一種蓄熱列管式反應系統的製作方法
2023-05-10 22:26:06
本發明總的涉及一種化學反應裝置，具體涉及一種蓄熱列管式反應系統。
背景技術：
乙烯和苯都是現代工業中重要的基礎原料，也是世界產量最大的化學品，其產品廣泛應用於國民經濟、人民生活、國防等領域。面對石油資源的不斷消耗短缺以及我國貧油多煤的國情，石油的獲取成為發展乙烯和苯工業的瓶頸，也是擺在人們面前急需解決的問題。因此，研究開發一種新的原料及其工藝方法製備乙烯和苯進而替代石油，對進口石油依賴性的緩解有著極其重要的意義。
在煤化工技術中，以煤為原料通過電石工藝或以天然氣為原料通過非催化部分氧化工藝製取乙炔，已成為成熟工藝。以乙炔為原料，在選擇性加氫催化劑的作用下，通過加氫過程得到乙烯產品，可進一步拓展煤化工路線。因此，開發乙炔加氫制乙烯的新工藝及技術，具有廣闊的應用前景。
現有採用乙炔制苯和乙烯的技術，要麼是在反應過程中浪費了大量的能量，要麼是對反應管加熱不均，低溫的反應氣體從進入反應到反應完成，溫度變化較大，造成反應體積膨脹，影響反應效率，而且反應管的溫度場不均，對反應的進行都有負面的影響。
因此，為了提高現有乙炔制苯和乙烯的反應系統的效率，克服現有反應氣體從進入到反應完成溫度不均、反應能量浪費等問題，需提出一種高效、節能的新的反應系統。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種蓄熱列管式反應系統，主要解決現有技術反應氣體從進入到反應完成溫度不均、反應管的溫度場不均、反應過程中能量浪費的問題。
本發明提供了一種蓄熱列管式反應系統，所述系統包括列管反應器、蓄熱列管式加熱裝置，其中，所述蓄熱列管式加熱裝置包括左蓄熱室、右蓄熱室、燃燒室和油氣管道，所述左蓄熱室和右蓄熱室分別通過管道連接換向閥，所述換向閥分別連接助燃空氣進口和燃燒氣體出口，用於在第一換向狀態時使得所述助燃空氣進口與所述左蓄熱室連通，所述燃燒氣體出口與所述右蓄熱室連通，所述原料氣從所述右蓄熱室的管程換熱後進入列管式反應器中，左蓄熱室的原料氣入口關閉；在第二換向狀態時使得所述助燃空氣進口與所述右蓄熱室連通，所述燃燒氣體出口與所述左蓄熱室連通，所述原料氣從所述左蓄熱室的管程換熱後進入列管式反應器中，右蓄熱室的原料氣入口關閉；；所述左蓄熱室和右蓄熱室內均設有穿過蓄熱體的列管換熱器，在所述列管換熱器的一端設有氣體入口，在所述列管換熱器的另一端設有氣體出口；所述左蓄熱室和右蓄熱室分別通過燒嘴與所述燃燒室的兩邊側壁連接；所述燒嘴連接所述油氣管道；所述燃燒室內設有左多孔耐火牆和右多孔耐火牆；所述列管反應器設於所述燃燒室內，位於所述左多孔耐火牆和右多孔耐火牆之間；所述列管反應器的上端設有穿過所述燃燒室頂部的反應氣體出口，所述列管反應器的下端設有穿過所述燃燒室底部的反應氣體入口；所述反應氣體入口與所述列管換熱器的氣體出口相連。
上述的反應系統，所述系統還包括反應氣體輸送管道，其包括總管道和支管道，在所述左蓄熱室和右蓄熱室的氣體入口之前設有與所述總管道連接的所述支管道，在所述左蓄熱室和右蓄熱室的氣體出口與所述列管反應器的反應氣體入口之間設有依次相連的所述支管道與所述總管道。
進一步地，所述多孔耐火牆的牆面上均勻分布著孔洞(可以是方孔、圓孔等)，所述多孔耐火牆的開孔率為40-80％。
進一步地，所述換向閥的助燃空氣進口連接有引風機。
進一步地，所述列管反應器的反應列管上可連接有翅片，用以增大所述反應列管的換熱面積。
上述的反應系統，所述列管反應器在所述燃燒室內居中均勻分布，所述列管反應器的橫截面佔所述燃燒室橫截面積的50-80％。
上述的反應系統，所述多孔耐火牆和所述燒嘴在所述列管反應器的兩側對稱分布。
上述的反應系統，所述列管反應器內裝填有催化劑。
上述的反應系統，所述列管反應器的管徑內徑為3-50mm。
進一步地，所述列管反應器的管間中心距為管徑的1-5倍。
本發明採用蓄熱室燃燒技術，能夠極大的回收煙氣中的餘熱，能夠節能、高效地利用燃料。
本發明在蓄熱室中的蓄熱體中設置的列管換熱器，反應氣體能夠通過換熱器進行預熱，有利於反應器中反應的進行，使得反應氣體從進入反應器到完成反應溫度變化不會太大，消除了現有技術因反應氣體變化太大導致的體積膨脹問題，極大地提高了反應效率。
本發明中燒嘴交替工作，且在燒嘴與反應管之間設置多孔耐火牆，牆面均勻分布著方孔或者圓孔，可以均勻分布燃燒後的高溫氣體，並且防止高溫火焰直接接觸列管式反應器，保證了燃燒室內溫度的均勻與穩定。
本發明的列管反應器能夠極大地降低反應器的放大效應。
另外，本發明列管反應器及列管換熱器的列管外均可以增加翅片，可增大換熱效果。
附圖說明
圖1為本發明實施例的蓄熱列管式反應系統的縱向剖視結構示意圖。
圖2為本發明實施例的反應列管呈正三角形分布的俯視局部結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式進行更加詳細的說明，以便能夠更好地理解本發明的方案以及其各個方面的優點。然而，以下描述的具體實施方式和實施例僅是說明的目的，而不是對本發明的限制。
本發明的目的是解決現有技術反應氣體從進入到反應完成溫度不均、反應管的溫度場不均、反應過程中能量浪費等問題。
本發明提供的蓄熱列式管式反應系統，包括列管反應器、蓄熱列管式加熱裝置。
如圖1所示，所述蓄熱列管式加熱裝置包括左蓄熱室、右蓄熱室、燃燒室5和油氣管道1，左蓄熱室和右蓄熱室分別通過管道連接換向閥7，換向閥7又分別連接助燃空氣進口和燃燒氣體出口，用於在一種換向狀態時使得助燃空氣進口與左蓄熱室連通，燃燒氣體出口與右蓄熱室連通，在另一種換向狀態時使得助燃空氣進口與右蓄熱室連通，燃燒氣體出口與左蓄熱室連通。
左蓄熱室和右蓄熱室內均設有穿過蓄熱體4的列管換熱器3，在列管換熱器3的一端設有氣體入口，在列管換熱器3的另一端設有氣體出口，氣體出口用於與列管反應器6的反應氣體入口相連。
在每個蓄熱室中填充著蓄熱體，在蓄熱體中均勻分布著列管換熱器3。
換向閥7連通著引風機8，用於抽吸助燃空氣。
左蓄熱室和右蓄熱室分別通過燒嘴2與燃燒室的兩邊側壁連接。燒嘴2又連接有油氣管道1，提供的油氣用於在空氣的助燃下進行燃燒。燃燒室內設有左多孔耐火牆和右多孔耐火牆9。
燒嘴2的噴出口與多孔耐火牆9之間有一定距離。每個燒嘴2都有單獨的油氣管線1。
列管反應器6設於燃燒室5內，位於左多孔耐火牆和右多孔耐火牆9之間。在列管反應器6的上端設有穿過所述燃燒室5頂部的反應氣體出口，在列管反應器6的下端設有穿過所述燃燒室5底部的反應氣體入口。反應氣體入口與列管換熱器3的氣體出口相連。
多孔耐火牆9和燒嘴2均可在列管反應器6的兩側對稱分布。
具體地，系統還可包括反應氣體輸送管道，由總管道和支管道組成。在氣體輸入時可設置總管，之後分成兩路支管分別通往左蓄熱室和右蓄熱。反應氣體經過蓄熱室內的列管換熱器3後，再從左蓄熱室和右蓄熱室的氣體出口引出支管道，之後匯聚到總管道，並使總管道與列管反應器6下端的反應氣體入口相連。
利用本發明的蓄熱列管式反應系統工作時，如圖1所示，引風機8將空氣引入到助燃空氣管道，經過換向閥7進入到一側的蓄熱室，在該蓄熱室內助燃空氣被蓄熱體4加熱後，進入到燒嘴2中。
在燒嘴2中，預熱空氣與油氣管道1中的燃料混合均勻後，進行燃燒，燃燒溫度在600-1000℃之間。
燃燒後的煙氣將列管反應器6內的反應氣體換熱，然後再通過另一個燒嘴2進入到另一側的蓄熱室中。在該蓄熱室中，蓄熱體4將燃燒後的煙氣中的餘熱吸收，儲存在蓄熱體中。換熱後的煙氣再經過換向閥7，離開界區。
同時，反應氣體(乙炔、甲烷、一氧化碳和氫氣)通過反應管道進入到第一側的蓄熱室；在該蓄熱室中與蓄熱體換熱後，進入到列管反應器6內進行反應。反應後的氣體從反應氣體出口離開界區。
列管反應器6的反應列管的管徑內徑可為3-50mm，優選的內徑為在3-30mm。列管呈正三角形分布，其俯視局部示意如圖2所示，任意相鄰最近的三根管道的圓心相連接構成正三角形。採用此種分布形式，是為了追求更大的傳熱效率,因為此種正三角形的排列方式排列緊湊,殼程流體直接衝刷換熱管,使殼程流體分布更加均勻。
列管反應器6的反應列管管間中心距為管徑的1-5倍，優選的管間的中心距為1.5-3倍。其材料可以是石英、陶瓷或者不鏽鋼。
在列管反應器6的管徑內填充催化劑。在列管外面可以增加翅片，用以增大列管的換熱面積。該種列管反應器的設計能夠極大地降低反應器的放大效應。反應列管在燃燒室內居中，均勻分布，反應列管的橫截面佔所述燃燒室橫截面積的50-80％。
多孔耐火牆9的牆面均勻分布著孔洞，可以是方孔、圓孔等，牆體的開孔率為40-80％，用以均勻分布燃燒後的高溫氣體，並且防止高溫火焰直接接觸列管式反應器6。
一段時間後，換向閥7切換方向，空氣從另一側蓄熱室進入燒嘴2燃燒，經過燃燒室，再進入第一側蓄熱室，最後經過換向閥7離開界區。同時，反應氣體也經過另一側蓄熱室進行換熱，再進入到列管反應器6反應。
如此反覆，保持系統平穩連續運行，就可不斷使氣體反應生成苯或乙烯等。
本發明採用蓄熱室燃燒技術，能夠極大的回收煙氣中的餘熱，能夠節能、高效地利用燃料。
本發明在蓄熱室中的蓄熱體中設置的列管換熱器，反應氣體能夠通過換熱器進行預熱，有利於反應器中反應的進行，使得反應氣體從進入反應器到完成反應溫度變化不會太大，消除了現有技術因反應氣體變化太大導致的體積膨脹問題，極大地提高了反應效率。
本發明中燒嘴交替工作，且在燒嘴與反應管之間設置多孔耐火牆，牆面均勻分布著方孔或者圓孔，可以均勻分布燃燒後的高溫氣體，並且防止高溫火焰直接接觸列管式反應器，保證了燃燒室內溫度的均勻與穩定。
另外，本發明助燃空氣與反應氣體同時通過同一個蓄熱室進行預熱，結構簡單緊湊，系統佔用空間小。
實施例
如圖1所示，一種用於乙炔制苯和乙烯的蓄熱列管式反應系統，所述蓄熱列管式反應器反應系統包含：油氣管道、燒嘴、列管換熱器、蓄熱體、燃燒室、列管反應器、換向閥、引風機和多孔耐火牆；所述燃燒室內包含著列管反應器，兩堵多孔耐火牆，在燃燒室的兩側對稱分布著兩個燒嘴；列管反應器的材質可以是石英、陶瓷或者不鏽鋼；每個燒嘴都有單獨的油氣管線，連接著一個單獨的蓄熱室；在每個蓄熱室中填充著蓄熱材料，在蓄熱材料中均勻分布著列管；蓄熱室聯通著換向閥，換向閥連通著引風機；反應氣體從界區外進入系統分為兩路，分別連接一個蓄熱室，再通過燃燒室內的列管式反應器，反應之後離開系統。所述引風機、換向閥、蓄熱室、燒嘴、燃燒室、燒嘴、蓄熱室、換向閥依次相連，燃燒氣體依次通過上述設備；所述反應氣體管線、蓄熱室換熱器管程、列管反應器依次相連，反應氣體依次通過上述設備。
引風機8將空氣引入到助燃空氣管道，經過換向閥7進入到1號蓄熱室，在1號蓄熱室內助燃空氣被蓄熱材料加熱後，進入到燒嘴2中；在燒嘴2中，預熱空氣與油氣管道1中的燃料混合均勻後，進行燃燒，燃燒溫度在600-1000℃之間；燃燒後的煙氣將列管反應器6內的反應氣體換熱，然後再通過另一個燒嘴2進入到2號蓄熱室中；在2號蓄熱室中，蓄熱材料將燃燒後的煙氣中的餘熱吸收，儲存在蓄熱體4中；換熱後的煙氣再經過換向閥7，離開界區。
同時，反應氣體(乙炔、甲烷、一氧化碳和氫氣)通過反應管道進入到1號蓄熱室；在1號蓄熱室中與蓄熱材料換熱後，進入到列管反應器6內進行反應；反應後的氣體從反應器出口離開界區。
當2號蓄熱室的蓄熱體4快蓄滿後，換向閥7切換方向，空氣從2號蓄熱室進入燒嘴2燃燒，經過燃燒室，再進入1號蓄熱室，最後經過換向閥7離開界區；同時，反應氣體也經過2號蓄熱室進行換熱，再進入到列管反應器6反應。
如此反覆，保持系統平穩連續運行。
最後應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之中。