CN205182690U - 一种列管式换热器和费托合成浆态床反应器 - Google Patents

Abstract

一种列管式换热器由至少一组换热单元组成，所述的换热单元由下至上包括液体分配器(4)、换热列管(1)、连通相邻换热列管的连接管(2)和集总器(3)，多个所述的连接管(2)在相邻的换热列管(1)之间均匀分布，所述的连接管(2)与换热列管(1)之间夹角为锐角。以及设置上述列管式换热器的费托合成浆态床反应器，所述的浆态床反应器的合成气进口位于所述的列管式反应器的换热列管支管的轴向区域内。本实用新型提供的列管式换热器可以有效实现浆态床反应器内温度的均匀分布，从而保证催化剂的活性，提高反应器操作的安全性和目的产物的收率和选择性。

Description

一种列管式换热器和费托合成浆态床反应器

技术领域

本实用新型涉及一种适用于强放热、多相反应的列管式换热器和浆态床反应器，更具体地说，涉及一种适合费托合成浆态床反应器的列管式换热器及浆态床反应器。

背景技术

由于我国石油资源短缺，为了保障国家能源安全，结合我国能源结构的特点，以煤为原料制取液体燃料是缓解这一问题的有效途径，其中费托合成是主要方法之一。费托合成是以煤或天然气为原料制备合成气，合成气在400～500℃的温度下，以铁或钴等为主体的催化剂催化作用下，生产烃类或者醇类液体燃料的方法。费托合成反应是一个强放热反应，放热量大。进行费托合成反应时，常发生催化剂局部过热，并引起催化剂积碳甚至堵塞床层，导致产物选择性降低。因此，需要有效移走反应器内生成的热量，保证反应器操作的安全性和提高目的产物的收率。同时，费托合成产物的分布和催化剂的活性对温度非常敏感，维持反应器内相对恒定的温度对浆态床反应器内反应的顺利进行和安全操作十分重要，因此开发新型有效的换热器形式十分重要，目前已有许多不同形式的换热器。

CN101396647A公开了一种适用于浆态床反应器的新型换热器，其换热器部分可以采用一段式主换热器，也可以采用两段主换热器。由于分离区构件之间存在着较大的空间，根据生产需要，可以考虑在上主换热器外设置小型换热器元件组，起到调节液固分离区所占空间的温度的作用。此换热器中加入了导流管，实现上下两段换热器的热耦合，减两段间的热负荷差值，增加了操作弹性，因此换热温度可保障了浆态床反应器内反应的充分进行。此发明的换热器为了强化换热效果和固液分离，只是在换热器的上部换热区换热列管截面积占反应器横截面的70～90％，不适合于浆态床反应器下部的进气口附近反应温度较高的换热要求。

CN101480595A公开了一种针翅片型换热器，在换热列管的外壁上安装有水平的针型翅片，每根换热列管上安装的针翅数目为80～800根，针型翅片直径为1～10mm，长度在10～125mm范围。采用针型翅片换热器列管，一方面可以增加换热面积，增强反应器换热能力；另一方面换热列管外壁的针型翅片可以对塔内气液相流体的流动具有阻碍作用，可遏制普通换热列管造成的流动陡峭效应(即“烟囱效应)，改善浆态床中的流速分布，实现强化传热和改善流动的双重功能。但是这种针翅片型换热器存在制造复杂的特点，且随着反应器尺寸的增大，势必要增加列管上的针翅片长度和数目，在保证换热效果前提下既增加了生产制造难度。

US4187902公开了一种利用高压冷却介质进行换热的换热器，此换热器主要特点是换热列管较长而且呈折形弯曲状，在换热过程中起到热补偿的作用，进行换热时换热列管可以随气液运动而发生震动，对带有沉淀物的液相，利用弯曲列管的震动作用可以减小沉淀物在列管上的沉积，防止在列管上结垢，提高换热效果。换热列管的尺寸不受反应器大小的限制，可以按照生产需要反应器内安装任意数量的换热列管，然后根据换热器的尺寸来反应器主体尺寸。由于这种换热列管呈较大角度的弯曲，增大了换热介质在列管中的流动阻力，为了保证换热效果必须要增大换热介质的动力能耗。

CN202339124U公开了一种螺旋扭转扁管换热器，包括壳体、管板、滑道和换热管束。换热管束呈螺旋状，含有两个螺旋扁管，扁管内外介质做螺旋运动，增强了液相湍动程度，提高了换热系数。管束之间依靠扁管的螺旋形外缘保持互相支撑，并由捆扎带捆在一起。由于没有折流板，不存在死区，并且管束中间有隔板隔开形成双壳程，壳程介质流程增加，与普通壳程换热器相比换热效率提高了20～30％。此换热器中滑道的宽度是该换热器的主要问题，如果过宽则对材料的强度要求增大，提高了制造难度和成本；如果过窄则不能较好的提高换热效果。

WO2009154333A1公开了一种应用于费托合成反应器的换热器，其中每个换热管束由同心的内管和外管组成，换热介质(高压冷却水)进入换热器顶部，然后分流进入按一定规则开设有小孔的内管。内管中的带压冷却水从小孔中以喷雾形式喷进外管，利用水雾吸收反应热转化为水蒸气的过程实现换热目的，水蒸气最后汇集到换热器顶部并从内管排出。此换热器的最大特点是换热列管采用内外套筒形式，而且要在内筒壁上开凿小孔实现换热，如此一来就增大了换热器的制造难度，加大了生产成本。

由以上分析可知，诸如上述类似的列管式换热器存在适用范围局限，过大占用反应器体积以及制造复杂等问题，尤其是不能对反应器内温度不同区域进行针对性的换热，经换热后仍然存在着温度分布不均匀的问题，同样也会影响列管的换热效果，而且上述换热器不能较好的适用于费托合成浆态床反应器。对于浆态床反应器而言，有必要根据其内部温度分布不均匀的特点，有针对性的加密或者较少列管的分布，这样可以有效实现床层内温度的均匀分布，有利于反应的高效进行，能大大提高产物的收率和选择性。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种有效实现费托合成浆态床反应器内均匀换热的列管式换热器。

本实用新型要解决的技术问题之二是提供一种采用上述列管换热器的费托合成浆态床反应器。

本实用新型提供的一种列管式换热器，由至少一组换热单元组成，所述的换热单元由下至上包括液体分配器4、至少两根换热列管1、连通相邻换热列管的连接管2和集总器3，多个所述的连接管2在相邻的换热列管1之间均匀分布，所述的连接管2与换热列管1之间的夹角为锐角。

本实用新型提供的一种费托合成浆态床反应器，浆态床反应器内设置上述任一种所述的列管式换热器，所述的浆态床反应器的合成气进口位于所述的列管式反应器的换热列管支管的轴向区域内。

本实用新型提供的列管式换热器适用于费托合成浆态床反应器，在大型浆态床反应器中可以安装多组的换热单元，有利于列管式换热器的安装和维修。所述的列管式换热器中换热列管之间的连接管强化了换热效果，有效实现浆态床反应器内的均匀换热，还增加了不同位置换热列管内换热介质的互通性，促进了换热介质的流通和混合，能有效实现费托合成浆态床反应器内换热器的均匀换热。

附图说明

图1a为本实用新型提供的换热单元的正视图。

图1b为本实用新型提供的换热单元的局部放大图。

图2a、图2b、图2c分别为四管式管束换热单元、十九管式管束换热单元横截面图。

图3为安装了列管式换热器的浆态床反应器横截面示意图。

图4a为本发明提供的费托合成浆态床反应器结构示意图。

图4b为图4a中浆态床反应器截面A-A和截面B-B上热电偶探针的安装方式示意图。

其中：1-换热列管，2-连接管，3-换热器集总器，4-流体分配器，5-热电偶插入口，6-气体入口，7-原料入口，8-反应器液相出口，9-换热介质入口，10-换热介质出口，11-热电偶探针。

具体实施方式

本实用新型提供的列管式换热器是这样具体实施的。

一种列管式换热器，由至少一组换热单元组成，所述的换热单元由下至上包括液体分配器4、换热列管1、连通相邻换热列管的连接管2和集总器3，多个所述的连接管2在相邻的换热列管1之间均匀分布，所述的连接管2与换热列管1之间的夹角为锐角。

本实用新型提供的列管式换热器中，所述的连接管与竖直安装的换热列管之间的夹角优选为15°～75°、更优选30°-60°。连接管与换热列管之间的夹角主要取决于相邻换热列管的管间距和换热介质在列管内的流速，同时还与换热介质的热力学性质等有关。为保证换热介质在换热列管内吸收热量产生的蒸汽能有效从换热列管内移除，避免蒸汽在换热列管内滞留影响换热效果，优选地，同一根所述的换热列管1上相邻的连接管2呈V型排布(如附图1所示)。

本实用新型提供的列管式换热器中，沿竖直安装的换热列管1的轴向上，安装有连接管2的换热列管的高度与换热列管总高度之比为0.1～1：1、优选0.6～0.95：1。

本实用新型提供的列管式换热器在使用过程中，换热介质通过换热介质入口9进入液体分配器4，然后流入各换热列管1和连接管2，经过换热后的换热介质在换热器顶部汇集到集总器3中，最终从换热介质出口10流出，并带走反应热。

本实用新型提供的列管式换热器中，连接管在不同换热列管之间均匀分布，不同换热列管1上的连接管的数量之比为0.5～4：1、优选为0.8～1.2：1。

本实用新型提供的列管式换热器中，设计所述的连接管的管径取决于浆态床反应器内的换热要求，也与换热介质在换热列管内的流量有关。为了便于换热列管之间的连接管的安装，优选地，所述的换热列管1与连接管2的管径比为2～12：1、更优选为3～6：1。

本实用新型提供的列管式换热器中，与同一换热列管连接的相邻连接管之间的间距L过小，不但增加了制造难度，并且对换热列管材料要求更苛刻。相邻连接管之间的间距L过大，不能达到提高换热能力的目的。由于同一根换热列管上相邻连接管的安装方向不同，使得换热列管上的相邻连接管位置间距不是均匀分布，L大小的设定需要结合整个换热器的结构以及换热要求而定，所述的换热列管上相邻的连接管2的间距L与连接管2的管径(外径)之比为1:1～10:1、优选2:1～8:1，更优选1:1～3:1。

本实用新型提供的列管式换热器中，一组换热单元由多根换热列管组成，例如四管式管束换热单元(见附图2a、附图2b)，或者十九管式管束换热单元(见附图2c)。换热列管有多种排布方式，包括同心圆排布、三角形排布以及正方形排布。通过连接管将各相邻换热列管连通，根据具体的换热要求，连接管与换热列管连接的密集程度可以灵活控制，以达到均匀有效换热的目的。由于费托合成浆态床反应器内，气体进口附近区域反应充分，放热量大温度较高，在此区域可以灵活控制连接管的安装数量，增大对该区域的换热强度，实现反应器内温度的均匀分布。

一种费托合成浆态床反应器，浆态床反应器内设置上述任一种所述的列管式换热器，所述的浆态床反应器的合成气进口位于所述的列管式反应器的换热列管支管的轴向区域内。

优选地，换热列管1的高度为浆态床反应器总高的50％～90％、更优选50％～70％。

以下参照附图具体说明本实用新型提供的列管式换热器和费托合成浆态床反应器，以及其应用方法。

附图1a、附图1b为本实用新型提供的一组换热单元的正视图和局部放大图，由附图1可见，所述的换热单元由下至上包括液体分配器4、换热列管1、连通相邻换热列管的连接管2和集总器3，多个所述的连接管2在相邻的换热列管1之间均匀分布，所述的连接管2与换热列管1之间的夹角为锐角。其中附图1b中的L即为相邻的连接管2的间距。

将本实用新型提供的列管式换热器安装在浆态床反应器内，可安装一组或多组的换热单元，一般包括四管式管束换热单元和十九管式管束换热单元，由于换热单元便于安装和拆除，方便修理管束或维修浆态床反应器，因此可以较好的适用于大型浆态床反应器。图3为大型浆态床反应器内安装本实用新型提供的列管式换热器的横截面示意图，如图3所示，浆态床反应器内安装七组十九管式管束换热单元和六组四管式管束换热单元。十九管式管束换热单元可以高效的使用反应器的横截面积，四管式管束换热单元有助于填充反应器横截面积的空闲部分。

本实用新型提供的列管式换热器及费托合成浆态床反应器在使用过程中，采用换热介质与反应器内的反应物流并流的形式换热。附图4a为本实用新型提供的费托合成浆态床反应器的结构示意图，如附图4a所示，换热介质由换热介质入口9流入换热器，经液体分配器4，分给各换热列管1，经换热列管1流入到各连接管2内，经过换热后的换热介质，在换热器上部由集总器3汇集后，通过换热介质出口10排出反应器。含有催化剂的反应浆料从反应器底部的物料入口7加入浆态床反应器，合成气由反应器底部的气体入口6进入反应器，反应后的物料，气体由反应器顶部排出，含有催化剂的液体经液相出口8流出反应器。反应物流与换热介质以并流向上的方式流动。在反应器体积一定的情况下，由于连接管的安装显著增大了换热面积，同时连接管将换热列管相互连通，促进了换热管内换热介质的混合，相对于普通的列管换热器具有更好的换热效果。本换热器的壳体、换热列管、集总管、分配器等根据工艺条件进行设计，也可以根据现行国家标准尺寸，后者有利于现有装置的改造。管束的尺寸可以按照工艺条件进行设计，其外部连接尺寸也可以按照现行国家标准进行设计。

以下通过实施例具体说明本实用新型的结构和应用效果，但本实用新型并不因此而受到任何限制。

实施例1

将本实用新型提供的列管式换热器安装在塔径D＝0.5m，塔高H＝6m的浆态床反应器内，浆态床反应器内液位高也就是换热器高度为4m。采用19管式管束换热单元，换热列管1长度为4m，外径为25mm，换热列管1采用等边三角方式排布，管间距为90mm；连接管外径为22mm，安装位置距离L大小等于连接管外径22mm，并且连接管与换热列管间的夹角为45°。

连接管从距离竖直换热列管下端0.1m处开始安装，约为换热列管竖直长度的0.9倍。如附图4a、4b所示，在浆态床反应器轴向上安装热电偶探针11，测量经换热后的反应物流温度，从而根据轴向温度分布确定换热器是否实现均匀换热。在换热器顶端截面A-A上安装3个热电偶探针11，且探针的探头均在距离径向中心1/2半径处，通过这3个测量点的温度平均值和温度标准方差，检验该截面的温度均匀性；与此类似，在换热器底端截面B-B上同样安装3个热电偶探针。在这两截面间的轴向上等距离安装3个热电偶探针，各热电偶探针垂直距离为1m，通过此轴向高度上的5个(包括了上述两截面上的平均温度值)测量点的温度平均值和温度标准方差，检验轴向温度的均匀性。当表观气速为0.1884m/s时，各温度监测点温度见表1、表2。

对比例1

为了比较本实用新型的换热器与其他换热器的改善效果，由于CN101480595A公开的针翅片型换热器是适用于鼓泡床反应器，鼓泡床内部温度分布和流动特点与浆态床相似，因此与本实用新型的换热器的具有较好的可比性。CN101480595A中换热器针翅阻尼面积密度是单位流体体积，垂直于流动方向针翅片的横截面积，对比例中选用针翅阻尼面积密度4.26m²/m³。当表观气速为0.1884m/s时，各温度监测点温度如表2所示。

由表1可知，实施例1中上下截面温度的标准方差，较对比例一中上下截面温度的标准方差小，显然实施例1中的上下截面的温度分布更为均匀，因此更好的均匀换热。由表2可知，实施例1的轴向温度标准方差较对比例1的轴向温度标准方差小，可见实施例1的温度标准方差较小，显然实施例1中的换热器可以更有效的实现轴向均匀换热。对于在反应器下部，连接管密集的分布，既提高了换热效果，又能起到类似气体分布器的作用，有助于气液两相间的充分接触。

表1实施例1与对比例1的径向截面监测点温度(℃)的比较

表2实施例一与对比例一轴向各监测点温度(℃)的比较

实施例2

将实施例1中列管束换热器应用于塔径为1m，塔高为15m的中型浆态床反应器中，如图3所示的反应器横截面示意图。浆态床反应器内的反应流体和换热列管内的换热介质流动方式与实施案例1相同。换热介质通过液体分配器进入每组换热管束中，每组管束内的换热列管通过经过换热后从换热器顶部的集总器。十九管式管束换热单元中，每组换热列管呈同心圆分布，相同分布半径的换热列管通过连接管连通，换热列管长度为10m，外径为38mm，管间距为158mm；连接管与换热列管的间的夹角为60°，连接管的外径为32mm，连接管间距L为32mm。

连接管用于连接相邻换热列管，连接管从距离竖直主换热列管下端0.2m处开始安装，约为换热列管竖直长度的0.9倍。并且在反应器轴向上安装热电偶探针，测量经换热后的反应流体的温度，从而根据轴向温度分布确定换热器是否实现均匀换热。在换热器顶端反应器的横截面A-A上安装3个热电偶探针，且探针的探头均在距离径向中心1/2半径处，通过这3个点温度平均值和温度标准方差，检验该截面的温度均匀性；与此类似，在换热器底端反应器的横截面B-B上同样安装3个热电偶探针。在这两截面间的轴向方向等距离安装3个热电偶探针，各热电偶探针轴向间距为3m，通过此轴向高度上的5个(包括了上述两截面上的平均温度值)点温度平均值和温度标准方差，检验轴向温度的均匀性。当表观气速为0.25m/s时，各温度监测点温度见表3、表4。

对比例2

将对比例1中的结构按比例放大成塔径为1m，塔高为15m的鼓泡床反应器，采用157根总长为10m、管径为38mm的换热列管，管间距为158mm。反应器内的反应流体和换热介质流动方式与实施例1相同。与对比例1相同，换热列管壁上的针翅密度也为4.26m²/m³。

如表3可知，实施例2中上下截面温度的标准方差较对比例2中上下截面温度的标准方差小，显然实施例2中的上下截面的温度分布更为均匀，因此实施例2中两处截面的径向上换热能更好的均匀换热。由表4可知，实施例2的轴向温度标准方差较对比例2的轴向温度标准方差小，可见实施例2的温度标准方差较小，显然实施例2中的换热器可以更有效的实现轴向均匀换热。对于在反应器下部，连接管密集的分布，既提高了换热效果，又能起到类似气体分布器的作用，有助于气液两相间的充分接触。

表3实施例2与对比例2的径向截面监测点温度(℃)的比较

表4实施例2与对比例2轴向各监测点温度(℃)的比较

由上述实施例与对比例的比较结果可知，本实用新型提到的列管式换热器，能有效实现反应器轴向方向的均匀换热；而且在气体进口附近处反应器横截面的温度分布显示，该区域温度分布较均匀，能较好的符合费托合成浆态床反应器的换热要求。

Claims (12)

1.一种列管式换热器，由至少一组换热单元组成，其特征在于，所述的换热单元由下至上包括液体分配器(4)、换热列管(1)、连通相邻换热列管的连接管(2)和集总器(3)，多个所述的连接管(2)在相邻的换热列管(1)之间均匀分布，所述的连接管(2)与换热列管(1)之间的夹角为锐角。

2.按照权利要求1所述的列管式换热器，其特征在于，同一根所述的换热列管(1)上相邻的连接管(2)呈V型排布。

3.按照权利要求1所述的列管式换热器，其特征在于，换热列管(1)与连接管(2)之间的夹角范围在30°～60°。

4.按照权利要求1所述的列管式换热器，其特征在于，换热列管(1)的轴向上，安装有连接管(2)的换热列管高度与换热列管总高度之比为(0.1～1)：1。

5.按照权利要求4所述的列管式换热器，其特征在于，换热列管(1)的轴向上，安装有连接管(2)的换热列管高度与换热列管(1)总高度之比为(0.6～0.95)：1。

6.按照权利要求1所述的列管式换热器，其特征在于，所述的换热列管(1)与连接管(2)的管径比为1～12：1。

7.按照权利要求6所述的列管式换热器，其特征在于，所述的换热列管(1)与连接管(2)的管径比为1～4：1。

8.按照权利要求1所述的列管式换热器，其特征在于，所述的换热列管上相邻的连接管(2)的间距L与连接管(2)的管径之比为1:1～10:1。

9.按照权利要求8所述的列管式换热器，其特征在于，所述的换热列管上相邻的连接管(2)的间距L与连接管(2)的管径之比为2:1～8:1。

10.一种费托合成浆态床反应器，其特征在于，浆态床反应器内设置按照权利要求1-9中任一种所述的列管式换热器，所述的浆态床反应器的合成气进口位于所述的列管式反应器的换热列管支管的轴向区域内。

11.按照权利要求10所述的浆态床反应器，其特征在于，换热列管(1)的高度为浆态床反应器总高的50％-90％。

12.按照权利要求11所述的浆态床反应器，其特征在于，换热列管(1)的高度为浆态床反应器总高的比为50％-70％。