CN209612901U - 一种等温等流速双水冷卧式反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种等温等流速双水冷卧式反应器，包括筒体、左封头和右封头、分别设于筒体左、右端的左端外管板和右端外管板、设于筒体内的左端内管板和右端内管板、安装于左端内管板和右端内管板间的触媒框、套管式水冷换热管组；套管式水冷换热管组包括相邻两层进水方向相反的套管层，每层套管层包括若干套管，套管包括内套管、外套管，外套管的一端由内管板固定，另一端密闭并水平伸入催化剂床层，内套管的一端由外管板固定，另一端水平伸入相应的外套管内。本实用新型催化剂在管外形成矩形催化剂床层，反应气体自上而下穿过床层，不存在轴向流；对称安排套管式水冷换热管组横穿催化剂床，达到催化剂床层的等温性，实现床层等温反应的目的。

Description

一种等温等流速双水冷卧式反应器

技术领域

本实用新型属于化学反应工程中气固相催化反应器领域，涉及一种低压反应装置，具体涉及一种等温等流速双水冷卧式反应器，特别是涉及一种移热能力强、流体阻力低和等温性能好的双水冷卧式反应器。

背景技术

内冷式气固反应器种类繁多，其中管壳式反应器是比较常见的内冷式气固反应器。管壳式反应器按反应气体穿过催化剂床层的流向可分为轴向流反应器和径向流反应器，轴向流反应器按催化剂装填方式又可分为立式轴向流管壳式反应器和立式轴向冷管式反应器。

立式轴向流管壳式反应器(催化剂在管内，冷却水在管外，如图1)是由多个管式反应器并联操作的反应器，其优点是冷却面积较多，比传热面达100-140m²/m³催化剂，等温性和等流速性较好，结构较简单。其缺点是阻力高，难以大型化，而且数量众多的单管呈封闭操作，某些单管易于超温和飞温，造成单管损坏而停产，如图2所示，管式反应器管内中心点温度随反应的进程逐步积累升高，到达某一位置后开始飞温，温度已经不可控制。

立式轴向冷管式反应器(催化剂在管外，冷却水在管内，如图3)，其优点是催化剂床层是开放性操作，即使超温也不易造成单管损坏，结构也较为简单，但是其传热面积较小，比传热面仅为30-60m²/m³催化剂，传热能力不足，且其等温性差，不适合用于强放热反应工况，因为是轴向流，则阻力大，功耗高，难以大型化。

立式径向冷管式反应器(如图4)，其优点是阻力小，功耗低，易于大型化。缺点是床层的上下端存在径向流和轴向流同时并存的复杂流态，在该复合流态区内，不适用对等温性和等流速性要求高的反应。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种等温等流速双水冷卧式反应器。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种等温等流速双水冷卧式反应器，包括筒体9、分别设于筒体9两侧的左封头1a和右封头1b、分别设于筒体9左、右两端的左端外管板3a和右端外管板3b、分别设于筒体9内部的左端内管板6a和右端内管板6b、安装于左端内管板6a和右端内管板6b之间的触媒框21、若干套管式水冷换热管组；所述的左端内管板6a与左端外管板3a之间构成左端管箱，所述的右端内管板6b与右端外管板3b之间构成右端管箱；在所述的触媒框21内装填催化剂形成催化剂床层，在筒体9顶部设有若干个进气口11，沿筒体9顶部内壁设有布气管8，在筒体9底部设有若干出气口18，沿筒体9底部内壁设有集气管17，反应气体自进气口11进入反应器后经布气管8均匀分布后自上而下穿过床层，由集气管17收集后自出气口18排出；在所述的左、右封头分别设有多个冷却水进口5，在左、右端管箱顶部和/或底部分别设有冷却水出口12；所述的套管式水冷换热管组包括相邻两层进水方向相反的套管层，每层套管层包括若干套管，所述的套管包括内套管、外套管，外套管的一端由左端内管板6a或右端内管板6b固定，另一端密闭并水平伸入催化剂床层但不与右端内管板6b或左端内管板6a接触以留有膨胀间隙，内套管的一端由左端外管板3a或右端外管板3b固定，另一端水平伸入相应的外套管内，且内套管的端部不与外套管的端部接触以留有膨胀间隙，冷却水进入内套管，沿内套管流到终端后折返，经内、外套管间的环隙流向外套管出水端口，在管箱内汇合，经冷却水出口排出反应器。

所述的套管中外套管和内套管的轴位于同一水平线上。

优选的，在左、右封头内分别沿冷却水进口5设置隔板2沿竖直方向将封头分隔成多个进水分布通道将冷却水分配入内套管。具体操作时，根据反应区的需要移热量进行分区和控制进水温度和进水量。

相邻两层两层进水方向相反的套管层的套管交错排列实现三角形布管，即进水方向相反的套管层的套管交错排列实现三角形布管。所述的三角形为等边三角形。相邻两层进水方向相同的套管层的套管呈矩形布管方式。

优选的，所述的外套管的一端焊接在左端内管板6a或右端内管板6b上，伸入触媒框21内的外套管由若干支撑板10支撑；所述的内套管的一端焊接在左端外管板3a或外端外管板3b上。

所述的支撑板10为矩形板，矩形板设有供外套管穿过的孔。

优选的，所述的内、外套管之间的环隙为2-6mm；所述的外套管的管径Φ为14-32mm；所述的外套管为变径管或直径不变的管道。

优选的，套管式水冷换热管组包括上下相邻的左端套管层和右端套管层；所述的左端套管层包括若干左端套管，左端套管包括左端内套管4a、左端外套管7a，左端外套管7a的一端由左端内管板6a固定，另一端密闭并水平伸入催化剂床层，伸入触媒框21内的外套管部分由若干支撑板10支撑；左端内套管4a的一端由左端外管板3a固定，另一端水平伸入相应的左端外套管7a内，且左端内套管4a的端部不与左端外套管7a的端部接触，冷却水进入左封头1a，经隔板2分配进入内套管，沿内套管流到终端后折返，经内、外套管间的环隙流向外套管出水端口，在管箱内汇合，经冷却水出口5排出反应器；所述的右端套管层包括若干右端套管，右端套管包括右端内套管4b、右端外套管7b，右端外套管7b的一端由右端内管板6b固定，另一端密闭并水平伸入催化剂床层，伸入触媒框21内的外套管部分由若干支撑板10支撑；右端内套管4b的一端由右端外管板3b固定，另一端水平伸入相应的外套管内，且右端内套管4b的端部不与右端外套管7b的端部接触。

为了便于检修，在所述的筒体9的上部、下部设有若干个人孔19。同时控制左、右端管箱的宽度约为1m。

优选的，所述的布气管8为半圆管，布气管8的两侧弧边焊接在筒体9顶部内壁，在布气管8设有布气孔。

每个进气口11配备一个布气管8，布气管8的两端管口密闭；或所有的进气口11配备一个布气管8，布气管8的两端管口密闭或与左、右端内管板连接。

优选的，所述的集气管17为半圆管，集气管17的两侧弧边焊接在筒体9底部内壁，在集气管17设有集气孔使气体通过小孔进入管内，汇集后从出气口排出。

每个出气口18配备一个集气管17，集气管17的两端管口密闭；或所有的出气口18配备一个集气管17，集气管17的两端管口密闭或与左、右端内管板连接。

优选的，所述的触媒框21为长方体触媒框；所述的触媒框21顶部敞口，底部从上往下依次设有鱼鳞板和集气板16，起到支撑和隔离触媒的作用，触媒筐21的前、后侧板分别和同侧筒体9内壁形成密闭空腔供冷却介质流动，在密闭空腔对应的筒体下部设有保护水进口14，上部设有保护水出口20。所述的鱼鳞板上的鱼鳞孔的长度为10-100mm，宽度小于催化剂的颗粒度，相邻鱼鳞孔的间距为25-80mm；所述的集气板16布有通气孔，与鱼鳞板配合避免气流死角同时起到高效的气体分布作用。

进一步的，在所述的筒体9下部内壁设有轴向的支撑梁22，所述的集气板16由支撑梁22支撑，不与筒体焊接。

所述的触媒筐21的前、后侧板焊接在筒体1内壁。

优选的，在触媒框21顶部对应的筒体9上设有多个装剂孔，不需要打开筒体，直接通过装剂孔即可将催化剂填入触媒框内；在触媒框21底部对应的筒体9上沿轴向设有多个卸剂孔15即可实现更换催化剂，相邻两个卸剂口15间距约为0.7-0.8m。

本实用新型所述的等温等流速双水冷卧式反应器的长径比即L:D＝1:1-1:10，其流体阻力大致为轴向流反应器的1/10-1/2，可大幅度节省功耗和有利于实现大型化。长度L相当于是左、右内管板的距离。

优选的，在所述的左、右封头上分别设有多列测温电偶口，自测温电偶口安装热电偶13用于监测催化剂床层温度。进一步优选的，同一列中上下相邻两个热电偶13的间距约为250-300mm。

如图8所示，催化剂床层为规整的长矩形，催化剂装在管外，工艺气流速自上而下不变，完全成等流速流动，不存在轴向流，床层的任何部位都不存在“轴径向混合流”的流态。

如图9或图10所示，通过冷却水进口和进水分布通道实现床层换热分区，冷却水进入左封头1a，经分程隔板2分配进入左端内套管4a，沿左端内套管流到终端后折返，经内、外套管间的环隙流向左端外套管7a出水端口，在管箱内汇合，经冷却水出口5排出反应器；冷却水进入右封头1b，经分程隔板2分配进入右端内套管4b，沿内套管流到终端后折返，经内、外套管间的环隙流向右端外套管7b出水端口，在管箱内汇合，经冷却水出口5排出反应器；通过冷却水循环流程分别控制水温，以实现控制床层温度，提高移热能力及转化率使之符合反应要求。同时，触媒筐双侧水夹套内通入循环水，在反应区外部筒体间形成水浴保护，能在有效移热的和减少冷壁效应的同时保证壳体温差在20-30℃内，有效降低壳体的温差应力。

与现有立式管壳式反应器比较，本实用新型的有益效果：

与同样低阻力的径向流反应器相比，本实用新型卧式反应器中催化剂床层为规整的长矩形，催化剂装在管外，工艺气流速自上而下不变，完全成等流速流动，不存在轴向流，床层的任何部位都不存在“轴径向混合流”的流态，适应于某些特殊要求的等流速的化学反应。

本实用新型采用整体结构，可以密集排管、增大排管数量，使比传热面达到180-240m²/m³催化剂，可满足最强放热反应的传热要求。对称安排套管式水冷换热管组横穿催化剂床，使床层实现完全相等流速的流态目的，由反应器移热量决定外套管的直径和数量，由催化剂床层两端温度补偿后的等温性决定内套管的直径和长度，使该外套管的温度实现最佳温差补偿，套管式水冷换热管对称排布和互相补偿，实现套管式水冷换热管等温移热的特性，实现催化剂放热反应过程中的等热量传热，达到催化剂床层的等温性，实现床层等温反应的目的。

水冷套管一段固定，另一端为自由端，可最大限度消除各水冷管的温差应力，从而提高反应器长周期运行的可靠性。

设计触媒筐、触媒筐双侧水夹套内通入循环水，在反应区外部筒体间形成水浴保护，能在有效移热的和减少冷壁效应的同时保证壳体温差在20-30℃内，有效降低壳体的温差应力。

双水冷卧式反应器具有很低的流体阻力，对于节省能耗、反应器大型化和规模化具有重要意义。

附图说明

图1立式轴向流管式反应器的示意图；

图2为管式反应器温度分布图；

图3立式轴向流反应器示意图；

图4立式径向流反应器示意图；

图5为本实用新型等温等流速双水冷卧式反应器的结构示意图；

图6为图5的A-A向剖视图；

图7为图5的封头管口示意图；

图8为工艺气经过本实用新型等温等流速双水冷卧式反应器触媒框催化剂床层的示意图；

图9为本实用新型等温等流速双水冷卧式反应器(配双汽包)的冷却水循环流程示意图；

图10为本实用新型等温等流速双水冷卧式反应器(配单汽包)的冷却水循环流程示意图；

图11为实施例1冷却水循环流程示意图。

图中，1a-左封头，1b-右封头，2-进水隔板，3a-左端外管板，3b-右端外管板，4a-左端内套管，4b-右端内套管，5-冷却水进口，6a左端内管板，6b-右端内管板，7a-左端外套管，7b-右端外套管，8-布气管，9-筒体，10-支撑板，11-进气口，12-冷却水出口，13-热电偶，14-保护水进口，15-卸剂口，16-集气板，17-集气管，18-出气口，19-人孔，20-保护水出口，21-触媒框，22-支撑梁。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步说明。所述实施例中的参数仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内的所作修改、等同替换和改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

实施例1

如图5-图7所示，一种等温等流速双水冷卧式反应器，包括筒体9、分别设于筒体9两侧的左封头1a和右封头1b、分别设于筒体9左、右两端的左端外管板3a和右端外管板3b、分别设于筒体9内部的左端内管板6a和右端内管板6b、安装于左端内管板6a和右端内管板6b之间的触媒框21、若干套管式水冷换热管组，设于筒体9上部、下部的若干个人孔19；所述的左端内管板6a与左端外管板之间构成左端管箱，所述的右端内管板6b与右端外管板3b之间构成右端管箱，左、右端管箱的宽度约为1m；在所述的触媒框21内装填催化剂形成催化剂床层，在筒体9顶部设有若干个进气口11，沿筒体9顶部内壁设有布气管8，在筒体9底部设有若干出气口18，沿筒体9底部内壁设有集气管17，反应气体自进气口11进入反应器后经布气管8均匀分布后自上而下穿过床层，由集气管17收集后自出气口18排出；在所述的左、右封头分别设有多个冷却水进口5，在左、右端管箱顶部分别设有冷却水出口12；所述的套管式水冷换热管组包括相邻两层进水方向相反的套管层，即左端套管层和右端套管层，所述的左端套管层包括若干左端套管，左端套管包括左端内套管4a、左端外套管7a，左端外套管7a的一端由左端内管板6a固定，另一端密闭并水平伸入催化剂床层但不与右端内管板6b接触以留有膨胀间隙，伸入触媒框21内的外套管部分由若干支撑板10支撑；左端内套管4a的一端由左端外管板3a固定，另一端水平伸入相应的左端外套管7a内使外套管和内套管的轴位于同一水平线上，且左端内套管4a的端部不与左端外套管7a的端部接触；所述的右端套管层包括若干右端套管，右端套管包括右端内套管4b、右端外套管7b，右端外套管7b的一端由右端内管板6b固定，另一端密闭并水平伸入催化剂床层，伸入触媒框21内的外套管部分由若干支撑板10支撑；右端内套管4b的一端由右端外管板3b固定，另一端水平伸入相应的外套管内，且右端内套管4b的端部不与右端外套管7b的端部接触。在左、右封头内分别沿冷却水进口5设置隔板2，通过隔板2将封头分隔成进水分布通道将冷却水分配入内套管。

相邻两层进水方向相反的套管层的套管交错排列实现等边三角形布管，管间距为23mm；相邻两层进水方向相同的套管层的套管呈矩形布管方式。

所述的内、外套管之间的环隙为4mm。

所述的支撑板10为矩形板，设有和外套管管径对应的孔，外套管穿过支撑板的孔。

所述的布气管8为半圆管，布气管8的两侧弧边焊接在筒体9顶部内壁，在布气管8设有布气孔。所有的进气口11配备一个布气管8，布气管8的两端管口密闭或与左、右端内管板连接。

所述的集气管17为半圆管，集气管17的两侧弧边焊接在筒体9底部内壁，在集气管17设有集气孔使气体通过小孔进入管内，汇集后从出气口排出。所有的出气口18配备一个集气管17，集气管17的两端管口密闭或与左、右端内管板连接。

所述的触媒框21为长方体触媒框；所述的触媒框21上部开口，底部从上往下依次设有鱼鳞板和集气板16，鱼鳞板上的鱼鳞孔的长度为10-100mm，宽度小于催化剂的颗粒度，相邻鱼鳞孔的间距为25-80mm，集气板16布有通气孔，集气板16由筒体9下部内壁轴向的支撑梁22支撑；触媒筐21的前、后侧板分别焊接在筒体9内壁，和同侧筒体9内壁形成密闭空腔供冷却介质流动，在密闭空腔对应的筒体9下部设有保护水进口14，上部设有保护水出口20。在触媒框21顶部对应的筒体9上设有多个装剂孔，在触媒框21底部对应的筒体9上沿轴向设有多个卸剂孔15，相邻两个卸剂口15间距约为0.8m。

在所述的左、右封头上分别设有多列测温电偶口，同一列中上下相邻两个热电偶13的间距约为250-300mm，自测温电偶口安装热电偶13用于监测催化剂床层温度。

如图8所示，催化剂床层为规整的长矩形，催化剂装在管外，工艺气流速自上而下不变，完全成等流速流动，不存在轴向流，床层的任何部位都不存在“轴径向混合流”的流态。

本实施例中筒体9的直径为3400mm；外套管长度11000mm，反应器长径比3.2，外套管7a、7b规格Φ19mm，内套管4a、4b规格Φ8mm，换热管数量8500根，催化剂比冷面为200m²/m³，a、b端进水分区分别为3个区，冷却水循环配单汽包，流程图如图11所示，通过冷却水进口和进水分布通道实现床层换热分区，冷却水进入左封头1a，经分程隔板2分配进入左端内套管4a，沿左端内套管流到终端后折返，经内、外套管间的环隙流向左端外套管7a出水端口，在管箱内汇合，经冷却水出口5排出反应器；冷却水进入右封头1b，经分程隔板2分配进入右端内套管4b，沿内套管流到终端后折返，经内、外套管间的环隙流向右端外套管7b出水端口，在管箱内汇合，经冷却水出口5排出反应器；通过冷却水循环流程分别控制水温，以实现控制床层温度，提高移热能力及转化率使之符合反应要求。同时，触媒筐双侧水夹套内通入循环水，在反应区外部筒体间形成水浴保护，能在有效移热的和减少冷壁效应的同时保证壳体温差在20-30℃内，有效降低壳体的温差应力。

将本实施例等温等流速双水冷卧式反应器作为年产7万吨乙二醇羰化合成反应器，与同等规模的立式管壳式反应器相比较，结果如表1。

表1

注：“×2”为两台立式管壳式反应器。

实施例2

在实施例1等温等流速双水冷卧式反应器的基础上，调整左、右端管箱的底部分别设有冷却水出口12。

Claims (10)

1.一种等温等流速双水冷卧式反应器，其特征在于包括筒体、分别设于筒体两侧的左封头和右封头、分别设于筒体左、右两端的左端外管板和右端外管板、分别设于筒体内部的左端内管板和右端内管板、安装于左端内管板和右端内管板之间的触媒框、若干套管式水冷换热管组；所述的左端内管板与左端外管板之间构成左端管箱，所述的右端内管板与右端外管板之间构成右端管箱；在所述的触媒框内装填催化剂形成催化剂床层，在筒体顶部设有若干个进气口，沿筒体顶部内壁设有布气管，在筒体底部设有若干出气口，沿筒体底部内壁设有集气管；在所述的左、右封头分别设有多个冷却水进口，在左、右端管箱顶部和/或底部分别设有冷却水出口；所述的套管式水冷换热管组包括相邻两层进水方向相反的套管层，每层套管层包括若干套管，所述的套管包括内套管、外套管，外套管的一端由左端内管板或右端内管板固定，另一端密闭并水平伸入催化剂床层，内套管的一端由左端外管板或右端外管板固定，另一端水平伸入相应的外套管内，且内套管的端部不与外套管的端部接触。

2.根据权利要求1所述的等温等流速双水冷卧式反应器，其特征在于相邻两层进水方向相同的套管层的套管交错排列呈三角形布管方式；相邻两层进水方向相同的套管层的套管呈矩形布管方式。

3.根据权利要求1所述的等温等流速双水冷卧式反应器，其特征在于所述的外套管伸入触媒框部分由若干支撑板支撑。

4.根据权利要求1所述的等温等流速双水冷卧式反应器，其特征在于所述的内、外套管之间的环隙为2-6mm；所述的外套管的管径为14-32mm。

5.根据权利要求1所述的等温等流速双水冷卧式反应器，其特征在于所述的套管式水冷换热管组包括上下相邻的左端套管层和右端套管层，左端套管层包括若干左端内套管、左端外套管，左端外套管的一端由左端外管板固定，另一端密闭并水平伸入催化剂床层，左端内套管的一端由左端内管板固定，另一端水平伸入相应的左端外套管内，且左端内套管的端部不与左端外套管的端部接触；右端套管层包括若干右端内套管、右端外套管，右端外套管的一端由右端外管板固定，另一端密闭并水平伸入催化剂床层，右端内套管的一端由右端内管板固定，另一端水平伸入相应的外套管内，且右端内套管的端部不与右端外套管的端部接触。

6.根据权利要求1所述的等温等流速双水冷卧式反应器，其特征在于在左、右封头内分别沿冷却水进口设置隔板，沿竖直方向将封头分隔成多个进水分布通道将冷却水分配入内套管。

7.根据权利要求1所述的等温等流速双水冷卧式反应器，其特征在于在所述的筒体的上部、下部设有若干个人孔；在所述的左、右封头上分别设有多列测温电偶口，自测温电偶口安装热电偶用于监测催化剂床层温度。

8.根据权利要求1所述的等温等流速双水冷卧式反应器，其特征在于所述的布气管为半圆管，布气管的两侧弧边焊接在筒体顶部内壁，在布气管设有布气孔；所述的集气管为半圆管，集气管的两侧弧边焊接在筒体底部内壁，在集气管设有集气孔。

9.根据权利要求1所述的等温等流速双水冷卧式反应器，其特征在于所述的触媒框为长方体触媒框；所述的触媒框顶部敞口，底部从上往下依次设有鱼鳞板和集气板，触媒筐的前、后侧板分别和同侧筒体内壁形成密闭空腔供冷却介质流动，在密闭空腔对应的筒体下部设有保护水进口，上部设有保护水出口。

10.根据权利要求1所述的等温等流速双水冷卧式反应器，其特征在于在触媒框顶部对应的筒体上沿轴向设有多个装剂孔，在触媒框底部对应的筒体上沿轴向设有多个卸剂孔。