帶冷卻水管的高溫反應器及化工系統的製作方法

2023-10-18 02:09:49 2

帶冷卻水管的高溫反應器及化工系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種帶冷卻水管的高溫反應器及化工系統。化工系統包括帶冷卻水管的高溫反應器、汽包和循環泵，帶冷卻水管的高溫反應器包括外殼，外殼的內部設有內筒，內筒的外壁與外殼的內壁之間設有間隙氣流通道及水冷管；內筒的內部由上至下設有催化劑床層和換熱管，內筒的壁上設有與內筒的內部連通的內筒進氣口和內筒出氣口，內筒進氣口的所在高度高於催化劑床層的底部的所在高度，內筒出氣口的所在高度低於換熱管的底部的所在高度；外殼的底部設有外殼進氣口和外殼出氣口，外殼進氣口通過所述間隙氣流通道與所述內筒進氣口連通，外殼出氣口與所述內筒出氣口連通。帶冷卻水管的高溫反應器的體積小、結構簡單、安全性高、成本低。
【專利說明】帶冷卻水管的高溫反應器及化工系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及化工技術，尤其涉及一種帶冷卻水管的高溫反應器及化工系統。

【背景技術】
[0002]在化工領域中，很多化學反應是需要在高溫環境下進行的強放熱反應(強放熱反應通常是指焓值大於200kJ/mol的反應)，例如:甲烷化反應。由於這些強放熱反應通常具有反應劇烈、放熱量大、反應溫度高等特點，因此現有技術中這些強放熱反應大多在具有耐火襯裡的高溫反應器中進行。但是，現有技術中的高溫反應器至少存在如下缺點:
[0003](I)為了避免強放熱反應損傷高溫反應器，現有高溫反應器的耐火襯裡通常具有相當大的厚度，這就使得現有高溫反應器的整體體積很大，不利於安裝、拆卸。
[0004](2)在經受設備震動和/或溫度劇烈變動後，現有高溫反應器的耐火襯裡容易出現龜裂、脫落等損傷；一旦耐火襯裡出現損傷，強放熱反應將會直接損壞高溫反應器的外殼，進而可能引發安全事故。
[0005](3)由於高溫反應器在進行強放熱反應時的溫度過高，因此配合高溫反應器使用的後續加工流程中的生產設備(例如:高溫反應器的出口管道、用於回收熱量的廢熱鍋爐等)也需要具有相當強的耐高溫性能，這就給後續加工流程中生產設備的選型和加工製造帶來很多困難，同時也增加了投資和運行成本。


【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種結構簡單、安全可靠、成本低的帶冷卻水管的高溫反應器及化工系統。
[0007]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0008]本發明的帶冷卻水管的高溫反應器，包括外殼，所述外殼的內部設有內筒，所述內筒的外壁與外殼的內壁之間設有間隙氣流通道及水冷管；
[0009]所述內筒的內部由上至下設有催化劑床層和換熱管，所述內筒的壁上設有與內筒的內部連通的內筒進氣口和內筒出氣口，所述內筒進氣口的所在高度高於所述催化劑床層的底部的所在高度，所述內筒出氣口的所在高度低於所述換熱管的底部的所在高度；
[0010]所述外殼的底部設有外殼進氣口和外殼出氣口，所述外殼進氣口通過所述間隙氣流通道與所述內筒進氣口連通，所述外殼出氣口與所述內筒出氣口連通。
[0011]本發明的化工系統，包括上述的帶冷卻水管的高溫反應器、汽包和循環泵；
[0012]所述帶冷卻水管的高溫反應器的換熱管進水口分別與所述循環泵的出水口和汽包的出水口連通，該帶冷卻水管的高溫反應器的換熱管出水口與汽包的進水口連通，所述循環泵的進水口與汽包的出水口連通；
[0013]所述換熱管進水口與所述汽包的出水口之間設有補水用入水口和/或所述循環泵的進水口與汽包的出水口之間設有補水用入水口。
[0014]由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明實施例提供的帶冷卻水管的高溫反應器及化工系統，由於高溫反應器設有間隙氣流通道和水冷管，通過採用氣冷壁和水冷管換熱相結合的複合換熱技術可有效降低反應器內筒外壁的溫度，使反應器內筒無需使用耐火材料，外殼不承受高溫，縮小了高溫反應器的體積，避免了傳統反應器因耐火材料脫落或損傷而對反應器造成的損壞及可能引起的安全事故。同時，通過複合換熱能有效保證進入催化劑床層原料氣溫度的恆定，使反應溫度更易控制，操作簡單易行，安全可靠。另外，該高溫反應器將催化劑床層和換熱管均設置在了內筒的內部，從反應器內部進行移熱，可使該高溫反應器排出物料的溫度大幅降低(正常可控制在100?300°C之間)。從而為後續流程中生產設備的選型和加工製造創造了有利條件，並能有效減少設備投資。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發明實施例一提供的帶冷卻水管的高溫反應器的結構示意圖；
[0016]圖2為本發明實施例二提供的帶冷卻水管的高溫反應器的結構示意圖；
[0017]圖3為本發明實施例提供的化工系統的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0018]下面將對本發明實施例作進一步地詳細描述。
[0019]首先需要說明的是，本申請文件中所述的「上」、「下」、「頂」、「底」等表示方位的詞語，僅是為了清楚描述出本發明實施例的各部件之間的相對位置關係，是基於本發明實施例在採用附圖1和附圖2中所示的放置方位時的一種表述形式，並不是本發明所有實施例的絕對位置關係，因此這並不構成對本發明的限制，本領域普通技術人員可以理解的，當本發明實施例的放置方位發生改變時，相應的絕對位置關係也將發生變化，但這仍屬於本發明的保護範圍。本申請文件中所述的術語「和/或」是指包含一個或多個相關聯的列出項目的任何或所有可能組合。本發明所提供的高溫反應器主要用於氣體之間進行強放熱反應，例如:可以用於溫度高達750°C的甲烷化反應。
[0020]本發明的帶冷卻水管的高溫反應器，其較佳的【具體實施方式】如圖1、圖2所示:
[0021]包括外殼I,所述外殼I的內部設有內筒2,所述內筒2的外壁與外殼I的內壁之間設有間隙氣流通道3及水冷管7 ；
[0022]所述內筒2的內部由上至下設有催化劑床層5和換熱管6，所述內筒2的壁上設有與內筒2的內部連通的內筒進氣口 21和內筒出氣口 22，所述內筒進氣口 21的所在高度高於所述催化劑床層5的底部的所在高度，所述內筒出氣口 22的所在高度低於所述換熱管6的底部的所在高度；
[0023]所述外殼I的底部設有外殼進氣口 11和外殼出氣口 12，所述外殼進氣口 11通過所述間隙氣流通道3與所述內筒進氣口 21連通，所述外殼出氣口 12與所述內筒出氣口 22連通。
[0024]所述內筒2的內部設有封頭4或支撐管或支撐板，所述封頭4或支撐管或支撐板將所述內筒2的內部分隔為內筒上部腔體23和內筒下部腔體24，並且該封頭4或支撐管或支撐板上設有將所述內筒上部腔體23與內筒下部腔體24連通的氣體連通管41 ；
[0025]所述催化劑床層5設於所述內筒上部腔體23中，所述換熱管6設於所述內筒下部腔體24中。
[0026]外殼I的側壁上設有換熱管進水口 61，該換熱管進水口 61穿過所述外殼I與水冷管7及設於所述內筒下部腔體24中的換熱管6連通；
[0027]所述外殼I的頂部設有換熱管出水口 62，所述的封頭4或支撐管或支撐板為水夾套結構，設於所述內筒下部腔體24中的換熱管6與所述封頭4或支撐管或支撐板連通，並且通過封頭4或支撐管或支撐板與所述換熱管出水口 62連通,所述水冷管7的冷卻水出口也與所述換熱管出水口 62連通。
[0028]所述外殼I的內部設有支撐件13，所述內筒2通過支撐件13固定於所述外殼I的內部。
[0029]還包括測溫裝置8，該測溫裝置8由所述外殼I的頂部伸入到所述內筒2的內部。
[0030]所述的內筒進氣口 21包括多個進氣孔，這些進氣孔分布在所述內筒2的頂部和/或與所述內筒上部腔體23相對應的內筒2的側壁上。
[0031]所述的氣體連通管41上設有多個通氣孔，這些通氣孔分布在氣體連通管41的兩端及側壁上，並且至少一個通氣孔位於所述內筒上部腔體23，至少一個通氣孔位於所述內筒下部腔體24 ；
[0032]該氣體連通管41的頂部所在高度高於所述催化劑床層5的底部所在高度，並且低於催化劑床層5的頂部所在高度，該氣體連通管41的頂部與所述催化劑床層5的頂部之間至少存在1mm的高度差；
[0033]該氣體連通管41的底部所在高度高於所述換熱管6的頂部所在高度。
[0034]還包括加熱體9，該加熱體9由所述外殼I的頂部伸入到設於所述內筒2內部的加熱區25，該加熱區25位於所述催化劑床層5的上方；
[0035]所述的內筒進氣口 21設於所述內筒2的頂部。
[0036]所述的氣體連通管41上設有至少兩個通氣孔，並且至少一個通氣孔位於內筒上部腔體23、至少一個通氣孔位於內筒下部腔體24 ；
[0037]該氣體連通管41的頂部伸入到催化劑床層5的長度至多為300mm ；
[0038]該氣體連通管41的底部所在高度高於所述換熱管6的頂部所在高度。
[0039]本發明的化工系統，其較佳的【具體實施方式】如圖3所示:
[0040]包括上述的帶冷卻水管的高溫反應器A、汽包B和循環泵C ；
[0041]所述帶冷卻水管的高溫反應器A的換熱管進水口 61分別與所述循環泵C的出水口和汽包B的出水口連通，該帶冷卻水管的高溫反應器A的換熱管出水口 62與汽包B的進水口連通，所述循環泵C的進水口與汽包B的出水口連通；
[0042]所述換熱管進水口 61與所述汽包B的出水口之間設有補水用入水口和/或所述循環泵C的進水口與汽包B的出水口之間設有補水用入水口。
[0043]本發明的帶冷卻水管的高溫反應器及化工系統，高溫反應器採用氣冷壁和水冷管換熱相結合的複合換熱技術來有效降低反應器內筒外壁的溫度，使反應器內筒無需使用耐火材料，外殼不承受高溫，縮小了高溫反應器的體積，避免了傳統反應器因耐火材料脫落或損傷而對反應器造成的損壞及可能引起的安全事故。同時，通過複合換熱能有效保證進入催化劑床層原料氣溫度的恆定，使反應溫度更易控制，操作簡單易行，安全可靠。另外，該高溫反應器從反應器內部進行移熱，可使該高溫反應器排出物料的溫度大幅降低，從而為後續流程中生產設備的選型和加工製造創造了有利條件，並能有效減少設備投資。
[0044]下面對本發明實施例所提供的高溫反應器進行詳細描述。
[0045]如圖1和圖2所示，一種帶冷卻水管的高溫反應器，其具體結構可以包括:外殼1、內筒2和水冷管7 ;內筒2設於外殼I的內部，並且內筒2的外壁與外殼I的內壁之間設有間隙氣流通道3和水冷管7 ；
[0046]內筒2的內部由上至下設有催化劑床層5和換熱管6 ;內筒2上設有與內筒2的內部連通的內筒進氣口 21和內筒出氣口 22 ;內筒進氣口 21的所在高度高於催化劑床層5的底部的所在高度；內筒出氣口 22的所在高度低於換熱管6的底部的所在高度；
[0047]外殼I的底部設有外殼進氣口 11和外殼出氣口 12 ;外殼進氣口 11通過間隙氣流通道3與內筒進氣口 21連通；外殼出氣口 12與內筒出氣口 22連通。
[0048]水冷管7的進口及出口分別與換熱管6的進口管及出口管相連。
[0049]具體地，該帶冷卻水管的高溫反應器的具體工作原理如下:
[0050](I)氣體運行原理:原料氣體(原料氣體是一種混合氣體，其中至少包含了進行同一個強放熱反應所需要的所有氣體，例如:在甲烷化反應中，該原料氣體中可以至少包含氫氣和一氧化碳，或者，該原料氣體中可以至少包含氫氣和二氧化碳)由外殼進氣口 11進入到外殼I的內部；由於外殼進氣口 11是與間隙氣流通道3的下部連通的，因此進入外殼I的內部的原料氣體只能通過間隙氣流通道3向上流動；在間隙氣流通道3內，原料氣體與內筒2的外壁及水冷管7進行複合換熱，以保證入催化劑床層原料氣溫度的恆定；當原料氣體流動到與間隙氣流通道3的上部連通的內筒進氣口 21時，原料氣體會通過內筒進氣口21流入到內筒2的內部；由於內筒進氣口 21的所在高度高於催化劑床層5的底部的所在高度，因此原料氣體流入內筒2的內部後，會與催化劑床層5相接觸，並且會在催化劑床層5的催化作用下發生強放熱反應，從而生成溫度很高的產品氣；產品氣在內筒2的內部會逐漸向下流動，並流經換熱管6的外部，由於換熱管6內部是溫度低的冷卻水，因此當產品氣流經換熱管6時，產品氣會與換熱管6內部的冷卻水發生熱量交換，從而使產品氣得以大幅降溫；產品氣在降溫後會依次穿過內筒出氣口 22和外殼出氣口 12，並排出到該高溫反應器的外部，即完成了氣體在該高溫反應器內的整個運行過程。
[0051](2)水冷原理:換熱管6的內部設有溫度低的冷卻水，當產品氣流經換熱管6的外部時，冷卻水會與產品氣進行熱量交換，從而可以升高冷卻水的溫度(或使少部分冷卻水發生汽化)，並且降低產品氣的溫度(即水冷)；為了保持對產品氣具有良好的冷卻效果，可以向換熱管6的內部補入新的溫度低的冷卻水，並且可以將升溫後的冷卻水從換熱管6的內部排出；在實際應用中，當使用本發明所提供的高溫反應器進行強放熱反應時，冷卻水的排出和更換過程可以實時進行，從而可以保證該換熱管6對產品氣具有良好的冷卻效果，能夠使產品氣的溫度大幅下降，為後續流程生產設備的選型和加工製造創造了有利條件。
[0052](3)複合換熱原理:為降低內筒2外壁的溫度，同時保證入反應器原料氣溫度的恆定，米用氣冷壁(氣氣換熱)和水冷管(水氣換熱)換熱相結合的方式。原料氣體在位於內筒2內部的催化劑床層5中發生強放熱反應，致使內筒2內部自催化劑床層5及以下的部分溫度均高於內筒2的外部；由於內筒2的外部是間隙氣流通道3，而間隙氣流通道3內流動的是剛進入外殼I內部的溫度較低的原料氣體，因此這部分原料氣體可以與內筒2進行熱量交換，從而使這部分原料氣體的溫度升高，並且使內筒2外壁的溫度下降(即氣冷壁)；原料氣體溫度的升高有利於原料氣體在遇到催化劑床層5時使催化劑床層5中的催化劑達到起活溫度，以保證強放熱反應的正常進行。同時內筒2與外殼I之間設有水冷管7，冷卻水溫度低且恆定，與入反應器的原料氣體也同時進行換熱(換熱過程中少部分冷卻水發生汽化)，能有效保證入催化劑床層原料氣溫度的恆定(水冷管換熱)，從而使催化劑床層的反應溫度更加容易控制，操作更加安全可靠。採用複合換熱後，不僅可以使內筒2無需設置耐火材料或水冷壁，降低內筒2在選材時的耐溫要求，延長內筒2的使用壽命，而且還能保證入催化劑床層原料氣體溫度的恆定，從而使反應能夠順利可控的進行。
[0053]其中，該帶冷卻水管的高溫反應器中各部件的具體實現方案可以包括:
[0054](I)內筒2的內部設有封頭4(或支撐管、支撐板)；該封頭4 (或支撐管、支撐板)將內筒2的內部分隔為內筒上部腔體23和內筒下部腔體24，催化劑床層5設於內筒上部腔體23中，換熱管6設於內筒下部腔體24中；該封頭4 (或支撐管、支撐板)可以對內筒上部腔體23中的催化劑床層5起到支撐作用；在實際應用中，該封頭4 (或支撐管、支撐板)最好採用水夾套結構，即封頭4 (或支撐管、支撐板)的內部可以流動冷卻水(例如:可以採用與換熱管6連通的方式實現)，從而可以避免封頭4 (或支撐管、支撐板)受到強放熱反應所產生高溫的影響。該封頭4(或支撐管、支撐板)上可以設有將內筒上部腔體23和內筒下部腔體24連通的氣體連通管41，以使內筒上部腔體23中反應生成的產品氣能夠通過氣體連通管41流入到內筒下部腔體24中。
[0055](2)外殼I與內筒2之間設有水冷管7，冷卻水溫度恆定，可與流經間隙氣流通道3的原料氣體進行熱量交換。
[0056](3)外殼I的側壁上可以設有換熱管進水口 61 ;該換熱管進水口 61可以穿過外殼I與水冷管7及設於內筒2下部腔體24中的換熱管6連通；外殼I的頂部可以設有換熱管出水口 62 ;設於內筒下部腔體24中的換熱管6可以與封頭4 (或支撐管、支撐板)連通，並且通過封頭4(或支撐管、支撐板)與換熱管出水口 62連通。水冷管7的出水口也與換熱管出水口 62連通。溫度低的冷卻水可以從換熱管進水口 61流入換熱管6及水冷管7,而溫度升高後(或部分汽化後)的冷卻水可以通過換熱管出水口 62排出；為了實現冷卻水的自然循環，並且使傳熱推動力最大化，該高溫反應器中流經換熱管6的冷卻水最好採用由下而上的全逆流方式。
[0057](4)外殼I的內部設有支撐件13 ;內筒2通過支撐件13設置於外殼I的內部。
[0058](5)該高溫反應器還可以包括:測溫裝置8 ;該測溫裝置8由外殼I的頂部伸入到內筒2的內部，以測量該高溫反應器的反應溫度。
[0059]可見，該高溫反應器至少具備以下優點:
[0060](I)本發明所提供的帶冷卻水管的高溫反應器設有間隙氣流通道3和水冷管7，通過採用氣冷壁和水冷管換熱相結合的複合換熱技術可有效降低反應器內筒2外壁的溫度，使反應器內筒2無需使用耐火材料，外殼I不承受高溫，縮小了高溫反應器的體積，降低反應器在選材時的耐溫要求，避免了傳統反應器因耐火材料脫落或損傷而對反應器造成的損壞及可能引起的安全事故。
[0061](2)通過複合換熱能有效保證進入催化劑床層原料氣溫度的恆定，保證反應的順利進行，並使反應溫度更容易控制，操作簡單易行，安全可靠。
[0062](3)該帶冷卻水管的高溫反應器將催化劑床層5和換熱管6均設置在內筒2的內部，從反應器內部對反應進行移熱，可使該高溫反應器排出物料的溫度大幅降低(正常可控制在100?300°C之間)。從而為後續流程中生產設備的選型和加工製造創造了有利條件，並能有效減少設備投資。
[0063]為使本發明的發明目的、技術方案和有益效果更加清楚，下面通過實例，並結合相應附圖，對本發明實施例作進一步詳細描述。
[0064]實施例一
[0065]如圖1所示，一種帶冷卻水管的高溫反應器，與上述技術方案相比，該實施例一更為具體地採用了如下技術方案:
[0066](I)所述的內筒進氣口 21包括多個進氣孔；這些進氣孔分布在內筒2的頂部，和/或，與內筒上部腔體23相對應的內筒2的側壁上；在實際應用中，內筒2的頂部和與內筒上部腔體23相對應的內筒2的側壁上最好均設有進氣孔，從而使原料氣體能夠從軸向和徑向的多個部位進入到內筒2的內部，並均能與催化劑床層5相接觸。
[0067](2)所述的氣體連通管41上設有多個通氣孔；這些通氣孔分布在氣體連通管41的兩端及側壁上，並且至少一個通氣孔位於內筒上部腔體23、至少一個通氣孔位於內筒下部腔體24 ;在實際應用中，該氣體連通管41最好為一根，並且設於封頭4 (或支撐管、支撐板)的中心部位，氣體連通管41的兩端及側壁上均分布多個通氣孔，從而使反應後的產品氣能夠均勻地進入到氣體連通管41。
[0068]該氣體連通管41的頂部所在高度高於催化劑床層5的底部所在高度，並且低於催化劑床層5的頂部所在高度；該氣體連通管41的頂部與催化劑床層5的頂部之間至少存在1mm的高度差，這不僅能夠避免原料氣未經反應就直接進入到氣體連通管41內，而且能夠使反應後的產品氣均勻地進入到氣體連通管41中，因而降低了該高溫反應器的阻力降，易於大型化使用。該氣體連通管41的底部所在高度可以低於換熱管6的頂部所在高度，但最好是高於換熱管6的頂部所在高度，在實際應用中，該氣體連通管41的底部伸入到內筒下部腔體24的長度最好儘量短，從而可以保證反應後的產品氣能夠與換熱管6充分進行熱量交換。
[0069]具體地，若採用本實施例中的帶冷卻水管的高溫反應器進行甲烷化反應，則其具體的流程如下:
[0070]將150?300°C、0.5?1MPa的原料氣體(該原料氣體為至少包含氫氣和二氧化碳的混合氣體，或者，至少包含氫氣和一氧化碳的混合氣體)從外殼進氣口 11輸入到外殼I的內部；該原料氣體由間隙氣流通道3向上流動，在間隙氣流通道3內，原料氣體與內筒2的外壁及水冷管7進行氣氣、水氣複合換熱，從而降低內筒2的外壁溫度，並使該原料氣體溫度升高或降低並以恆定的溫度(取決於水冷管溫度)向上流動；當原料氣體流動到設於內筒2側壁或者內筒2頂部的進氣孔21時，原料氣體會通過進氣孔21從軸向和徑向的多個位置進入到內筒2的內部；進入內筒2的內部的原料氣體會與催化劑床層5相接觸，並在催化劑床層5的催化作用下發生強放熱反應，生成產品氣(即甲烷)，該強放熱反應的反應溫度可高達750°C ;產品氣均勻地進入到氣體連通管41，並由氣體連通管41進入到內筒下部腔體24 ;進入內筒下部腔體24的產品氣會流經換熱管6的外部，並與換熱管6進行熱量交換；與換熱管6進行熱量交換後，產品氣的溫度降溫至180?300°C，然後依次穿過內筒出氣口 22和外殼出氣口 12，並排出到該高溫反應器的外部，即完成了整個甲烷化反應的運行過程。
[0071]需要說明的是，由於本發明實施例中的帶冷卻水管的高溫反應器並不包含加熱裝置，因此催化劑床層5中所放置的催化劑需要事先採用現有技術進行預還原處理。
[0072]實施例二
[0073]如圖2所示，一種帶冷卻水管的高溫反應器，與實施例一相比，該實施例二更為具體地採用了如下不同的技術方案:
[0074](I)內筒進氣口 21設於內筒2的頂部；在實際應用中，該內筒2的頂部最好整體上就是一個大的內筒進氣口 21，從而可以在該高溫反應器上設置加熱體，並使加熱體伸入到內筒進氣口 21內，以提升進入催化劑床層5的氣體的溫度，從而為催化劑床層5的升溫和還原創造了有利條件。
[0075](2)所述的氣體連通管41上設有至少兩個通氣孔，並且至少一個通氣孔位於內筒上部腔體23、至少一個通氣孔位於內筒下部腔體24 ;在實際應用中，該氣體連通管41最好為四根，並且均布在封頭4 (或支撐管、支撐板)上，每根氣體連通管41最好只有兩個通氣孔，並且分別設於氣體連通管41的兩端，這可以使反應後的產品氣均勻地進入到氣體連通管41。
[0076]該氣體連通管41的頂部伸入到催化劑床層5的長度至多為300mm ;在實際應用中，該氣體連通管41處於內筒上部腔體23的長度應該儘量短，這使得原料氣體需要穿過整個催化劑床層5才能進入到氣體連通管41中，因而使原料氣體的反應能夠更加充分。該氣體連通管41的底部所在高度可以低於換熱管6的頂部所在高度，但最好是高於換熱管6的頂部所在高度，在實際應用中，該氣體連通管41的底部伸入到內筒下部腔體24的長度最好儘量短，從而可以保證反應後的產品氣能夠與換熱管6充分進行熱量交換。
[0077](3)該帶冷卻水管的高溫反應器還可以包括:加熱體9 ;該加熱體9由外殼I的頂部伸入到設於內筒2內部的加熱區25 ;該加熱區25位於催化劑床層5的上方；在實際應用中，如果內筒2的頂部整體上是一個大的內筒進氣口 21，那麼加熱體9最好伸入到內筒進氣口 21以下，以對進入內筒2的原料氣體進行加熱，進而提升原料氣體進入催化劑床層5時的溫度，從而為催化劑床層5的升溫和還原創造了有利條件。
[0078]具體地，若採用本實施例中的帶冷卻水管的高溫反應器進行甲烷化反應，則其具體的流程如下:
[0079]將150?300°C、0.5?1MPa的原料氣體(該原料氣體為至少包含氫氣和二氧化碳的混合氣體，或者，至少包含氫氣和一氧化碳的混合氣體)從外殼進氣口 11輸入到外殼I的內部；該原料氣體由間隙氣流通道3向上流動，在間隙氣流通道3內，原料氣體與內筒2的外壁及水冷管7進行氣氣、水氣複合換熱，從而使原料氣體溫度升高或降低並以恆定的溫度(取決於水冷管溫度)向上流動；當原料氣體流動到設於內筒2頂部的內筒進氣口21時，原料氣體會通過內筒進氣口 21從軸向進入到內筒2的內部；進入內筒2的內部的原料氣體會與催化劑床層5相接觸，並在催化劑床層5的催化作用下發生強放熱反應，生成產品氣(即甲烷)；剛剛生成的產品氣的溫度可高達750°C ;該高溫產品氣進入到氣體連通管41,並由氣體連通管41進入到內筒下部腔體24 ;進入內筒下部腔體24的產品氣會流經換熱管6的外部，並與換熱管6進行熱量交換；與換熱管6進行熱量交換，產品氣的溫度降溫至180?300°C，然後依次穿過內筒出氣口 22和外殼出氣口 12，並排出到該高溫反應器的外部，即完成了整個甲烷化反應的運行過程。
[0080]需要說明的是，由於本發明實施例中的帶冷卻水管的高溫反應器能夠進行加熱，因此催化劑床層5中所放置的催化劑可以是未經預還原處理的，也可以是經過預還原處理的，同時，進入催化劑床層5的氣體溫度可通過加熱體9的加熱達到600°C。
[0081 ] 除了上述技術方案外，本發明實施例還提供了一種化工系統，如圖3所示，其具體結構可以包括:上述技術方案中所述的帶冷卻水管的高溫反應器A、汽包B和循環泵C ；
[0082]原料氣101通過外殼進氣口 11流入該高溫反應器A後進入間隙氣流通道3，在間隙氣流通道3內，原料氣自下向上流動並與內筒2的外壁及水冷管7進行氣氣、水氣複合換熱，一方面顯著降低了反應器內筒2的外壁溫度，另一方面使原料氣溫度升高或降低至某一相對恆定的數值(取決於水冷管溫度)；之後原料氣由內筒2的頂部進入催化劑床層5，並在催化劑的催化作用下發生強放熱反應，生成反應後的產品氣102。該產品氣經封頭4上設置的氣體連通管進入換熱管6，與換熱管6進行換熱降溫後，依次穿過內筒2及外殼I的底部後排出。
[0083]該高溫反應器A的換熱管進水口 61分別與循環泵C的出水口和汽包B的出水口連通；該帶冷卻水管的高溫反應器A的換熱管出水口 62與汽包B的進水口連通；循環泵C的進水口與汽包B的出水口連通；
[0084]換熱管進水口 61與汽包B的出水口之間設有補水用入水口，和/或，循環泵C的進水口與汽包B的出水口之間設有補水用入水口。
[0085]具體地，冷卻水由換熱管進水口 61流入該帶冷卻水管的高溫反應器A，經與反應後的產品氣102及流經間隙氣流通道3的原料氣體進行熱量交換後，形成溫度較高(或部分已汽化)的冷卻水；冷卻水依次經由換熱管出水口 62和汽包B的進水口流入到汽包B中；在汽包B中，部分已汽化的冷卻水形成蒸汽(可作為副產品)，從汽包B的出汽口排出，未汽化的冷卻水從汽包B的出水口流出；從汽包B的出水口流出的冷卻水直接流回到換熱管進水口 61，或者通過循環泵C加壓流回到換熱管進水口 61。為了彌補排出的蒸汽所帶來的冷卻水不足問題，補充冷卻水104可以通過補水用入水口直接流入到換熱管進水口 61，或者，補充冷卻水104可以通過補水用入水口流入到循環泵C的進入口，再由循環泵C流入到換熱管進水口 61。
[0086]可見，本發明實施例提供的化工系統實現了該帶冷卻水管的高溫反應器A的換熱和移熱過程，冷卻水在開車階段可以採用循環泵C加壓循環，在正常生產階段可以停止運行循環泵C，使冷卻水完全靠自然循環，這能夠有效節約能源。該化工系統既能保證進入反應器催化劑床層原料氣溫度的恆定，又能使高溫反應器排出產品氣的溫度大幅下降，從而為後續流程生產設備的選型和加工製造創造了有利條件。
[0087]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種帶冷卻水管的高溫反應器，其特徵在於，包括外殼(I)，所述外殼(I)的內部設有內筒(2)，所述內筒(2)的外壁與外殼⑴的內壁之間設有間隙氣流通道(3)及水冷管(7)； 所述內筒(2)的內部由上至下設有催化劑床層(5)和換熱管￠)，所述內筒(2)的壁上設有與內筒(2)的內部連通的內筒進氣口(21)和內筒出氣口(22)，所述內筒進氣口(21)的所在高度高於所述催化劑床層(5)的底部的所在高度，所述內筒出氣口(22)的所在高度低於所述換熱管出)的底部的所在高度； 所述外殼(I)的底部設有外殼進氣口(11)和外殼出氣口(12),所述外殼進氣口(11)通過所述間隙氣流通道(3)與所述內筒進氣口(21)連通，所述外殼出氣口(12)與所述內筒出氣口(22)連通。
2.根據權利要求1所述的帶冷卻水管的高溫反應器，其特徵在於，所述內筒(2)的內部設有封頭(4)或支撐管或支撐板，所述封頭(4)或支撐管或支撐板將所述內筒(2)的內部分隔為內筒上部腔體(23)和內筒下部腔體(24)，並且該封頭(4)或支撐管或支撐板上設有將所述內筒上部腔體(23)與內筒下部腔體(24)連通的氣體連通管(41)； 所述催化劑床層(5)設於所述內筒上部腔體(23)中，所述換熱管(6)設於所述內筒下部腔體(24)中。
3.根據權利要求2所述的帶冷卻水管的高溫反應器，其特徵在於，外殼(I)的側壁上設有換熱管進水口(61)，該換熱管進水口 ￠1)穿過所述外殼(I)與水冷管(7)及設於所述內筒下部腔體(24)中的換熱管(6)連通； 所述外殼(I)的頂部設有換熱管出水口(62)，所述的封頭(4)或支撐管或支撐板為水夾套結構，設於所述內筒下部腔體(24)中的換熱管(6)與所述封頭(4)或支撐管或支撐板連通，並且通過封頭(4)或支撐管或支撐板與所述換熱管出水口 ￠2)連通，所述水冷管(7)的冷卻水出口也與所述換熱管出水口(62)連通。
4.根據權利要求3所述的帶冷卻水管的高溫反應器，其特徵在於，所述外殼(I)的內部設有支撐件(13)，所述內筒(2)通過支撐件(13)固定於所述外殼(I)的內部。
5.根據權利要求4所述的帶冷卻水管的高溫反應器，其特徵在於，還包括測溫裝置(8)，該測溫裝置⑶由所述外殼⑴的頂部伸入到所述內筒(2)的內部。
6.根據權利要求5所述的帶冷卻水管的高溫反應器，其特徵在於，所述的內筒進氣口(21)包括多個進氣孔，這些進氣孔分布在所述內筒(2)的頂部和/或與所述內筒上部腔體(23)相對應的內筒(2)的側壁上。
7.根據權利要求6所述的帶冷卻水管的高溫反應器，其特徵在於，所述的氣體連通管(41)上設有多個通氣孔，這些通氣孔分布在氣體連通管(41)的兩端及側壁上，並且至少一個通氣孔位於所述內筒上部腔體(23)，至少一個通氣孔位於所述內筒下部腔體(24)； 該氣體連通管(41)的頂部所在高度高於所述催化劑床層(5)的底部所在高度，並且低於催化劑床層(5)的頂部所在高度，該氣體連通管(41)的頂部與所述催化劑床層(5)的頂部之間至少存在1mm的高度差； 該氣體連通管(41)的底部所在高度高於所述換熱管￠)的頂部所在高度。
8.根據權利要求7所述的帶冷卻水管的高溫反應器，其特徵在於，還包括加熱體(9)，該加熱體(9)由所述外殼(I)的頂部伸入到設於所述內筒(2)內部的加熱區(25)，該加熱區(25)位於所述催化劑床層(5)的上方； 所述的內筒進氣口(21)設於所述內筒(2)的頂部。
9.根據權利要求8所述的帶冷卻水管的高溫反應器，其特徵在於，所述的氣體連通管(41)上設有至少兩個通氣孔，並且至少一個通氣孔位於內筒上部腔體(23)、至少一個通氣孔位於內筒下部腔體(24)； 該氣體連通管(41)的頂部伸入到催化劑床層(5)的長度至多為300_ ； 該氣體連通管(41)的底部所在高度高於所述換熱管￠)的頂部所在高度。
10.一種化工系統，其特徵在於，包括上述權利要求1至9中任一項所述的帶冷卻水管的高溫反應器㈧、汽包⑶和循環泵(C)； 所述帶冷卻水管的高溫反應器(A)的換熱管進水口(61)分別與所述循環泵(C)的出水口和汽包(B)的出水口連通，該帶冷卻水管的高溫反應器(A)的換熱管出水口(62)與汽包⑶的進水口連通，所述循環泵(C)的進水口與汽包⑶的出水口連通； 所述換熱管進水口 ￠1)與所述汽包(B)的出水口之間設有補水用入水口和/或所述循環泵(C)的進水口與汽包(B)的出水口之間設有補水用入水口。
【文檔編號】B01J8/02GK104307440SQ201410594220
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】汪勤亞, 劉廷斌, 王志遠, 趙正緒, 陳兆文, 蘭玉順, 彭良華, 李會, 張歡迎 申請人:北京華福工程有限公司