CN111111567A - 一种列管式固定床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列管式固定床反应器，包含壳体、列管、上管板、下管板、支持板，其中，所述壳体为中空结构，所述上管板和所述支持板分别固定在所述壳体内部，所述列管穿过所述支持板并设置在所述上管板和所述下管板之间，具有这样的特征，所述下管板通过列管与所述上管板连接，并且所述下管板不与所述壳体的内壁接触，所述下管板通过补偿装置与所述壳体连接。本发明提供的列管式固定床反应器不但能允许列管自由伸缩，还具有良好的密封效果，同时本发明提供的列管式固定床反应器的热传导效率高、填装催化剂容易、制造成本低。

Description

一种列管式固定床反应器

技术领域

本发明涉及化工装备领域，特别涉及一种列管式固定床反应器。

背景技术

在生产费托、甲醇、环氧乙烷、合成氨等产品时，为保证催化剂的活性，反应温度一般控制在150～350℃之间，此类反应会放出大量的反应热，若产生的热量没有及时移走，会造成催化剂床层过热、催化剂烧结、床层压降快速增大甚至床层飞温、造成催化剂报废并严重威胁生产安全。列管式固定床反应器是用于解决上述问题的设备。其工作流程如下，原料气在一定的摩尔比下进入反应器床层，在催化剂的作用下反应合成产品，反应原料气走装载催化剂的列管内部，管外为冷却移热的水，通过水汽化的潜热带走反应热，同时副产饱和蒸汽。

最常见的列管式固定床反应器采用固定管板管壳结构，如图1所示，列管1-1安装在上管板1-2和下管板1-3之间，内部采用支持板1-4支撑定位固定；上封头1-5通过管箱筒体1-6与上管板1-2相连，上封头1-5上设置原料气入口1-51与人孔1-52；设备壳体1-7上开设冷却水入口1-71、水蒸汽出口1-72与壳程温度检测口1-73；下封头1-8通过下管箱筒体1-9与下管板1-3相连，其上设有卸催化剂口1-81、物料出口1-82，内部可设钟形罩1-83，在运行过程中，下封头1-8内可装填瓷球；催化剂装在列管1-1内，整个设备由裙座1-10支撑安装在设备基础上。

其中，支持板1-4不仅起到固定和定位换热列管1-1的作用，同时还有改变冷却流体流动方向、提高传热系数的作用。现有技术中的支持板1-4的结构参见图2所示，设置若干缺口1-41和周边的透汽孔1-42提供蒸汽的上升通道，导致中心部分大量的蒸汽必须平行移动到远处的缺口1-41处才能上升到上一层支持板1-4的空间，移动阻力大、路程长，易造成汽体在支持板1-4下部的停滞与积聚，影响反应管的传热/散热，且汽体在支持板1-4下部的横向流动会诱导列管1-1的振动、产生噪音等；反应管内的热量不能及时移走，易造成管内局部过热、催化剂部分烧结、床层压降增加等；另外，缺口1-41的设置和周边的透汽孔1-42占用了部分反应器横截面，导致反应器体积利用率下降。

此外，反应器催化剂装填，如图1所示，在下封头1-8内分层装填不同大小规格的瓷球，然后再装填列管1-1内的催化剂，内部设有钟形罩1-83。在实际操作中，通常需先在底部封头内装填瓷球后，才能开始装填固体催化剂。这需要耗用大量瓷球、且装填的平整度不易观察和控制。卸载催化剂时，瓷球与催化剂混合卸出，对催化剂回收过程造成困扰。此外，这些填充用瓷球的也造成额外的压降。

本发明申请人还发现，该类固定管板管壳式反应器，在运行过程中管内原料气在催化剂的作用下发生强放热反应，反应管内部与外部的温差较大，与反应器壳体1-7的温差更大，由温差导致材料膨胀量的不同而产生温差应力，特别是在列管1-1与管板连接处，温差应力很大，在运行过程中发生管板变形、列管1-1变形、列管1-1与管板的焊缝拉裂等严重影响反应器安全运行的现象。

为减小温差应力，现有的固定床列管1-1反应器大都采用热膨胀系数相近的材料来制造反应器的壳体1-7和列管1-1。在壳体材料选择方面，以甲醇反应器为例，单产10万吨以下的反应器多以13MnNiMoNbR为壳程筒体和加强段材料，而20万吨、25万吨和30万吨的大型甲醇反应器多以20MnMoNi55为壳体材料；而列管则多采用S31803等牌号的双相不锈钢。这主要是考虑二者的线膨胀系数与列管采用的S31803双相不锈钢类材质匹配性很接近，特别是20MnMoNi55更接近于双相钢管材，减小了由于管、壳程的温差产生的轴向热应力。但是，双相不锈钢管材的价格是相当高的，其价格约为S304普通不锈钢的3倍左右；且壳体1-7与列管1-1材质均属于高强度钢，制造工艺复杂、制造难度较普通材质更大，所以反应器的造价是相当高的。

现有技术中，还存在另一种结构的列管式固定床反应器，如图3所示，由上封头2-1、上管板2-2、壳体2-3、列管2-4、支持板2-5、下管板2-6、外封头2-7、内封头2-8、钟形罩2-9、卸催化剂口2-10、填料函密封2-11等组成，列管2-4固定在上管板2-2和下管板2-6之间，与现有技术一不同的是下管板2-6不与壳体2-3连接，并设有内封头2-8与下管板2-6连接，下部的外封头2-7仍与壳体2-3连接，这种结构旨在解决固定管板式反应器无法补偿温差造成的热应力问题，下部内封头2-8与下管板2-6是悬挂在上管板2-2下面的，有温差时可以自由伸缩补偿。出料口从内封头2-8上接出穿过外封头2-7，在外封头2-7上设置了填料函密封2-11结构，如图4所示，该结构包含密封填料2-12、压圈2-13、压紧螺栓2-14、填料函外套管2-15和内套管(实为反应器出料管)、出口2-16。

填料函密封2-11其优点是结构简单、造价低廉。但其一般适用于静密封，而用于动密封上则难免泄漏。并且，填料函密封2-11通常用在密封要求不高、压力较低、密封直径较小等场合。而反应器在运行过程中，壳程工作压力通常在中压范围；由于反应物料通常为气态，为减小流阻，出料口管道直径通常不宜太小；而列管2-4和壳体2-3材料和/或温度差异将导致内外套管之间的相对移动，取决于材料、温差、反应器长度等因素，这种蠕动位移可达若干厘米，相应的密封属于动密封而不是静密封。因此，填料函这类的密封方式容易在反应器运行过程中产生泄漏。为避免泄漏，需要经常紧固填料压圈，也需要经常补充或更换填料。此外，由于填料函结构尺寸较大，所以在制造加工时必须严格控制内外套管的同心度、密封面的光洁度等等，加大了制造难度。在紧固填料压圈时，为防止泄漏，需要压紧填料。但这会导致内外套管间的摩擦力过大，使反应器内筒相对于外壳的膨胀伸缩困难，从而产生轴向应力，达不到自由伸缩的目的。所以压紧填料以保证填料函不泄漏和轴向需要自由伸缩是相互矛盾的两个方面，很难同时实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种列管式固定床反应器，不但能允许列管自由伸缩，还具有良好的密封效果，同时本发明提供的列管式固定床反应器的热传导效率高、填装催化剂容易、制造成本低。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种列管式固定床反应器，包含壳体、列管、上管板、下管板、支持板，其中，所述壳体为中空结构，所述上管板和所述支持板分别位于在所述壳体内部，所述上管板固定在所述壳体内壁，所述列管穿过所述支持板并设置在所述上管板和所述下管板之间，具有这样的特征，所述下管板通过列管与所述上管板连接，并且所述下管板不与所述壳体的内壁接触，所述下管板通过补偿装置与所述壳体连接。

本发明实施方式相对于现有技术而言，利用补偿装置，彻底解决了列管式固定床反应器因反应列管与壳体因材料和/或温差等引起的形变量不同而造成的轴向应力导致管板变形、列管与管板焊缝拉脱等损坏现象，使反应器无法长期安全运行的问题，也从根本上规避了现有技术包括密封泄漏、加工制造难度大、造价高等问题。

进一步地，为了实现列管的自由伸缩，所述下管板的侧壁通过弹性补偿件与所述壳体的内壁连接。

进一步地，所述弹性补偿件为U形补偿件或S形补偿件。

进一步地，为了保护中间壳体不受下管板的撞击，所述壳体的内壁在配合所述下管板的位置处设有凸出的定位块。

进一步地，为了便于填装和卸出催化剂，所述列管底部设有宝塔弹簧。

另外的，为了避免宝塔弹簧的弹力减弱，所述列管内设有凸台、设置在所述凸台上的卡簧、设置在所述卡簧上的支撑孔板。

进一步地，所述支撑孔板为穹形。

进一步地，为了提高壳内的热传导效果，所述支持板包含上层支持板、下层支持板、外围板；

其中，所述上层支持板叠加在所述下层支持板上，所述外围板的内壁同时连接所述上层支持板和所述下层支持板的外壁，所述外围板的外壁与所述壳体的内壁不连接；

所述上层支持板和所述下层支持板均设有条状栅格，且所述上层支持板的条状栅格与所述下层支持板的条状栅格径向交错形成菱形空隙，所述列管穿过所述菱形空隙。

附图说明

图1为现有技术中的列管式固定床反应器的固定管板管壳结构的示意图；

图2为现有技术中的支持板的结构示意图；

图3为现有技术中的列管式固定床反应器的悬挂结构的示意图；

图4为现有技术中的列管式固定床反应器的悬挂结构中的密封连接结构示意图；

图5为本发明的第一实施方式的列管式固定床反应器的结构示意图；

图6为本发明的第一实施方式的弹性补偿件的连接示意图；

图7为本发明的第一实施方式的催化剂支撑方式示意图；

图8为本发明的第一实施方式的卡簧的主视图；

图9为图8中卡簧的仰视图；

图10为本发明的第一实施方式的支撑孔板的径向剖面图；

图11为图10中支撑孔板的俯视图；

图12为本发明的第一实施方式的支持板的径向剖面示意图；

图13为本发明的第一实施方式的支持板的俯视图；

图14为本发明的第一实施方式的另一种催化剂支撑方式示意图；

图15为本发明的第一实施方式的宝岛弹簧的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种列管式固定床反应器，如图5所示，包含壳体1、列管2、上管板3、下管板4、支持板5、裙座，其中，壳体1为中空结构并由上封头11、中间壳体12、下封头13组成，上封头11和下封头13分别连接在中间壳体12的上端和下端，该上封头11设有上封头人孔、测温接管、反应器进料口，该下封头13设有冷却水入口、反应器出料口、下封头人孔，上管板3和支持板5分别位于在壳体12内部，上管板3固定在壳体12的内壁，列管2穿过支持板5上的通孔，其上端设置在上管板3上，并且其下端设置在下管板4上，使得下管板4通过列管2与上管板3连接，但下管板4不与中间壳体12或下封头13的内壁接触，即为悬挂浮动式，下管板4的侧壁通过弹性补偿件62与壳体1的内壁连接。具体的，本实施方式中选用的弹性补偿件62为U形补偿件，本领域人员应当知晓，弹性补偿件62是补偿装置6中的一种，详细结构参见图6所示，U形补偿件的一侧与下管板4的外缘侧面焊接相连，另一侧面与壳体1的内壁焊接相连。当列管2和壳体1因材质和/或温差产生不同变形量时，通过补偿件的相对运动(履带式运动)来补偿两者沿轴向的相对位移，即下管板4是浮动的，可以自由伸缩，不会因材质和/或温差而产生轴向热应力。由此可知，本实施方式中的列管式固定床反应器，彻底解决了列管式固定床反应器因反应列管2与壳程筒体因材料和/或温差等引起的形变量不同而造成的轴向应力导致管板变形、列管2与管板焊缝拉脱等损坏现象，使反应器无法长期安全运行的问题，并且无需内封头7等，使得反应器结构更为简化、造价也进一步降低。由于U形补偿件的宽度小，因此可用薄板材加工成型，其弹性好、位移力小、抗疲劳能力强，并能承受较高的双向压差。此外，U形结构的开口端有适当的弹性，因此对管板和壳体1的机械加工误差有较高的容忍度，降低了制造难度。具体的，本实施方式采用的U形补偿件厚度可以为1～10mm，补偿件宽度可以为10～100mm，高度可以为30～500mm；U形补偿件可以为单层结构，也可以为多层复合型即为S形补偿件，由U形纵向叠加，梯级承压，进一步提高可靠性、抗腐蚀性、使用寿命等。

另外，值得一提的是，如图6所示，因下管板4为悬挂浮动结构，U形补偿件为易弹性变形部件，故设置了下管板4定位块121，均匀分布在壳体1的内壁上，定位块121用于限制下管板4的径向移动，定位块121焊接在筒体内壁上，与管板外缘的间隙根据设计需要确定，定位块121可以为3～36块，其材质与壳体1材质相同即可。

需要指出的是，本领域技术人员应当知晓，弹性补偿件62不仅可以设置在下管板4上，也可以设置在上管板3上，实现相同的技术效果。

值得说明的是，在本实施方式中，催化剂在列管2中的支撑结构，如图7所示，在列管2底部设置凸台22，卡簧23安装在该凸台22上，在卡簧23上放置支撑孔板24。在实际操作时，如图7所示，由于列管2与下管板4的连接必须可靠，通常要求采用胀焊并用工艺，如强度焊加贴胀或强度胀加密封焊，因此卡簧23可以利用胀接的凸台22来定位和固定，而无需另外设计和考虑其固定结构。同时，结合图8所示，卡簧23的外径应略大于列管2内径，通过压力以减小卡簧23的外径，当放置到凸台22后，施放压力，以恢复卡簧23外径，使其固定。具体的，本实施方式中选用的卡簧23的厚度H可以为0.2～10mm；卡簧23材质可以为各种金属材料，例如S304、S304L、S316、S316L、S631、X750等，视工作温度、承载压力(包括催化剂重量、管程压降等)、反应介质性质等情形而定。

此外，支撑孔板24可为平板形、半球形、钟形罩形等，在本实施方式中选用的支撑孔板24为穹形，如图7、图9和图10所示，其外径略小于列管2内径，支撑孔板24上设有多个小孔，开孔率一般宜大于50％，如图11所示。如果开孔率不高，可装填瓷球以减小物料阻力；开孔率高时，可直接装填固体催化剂。具体的，本实施方式中选用的支撑孔板24的开孔直径可以为0.5～10mm，开孔率可以为10～90％；孔分布可以是规则的随机的；孔板厚度H可以为0.5～20mm。这种支撑结构的优点是选材范围宽，适用温度范围宽，避免了宝塔弹簧21在高温环境下由于弹性变差导致弹簧塌缩和/或管壁附着力下降而造成管道堵塞或弹簧脱落等问题，承载能力更强、结构简单、安装方便、使用更可靠。

另外，值得一提的是，由于下管板4为活动结构，其外壁与壳体1内壁之间存有间隙，当下管板4上的列管2受热变形时，下管板4开始在径向移动，如不对其进行限制，则中间壳体12会受到下管板4的撞击，所以本发明在中间壳体12的内壁在配合下管板4的位置处设有多个凸出的定位块121，并且均匀分布，如图6所示，该定位块121用于限制下管板4的径向位移，其间隙根据设计需要确定，建议定位块121的数量为3～36块，以提高定位效果。

另外，值得指出的是，本实施方式中采用的支持板5，如图12、图13所示，由上层支持板51、下层支持板52、外围板53组成；其中，如图12所示，上层支持板51叠加在下层支持板52上，并由点焊的方式连接固定，外围板53的内壁同时连接上层支持板51和下层支持板52的外壁，外围板53的外壁与壳体1的内壁是不连接的，该外围板53和壳体1之间存有间隙。上层支持板51和下层支持板52均设有条状栅格，有点类似填料塔的填料支撑栅板状，上层支持板51的条状栅格与下层支持板52的条状栅格径向交错60°至90°形成菱形空隙，如图13所示，列管2穿过菱形空隙，由于菱形的四个角与列管2外壁之间的空隙是比较大的，空隙率达到25％以上，可作为冷却水和蒸汽的上升通道。本领域技术人员应当知晓，该种结构的支持板5可以设置成多层结构，每组支持板5之间采用定距杆固定其间距，支持板5的单层高度可以为10～200mm。由此可见，本实施方式中采用的支持板5，解决了现有技术的支持板5占用反应器可用横截面的问题，从而提高了反应器体积的利用率；同时也解决了壳体中蒸汽/汽泡上升过程中的横向运动并诱导列管振动、产生噪音、增加壳体压降等问题。

另外，值得说明的是，作为一种替换方案，本实施方式中的固体催化剂的支撑方式，还可以如图14、图15所示，在列管2底部安装宝塔弹簧21，即支托弹簧，安装位置根据工艺要求确定；然后装填瓷球到工艺要求的高度，最后装填固体催化剂，依靠宝塔弹簧21的弹力，以方便催化剂的装填与卸出，并控制装填质量。这种催化剂支撑方式使得装填与卸载催化剂更为方便并且易于控制装填质量、不需要在下封头13填充瓷球，也无需钟形罩和专设的催化剂卸载口等。宝塔弹簧21具有耐温性能高、耐腐蚀、支托承载能力大、抗弹性形变能力强、安装拆卸方便、床层压降小、不易脱落和可重复多次利用等优点。宝塔弹簧21直径D可以为10～100mm，与列管2内径适配；弹簧丝直径为0.5～5mm；弹簧材质可以为S304、S304L、S316、S316L、S631、X750等或其它金属材料，视工作温度、承载压力(包括催化剂重量、管程压降等)、反应介质性质等情形而定。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种列管式固定床反应器，包含壳体(1)、列管(2)、上管板(3)、下管板(4)、支持板(5)，其中，所述壳体(1)为中空结构，所述上管板(3)和所述支持板(5)分别位于在所述壳体(1)内部，且所述上管板(3)固定在所述壳体(1)内壁，所述列管(2)穿过所述支持板(5)并设置在所述上管板(3)和所述下管板(4)之间，其特征在于，所述下管板(4)通过列管(2)与所述上管板(3)连接，并且所述下管板(4)不与所述壳体(1)的内壁接触，所述下管板(4)通过补偿装置(6)与所述壳体(1)连接；

所述下管板(4)的侧壁通过弹性补偿件(62)与所述壳体(1)的内壁连接；所述弹性补偿件(62)为U形补偿件或S形补偿件。

2.根据权利要求1所述的列管式固定床反应器，其特征在于，所述壳体(1)的内壁在配合所述下管板(4)的位置处设有凸出的定位块(121)。

3.根据权利要求1所述的列管式固定床反应器，其特征在于，所述列管(2)底部设有宝塔弹簧(21)。

4.根据权利要求1所述的列管式固定床反应器，其特征在于，所述列管(2)内设有凸台(22)、设置在所述凸台(22)上的卡簧(23)、设置在所述卡簧(23)上的支撑孔板(24)。

5.根据权利要求4所述的列管式固定床反应器，其特征在于，所述支撑孔板(24)为穹形。

6.根据权利要求1所述的列管式固定床反应器，其特征在于，所述支持板(5)包含上层支持板(51)、下层支持板(52)、外围板(53)；

其中，所述上层支持板(51)叠加在所述下层支持板(52)上，所述外围板(53)的内壁同时连接所述上层支持板(51)和所述下层支持板(52)的外壁，所述外围板(53)的外壁与所述壳体(1)的内壁不连接；

所述上层支持板(51)和所述下层支持板(52)均设有条状栅格，且所述上层支持板(51)的条状栅格与所述下层支持板(52)的条状栅格径向交错形成菱形空隙，所述列管(2)穿过所述菱形空隙。

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