CN203525669U - 非等距冷板径向折流反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种非等距径向折流板壳式反应器，包括外壳和安装在外壳中的冷板内件；在所述的外壳中还安装有气体径向分布筒和径向集气筒。根据气体流向不同，径向分布筒和径向集气筒位置可以互换。在径向集气筒与径向分布筒之间设有若干圈径向折流冷板部件。所述径向折流冷板部件由若干间距不等且间隔设置的折流冷板元件组成，相邻的折流冷板元件之间设有轴向折流通槽或孔。本实用新型具有换热效果好、温度分布更为优良的特点。

Description

非等距冷板径向折流反应器

技术领域

本实用新型涉及一种板壳式反应器，尤其是一种用于气固相催化反应床内采用折流冷板进行移热的板壳式反应器，具体地说是一种非等距径向折流板壳式反应器。

背景技术        

目前，通常固定床催化反应器，如图1所示，其化学反应器放热的传递是通过冷却管传热单元完成的，冷却介质多为冷反应气体，而管外的催化剂床多为轴向流床层，这种反应器的主要缺点是：

（1）气体冷却管的传热效率低，移热量有限，催化剂床层的温度分布不理想。

（2）轴向流动的阻力大，生产能力受限。

为强化反应器的传热能力，也为了改进催化剂床层的温度分布，近20年大力发展了管壳式水冷却反应器，如图2所示，得到良好的效果，但其仍然存在明显缺点：

（1）轴向流动的管内（触媒）阻力很大，不得不增加管数，增大反应器的直径。

（2）反应器的材质要求高，又要大直径厚管板，制造难度大，因此造价高昂。

（3）反应器装填催化剂的利用率低，直径很大，从而严重制约其单系列生产能力的大型化，以甲醇反应器为例，生产规模20万吨时直径已近4m，其高径比多在1~2.5，这又给运输和安装造成难度。

针对上述缺点，近年发展了径向流动的管壳式水冷反应器，主要目的是解决阻力大的问题，如图3和图4所示，使反应器阻力从0.5MPa降至0.1MPa，同时可使高径比提高到3~8。

这种径向流管壳式反应器虽然解决了阻力问题，但随之又出现另一些问题：

（1）径向流阻力低而带来的是通气截面过大，流程短，流速非常小，这就造成了管外催化剂一侧的给热系数极低，仅为轴向流正常值的1/5~1/20，传热效率下降，热量难以移走，催化剂局部易于过热；

（2）仍然采用直径大，厚度厚的大管板，摆脱不了造价高，制造难度大的缺点；

（3）催化剂的装卸困难；

（4）由于传热效率低下，冷却管的数量更多，因此高压空间的利用率甚至比轴向流的管壳式反应器还要低。

申请人在2006年的专利（中国专利号：ZL 200620077859.3等，美国专利号：US 7767172 B2等）中，提出了径向折流板壳式反应器的新思路，能很好克服上述存在的问题，如图13中的曲线①。但是对于特强放热反应，或反应初始特强反应而后又很温和的反应如图13中的曲线②，尚存在前段传热不足而使温度过高，后段传热过度而温度偏低的问题。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有的管壳式反应器存在的上述问题，以及特强放热反应带来的其他问题，设计一种换热效果好、温度分布更为优良，并可大大减少反应器体积的非等距径向折流板壳式反应器。

本实用新型的技术方案是：

一种非等距径向折流板壳式反应器，包括外壳和安装在外壳中的冷板内件、径向分布筒和径向集气筒。在径向集气筒与径向分布筒之间设有若干圈径向折流冷板部件。所述径向折流冷板部件由若干间距不等且间隔设置的折流冷板元件组成，相邻的折流冷板元件之间设有轴向折流通槽或孔。

所述折流元件或为中空的冷板结构，或为由实心固定板及与其相连的轴向排列的管件组成的结构，或为由实心固定板及与其不相连的管件组成的结构。

所述折流冷板元件为中空的腔体，充满水或其他冷却介质的冷板结构。

所述气体径向折流冷板部件的截面或呈圆弧形结构，或呈折线形结构，或呈圆柱形结构。

所述径向分布筒和径向集气筒可以根据气体流向不同而互换位置。

所述气体径向分布筒和径向集气筒上的径向通孔与轴向折流通槽或孔错位排列。

所述轴向折流通槽或孔与相邻圈上的折流冷板元件的中心部位相对。

所述折流冷板元件在强放热区间距较小，排列紧密，在低放热区间距较大，排列松散；通常为越靠近壳体中心处间距越大。

本实用新型的有益效果：

（1）本实用新型将管式水冷却单元改变为板式冷却单元，即由过去的管壳式反应器改进为板壳式反应器，由于在相同传热面下，板式冷却单元所占的空间比管式冷却单元小，因此板壳式反应器的空间利用率比管壳式的利用率大，通常可增大5~15%。

（2）本实用新型的折流板能有效地增加气相的给热系数。

在本实用新型之前的所有径向流冷板式或冷管式的催化床中，由于径向流通道的面积过大，流道短、流速低，尽管其优点使阻力降至最小，但也同时因此而造成气相的给热系数过低，甚至低到200kcal/m².c.h以下。而本发明则是通过将冷板巧妙地排成折流，缩小通气截面，增长通道，有效地增加了气相的给热系数，可高达500~2000kcal/m².c.h。

（3）本实用新型中的各层折流冷板的间距不等，在特强放热区可密集排列，而在低放热区则可松散排列甚至不排列，如图14所示。此时对特强放热反应的温度曲线将更为合理，如图15所示。这一特性和优势是其他（如管式冷却单元）反应器难以做到的。

（4）本实用新型采用了径向流分布和折流冷板相结合的新颖结构，径向流分布器具有流体阻力低的最大优点，催化剂床层内采用折流，因此，其流体阻力介于纯径向流阻力（通常为0.05~0.2MPa）和轴向流阻力（通常为0.3~0.8MPa）之间，大多为0.1~0.3MPa之间。

（5）本实用新型不使用大直径厚管板，因而制造难度下降，造价低廉，而且可以做成高径比为5~8（正常轴向流管壳式为2~4），因此，同样规模的反应器，采用本技术的直径约小1/2~1/4，更有利于运输，更有利于大型化。

附图说明

图1是现有的固定床催化反应器的结构示意图。

图2是现有的管壳式水冷却反应器的结构示意图。

图3是现有的径向流动的管壳式水冷反应器结构示意图之一。

图4是现有的径向流动的管壳式水冷反应器结构示意图之二。

图5是本实用新型的结构示意图。

图6是图5的俯视结构示意图。

图7是本实用新型实施例的冷却水供水装置结构示意图。

图8是本实用新型的折流冷板等距排列的结构示意图之一。

图9是本实用新型的折流冷板等距排列的结构示意图之二。

图10是本实用新型的折流冷板等距排列的结构示意图之三。

图11是本实用新型的折流冷板等距排列的结构示意图之四。

图12是本实用新型的折流冷板等距排列的结构示意图之五。

图13是不同放热强度反应在等距离冷却单元反应器中的温度曲线。

图14是本实用新型折流冷板不等距排列的结构示意图（其他结构的不等距图从略）。

图15是特强放热反映下冷板等距排列与不等距排列的不同温度曲线。

图16是本实用新型反应器应用流程示意图。

图17是本实用新型反应器之反应曲线段的示意图。

其中：1-外壳；2-冷板内件；3-联箱；4-软水入管；5-气体入口；6-气体出口；7-触媒自卸口；8-惰性填充物；9-气体径向分布筒；10-径向集气筒；11-催化剂；12-径向折流冷板部件；13-尾巴管；14-水气出口管；15-人孔；16-通槽或孔；17-实心固定板；18-管件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图5所示，本实用新型主要有外壳1、冷板内件2、联箱3、软水入管4、气体入口5、气体出口6、触媒自卸口7、惰性填充物8、气体径向分布筒9、径向集气筒10、催化剂11、径向折流冷板部件12、尾巴管13、水气出口管14、人孔15组成。其中人孔15位于外壳1的上部，冷板内件2安装在外壳1中，外壳1中安装有气体径向分布筒9，气体径向分布筒9的中心安装有径向集气筒10，径向集气筒10与气体出口6相通，气体入口5与外壳1和气体径向分布筒9之间的空腔相通，在冷板内件2的下部安装有惰性填充物8并连接有伸出外壳2的触媒自卸口7，在径向集气筒10的外侧和气体径向分布筒9内侧之间环置有若干圈开有通槽或孔16的径向折流冷板部件12，径向折流冷板部件12的截面或呈圆弧形结构，或呈折线形结构，或呈圆柱形结构，如图8、9、10所示。每圈径向折流冷板部件12可由若干间隔设置的折流冷板元件组成，具体数量可根据需要进行相应的计算后加以确定。相邻的折流元件之间设有轴向折流通槽或孔16。所述的折流元件可为中空的水冷板结构，如图6、8、9、10所示，或中空的其他介质冷板结构。它还可为由实心固定板17及与其相连的轴向排列的管件18组成的结构，如图11所示。以及由实心固定板17及与其不相连的管件18组成的结构，如图12所示。本实用新型的一个实施例为中空的水冷板结构，如图5所示。该水冷板的两端通过相应的尾巴管13与联箱3相连，其中下部的联箱3通过软水入管4与冷却水源相连，上部的联箱3通过水汽出口管14与气包相连，催化剂11填装在气体径向分布筒9和径向集气筒10之间。图14所示为水冷板单元根据特强放热特性要求，而排成间距较小的紧密区、间距较大的松散区及不排区。

具体实施时，水冷板的结构形式可根据需要设计成圆弧形结构、折线形结构或圆柱形结构，如图8、9、10，也可设计成如图11所示的由实心固定板17及与其相连的轴向排列的管件18组成的结构，以及如图12所示的由实心固定板17及与其不相连的管件18组成的结构。

当径向折流冷板部件12采用由实心固定板及与其相连的轴向排列的管道组成的结构时，其原理和结构与水冷板相仿。

下面结合各主要部件对本实用新型作更为详细的阐述。

本实施例的反应器的基本结构主要由承压外壳、冷板内件和汽包三大部件组成。

1、外壳

外壳1可采用耐腐蚀的铬钼钢制成，根据生产规模和操作压力高低，决定其直径、高度和受压壳体的厚度正常直径为Ф2000~Ф6000，高度为8000~25000mm，外壳1的下端设有多根进水管4，而催化剂则从上部人孔打开球盖自上而下方便装入，而外壳最下部有多个自卸口7，自动卸出催化剂，球底中心则有原料气进口5和反应后气体的出口6。

2、冷板内件

冷板内件2是用于固定径向折流冷板部件12的组件，为一整体结构的移热件，其中安装有气体径向分布筒9和径向集气筒10，冷板内的冷却介质可以是水等液体，也可以是气体及其他介质，本实施例则主要以水为例进行说明。

水冷折流板移热件。主要包含许多片内部走水的折流元件、进出口连接管，上、下联箱以及进出反应器的上下引出管等零部件，由于冷板内的移热介质是饱和水汽的共存物，因而水冷板是一种接近等温的移热体。

径向折流催化床。进入反应器的原料气经分布筒9多股径向流入床层后，则经同心圆排列的中空水冷折流元件的导流，形成折流，反复穿过环形的催化剂层，边化学反应，边将反应热传递给冷板，最后经集气筒10汇合流出，见图5、6中的箭头方向。由于冷板内的传热介质——饱和水保持等温，饱和水由反应器上部引出去高位汽包付产蒸汽，而其余软水则经下降管返回冷板的下端形成自动的循环，如图7所示。因此反应器催化剂床层的温度分布非常接近恒温，使整个催化剂床层始终处于非常稳定的近似等温的状态下运行，而整个床层的温度则由汽包的压力加以控制。

径向折流部件12的排列及结构为沿着反应器的圆周方向一层层一卷卷排列的，每一层则由一块至多块中空的水冷板环抱而成，而板与板之间填充催化剂11，在同一卷每块冷板接头处，均留有通气开口，而与该卷冷板相邻的里圈和外圈的冷板通气开口则互相错开，从而使催化层的气体形成折流，如图6所示。每块冷板的上端和下端设有出水口和进水口，用弯曲的尾巴管13与联箱管相接，而联箱管上又有水总管引出反应器与汽包的上升管和下降管连接。各水冷板的排列方式可由设计者按生产规模计算催化反应的放热量、反应的放热特性以及需要冷板的移热量、床层的阻力等因素进行设计，最终决定反应器总尺寸和冷板排列不同的紧密度，其中包括冷板的传热面积、冷板的卷数、每卷冷板的块数、折流的头数、各冷板的间距、冷板的长度和冷板水通道的尺寸等。水冷板截面外形结构可以有多种形式，如图8所示的折线形、图9所示的圆弧形、图10所示的圆柱形等等，但无论如何，均构成折流这一特征，设计采用何种结构的冷板，则可根据设计者对各种利弊的分析加以决定。当采用图11、12所示的折流元件时，其截面形式也可采用与图8、9、10等效的截面形式。

实例

以高CO变换为例。

CO的变换反应是一种强放热的化学反应，当高CO的粗煤气进入变换反应器时，初始反应速度快，放热剧烈，极易出现超温，危害设备的安全运行和缩短催化剂的使用寿命。采用该非等距冷板径向折流反应器，能较好控制CO变换的进度，确保设备和催化剂的安全运行，同时降低系统阻力。

以该实用新型反应器应用于加压气化含高CO浓度的粗煤气生产液氨产品的变换装置为例进行实例说明。

流程示意如图16，来自煤气化装置的粗合成气，温度为～200℃，压力为～3.7MPaG，CO浓度为61.5%（干基mol%），汽气比0.7:1。粗煤气先进入水分离器分离夹带的水分，后经粗煤气预热器预热至～250℃，再进入煤气过滤器过滤其中夹带的细灰，补入部分蒸汽后进入等温变换反应器。

粗煤气经入口5进入内件（组件）与外壳1间环隙，如图5所示，经分布筒9多股径向流入行催化剂床层11，气体经同心圆排列的中空水冷折流元件12的导流，形成折流，反复穿过环形的催化剂层（见图6中的箭头方向），一边发生化学反应，一边将反应热传递给冷板，最后经集气筒10汇合流出（见图5中的箭头方向），进入后续设备。

汽包中的水经下降管由下部软水管4进入等温变换反应器，经水冷板板腔与板外合成气换热，移走反应热。水冷板板腔中的水从下至上不断吸收热量，饱和水由等温反应器上部引出至高位汽包副产蒸汽，其余的软水则经下降管返回等温反应器而形成自动循环。

该等温反应器水冷板排列根据装置的生产规模、粗煤气中CO含量、汽气比以及变换气出口CO含量要求，计算出反应器总尺寸和水冷板排列疏密度及其它参数。

该等温反应器能及时移除CO变换的反应热，根据CO变换反应进程对水冷板布置的疏密进行调整，水冷板排列示意图如图14。在近入口区域反应较剧烈，放热量大，水冷板布置适当紧密，催化剂床层最大温升控制在50~70℃；中间区域，CO浓度逐步降低，反应趋于缓和，水冷板布置较稀疏；在近中心管区域，不布置水冷板，采用绝热层结构。其反应进程与温度的关系如图17。

该等温反应器内的传热介质是饱和水，保持等温，因此催化剂床层的温度分布非常接近恒温，使整个催化剂床层始终处于非常稳定的近似等温的状态下运行，副产压力为2.5～4.5 MPa的饱和蒸汽，而整个床层的温度则由汽包的压力加以控制，简单易操作。

该等温反应器内催化剂在近似等温下运行，且运行稳定，不会发生反应失控、开停车过程中飞温等非正常现象而引起催化剂有效成分流失，因此催化剂的使用寿命长。

该等温反应器出口变换气温度较低，约为260～300℃，出口管材要求不高，安全可靠性强。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种非等距径向折流板壳式反应器，包括外壳（1）和安装在外壳（1）中的冷板内件（2）、径向分布筒（9）和径向集气筒（10）；在径向集气筒（10）与径向分布筒（9）之间设有若干圈径向折流冷板部件（12），其特征是所述径向折流冷板部件（12）由若干间距不等且间隔设置的折流冷板元件组成，相邻的折流冷板元件之间设有轴向折流通槽或孔（16）。

2.根据权利要求1所述的非等距径向折流板壳式反应器，其特征是所述折流元件或为中空的冷板结构，或为由实心固定板及与其相连的轴向排列的管件组成的结构，或为由实心固定板及与其不相连的管件组成的结构。

3.根据权利要求2所述的非等距径向折流板壳式反应器，其特征是所述折流冷板元件为中空的腔体，充满水或其他冷却介质的冷板结构。

4.根据权利要求2所述的非等距径向折流板壳式反应器，其特征是所述气体径向折流冷板部件（12）的截面或呈圆弧形结构，或呈折线形结构，或呈圆柱形结构。

5.根据权利要求1所述的非等距径向折流板壳式反应器，其特征是所述径向分布筒（9）和径向集气筒（10）可以根据气体流向不同而互换位置。

6.根据权利要求1所述的非等距径向折流板壳式反应器，其特征是所述气体径向分布筒（9）和径向集气筒（10）上的径向通孔与轴向折流通槽或孔错位排列。

7.根据权利要求1所述的非等距径向折流板壳式反应器，其特征是所述轴向折流通槽或孔（16）与相邻圈上的折流冷板元件的中心部位相对。

8.根据权利要求1所述的非等距径向折流板壳式反应器，其特征是所述折流冷板元件在强放热区间距较小，排列紧密，在低放热区间距较大，排列松散；通常为越靠近壳体中心处间距越大。

Images