一種抗溫差應力的換熱反應器及其組合裝置的製作方法

2023-06-15 01:08:16 2

專利名稱：一種抗溫差應力的換熱反應器及其組合裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及化學工程領域的催化反應設備，用於流體催化反應和傳熱過程，尤其涉及一種適用於合成甲醇、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：
近年來我國煤化工迅速發展，國家已把新建甲醇裝置的規模提高到單套年產一百萬噸以上，合成甲醇的原料氣也大多不是以前國外採用的天然氣轉化氣，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。對於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，因為這種管內裝催化劑的副產蒸汽塔冷卻面積大，管殼式比冷麵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」，為此需採用高達5 10倍多於原料氣的循環氣(即循環比)來降低進合成塔氣體中CO等有效氣，否則快速反應產生的強反應熱會使催化劑過熱失活，但高的循環比需要增加相應的甲醇合成圈的設備和管道投資，並增加動力和能耗。計算表明用煤為原料使用Shell粉煤氣化或Texaco水煤漿氣化製得的合成氣，採用低循環比時出合成塔的甲醇含量可達30%多，而現有典型的甲醇合成出塔氣中甲醇含量只有5%左右，高循環比增加了工業裝置大型化的難度和投資。

實用新型內容本實用新型的任務是克服現有技術的缺點，通過反應器的結構創新，提供一種具有高移熱能力、實現低循環比、高碳比原料氣、高合成率高淨值下的高效節能設備。本實用新型通過下列技術方案來實現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箱，所述的聯箱包括進口聯箱和出口聯箱；內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,構成內通換熱介質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箱連接，所述的下行換熱管與進口聯箱連接；或者是內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箱連接、下行換熱管與出口聯箱連接。所述的換熱介質可以是水或導熱油。所述的出口聯箱可以分成多個，或者進口聯箱和出口聯箱都可成對稱布置，例如2個或4個或6個等。作為一種優選，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，當所述的進氣口位於殼體頂部、所述的出氣口位於殼體底部時，氣體經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設置對稱的進氣口和出氣口，氣體經兩側筒體內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。作為一種優選方案，所述的殼體內設有繞管軸芯，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於60度纏繞，最優為小於35度，相鄰兩層換熱管組的纏繞方向相反。作為一種優選方案，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成換熱介質夾套，所述的進口聯箱通過換熱介質夾套與換熱介質進口連通，出口聯箱與換熱介質夾套不連通，其上部與穿過外殼和殼體的換熱介質出口連通。內外不同圈徑換熱管的管間的外壁間距優選為使用催化劑粒徑的2 8倍，最優為3 5倍。 本實用新型的換熱反應器中，進出口聯箱不限於殼體側面，也可在封頭上或封頭內，連接換熱管的管板可以是平板、環弧形、內凹形或外凸形。本實用新型的的換熱反應器可以多臺串聯或並聯組合使用，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後串連組合成大型反應器聯合裝置時，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，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。所述的換熱反應器與繞管氣冷反應器前後串連組合成大型反應器聯合裝置時，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，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。所述的換熱反應器與臥式水冷反應器前後串聯組合成大型反應器聯合裝置時，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、甲烷合成費託合成等氣液烴合成、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具有以下明顯優點I.用U形彎頭連結相鄰上下行管，比現有技術上下都設有聯箱降低一半接頭洩漏可能性，並降低製造費用。2.因催化劑裝在冷管間，故增加了裝填係數，達到60 %多，而德國Lurgi管殼式甲醇反應器催化劑裝在管內，裝填係數只達30 %。3.可採用IOmm直徑壁厚Imm的薄壁小管傳熱係數大,可同時達到比冷麵大、傳熱強和容積利用率高的良好效果。因此同樣產量的反應器體積大為縮小，投資大大節省，同時可用增加長度、擴大催化劑裝量和能力，尤其適用於大型、超大型年產百萬噸裝置。4.氣體流動一方面由於催化劑裝在管間增加流通截面，並且是由於高傳熱係數和換熱面積移熱能力強，可降合成循環比，提高單程合成效率。反應器阻力大幅降低，節約動力消耗。5.催化劑床層中氣體橫向流過換熱管，錯流提高傳熱係數和效率，減小溫差。[0020]6.管外裝催化劑成為一體，裝填易均勻。7.由於採用繞管作換熱管，可自由伸縮，抗溫差應力效果好，結構可靠。8.可採用帶法蘭封頭，將內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箱的換熱反應器結構示意圖。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箱的換熱反應器結構示意圖。 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構示意圖。圖4是本實用新型中有外殼的換熱反應器結構示意圖。圖5是本實用新型的換熱反應器水冷並聯裝置示意圖圖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_進口聯箱9b_出口聯箱10-換熱介質夾套 11-外殼12-汽包13-循環泵14-蒸汽出口管15-出水管16-換熱介質循環管17-換熱介質補充管ISa-U形彎頭18b_倒U形彎頭 19-縱向定位板20-上封頭21-換熱介質進口 22-換熱介質出口 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箱進口聯箱9a和出口聯箱％。所述的換熱件包括若干換熱管2，內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)，構成內通換熱介質的上行換熱管2a和下行換熱管2b布置,下行換熱管2b與進口聯箱9a連通、上行換熱管2a與出口聯箱9b連通。各層換熱管由縱向定位板19定位。殼體I內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。換熱介質採用水。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連接循環泵13，循環泵13還連接補充水管17，進口聯箱9a通過換熱介質循環管16連接循環泵13。反應氣從進氣口 3進入，換熱介質從進口聯箱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U形彎頭轉入上行的換熱管，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，經出口聯箱％去帶調節閥的汽包12分離蒸汽，其餘水與來自補充水管17的補充水匯合後經循環泵13升壓再次進入進口聯箱9a循環利用。實施例2如圖2所示的抗溫差應力的換熱反應器，結構組成與實施例I相同，區別在於進口聯箱9a和出口聯箱9b位於殼體下部，內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)，構成內通換熱介質的上行換熱管2a和下行換熱管2b布置，即上行換熱管2a與進口聯箱9a連接、下行換熱管2b與出口聯箱9b連接。上述換熱反應器使用時的工藝流程如圖2a所示，換熱介質循環過程與實施例I相同。實施例3如圖3所示的抗溫差應力的換熱反應器，換熱內件的結構組成與實施例I相同，進口聯箱9a和出口聯箱9b的位置也同實施例1，區別在於進氣口 3和出氣口 5位於殼體中部對稱布置，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，其換熱介質循環過程與實施例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箱可採用螺栓將可拆蓋板和聯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間構成換熱介質夾套10，換熱介質夾套中流動的換熱介質同樣起移除內件中反應熱，並使殼體保持較低溫度。進口聯箱9a和出口聯箱9b位於殼體上部，其中進口聯箱9a通過換熱介質夾套10與換熱介質進口 21連通，出口聯箱9b與換熱介質夾套10不連通，其上部與穿過外殼11、殼體I的換熱介質出口 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，換熱介質從換熱介質進口 21進入，經換熱介質夾套10到進口聯箱9a，分布進入各換熱管2。出口聯箱9b出來的含汽的換熱介質去汽包。換熱管2沿繞管軸芯7並與水平成夾角a以螺旋形纏繞布置，下行的換熱管到底部後經U形彎頭轉向上行,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，催化劑還原後會下沉，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，可用於裝催化劑或供工人進入塔內維修，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。進口聯箱9a和出口聯箱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，使製造繞管數目多、直徑大的反應器成為可行，殼體側面布管箱也方便了檢修。圖4中有法蘭連結殼體和上封頭，但也可以不用法蘭，而將封頭與外殼筒體直接焊接。本實施例所示結構的反應器特別適用於氨合成項目和已有外殼改造成本實用新型結構的改建項目。實施例5圖5是二臺本實用新型的換熱反應器並聯組成的聯合反應器簡圖，圖中左右二臺反應器各自帶有可調節汽化壓力的汽包和循環泵，例如用於甲醇合成，每臺反應器各裝有100m3催化劑，以水為換熱介質，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，反應熱被繞管內的水吸收產生蒸汽，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、冷卻分離甲醇產品。本實施例中的二臺反應器也可以用串聯組合，即來自總管的進口氣全部進入左塔或右塔，反應後底部出口反應氣再送右塔或左塔反應，然後反應器出口去換熱冷分離。採用前者二塔並聯的優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。採用後者兩塔串聯時塔壓降大，但可避免二塔氣體分配不均勻，且後者二塔各有單獨調節溫度的汽包，可根據二塔催化劑的活性，獨立調節反應過程前後段溫度以求實現最佳反應下反應。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的詳細結構可見本申請人的已授權發明專利「內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進口進入發生反應，反應熱被繞管內水吸收產生蒸汽，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後，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，採用水作為換熱介質，年產160萬噸大甲醇裝置採用上述組合裝置，合成壓力8. 2MPa，氣冷換熱反應器B內徑4米，裝國產催化劑IlOm3,繞管式水冷換熱反應器A內徑4米，裝國產催化劑100m3，原料氣量476000Nm3/h，與循環氣724000Nm3/h匯合後1200000Nm3/h氣量，溫度約100°C進氣冷換熱反應器B冷管內吸收反應熱升溫約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，反應熱加熱繞管內水產生蒸汽，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，反應熱加熱冷管內逆流入塔氣使冷管內氣溫達約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，產品中精醇210產量噸/時，物料平衡見下表。
權利要求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，其特徵在於所述的換熱件還包括設有帶管板的一對或多對聯箱，所述的聯箱包括進口聯箱和出口聯箱；內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，構成內通換熱介質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箱連接，所述的下行換熱管與進口聯箱連接；或內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箱連接、下行換熱管與出口聯箱連接。
2.如權利要求I所述的抗溫差應力的換熱反應器，其特徵在於所述的進氣口和出氣口連接有氣體分布器，所述的進氣口位於殼體頂部，所述的出氣口位於殼體底部。
3.如權利要求I所述的抗溫差應力的換熱反應器，其特徵在於所述的進氣口和出氣口位於殼體中部雙側對稱設置，所述的進氣口和出氣口連接有氣體分布器。
4.如權利要求I所述的抗溫差應力的換熱反應器，其特徵在於所述的殼體內設有繞管軸芯，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.如權利要求1-4任一所述的抗溫差應力的換熱反應器,其特徵在於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成換熱介質夾套，所述的進口聯箱與換熱介質夾套連通，所述的出口聯箱與換熱介質出口連通。
6.一種利用如權利要求I所述的抗溫差應力的換熱反應器的組合裝置，其特徵在於由各自帶有汽包的多臺所述的換熱反應器前後串聯或並聯組成。
7.一種利用如權利要求I所述的抗溫差應力的換熱反應器的組合裝置，其特徵在於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組成；所述的換熱反應器與繞管氣冷反應器前後串連組合成大型反應器聯合裝置時，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，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；所述的換熱反應器與臥式水冷反應器前後串聯組合成大型反應器聯合裝置時，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箱，所述的換熱管沿繞管軸芯呈螺旋形軸向纏繞設置，內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或並聯組合使用，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於各種強放熱反應或吸熱反應。本實用新型的換熱反應器採用U形彎頭連接的繞管式換熱管，可自由伸縮，結構可靠，降低接頭洩漏可能性，催化劑裝填係數高，使設備投資大大節省，尤其適用於大型、超大型年產百萬噸裝置。
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 優先權日2012年2月14日
發明者樓壽林, 樓韌 申請人:杭州林達化工技術工程有限公司