CN109603689B - 轴径向反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴径向反应器，包括外筒、内筒、多孔套筒、反应气集散盒及换热单元；内筒与外筒之间形成第一反应区；多孔套筒与内筒之间间隔形成进气间隙，多孔套筒内沿轴向设有彼此独立且连通的第二反应区及第三反应区，第二反应区和第三反应区与进气间隙连通；反应气集散盒设置于外筒与内筒之间；换热单元设置于第一反应区，换热单元具有进气端及出气端；反应气集散盒具有集散腔、第一集气部及第二集气部；换热单元的进气端通过第一集气部与第三反应区连通，换热单元的出气端与集散腔连通，集散腔还通过第二集气部与第一反应区连通。如此，将氧化放热反应与吸热转化反应组合在一个反应器中，相比传统的两个反应器，减少了占地空间和重量。

Description

轴径向反应器

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天然气甲烷水蒸气转化的轴径向反应器。

背景技术

氢气和一氧化碳是重要的有用气体。以氢气为例，是重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用。氢气和一氧化碳可以通过煤气化制成的煤气生成，也可以在天然气、甲烷和水蒸气反应转化生成，后者是大多数工业企业采用的现代制气方法。具体是通过天然气中甲烷、水蒸气、氧气反应转化为氢气、一氧化碳和二氧化碳，该反应中有放热反应和吸热反应，最终反应达到热平衡。

传统制备氢气和一氧化碳的反应分为放热反应和吸热反应两个阶段，两个阶段设置两个独立的反应器，并装载有不同的催化剂。但如此，两个反应器均是高温承压设备，占用空间和重量大。

发明内容

基于此，有必要针对传统的制备氢气和一氧化碳的设备需要两个反应器，材质要求高、占用空间大和重量大的问题，提供一种改善上述问题的轴径向反应器。

一种轴径向反应器，包括：

外筒和内筒；所述内筒设置于所述外筒内，所述内筒与所述外筒之间形成第一反应区；

多孔套筒，设置于所述内筒内，所述多孔套筒与所述内筒之间间隔形成进气间隙，所述多孔套筒内沿轴向设有彼此独立且连通的第二反应区及第三反应区，所述第二反应区和第三反应区与所述进气间隙连通；

反应气集散盒，设置于所述外筒与所述内筒之间；以及

换热单元，设置于所述第一反应区，所述换热单元具有进气端及出气端；

其中，所述外筒为压力筒体，所述反应气集散盒具有集散腔、第一集气部及第二集气部；所述换热单元的所述进气端通过所述第一集气部与所述第三反应区连通，所述换热单元的所述出气端与所述集散腔连通，所述集散腔还通过所述第二集气部与所述第一反应区连通。

上述的轴径向反应器，将氧化放热反应与吸热转化反应组合在一个轴径向反应器中，相比传统的两个轴径向反应器，减少了占地空间和重量。

在一实施例中，所述第二反应区和所述第三反应区的反应温度，均高于所述第一反应区的反应温度。

在一实施例中，所述第二反应区包括燃烧区。

在一实施例中，所述第二反应区还包括沿轴向布设于所述燃烧区下方的高温反应区。

在一实施例中，所述轴径向反应器还包括多孔中心管，所述多孔中心管位于所述第三反应区，且一端沿轴向向上延伸伸入所述高温反应区，以将所述第二反应区与所述第三反应区连通。

在一实施例中，所述轴径向反应器还包括设置于所述外筒顶部的进料单元，所述进料单元包括：

承压套筒，设置于所述外筒顶部；

进气管路，沿轴向贯穿所述承压套筒和所述外筒顶部伸入所述燃烧区；

混合气喷烧器，设置于所述进气管路伸入所述燃烧区的一端；

其中，所述承压套筒上还设有原料气进口，所述原料气进口通过所述承压套筒与所述进气间隙连通。

在一实施例中，所述换热单元包括多根换热套管；

所述换热套管包括外套管，以及位于所述外套管内侧且与所述外套管连通的内套管；所述外套管定位于所述反应气集散盒，且与所述集散腔连通；

所述内套管的定位于所述反应气集散盒，且与所述第三反应区连通。

在一实施例中，所述第一集气部包括独立于所述集散腔的进气腔，以及连通所述进气腔与所述第三反应区的反应气进气口；

所述内套管与所述进气腔连通。

在一实施例中，所述反应气集散盒包括面对设置的上板、下板，以及位于所述上板和所述下板之间的中间板；所述中间板将所述反应气集散盒分隔为所述集散腔和所述进气腔；

所述外套管下端固定于所述上板；所述内套管下端固定于所述中间板，所述内套管上端伸入所述外套管内，且自由设置。

在一实施例中，所述第二集气部设置于所述上板。

在一实施例中，所述反应气集散盒上还设有与所述集散腔连通的混合气出气孔；

所述外筒底部中位于所述外筒与所述内筒之间的部分设有用于将从所述混合气出气孔流出的气流向外输送的转化气出口。

在一实施例中，所述内筒的承压临界值低于所述外筒的承压临界值。

在一实施例中，所述外筒为厚壁筒体；所述内筒为薄壁筒体。

附图说明

图1为现有技术中的双反应器的反应系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例中的轴径向反应器的结构示意图；

图3为图2所示的轴径向反应器的局部结构示意图。

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。

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。

在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由……组成”等，否则还可以添加另一部件。除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。

应当理解，尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件和另一个元件区分开。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。

还应当理解的是，在解释元件时，尽管没有明确描述，但元件解释为包括误差范围，该误差范围应当由本领域技术人员所确定的特定值可接受的偏差范围内。例如，“大约”、“近似”或“基本上”可以意味着一个或多个标准偏差内，在此不作限定。

在详细说明本发明中的反应器进行之前，对天然气甲烷水蒸气转化的反应进行简要的说明，以便于更佳地理解本发明中的反应器的技术方案和技术效果。

目前，甲烷、蒸汽、氧反应转化为氢气、一氧化碳、二氧化碳的主要反应的化学式为：

氧化反应：

CH₄+1/2O₂＝CO₂ △H＝-283.2KJ (1)

CH₄+1/2O₂＝CO+2H₂ △H＝-35.6KJ (2)

H₂+1/2O₂＝H₂O △H＝-241KJ (3)

转化反应：

CH₄+H₂O＝CO+3H₂ △H＝206.3KJ (4)

CH₄+2H₂O＝CO₂+4H₂ △H＝165.3KJ (5)

CO+2H₂O＝CO₂+H₂ △H＝-41.3KJ (6)

其中，(1)、(2)、(3)、(6)为放热反应，提供(4)、(5)吸热反应所需热量。因此，反应主要分为两段，一段主要是(4)、(5)、(6)的吸热反应，二段主要是(1)、(2)的放热反应和部分的(4)、(5)的吸热反应。两个反应段需不同组成的催化剂，传统的方式为设置两个独立的反应器，其中一段反应器为管式，即管内装载催化剂，二段反应器空腔内装载催化剂。

参阅图1，经过脱硫的天然气，温度为约500℃，压强为3Mpa～4Mpa，进入一段催化剂管内由上而下进行吸热反应(4)、(5)、(6)，反应后温度为约680℃，甲烷含量为30％-38％的反应气进入二段反应器炉顶混合器，与预热的空气(氧气)、蒸汽混合，温度达到约490℃。在此部分甲烷进行燃烧反应(1)、(2)、(3)，并自上而下经过催化剂层继续反应，反应后的气体温度为950℃～1050℃，甲烷含量为0.5％--1.2％。然后反应气进入一段催化剂管外，由下而上加热管内反应气，最后降温进行热回收。

但两个反应器的反应系统存在以下问题：1)两个反应器都是高温承压设备，材质要求高、占用空间和重量大；2)两个反应器串联、流程长、阻力大；3)两个反应器独立安装于大气空间，连接管道长、热损失多。

为此，本发明提供一种能够解决上述技术问题的应用于天然气甲烷水蒸气转化的反应器。

图2示出了本发明一实施例中的轴径向反应器的结构示意图；图3示出了图2所示的轴径向反应器的局部结构示意图；为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

参阅附图，本发明一实施例中的轴径向反应器100，包括外筒10、内筒30、多孔套筒40、反应气集散盒60及换热单元80。

外筒10为压力筒体。具体地，外筒10呈中空筒状，可以包括筒体12、顶部和底部。具体到实施例中，筒体12可以为圆筒状，顶部和底部均为半球状或椭圆状的封头，顶封头14和底封头16固定于筒体12的上下两端，构成轴径向反应器100的外廓。外筒10的顶部还设有人孔18和加料口19，以便于向轴径向反应器100内添加催化剂、维修或维护，对应地，外筒10的底部设有卸料口，用以卸载催化剂。内筒30设置于外筒10内，与外筒10之间形成第一反应区20。具体地，内筒30的上下两端焊接于外筒10的顶封头14和底封头16上，内筒30也可以呈圆筒状，第一反应区20为环绕内筒30的环形反应区，即外筒10和内筒30为两个同心的圆筒。第一反应区20内还设有催化剂床，用于装载适于该段反应的催化剂。

需要说明的是，压力筒体是指可以承受较高压力的筒体。例如，具体到一些实施例中，第一反应区20内的原料气的气压可达到3～4Mpa。

进一步地，外筒10的顶部还设有与第一反应区20连通的第一进气口13，用以向第一反应区20输送原料气，使原料气沿轴向自上而下流动并通过与换热单元80加热，从而保证转化反应的正常进行。

具体到实施方式中，第一进气口13输入的原料气为精脱硫并预热的天然气+蒸汽。也就是说，第一反应区20相当于现有设计中的一段反应。

多孔套筒40设置于内筒30内，与内筒30之间间隔形成进气间隙32(见图3)，多孔套筒40沿轴向设有彼此独立且连通的第二反应区(图未标)及第三反应区48，第二反应区和第三反应区48与进气间隙32连通。具体地，多孔套筒40亦呈圆筒状，其筒壁沿周向设有若干进气孔，以使进气间隙32内的原料气可以沿径向向多孔套筒40的中心流动。容易理解，由于第二反应区和第三反应区48相连通，在第二反应区进行反应后的反应气沿轴向可以流向第三反应区48，并与从多孔套筒40流入的原料气进一步反应。进一步地，外筒10顶部还设有与该进气间隙32连通的第二进气口(图未示)，用以通过该第二进气口向进气间隙32输入原料气。具体地，该第二进气口流入进气间隙32的原料气为精脱硫并预热的天然气。也就是说，第二反应区和第三反应区48相当于现有设计中的二段反应。

容易理解，第三反应区48中的反应是由从第二反应区流入的高温反应气和从进气间隙32沿径向流入的精脱硫并预热的天然气+蒸汽的原料气反应。故，具体到实施方式，第三反应区48为径向反应区，其内还设有径向反应框，径向反应框上装载有适于第三反应区48反应的催化剂。

具体到实施方式中，外筒10的顶部设有一个人孔18和一个加料口19，可以通过人孔18向第二反应区和第三反应区48添设催化剂，通过加料口19向第一反应区20添设催化剂。对应地，卸料口为两个，一个为用于卸载第一反应区20内催化剂的卸料口15，另一个为用于卸载第二反应区和第三反应区48内催化剂的卸料口17。

应当理解的是，一段主要是前述的(4)、(5)、(6)的吸热反应，二段主要是前述的(1)、(2)的放热反应和部分的(4)、(5)的吸热反应，为保证各段的反应温度，以及最终回收到的反应气的温度，比较节能的处理方式是充分利用二段反应的反应热，提供给一段反应所需热量。

本发明的实施例中，第二反应区和第三反应区48的反应温度，均高于第一反应区20的反应温度。也即，采用第二反应区和第三反应区48产生的热量，通过换热单元80加热第一反应区20的反应气，从而保证各段的反应均可以稳定地进行。具体地，第二反应区包括燃烧区42，从进气间隙32进入的原料气首先在燃烧区42进行氧化燃烧反应，氧化燃烧反应产生大量反应热，使轴径向反应器100顶部温度达到1200℃-1300℃，从而为后续反应提供热量。高温反应气接着可以流向第三反应区48继续反应，反应后的温度降至950℃-1050℃，通过换热单元80在第一反应区20进行换热后温度降低至600℃-650℃，便于最终降温回收。

进一步地，轴径向反应器100还包括设置于外筒10顶部的进料单元90，进料单元90包括承压套筒92、进气管路94及混合气喷烧器96。承压套筒92设置于外筒10顶部，进气管路94沿轴向贯穿承压套筒92的封头99和外筒10顶部伸入燃烧区42，混合气喷烧器96设置于进气管路94伸入所述燃烧区42的一端。其中，该承压套筒92上还设有原料气进口922，原料气通过该原料气进口922、所述承压套筒92及外筒10上的第二进气口进入进气间隙32，并最终流向第二反应区和第三反应区48。

具体到实施方式，燃烧区42内设有耐火内衬，该内衬采用耐火的氧化铝材料，混合气喷烧器96的燃烧喷头采用耐高温金属材料Incoloy800，并涂有氧化锆。燃烧区42主要进行氢、甲烷燃烧反应。

需要说明的是，Incoloy800是一种合金，含Cr量通常为15-25％，镍量为30-45％，并含有少量的铝和钛。

可以理解，承压套筒92的封头99可以固定连接于承压套筒92的顶部，也可以可拆卸地连接于承压套筒92的顶部，在此不作限定。

可以理解，混合气喷烧器96为本领域技术人员所习知，故不在此赘述其具体结构及原理。

可以理解，从前述说明可以得知，二段主要是前述的(1)、(2)的放热反应和部分的(4)、(5)的吸热反应，因此，从进气管路94引入混合气喷烧器96的原料气为氧气和蒸汽的混合气。

进一步地，进料单元90还包括套接接于承压套筒92上的水冷套98，以对进料单元90进行水冷冷却。

特别地，进气间隙32提供的是精脱硫并预热的天然气，为保证后续反应的均匀性和稳定性，同时避免燃烧反应范围过大，影响制气(氢气和一氧化碳)的效果。因此，本发明的实施例中，第二反应区和第三反应区48是彼此独立的，换言之，是通过隔板分隔开来。具体到实施方式中，用于分隔第二反应区和第三反应区48的隔板上还设有加料口46，以便于通过外筒10顶部的人孔18及该加料口46向第三反应区48添装催化剂。

需要指出的是，第一反应区20内的转化催化剂位于换热单元80外，催化剂可以通过加料口19添设，第二反应区和第三反应区48内的催化剂也可以从进料单元90及混合气喷烧器96人工进入添设。且卸料口容易卸载，不需要辅助机具的帮助，容易从轴径向反应器100底部卸出。这样，相比现有设计中的管内设有催化剂，降低了催化剂的添设和卸载难度。

一些实施例中，第二反应区还包括沿轴向布设于燃烧区42下方的高温反应区44。具体地，该高温反应区44设有多孔板(图未标)，多孔板上装设有高温催化剂。应当理解的是，为保证第三反应区48的反应均匀的进行，需要将第二反应区内的反应气均匀地引入第三反应区48，设置高温反应区44便于未燃烧的原料气和高温反应气的收集，以便于向第三反应区48输送高温气体。

进一步地，高温反应区44具有与燃烧区42交界的第一端及与第一端相对的第二端，高温反应区44的截面宽度自第一端至第二端的逐渐减小。具体地，高温反应区44的第一端为敞口端，即与燃烧区42相连通的一端，高温反应区44的第二端为封闭端，即前述的隔板将高温反应区44和第三反应区48分隔开来。作为一种较佳的实施方式，高温反应区44的截面形状呈倒锥状，高温反应区44约占第二反应区的1/4～1/3。

这样，可以形成一个反应气聚集空间，便于将高温反应气汇集并输送至第三反应区48。

进一步地，轴径向反应器100还包括多孔中心管50，多孔中心管50位于第三反应区48，且一端沿轴向向上延伸伸入所述高温反应区44，以将所述第二反应区与所述第三反应区48连通。具体地，多孔中心管50的下端固定连接于外筒10的底封头16，上端贯穿整个第三反应区48并伸入高温反应区44内。更具体地，多孔中心管50位于套筒的中心处，其上端距离高温反应区44内的多孔板一定距离，便于多孔中心管50的伸缩。

进一步地，轴径向反应器100还包括连接于反应气集散盒60的中心管定位架70，多孔中心管50穿过并固定于中心管定位架70，以保证多孔中心管50的不易发生偏位或损坏，从而保证第三反应区48内的反应均匀。

需要强调的是，由于外筒10和内筒30内的反应温度较高，外筒10和内筒30内还设有耐火材料衬里120，以保证轴径向反应器100的安全性和可靠性。反应气集散盒60设置于外筒10与内筒30之间，用于将第三反应区48的反应气引入换热单元80与第一反应区20的反应气换热后，最终将第一反应区20的反应气和换热后的反应气汇集，以达到前述的保证各段的反应温度以及最终回收到的反应气的温度的功效。本发明的实施例中，反应气集散盒60具有集散腔62、第一集气部(图未标)及第二集气部；换热单元80的进气端通过第一集气部与第三反应区48连通，换热单元80的出气端与集散腔62连通，集散腔62还通过第二集气部与第一反应区20连通。

具体地，通过多孔中心管50流出的高温反应气沿径向向外流动与进气间隙32沿径向向内流入的原料气融合并发生反应，反应后的温度降至950℃-1050℃，并通过第一集气部进入到换热单元80的进气端。接着通过换热单元80对第一反应区20的原料气进行加热，汇入集散腔62内。第一反应区20内的原料气经过换热单元80的加热后达到800℃～850℃，进行吸热转化反应，并通过第二集气部进入集散腔62，并最终降温回收。

需要说明的是，最终降温回收的反应气中的甲烷含量需要达到预定的比例，经第二反应区和第三反应区48反应后的反应气中，甲烷含量≦0.5％，第一反应区20中的反应气中的，甲烷含量1.2％-1.6％。因此，在两股反应气在集散腔62内混合后，达到预定的比例后，方可引出轴径向反应器100，例如，具体到实施方式中，集散腔62内的反应气中，甲烷的含量达到1.5％，可引出轴径向反应器100。

在一实施例中，第一集气部包括独立于集散腔62的进气腔64，以及连通进气腔64与第三反应区48的反应气进气口66。具体地，反应气集散盒60包括面对设置的上板61、下板63，以及位于所述上板61和所述下板63之间的中间板65；中间板65将反应气集散盒60分隔为集散腔62和进气腔64。更具体地，反应气集散盒60还包括连接于上板61、下板63及中间板65的侧板67，以围设构成所述反应气集散盒60。反应气集散盒60通过焊接圈130将一侧的侧板67焊接于内筒30外壁，从而将反应气集散盒60固定。具体到一些实施方式中，集散腔62位于进气腔64的上方；当然，在另一些实施方式中，集散腔62亦可位于进气腔64的下方，在此不作限定。

在一实施例中，第二集气部设置于上板61，用以将第一反应区20内的反应气汇入集散腔62内。具体地，第二集气部为贯穿于反应集气盒的上板61的进气孔69或进气管，第一反应区20内的反应气沿轴向自上而下向下流动，经过第二集气部汇入集散腔62内。进一步地，轴径向反应器100还包括网孔板72，网孔板72设置于上板61背离中间板65的一侧，以便于第一反应区20内的反应气更均匀地通过第二集气部进入集散腔62内。在一实施例中，轴径向反应器100还包括支承块74，支承块74固定连接于外筒10内壁，用于支承于反应气集散盒60的下板63，以对反应气集散盒60整体进行支承，从而进一步提高反应气集散盒60的连接可靠性及稳定性。需要指出，第一反应区20的催化剂床位于反应气集气盒的上板61之上，故支承块74还用于支承位于反应气集散盒60上方的催化剂床及装载于其上的催化剂。

在一实施例中，反应气集散盒60上还设有与集散腔62连通的混合气出气孔68；外筒10底部中位于外筒10与内筒30之间的部分设有用于将从混合气出气孔68流出的气流向外输送的转化气出口110。具体地，混合气出气孔68设置于反应气集散盒60靠近外筒10的侧板67，并通过轴径向反应器100集散盒与外筒10的底部之间的空间，将在集散腔62内混合后的反应气经过转化气出口110引出。

本发明的实施例中，换热单元80包括多根换热套管，换热套管包括外套管82以及位于外套管82内侧且与外套管82连通的内套管84；外套管82定位于反应气集散盒60，且与集散腔62连通，内套管84的定位于反应气集散盒60，且与进气腔64连通。具体地，外套管82的下端固定于上板61，外套管82的上端伸入第一反应区20并靠近外筒10的顶封头14。内管的下端固定于中间板65，内管的上端向上延伸伸入外套管82内，且距离外套管82的上端一定距离地自由设置，可向上伸缩。

其中，外套管82的径向尺寸大于内套管84的径向尺寸，以使内套管84与外套管82之间形成有可供气流通过的间隙，该间隙与集散腔62连通。通过多孔中心管50流出的高温反应气沿径向向外流动与进气间隙32沿径向向内流入的原料气融合并发生反应，反应后的反应气通过进气口进入进气腔64内，通过内套管84的下端进入内套管84且沿轴向向上流动，并从内套管84的上端进入外套管82。反应气在内套管84与外套管82之间的间隙沿轴向自上而下流动，最终汇入集散腔62内。

应当理解的是，外套管82外为催化剂床，反应气在外套管82与内套管84之间的间隙可对外套管82外的原料气进行加热。且内管的上端距离外套管82的上端一定距离地自由设置，可向上伸缩。这样，不仅保证了第一反应区20内的反应温度，相比现有设计中的加热管两端配置猪尾管的结构，简单可靠、投资少。

容易理解，内套管84的下端即为换热单元80的进气端，外套管82与内套管84形成的间隙位于外套管82的下端的一端即为换热单元80的出气端。

应当理解的是，具体到一些实施例中，向外输送反应气的转化气出口110设于外筒10底部中位于外筒10与内筒30之间的部分；也就是说，轴径向反应器100是通过反应气集散盒60与外筒10的底部之间的空间实现最终的反应气的收集与排出。因此，反应气集散盒60与外筒10的底部之间的空间为非反应区。例如，一些实施例中，多孔中心管50的位于反应气集散盒60的所在平面下方的部分不予开孔，且反应气集散盒60与外筒10底部的之间的空间装设耐火铝球21，以保证最终从此空间通过转化气出口110输出的反应气符合设定的标准。

特别强调的是，本发明的实施例中，将氧化放热反应与吸热转化反应气组合在一个轴径向反应器100内，较低温度的吸热转化反应(第一反应区20)包围高温氧化放热反应(第二反应区和第三反应区48)。反应气在经过第二反应区和第三反应区48后，压力值会降低，故只有一个较低温度、受压的外筒10为压力筒体。即内筒30的承压临界值小于外筒10的承压临界值，例如，具体到一些实施方式中，内筒30承受的压力大约为几公斤。

进一步地，外筒10为承压的厚壁筒体，内筒30为耐高温、不受压的薄壁筒体。

这样，相比传统的两个受压厚壁筒体12，减少了贵重材料的投资。此外，薄壁的内筒30可起到加热位于第一反应区20的转化催化剂和反应气的双重作用，相应地减少了换热单元80的换热套管的根据，进一步地节省了投资。

为便于更佳地对本发明中的轴径向反应器100的技术方案及技术效果理解，下面将对轴径向反应器100的反应流程进行说明:

制经精脱硫并预热的天然气分为两股，一股原料气从承压套筒92上的原料进气口进入承压套筒92内，并通过外筒10上的第二进气口进入进气间隙32，从而与从混合气喷烧器96喷出的混合气(氧气+蒸汽)在燃烧区42进行氧化燃烧反应。此时，轴径向反应器100顶部的温度达到1200℃-1300℃。

接着反应气依次经过高温反应区44，并通过多孔中心管50进入第三反应区48与从进气间隙32流入的原料气继续进行反应，最后通过反应气进气口66进入进气腔64。此时，反应气温度降低至950℃-1050℃，反应后的甲烷含量≦0.5％。

进一步地，反应气沿内套管84自下而上流动至内套管84上端进入外套管82内，并沿外套管82与内套管84之间的间隙自上而下向下流动汇入集散腔62内。与此同时，从外筒10顶部的第一进气口13进入第一反应区20的另一股原料气+蒸汽自上而下经过布设有双套管的催化剂床，被换热单元80所加热而发生转化反应。反应后的甲烷含量为1.2％～1.6％。最后，反应气通过反应气集散盒60的上板61上方的网孔板72及第二集气部进入集散腔62内。

两股反应气在集散腔62内混合后，使甲烷达到预定的指标，并通过反应气集散盒60的侧板67上开设的混合气出气孔68向下流动，最终通过开设于外筒10底部的转化气出口110排出，便于降温回收。

上述的轴径向反应器100相比现有技术，具有以下优点：

(1)将氧化放热与吸热转化反应组合在一个轴径向反应器100中，相比传统的两个轴径向反应器100，减少了占地空间和重量。

(2)原料气分流进入轴径向反应器100，轴径向反应器100为轴径向结构，能较大幅度减少大径高温管道的布设，减少了管道的投资，降低了成本，且降低了反应气的流程，从而降低系统阻力，减少了气体压缩功耗和热损失。

(3)较低温度的吸热转化反应(第一反应区20)包围高温氧化放热反应(第二反应区和第三反应区48)，只有一个受压的外筒10为厚壁筒体12，耐高温、较为昂贵的、不受压内筒30为薄壁筒体，减少了贵重材料的投资。

(4)薄壁的内筒30可起到加热位于第一反应区20的转化催化剂和反应气的双重作用，相应地减少了换热单元80的换热套管的根据，进一步地节省了投资。

(5)换热管为双套管，管外为催化剂，一端可自由向上伸缩，比传统的加热管两端配置猪尾管简单可靠，投资少。

(6)转化催化剂是换热套管外，可以通过加料口19添设，第二反应区和第三反应区48内的催化剂可以从进料单元90及混合气喷烧器96，人工进入添设。且卸料口容易卸载，不需要辅助机具的帮助，容易从轴径向反应器100底部卸出。相比现有设计中的管内设有催化剂，降低了催化剂的添设和卸载难度。

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 (12)

1.一种轴径向反应器，其特征在于，包括：

外筒和内筒；所述内筒设置于所述外筒内，所述内筒与所述外筒之间形成环绕所述内筒的第一反应区；

多孔套筒，设置于所述内筒内，所述多孔套筒与所述内筒之间间隔形成环绕所述多孔套筒的进气间隙；

隔板，所述多孔套筒内沿轴向通过所述隔板设有彼此独立的第二反应区及第三反应区，所述第二反应区和第三反应区与所述进气间隙连通；所述第二反应区包括燃烧区；

多孔中心管 ，位于所述第三反应区，且一端沿轴向向上伸入所述第二反应区，以将所述第二反应区和所述第三反应区连通；

反应气集散盒，设置于所述外筒与所述内筒之间；以及

换热单元，设置于所述第一反应区，所述换热单元具有进气端及出气端；

其中，所述外筒为压力筒体，所述反应气集散盒具有集散腔、第一集气部及第二集气部；所述换热单元的所述进气端通过所述第一集气部与所述第三反应区连通，所述换热单元的所述出气端与所述集散腔连通，所述集散腔还通过所述第二集气部与所述第一反应区连通。

2.根据权利要求1所述的轴径向反应器，其特征在于，所述第二反应区和所述第三反应区的反应温度，均高于所述第一反应区的反应温度。

3.根据权利要求1所述的轴径向反应器，其特征在于，所述第二反应区还包括沿轴向布设于所述燃烧区下方的高温反应区。

4.根据权利要求3所述的轴径向反应器，其特征在于，所述多孔中心管一端沿轴向向上延伸伸入所述高温反应区。

5.根据权利要求1所述的轴径向反应器，其特征在于，所述轴径向反应器还包括设置于所述外筒顶部的进料单元，所述进料单元包括：

承压套筒，设置于所述外筒顶部；

进气管路，沿轴向贯穿所述承压套筒和所述外筒顶部伸入所述燃烧区；

混合气喷烧器，设置于所述进气管路伸入所述燃烧区的一端；

其中，所述承压套筒上还设有原料气进口，所述原料气进口通过所述承压套筒与所述进气间隙连通。

6.根据权利要求1～5任一项所述的轴径向反应器，其特征在于，所述换热单元包括多根换热套管；

所述换热套管包括外套管，以及位于所述外套管内侧且与所述外套管连通的内套管；所述外套管定位于所述反应气集散盒，且与所述集散腔连通；

所述内套管的定位于所述反应气集散盒，且与所述第三反应区连通。

7.根据权利要求6所述的轴径向反应器，其特征在于，所述第一集气部包括独立于所述集散腔的进气腔，以及连通所述进气腔与所述第三反应区的反应气进气口；

所述内套管与所述进气腔连通。

8.根据权利要求7所述的轴径向反应器，其特征在于，所述反应气集散盒包括面对设置的上板、下板，以及位于所述上板和所述下板之间的中间板；所述中间板将所述反应气集散盒分隔为所述集散腔和所述进气腔；

所述外套管下端固定于所述上板；所述内套管下端固定于所述中间板，所述内套管上端伸入所述外套管内，且自由设置。

9.根据权利要求8所述的轴径向反应器，其特征在于，所述第二集气部设置于所述上板。

10.根据权利要求1～5任一项所述的轴径向反应器，其特征在于，所述反应气集散盒上还设有与所述集散腔连通的混合气出气孔；

所述外筒底部中位于所述外筒与所述内筒之间的部分设有用于将从所述混合气出气孔流出的气流向外输送的转化气出口。

11.根据权利要求1～5任一项所述的轴径向反应器，其特征在于，所述内筒的承压临界值低于所述外筒的承压临界值。

12.根据权利要求11所述的轴径向反应器，其特征在于，所述外筒为厚壁筒体；所述内筒为薄壁筒体。

Images