本发明涉及一种化工反应器，尤其涉及的是一种水路自然循环的球腔联箱蛇管式反应器。
背景技术：
现有的加氢反应器一般为列管式反应器或板式反应器，列管式反应器，管内装填催化剂、管外是水。加氢反应器的列管为φ45×4～φ70×4，目前在市场上已投运的最大产能为10万吨的乙二醇，加氢反应器规格做到φ6800H催＝10000的规格，因热应力消除不彻底，床层阻力高，反应器泄露，装置处于停产状态。在市场上很多地方投入运行的乙二醇装置，实际单系列为5万吨的乙二醇产能，20万吨乙二醇的加氢反应采用两个系列，四台φ4200、H催＝6000的加氢反应器并联运行，存在催化剂装填少、移热能力差、阻力大、能耗高、副反应物多、装置难以放大等缺陷；板式加氢反应器的板内走水、板外装填催化剂、气体为全径向流动，理论上可以满足装置大型化乙二醇装置，实际工程上不适合加氢反应使用。由于乙醇与乙二醇会发生增碳反应，如果床层出现超温容易形成结焦。
板式加氢反应器的换热元件时由若干个150～400(板宽)×H(板高)的长方体板围成圆周面，此圆周面实际是一个多边型的，催化剂会出现厚薄不均匀，容易发生催化剂床层局部过热，出现结焦现象，没有办法投入实际的运行。
现有的羰化反应器一般为列管式反应器或板式反应器，列管式反应器，管内装填催化剂、管外是水。羰化反应器的列管为φ25×2～φ32×2，目前在市场上已投运的最大产能为10万吨的乙二醇，羰化反应器规格做到φ6000H催＝8000的规格，因热应力消除不彻底，床层阻力高，反应器泄露，装置处于停产状态。在市场上很多地方投入运行的乙二醇装置，实际单系列为5万吨的乙二醇产能，20万吨乙二醇的羰化反应采用两个系列，四台φ4600、H催＝6000的羰化反应器并联运行，存在催化剂装填少、移热能力差、阻力大、能耗高、容易发生分解爆炸、副反应物多、管板易烧穿、装置难以放大等缺陷；
板式羰化反应器的换热元件时由若干个150～400(板宽)×H(板高)的长方体板围成圆周面，此圆周面实际是一个多边型的，催化剂会出现厚薄不均匀，容易发生催化剂床层局部过热，实际工程上不适合羰化反应使用，由于亚硝酸甲酯在140℃就开始发生热分解反应，155～160℃时亚硝酸甲酯就会发生完全热分解，而且发生热分解反应放出热量大(3216j/g CH3ONO)，同时是一个体积增大反应(2CH3ONO→CH3OH+CH2O+2NO)，导致温度和压力快速升高，势必造成事故发生。
现有的甲醇反应器一般为列管式反应器、板式反应器或小管板联箱管束式反应器，列管式反应器，管内装填催化剂、管外是水。甲醇合成反应器的列管为φ38×2～φ44×2，目前在市场上已投运的最大产能为40万吨的甲醇，甲醇合成反应器规格做到φ4200H催＝7000的规格，因热应力消除不彻底，床层阻力高，反应器泄露，列管式甲醇合成反应器满足不了大型化甲醇合成装置。国内在运行的大型化甲醇装置，单系列产能为60或90万吨，反应器为卡萨利板式甲醇合成反应器或戴维的小管板联箱管束式甲醇合成反应器，大型化甲醇反应器市场已被国外技术商垄断。但国内引进卡萨利板式甲醇合成反应器九套，有六套泄露(如内蒙古久泰能源、安徽华谊、内蒙新新能源等)，检修板式换热器元件漏点时必须将催化卸出，检修时间均在一个月以上。戴维的小管板联箱管束式甲醇合成反应器国内引进十套以上，布管难度大，换热面积小副反应物多，催化剂床层超温(如神华包头甲醇制烯烃项目的甲醇合成反应器)，大型化装置采用两台以上并联运行，单台甲醇合成反应器难以实现大型化。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种水路自然循环的球腔联箱蛇管式反应器，在径向和轴向上消除应力满足生产需要。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括承压壳体、催化剂框体和换热管束，所述催化剂框体和换热管束分别设置在承压壳体内；所述换热管束包括出水管、集水球腔联箱、蛇管、分水球腔联箱和进水管，所述出水管设置在承压壳体的顶部，所述集水球腔联箱的一端连接出水管的进口，另一端通过支管和蛇管的出口相连，所述蛇管沿承压壳体的轴向分布，所述分水球腔联箱的一端通过支管连接蛇管的进口，另一端连接进水管的出口，所述进水管连接在承压壳体的底部。
检修人员可以通过进水管及出水管分别进入分水球腔联箱内部和集水球腔联箱内部，不卸出催化剂前提下完成蛇管焊缝检修。
所述承压壳体包括上封头、壳体、支撑平台、下封头；所述上封头和壳体通过法兰连接，所述支撑平台设置在下封头上，所述下封头固定在壳体的底部。承压壳体不参与反应，主要承受压力，不接触高温反应气体。
作为本发明的优选方式之一，所述上封头上设有热电偶口、出水口和上气口，所述出水管设置在出水口内。
作为本发明的优选方式之一，所述下封头上设有下气口、进水口和催化剂自卸口；所述进水管设置在进水口内。
所述催化剂框体包括平盖、外气筒、内气筒、夹套和导气管；所述平盖设置在集水球腔联箱的顶部，所述外气筒沿壳体的轴向设置，所述内气筒套设在外气筒内，所述蛇管设置于外气筒和内气筒之间的空隙内，所述外气筒和壳体之间具有空隙，所述集水球腔联箱和分水球腔联箱分别设置在外气筒的顶部和底部，所述夹套套设在分水球腔联箱上，所述夹套分别连通内气筒和导气管，所述导气管连接在下气口内，所述分水球腔联箱和夹套支撑在支撑平台上，所述出水管、平盖、集水球腔联箱、外气筒、蛇管、内气筒、夹套、导气管、进水管形成的空间内装填催化剂。
一种使用所述的反应器进行加氢反应或甲醇合成反应的方法。
所述加氢反应或甲醇合成反应的方法，包括以下步骤：
(11)在催化剂框内填装铜硅系或铜锌系催化剂；
(12)蛇管内由下至上走水，上气口进反应气体，经过外气筒沿径向穿过催化剂床层至内气筒，发生加氢反应或甲醇合成反应；
(13)反应后，蛇管内的水相变吸热，将催化剂框内的加氢或甲醇合成反应后的热量移出，气体则由内气筒收集，进入夹套与分水球腔联箱的环隙，然后经下气口排出并带走热量。
一种使用所述的反应器进行羰化反应的方法。
所述羰化反应的方法，包括以下步骤：
(21)在催化剂框内填装钯系催化剂；
(22)蛇管内由下至上走水，下气口进反应气体，进入夹套与分水球腔联箱的环隙，经过内气筒沿径向穿过催化剂床层至外气筒，发生羰化反应；
(23)反应后，蛇管内的水相变吸热，将催化剂框内的羰化反应后的热量移出，气体则由外气筒收集，然后经上气口排出并带走热量。
本发明采用蛇管为主要换热管束，蛇管管束在轴向和径向上彻底消除热应力；采用外气筒和内气筒技术确保气体径向流经催化剂床层，羰化反应的床层阻力≤0.001MPa，加氢反应的床层阻力≤0.005MPa，甲醇合成反应的床层阻力≤0.008MPa；采用蛇管为主要换热管束，管内走水管外走气，气体流动方向与水流动方向为垂直状态；采用汽包与蛇管管束之间的水路循环为自然循，水路循环倍率高；采用蛇管为主要换热管束与径向气体分布器技术有机结合起来，催化剂装填量多、移热能力强；采用进水管及出水管分别分水球腔联箱内部和集水球腔联箱内部焊接密封，检修人员可以通过进水管及出水管分别进入分水球腔联箱内部和集水球腔联箱内部，不卸出催化剂的前提下完成蛇管焊缝检修。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明蛇管管束在轴向和径向上彻底消除热应力，有效提高羰化、加氢、甲醇合成反应器的安全稳定性，有效避免现有技术中列管式反应器容易泄露及板式反应器中换热板容易泄露等缺陷；
2、采用外气筒和内气筒结合的技术确保气体径向流经催化剂床层，有效降低羰化、加氢反应及甲醇合成反应循环机电耗，羰化反应中每吨乙二醇可以降低循环机电耗300KW.h/t乙二醇以上，加氢反应中每吨乙二醇可以降低循环机电耗100KW.h/t乙二醇以上，甲醇合成反应中每吨甲醇可以降低循环机电耗56KW.h/t甲醇以上；
3、采用蛇管管内走水、管外装填催化剂管外走气，催化剂装填和自卸非常方便简捷，采用外气筒和内气筒技术确保气体径向流经催化剂床层，气体流动方向与水流动方向为垂直状态；采用蛇管与分水球腔及集水球腔内部焊接，实现不卸出催化剂前提下完成蛇管漏点检修；
4、采用蛇管为主要换热管束，管内走水管外走气，管内水为湍流状态，气侧水侧传热系数高，气体流动方向与水流动方向为垂直状态，总体传热系数高移热能力强，做到催化剂床层为近似等温床层，有效避免床层超温、结焦(加氢反应)、亚硝酸加热热分解现象(羰化反应)发生及结蜡(甲醇合成反应)，杜绝安全事故发生；
5、气体径向流动、阻力低，催化剂装填量多、移热能力强，满足乙二醇、甲醇装置大型化需要，10～30万吨乙二醇的羰化反应器或加氢反应器一台即可，羰化/加氢装置仅为一个系列，可以使现有羰化/加氢装置占地面积减少50％以上，工程投资降低50％以上，运行操作费用降低40％以上；90万吨甲醇装置一台反应器即可；
6、采用汽包与蛇管管束之间的水路循环为自然循环，有效杜绝现有强制循环羰化反应装置在突然停电时发生羰化反应器及羰化系统爆炸的事故发生，同时杜绝现有强制循环加氢反应装置在突然停电时发生加氢反应器超温结焦等事故，确保大型化甲醇合成装置副反应物≤1000PPm。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括承压壳体、催化剂框体和换热管束，所述催化剂框体和换热管束分别设置在承压壳体内；所述换热管束包括出水管4、集水球腔联箱7、蛇管11、分水球腔联箱13和进水管18，所述出水管4设置在承压壳体的顶部，所述集水球腔联箱7的一端连接出水管4的进口，另一端通过支管和蛇管11的出口相连，所述蛇管11沿承压壳体的轴向分布，所述分水球腔联箱13的一端通过支管连接蛇管11的进口，另一端连接进水管18的出口，所述进水管18连接在承压壳体的底部。
检修人员可以通过进水管18及出水管4分别进入分水球腔联箱13内部和集水球腔联箱7内部，不卸出催化剂前提下完成蛇管11焊缝检修。
承压壳体包括上封头5、壳体9、支撑平台16、下封头17；所述上封头5和壳体9通过法兰8连接，所述支撑平台16设置在下封头17上，所述下封头17固定在壳体9的底部。承压壳体不参与反应，主要承受压力，不接触高温反应气体。
上封头5上设有热电偶口1、出水口2和上气口3，所述出水管4设置在出水口2内；下封头17上设有下气口19、进水口20和催化剂自卸口21；所述进水管18设置在进水口20内。
所述催化剂框体包括平盖6、外气筒10、内气筒12、夹套14和导气管15；所述平盖6设置在集水球腔联箱7的顶部，所述外气筒10沿壳体9的轴向设置，所述内气筒12套设在外气筒10内，所述蛇管11设置于外气筒10和内气筒12之间的空隙内，所述外气筒10和壳体9之间具有空隙，所述集水球腔联箱7和分水球腔联箱13分别设置在外气筒10的顶部和底部，所述夹套14套设在分水球腔联箱13上，所述夹套14分别连通内气筒12和导气管15，所述导气管15连接在下气口19内，所述分水球腔联箱13和夹套14支撑在支撑平台16上，所述出水管4、平盖6、集水球腔联箱7、外气筒10、蛇管11、内气筒12、夹套14、导气管15、进水管18形成的空间内装填催化剂。
本实施例使用上述反应器进行加氢反应的方法，包括以下步骤：
(11)在催化剂框内填装铜硅系催化剂；
(12)蛇管11内由下至上走水，上气口3进反应气体，经过外气筒10沿径向穿过催化剂床层至内气筒12，发生加氢反应或甲醇合成反应；
(13)反应后，蛇管11内的水相变吸热，将催化剂框内的加氢或甲醇合成反应后的热量移出，气体则由内气筒12收集，进入夹套14与分水球腔联箱13的环隙，汇集到导气管15，然后经下气口19排出并带走热量。
使用本实施例的反应器进行加氢反应，可以完成CH3OCOCOCH3O+2H2＝HOCH2COOCH3+CH3OH+Q放、HOCH2COOCH3+2H2＝HOCH2CH2OH+CH3OH+Q放、HOCH2CH2OH+H2＝CH3CH2OH+H2O+Q放、HOCH2CH2OH+CH3CH2OH＝HOCH2C(CH2CH3)HOH+H2O+Q放等加氢反应，反应放出热量被蛇管11内的水吸收移除催化剂床层热量，并副产1.0～2.5MPa饱和蒸汽。
实施例2
本实施例使用所述的反应器进行羰化反应的方法，包括以下步骤：
(21)在催化剂框内填装钯系催化剂；
(22)蛇管11内由下至上走水，下气口19进反应气体，进入夹套14与分水球腔联箱13的环隙，经过内气筒12沿径向穿过催化剂床层至外气筒10，发生羰化反应；
(23)反应后，蛇管11内的水相变吸热，将催化剂框内的羰化反应后的热量移出，气体则由外气筒10收集，然后经上气口3排出并带走热量。
使用本实施例的反应器，可以完成2CH3ONO+2CO＝CH3OCOCOCH3O+2NO+Q放、2CH3ONO+CO＝CH3OCOCH3O+2NO+Q放、2CH3ONO＝HCHO+CH3OH+2NO+Q放等羰化反应，反应放出热量被蛇管11内水吸收移除催化剂床层热量，并副产0.08～0.12MPa饱和蒸汽。
本实施例的气体走向与实施例1相反，其他实施方式和实施例1相同。
实施例3
本实施例使用所述的反应器进行甲醇合成反应的方法，包括以下步骤：
(31)在催化剂框内填装铜锌系催化剂；
(32)蛇管11内由下至上走水，上气口3进反应气体，经过外气筒10沿径向穿过催化剂床层至内气筒12，发生H2与CO、CO2生成CH3OH(甲醇)合成反应；
(33)反应后，蛇管11内的水相变吸热，将催化剂框内的甲醇合成反应后的热量移出，气体则由内气筒12收集，进入夹套14与分水球腔联箱13的环隙，汇集到导气管15,然后经下气口19排出并带走热量。
使用本实施例的反应器，可以完成2H2+CO＝CH3OH+Q放、3H2+CO2＝CH3OH+H2O+Q放等甲醇合成反应，反应放出热量被蛇管11内水吸收移除催化剂床层热量，并副产2.0～3.8MPa饱和蒸汽。
其他实施方式和实施例1相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。