CN110170281A - 一种反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反应器，该反应器包括：壳体和设置于壳体内部的换热结构；其中，换热结构为套管结构，其包括多层换热环管，其沿壳体的径向依次套设；任意相邻两层换热环管之间均间隔设置形成第一催化剂层；各换热环管的横截面均为环状结构，用以补入换热介质以对催化剂进行换热。本发明通过在壳体内部设置成多层环套式结构的换热结构对壳体内部的催化剂进行换热，即通过换热环管内的换热介质对换热环管之间的催化剂进行换热，由多层环套式结构的面式换热代替列管式的线式换热，增大冷却面积，有利于转移催化剂反应放出的热量，提高了换热效率；该环套式结构抗温差性能好减少热膨胀对反应器的影响，避免出现换热结构焊缝开裂的问题。

Description

一种反应器

技术领域

本发明涉及化工催化反应设备技术领域，具体而言，涉及一种反应器。

背景技术

目前，对于如甲醇、低碳醇合成等一些强放热反应，为了提高反应效率，通常在反应的同时移出反应热， 目前国内外一些装置中例如Lurgi管壳式合成塔利用壳程水移走反应管中的反应热，但是这种管内装催化剂的副产蒸汽塔为线式换热，冷却面积小，移热效果不好，易导致催化剂“超温”和“飞温”，影响反应效率；同时，列管热胀冷缩会导致列管与反应器焊接处开裂，其阻碍了反应器的发展，进而阻碍了催化合成化工的发展。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种反应器，旨在解决现有反应器通过列管换热管进行移热导致移热效果差和列管与反应器焊接处开裂的问题。

本发明提出了一种反应器，该反应器包括：壳体和设置于所述壳体内部的换热结构；其中，所述换热结构为套管结构，其包括多层换热环管，各层所述换热环管沿所述壳体的径向依次套设；任意相邻两层所述换热环管之间均间隔设置形成第一催化剂层，用以装填催化剂；各所述换热环管的横截面均为环状结构，用以补入换热介质以对催化剂进行换热。

进一步地，上述反应器，最内侧所述换热环管围设的中空区域中设置有中心换热管，其与最内侧所述换热环管之间间隔设置形成第二催化剂层，用以装填催化剂；所述中心换热管内部用以补入冷却介质。

进一步地，上述反应器，所述换热层横截面面积与所述催化剂层横截面面积之比为1～5；所述换热层横截面面积为各所述换热环管和所述中心换热管的横截面面积之和；所述催化剂层横截面面积为各所述第一催化剂层和所述第二催化剂层的横截面面积之和。

进一步地，上述反应器，最内侧所述换热环管内壁围设的中空区域作为第三催化剂层用以装填催化剂，并且，所述换热层横截面面积与所述催化剂横截面面积之比为1～5；所述换热层横截面面积为各所述换热环管的横截面面积之和；所述催化剂横截面面积为各所述第一催化剂层和所述第三催化剂层的横截面面积之和。

进一步地，上述反应器，该反应器还包括：分别设置于所述换热结构两端的第一收集结构和第二收集结构，并且，所述第一收集结构和所述第二收集结构均与所述换热结构相连通，用以对所述换热结构进行换热介质的输入和输出。

进一步地，上述反应器，所述第一收集结构设置于所述换热结构的下端，并且，所述第一收集结构上连接有输入口，用以输入换热介质；所述第二收集结构设置于所述换热结构的上端，并且，所述第二收集结构上连接有输出口，用以输出换热介质，以使所述换热介质与所述壳体内的原料合成气的流向相反。

进一步地，上述反应器，所述第一收集结构和/或所述第二收集结构为管网式结构，其包括若干个内套联管；其中，任意相邻所述换热环管之间均通过若干所述内套联管相连通。

进一步地，上述反应器，各所述换热环管内周设置的内套联管与该换热环管外周设置的内套联管之间错位设置。

进一步地，上述反应器，所述内套联管在所述换热环管的周向呈散射状分布。

进一步地，上述反应器，所述第一收集结构和/或所述第二收集结构为内部中空的板状结构，其与各所述换热环管均相连通。

进一步地，上述反应器，所述板状结构在所述催化层处设置有筛孔，用以导通所述催化层和所述壳体内上下部设置的填料层。

进一步地，上述反应器，所述换热结构通过支撑结构与所述壳体相连接。

本发明提供的反应器，通过在壳体内部设置成多层环套式结构的换热结构对壳体内部的催化剂进行换热，即通过换热环管内的换热介质对换热环管之间的催化剂进行换热，由多层环套式结构的面式换热代替列管式的线式换热，增大冷却面积，有利于转移催化剂反应放出的热量，进而提高了换热效率；同时，该环套式结构抗温差性能好，尤其优于列管式，可以减少热膨胀对反应器结构的影响，从而避免出现换热结构焊缝开裂的问题。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的反应器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的反应器的剖视图；

图3为本发明实施例提供的反应器的又一剖视图；

图4为本发明实施例提供的反应器中收集结构的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见图1，其为本发明实施例提供的反应器的结构示意图。如图所示，该反应器包括：壳体1、换热结构2、填料层3和支撑结构4；其中，

壳体1为内部中空结构，换热结构2设置于壳体1的内部，用以对壳体1内部的催化剂进行换热，以避免催化剂发生“超温”和“飞温”影响反应效率，当然亦可对其进行加热，避免其温度较低影响反应效率。

换热结构2为套管结构，其包括多层换热环管21，各层换热环管21之间直径不同，用以在壳体1内沿壳体1的径向（如图1所示的水平方向）依次套设，以便在壳体1内分割成多层环柱形腔体，用以独立存放催化剂和换热介质，进而通过换热介质对催化剂进行换热，以实现催化剂的快速冷却降温，从而避免催化剂的“超温”和“飞温”。

任意相邻两层换热环管21之间均间隔设置形成第一催化剂层22，用以装填催化剂。具体地，各层换热环管21之间的直径差值均大于预设值，以保证任意相邻两层换热环管21之间围设成空腔以形成用以装填催化剂的第一催化剂层22；优选地，各层换热环管21与壳体1同轴设置，用以使得各层第一催化剂层22沿壳体1的周向均匀分布，即第一催化剂层22均与壳体1同轴设置的环状结构，且沿壳体1的径向宽度相同，以确保催化剂的均匀分布。其中，最外侧换热环管21与壳体1内壁之间可间隔设置亦可无间隙设置，并且，为避免催化剂的“超温”和“飞温”，最外侧换热环管21与壳体1内壁之间无需催化剂的填充，以避免催化剂放出的热量对壳体1产生影响，即壳体1与换热环管21相邻或者设计过程中可以将最外层换热环管21设计为外壳体，此种设计即将最外层换热环管21外置，不同于内部环管结构，可以是换热夹套等结构并且可以独立与供水***相连，不与内部的换热环管21的收集结构相连。

各换热环管21的横截面均为环状结构，即换热环管21的内壁和外壁之间围设空腔以形成换热层23，用以补入换热介质以对催化剂进行换热。优选地，在壳体1内第一催化剂层22和换热层23均为同轴环状结构，且第一催化剂层22和换热层23彼此间隔设置，即任意两层第一催化剂层22之间设有换热层23和/或任意两层换热层23之间设有第一催化剂层22，用以通过换热层23内的换热介质对第一催化剂层22内的催化剂进行换热，以避免催化剂的“超温”和“飞温”。

换热结构2通过支撑结构4与壳体1相连接。具体地，支撑结构4可以为两个，以便换热结构2的上下两端分别通过一个支撑结构4与壳体1相连接，以实现换热结构2与壳体1之间的连接和固定，进而确保换热结构2的稳定性。本实施例中对各支撑结构4的结构不做限定，只需实现换热结构2的固定即可。

本实施例中，在壳体1内部设置成多层环套式结构的换热结构2对壳体1内部的催化剂进行换热，即通过换热环管21内的换热介质对换热环管21之间的催化剂进行换热，由多层环套式结构的面式换热代替列管式的线式换热，增大冷却面积，有利于转移催化剂反应放出的热量，进而提高了换热效率；同时，该环套式结构抗温差性能好，尤其优于列管式，可以减少热膨胀对反应器结构的影响，从而避免出现换热结构焊缝开裂的问题。

在上述实施例中，壳体1的壳体本体11可以为内部中空两端开口的圆柱型壳体，壳体本体11的顶部可拆卸地连接有上封头12，壳体本体11的底部可拆卸地连接有下封头13，优选地，上封头12和下封头13均可通过法兰与壳体本体11可拆卸地相连接。上封头12的顶部设有进气口121，其为装置原料进口，用于向壳体1内输入原料合成气。下封头13上设有出料口131，其为原料气在壳体1内进行反应合成产品的出口，实现合成产品的输出。其中，上封头12和/或下封头13上可根据实际情况设有人口和卸料口等，以便于装卸催化剂和设备的维护使用。为便于合成气分布的均匀性，优选地，壳体1的上部即上封头12内设有填料层3，用以分散原料合成气，以使合成气在各催化剂层内均匀分布。为对壳体1内的催化剂进行支撑，壳体1的下部即下封头13内亦可设有填料层3，用以对催化剂进行支撑，同时亦可对合成产品进行过滤。填料层3内用以装填填料，填料可以为瓷球或瓷环填料，优选为瓷球。

参见图2，其为本发明实施例提供的反应器的剖视图，在上述实施例中，对于最内侧换热环管21的第一实施方式，最内侧换热环管21围设的中空区域中设置有中心换热管24，其与最内侧换热环管21之间间隔设置形成第二催化剂层25，用以装填催化剂，中心换热管24亦作为换热层23用以补入冷却介质用以对催化剂进行换热。具体地，中空区域指的是最内侧换热环管21内壁远离最内侧换热环管21的外壁的一侧，即环状结构的轴线位置的中空区域，其可设有中心换热管24，中心换热管24可与最内侧换热环管21之间同轴设置且间隔设置，以在中心换热管24和最内侧换热环管21的内壁之间围设空腔以形成第二催化剂层25，以装填催化剂，可通过中心换热管24和最内侧换热环管21内部补入的冷却介质对第二催化剂层25内的催化剂进行换热。

参见图3，其为本发明实施例提供的反应器的又一剖视图，在上述实施例中，最内侧换热环管21的第二实施方式，最内侧换热环管21内壁围设的中空区域作为第三催化剂层26，用以装填催化剂。具体地，中空区域指的是最内侧换热环管21内壁远离最内侧换热环管21的外壁的一侧，即环状结构轴线位置的中空区域，其内部用以装填催化剂。

上述两种实施方式分别为最内侧换热环管21的中心位置设置有中心换热管24，用以补入换热介质，而最内侧换热环管21和中心换热管24之间间隔形成第二催化剂层25用以装填催化剂；或者是，最内侧换热环管21的中心位置直接作为第三催化剂层26用以装填催化剂，也就是说，换热环管21、第一催化剂层22、换热层23、第二催化剂层25、第三催化剂层26的横截面均为环状结构。无论最内侧换热环管21的内部如何设置，为保证化剂在合成反应过程的热量能够被换热结构2内的换热介质带出反应器，优选地，换热层横截面面积与催化剂层横截面面积之比为1~5，即壳体1内装填换热介质的横截面面积之和与装填催化剂的横截面面积之和之间的比例为1:1~5:1，以保证催化剂在合成反应过程的热量能够被换热环管21内的介质带出反应器，进而避免催化剂的“超温”和“飞温”，进而提高反应效率。其中，对于在最内侧换热环管21内结构为第一实施方式时，换热层横截面面积为各换热环管21和中心换热管24的横截面面积之和，催化剂层横截面面积为各第一催化剂层22和第二催化剂层25的横截面面积之和；对于在最内侧换热环管21内结构为第二实施方式时，换热层横截面面积为各换热环管21的横截面面积之和，催化剂横截面面积为各第一催化剂层22和第三催化剂层26的横截面面积之和。其中，换热环管21的横截面面积为换热环管21横截面上内壁和外壁之间围设的空腔的面积。

在上述各实施例中，该反应器内还包括第一收集结构5和第二收集结构6；其中，

第一收集结构5和第二收集结构6分别设置于换热结构2的两端，用以收集换热介质，以便对换热结构2进行换热介质的输入和输出。其中，第一收集结构5与换热结构2相连通，并且，第二收集结构6与换热结构2相连通，用以对换热结构2进行换热介质的输入和输出，当然，对于换热环管21内部设有中心换热管24时即对于在最内侧换热环管21内结构为第一实施方式时，第一收集结构5和第二收集结构6均与换热环管21和中心换热管24均相连通，用以对换热环管21和中心换热管24进行换热介质的输入和输出。为提高换热介质对催化剂进行换热的效果和效率，优选地，第一收集结构5设置于换热结构2的下端，并且，第一收集结构5上连接有输入口51，用以输入换热介质，第二收集结构6设置于换热结构2的上端，并且，第二收集结构6上连接有输出口61，用以输出换热介质，以使换热介质与壳体1内的原料合成气的流向相反，也就是说，通过输入口51输入换热介质，并通过第一收集结构5将换热介质导流至各层换热环管21内，对于在最内侧换热环管21内结构为第一实施方式时，通过第一收集结构5将换热介质导流至各层换热环管21内的同时亦将换热介质导流至中心换热管24内，以便换热介质沿换热环管21和中心换热管24自下至上（相对于图1所示的位置而言）流动，而壳体1内的原料合成气自上至下流动，使得原料合成气和换热介质的流动方向相反，实现两者之间的逆流换热，换热环管21和中心换热管24内的换热介质流动至上端时收集至第二收集结构6内，并通过输出口61输出换热介质换热后的介质例如可以为蒸汽和水。

在上述各实施例中，第一收集结构5和第二收集结构6的一种实施方式为管板式结构，参见图1至图2，第一收集结构5和/或第二收集结构6为内部中空的板状结构，其与换热结构2均相连通，即第一收集结构5和/或第二收集结构6为箱体式结构；当然，对于在最内侧换热环管21内结构为第一实施方式时，第一收集结构5和/或第二收集结构6与换热环管21和中心换热管24均相连通。第一收集结构5和/或第二收集结构6为一体结构，即各催化剂层和换热层23共同连接的平面，其中，第一收集结构可以为支撑板，第二收集结构6可以为分布板。

参见图4，其为本发明实施例提供的反应器中收集结构的结构示意图。如图所示，为实现原料合成气和合成产品的导通，优选地，板状结构即第一收集结构5和/或第二收集结构6在催化层处设置有筛孔7，用以导通催化层和壳体1上下部设置的填料层3，以保证催化剂内原料气进出，同时筛孔起到有效的分布原料气作用。其中，筛孔只设置在催化剂层即设置有催化剂的空腔位置设置，在换热层23不设置。优选地，筛孔7占板状结构的比例为20%-80%。

催化层指的是用以装填催化剂的位置，例如在第一实施方式中的第一催化剂层22和第二催化剂层25，第二实施方式中第一催化剂层22和第三催化剂层26。

在上述各实施例中，第一收集结构5和第二收集结构6的另一种实施方式为管网式结构，参见图3，第一收集结构5和/或第二收集结构6为管网式结构，其包括若干个内套联管8；其中，

任意相邻换热环管21之间均通过若干内套联管8相连通。具体地，对于在最内侧换热环管21内结构为第一实施方式时，任意相邻换热环管21之间均通过若干内套联管8相连通，且最内侧换热环管21与中心换热管24之间亦通过若干内套联管8相连通，用以实现换热管之间换热介质的导通。为提高换热介质的换热效果，优选地，内套联管8在换热环管21的周向呈散射状分布，以避免催化剂的局部过热；进一步优选地，内套联管8为圆周等分设置。其中，内套联管8可沿换热环管21的径向设置。为提高换热环管21的强度和换热环管21内换热介质流动的稳定性，优选地，各换热环管21内周设置的内套联管8与该换热环管21外周设置的内套联管8之间错位设置，即各换热环管21内周设置的内套联管8与该换热环管21外周设置的内套联管8不在换热环管21的同一直径方向上。为减小内套联管8内换热介质的阻力，优选地，内套联管与换热环管21的连接处设有过渡圆弧，即进行圆滑处理，当然，中心换热管24与内套联管8的连接处亦设有过渡圆弧。

综上，本实施例提供的反应器，通过在壳体1内部设置成多层环套式结构的换热结构2对壳体1内部的催化剂进行换热，即通过换热环管21内的换热介质对换热环管21之间的催化剂进行换热，由多层环套式结构的面式换热代替列管式的线式换热，增大冷却面积，有利于转移催化剂反应放出的热量，进而提高了换热效率；同时，该环套式结构抗温差性能好，尤其优于列管式，可以减少热膨胀对反应器结构的影响，从而避免出现换热结构焊缝开裂的问题。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种反应器，其特征在于，包括：壳体（1）和设置于所述壳体（1）内部的换热结构（2）；其中，

所述换热结构（2）为套管结构，其包括多层换热环管（21），各层所述换热环管（21）沿所述壳体（1）的径向依次套设；

任意相邻两层所述换热环管（21）之间均间隔设置形成第一催化剂层（22），用以装填催化剂；

各所述换热环管（21）的横截面均为环状结构，用以补入换热介质以对催化剂进行换热。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，

最内侧所述换热环管（21）围设的中空区域中设置有中心换热管（24），其与最内侧所述换热环管（21）之间间隔设置形成第二催化剂层（25），用以装填催化剂；

所述中心换热管（24）内部用以补入冷却介质。

3.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，

所述换热层横截面面积与所述催化剂层横截面面积之比为1～5；所述换热层横截面面积为各所述换热环管（21）和所述中心换热管（24）的横截面面积之和；所述催化剂层横截面面积为各所述第一催化剂层（22）和所述第二催化剂层（25）的横截面面积之和。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，

最内侧所述换热环管（21）内壁围设的中空区域作为第三催化剂层（26）用以装填催化剂，并且，所述换热层横截面面积与所述催化剂横截面面积之比为1～5；所述换热层横截面面积为各所述换热环管（21）的横截面面积之和；所述催化剂横截面面积为各所述第一催化剂层（22）和所述第三催化剂层（26）的横截面面积之和。

5.根据权利要求1至4任一项所述的反应器，其特征在于，还包括：

分别设置于所述换热结构（2）两端的第一收集结构（5）和第二收集结构（6），并且，所述第一收集结构（5）和所述第二收集结构（6）均与所述换热结构（2）相连通，用以对所述换热结构（2）进行换热介质的输入和输出。

6.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于，

所述第一收集结构（5）设置于所述换热结构（2）的下端，并且，所述第一收集结构（5）上连接有输入口（51），用以输入换热介质；

所述第二收集结构（6）设置于所述换热结构（2）的上端，并且，所述第二收集结构（6）上连接有输出口（61），用以输出换热介质，以使所述换热介质与所述壳体（1）内的原料合成气的流向相反。

7.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于，

所述第一收集结构（5）和/或所述第二收集结构（6）为管网式结构，其包括若干个内套联管（8）；其中，

任意相邻所述换热环管（21）之间均通过若干所述内套联管（8）相连通。

8.根据权利要求7所述的反应器，其特征在于，

各所述换热环管（21）内周设置的内套联管（8）与该换热环管（21）外周设置的内套联管（8）之间错位设置。

9.根据权利要求7所述的反应器，其特征在于，所述内套联管（8）在所述换热环管（21）的周向呈散射状分布。

10.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于，

所述第一收集结构（5）和/或所述第二收集结构（6）为内部中空的板状结构，其与各所述换热环管（21）均相连通。

11.根据权利要求10所述的反应器，其特征在于，

所述板状结构在所述催化层处设置有筛孔（7），用以导通所述催化层和所述壳体（1）内上下部设置的填料层（3）。

12.根据权利要求1至4任一项所述的反应器，其特征在于，所述换热结构（2）通过支撑结构（4）与所述壳体（1）相连接。