本实用新型涉及化工技术领域，特别是涉及一种应用于氨合成生产中的反应器及反应系统。
背景技术：
在氨合成、甲醇合成、制乙二醇等化工过程中，通常需要采用反应器进行热交换，并进行化学合成反应。具体是利用H2和N2合成反应，其主反应式为：
3H2+N2—>2NH3+Q；
该反应为可逆热反应，需要有特定的催化剂助其加快反应速度，该反应中的催化剂的活性有一定的温度范围，一般在340℃～520℃，低于340度反应速度很慢，需要加大催化剂用量，反应器尺寸大。而温度过高，会使催化剂内晶体长大，活性衰退。因此，需要将反应产生的热量移走，使反应气体温度≤520℃，同时把未反应气体加热使之≥340℃。
传统的反应器，内置多段反应段，对应的设置多段换热器，来移走系统反应热，使反应不超温，顺利完成合成反应，但设置多段反应段及多段换热器换热，气体流程长，塔内阻力大，影响移热效率。
技术实现要素：
基于此，有必要针对传统的反应器内设有多段换热器，气体流动阻力大，影响移热效率的问题，提供一种可快速移热的、安全可靠地反应器及反应系统。
反应器，包括壳体、内筒体、径向框及热交换单元，所述内筒体设于所述壳体内，与所述壳体之间形成有第一环隙，所述径向框设于所述内筒体内，与所述内筒体之间形成有第二环隙，所述径向框包括反应区域，所述热交换单元设于所述反应区域，所述第一环隙间接连通所述第二环隙。
上述反应器，通过第一环隙与第二环隙可间接连通，使未反应气可被加热到预设温度再引入第二环隙，从而用一段换热即可实现反应温度的要求，减少了气体的流程，降低了塔内阻力，提高了移热效率。
在其中一实施例中，所述反应器还包括第一口、第二口及第三口，所述第一口和所述第二口均与所述第一环隙连通，所述第三口与所述第二环隙连通，并与所述第二口间接连通。
在其中一实施例中，所述第一口位于所述壳体顶部，所述第二口及所述第三口位于所述壳体底部。
在其中一实施例中，所述反应器还包括通气管，所述通气管设于反应区域内，所述通气管一端连通所述反应区域，用于导出经反应的反应气；所述通气管内设有加热元件。
在其中一实施例中，所述热交换单元包括至少一个换热套管，所述换热套管包括外套管及位于所述外套管内侧的内套管，所述内套管底部伸入所述外套管的底部，并与所述外套管连通。
在其中一实施例中，所述反应器还包括汽包、水室及汽室，所述壳体具有反应腔，所述径向框设于所述反应腔内，所述水室分别与所述汽包及所述换热套管的所述内套管连通，用以将锅炉给水从所述汽包输入所述内套管，所述汽室分别与所述汽包及所述换热套管的所述外套管连通，用以将所述外套管内吸热后的汽水混合物输入汽包。
在其中一实施例中，所述壳体内设有上管板及下管板，所述汽室位于所述上管板与所述下管板之间，所述水室位于所述上管板远离所述下管板的一侧，所述反应腔位于所述下管板远离所述上管板的一侧。
在其中一实施例中，所述外套管的顶端固定于所述下管板，底端自由设置，使所述外套管呈悬挂状，所述内套管的顶端固定于所述上管板，底端自由设置，使所述内套管呈悬挂状。
反应系统，包括上述的反应器及第一热交加热单元，所述第一热交加热单元连通于所述第一环隙与所述第二环隙之间，用于将第一环隙内的未反应气换热至预设温度后输入所述第二环隙。
在其中一实施例中，所述第一热交加热单元的热源来自所述反应器输出的反应气。
附图说明
图1为本实用新型一实施例中的反应器的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本实用新型一实施例中的反应器10，包括壳体12、内筒体14、径向框16及热交换单元18。内筒体14设于壳体12内，与壳体12之间形成有第一环隙11，径向框16设于内筒体14内，与内筒体14之间形成有第二环隙13。径向框16包括反应区域，热交换单元18设于反应区域，第一环隙11间接连通第二环隙13。
工作时，未反应气温度较低，通过第一环隙11引入到外置的加热单元进行加热，使未反应气的温度基本达到370度，引入第二环隙13。加热后的未反应气接着沿径向流动，从径向框16进入反应区域，在反应区域内在催化剂床层范围内反应，产生大量反应热。同时，设于反应区域内的热交换单元18中的锅炉给水吸热产生汽水混合物排出，从而实现反应热的移运。
如此，通过第一环隙11与第二环隙13的间接连通，使未反应气可被加热到预设温度再引入第二环隙13，从而用一段换热即可实现反应温度的要求，减少了气体的流程，降低了塔内阻力，提高了移热效率。
应当理解的是，未反应气可被加热到预设温度再引入第二环隙13，并进入反应区域，使位于反应区域内的催化剂床层25等温反应，如此，不用设置多段反应段，还简化了结构，且有利于提高催化剂床层25内触媒的使用寿命。其中，内筒体14内外两侧均受到未反应气的压力，使其避免一侧受压而发生损伤，因此，壳体12的设置还起到保护内筒体14的作用，提高了设备的可靠性及安全性。
在一个实施例中，反应器10还包括第一口15、第二口17及第三口19，第一口15和第二口17均与第一环隙11连通，第三口19与第二环隙13连通，并与第二口17间接连通。具体地，该第一口15为进气口，用于输入未被加热至370℃的未反应气，第二口17为出气口，用于将未反应气输出至外置的加热单元加热。第三口19为与第二环隙13连通的进气口，其通过加热单元与第二口17间接连通，加热至370℃的未反应气从第三口19进入到第二环隙13，从而在催化剂床层25的范围内进行反应。更具体地，第一口15设置于壳体12的顶部一侧，壳体12底部设有三通管道23，第二口17与第三口19均为该三通管道23中的两个环形开口之一，第二口17与第一环隙11连通，第三口19与第二环隙13连通，外置的加热单元连接于该三通管道23，以进行热交换。
在一个实施例中，热交换单元18包括至少一个换热套管(图未标)，换热套管包括外套管182及位于外套管182内侧的内套管184，内套管184底部伸入外套管182的底部，并与外套管182连通。进一步地，该换热套管的内套管184用于输入给水，外套管182置于反应区域内，用于吸收催化剂床层25放出的热量，给水吸热达到饱和状态，生成饱和蒸汽排出，从而实现反应热的快速移转。
进一步地，该反应器10还包括汽包20、水室22及汽室24，壳体12具有反应腔(图未标)，径向框16设于反应腔内，水室22分别与汽包20及换热套管的内套管184连通，用以将锅炉给水从汽包20输入内套管184。汽室24分别与汽包20及换热套管的外套管182连通，用以将外套管182内吸热后的汽水混合物输入汽包20。具体地，汽室24与汽包20通过管路连通，以将汽水混合物输入至汽包20。
进一步地，壳体12内设有上管板26及下管板28，汽室24位于所述上管板26与下管板28之间，水室22位于上管板26远离下管板28的一侧，反应腔位于下管板28远离上管板26的一侧。
进一步地，汽室24由上管板26与下管板28分隔形成，外套管182的顶端固定于下管板28，底端自由设置，使外套管182呈悬挂状，内套管184的顶端固定于上管板26，底端自由设置，使内套管184呈悬挂状。具体地，上管板26与下管板28上均开设有安装孔(图未示)，内套管184穿设于下管板28的安装孔及上管板26的安装孔，并固定于上管板26，且与水室22连通。外套管182穿设于下管板28的安装孔，并固定于下管板28，且与汽室24连通。
由于外套管182和/或内套管184为悬挂状，因此，当反应器10内温度发生变化时，外套管182和/或内套管184受温度变化，发生热胀冷缩，长度发生变化，由于顶端固定，底端自由，变化的长度可以沿轴向在底端自由伸缩，释放温差应力，不会对上管板26和/或下管板28的顶端的焊缝产生拉伸或者压缩的外力，从根本上解决了传统管束式换热管受催化剂限制在轴向方向不能自由伸缩造成拉裂破坏换热管的隐患。
在一个实施例中，反应器10还包括通气管29，通气管29设于反应区域内，通气管29一端连通反应区域，用于导出经反应的反应气。具体地，通气管29连通径向框16内部，并延伸至壳体12底端，以将在反应区域内反应后的反应气导出反应器10。具体到一个实施例中，该通气管29的一端延伸至三通管道23，并与三通管路23的位于中间的开口连通，从而将反应气导出反应器10。进一步地，通气管29内设有加热元件27，用于对反应器10内部进行预加热，从而保证反应的顺畅进行。
在一个实施例中，壳体12上还设有连通径向框16内部与壳体12外部的卸料管21，以便于卸除径向框16内的催化剂。
基于上述的反应器10，本实用新型还提供一种反应系统，包括上述实施例中的反应器10及第一热交加热单元。第一热交加热单元连通于第一环隙11与第二环隙13之间，用于将第一环隙11内的未反应气换热至预设温度后输入第二环隙13。具体地，该反应系统为氨合成反应系统。
在一个实施例中，第一热交加热单元的热源来自反应器10输出的反应气。如此，可将温度较高的反应气进行换热后输出，便于进行下一步工序，且使从第一环隙11输出的温度较低的未反应气进行预热，保证进入径向框16的反应区域内的未反应气到达预设位置，使反应区域内的催化剂床层25保持等温，且仅通过一段换热即可实现快速移转反应热。
进一步地，该第一热交加热单元还与汽包20连接，用以将汽包20内的饱和蒸汽进行加热而生成温度更高的过热蒸汽，满足工业生产的需求，大大提高了能量的回收利用率。
应当理解的是，该反应系统，通过第一热交加热单元的设置，实现了用一段换热即可实现反应温度的要求，减少了气体的流程，降低了塔内阻力，提高了移热效率，且有利于提高催化剂床层25内触媒的使用寿命。与此同时，还将饱和蒸汽进一步生产过热蒸汽，适用于工业生产的需求，提高了能量的回收率。进一步地说，反应系统将反应气的高温充分利用，解决了多个现有技术中存在的问题，使氨合成系统效率更佳。
进一步地，该反应系统还包括第二热交加热单元，该第二热交加热单元连通于第一热交加热单元与第一环隙11之间，用于初始状态的未反应气(37℃)。具体地，该第二热交加热单元分别与第一热交加热单元的反应气出口及第一口15连通。经过一次换热的反应气温度比初始状态的未反应气温度高，进入第二热交加热单元换热而加热初始状态的未反应气至一定的温度。如此，通过多次循环加热使进入反应区域的未反应气温度到达370度，保证反应的进行。
下面将以具体实施例对本实用新型中的反应系统的作用原理进行说明：
在反应区域反应后的反应气从而通气管29排出后的温度达到465℃，进入第一热交加热单元进行换热，将从第二口17进入第一热交加热单元的200℃的未反应气进行加热后达到370℃，并从第三口19输入第二环隙13，并进入反应区域进行反应，反应后的反应气又从通气管29排出。与此同时，经过第一热交加热单元换热后的反应气温度降低至273℃，经过第二热交加热单元，将初始状态37℃的未反应气加热至200℃，并从第一口15输入，进行循环加热，经过第二次换热后的反应气温度降低了66℃而进入下一工序。
此外，汽包20输出12MPa、325℃的饱和蒸汽至第一热交加热单元，经过与475℃的反应气换热后被加热至429℃输出，应用于其他工业生产。
上述反应器10及反应系统，通过第一环隙11与第二环隙13的间接连通，使未反应气可被加热到预设温度再引入第二环隙13，从而用一段换热即可实现反应温度的要求，减少了气体的流程，降低了塔内阻力，提高了移热效率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。