CN1061846A - 反应器 - Google Patents

Abstract

公开了一种包括一壳体和冷却管的一种壳—管 式热交换器组成的，而且不使用歧管结构的反应器。 该反应器可用于放热反应。

Description

本发明涉及一种用于放热反应的如甲醇合成反应和氨合成反应的反应器。

已知有各种类型的用于放热反应的反应器，例如日本专利（日本专利公开149640/1980）1239405，提出一种反应器，在这种由歧管结构组成的反应器中设置了分布和收集一种热交换介质进入和离开冷却管的结构。在这种反应器中，所产生的蒸汽的分离是在一个附加设置的蒸汽鼓中实现的，并且催化剂的引入和排放是通过利用催化剂床层的上侧空间和下侧空间进行的。还附加设有一个用于取出催化剂的喷咀。

日本专利公开112044/1983揭示了一种带有一蒸汽鼓的反应器，该蒸汽鼓整体地设置在反应器的上侧，而且这种反应器使用了如在上面提到的日本专利1239405中描述的反应器所用的一种歧管结构，用于分布和收集锅炉水和蒸汽。在这种反应器中，催化剂的引入和排放是通过利用催化剂床层的上侧和下侧的空间来进行的，并且设置有用来排放催化剂的一个喷咀。

为在热交换介质的分布和排放区域中制备一种歧管结构，许多部件要求焊接。其结果是由于不理想的焊接以及焊接部位随时间的延续而逐渐损坏。将可能使热交换介质泄漏。

然而，在装有催化剂的这种结构中，很难检查热交换介质的泄漏和确定产生热交换介质泄漏的部位。要想检查热交换介质的泄漏，必须浪费贵重的催化剂。由于这种复杂的歧管结构，即使发现有一个部位出现热交换介质的泄漏，就需要做大量的修理该部位的工作。另外当问题（如泄漏）出现在歧管结构中的一组冷却管中的一个确定的冷却管中时，不可能使该管处于独立于其它冷却管的非使用状态。

本发明的发明者们认真地对这些问题的解决方案进行了研究并完成了本发明。

即，本发明提供了一种包括一个壳体和多个冷却管的壳-管式热交换器组成的反应器，包括一个由一竖直园筒组成的壳体，一个向外形成的上管板封闭竖直园筒的上部和一个向外形成的下管板封闭竖直园筒的下部;一园筒形穿孔壁，该壁延伸使其与竖直园筒的内表面的大部分相对，并在壁的上端和下端处将其连接到竖直园筒上;至少一个壳体的开口，该壳体开口将在穿孔的壁和竖直园筒之间的外侧周围空间与壳体的外侧相连接;和一个中心管，在其上端封闭，在它的基本上对着园柱形穿孔壁的部位上设有一组孔，使得中心管可渗透，并且在其下端部位处通过一下管板和一头盖延伸，在壳外侧的下端开口处敝开;和一组冷却管，它们在其上端和下端处连接到上管板和下管板上，并在同样的端处敝开，使冷却管与壳体的外侧相连接。

将一种催化剂置于与所述内部的穿孔壁的至少可渗透的部分相对应处的所述壳体的内部，冷却管至少在通过装填的催化剂的部位处竖直延伸以形成竖直部分，在竖直部分的下侧上的冷却管的部分被弯曲至少一次，并优选以直角连接到下管板上，在竖直部分的上侧的冷却管的部分被弯曲至少一次并被连接到上管板上（优选以直角），该反应器有覆盖上管板和下管板中冷却管开孔的上头盖和下头盖，并将其连接到壳体上，以确定在头盖和壳体之间的上部和下部头盖空间，上头盖和下头盖分别具有至少一个上外侧连接口和下外侧连接口;不少于一个的上外侧连接口，上头盖空间，冷却管内的空间，下头盖空间和不少于一个的下外侧连接口。按照所述次序相互连接并相对于壳体内部封闭;外侧周围开孔，外侧周围空间，除外侧周围空间外的壳体中的空间，中心管中的空间和中心管的下端开孔以所述次序相互连接;原始反应物料在外侧壳体开孔和中心管的下端开孔之间流动，即，在壳体侧的空间流动，反应物料在基本水平的方向上和在壳体内部区段中的竖直园筒的水平断面的径向上被循环，所述壳体内部是在壳体内表面和中心管之间，一种热交换介质在上和下外侧连接口之间即在管侧被循环，原始物料在其通过装填的催化剂床层时进行反应而转化成反应产物并产生反应热，热交换介质当其被循环时，从壳体吸收热以冷却壳体。

按照本发明，所有的冷却管通过并焊接到端板上，即反应器内的管板上，而且没有设置在前面提到的在现有技术反应器中所采用的歧管结构，热交换介质可从冷却管的焊接部位泄漏出来，而这种部位仅为焊接到反应器中的端板上的部位，而且，如果万一出现泄漏，检修工作可以从上头盖空间和下透盖空间内进行而不需取出催化剂。

图1是按照本发明反应器的纵剖面图，其中图1a表示一基本的实施例，而图1b表示另一个更典型的实施例;

图2是按照本发明反应器内的管的弯曲部分的纵剖面图;

图3进一步图示了按照本发明的反应器的管子弯曲部分，其中图3a是一个透视图，而图3b是一个平面图;和

图4所示是按照本发明反应器内的催化剂回收结构。

10……反应器;12……气体入口，13……内穿孔壁，14，……催化剂层，16……可渗透中心管，18……反应气体出口，20，……进料水喷咀，22……上头盖，23……蒸汽出口，24……上头部空间，25……催化剂加料口，26……下导管入口，28……下导管，30……下导管出口，32，……下头盖，34……下头部空间，36……下端板，38……冷却管，40……上端板。

下面对本发明进行详细描述。

按照本发明的结构，冷却管的焊接部位基本上仅为通过焊接固定到反应器内的端板上的部位。

当然，当反应器的长度超过了一般所用的管子的制造长度时，可将管子对接焊在一起，既使在这种情况下，管子可以在反应器外单独地进行焊接和检查，所以质量控制的可靠性远高于使用歧管的情况，在反应器内的管子和端板的彼此焊接能够采用如许多通常的多管热交换器所采用的非常可靠的结构。

按照本发明，为了将加热介质分布到固定在反应器内的端板上的冷却管中，从这些冷却管中收集加热介质并将最终的加热介质分离，头盖被设置在壳体的上部和下部并和壳体成为一体以封住反应器的端板。当按照本发明的反应器被用作锅炉时，头盖限定了蒸汽鼓。

按照本发明布置的冷却管其主要部分是竖直延伸的，冷却管的其余部分被弯曲以降低在反应器内的冷却管和壳体部份的热应力。

如果冷却管的弯曲部份设计合理，由于反应器管子和壳体之间膨胀不同而使热应力降低，

如果弯曲部分在它们的方向上设计合理，从反应器的中心部位到管组的内和外侧部位的间隙和通道用来装载催化器。

冷却管的弯曲方向上的组合要便于在冷却管的部位内保证开孔，而不会使管固定到端板上方式复杂化。

冷却管的布置以能使它们在反应器的水平截面上以有规律的间隔通过同心园上的点，并在与反应气的流动相应部位上竖直延伸，竖直段与反应物料的流动成直角。这些冷却管在其周围气体不流动的部位上被弯曲，即在与反应没有直接关系的部位处被弯曲，以减少由于在反应器的管和壳体之间的膨胀不同而引起的热应力，并将管子以所希望的角度连接到弯曲的管板上。

如果上面提到的管子的弯曲部位按照反应器中周围的位置被划分成区段，在相邻两区段之间可设有一空间（见图3），其宽度远大于两相邻管子之间的原有距离。

例如，如果全部冷却管被划分成六个区段（区域），在这些区段中的管子的弯曲段分别在平面内的0°、60°、120°、180°、240°和300°方向上并行延伸，在这些区段之间形成的空间是在30°、90°、150°、210°、270°和330°的方向上。即使在这种情况下，每一弯曲段被限制为相应的管子的一个纵向延伸的部位，管子被固定到端板上的部位可以向左被安置到反应器的水平横截面上的同心园上。

按照本发明，可以从反应器的外侧打开和关闭的一开孔被设置在中心管的下部，所述中心管构成反应气体的流动通道，催化剂可以从所述的开口处被取出。

由于下管板，即下端板是向下形成的，尽管只有唯一的一个催化剂卸料开口，催化剂可以被有效地取出（催化剂的剩余量很小）。

在中心管下部的催化剂卸料开口的结构可便于打开和关闭装载的剩余催化剂。具体说，中心管的最低部位是双层结构的，而且该双层结构的一个外侧园筒形构件设置有一催化剂卸料开孔。内侧的园筒形构件接触外侧园筒形构件的内表面以关闭开孔并且通常也支承催化剂。当内侧园筒形构件被向下拔出时，孔被打开，载于中心管外侧的催化剂随即落下。

本发明的效果如下所述。

1）几乎所有的故障包括在管式反应器开始操作之后流体的泄漏，这种泄漏都出现在焊接部位上。然而，本发明与使用歧管结构的反应器比较可大大减少这样的焊接部位。

2）由于对普通的多管热交换器使用了管端焊接法，可以使用一自动焊接机，而且与有歧管结构的反应器比较，这种反应器的制造和维护是比较容易的。

3）管和端板的所有焊接部位是在头盖内侧的空间中，或头盖空间中，从而焊接部位的检验包括气密性试验和渗透性试验可以在不卸出催化剂的情况下进行。

例如，一种甲醇合成催化剂不能被再生。从而，一旦将这种催化剂取出，会带来巨大的经济损失。

在按照本发明的反应器中，与具有歧管型冷却水分布和收集结构的反应器不同，冷却管是独立设置的。从而，不用通过堵塞一确定的管子而在焊接管的端部修理是可能的。

4）蒸汽鼓有整体成形的上部和下部。从而，当反应器被用作锅炉时，附属设备如一种单独制造的蒸汽鼓架则是不必要的。另外，由于鼓被设置在反应器身的上部和下部处，锅炉水可以被均匀地分布到冷却管中，从而对于反应所不希望的锅炉水的沟流可以被防止。

5）在每个管区段的部位中，冷却管的每个部位被弯曲以形成多个空间。从而催化剂可以在分散的条件下填塞或装载在从区段的最内层的内侧至区段的内和外侧空间。即，使催化剂均匀地装入反应器内成为可能，这对于反应是很重要的。

6）由于反应器的结构使催化剂可以从中心管的最低部位被取出，没有必要设置一个附加的催化剂卸料口。由于催化剂是从反应器的中心部件的最低部位被卸出的，催化剂的剩余量很小。

由上可见，本发明的效果概括如下。

1）增进了管侧焊接部位的可靠性。

2）有关易于发生故障的冷却管的焊接部位，这些管组的检验可以在催化剂载于或装于反应器内的情况下进行，并且，既使万一出现锅炉水的泄漏，可以在不取出催化剂的条件下修理这些管子。

3）反应所需要的冷却介质可以容易地均匀分布。

4）如果冷却管的弯曲部分被分成区段，尽管管子是被安置在同心园上，仍可以在区段的最内层的内侧，区段的最外层的外侧的空间以及这些空间之间内足够均匀地装载或装填催化剂。

5）如果中心管的结构使它还作为催化剂卸料口，设置一专用开口就成为不必要的，并且剩余的催化剂量变小。

实施例

下面，按照本发明的反应器参照图1来描述，图1是一反应器的纵向剖面图。如果没有给出特殊记号，附图中相同的代号表面相同的部位。

在一反应器10中，原始气（进料）从一气体入口12流入，径向向前经过一内部的穿孔壁13，同时在催化剂层14中发生反应，在一可渗透中心管16中聚集并从反应器出口18流出。该气体可按需要来安排使它从内侧流向外侧。

在该实施例中的一种冷却介质锅炉水（BFW）从进料水开孔20处提供，并流经一上头部空间24，上头部空间24是一在上头盖22内的构成上蒸汽鼓的空间，一下导管入口26，一下导管28，一下导管出口30和一构成下蒸汽鼓的下头盖32内的空间34。然后当锅炉水从空间34上流入一组冷却管38后吸收反应热，管38连接到反应器的下端板36上，使部分锅炉水汽化，然后锅炉水以蒸汽-水混合相从反应器上端板40排出，蒸汽从开孔23取出。上部和下部蒸汽鼓22、32被直接连接到反应器的壳体上，从而限定了反应器的上部和下部部位。这是为了实现锅炉水和蒸汽的分布和收集以及将蒸汽从水中分离的目的。虽然冷却管38可任意地设置在催化剂层中，仅需考虑在径向上从流动的反应流体中需要移走的热量，但优选将它们设置在壳体的平面同心园的位置上，这是出于为移热方便的反应器设计和实际制造的考虑。在每个园周上的冷却管按通常的间距来布置。

由于冷却管二端固定在反应器的端板上，由于在冷却管和反应器的壳体之间的温度不同，可能在其固定位置处出现极高的热应力。为避免起见，将每个冷却管的一部分弯曲以减小在上述固定位置处的所出现的热应力。图1a表示了每个冷却管38被弯曲一次使它的上端和下端部位以直角（相对管板）固定到上管板和下管板上，并优选为使每个管的弯曲端部轴线与具有球形表面相关的管板法线成一直线。图1b表示的冷却管的实施例为管的上端部的弯曲点数增加以更可靠地防止热应力的出现。

下面参照图2描述一根冷却管的弯曲部位的一种优选结构。

全部冷却管38以其固定部位连接到反应器的端板36、40上使管子在端板的弯曲表面的法线方向上延伸（对于制造反应器和得到满意的耐压水平来说，半球形表面是最好的）。虽然冷却管固定到端板上的方向可以是任意的，但考虑到改进管的固定部位的操作有效性和可靠性的需要，优选为端板的法线方向。

每个冷却管的布置基本上为在催化剂层中竖直延伸，而且在管的固定部位处的端板的法线方向上。从而，管子在靠近被固定到端板的部位处的部位C1被弯曲，而且它优选为在另一个部位C2处被进一步弯曲以减小上面提到的热应力。所有的弯曲部位C2都不径向延伸，而且管的在一些区段中的弯曲部位如图3所示在相同的方向上延伸。例如，在平面内的六个区段中，在这些区段中的冷却管的弯曲部分以0°、60°、120°、180°、240°和300°的方向并行延伸，同时端板固定角度按预先确定的标准设置（优选为90°）。结果，在与管的弯曲部分相应的这些区段的边缘部分处的冷却管之间的间距与在区段的其它部位处相比是增加的。如果在反应器的水平截面上的一组同心园上的一组环形管组中被划分为前述区段的冷却管被径向地排成直线，从反应器的中部，即最内侧的环形管组的内侧空间到最外侧的环形管组的外侧空间并通过管的区段之间的空间形成空隙，这种空隙被有效地用于实现催化剂的装载或反应器的维护和检验。

图3a和3b表示冷却管，其竖直延伸部分V₀被设置在与反应器的壳体同心的园CL10上，并且这些竖直延伸部分从园CL100处向上向外弯曲，其中园CL100和园CL10相等，并包括了竖直延伸部分V₀的上端，从而形成向外延伸的腿部P₁，该腿部P₁在以平面图表示的相互间隔为60°的六个区段的每个内相互并行地设置，然后向外延伸的腿部P₁从一同心园CL11处向上弯曲，园CL11的直径大于园CL100的直径，从而形成竖直腿部V₁，该腿部在园CL11的上侧并与之相等的园CL110处向上向内弯曲，从而形成平行的区段和向内延伸的腿部P₂。这些腿部P₂在一同心园CL12（未示出）处向上弯曲，园CL12小于园CL110并可与园CL10，CL100相等，从而在垂直向上的方向上延伸并形成竖直腿部V₂，然后，该腿部V₂在园CL120处向上向外弯曲，园CL120在园CL12上侧并与之相等，在该方案中，管的有效部分的轴线与向外弯曲的管板（端板）的法线相一致，从而形成法向腿部N，该腿部N的上端常稍突出上管板的外表面（见图2），以有利于在该处的焊接，这些端部被固定于相同的管板上。在V₀-P₁、P₁-V₁、V₁-P₂、P₂-V₂、V₂-N之间的部分由图3a中的弯曲线表示，其中图3a是一透视图，这是为简便起见，当然，实际上它们是以曲线状态被弯曲的。

冷却管的V₀、P₁、V₁部位的轴线是在相同的竖直平面上，而且P₂、V₂这些部分一般也在相同的竖直平面上。管的这些部分以这种方式延伸，使冷却管的制造能方便地进行。然而，根据实际情况。例如，当希望管的固定部分被均匀地设置在管板上时，具体的P₂部分的延伸方向可以被改变，或者还可能不竖直地对准V₂部分。

在图3a中，同心园CL12的表示被省略了，这是出于便于观察冷却管的考虑，而且分别由4个管子组成的两组管子（在0°和300°方向内的区段）被示于园CL10上也是出于同样的目的。

图3b是图3a的顶视图，V₁部分的上侧所包括的部分被拿掉。在0°、60°、120°、180°、240°和300°、方向上的区段中每个管组由12根管子组成（在120°、180°和240°方向上的区段示画出）。在60°和300°方向内的区段中的管子38的P₁部分只表示那些靠近0°方向中的区段的管子部分。

图3a和3b中的字母Z表示的是在图3a中的0°和300°方向内的区段之间形成的等截面区域和在图3b中的30°和330°的方向（在0°和60°的方向内和0°和300°方向内的区段之间）内的管组之间的这样的区域。如果在较小的和较大的同心园上的内和外层中的管的区段相互排成直线，那未在反应器的水平截面上的径向上。有序的在区段的各层中形成等截面区域。从而，催化剂通过一进料口25（见图1和4）的装载能方便地进行。

本发明所用的催化剂卸料结构的一种优选形式将参照图4来描述。

中心管16的最低部设有一大得足以卸出催化剂的开口160。在反应器操作期间，该开口用一中心管的内园筒形部件162来关闭。为了卸出催化剂，开口160可通过向下移开该内园筒形部件来打开，使催化剂通过利用重力和下管板36的弯曲表面被卸出。在该图中，冷却管和催化剂被省略了。

在下管板的底部和内壁下端之间的空间里，可以装有无催化活性的惰性颗粒。在图1中，装于该空间中的颗粒是放大表示的，从而，这些颗粒可以由非催化性的颗粒组成，但应考虑进行反应的流体不会绕过这些颗粒。

在每个冷却管和两个管板的固定部位处，优选将冷却管的端部通过并伸出管板，而且管和管板的相互固定可通过从壳体的外侧焊接来实现。在这种情况下，本发明的反应器可以容易地制造，并在进行维修和检验方面是有利的。

Claims (1)

1. 一种包括壳体和冷却管的壳-管式热交换器组成的反应器，包括一由一竖直园筒组成的壳体，一封闭所述竖直园筒上部的外向形成的上管板，和一封闭所述竖直园筒下部的外向形成的下管板，一园筒形穿孔壁，它对着所述竖直筒的内表面的大部分延伸，并在其上和下端处连接到所述的竖直园筒上，至少一个壳体开口，它将在所述穿孔壁和所述竖直园筒间的外围空间与所述壳体外侧相连接，一在上端封闭的中心管，在它的基本上对着所述园筒形穿孔壁的部分上设置有一组孔以使所述中心管可渗透，并在其下端部位处延伸经过下管板和下透盖并在壳体外壳的下端开口处敝开；和一组冷却管其上端和下端连接到所述的上管板和下管板上并在相同的端处敝开，以使所述冷却管与所述壳体外侧相连。

   催化剂被置于于所述内部多孔壁的至少所述的可渗透部分处相对应的所述壳体的内部，所述冷却管在至少通过所述装填催化剂的部位竖直延伸以形成竖直部分，所述冷却管的位于所述竖直部分的下侧的部分被弯曲至少一次，并被连接到所述下管板上，所述冷却管位于所述竖直部分的上侧部位被弯曲至少一次，并被连接到所述上管板上，所述反应器具有覆盖所有上管板和下管板中的冷却管的开孔的上头盖和下头盖，并被连接到所述壳体上，以在所述头盖和所述壳体间限定上和下头部空间，所述上头盖和下头盖分别具有至少一个上外侧连接口和下外侧连接口，所述的不少于一个的上外侧连接口，所述上头部空间，在所述冷却管内的空间，所述下头部空间和所述不少于一个下外侧连接口以所述次述相互连接，并相对于所述壳体内部是封闭的，所述外周围开孔，所述的外周围空间，除所述外围空间外的所述壳体

   中的空间，所述中心管内的空间和所述中心管下端开口以所述次序相互连接，一种原始反应物料在所述外壳体开孔和所述中心管的所述开孔之间，即所述壳间空间流动，所述反应物料在一基本上水平的方向上和在所述竖直园筒的一水平截面径向上，在所述壳体内部的其内表面和所述中心管间的部位内被循环，一种热交换介质在所述上和下外侧连接口之间，即管侧被循环，所述原始反应物料在通过所述装入的催化剂层时发生反应，转化成反应产物并产生反应热，所述热交换介质在被循环时从所述壳体中吸收反应热以冷却所述壳体。

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