CN201186210Y - 立式水冷管箱式反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型针对现有的管壳式反应器存在的体积大、换热效果差的问题，公开了一种立式水冷管箱式反应器，包括外壳(1)，其特征是当原料气以径向流方式工作时，在所述的外壳(1)中设有气体径向分布筒(9)，在气体径向分布筒(9)的中心设有集气筒(10)，集气筒(10)下端与反应气出口(6)相通，根据气体流向的不同，气体径向分布筒(9)和集气筒(10)的位置可以互换，在气体径向分布筒(9)和集气筒(10)之间安装有多根水冷管件(12)，水冷管件(12)之间充填有催化剂(11)，水冷管件(12)的上端与上联箱(13)相连，其下端与下联箱(3)相连；当轴向流工作时则可去省去气体径向分布筒(9)和集气筒(10)。本实用新型具有换热效果好，结构简单，总体尺寸小的优点。

Description

立式水冷管箱式反应器

技术领域

本实用新型水冷管箱式反应器涉及一种立式化学反应器，尤其是一种用于气固相催化反应床内采用水冷管进行移热的管箱式反应器，具体地说是一种径向流或轴向流的立式水冷管箱式反应器。

背景技术

通常而言，固定床催化反应器(如图1)，其化学反应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)为了提高移热量，就必须增加冷管数，这样就减少了反应气体的流动截面，使催化剂床层的轴向流动的阻力大，生产能力受限。

为强化移走反应器的热量，也为了改进催化剂床层的温度分布，近20年大力发展了水冷管壳式反应器(见图2)，得到良好的效果，但其仍然存在明显缺点：

(1)反应气体轴向流在装有触媒的管内阻力很大，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，将触媒装在管外，管内是水。其主要目的是解决阻力大的问题(见图3、4)，使反应器阻力从0.5MP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，由于结构的局限管子与管子之间的距离不可能很小，管间触媒的局部温度容易过高，热量难以移走，部分催化剂易于过热。

(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。

发明内容

本实用新型水冷管箱式反应器的目的是针对现有的管壳式反应器存在的体积大、换热效果差的问题，设计一种换热效果好、可大大减少反应器体积的立式水冷管箱式反应器。

本实用新型水冷管箱式反应器的技术方案是：

一种立式水冷管箱式反应器，包括外壳1，外壳1的上端设有人孔15和气体入口5，其下端设有反应气出口6和软水入管4及触媒自卸口7，其特征是：

一、当原料气以径向流方式工作时，在所述的外壳1中设有气体径向分布筒9，在气体径向分布筒9的中心设有集气筒10，集气筒10下端与反应气出口6相通，根据气体流向的不同，气体径向分布筒9和集气筒10的位置可以互换，在气体径向分布筒9和集气筒10之间安装有多根水冷管件12，水冷管件12之间充填有催化剂11，水冷管件12的上端与上联箱13相连，其下端与下联箱3相连；

二、当原料气以轴向流方式工作时，在所述的外壳1中安装有多根水冷管件12，水冷管件12之间充填有催化剂11，水冷管件12的上端与上联箱13相连，其下端与下联箱3相连。

所述的上联箱13至少由两个组成，各上联箱再通过连接管或联箱与水汽出口管14相通；所述的下联箱3也至少由两个组成，各下联箱3再通过连接管或联箱与软水入管4相连。

上、下联箱按水冷管及各联箱排列的需要，可以由圆管、椭圆管、矩形管或其他异形管做成外形为直线状、圆环状、弯曲管状及其他异形状。

所述的水冷管件12截面为同心圆排列、多边形条状排列、同心圆错开均布排列、三角形排列或条状排列。

根据权利要求3所述，大小联箱按水冷管及各联箱排列的需要，可以由圆管、椭圆管、矩形管或其他异形管做成外形为直线状、圆环状、弯曲管状及其他异形状。

所述的水冷管件12截面为中空的圆管、椭圆管、扁管、翅片管或异形管。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型水冷管箱式反应器将管壳式水冷却单元改变为管箱式冷却单元，即由过去的管壳式反应器改进为管箱式反应器，由于在相同传热负荷下，管箱式冷却单元所占空间比管壳式冷却单元小，因此管箱式反应器的空间利用率比管壳式要高，通常可增大5-15％。

(2)本实用新型的径向流中，气流错流是通过水冷管，因此能有效地增加气相的给热系数20-30％。

在本实用新型水冷管箱式反应器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，但同时也造成气相的给热系数过低，甚至低到200kcal/m2.c.h以下，以致这类反应器的传热强度低下的问题，始终未能满意解决。而本发明则是通过水冷管疏密不同的排列和气流错流或折流穿过管束的流速和流向的变化，有效地增加了气相的给热系数，使之高达500-2000kcal/m2..c.h。

(3)本实用新型水冷管箱式反应器能有效地改善催化床层的传热特性，对于径向催化床中气体流速随半径方向变化，即流速随R的增大而减小，因此与流速相关的传热系数也随R的增大而减小，可是反应热却是随R的增大而增大，因此，这类纯径向反应器传热与放热特性不能同步。而本实用新型水冷管箱式反应器则完全改变这一缺陷，水管排列密度的调整，可使各个通道的流速和传热面积的不同加以调节，使不同反应进程中的传热能力和随反应进行变化的放热量实现完全同步，达到真正的最优化。

(4)本实用新型水冷管箱式反应器不再使用大直径厚管板，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为冷却水的供水装置结构示意图。

图8是本实用新型的水冷管为同心圆交错排列的结构示意图之一。

图9是本实用新型的水冷管为三角形排列的结构示意图之二。

图10是本实用新型的水冷管为条状排列的结构示意图之三。

图11是本实用新型为扁管折流排列的结构示意图之四。

图12是本实用新型为多边形交错排列结构示意图之五。

图中：1为外壳；2为为轴向流时的外实筒；3为下联箱；4为软水入管；5为原料气进口；6为反应气出口；7为触媒自卸口；8为惰性填充物；9为气体径向分布筒或内件的外筒；10为径向集气筒或中心管；11为催化剂；12为水冷管件；13为上联箱；14为水气出口管；15为人孔。

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5～11所示。

一种立式水冷管箱式反应器，包括外壳1，外壳1的上端设有人孔15和原料气进口5，其下端设有反应气出口6和软水入管4及触媒自卸口7，根据原料气流向方式的不同，外壳内部结构可由多种不同的形式，图5是一种较为常见的原料气以径向流方式工作时的结构示意图，在所述的外壳1中设有气体径向分布筒9，在气体径向分布筒9的中心设有集气筒10，集气筒10的下端与反应气出口6相通，根据气体流向的不同，气体径向分布筒9和集气筒10的位置可以互换，在气体径向分布筒9和集气筒10之间安装有多根水冷管件12，水冷管件12之间充填有催化剂11，水冷管件12的上端与上联箱13相连，其下端与下联箱3相连。

当原料气以轴向流方式工作时，可采用另一种结构形式，即在所述的外壳1中直接安装有多根水冷管件12，在水冷管件12之间充填有催化剂11，水冷管件12的上端与上联箱13相连，其下端与下联箱3相连，本结构相当于将图5中的气体径向分布筒9和集气筒10去掉。但具体实施时，气体径各分布筒9可用外实筒2代替，集气筒10可采用一个中心管来代替，也可不使用集气筒。

具体实施时，上述的上联箱13至少由两个组成(如图5)，各上联箱再通过连接管或联箱与水汽出口管14相通；所述的下联箱3也至少由两个组成，各下联箱3再通过连接管或联箱与软水入管4相连。

所述的水冷管件12为同心圆排列(图6)、多边形条状排列(如图12所示)、同心圆错开均布排列(图8)、三角形排列(图9)或条状排列(图10)。

所述的水冷管件截面为中空的圆管(图6、8)、椭圆管(图中未示出)、扁管(图11)、翅片管或异形管，如螺纹管、方形管、菱形管等。

具体实施时，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￠2000-￠6000，高度为8000-25000m/m)，外壳1的下端设有多根软水入管4，而催化剂则从上部人孔或打开球盖自上而下装入，而外壳最下部有多个触媒自卸口7，自动卸出催化剂，球底中心则有原料气进口5和反应气出口6。

本实用新型立式水冷管箱式反应器通过水冷管和联箱实现换热，多根内部走水的水冷管件12内的移热介质是饱和水气的共存物，因而水冷管件是一种接近等温的移热体。

进入反应器的原料气经分布筒或内件的外筒9多股径向流入催化床层后，错流穿过环形的催化剂层，边化学反应，边将反应热传递给水冷管件12，最后经集气筒或中心管10汇合流出(见图5、6中的箭头方向)，由于冷管内的传热介质-饱和水保持等温，饱和水由反应器上部引出去高位汽包副产蒸汽，而其余软水则经下降管返回冷管的下端形成自动的循环(见图7)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气包的压力加以控制。

水冷管件12的排列及结构为沿着反应器的圆周方向一层层排列的，而各冷管之间填充催化剂11，每个水冷管件的上端和下端设有出水口和进水口，可通过联箱相连，也可采用弯曲的尾巴管与大联箱管相接的形式，而大联箱管上又有水总管引出反应器与气包的上升管和下降管连接。各水冷管件12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，以及需要冷管的移热量、床层的阻力等因素进行设计，最终决定反应器总尺寸和冷管的排列结构，其中包括冷管的传热面积，冷管的卷数，各组管箱的个数，冷管的间距，冷管的长度和冷管水通道的尺寸等等。水冷管件12的排列结构可以有多种形式，如图8所示的同心圆、图9所示的三角形，图10所示的条形等等。设计采用何种结构的冷管，则可根据设计者对各种利弊的分析加以决定。

本实用新型水冷管箱式反应器的径向流分布器的目的是降低床层的流体阻力，径向床由分气筒和集气筒构成，两者根据气流的方向(由内向外或由里向外)设置在里或在外。

本实用新型水冷管箱式反应器也可以是轴向流的结构，但不同的是外分布筒可由一个整体的内件外实筒2所代替，中心集气管由一中心管代替，也可完全取消中心集气管。

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 (10)

1、一种立式水冷管箱式反应器，包括外壳(1)，外壳(1)的上端设有人孔(15)和气体入口(5)，其下端设有反应气出口(6)和软水入管(4)及触媒自卸口(7)，其特征是：在所述的外壳(1)中设有气体径向分布筒(9)，在气体径向分布筒(9)的中心设有集气筒(10)，集气筒(10)下端与反应气出口(6)相通，根据气体流向的不同，气体径向分布筒(9)和集气筒(10)的位置可以互换，在气体径向分布筒(9)和集气筒(10)之间安装有多根水冷管件(12)，水冷管件(12)之间充填有催化剂(11)，水冷管件(12)的上端与上联箱(13)相连，其下端与下联箱(3)相连。

2、根据权利要求1所述的立式水冷管箱式反应器，其特征是所述的上联箱(13)至少由两个组成，各上联箱再通过连接管或联箱与水汽出口管(14)相通；所述的下联箱(3)也至少由两个组成，各下联箱(3)再通过连接管或联箱与软水入管(4)相连。

3、根据权利要求2所述的立式水冷管箱式反应器，其特征是所述的上、下联箱按水冷管及各联箱排列的需要，可以由圆管、椭圆管、矩形管或其他异形管做成外形为直线状、圆环状、弯曲管状及其他异形状结构。

4、根据权利要求1所述的立式水冷管箱式反应器，其特征是所述的水冷管件(12)为同心圆排列、多边形条状排列、同心圆错开均布排列、三角形排列或条状排列。

5、根据权利要求1所述的立式水冷管箱式反应器，其特征是所述的水冷管件(12)的截面为中空的圆管、椭圆管、扁管、翅片管或异形管。

6、一种立式水冷管箱式反应器，包括外壳(1)，外壳(1)的上端设有人孔(15)和气体入口(5)，其下端设有反应气出口(6)和软水入管(4)及触媒自卸口(7)，其特征是：在所述的外壳(1)中安装有多根水冷管件(12)，水冷管件(12)之间充填有催化剂(11)，水冷管件(12)的上端与上联箱(13)相连，其下端与下联箱(3)相连。

7、根据权利要求6所述的立式水冷管箱式反应器，其特征是所述的上联箱(13)至少由两个组成，各上联箱再通过连接管或联箱与水汽出口管(14)相通；所述的下联箱(3)也至少由两个组成，各下联箱(3)再通过连接管或联箱与软水入管(4)相连。

8、根据权利要求7所述的立式水冷管箱式反应器，其特征是所述的上、下联箱按水冷管及各联箱排列的需要，可以由圆管、椭圆管、矩形管或其他异形管做成外形为直线状、圆环状、弯曲管状及其他异形状结构。

9、根据权利要求6所述的立式水冷管箱式反应器，其特征是所述的水冷管件(12)为同心圆排列、多边形条状排列、同心圆错开均布排列、三角形排列或条状排列。

10、根据权利要求6所述的立式水冷管箱式反应器，其特征是所述的水冷管件(12)的截面为中空的圆管、椭圆管、扁管、翅片管或异形管。

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