CN2845904Y - 横向管式换热反应设备 - Google Patents

Abstract

一种横向管式换热催化反应设备，主要由带封头E的壳体P，连接换热管b的管板d，支承催化剂K的多孔支承板a和催化剂K上的多孔气体分布器C，壳体P上的气体进口1和反应气出口2，冷却介质L进口3和出口4组成。催化剂层的换热管b横向放置，换热管内介质横向流动，气体G由气体分布器C气孔进换热管b外的催化剂层，由上向下流动进行反应，与换热管内横向流动的介质L换热，是一种催化剂层温差小、触媒活性高、触媒装填系数大，床层阻力小，结构简单可靠、操作性能好的反应器。

Description

横向管式换热反应设备

技术领域

本实用新型是一种气固相催化反应设备，用于流体催化反应和传热过程，属化学工程领域，特别适用于甲醇、甲醚、烃类等合成反应过程，也可用于乙烯氧化合成环氧乙烷，醋酸乙烯，苯酐合成，氨合成等反应过程。

背景技术

对于由加压下甲醇合成、甲胺、甲醚、氨、烃类等合成这类气固相放热催化反应，随着反应过程的进行，不断放出的反应热使催化剂层温度提高。为了提高反应器的效率，需要把反应热移出以降低反应温度。在工业反应器中曾广为使用的一种是多段原料气冷激来降低反应温度(房鼎业等编著，甲醇生产技术及进展，上海华东化工学院出版社，1990)，这种反应器因原料气冷激时在降低反应气温度的同时也降低了反应物浓度，影响了合成率。

另一种如德国Lurgi公司的用于甲醇合成的列管式反应器(DE2123950)，在受压外壳中有上下管板间的多根圆管，管中装有催化剂，原料气从上部进气口进入分布到各管中，在管内触媒层中合成甲醇，管间侧面进水。反应热被管外沸腾水连续移热，产生蒸汽由侧面管出，反应气由底部出气管出塔，该塔温差小，但触媒装填系数小，投资大。其他如日本三菱公司的SPC超转化率反应器(JP63-123433)，催化剂装在内外套管间，同样存在装填系数小的问题。

本实用新型的任务是依据气固相催化放热可逆反应的特点，克服现有技术的缺点，提供一个触媒层温差小、触媒活性高、结构简单可靠、操作性能好的反应器。

发明的内容

本实用新型提供一种横向管式换热催化反应设备，主要由带封头E的壳体P，连接换热管b的管板(或环管)d，支承催化剂K的多孔支承板a和催化剂K上的多孔气体分布器C，壳体P上的气体进口1和反应气出口2，冷却介质进口3和出口4组成的反应器，主要是催化剂层的换热管b横向放置(与水平面夹角小于45°)，换热管内介质横向流动，气体G由气体分布器C气孔进换热管b外的催化剂层，由上向下流动进行反应，与换热管内横向流动的介质L换热，到支承板a气孔出催化剂层，经出气口2出反应器。

在本实用新型的一个较好实例中，连接换热管b的管板d₁、d₂与壳体P直接连接成为隔开换热介质L和反应气G的隔板，换热介质的进口3和出口4分别在二端的封头E₂和E₁上。

在本实用新型的一个较好实例中，在一端的封头E₁和管板d₁的空间设置横隔板F，将其分成上下二室H、I，在封头E1的下室I有换热介质L进口3，上室H有出口4，换热介质L在换热管b内由同一方向从一端流向另一端，换热介质L由进口3进入下室I，由横隔板下室I进入换热管b流动，进入另一端封头E₂，然后反向由上室H连接的换热管b反向流回，经上室H出口4流出。

在本实用新型的一个较好实例中，连接换热管b的管板d₁与壳体P和封头E₁连结，连结b的另一端管板d₂与封头E₂内的内封头E₃连结，E₃和封头E₂上的换热介质L进口3由弹性软管M或用导管用填料函密封连结，介质L由3进入经M到内封头E₃进入换热管b，横向流动到另一端封头E₁上出口4，管板d₂与壳体P可以用挡圈活动密封代替固定焊接，以便管板d₂和内封头可自由伸缩。

在本实用新型的一个较好实例中，封头E₁与管板d₁间有横隔板F分隔为上下二室H、I，封头E₂内有内封头E₃连接管板d₂，由进口3进入下室I的介质L经下部换热管b流向E₃，进入E₃后又经连接上室H换热管b反向流到上室H，由出口4流出。

在本实用新型的一个较好实例中，封头E1与管板d₁间有隔板F分隔为上下二室H、I，换热管b为U形管，U形管二端管口分别与上室I和下室H相通。

在本实用新型的一个较好实例中，封头E₁与管板d₁间有纵向隔板F分隔为左右二室H、I，U形换热管二端管口分别与左、右H、I两室相连通。

在本实用新型的一个较好实例中，换热管b分成上下多组，每一组管b一端各有一个小封头E_n1、E_n2……，另一端有一个用横隔板分成上下二室的小封头E_m1、E_m2……，上下二室各有连通传热介质L进口管和出口管连到大封头E₁。

在本实用新型的一个较好实例中，换热管b分为上下多组U形管，封头E₁内每组U形管管板d_i与带有横隔板F_i的内封头E₃，横隔板F_i上下二室H_i、I_i连通U形管二端，或者隔板F_i直接与封头E₁连接分隔成H_i、I_i多室。

在本实用新型的一个较好实例中，换热管b为U形管，各U形管一端与管板d₁相连接，管板d₁与封头E₁间为由进口3连接分布室I，管板d₁内侧有管板d₂与U形管另一端连接，二管板的d₁、d₂间为连结出口4的集流室H。

在本实用新型的一个较好实例中，换热管b为双套管，内管b_i与管板d₁连接，连通封头E₁中介质进口3，外管b₀与管板d₂连接，连通两管板d₁、d₂间介质出口4。

在本实用新型的一个较好实例中，换热管b为螺旋形管连通两端管板d₁、d₂，两封头E₁、E₂与管板d₁、d₂连结，换热介质由封头E₂中进口3进入经管板d₂、螺旋换热管b，管板d₁，由封头E₁上出口4出反应器。

在本实用新型的一个较好实例中，前述各横向换热管b与水平面夹角θ＜45°，所述的θ为7～30°，当夹角θ≠0时，换热管b为单程单向直管，传热介质出口管4一端位置高于进口管3一端。一台横向管式换热反应器R_A和一台立式轴向气冷反应器R_B组合成联合反应器，R_B为内有逆流冷管胆管外装催化剂K反应器，原料气由R_B底部进气口1进入反应器R_B内冷管，在管内逆流与管外催化剂层换热升高温度到230℃左右由管口2出塔进入横向管反应器R_A反应，反应器被管内介质(如水)移走，出R_A反应器的气体由R_B的进口3进入R_B管外催化剂层K中继续反应后由出口4出反应器。

附图说明

下面结合附图进一步说明本实用新型。附图中：

图1是本实用新型简单的横向管传热反应器示意图。

图2是本实用新型简单的横向管传热反应器侧面视图示意图。

图3是一端封头有隔板的双程横向管反应器示意图。

图4是一端有内封头的单程横向管反应器示意图。

图5是一端封头有隔板，一端有内封头的双程横向管反应器示意图。

图6是一端封头有隔板的U形横向反应器示意图。

图7是多组一端带隔板内封头和另一端带内封头的双程横向管反应器示意图。

图8是多组U形管反应器示意图。

图9是双管板U形管反应器示意图。

图10是双管板双套管反应器示意图。

图11是内有两组左右对称U形管反应器示意图。

图12是换热管是螺旋管的横向反应器示意图。。

图13是斜置横向管水冷传热反应器与气冷换热反应器组合示意图

结合图1和图2，图中由圆形筒体P和两侧封头E₁、E₂构成受压容器，内有连结左右管板d₁、d₂上的多排换热冷管b，冷管之间装满催化剂层K，筒体底部有多孔的催化剂支承板a，上部有多孔气体分布板C，原料气G由筒体上部进气管1进入反应器内分布板C上部空间，均匀地进入管间催化剂层由上而下流动进行反应直到底部流经支承多孔板a后汇集由出气口2出反应器，传热介质L例如水由封头E₂上进口3进入，从管板d₂分流到各换热管b，一边流动一边吸收管外催化剂层中反应热，或用于升高介质温度，或用于介质气化如水成蒸汽而吸热直到管板d₁流出到出口4流出反应器，通过以上经介质的吸热达到反应器内催化剂层中连续将反应热及时移走，反应触媒层温度均匀平稳的效果。反应器内催化剂的装卸可以从进气口1装入，也可另在壳体上部增开人孔用于装催化剂，上部气体分布板可分成多块，便于装催化剂，也可由二层或多层重叠交叉以便气体分布均匀。同样底部催化剂支承板a也可分成多块，留有圆孔供卸催化剂用，除可用出气口2卸催化剂外，底部还可开设多个人孔供卸催化剂用，换热管b除被二端管板固定外，中间还设有多个纵向支承冷管定位架，图中不再画出，在后面的图3到图13中均不再说明。

图3为本实用新型的双程换热管的一种结构，与图1不同的是一侧封头E₁和管板d₁间有一横隔板F将其分成上室H和下室I，下室I有换热介质L进口3，上室H有出口4，换热介质L由进口3进入下室I，由横隔板下室I进入换热管b流动，进入另一端封头E₂，然后反向由上室H连接的换热管b反向流回，经上室H出口4流出。

在图4中连接换热管b的管板d₁与壳体P和封头E₁连结，连结b的另一端管板d₂与封头E₂内的内封头E₃连结，E₃和封头E₂上的换热介质L进口3由弹性软管M连结，或者用连接直管用填料函与进口3活动连接，介质L由3进入经M到内封头E₃进入换热管b，横向流动到另一端封头E₁上出口4，管板d₂与壳体P可以用挡圈活动密封代替固定焊接，以便管板d₂和内封头可自由伸缩。

在图5中封头E₁与管板d₁间与图3一样有横隔板F分隔为上下二室H、I，封头E₂内有内封头E₃，连接管板d₂，由进口3进入下室I的介质L经下部换热管b流向E₃，进入E₃后又经连接上室H换热管b反向流到上室H，由出口4流出，管板d₂与壳体P可以用挡圈活动密封代替固定焊接，以便管板d₂和内封头可自由伸缩。

在图6中封头E1与管板d₁间有横隔板F分隔为上下二室H、I，换热管b为U形管，U形管二端管口分别与上室H和下室I相通，另一端为U形管弯头可自由伸缩，不需管板。

在图7中，换热管b分成上下多组，每一组管b一端各有一个小封头E_n1、E_n2……，另一端有一个用横隔板分成上下二室的小封头E_m1、E_m2……，上下二室各有连通传热介质L进口管3a、3b、3c和出口管4a、4b、4c连到大封头E₁。

在图8中，换热管b分为上下多组(图中为二组)U形管，封头E₁内每组U形管管板d_i与带有横隔板Fi的小封头E_i，横隔板F_i上下二室H_i、I_i连通U形管二端，或者隔板F_i直接与封头E₁连接分隔成H_i、I_i多室。

对图7、图8换热管b分成多组时还可以在封头E₂上开人孔，供安装检修换热管组用。对图7、图8，换热管分为多组的结构，组数的多少可根据设备能力和直径大小增减，除水平分组外，还可纵向再分组。

在图9中，换热管b为U形管，各U形管一端与管板d₁相连接，管板d₁与封头E₁间为传热介质L由进口3连接分布室I，管板d₁内侧有管板d₂与U形管另一端连接，二管板的d₁、d₂间为连结出口4的集流室H。

在图10中，换热管b为双套管，内管b₂与管板d₁连接，连通封头E₁中介质进口3，外管b₀与管板d₂连接，连通两管板d₁、d₂间介质出口4。

图11为两组左右对称U形管反应器，可视作图6U形管反应器对称拼接而成，左右封头E₁和E₂与左右管板d₁、d₂间分别用横隔板F₁、F₂隔成上下两室H₁、I₁、H₂、I₂，这种结构尤其适用在直径限制情况下用增加长度增加生产能力。

图12是用螺旋管作换热管反应器示意图，换热管b为螺旋形管连通两端管板d₁、d₂，两封头E₁、E₂与管板d₁、d₂连结，换热介质由封头E₂中进口3进入经管板d₂、螺旋换热管b，管板d₁，由封头E₁上出口4出反应器。

图13中为一台横向管式换热反应器，例如由图4带内封头反应器R_A和一台立式轴向气冷反应器R_B组合成的反应器，R_B为内有逆流冷管胆管外装催化剂K反应器，原料气由R_B底部进气1进入反应器R_B内冷管，在管内逆流与管外催化剂层换热升高温度到230℃左右由管口2出塔进入横向管反应器R_A反应，反应器被管内介质(如水)移走，出R_A反应器的气体由R_B的进口3进入R_B管外催化剂层K中继续反应后由出口4出反应器，横向管式反应器RA与水平面夹角为25°以利汽水混合。

具体实施方式

使用图6的横向U形管合成塔进行低压甲醇合成，塔内径4.6米，长16米，装NC307或C302铜基甲醇，触媒装填量195m³，合成压力8.9MPa，进塔气成份：H₂ 63.73％，CO 10.25％，CO₂ 5.87％，H₂O 0.06％，N₂ 7.81％，CH₄ 12.02％，CH₃OH 0.28％，进塔气量1800000Nm³/h，触媒层热点温度260℃，甲醇产量5100吨/日，反应热加热锅炉水副产4MPa蒸汽4500吨/日。而用Lurgi管壳式塔在同样条件和产量下合成塔需直径4米多3台，投资增加一倍以上。

有益效果

本实用新型比已有技术有明显优点，一是因触媒装在冷管间，故增加了触媒装填系数，达到70％，而德国Lurgi管壳式的甲醇反应器催化剂装在管内，装填系数只达30％，因此同样能力的反应器体积大为缩小，投资节省一半，同时可用增加长度、扩大催化剂装量和能力，尤其适用于大型、超大型年产百万吨装置。二是气体流动一方面由于催化剂装在管间增加流通截面，另一方面由于催化剂层由Lurgi管壳塔轴向流动改为卧式，经催化剂床层通气截面大幅增加，催化剂床层降低故反应器压力降大幅降低，节约动力消耗。三是催化剂床中气体横向流过换热管，错流提高传热系数和效率，减小温差。四是换热管数可按从上到下气体放出反应热多少而优化设计，克服轴向管壳式反应器沿轴向传热面不可变的缺点。五是管外装催化剂成为一体，装填易均匀。六是采用U形管作换热管或带活动内封头，可自由伸缩，结构可靠。七是可采用带法兰封头，将带内封头的冷管组抽出壳体P外，清理冷管和装卸催化剂方便。

以上通过众多图例和实施例对本实用新型的主题作了充分描述，但不限于这些内容，例如还可以用环管作分流和集流管代替图中管板和内封头连通传热管b，可以用波纹管、螺旋管盘管作为传热管。

Claims (10)

1.一种横向管式换热反应设备，主要由带封头(E)的壳体(P)，连接换热管(b)的管板(或环管)(d)，支承催化剂(K)的多孔支承板(a)和催化剂(K)上的多孔气体分布器(C)，壳体(P)上的气体进口(1)和反应气出口(2)，冷却介质进口(3)和出口(4)组成的反应器，其特征是催化剂层的换热管(b)横向放置，换热管内介质横向流动，气体(G)由气体分布器(C)气孔进换热管(b)外的催化剂层，由上向下流动进行反应，与换热管内横向流动的介质(L)换热，到支承板(a)气孔出催化剂层，经出气口(2)出反应器。

2.如权利要求1所述的反应器，其特征是连接换热管(b)的管板(d₁)、(d₂)与壳体(P)直接连接成为隔开换热介质(L)和反应气(G)的隔板，换热介质的进口(3)和出口(4)分别在二端的封头(E₂)和(E₁)上，或者在一端的封头(E₁)和管板(d₁)的空间设置横隔板(F)，将其分成上下二室(H)、(I)，在封头(E₁)的下室(I)有换热介质(L)进口(3)，上室(H)有出口(4)，换热介质(L)在换热管(b)内由同一方向从一端流向另一端，换热介质(L)由进口(3)进入下室(I)，由横隔板下室(I)进入换热管(b)流动，进入另一端封头(E₂)，然后反向由上室(H)连接的换热管(b)反向流回，经上室(H)出口(4)流出。

3.如权利要求1所述的反应器，其特征是换热管(b)为螺旋形管连通两端管板(d₁)、(d₂)，两封头(E₁)、(E₂)与管板(d₁)、(d₂)连结，换热介质由封头(E₂)中进口(3)进入经管板(d₂)、螺旋换热管(b)，管板(d₁)，由封头(E₁)上出口(4)出反应器。

4.如权利要求1所述的反应器，其特征是连接换热管(b)的管板(d₁)与壳体(P)和封头(E₁)连结，连结(b)的另一端管板(d₂)与封头(E₂)内的内封头(E₃)连结，(E₃)和封头(E₂)上的换热介质(L)进口(3)由弹性软管(M)或用导管用填料函密封连结，介质(L)由(3)进入经(M)到内封头(E₃)进入换热管(b)，横向流动到另一端封头(E₁)上出口(4)，管板(d₂)与壳体(P)可以用挡圈活动密封代替固定焊接，以便管板(d₂)和内封头可自由伸缩，或者封头(E₁)与管板(d₁)间有横隔板(F)分隔为上下二室(H)、(I)，封头(E₂)内有内封头(E₃)连接管板(d₂)，由进口(3)进入下室(I)的介质(L)经下部换热管(b)流向(E₃)，进入(E₃)后又经连接上室(H)换热管(b)反向流到上室(H)，由出口(4)流出。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征是封头(E₁)与管板(d₁)间有横隔板(F)分隔为上下二室(H)、(I)，换热管(b)为U形管，U形管二端管口分别与上室(I)和下室(H)相通，或者封头(E₁)与管板(d₁)间有纵向隔板(F)分隔为左右二室(H)、(I)，U形换热管二端管口分别与左右(H)、(I)两室相连通。

6.如权利要求1所述的反应器，其特征是换热管(b)分成上下多组，每一组管(b)一端各有一个小封头(E_n1)、(E_n2)......，另一端有一个用横隔板(F_i)分成上下二室的小封头(E_m1)、(E_m2)......，上下二室各有连通传热介质(L)进口管和出口管连到大封头(E₁)。

7.根据权利要求1的反应器，其特征是换热管(b)分为上下多组U形管，封头(E₁)内每组U形管管板(d_i)与带有横隔板(F_i)的内封头(E₃)，横隔板(F_i)上下二室(H_i)、(I_i)连通U形管二端，或者隔板(F_i)直接与封头(E₁)连接分隔成(H_i)(I_i)多室。

8.根据权利要求1的反应器，其特征是管板(d₁)与封头(E₁)间为有传热介质(L)进口(3)的分布室(I)，管板(d₁)内侧有管板(d₂)，管板的(d₁)、(d₂)间为连结出口(4)的集流室(H)，换热管(b)为U形管，各U形管一端与管板(d₁)相连接，  U形管另一端与管板(d₂)连接，或者换热管(b)为双套管，内管(b_i)与管板(d₁)连接，连通封头(E₁)中介质进口(3)，外管(b₀)与管板(d₂)连接，连通两管板(d₁)、(d₂)间介质出口(4)。

9.根据权利要求5、7、8中任何一个U形管的反应器其特征是两组U形管和管板反向对称组合构成横向管换热反应器。

10.根据权利要求1的反应器，其特征是各换热管(b)与水平面夹角θ＜45°，所述的θ为7～30°，当夹角θ≠0时，传热介质出口管(4)一端位置高于进口管(3)一端，或者横向管式换热反应器R_A与气冷反应器R_B串联组合。

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