CN108854867B - 一种用于费托合成反应器的传热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于费托合成反应器的传热系统，该传热系统包括换热元件、汽包，换热元件设置在反应器内，在换热元件的上部、中部及下步均设有具有特殊结构的支撑元件，换热元件经集总管线形成的循环管道与汽包连接，循环管道上设有循环泵。与现有技术相比，本发明有效的解决了结构震动和应力集中等问题，避免了催化剂在反应器内局部堵塞造成的过热失活和过热结碳的问题，具有强化传热的换热元件，提高了反应热的移出和反应器的生产能力，具有换热元件设计结构及布局合理，反应热梯级回收效率高，避免反应器局部阻塞及催化剂堵塞，能够确保反应器连续稳定运行的特点。
Description
技术领域
本发明涉及反应器内构件系统领域，尤其是涉及一种用于费托合成反应器的传热系统。
背景技术
费托合成反应为强放热反应，流化床反应器和三相(气-液-固)浆态床反应器由于具有良好的传热和传质效果在工业反应过程中应用广泛，也是费托合成反应器最主要的反应器类型。对于反应放热较大的催化反应过程，使用流化床和三相浆态床可以有效的移走反应热，实现反应器的有效温度控制，保证反应器的正常运行。在流化床反应器和三相(气-液-固)浆态床反应器中，反应器内部的移热元件是保证反应器正常运行的关键部件。在大型流化床和三相浆态床反应器中，换热器的分布应在有效移出反应热的同时，有利于反应器的流体力学分布。至今针对费托合成反应器使用的换热元件存在的主要问题是换热效率不高，结构不合理，布置困难，容易形成局部空间阻塞影响反应器的流体力学分布，以及催化剂沉积造成反应器内局部过热而使催化剂烧结破损等。尤其对于大型化反应器，这些问题更加突出。
例如USP6201031B1专利中提出的采用多重U型管串联结构，以及专利CN1233451C中提及的采用螺旋盘管式或迂回多程换热管，以及有些专利中提及的列管式换热元件等均存在传热效率差，反应器中布置困难的问题。
专利CN101396647A中体积的在浆态床费托合成反应器中采用U型换热管或中心套管外加上升管的换热元件同样存在换热效率不高，结构不合理，布置困难，容易形成局部空间阻塞的问题。
系统的解决这些问题对于实现流化床反应器及三相浆态床费托合成反应器连续稳定操作以及反应器放大非常重要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于费托合成反应器的传热系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于费托合成反应器的传热系统，包括换热元件、汽包，
所述换热元件设置在反应器内，经集总管线形成的循环管道与所述汽包连接，所述循环管道上设有循环泵，所述换热元件内采用强制循环的带压沸腾水进行换热，反应器内的反应热以副产蒸汽的方式移出，汽包内的热水经过循环泵加压后进入反应器内的换热元件，热水在换热元件内吸收费托合成反应放出的热量，汽水混合物经集总管线汇集后进入反应器外部的汽包分离回收副产蒸汽，热水进行循环。
所述外部换热器设置在所述循环管道的旁路上，热水在进入反应器内换热元件前先经过外部换热器对费托合成原料气进行预热，进一步提高反应热的回收效率，当副产蒸汽压力较高时，汽包出来的循环水的温度也较高，可以采用循环冷却水对原料气进行预热，进一步回收热量，实现反应热的高效梯级利用。
费托合成反应器可以是流化床反应器，也可以是气-液-固三相浆态床反应器。
所述换热元件布置在反应器的反应区，根据费托合成反应生成的反应热及反应器的操作条件，反应器内的换热元件可以采用一段或多段。
所述换热元件为垂直的多级U型的换热管的串联的结构，串联管数可以是2～36根，为一组换热元件。垂直换热管的长度为2～14米，相邻换热管之间采用标准弯头进行连接，换热元件经支撑系统支撑连接在反应器内部。
换热管采用三角形或四边形的排列方式，可以保证换热管在反应器内的排布均匀，避免对反应器流场形成不均匀干扰。
所述换热管为光滑的金属管、带针翅的金属管或/和带外螺纹槽的金属管，带针翅的金属管和带外螺纹槽的金属管可以对换热管外侧的流体产生扰动，使流体边界层不断的被破坏，可有效的提高传热膜系数，产生良好的强化传热效果。
所述带针翅的金属管，针翅采用圆柱形，在换热管的同一截面上采用辐射状进行布置，同一换热管上布置多层，相邻两层的针翅交错布置，保证对反应器内流体扰动的均匀性。针翅可以是垂直于换热管壁，也可以是倾斜的，针翅与换热管壁夹角为30～150°。
所述的带外螺纹槽的金属管，其特征在于所述的螺纹槽采用斜坡口，这种结构设计主要是为了有效的避免固体催化剂的沉积。
所述支撑系统由上中下三部分组成，上部的支撑梁设置在换热元件的上方，中部采用圆弧钢筋固定相邻两根换热管，在下部接近换热管底部弯头处采用金属卡箍进行固定支撑；上部的支撑梁均包括主梁和次梁，所述主梁连接次梁和反应器内壁，所述次梁连接换热管元件主梁，在主梁和次梁顶部焊接20°～60°的金属尖顶结构，包括对称的正尖顶和/或不对称的斜尖顶，可以避免固体催化剂的局部沉积，防止催化剂浓度过热及烧结破损。
在换热管的上下弯头处采取喷涂防磨材料及加装护板的方式进行防磨，在中部支撑及针翅上设计了喷涂防磨材料的措施。可以更好的适应含有固体催化剂的流体环境。
采用的集总管线可以依据反应器操作方便设为2～16组，包括进水集总水管及出水集总水管。进水集总水管布置在换热管上部支撑梁的上方，出水集总水管布置在进水集总管的上方。在进水集总水管上设有控制阀门，可以调整进水量。
费托合成反应器的传热系统为反应器正常运行时的流程设置，在保证反应器正常操作指标的前提下，循环冷却水的质量汽化率为5～40％，副产蒸汽的压力0.8～10.0MPa(G)。
还可以在开车时为反应器进行升温，升温的操作步骤为：通过向汽包内加入蒸汽将循环水加热，加热后的循环水由循环泵加压后送入反应器内的换热管为反应器加热，冷却后的循环水回到汽包继续加热后循环利用。
与现有技术相比，本发明换热效率高，换热面积及换热管大幅度减少，反应器内换热管布局合理，有效的避免了反应器局部阻塞，有利于反应器内的流体力学分布，反应器阻力分布均匀。系统的解决了反应器内换热元件的结构震动、应力集中以及催化剂沉积造成反应器内局部过热而使催化剂烧结破损等问题，实现了反应热的梯级回收利用，有利于反应器的大型化、规模化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为反应器内换热器结构示意图；
图3为带针翅的金属管结构示意图；
图4为带针翅的金属管的俯视结构示意图；
图5为带外螺纹槽的换热管结构示意图；
图6为反应器内的换热管中部支撑结构示意图；
图7为反应器内的换热管下部支撑结构示意图；
图8为反应器内的换热管上部支撑梁的主梁结构示意图；
图9为反应器内的换热管上部支撑梁的次梁结构示意图。
图中，1-换热元件、2-汽包、3-热水循环泵、4-外部换热器、5-循环水集总管线、6-热水集总管线、7-上部支撑梁、8-中部支撑、9-下部支撑、10-带针翅的金属管、11-带外螺纹槽的金属管、12-主梁、13-次梁。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明进行详细说明。以下实施案例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。
费托合成反应为强放热反应，反应器温度需要控制良好，一方面要求采用高效的换热系统，有效移出反应热，另一方面要求反应器内流体分布均匀。费托合成反应根据反应器控制温度可分为低温费托合成反应器和高温费托合成反应器，其中低温费托合成反应器主要采用气-液-固三相浆态床反应器，而流化床反应器主要适用于高温费托合成反应。本发明一种用于费托合成反应器的传热系统既可以在三相浆态床费托合成反应器中实施，也可以在流化床费托合成反应器中实施。
图1为用于费托合成反应器的传热系统的结构示意图，包括设置在反应器内部的换热元件1，设置在反应器内，用于支撑换热元件1的上部支撑梁7、中部支撑8、下部支撑9，换热元件的循环水集总管线5、热水集总管线6，汽包2，热水循环泵3，外部换热器4。换热管内采用强制循环的带压沸腾水进行换热，费托合成反应器内的反应热以副产蒸汽的方式移出。汽包2内的热水经过循环泵3加压后通过循环水集总管线5均匀分布进入反应器内的换热元件1，热水在换热管内吸收费托合成反应放出的热量，汽水混合物经热水集总管线6汇集后进入反应器外部的汽包2分离回收副产蒸汽，热水进行循环。热水在进入反应器内换热元件1前可先经过外部换热器4对费托合成原料气进行预热以进一步提高反应热的回收效率，实现反应热的梯级回收利用。
该换热系统还可用于开车时对费托合成反应器进行升温，具体流程为：通过向汽包2内加入蒸汽将循环水加热，加热后的循环水由循环泵3加压后送入反应器内的换热元件1为反应器加热，冷却后的循环水回到汽包继续加热后循环利用。
图2为换热器的结构示意图，换热元件是布置在反应器的反应区，根据费托合成反应生成的反应热及反应器的操作条件，反应器内的换热元件可以采用一段或多段。换热管采用垂直的多级U型管的串联的结构，串联管数可以是2～36根，为一组换热元件。垂直换热管的长度为2～14米，相邻换热管之间采用标准弯头进行连接。换热管采用三角形或四边形的排列方式，可以保证换热管在反应器内的排布均匀，避免对反应器流场形成不均匀干扰。
每层换热管的支撑均采用上中下三部分，在换热管的上方设置上部支撑梁7，换热管主要采用上部弯头悬挂支撑。上部支撑梁7分为主梁12和次梁13，如图8、图9所示。换热管悬挂在次梁上，次梁焊接在主梁上，主梁焊接在反应器壁上。在主梁和次梁顶部均设置20°～60°的尖顶结构(包括对称的正尖顶和/或不对称的斜尖顶))，可以避免固体催化剂的沉积。中部支撑结构为：在换热管的中部采用 圆弧钢筋所构成的中部支撑8固定相邻两根换热管，如图6。下部支撑9的结构为：在下部靠近换热管底部弯头处采用金属卡箍进行固定，如图7。每层换热管采用上中下三部分固定的设计方案可以有效的解决换热管的震动和应力集中的问题，同时在中部支撑可以喷涂碳化硅防磨涂料，在换热管的弯头处采取喷涂防磨涂料及焊接防护板等方式进行防磨。
换热管可以采取三种结构形式，最常用的是光滑的金属管，也可以采用带针翅的金属管10或/和带外螺纹槽的金属管11如图3-5所示。带针翅的金属管10和带外螺纹槽的金属管11可以对换热管外侧的流体产生扰动，使流体边界层不断的被破坏，可有效的提高传热膜系数，产生良好的强化传热效果。针翅采用圆柱形，在换热管的同一截面上采用辐射状进行布置，同一换热管上可以布置多层，相邻两层的针翅交错布置。针翅是焊接在光滑金属管外壁上的，可以是垂直于换热管壁，也可以是倾斜的，针翅与换热管壁夹角为30～150°，在针翅的表面可以喷涂碳化硅防磨涂料。带外螺纹槽的金属管11的螺纹槽采用的是斜坡口的形式，主要是为了防止固体催化剂颗粒的沉积。
充分考虑反应器操作方便的要求，集总水管可设为2～16组，进水集总水管布置在换热管上部支撑梁的上方，出水集总水管布置在进水集总管的上方。在进水集总水管上设有控制阀门，可以调整进水量。
本发明还在反应器外部设置外部换热器4，采用循环冷却水对原料气进行预热，进一步回收热量。在换热器的进出口均设有阀门，并设置了副线。在保证反应器正常操作指标的前提下，并使循环冷却水确定一个合理的循环量，循环冷却水的质量汽化率一般控制为5～40％，设计时应充分考虑每组换热元件的进出口流速合理。在汽包的副产蒸汽出口管线上设置调控阀门，控制副产蒸汽的压力0.8～10.0MPa(G)，必要时可以采用多级控制。当反应器内的换热管采用光滑的金属管时，应控制副产蒸汽的压力低些，可以增加换热温差，减少换热管的布置。当采用针翅管或外螺纹槽管时，由于两种换热管可以较好的破坏管外流体的滞流层，增加流体的扰动性，从而提高传热膜系数，强化传热效果，移热所需的换热管数可大幅减少，故此时可以控制副产蒸汽的压力高些，以提高副产蒸汽的品位。但此时进入循环的冷却水的温度也较高，可以通过投用反应器外换热器对原料气进行预热，进一步回收反应热。换热后的冷却水温度降低，也提高了反应热的移出效率。
实施例1
年产100万吨低温费托合成工业示范装置，采用合成气生产液体燃料，反应器为米的气-液-固三相浆态床反应器，操作温度220～250℃。反应器内的换热管分三层布置，每层换热管采用上部支撑梁悬挂固定，中部和下部采用图5、图6的方式加固，上部支撑梁的尖顶夹角为45°。每组换热元件由22根光滑的金属管按U型结构组成，换热管按四边形均匀排列，每层换热管进出水集总水管各两组。反应器的换热系统流程为：冷却水经三台循环泵(两开一备)提压后送入反应器外部的换热器给原料合成气进行预热，冷却水被进一步降温后进入反应器内的换热管，在换热管内冷却水被加热部分汽化，移走费托合成反应产生的热量，使反应器维持恒定的反应温度。每层换热管的出水集总管线在反应器外汇集成一条管线后将汽水混合物送回汽包进行汽水分离，在汽包的蒸汽出口管线上设置压力控制器，控制汽包及副产蒸汽压力为1.6MPa(G)温度。汽包内的冷却水温度为204℃，由循环泵提压后循环使用。
实施例2
为高温费托合成实验装置，采用合成气生产液体燃料，反应器为米的流化床反应器，操作温度310～380℃。反应器内的换热管按一层布置，采用上部支撑梁悬挂固定，中部和下部采用图5、图6的方式加固，上部支撑梁的尖顶夹角为30°。每组换热元件由6根针翅管按U型结构组成，换热管按四边形均匀排列，换热管进出水集总水管各四组。反应器的换热系统流程为：冷却水经两台循环泵(一开一备)提压后送入反应器外部的换热器给原料合成气进行预热，冷却水被进一步降温后进入反应器内的换热管，在换热管内冷却水被加热部分汽化，移走费托合成反应产生的热量，使反应器维持恒定的反应温度。换热管的出水集总管线在反应器外汇集成一条管线后将汽水混合物送回汽包进行汽水分离，在汽包的蒸汽出口管线上设置压力控制器，控制汽包及副产蒸汽压力为3.8MPa(G)温度。汽包内的冷却水温度为247℃，由循环泵提压后循环使用。在换热管的上下弯头及中部支撑的位置喷涂了碳化硅防磨涂料。换热管的上下弯头处还焊接了护板进行保护。针翅管结构如图3-4所示，针翅直径为/>长度为36mm，针翅与管壁夹角α1呈50°，同一平面的针翅夹角α2为45°，相邻平面的针翅之间的夹角α3选择为α2的二分之一，确保针翅分布均匀。
实施例3
为高温费托合成实验装置，采用合成气生产液体燃料，反应器为米的流化床反应器，操作温度310～380℃。反应器内的换热管按一层布置，采用上部支撑梁悬挂固定，中部和下部采用图5、图6的方式加固，上部支撑梁的尖顶夹角为40°。每组换热元件由12根外螺纹槽管按U型结构组成，换热管按三角形均匀排列，换热管的进出水集总水管各八组。外螺纹槽管的斜坡角为45°，可以很好的避免固体催化剂在螺纹槽内沉积堵塞。反应器的换热系统流程为：冷却水经两台循环泵(一开一备)提压后送入反应器外部的换热器给原料合成气进行预热，冷却水被进一步降温后进入反应器内的换热管，在换热管内冷却水被加热部分汽化，移走费托合成反应产生的热量，使反应器维持恒定的反应温度。换热管的出水集总管线在反应器外汇集成一条管线后将汽水混合物送回汽包进行汽水分离，在汽包的蒸汽出口管线上设置压力控制器，控制汽包及副产蒸汽压力为4.4MPa(G)温度。汽包内的冷却水温度为257.6℃，由循环泵提压后循环使用。在换热管的上下弯头及中部支撑的位置喷涂了碳化硅防磨涂料。换热管的上下弯头处还焊接了护板进行保护。
以上对本发明的具体实施案例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种用于费托合成反应器的传热系统，其特征在于，
该传热系统包括换热元件、汽包、外部换热器，
所述换热元件设置在反应器内，经集总管线形成的循环管道与所述汽包连接，所述循环管道上设有循环泵，所述换热元件内采用强制循环的带压沸腾水进行换热，反应器内的反应热以副产蒸汽的方式移出，汽包内的热水经过循环泵加压后进入反应器内的换热元件，热水在换热元件内吸收费托合成反应放出的热量，汽水混合物经集总管线汇集后进入反应器外部的汽包分离回收副产蒸汽，热水进行循环；
所述外部换热器设置在所述循环管道的旁路上，热水在进入反应器内换热元件前先经过外部换热器对费托合成原料气进行预热；
所述换热元件为垂直的多级U型的换热管的串联的结构，相邻换热管之间采用标准弯头进行连接，换热元件经支撑系统支撑连接在反应器内部；
所述费托合成反应器为流化床反应器或气-液-固三相浆态床反应器；
所述换热管为光滑的金属管、带针翅的金属管或/和带外螺纹槽的金属管，采用三角形或四边形的排列方式；
所述支撑系统由上中下三部分组成，上部的支撑梁设置在换热元件的上方，中部采用圆弧钢筋固定相邻两根换热管，在下部接近换热管底部弯头处采用金属卡箍进行固定支撑；上部的支撑梁包括主梁和次梁，所述主梁连接次梁和反应器内壁，所述次梁连接换热管元件主梁，在主梁和次梁顶部焊接20°~60°的金属尖顶结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于费托合成反应器的传热系统，其特征在于，所述换热元件为一段或多段结构。
3.根据权利要求2所述的一种用于费托合成反应器的传热系统，其特征在于，所述带针翅的金属管的针翅采用圆柱形，在换热管的同一截面上采用辐射状进行布置，同一换热管上布置多层，相邻两层的针翅交错布置。
4.根据权利要求3所述的一种用于费托合成反应器的传热系统，其特征在于，所述针翅与换热管壁呈30~150°夹角设置。
5.根据权利要求1所述的一种用于费托合成反应器的传热系统，其特征在于，所述带外螺纹槽的金属管的螺纹槽为斜坡口形式。
6.根据权利要求1所述的一种用于费托合成反应器的传热系统，其特征在于，所述集总管线包括进水集总水管及出水集总水管，所述进水集总水管布置在上部的支撑梁的上方，所述出水集总水管布置在进水集总管的上方。
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