CN107159062A - 反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种反应器，包括外筒、径向框及换热结构，径向框设于外筒内，且径向框包括反应区域，换热结构包括若干换热管，若干换热管以径向框的中轴线为基准自内向外呈阵列式排布，换热管的横向截面呈椭圆状，每根换热管的中轴线与径向框的中轴线共面于第一平面，经过每根换热管横向截面长轴的纵向截面为第二平面；其中，同一根换热管对应的第一平面与第二平面呈夹角设置。在反应过程中，在换热管沿长轴方向的两椭圆面的导向作用下，从径向框外周向径向框的中轴线流动的气流会与径向方向(换热管的中轴线与径向框的中轴线之间的连线方向)呈一定角度。如此，延长了气流的流动路径，增加了气流的停留时间，使换热效果更佳，满足工业生产的要求。

Description

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CO变换的反应器。
背景技术
煤气、天然气转化气、焦炉气转化气、电石炉尾气、高炉煤气等，这些气体均含有大量的CO，例如电石尾气含有CO为80％，煤气中的CO含量为30％～68％。一般地，CO可变化为有用的H2，具体反应式为：
CO+H2O(汽)＝CO2+H2+Q；
该变化反应为放热可逆反应，必须有催化剂和过量的H2O按反应式过量，才能使反应向生成H2的方向进行。该反应中的催化剂的活性有一定的温度范围，低于一定温度反应速度很慢，需要加大催化剂用量，而温度过高，会严重影响催化剂的活性。此外，当CO浓度较高，进入反应器内，大量CO立即反应，温度迅速升高，特别是未反应气自身带有大量水蒸汽时，更促进了反应，使温度升高，发生所谓的飞温现象。因此，需要将反应产生的热量移走，使反应床层温度恒定，达到保护催化剂，提高反应效率的目的。
一般地，通过在反应器内设置径向床结构，将换热器置于反应器内部，实现移运反应热的目的。但传统的换热结构因结构受限，达不到较佳的传热效果，无法满足工业生产的要求。
发明内容
基于此，有必要针对传统的反应器传热效果不佳，无法满足工业生产要求的问题，提供一种传热效果佳、触媒反应效果好的反应器。
反应器，包括外筒、径向框及换热结构，所述径向框设于所述外筒内，且所述径向框包括反应区域，所述换热结构包括若干换热管，若干所述换热管以所述径向框的中轴线为基准自内向外呈阵列式排布，所述换热管的横向截面呈椭圆状，每根所述换热管的中轴线与所述径向框的中轴线共面于第一平面，经过每根所述换热管横向截面长轴的纵向截面为第二平面；
其中，同一根所述换热管对应的所述第一平面与所述第二平面呈夹角设置。
上述反应器，在反应过程中，在换热管沿长轴方向的两椭圆面的导向作用下，从径向框外周向径向框的中轴线流动的气流会与径向方向(换热管的中轴线与径向框的中轴线之间的连线方向)呈一定角度。如此，延长了气流的流动路径，增加了气流的停留时间，使换热效果更佳，满足工业生产的要求。
在其中一实施例中，所述第一平面与所述第二平面之间的夹角为1～89度，优选2～45度。
在其中一实施例中，所述换热管横向截面的长轴与短轴之间的比例为1～20。
在其中一实施例中，所述换热管与所述径向框的中轴线相互平行。
在其中一实施例中，若干所述换热管以所述径向框的中轴线为基准呈环形阵列式排布。
在其中一实施例中，若干所述换热管位于以所述径向框的中轴线为基准的多个同心圆上。
在其中一实施例中，位于同一个同心圆上的所述换热管的中轴线与所述径向框的中轴线共面的第一平面，与经过所述换热管横向截面长轴的纵向截面的第二平面之间的夹角相同。
在其中一实施例中，相邻的同心圆上的所述换热管在以所述径向框的中轴线为基准的圆周方向交错设置。
在其中一实施例中，所述反应器还包括第一汇集管及至少一第二汇集管，若干所述换热管的一端汇聚连接于所述第一汇集管，用以排出换热后的气和/或液，若干所述换热管中的另一端分别汇聚连接于至少一个所述第二汇集管，用以输入换热前的气和/或液。
在其中一实施例中，所述反应器还包括通气管，所述通气管设于反应区域内，所述通气管一端连通所述反应区域，另一端延伸出所述外筒，用于导出经反应的反应气。
附图说明
图1为本发明一实施方例中的反应器的结构示意图；
图2为图1所示的反应器内部结构的俯视图；
图3为图2所示的反应器内部结构的A处的局部放大图。
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。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1及图2所示，本发明一实施例中的反应器10，包括外筒12、径向框14及换热结构(图未标)，其中，该换热结构用于将反应中产生的反应热换热后移走。
该径向框14设于外筒12内，且径向框14包括反应区域，换热结构包括若干换热管16，若干换热管16以径向框14的中轴线为基准自内向外呈阵列式排布。换热管16的横向截面呈椭圆状，每根换热管16的中轴线与径向框14的中轴线共面于第一平面(图未标)，经过每根换热管16横向截面长轴的纵向截面为第二平面(图未标)。
其中，同一根换热管16对应的第一平面与第二平面呈夹角设置。具体到一个实施方式中，如图3所示，第一平面与第二平面之间的夹角为夹角α。
在反应过程中，在换热管16沿长轴方向的两椭圆面的导向作用下，从径向框14外周向径向框14的中轴线流动的气流会与径向方向(换热管16的中轴线与径向框14的中轴线之间的连线方向)呈一定角度。如此，延长了气流的流动路径，增加了气流的停留时间，使换热效果更佳，满足工业生产的要求。
需要说明的是，第一平面与第二平面并不是指特定的某一平面，第一平面具体为每根换热管16的中轴线与径向框14的中轴线共面的平面，第二平面具体为经过每根换热管16横向截面长轴的纵向截面。也就是说，每根换热管16均具有第一平面与第二平面，第一平面与第二平面的数量与换热管16的数量一一对应。
特别地，本发明中的换热管16相比现有技术还具有以下优点，下述将具体说明：
(1)气流在横向截面为椭圆形的换热管16的导向下，延长了气流的流动路径，同时也阻碍了气流直接沿径向方向流动，使反应更佳充分，从而提高了反应效率。
(2)反应器10中的热点温度区域为换热管16的迎风面，在迎风面会形成一个高温区，由于换热管16横向截面呈椭圆形且倾斜设置，相比圆形换热管16具有更少的迎风面，从而缩小了热点温度区域，延长了触媒的使用寿命。
(3)椭圆管相比圆管管内面积增大，椭圆管可以容纳更多管内侧流体，换热效果更佳。相同周长的椭圆管比圆管所占空间容积更少，即相同换热面积的椭圆管比圆管所占体积更少，增加了触媒的装填量。
(4)换热面积与触媒容积之比，可以任意调整椭圆换热管16的长短轴之比来实现，而不必改变反应器10的直径和高度，使用便利。
可以理解的是，若干换热管16以径向框14的中轴线为基准自内向外呈阵列式排布，该阵列式排布可为规则的阵列式排布，也可为不规则的阵列式排布，在此不作限定，能实现使反应更佳充分，且保证有较佳的换热效率的目的即可。
可以理解的是，在其他一些实施例中，若干换热管16还可呈其他阵列式排布，在此不作限定，例如，矩阵式排布。
在一个实施例中，换热管16与径向框14的中轴线相互平行。如此，自反应器10底部至顶部反应气流动均匀，从而保证反应均匀，换热效率高。
在一个实施例中，若干换热管16以径向框14的中轴线为基准呈环形阵列式排布。如此，充分利用径向框14的反应区域的空间，便于换热管16的布置。进一步地，若干换热管16位于以径向框14的中轴线为基准的多个同心圆上。具体地，若干换热管16以径向框14的中轴线为基准的多个同心圆穿过位于该同心圆的换热管16的中轴线，形成自外向内的多层换热管16层，保证反应的均匀性，提高换热效率。
进一步地，相邻的同心圆上的换热管16在以径向框14的中轴线为基准的圆周方向交错设置。具体地，位于内层同心圆上的一个换热管16在圆周方向上，与相邻的外层同心圆上相对应的一个换热管16错开设置。也就是说，位于内层同心圆上的一个换热管16的中轴线与径向框14的中轴线的连线，与相邻的外层同心圆上相对应的一个换热管16的中轴线与径向框14的中轴线的连线不共线。如此，进一步地延长了气流的流动路径，增加了气流的停留时间，使换热效果更佳，满足工业生产的要求。
在一个实施例中，位于同一个同心圆上的换热管16的中轴线与径向框14的中轴线共面的第一平面，与经过该换热管16横向截面长轴的纵向截面的第二平面之间的夹角相同。如此，进一步地保证反应的均匀性，提高换热效率。
进一步地，相邻同心圆上的换热管16的中轴线与径向框14的中轴线共面的第一平面，与经过该换热管16横向截面长轴的纵向截面的第二平面之间的夹角相同。如此，进一步地保证反应的均匀性，提高换热效率。
在一个实施例中，该第一平面与第二平面之间的夹角为1～89度。具体到一个实施方式中，第一平面与第二平面之间的夹角优选设置为2～45度。应当理解的是，第一平面与第二平面之间的夹角取决于从径向框14进入反应区域内的反应气的流畅状况，以及换热管16的换热状况。为满足换热需求，反应气反应产生的反应热须大于管内损失的换热量。一般情况下，夹角越小，则流道相对比较顺畅，气流的流动路径相对减小，但反应气的停留时间相对缩短，则产生的反应热的热量相对减小，影响换热效率。反而言之，夹角越大，气流的流动路径越长，同样，气流阻力也随之增大，同样也会影响换热效果。将第一平面与第二平面之间的夹角优选设置为2～45度，可使反应更佳充分，且保证有较佳的换热效率。
在一个实施例中，换热管16横向截面的长轴与短轴之间的比例为1～20。经过验证，在此范围内，通过调整换热管16横向截面的长轴与短轴之间的比例，调整换热管16的换热面积以及触媒容积之比，从而使用反应效率及换热效率保持在一个较佳的范围内。
在一个实施例中，反应器10还包括第一汇集管18及至少一第二汇集管19，若干换热管16的一端汇聚连接于第一汇集管18，用以排出换热后的气和/或液，若干换热管16中的另一端分别汇聚连接于至少一个第二汇集管19，用以输入换热前的气和/或液。具体地，第一汇集管18设置于外筒12的顶部，至少一个第二汇集管19设置于外筒12的底部，第一汇集管18为气和/或液的出口，第二汇集管19为气和/或液的进口。
需要指出的是，为保证换热管16内的气和/或液流动流畅性及保证换热效果，在另外一些实施例中，该第二汇集管19可为2个或2个以上，每个第二汇集管19与相应的一些换热管16的底端连接。
在一个实施例中，反应器10还包括通气管11，通气管11设于反应区域内，通气管11一端连通反应区域，用于导出经反应的反应气。具体地，径向框14设置于外筒12内部，并与径向框14形成环隙13，未反应气输入环隙13内，并从环隙13内沿径向进入反应区域内，通气管11设置于反应区域的中心位置，并连通径向框14内部，并延伸至外筒12底端，以将在反应区域内反应后的反应气导出反应器10。具体到一个实施方式中，外筒12底端设有连接管道17，该通气管11的一端延伸至连接管道17，并与连接管道17的位于中间的开口连通，从而将反应气导出反应器10。
在一个实施例中，外筒上还设有连通径向框14内部与外筒外部的卸料管15，以便于卸除径向框14内的催化剂。
上述反应器10，在反应过程中，在换热管16沿长轴方向的两椭圆面的导向作用下，从径向框14外周向径向框14的中轴线流动的气流会与径向方向(换热管16的中轴线与径向框14的中轴线之间的连线方向)呈一定角度。如此，延长了气流的流动路径，增加了气流的停留时间，使换热效果更佳，满足工业生产的要求。
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.反应器，其特征在于，包括外筒、径向框及换热结构，所述径向框设于所述外筒内，且所述径向框包括反应区域，所述换热结构包括若干换热管，若干所述换热管以所述径向框的中轴线为基准自内向外呈阵列式排布，所述换热管的横向截面呈椭圆状，每根所述换热管的中轴线与所述径向框的中轴线共面于第一平面，经过每根所述换热管横向截面长轴的纵向截面为第二平面；
其中，同一根所述换热管对应的所述第一平面与所述第二平面呈夹角设置。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述第一平面与所述第二平面之间的夹角为1～89度，优选2～45度。
3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述换热管横向截面的长轴与短轴之间的比例为1～20。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述换热管与所述径向框的中轴线相互平行。
5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，若干所述换热管以所述径向框的中轴线为基准呈环形阵列式排布。
6.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于，若干所述换热管位于以所述径向框的中轴线为基准的多个同心圆上。
7.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于，位于同一个同心圆上的所述换热管的中轴线与所述径向框的中轴线共面的第一平面，与经过所述换热管横向截面长轴的纵向截面的第二平面之间的夹角相同。
8.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于，相邻的同心圆上的所述换热管在以所述径向框的中轴线为基准的圆周方向交错设置。
9.根据权利要求1～8任意一项所述的反应器，其特征在于，所述反应器还包括第一汇集管及至少一第二汇集管，若干所述换热管的一端汇聚连接于所述第一汇集管，用以排出换热后的气和/或液，若干所述换热管中的另一端分别汇聚连接于至少一个所述第二汇集管，用以输入换热前的气和/或液。
10.根据权利要求1～8任意一项所述的反应器，其特征在于，所述反应器还包括通气管，所述通气管设于反应区域内，所述通气管一端连通所述反应区域，另一端延伸出所述外筒，用于导出经反应的反应气。
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