专利名称：一种抗温差应力的换热反应器及其组合装置和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及化学工程领域的催化反应设备，用于流体催化反应和传热过程，尤其涉及一种适用于合成甲醇、二甲醚、甲烷化、F-T反应、H2S氧化、氨合成等强放热或吸热反应过程的换热反应器及其组合装置和应用。
背景技术：
近年来我国煤化工迅速发展，国家已把新建甲醇装置的规模提高到单套年产一百万吨以上，合成甲醇的原料气也大多不是以前国外采用的天然气转化气，而是煤制合成气，合成原料气中碳氢比大幅提高，导致每单位产品的反应热高达2倍多，这给甲醇装置的大型化提出巨大挑战。对于如甲醇合成等一些强放热反应，为了提高反应效率，需要在反应同时移出反应热，目前国内外一些大甲醇装置中用例如Lurgi管壳式甲醇塔用壳程水移走反应管中的反应热，因为这种管内装催化剂的副产蒸汽塔冷却面积大，管壳式比冷面即一立方米催化剂换热面积已高达100多平方米,难以再提高(见Terry Fitzpatrich, methanolsynthesis options as feedstocaschange, Finds number3 2007)。因此米用提高进塔气量和气体线速度，以便及时把反应热带出塔外防止反应“超温”和“飞温”，为此需采用高达5 10倍多于原料气的循环气(即循环比)来降低进合成塔气体中CO等有效气，否则快速反应产生的强反应热会使催化剂过热失活，但高的循环比需要增加相应的甲醇合成圈的设备和管道投资，并增加动力和能耗。计算表明用煤为原料使用Shell粉煤气化或Texaco水煤浆气化制得的合成气，采用低循环比时出合成塔的甲醇含量可达30%多，而现有典型的甲醇合成出塔气中甲醇含量只有5%左右，高循环比增加了工业装置大型化的难度和投资。
发明内容
本发明的任务是克·服现有技术的缺点，通过反应器的结构创新，提供一种具有高移热能力、实现低循环比、高碳比原料气、高合成率高净值下的高效节能设备。本发明通过下列技术方案来实现目的:一种抗温差应力的换热反应器，包括壳体和换热件，所述的换热件包括若干换热管，所述的换热管间装有催化剂，所述壳体上设有进气口、出气口、人孔和催化剂卸出口，所述的换热件还包括设有带管板的一对或多对联箱，所述的联箱包括进口联箱和出口联箱；内外圈或同圈径相邻两根所述的换热管的底部由U形弯头连接，构成内通换热介质的上行换热管和下行换热管布置，所述的上行换热管与出口联箱连接，所述的下行换热管与进口联箱连接；或者是:内外圈或同圈径的换热管的顶部由倒U形弯头连接，倒U形弯头连接的上行换热管与进口联箱连接、下行换热管与出口联箱连接。所述的换热介质可以是水或导热油。所述的出口联箱可以分成多个，或者进口联箱和出口联箱都可成对称布置，例如2个或4个或6个等。作为一种优选，壳体上所述的进气口和出气口分别连接有气体分布器。所述的进气口和出气口的位置可以有两种布置方案，当所述的进气口位于壳体顶部、所述的出气口位于壳体底部时，气体经进气口气体分布器在管外催化剂床成轴向自上而下流动；或者在壳体中部双侧设置对称的进气口和出气口，气体经两侧筒体内的气体分布板和多孔集气板，在管外催化剂床成径向横过催化剂床层流动。作为一种优选方案，所述的壳体内设有绕管轴芯，同一 U形弯头或倒U形弯头连接的上行换热管和下行换热管沿绕管轴芯分别各自按向左和向右成反向螺旋形轴向布置。所述的换热管以与水平面夹角小于60度缠绕，最优为小于35度，相邻两层换热管组的缠绕方向相反。作为一种优选方案，所述的壳体外还设有带法兰连接封头的外壳，所述的外壳与壳体间构成换热介质夹套，所述的进口联箱通过换热介质夹套与换热介质进口连通，出口联箱与换热介质夹套不连通，其上部与穿过外壳和壳体的换热介质出口连通。内外不同圈径换热管的管间的外壁间距优选为使用催化剂粒径的2 8倍，最优为3 5倍。本发明的换热反应器中，进出口联箱不限于壳体侧面，也可在封头上或封头内，连接换热管的管板可以是平板、环弧形、内凹形或外凸形。本发明的的换热反应器可以多台串联或并联组合使用，也可以与气冷反应器或绕管气冷反应器或卧式水管反应器组成联合反应器以满足大型反应装置需要。所述的换热反应器与气冷反应器前后串连组合成大型反应器联合装置时，所述的换热反应器的壳程出气口和气冷反应器的壳程进气口连结，所述气冷反应器管程出气口与水冷绕管反应器的壳程进气口连结。所述的换热反应器与绕管气冷反应器前后串连组合成大型反应器联合装置时，所述的换热反应器的壳程出气口和绕管气冷反应器的壳程进气口连结，所述绕管气冷反应器的管程出气口与所述的换热反应器的壳程进气口连结。所述的换热反应器与卧式水冷反应器前后串联组合成大型反应器联合装置时，换热反应器的壳程出气口和卧式水冷反应器的壳程进气口连接。本发明的换热反应器可广泛`应用于于甲醇合成、甲烷合成费托合成等气液烃合成、氨合成、H2S氧化制硫磺等强放热反应或天然气或甲烷转化成H2、C0、C02的合成气、甲醇分解制H2、重油催化裂化等吸热反应。本发明比已有技术具有以下明显优点:1.用U形弯头连结相邻上下行管，比现有技术上下都设有联箱降低一半接头泄漏可能性，并降低制造费用。2.因催化剂装在冷管间，故增加了装填系数，达到60 %多，而德国Lurgi管壳式甲醇反应器催化剂装在管内，装填系数只达30 %。3.可采用IOmm直径壁厚Imm的薄壁小管传热系数大,可同时达到比冷面大、传热强和容积利用率高的良好效果。因此同样产量的反应器体积大为缩小，投资大大节省，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。4.气体流动一方面由于催化剂装在管间增加流通截面，并且是由于高传热系数和换热面积移热能力强，可降合成循环比，提高单程合成效率。反应器阻力大幅降低，节约动力消耗。5.催化剂床层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。
6.管外装催化剂成为一体，装填易均匀。7.由于采用绕管作换热管，可自由伸缩，抗温差应力效果好，结构可靠。8.可采用带法兰封头，将内封头的冷管组抽出壳体外，清理冷管和装卸催化剂方便。
:图1是本发明中有U形弯头、壳体上部设置一对联箱的换热反应器结构示意图。图1a是图1所示的换热反应器的工艺流程简图。图2是本发明中有倒U形弯头、壳体下部设置一对联箱的换热反应器结构示意图。图2a是图2所示的换热反应器的工艺流程简图。图3是本发明中气体横向流动的换热反应器结构示意图。图4是本发明中有外壳的换热反应器结构示意图。图5是本发明的换热反应器水冷并联装置示意图
图6是气冷反应器A和本发明换热反应器串联装置示意图。图6a是绕管气冷反应器和本发明换热反应器串联装置示意图。图7是本发明换热反应器和横向卧式水冷串联装置示意图。图8是本发明换热反应器中U形弯头与绕管连接部分的示意图。图9本发明换热反应器中倒U形弯头与绕管连接部分的示意图。附图标记说明:1-壳体2-换热管2a_上行换热管2b_下行换热管3-进气口4-人孔5-出气口6-催化剂卸出口7-绕管轴芯81-气体分布板82-多孔集气板9a_进口联箱9b_出口联箱10-换热介质夹套 11-外壳12-汽包13-循环泵14-蒸汽出口管 15-出水管16-换热介质循环管17-换热介质补充管 ISa-U形弯头18b-倒U形弯头 19-纵向定位板20-上封头21-换热介质进口 22-换热介质出口 23-支承件
具体实施方式
:实施例1如图1所示的抗温差应力的换热反应器，包括壳体I和换热件，所述壳体I顶部设有进气口 3和人孔4，进气口 3配有气体分布板81，壳体上部设有一对带管板的联箱:进口联箱9a和出口联箱％。所述的换热件包括若干换热管2，内外圈或同圈径相邻两根所述的换热管的底部由U形弯头18a连接(如图8所示)，构成内通换热介质的上行换热管2a和下行换热管2b布置,下行换热管2b与进口联箱9a连通、上行换热管2a与出口联箱9b连通。各层换热管由纵向定位板19定位。壳体I内部中心还设有绕管轴芯7，同一 U形弯头连接的上行换热管和下行换热管沿绕管轴芯7分别各自按逆时针方向或顺时针方向成螺旋形布置，绕管轴芯7下部通过支承件23支承在筒底，绕管轴芯7的上部可自由伸缩。同一U形弯头连接的上行换热管和下行换热管的缠绕方向相反。壳体底部设有出气口 5和催化剂卸出口 6，出气口 5配有多孔集气板82。换热介质采用水。上述换热反应器使用时，催化剂装填在管间，如图1a所示，出口联箱9b通过蒸汽出口管14连接汽包12，汽包12通过出水管15连接循环泵13，循环泵13还连接补充水管17，进口联箱9a通过换热介质循环管16连接循环泵13。反应气从进气口 3进入，换热介质从进口联箱9a进入到各换热管2中，沿下行的换热管以螺旋形下行，再经U形弯头转入上行的换热管，以与下行方向相反的螺旋形方向上行，期间与轴向穿过催化剂层的反应气换热，管中部分水汽化为蒸汽，经出口联箱％去带调节阀的汽包12分离蒸汽，其余水与来自补充水管17的补充水汇合后经循环泵13升压再次进入进口联箱9a循环利用。实施例2如图2所示的抗温差应力的换热反应器，结构组成与实施例1相同，区别在于:进口联箱9a和出口联箱9b位于壳体下部，内外圈或同圈径相邻两根换热管2的顶部由倒U形弯头18b连接(如图9所示)，构成内通换热介质的上行换热管2a和下行换热管2b布置，即上行换热管2a与进口联箱9a连接、下行换热管2b与出口联箱9b连接。上述换热反应器使用时的工艺流程如图2a所示，换热介质循环过程与实施例1相同。实施例3
如图3所示的抗温差应力的换热反应器，换热内件的结构组成与实施例1相同，进口联箱9a和出口联箱9b的位置也同实施例1，区别在于:进气口 3和出气口 5位于壳体中部对称布置，进气口 3连通壳体I和气体分布板81，出气口 5连通多孔集气板82和壳体I，反应气从进气口 3经气体分布板81均匀分布进入催化剂层，反应气横向流动穿过催化剂层到另一侧的多孔集气板82，再从出气口 5出去。上述换热反应器使用时，其换热介质循环过程与实施例1相同。上述图1到图3不带外壳的本发明换热反应器的联箱可采用螺栓将可拆盖板和联箱箱体活动紧固密封，以便检修时只需拆下盖板即可。实施例4如图4所示的抗温差应力的换热反应器，换热件与实施例1相同，区别点是:所述的壳体外还设有带上封头20的外壳11，所述的上封头20与外壳11用法兰固定连接。所述的外壳11与壳体I间构成换热介质夹套10，换热介质夹套中流动的换热介质同样起移除内件中反应热，并使壳体保持较低温度。进口联箱9a和出口联箱9b位于壳体上部，其中进口联箱9a通过换热介质夹套10与换热介质进口 21连通，出口联箱9b与换热介质夹套10不连通，其上部与穿过外壳11、壳体I的换热介质出口 22连通。上封头20上设有进气口 3，壳体I底部有出气口 5和催化剂卸出口 6，换热介质从换热介质进口 21进入，经换热介质夹套10到进口联箱9a，分布进入各换热管2。出口联箱9b出来的含汽的换热介质去汽包。换热管2沿绕管轴芯7并与水平成夹角α以螺旋形缠绕布置，下行的换热管到底部后经U形弯头转向上行,上行换热管缠绕方向与下行换热管相反。各层换热管由纵向定位板19定位，内外层绕管之间装有催化剂，也可以再在换热管上部装200mm左右适当高度催化剂，催化剂还原后会下沉，降低催化剂层高度。上封头20上的进气口 3兼作人孔，检修时拆开法兰，可用于装催化剂或供工人进入塔内维修，进气口3和出气口 5都配有气体分布器。外壳11与壳体I之间设有支承件23。进口联箱9a和出口联箱9b可设置多组，例如2 8组，为装卸绕管间催化剂提供了方便，使制造绕管数目多、直径大的反应器成为可行，壳体侧面布管箱也方便了检修。图4中有法兰连结壳体和上封头，但也可以不用法兰，而将封头与外壳筒体直接焊接。本实施例所示结构的反应器特别适用于氨合成项目和已有外壳改造成本发明结构的改建项目。实施例5图5是二台本发明的换热反应器并联组成的联合反应器简图，图中左右二台反应器各自带有可调节汽化压力的汽包和循环泵，例如用于甲醇合成，每台反应器各装有IOOm3催化剂，以水为换热介质，由总管L来的压力约8MPa，温度约200°C多进塔气平分为二路分别进入左右二塔进行反应，反应热被绕管内的水吸收产生蒸汽，反应气中甲醇摩尔含量达到10%由底部出口再汇合到总管去换热、冷却分离甲醇产品。本实施例中的二台反应器也可以用串联组合，即来自总管的进口气全部进入左塔或右塔，反应后底部出口反应气再送右塔或左塔反应，然后反应器出口去换热冷分离。采用前者二塔并联的优点是合成塔阻力低能耗省，但二塔催化剂装置高度需相等，否则气体分配不均，一塔大一塔小，影响合成效率。采用后者两塔串联时塔压降大，但可避免二塔气体分配不均匀，且后者二塔各有单独调节温度的汽包，可根据二塔催化剂的活性，独立调节反应过程前后段温度以求实现最佳反应下反应。实施例6
如图6所示，气冷换热反应器B与本发明的绕管式水冷换热反应器A的组合装置图，气冷换热反应器B的详细结构可见本申请人的已授权发明专利“内部换热催化反应方法和设备(ZL200310121904.1) ”中图2或图3，约100°C反应气从气冷换热反应器B底部进入换热管束吸入反应热加热到200°C多，再从本发明的绕管式水冷换热反应器A进口进入发生反应，反应热被绕管内水吸收产生蒸汽，反应气(例如进行合成甲醇反应，甲醇摩尔含量达约10%，温度230°C多)再出绕管式水冷换热反应器A进气冷换热反应器B壳程进气口，在气冷换热反应器B的催化剂层进一步反应后，甲醇摩尔含量约达13%，反应气再出气冷换热反应器B。以强放热反应的甲醇合成反应为例，采用水作为换热介质，年产160万吨大甲醇装置采用上述组合装置，合成压力8.2MPa，气冷换热反应器B内径4米，装国产催化剂IlOm3,绕管式水冷换热反应器A内径4米，装国产催化剂100m3，原料气量476000Nm3/h，与循环气724000Nm3/h汇合后1200000Nm3/h气量，温度约100°C进气冷换热反应器B冷管内吸收反应热升温约220°C出塔，进绕管式水冷换热反应器A反应，绕管式水冷换热反应器A催化剂热点温度升到249°C，反应热加热绕管内水产生蒸汽，反应气到绕管式水冷换热反应器A底部温度235°C，反应气中甲醇摩尔含量11.5%，出绕管式水冷换热反应器A进入气冷换热反应器B上部进塔进一步合成甲醇，反应热加热冷管内逆流入塔气使冷管内气温达约220°C出口去绕管式水冷换热反应器A，气冷换热反应器B管外反应气温度降到205°C，反应气中甲醇升到16.16%，气量905564Nm3/h，出气冷换热反应器B送去冷却分离甲醇，产品中精醇210产量吨/时，物料平衡见下表。
权利要求
1.一种抗温差应力的换热反应器，包括壳体和换热件，所述的换热件包括若干换热管，所述的换热管间装有催化剂，所述壳体上设有进气口、出气口、人孔和催化剂卸出口，其特征在于:所述的换热件还包括设有带管板的一对或多对联箱，所述的联箱包括进口联箱和出口联箱；内外圈或同圈径相邻两根所述的换热管的底部由U形弯头连接，构成内通换热介质的上行换热管和下行换热管布置，所述的上行换热管与出口联箱连接，所述的下行换热管与进口联箱连接；或内外圈或同圈径相邻两根所述的换热管的顶部由倒U形弯头连接，倒U形弯头连接的上行换热管与进口联箱连接、下行换热管与出口联箱连接。
2.如权利要求1所述的抗温差应力的换热反应器，其特征在于:所述的进气口和出气口连接有气体分布器，所述的进气口位于壳体顶部，所述的出气口位于壳体底部。
3.如权利要求1所述的抗温差应力的换热反应器，其特征在于:所述的进气口和出气口位于壳体中部双侧对称设置，所述的进气口和出气口连接有气体分布器。
4.如权利要求1所述的抗温差应力的换热反应器，其特征在于:所述的壳体内设有绕管轴芯，同一U形弯头连接的上行换热管和下行换热管沿绕管轴芯分别各自按向左或向右成反向螺旋形轴向布置。
5.如权利要求1-4任一所述的抗温差应力的换热反应器,其特征在于:所述的壳体外还设有带封头的外壳，所述的外壳与壳体间构成换热介质夹套，所述的进口联箱与换热介质夹套连通，所述的出口联箱与换热介质出口连通。
6.一种利用如权利要求1所述的抗温差应力的换热反应器的组合装置，其特征在于:由各自带有汽包的多台所述的换热反应器前后串联或并联组成。
7.一种利用如权利要求1所述的抗温差应力的换热反应器的组合装置，其特征在于:由所述的换热反应器与气冷反应器或绕管气冷反应器或卧式水冷反应器串联组成；所述的换热反应器与绕管气冷反应器前后串连组合成大型反应器联合装置时，所述的换热反应器的壳程出气口和绕管 气冷反应器的壳程进气口连结，所述绕管气冷反应器的管程出气口与所述的换热反应器的壳程进气口连结；所述的换热反应器与卧式水冷反应器前后串联组合成大型反应器联合装置时，换热反应器的壳程出气口和卧式水冷反应器的壳程进气口连接。
8.—种如权利要求1所述的抗温差应力的换热反应器在强放热反应或吸热反应中的应用。
9.如权利要求8所述的抗温差应力的换热反应器在强放热反应或吸热反应中的应用，其特征在于:所述的强放热反应为甲醇合成、甲烷合成、费托合成或H2S氧化制硫磺反应，所述的吸热反应为天然气或甲烷转化成H2、CO、CO2的合成气、甲醇分解制H2或重油催化裂化反应。
全文摘要
本发明公开了一种抗温差应力的换热反应器，包括壳体和换热件，所述壳体上设有进气口、出气口、人孔和催化剂卸出口，所述的换热件包括若干换热管和一对或多对带管板的联箱，所述的换热管沿绕管轴芯呈螺旋形轴向缠绕设置，内外圈或同圈径相邻两根换热管由U形弯头或倒U型弯头连接。本发明的换热反应器可以多台串联或并联组合使用，也可以与气冷反应器或绕管气冷反应器或卧式水管反应器组成联合反应器以满足大型反应装置需要。本发明的换热反应器可广泛应用于各种强放热反应或吸热反应。本发明的换热反应器采用U形弯头连接的绕管式换热管，可自由伸缩，结构可靠，降低接头泄漏可能性，催化剂装填系数高，使设备投资大大节省，尤其适用于大型、超大型年产百万吨装置。
文档编号C10G11/00GK103240036SQ20121003380
公开日2013年8月14日 申请日期2012年2月14日 优先权日2012年2月14日
发明者楼韧, 楼寿林 申请人:杭州林达化工技术工程有限公司