定在气体径向分布筒的内壁上，杆件垂直于集束管；或者直接将杆件固定在气体径向分布筒的内壁上，并使杆件与集束管垂直；集束管固定在杆件上，固定方式可以采用管卡、管夹或类似部件将集束管固定在杆件上；由于杆件与集束管垂直，在热合成气经过杆件时，杆件会起到扰动的作用，起到折流作用，使该换热器成为折流杆式换热器；
集束管组合件的管程用于冷合成气行走，壳程用于热合成气行走，原料气经冷合成气进口进入集束管组合件的管程，经冷合成气出口流出，然后经热合成气入口进入集束管组合件的壳程，反应后经热合成气出口流出，冷合成气和热合成气通过集束管组合件完成换热。
本方案中，采用集束管的传热方式，集束管内外的气体交错流动，进行热量交换，使反应器内的温度保持平稳；由于集束管被固定在固定架上，减少了集束管的振动，避免了个别集束管抵靠在一起，影响反应的顺利进行。
原料气经气体分布器分布后，在集束管之间进行多向侧流，整个原料气的流动方向由外向内流动，使原料气的反应更充分，产量提高。集束管内的流动的冷合成气和集束管外的流动的热合成气为同一种气体，管内外的压差较少，提高了整个反应器的运行安全度。
反应器在运行时，冷合成气从冷合成气进口进入，从冷合成气出口流出，热合成气通过气体分布器后，经气体径向分布筒进入到集束管间，在催化剂的作用下发生反应，反应后的热合成气进入集气筒，然后从外壳下部流出；反应产生的热量被集束管中的冷合成气带走。
进一步，所述集束管组合件至少分为三个集束管组，冷合成气出口和冷合成气进口的数量均与集束管组的数量相同并一一对应；每个集束管组的上端与对应的冷合成气出口之间设置有一个上管板、一个上封头和金属膨胀节，所述上管板与相应的上封头固定连接，上管板与上封头之间形成第一空腔，每个集束管组的上端固定在相应的上管板上，并依次经上封头和金属膨胀节连通冷合成气出口；每个集束管组的下端与对应的冷合成气进口之间设置有一个下管板和一个下封头，所述下管板与相应的下封头固定连接，下管板与下封头之间形成第二空腔，每个集束管组的下端固定在相应的下管板上，并经下封头连通冷合成气进口。
将集束管组合件进行分组，每个集束管组设置对应的下管板、下封头、上管板、上封头和金属膨胀节后，避免使用单独的大管板以及相应的附件，降低了反应器组成部件的尺寸，无需采用特殊的定制件，可以使用常规的标准件，例如小型的标准的管板、封头以及相应附件，这不但有利于提高部件的加工精度，并降低反应器的安装难度，有利于提高反应器的安装精度，同时提高了组成部件的互换性，可降低反应器的维护成本；将集束管组合件进行分组，降低了安装难度，可提高反应器的直径，扩大单个反应器的反应容量。金属膨胀节能够消除相应管道由于温度变化而引起的变形，保证了反应器的安全性。
进一步，所述集束管组合件的集束管为折弯的不锈钢管，集束管均匀布置。将普通的不锈钢管折弯后制作集束管，避免采用焊接方式制作集束管，可减少焊缝的数量，不但减少了焊材的使用，减少了泄露点，还降低了焊缝的检测时间和检测费用，提高了反应器的制作效率，降低了制造费用。
进一步，在外壳的下端设置有用于检修人员进出和催化剂自卸的多功能口，多功能口的设置可以减少外壳上开孔的数量，提高了外壳的强度，减少了外壳上焊缝的总量，保证了外壳的密封性。
当反应气以轴向流时，气气换热型等温反应器，包括外壳，在外壳的顶部设有热合成气入口和冷合成气出口，外壳的底部设有热合成气出口和冷合成气进口；在所述外壳内设有集束管组合件、气体分布器和集气室；气体分布器设在热合成气入口处，集气室连通热合成气出口；集束管组合件设在热合成气入口与集气室之间且沿外壳的轴线方向延伸，集束管组合件的上端与冷合成气出口连通，下端与冷合成气进口连通，集束管组合件由集束管围成一个用于放置催化剂的空腔，所述空腔为上、下两端收缩，中间大的空腔；
在外壳内设置有兼具折流作用和固定集束管的固定架；固定架设置在外壳内的中间部；固定架可以采用钢质的杆件来制作，并将杆件固定在一个圆环上，该圆环固定在外壳的内壁上；或者直接将杆件固定在外壳的内壁上。集束管固定在杆件上，固定方式可以采用管卡、管夹或类似部件将集束管固定在杆件上；由于杆件与集束管垂直，在热合成气经过杆件时，杆件会起到扰动的作用，起到折流作用，使该换热器成为折流杆式换热器；
集束管组合件的管程用于冷合成气行走，壳程用于热合成气行走，原料气经冷合成气进口进入集束管组合件的管程，经冷合成气出口流出，然后经热合成气入口进入集束管组合件的壳程，反应后经热合成气出口流出，冷合成气和热合成气通过集束管组合件完成换热。
本方案中，采用集束管的传热方式，集束管内外的气体交错流动，进行热量交换，使反应器内的温度保持平稳；由于集束管被固定在固定架上，减少了集束管的振动，避免了个别集束管抵靠在一起，影响反应的顺利进行。
原料气经气体分布器分布后，在集束管之间进行多向侧流，整个原料气的流动方向由外向内流动，使原料气的反应更充分，产量提高。集束管内的流动的冷合成气和集束管外的流动的热合成气为同一种气体，管内外的压差较少，提高了整个反应器的运行安全度。
反应器在运行时，冷合成气从冷合成气进口进入，从冷合成气出口流出，热合成气通过气体分布器后，进入到集束管间，在催化剂的作用下发生反应，反应后的热合成气进入集气室，然后从外壳下部流出；反应产生的热量被集束管中的冷合成气带走。
进一步，所述集束管组合件至少分为三个集束管组，冷合成气出口和冷合成气进口的数量均与集束管组的数量相同并一一对应；
每个集束管组的上端与对应的冷合成气出口之间设置有一个上管板、一个上封头和金属膨胀节，所述上管板与相应的上封头固定连接，上管板与上封头之间形成第一空腔，每个集束管组的上端固定在相应的上管板上，并依次经上封头和金属膨胀节连通冷合成气出口；
每个集束管组的下端与对应的冷合成气进口之间设置有一个下管板和一个下封头，所述下管板与相应的下封头固定连接，下管板与下封头之间形成第二空腔，每个集束管组的下端固定在相应的下管板上，并经下封头连通冷合成气进口。
将集束管组合件进行分组，每个集束管组设置对应的下管板、下封头、上管板、上封头和金属膨胀节后，避免使用单独的大管板以及相应的附件，降低了反应器组成部件的尺寸，无需采用特殊的定制件，可以使用常规的标准件，例如小型的标准的管板、封头以及相应附件，这不但有利于提高部件的加工精度，并降低反应器的安装难度，有利于提高反应器的安装精度，同时提高了组成部件的互换性，可降低反应器的维护成本；将集束管组合件进行分组，降低了安装难度，可提高反应器的直径，扩大单个反应器的反应容量。金属膨胀节能够消除相应管道由于温度变化而引起的变形，保证了反应器的安全性。
进一步，所述集束管组合件的集束管为折弯的不锈钢管，集束管均匀布置。将普通的不锈钢管折弯后制作集束管，避免采用焊接方式制作集束管，可减少焊缝的数量，不但减少了焊材的使用，还降低了焊缝的检测时间和检测费用，提高了反应器的制作效率，降低了制造费用。
进一步，在外壳的下端设置有用于检修人员进出和催化剂自卸的多功能口。多功能口的设置可以减少外壳上开孔的数量，提高了外壳的强度，减少了外壳上焊缝的总量，保证了外壳的密封性。
附图说明
图1是本发明实施例径向流反应器结构示意图。
图2是本发明实施例轴向流反应器结构示意图。
图3是集束管示意图。
图4是图1所示实施例中的固定架的简图。
图5是图2所示实施例中的固定架的简图。
图中：1-热合成气入口；2-人孔；3-径向流外壳；4-轴向流外壳；5-下封头；6-多功能口；7-冷合成气进口；8-热合成气出口；9-气体径向分布筒；10-集气筒；11-催化剂；12-集束管组合件；13-上封头；14-气体分布器；15-冷合成气出口；16-集气室；17-集束管；20-金属膨胀节；21-固定架。
具体实施方式
下面的结合附图和实施范例对本发明进一步的说明。
请参阅图1和图3，当原料气以径向流时，气气换热型等温反应器包括径向流外壳3，在径向流外壳的顶部设有热合成气入口1和冷合成气出口15，径向流外壳的底部设有热合成气出口8和冷合成气进口7；在所述径向流外壳内设有集束管组合件12、气体分布器14、气体径向分布筒9和集气筒10；气体分布器14设在热合成气入口1处，气体径向分布筒9和集气筒10设在气体分布器14与热合成气出口8之间；气体径向分布筒9和集气筒10沿径向流外壳的轴线方向延伸，集气筒10设置在气体径向分布筒9的中心，集气筒10的下端连通热合成气出口8；集束管组合件12设在气体径向分布筒9和集气筒10之间且沿径向流外壳的轴线方向延伸，集束管组合件12的上端与冷合成气出口15连通，下端与冷合成气进口7连通，集束管组合件12由集束管围成一个用于放置催化剂11的空腔，所述空腔为上、下两端收缩，中间大的空腔；
在气体径向分布筒9内设置有兼具折流作用和固定集束管的固定架21；
集束管组合件12的管程用于冷合成气行走，壳程用于热合成气行走，原料气经冷合成气进口7进入集束管组合件12的管程，经冷合成气出口15流出，然后经热合成气入口1进入集束管组合件12的壳程，反应后经热合成气出口8流出，冷合成气和热合成气通过集束管组合件12完成换热。
固定架设置在气体径向分布筒内的中间部，参阅图4，固定架包括平行设置的细长的杆件25，杆件25固定在圆环26上，圆环26采用点焊方式固定在气体径向分布筒的内壁上，杆件垂直于集束管，用管夹将集束管17固定在杆件25上，图4中仅示例性地显示了部分集束管17。当然，也可以取消圆环，直接将杆件25固定在气体径向分布筒的内壁上，杆件沿径向流外壳的轴线方向设置多列，相邻列之间的间距控制在2-2.5米。杆件采用碳钢材料制作，各集束管固定在杆件上，一方面可便于安装，另一方面可防止集束管的偏移；由于杆件与集束管垂直，在热合成气经过杆件时，杆件会起到扰动的作用，起到折流作用，使该换热器成为折流杆式换热器。
集束管组合件12分为三个集束管组，冷合成气出口15和冷合成气进口7各设置三个，并分别与三个集束管组相对应，每个集束管组与对应的冷合成气出口15之间设置一个上管板、一个上封头13和一个金属膨胀节20，上管板与相应的上封头13固定连接，上管板与上封头13之间形成第一空腔，集束管组的上端固定在相应的上管板上，上封头13经金属膨胀节20连接冷合成气出口15。
每个集束管组的下端与对应的冷合成气进口7之间设置有一个下管板和一个下封头5，下管板与相应的下封头固定连接，下管板与下封头之间形成第二空腔，每个集束管组的下端固定在相应的下管板上，并经下封头5连通冷合成气进口7。
可以理解，集束管组合件12还可以分为四个、五个、六个，甚至更多个集束管组，各集束管组均相应设置有冷合成气出口、冷合成气进口、上管板、上封头、金属膨胀节、下管板和下封头。
集束管组合件12的集束管为折弯的不锈钢管，集束管均匀布置，相邻集束管之间的距离相同。将普通的不锈钢管折弯后制作集束管，避免采用焊接方式制作集束管，可减少焊缝的数量，不但减少了焊材的使用，减少了泄露点，还降低了焊缝的检测时间和检测费用，提高了反应器的制作效率，降低了制造费用。
在径向流外壳3的下端设置有用于检修人员进出和催化剂自卸的多功能口6，多功能口的设置可以减少径向流外壳上开孔的数量，提高了径向流外壳的强度，减少了径向流外壳上焊缝的总量，保证了径向流外壳的密封性。
在径向流外壳3的上端设置有人孔2。
集束管17由直管折弯而成，整体呈马鞍形，包括四个弯曲部，分别为第一弯曲部171、第二弯曲部172、第三弯曲部173和第四弯曲部174；四个弯曲部的弯曲角的范围均为95-175°。
请参阅图2和图3，当反应气以轴向流时，气气换热型等温反应器包括轴向流外壳4，在轴向流外壳的顶部设有热合成气入口1和冷合成气出口15，轴向流外壳的底部设有热合成气出口8和冷合成气进口7；在所述轴向流外壳内设有集束管组合件12、气体分布器14和集气室16；气体分布器14设在热合成气入口1处，集气室16连通热合成气出口8；集束管组合件12设在热合成气入口1与集气室16之间且沿轴向流外壳的轴线方向延伸，集束管组合件12的上端与冷合成气出口15连通，下端与冷合成气进口7连通，集束管组合件12由集束管围成一个用于放置催化剂的空腔，所述空腔为上、下两端收缩，中间大的空腔；
在外壳4内设置有兼具折流作用和固定集束管的固定架21；
集束管组合件12的管程用于冷合成气行走，壳程用于热合成气行走，原料气经冷合成气进口7进入集束管组合件12的管程，经冷合成气出口15流出，然后经热合成气入口1进入集束管组合件12的壳程，反应后经热合成气出口8流出，冷合成气和热合成气通过集束管组合件12完成换热。
固定架设置在外壳内的中间部，参阅图5，固定架包括平行设置的细长的杆件27，杆件27固定在圆环28上，圆环28采用点焊方式固定在轴向流外壳4的内壁上，杆件垂直于集束管，用管夹将集束管17固定在杆件27上，图5中仅示例性地显示了部分集束管17。当然，也可以取消圆环，直接将杆件27固定在轴向流外壳4的内壁上，杆件沿轴向流外壳的轴线方向设置多列，相邻列之间的间距控制在2-2.5米。杆件采用碳钢材料制作，各集束管固定在杆件上，一方面可便于安装，另一方面可防止集束管的偏移。由于杆件与集束管垂直，在热合成气经过杆件时，杆件会起到扰动的作用，起到折流作用，使该换热器成为折流杆式换热器。
以下内容均为对反应气以轴向流时的气气换热型等温反应器进行描述。
集束管组合件12分为三个集束管组，冷合成气出口15和冷合成气进口7各设置三个，并分别与三个集束管组相对应，每个集束管组与对应的冷合成气出口15之间设置一个上管板、一个上封头13和一个金属膨胀节20，上管板与相应的上封头13固定连接，上管板与上封头13之间形成第一空腔，集束管组的上端固定在相应的上管板上，上封头13经金属膨胀节20连接冷合成气出口15。
每个集束管组的下端与对应的冷合成气进口7之间设置有一个下管板和一个下封头5，下管板与相应的下封头固定连接，下管板与下封头之间形成第二空腔，每个集束管组的下端固定在相应的下管板上，并经下封头5连通冷合成气进口7。
可以理解，集束管组合件12还可以分为四个、五个、六个，甚至更多个集束管组，各集束管组均相应设置有冷合成气出口、冷合成气进口、上管板、上封头、金属膨胀节、下管板和下封头。
所述集束管组合件12的集束管为折弯的不锈钢管，集束管均匀布置。将普通的不锈钢管折弯后制作集束管，避免采用焊接方式制作集束管，可减少焊缝的数量，不但减少了焊材的使用，还降低了焊缝的检测时间和检测费用，提高了反应器的制作效率，降低了制造费用。
在轴向流外壳4的下端设置有用于检修人员进出和催化剂自卸的多功能口6。多功能口的设置可以减少轴向流外壳上开孔的数量，提高了轴向流外壳的强度，减少了轴向流外壳上焊缝的总量，保证了轴向流外壳的密封性。
在轴向流外壳4的上端设置有人孔2。
集束管17由直管折弯而成，整体呈马鞍形，包括四个弯曲部，分别为第一弯曲部171、第二弯曲部172、第三弯曲部173和第四弯曲部174；四个弯曲部的弯曲角的范围均为95-175°。

Claims (6)

1.气气换热型等温反应器，包括外壳(3)，在外壳的顶部设有热合成气入口(1)和冷合成气出口(15)，外壳的底部设有热合成气出口(8)和冷合成气进口(7)，其特征在于，
在所述外壳内设有集束管组合件(12)、气体分布器(14)、气体径向分布筒(9)和集气筒(10)；气体分布器(14)设在热合成气入口(1)处，气体径向分布筒(9)和集气筒(10)设在气体分布器(14)与热合成气出口(8)之间；气体径向分布筒(9)和集气筒(10)沿外壳的轴线方向延伸，集气筒(10)设置在气体径向分布筒(9)的中心，集气筒(10)的下端连通热合成气出口(8)；集束管组合件(12)设在气体径向分布筒(9)和集气筒(10)之间且沿外壳的轴线方向延伸，集束管组合件(12)的上端与冷合成气出口(15)连通，下端与冷合成气进口(7)连通，集束管组合件(12)由集束管围成一个用于放置催化剂的空腔，所述空腔为上、下两端收缩，中间大的空腔；
在气体径向分布筒(9)内设置有兼具折流作用和固定集束管的固定架(21)；
集束管组合件(12)的管程用于冷合成气行走，壳程用于热合成气行走，原料气经冷合成气进口(7)进入集束管组合件(12)的管程，经冷合成气出口(15)流出，然后经热合成气入口(1)进入集束管组合件(12)的壳程，反应后经热合成气出口(8)流出，冷合成气和热合成气通过集束管组合件(12)完成换热；
所述集束管组合件(12)至少分为三个集束管组，冷合成气出口和冷合成气进口的数量均与集束管组的数量相同并一一对应；
每个集束管组的上端与对应的冷合成气出口(15)之间设置有一个上管板、一个上封头(13)和金属膨胀节(20)，所述上管板与相应的上封头固定连接，上管板与上封头之间形成第一空腔，每个集束管组的上端固定在相应的上管板上，并依次经上封头(13)和金属膨胀节(20)连通冷合成气出口(15)；
每个集束管组的下端与对应的冷合成气进口(7)之间设置有一个下管板和一个下封头(5)，所述下管板与相应的下封头固定连接，下管板与下封头之间形成第二空腔，每个集束管组的下端固定在相应的下管板上，并经下封头(5)连通冷合成气进口(7)。
2.根据权利要求1所述的气气换热型等温反应器，其特征在于，所述集束管组合件(12)的集束管为折弯的不锈钢管，集束管均匀布置。
3.根据权利要求1所述的气气换热型等温反应器，其特征在于，在外壳(3)的下端设置有用于检修人员进出和催化剂自卸的多功能口(6)。
4.气气换热型等温反应器，包括外壳(4)，在外壳的顶部设有热合成气入口(1)和冷合成气出口(15)，外壳的底部设有热合成气出口(8)和冷合成气进口(7)，其特征在于，
在所述外壳内设有集束管组合件(12)、气体分布器(14)和集气室(16)；气体分布器(14)设在热合成气入口(1)处，集气室(16)连通热合成气出口(8)；集束管组合件(12)设在热合成气入口(1)与集气室(16)之间且沿外壳的轴线方向延伸，集束管组合件(12)的上端与冷合成气出口(15)连通，下端与冷合成气进口(7)连通，集束管组合件(12)由集束管围成一个用于放置催化剂的空腔，所述空腔为上、下两端收缩，中间大的空腔；
在外壳(4)内设置有兼具折流作用和固定集束管的固定架(21)；
集束管组合件(12)的管程用于冷合成气行走，壳程用于热合成气行走，原料气经冷合成气进口(7)进入集束管组合件(12)的管程，经冷合成气出口(15)流出，然后经热合成气入口(1)进入集束管组合件(12)的壳程，反应后经热合成气出口(8)流出，冷合成气和热合成气通过集束管组合件(12)完成换热；
所述集束管组合件(12)至少分为三个集束管组，冷合成气出口和冷合成气进口的数量均与集束管组的数量相同并一一对应；
每个集束管组的上端与对应的冷合成气出口(15)之间设置有一个上管板、一个上封头(13)和金属膨胀节(20)，所述上管板与相应的上封头固定连接，上管板与上封头之间形成第一空腔，每个集束管组的上端固定在相应的上管板上，并依次经上封头(13)和金属膨胀节(20)连通冷合成气出口(15)；
每个集束管组的下端与对应的冷合成气进口(7)之间设置有一个下管板和一个下封头(5)，所述下管板与相应的下封头固定连接，下管板与下封头之间形成第二空腔，每个集束管组的下端固定在相应的下管板上，并经下封头(5)连通冷合成气进口(7)。
5.根据权利要求4所述的气气换热型等温反应器，其特征在于，所述集束管组合件(12)的集束管为折弯的不锈钢管，集束管均匀布置。
6.根据权利要求4所述的气气换热型等温反应器，其特征在于，在外壳(4)的下端设置有用于检修人员进出和催化剂自卸的多功能口(6)。
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