專利名稱：一種抗溫差應力的換熱反應器及其組合裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及化學工程領域的催化反應設備，用于流體催化反應和傳熱過程，尤其涉及一種適用于合成甲醇、二甲醚、甲烷化、F-T反應、H2S氧化、氨合成等強放熱或吸熱反應過程的換熱反應器及其組合裝置。
背景技術(shù)：
近年來我國煤化工迅速發(fā)展，國家已把新建甲醇裝置的規(guī)模提高到單套年產(chǎn)一百萬噸以上，合成甲醇的原料氣也大多不是以前國外采用的天然氣轉(zhuǎn)化氣，而是煤制合成氣，合成原料氣中碳氫比大幅提高，導致每單位產(chǎn)品的反應熱高達2倍多，這給甲醇裝置的大型化提出巨大挑戰(zhàn)。對于如甲醇合成等一些強放熱反應，為了提高反應效率，需要在反應同時移出 反應熱，目前國內(nèi)外一些大甲醇裝置中用例如Lurgi管殼式甲醇塔用殼程水移走反應管中的反應熱，因為這種管內(nèi)裝催化劑的副產(chǎn)蒸汽塔冷卻面積大，管殼式比冷面即一立方米催化劑換熱面積已高達100多平方米,難以再提高(見Terry Fitzpatrich, methanolsynthesis options as feedstocas change,Finds number3 2007)。因此米用提高進塔氣量和氣體線速度，以便及時把反應熱帶出塔外防止反應“超溫”和“飛溫”，為此需采用高達5 10倍多于原料氣的循環(huán)氣(即循環(huán)比)來降低進合成塔氣體中CO等有效氣，否則快速反應產(chǎn)生的強反應熱會使催化劑過熱失活，但高的循環(huán)比需要增加相應的甲醇合成圈的設備和管道投資，并增加動力和能耗。計算表明用煤為原料使用Shell粉煤氣化或Texaco水煤漿氣化制得的合成氣，采用低循環(huán)比時出合成塔的甲醇含量可達30%多，而現(xiàn)有典型的甲醇合成出塔氣中甲醇含量只有5%左右，高循環(huán)比增加了工業(yè)裝置大型化的難度和投資。

實用新型內(nèi)容本實用新型的任務是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，通過反應器的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，提供一種具有高移熱能力、實現(xiàn)低循環(huán)比、高碳比原料氣、高合成率高凈值下的高效節(jié)能設備。本實用新型通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn)目的一種抗溫差應力的換熱反應器，包括殼體和換熱件，所述的換熱件包括若干換熱管，所述的換熱管間裝有催化劑，所述殼體上設有進氣口、出氣口、人孔和催化劑卸出口，所述的換熱件還包括設有帶管板的一對或多對聯(lián)箱，所述的聯(lián)箱包括進口聯(lián)箱和出口聯(lián)箱；內(nèi)外圈或同圈徑相鄰兩根所述的換熱管的底部由U形彎頭連接,構(gòu)成內(nèi)通換熱介質(zhì)的上行換熱管和下行換熱管布置,所述的上行換熱管與出口聯(lián)箱連接，所述的下行換熱管與進口聯(lián)箱連接；或者是內(nèi)外圈或同圈徑的換熱管的頂部由倒U形彎頭連接，倒U形彎頭連接的上行換熱管與進口聯(lián)箱連接、下行換熱管與出口聯(lián)箱連接。所述的換熱介質(zhì)可以是水或?qū)嵊汀Ｋ龅某隹诼?lián)箱可以分成多個，或者進口聯(lián)箱和出口聯(lián)箱都可成對稱布置，例如2個或4個或6個等。作為一種優(yōu)選，殼體上所述的進氣口和出氣口分別連接有氣體分布器。所述的進氣口和出氣口的位置可以有兩種布置方案，當所述的進氣口位于殼體頂部、所述的出氣口位于殼體底部時，氣體經(jīng)進氣口氣體分布器在管外催化劑床成軸向自上而下流動；或者在殼體中部雙側(cè)設置對稱的進氣口和出氣口，氣體經(jīng)兩側(cè)筒體內(nèi)的氣體分布板和多孔集氣板，在管外催化劑床成徑向橫過催化劑床層流動。作為一種優(yōu)選方案，所述的殼體內(nèi)設有繞管軸芯，同一 U形彎頭或倒U形彎頭連接的上行換熱管和下行換熱管沿繞管軸芯分別各自按向左和向右成反向螺旋形軸向布置。所述的換熱管以與水平面夾角小于60度纏繞，最優(yōu)為小于35度，相鄰兩層換熱管組的纏繞方向相反。作為一種優(yōu)選方案，所述的殼體外還設有帶法蘭連接封頭的外殼，所述的外殼與殼體間構(gòu)成換熱介質(zhì)夾套，所述的進口聯(lián)箱通過換熱介質(zhì)夾套與換熱介質(zhì)進口連通，出口聯(lián)箱與換熱介質(zhì)夾套不連通，其上部與穿過外殼和殼體的換熱介質(zhì)出口連通。內(nèi)外不同圈徑換熱管的管間的外壁間距優(yōu)選為使用催化劑粒徑的2 8倍，最優(yōu)為3 5倍。 本實用新型的換熱反應器中，進出口聯(lián)箱不限于殼體側(cè)面，也可在封頭上或封頭內(nèi)，連接換熱管的管板可以是平板、環(huán)弧形、內(nèi)凹形或外凸形。本實用新型的的換熱反應器可以多臺串聯(lián)或并聯(lián)組合使用，也可以與氣冷反應器或繞管氣冷反應器或臥式水管反應器組成聯(lián)合反應器以滿足大型反應裝置需要。所述的換熱反應器與氣冷反應器前后串連組合成大型反應器聯(lián)合裝置時，所述的換熱反應器的殼程出氣口和氣冷反應器的殼程進氣口連結(jié)，所述氣冷反應器管程出氣口與水冷繞管反應器的殼程進氣口連結(jié)。所述的換熱反應器與繞管氣冷反應器前后串連組合成大型反應器聯(lián)合裝置時，所述的換熱反應器的殼程出氣口和繞管氣冷反應器的殼程進氣口連結(jié)，所述繞管氣冷反應器的管程出氣口與所述的換熱反應器的殼程進氣口連結(jié)。所述的換熱反應器與臥式水冷反應器前后串聯(lián)組合成大型反應器聯(lián)合裝置時，換熱反應器的殼程出氣口和臥式水冷反應器的殼程進氣口連接。本實用新型的換熱反應器可廣泛應用于于甲醇合成、甲烷合成費托合成等氣液烴合成、氨合成、H2S氧化制硫磺等強放熱反應或天然氣或甲燒轉(zhuǎn)化成H2、C0、C02的合成氣、甲醇分解制H2、重油催化裂化等吸熱反應。本實用新型比已有技術(shù)具有以下明顯優(yōu)點I.用U形彎頭連結(jié)相鄰上下行管，比現(xiàn)有技術(shù)上下都設有聯(lián)箱降低一半接頭泄漏可能性，并降低制造費用。2.因催化劑裝在冷管間，故增加了裝填系數(shù)，達到60 %多，而德國Lurgi管殼式甲醇反應器催化劑裝在管內(nèi)，裝填系數(shù)只達30 %。3.可采用IOmm直徑壁厚Imm的薄壁小管傳熱系數(shù)大,可同時達到比冷面大、傳熱強和容積利用率高的良好效果。因此同樣產(chǎn)量的反應器體積大為縮小，投資大大節(jié)省，同時可用增加長度、擴大催化劑裝量和能力，尤其適用于大型、超大型年產(chǎn)百萬噸裝置。4.氣體流動一方面由于催化劑裝在管間增加流通截面，并且是由于高傳熱系數(shù)和換熱面積移熱能力強，可降合成循環(huán)比，提高單程合成效率。反應器阻力大幅降低，節(jié)約動力消耗。5.催化劑床層中氣體橫向流過換熱管，錯流提高傳熱系數(shù)和效率，減小溫差。[0020]6.管外裝催化劑成為一體，裝填易均勻。7.由于采用繞管作換熱管，可自由伸縮，抗溫差應力效果好，結(jié)構(gòu)可靠。8.可采用帶法蘭封頭，將內(nèi)封頭的冷管組抽出殼體外，清理冷管和裝卸催化劑方便。

圖I是本實用新型中有U形彎頭、殼體上部設置一對聯(lián)箱的換熱反應器結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ia是圖I所示的換熱反應器的工藝流程簡圖。圖2是本實用新型中有倒U形彎頭、殼體下部設置一對聯(lián)箱的換熱反應器結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2a是圖2所示的換熱反應器的工藝流程簡圖。圖3是本實用新型中氣體橫向流動的換熱反應器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實用新型中有外殼的換熱反應器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本實用新型的換熱反應器水冷并聯(lián)裝置示意圖圖6是氣冷反應器A和本實用新型換熱反應器串聯(lián)裝置示意圖。圖6a是繞管氣冷反應器和本實用新型換熱反應器串聯(lián)裝置示意圖。圖7是本實用新型換熱反應器和橫向臥式水冷串聯(lián)裝置示意圖。圖8是本實用新型換熱反應器中U形彎頭與繞管連接部分的示意圖。圖9本實用新型換熱反應器中倒U形彎頭與繞管連接部分的示意圖。附圖標記說明I-殼體2-換熱管2a_上行換熱管 2b_下行換熱管3-進氣口4-人孔5-出氣口6-催化劑卸出口7-繞管軸芯81-氣體分布板82-多孔集氣板 9a_進口聯(lián)箱9b_出口聯(lián)箱10-換熱介質(zhì)夾套 11-外殼12-汽包13-循環(huán)泵14-蒸汽出口管15-出水管16-換熱介質(zhì)循環(huán)管17-換熱介質(zhì)補充管ISa-U形彎頭18b_倒U形彎頭 19-縱向定位板20-上封頭21-換熱介質(zhì)進口 22-換熱介質(zhì)出口 23-支承件。
具體實施方式
實施例I如圖I所示的抗溫差應力的換熱反應器，包括殼體I和換熱件，所述殼體I頂部設有進氣口 3和人孔4，進氣口 3配有氣體分布板81，殼體上部設有一對帶管板的聯(lián)箱進口聯(lián)箱9a和出口聯(lián)箱％。所述的換熱件包括若干換熱管2，內(nèi)外圈或同圈徑相鄰兩根所述的換熱管的底部由U形彎頭18a連接(如圖8所示)，構(gòu)成內(nèi)通換熱介質(zhì)的上行換熱管2a和下行換熱管2b布置,下行換熱管2b與進口聯(lián)箱9a連通、上行換熱管2a與出口聯(lián)箱9b連通。各層換熱管由縱向定位板19定位。殼體I內(nèi)部中心還設有繞管軸芯7，同一 U形彎頭連接的上行換熱管和下行換熱管沿繞管軸芯7分別各自按逆時針方向或順時針方向成螺旋形布置，繞管軸芯7下部通過支承件23支承在筒底，繞管軸芯7的上部可自由伸縮。同一U形彎頭連接的上行換熱管和下行換熱管的纏繞方向相反。殼體底部設有出氣口 5和催化劑卸出口 6，出氣口 5配有多孔集氣板82。換熱介質(zhì)采用水。上述換熱反應器使用時，催化劑裝填在管間，如圖Ia所示，出口聯(lián)箱9b通過蒸汽出口管14連接汽包12，汽包12通過出水管15連接循環(huán)泵13，循環(huán)泵13還連接補充水管17，進口聯(lián)箱9a通過換熱介質(zhì)循環(huán)管16連接循環(huán)泵13。反應氣從進氣口 3進入，換熱介質(zhì)從進口聯(lián)箱9a進入到各換熱管2中，沿下行的換熱管以螺旋形下行，再經(jīng)U形彎頭轉(zhuǎn)入上行的換熱管，以與下行方向相反的螺旋形方向上行，期間與軸向穿過催化劑層的反應氣換熱，管中部分水汽化為蒸汽，經(jīng)出口聯(lián)箱％去帶調(diào)節(jié)閥的汽包12分離蒸汽，其余水與來自補充水管17的補充水匯合后經(jīng)循環(huán)泵13升壓再次進入進口聯(lián)箱9a循環(huán)利用。實施例2如圖2所示的抗溫差應力的換熱反應器，結(jié)構(gòu)組成與實施例I相同，區(qū)別在于進口聯(lián)箱9a和出口聯(lián)箱9b位于殼體下部，內(nèi)外圈或同圈徑相鄰兩根換熱管2的頂部由倒U形彎頭18b連接(如圖9所示)，構(gòu)成內(nèi)通換熱介質(zhì)的上行換熱管2a和下行換熱管2b布置，即上行換熱管2a與進口聯(lián)箱9a連接、下行換熱管2b與出口聯(lián)箱9b連接。上述換熱反應器使用時的工藝流程如圖2a所示，換熱介質(zhì)循環(huán)過程與實施例I相同。實施例3如圖3所示的抗溫差應力的換熱反應器，換熱內(nèi)件的結(jié)構(gòu)組成與實施例I相同，進口聯(lián)箱9a和出口聯(lián)箱9b的位置也同實施例1，區(qū)別在于進氣口 3和出氣口 5位于殼體中部對稱布置，進氣口 3連通殼體I和氣體分布板81，出氣口 5連通多孔集氣板82和殼體I，反應氣從進氣口 3經(jīng)氣體分布板81均勻分布進入催化劑層，反應氣橫向流動穿過催化劑層到另一側(cè)的多孔集氣板82，再從出氣口 5出去。上述換熱反應器使用時，其換熱介質(zhì)循環(huán)過程與實施例I相同。上述圖I到圖3不帶外殼的本實用新型換熱反應器的聯(lián)箱可采用螺栓將可拆蓋板和聯(lián)箱箱體活動緊固密封，以便檢修時只需拆下蓋板即可。實施例4如圖4所示的抗溫差應力的換熱反應器，換熱件與實施例I相同，區(qū)別點是所述的殼體外還設有帶上封頭20的外殼11，所述的上封頭20與外殼11用法蘭固定連接。所述的外殼11與殼體I間構(gòu)成換熱介質(zhì)夾套10，換熱介質(zhì)夾套中流動的換熱介質(zhì)同樣起移除內(nèi)件中反應熱，并使殼體保持較低溫度。進口聯(lián)箱9a和出口聯(lián)箱9b位于殼體上部，其中進口聯(lián)箱9a通過換熱介質(zhì)夾套10與換熱介質(zhì)進口 21連通，出口聯(lián)箱9b與換熱介質(zhì)夾套10不連通，其上部與穿過外殼11、殼體I的換熱介質(zhì)出口 22連通。上封頭20上設有進氣口 3，殼體I底部有出氣口 5和催化劑卸出口 6，換熱介質(zhì)從換熱介質(zhì)進口 21進入，經(jīng)換熱介質(zhì)夾套10到進口聯(lián)箱9a，分布進入各換熱管2。出口聯(lián)箱9b出來的含汽的換熱介質(zhì)去汽包。換熱管2沿繞管軸芯7并與水平成夾角a以螺旋形纏繞布置，下行的換熱管到底部后經(jīng)U形彎頭轉(zhuǎn)向上行,上行換熱管纏繞方向與下行換熱管相反。各層換熱管由縱向定位板19定位，內(nèi)外層繞管之間裝有催化劑，也可以再在換熱管上部裝200mm左右適當高度催化劑，催化劑還原后會下沉，降低催化劑層高度。上封頭20上的進氣口 3兼作人孔，檢修時拆開法蘭，可用于裝催化劑或供工人進入塔內(nèi)維修，進氣口3和出氣口 5都配有氣體分布器。外殼11與殼體I之間設有支承件23。進口聯(lián)箱9a和出口聯(lián)箱9b可設置多組，例如2 8組，為裝卸繞管間催化劑提供了方便，使制造繞管數(shù)目多、直徑大的反應器成為可行，殼體側(cè)面布管箱也方便了檢修。圖4中有法蘭連結(jié)殼體和上封頭，但也可以不用法蘭，而將封頭與外殼筒體直接焊接。本實施例所示結(jié)構(gòu)的反應器特別適用于氨合成項目和已有外殼改造成本實用新型結(jié)構(gòu)的改建項目。實施例5圖5是二臺本實用新型的換熱反應器并聯(lián)組成的聯(lián)合反應器簡圖，圖中左右二臺反應器各自帶有可調(diào)節(jié)汽化壓力的汽包和循環(huán)泵，例如用于甲醇合成，每臺反應器各裝有100m3催化劑，以水為換熱介質(zhì)，由總管L來的壓力約8MPa，溫度約200°C多進塔氣平分為二路分別進入左右二塔進行反應，反應熱被繞管內(nèi)的水吸收產(chǎn)生蒸汽，反應氣中甲醇摩爾含量達到10%由底部出口再匯合到總管去換熱、冷卻分離甲醇產(chǎn)品。本實施例中的二臺反應器也可以用串聯(lián)組合，即來自總管的進口氣全部進入左塔或右塔，反應后底部出口反應氣再送右塔或左塔反應，然后反應器出口去換熱冷分離。采用前者二塔并聯(lián)的優(yōu)點是合成塔阻力低能耗省，但二塔催化劑裝置高度需相等，否則氣體分配不均，一塔大一塔小，影響合成效率。采用后者兩塔串聯(lián)時塔壓降大，但可避免二塔氣體分配不均勻，且后者二塔各有單獨調(diào)節(jié)溫度的汽包，可根據(jù)二塔催化劑的活性，獨立調(diào)節(jié)反應過程前后段溫度以求實現(xiàn)最佳反應下反應。實施例6如圖6所示，氣冷換熱反應器B與本實用新型的繞管式水冷換熱反應器A的組合裝置圖，氣冷換熱反應器B的詳細結(jié)構(gòu)可見本申請人的已授權(quán)發(fā)明專利“內(nèi)部換熱催化反應方法和設備(ZL200310121904. I) ”中圖2或圖3，約100°C反應氣從氣冷換熱反應器B底部進入換熱管束吸入反應熱加熱到200°C多，再從本實用新型的繞管式水冷換熱反應器A進口進入發(fā)生反應，反應熱被繞管內(nèi)水吸收產(chǎn)生蒸汽，反應氣(例如進行合成甲醇反應，甲醇摩爾含量達約10%，溫度230°C多)再出繞管式水冷換熱反應器A進氣冷換熱反應器B殼程進氣口，在氣冷換熱反應器B的催化劑層進一步反應后，甲醇摩爾含量約達13%，反應氣再出氣冷換熱反應器B。以強放熱反應的甲醇合成反應為例，采用水作為換熱介質(zhì)，年產(chǎn)160萬噸大甲醇裝置采用上述組合裝置，合成壓力8. 2MPa，氣冷換熱反應器B內(nèi)徑4米，裝國產(chǎn)催化劑IlOm3,繞管式水冷換熱反應器A內(nèi)徑4米，裝國產(chǎn)催化劑100m3，原料氣量476000Nm3/h，與循環(huán)氣724000Nm3/h匯合后1200000Nm3/h氣量，溫度約100°C進氣冷換熱反應器B冷管內(nèi)吸收反應熱升溫約220°C出塔，進繞管式水冷換熱反應器A反應，繞管式水冷換熱反應器A催化劑熱點溫度升到249°C，反應熱加熱繞管內(nèi)水產(chǎn)生蒸汽，反應氣到繞管式水冷換熱反應器A底部溫度235°C，反應氣中甲醇摩爾含量11.5%，出繞管式水冷換熱反應器A進入氣冷換熱反應器B上部進塔進一步合成甲醇，反應熱加熱冷管內(nèi)逆流入塔氣使冷管內(nèi)氣溫達約220°C出口去繞管式水冷換熱反應器A，氣冷換熱反應器B管外反應氣溫度降到205°C，反應氣中甲醇升到16. 16%，氣量905564Nm3/h，出氣冷換熱反應器B送去冷卻分離甲醇，產(chǎn)品中精醇210產(chǎn)量噸/時，物料平衡見下表。
權(quán)利要求1.一種抗溫差應力的換熱反應器，包括殼體和換熱件，所述的換熱件包括若干換熱管，所述的換熱管間裝有催化劑，所述殼體上設有進氣口、出氣口、人孔和催化劑卸出口，其特征在于所述的換熱件還包括設有帶管板的一對或多對聯(lián)箱，所述的聯(lián)箱包括進口聯(lián)箱和出口聯(lián)箱；內(nèi)外圈或同圈徑相鄰兩根所述的換熱管的底部由U形彎頭連接，構(gòu)成內(nèi)通換熱介質(zhì)的上行換熱管和下行換熱管布置，所述的上行換熱管與出口聯(lián)箱連接，所述的下行換熱管與進口聯(lián)箱連接；或內(nèi)外圈或同圈徑相鄰兩根所述的換熱管的頂部由倒U形彎頭連接，倒U形彎頭連接的上行換熱管與進口聯(lián)箱連接、下行換熱管與出口聯(lián)箱連接。
2.如權(quán)利要求I所述的抗溫差應力的換熱反應器，其特征在于所述的進氣口和出氣口連接有氣體分布器，所述的進氣口位于殼體頂部，所述的出氣口位于殼體底部。
3.如權(quán)利要求I所述的抗溫差應力的換熱反應器，其特征在于所述的進氣口和出氣口位于殼體中部雙側(cè)對稱設置，所述的進氣口和出氣口連接有氣體分布器。
4.如權(quán)利要求I所述的抗溫差應力的換熱反應器，其特征在于所述的殼體內(nèi)設有繞管軸芯，同一U形彎頭連接的上行換熱管和下行換熱管沿繞管軸芯分別各自按向左或向右成反向螺旋形軸向布置。
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的抗溫差應力的換熱反應器,其特征在于所述的殼體外還設有帶封頭的外殼，所述的外殼與殼體間構(gòu)成換熱介質(zhì)夾套，所述的進口聯(lián)箱與換熱介質(zhì)夾套連通，所述的出口聯(lián)箱與換熱介質(zhì)出口連通。
6.一種利用如權(quán)利要求I所述的抗溫差應力的換熱反應器的組合裝置，其特征在于由各自帶有汽包的多臺所述的換熱反應器前后串聯(lián)或并聯(lián)組成。
7.一種利用如權(quán)利要求I所述的抗溫差應力的換熱反應器的組合裝置，其特征在于由所述的換熱反應器與氣冷反應器或繞管氣冷反應器或臥式水冷反應器串聯(lián)組成；所述的換熱反應器與繞管氣冷反應器前后串連組合成大型反應器聯(lián)合裝置時，所述的換熱反應器的殼程出氣口和繞管氣冷反應器的殼程進氣口連結(jié)，所述繞管氣冷反應器的管程出氣口與所述的換熱反應器的殼程進氣口連結(jié)；所述的換熱反應器與臥式水冷反應器前后串聯(lián)組合成大型反應器聯(lián)合裝置時，換熱反應器的殼程出氣口和臥式水冷反應器的殼程進氣口連接。
專利摘要本實用新型公開了一種抗溫差應力的換熱反應器，包括殼體和換熱件，所述殼體上設有進氣口、出氣口、人孔和催化劑卸出口，所述的換熱件包括若干換熱管和一對或多對帶管板的聯(lián)箱，所述的換熱管沿繞管軸芯呈螺旋形軸向纏繞設置，內(nèi)外圈或同圈徑相鄰兩根換熱管由U形彎頭或倒U型彎頭連接。本實用新型的的換熱反應器可以多臺串聯(lián)或并聯(lián)組合使用，也可以與氣冷反應器或繞管氣冷反應器或臥式水管反應器組成聯(lián)合反應器以滿足大型反應裝置需要。本實用新型的換熱反應器可廣泛應用于各種強放熱反應或吸熱反應。本實用新型的換熱反應器采用U形彎頭連接的繞管式換熱管，可自由伸縮，結(jié)構(gòu)可靠，降低接頭泄漏可能性，催化劑裝填系數(shù)高，使設備投資大大節(jié)省，尤其適用于大型、超大型年產(chǎn)百萬噸裝置。
文檔編號B01J8/00GK202460592SQ20122004875
公開日2012年10月3日 申請日期2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月14日
發(fā)明者樓壽林, 樓韌 申請人:杭州林達化工技術(shù)工程有限公司