专利名称：一种绕管式换热器及具有该换热器结构的反应器的制作方法
技术领域：
一种绕管式换热器及具有该换热器结构的反应器技术领域[0001]本实用新型涉及化学工程领域的设备，用于流体催化反应和传热过程，尤其涉及一种适用于制冷工业的换热器，及具有该换热器结构的适用于合成甲醇、二甲醚、甲烷化、 F-T反应、H2S氧化、CO变换、氨合成等强放热或CH4、烃类、甲醇裂解等吸热反应过程的反应器。
背景技术：
[0002]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。[0003]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, methanol synthesis options as feedstocas change,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。实用新型内容[0004]本实用新型的任务是克服现有技术的缺点，提供一种移热能力高、循环比低、高碳比原料气、合成率高、净值高的高效节能换热设备及换热反应设备。[0005]本实用新型通过下列技术方案来实现目的[0006]一种绕管式换热器，包括进口联箱、出口联箱和换热内件，所述的换热内件包括绕管轴芯和换热管，所述的换热管沿绕管轴芯呈螺旋形缠绕布置，形成多个以绕管轴芯为圆心、不同圈径的换热管束，所述的换热管两端分别于进口联箱和出口联箱连接。[0007]作为一种优选，所述的进口联箱为I个，所述的出口联箱有至少2个且为偶数，呈对称均匀布置。所述的出口联箱设有多个时，所述的换热管一端以换热管束为单位分别与多个出口联箱连接。[0008]所述的换热内件中，相邻的换热管束同一水平面的换热管管壁间距大于同一换热管束中上下相邻换热管的管壁间距。[0009]作为一种优选，相邻换热管束同一水平面的换热管管壁间距大于2mm。3[0010]所述的换热管与水平面夹角优选< 35度，相邻两层换热管束的缠绕方向相反。[0011]所述的同一换热管束中上下相邻换热管管壁间距优选为0_5mm。[0012]所述的换热管管径优选为10_30mm。[0013]所述的换热管内的换热介质为水或气体。所述的换热管内换热介质为水时，吸热后副产蒸汽；所述的换热管内换热介质为气体时，气体从进口联箱进入换热管吸热后升温， 从出口联箱出换热器。[0014]所述的换热管内为热气时，换热管外的液体吸热后汽化，此时本实用新型换热器用作螺旋管蒸发器。[0015]所述的换热管内为冷气时，换热管外的部分高沸点气体冷凝成液体，此时本实用新型换热器用作冷凝器。[0016]—种绕管式换热反应器，具有一个反应器壳体，其内设有如上所述结构的换热器， 换热管间装填催化剂，所述的换热管间距为相邻换热管束同一水平面的换热管管壁间距为使用的催化剂粒径的2 8倍，优选为3 5倍，便于换热管间装填催化剂和清洗管子外壁。[0017]所述的换热管内外分别为冷热介质，可逆流换热也可均由上到下并流换热。[0018]所述的反应器壳体顶部设有进气口和催化剂装入用的人孔，底部设有催化剂卸出口和出气口。[0019]作为一种优选，所述的进气口和出气口分别设有气体分布器和集气器。[0020]所述的出口联箱和进口联箱的位置不限于换热器顶部和底部，也可以在换热器或换热反应器壳体的侧面。[0021]本实用新型的换热反应器可以多台串联或并联组合使用，串联使用时可以与气冷反应器与绕管水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。所述的水冷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，所述的水冷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。[0022]当换热管内采用水吸热汽化产蒸汽换热时，出口联箱连接有带压力调节阀的汽包、循环泵，底部进口联箱连接循环泵。[0023]一种利用如上所述的绕管式换热反应器的组合装置，由多台所述的换热反应器前后串联或并联组成。[0024]一种利用如上所述的绕管式换热反应器的组合装置，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。[0025]本实用新型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烧转化成H2、C0、C02的合成气、甲醇分解制H2、重油催化裂化等吸热反应和制冷工业中的换热。[0026]本实用新型的换热器和换热反应器比已有技术具有以下明显优点[0027]I.可采用薄壁小管(例如直径15mm、壁厚I. 5mm)，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。因此同样产量的换热反应器体积大为缩小，投资大大节省，同时可扩大催化剂装量和设备生产能力，尤其适用于大型、超大型年产百万吨装置。[0028]2.换热器不同圈径的绕管换热管管壁间有空隙，在用作蒸发器或冷凝器时便于汽化的蒸汽或冷凝液通畅流通，以及便于清洗管外壁。当为换热反应器时，则便于装卸催化剂。[0029]3.换热反应器中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%。[0030]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。[0031]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。[0032]6.管外装催化剂成为一体，装填易均匀。
[0033]图Ia为本实用新型的换热器结构示意图，其中出口联箱和进口联箱分别在换热器的顶部和底部。[0034]图Ib为本实用新型的换热器的另一种结构示意图，其中出口联箱和进口联箱分别在换热器筒体的两侧。[0035]图2a为本实用新型的换热反应器结构示意图，其中出口联箱和进口联箱分别在换热反应器器的顶部和底部。[0036]图2b为本实用新型的换热反应器的另一种结构示意图，其中出口联箱和进口联箱分别在换热反应器壳体的两侧。[0037][0038][0039][0040]简图。[0041][0042][0043][0044][0045]图3为本实用新型的换热反应器使用时的工艺流程简图。图4为本实用新型的换热反应器与气冷反应器串联使用的工艺流程简图。图5为二台本实用新型的换热反应器并联组成的联合反应装置简图。图6是卧式水冷反应器与本实用新型的绕管式换热反应器的串联组合反应装置附图标记说明I-反应器壳体 5_催化剂卸出口 9a-进口联箱12-循环泵2-换热管6-绕管轴芯 9b-出口联箱13-集气器3-进气口4-出气口7-气体分布器 8-绕管轴芯定位条 10-换热管定位条11-汽包 14-人孔15-换热器筒体具体实施方式
[0046]实施例I[0047]如图Ia所示的绕管式换热器，包括换热器筒体15、换热内件、I个进口联箱9a、2 个出口联箱％，所述的换热内件包括若干换热管2和绕管轴芯6，所述的绕管轴芯6由绕管轴芯定位条8定位在换热器内部中心，所述的换热管2沿绕管轴芯6呈螺旋形缠绕布置，相邻两层换热管的缠绕方向相反。所述的进口联箱9a位于换热器筒体15的底部，所述的出口联箱9b位于换热器筒体15的顶部且对称布置。所述的换热管2下端与进口联箱9a连通，换热管2上端分为二束分别与2个出口联箱9b连通。换热器筒体15的顶部还设有带气体分布器7的进气口 3，下部设有带集气器13的出气口 4。[0048]根据实际使用场合的不同，换热管内的换热介质为水或气体。换热管内换热介质从进口联箱进入换热管吸热后升温，从出口联箱出换热器，换热管外换热介质从换热器顶部的进气口 3进入，穿过换热管外部空间与换热管内的换热介质交换热量后从底部出气口 4出换热器。。[0049]实施例2[0050]如图Ib所示的换热器，包括换热器筒体15、换热内件、I个进口联箱9a、2个出口联箱％，出口联箱9b和进口联箱9a分别在换热器筒体15的上部两侧，其余结构同实施例 I。[0051]实施例3[0052]如图2a所示的绕管式换热反应器，包括反应器壳体I、换热内件、I个进口联箱9a、 2个出口联箱9b，所述的反应器壳体I顶部设有出口联箱％、进气口 3和装入催化剂用的人孔(图2a中未示)，进气口 3配有气体分布器7，进口联箱9a位于壳体下部。所述的换热内件包括若干换热管2和绕管轴芯6，所述的换热管沿绕管轴芯6呈螺旋形缠绕布置，并由换热管定位条10定位，所述的换热管2下端与进口联箱9a连通,所述的换热管2上端与出口联箱9b连通。绕管轴芯6由绕管轴芯定位条8定位在壳体内部中心。相邻两层换热管的缠绕方向相反。反应器壳体I底部还设有催化剂卸出口 6和带集气器13的出气口 4。 内外不同圈径换热管的管壁间距为使用催化剂粒径的5倍，催化剂装填在管间，换热管内的换热介质为水。[0053]上述换热反应器使用时的工艺流程简图如图3所示，出口联箱9b依次连接汽包11 和循环泵12的进口，进口联箱9a连接循环泵12的出口。反应气从进气口 3进入，经气体分布器7进入催化剂层，换热介质从进口联箱9a分布进入到各换热管中，沿换热管以螺旋形上行，期间与轴向穿过催化剂层的反应气换热，换热管中部分水汽化为蒸汽，经出口联箱 9b去带调节阀的汽包11分离蒸汽，其余水与补充水汇合后经循环泵12升压再次进入进口联箱9a循环利用。[0054]实施例4[0055]如图2b所示为本实用新型的换热反应器的另一种结构示意图，包括反应器壳体I、换热内件、I个进口联箱9a、2个出口联箱％、装入催化剂用的人孔14、带气体分布器7的进气口 3和带集气器13的出气口 4，其出口联箱9b和进口联箱9a位于换热反应器壳体的两侧，其余同实施例3。[0056]实施例5[0057]如图4所示，本实用新型的绕管式换热反应器A与气冷换热反应器B的组合装置图，其中绕管式换热反应器的结构同实施例2，换热管内的换热介质为水，气冷换热反应器 B的详细结构与A相同，约100°C反应气从气冷绕管换热反应器B底部进入绕管换热管束吸入反应热加热到20(TC多，再从本实用新型的绕管式换热反应器A进气口进入催化剂层发生反应，反应热被换热管内的水吸收产生蒸汽，反应气(例如进行合成甲醇反应，甲醇摩尔含量达约10%，温度2301多)再出绕管式换热反应器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。[0058]实施例6[0059]图5是二台本实用新型的换热反应器并联组成的联合反应器简图，图中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11%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却分离。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。[0060]实施例7[0061]图6是卧式水冷反应器C与本实用新型的绕管式换热反应器A的串联组合反应器简图，反应气先进换热反应器A反应，本实用新型的换热反应器采用绕管，换热面积大，移热能力强，可以满足反应前期反应热大，充分移走反应热、避免催化剂过热失活，绕管式换热反应器后串联卧式塔，卧式水冷反应器C的结构可见本申请人已获授权的名称为“横向管式换热设备”(专利号为ZL200410103104)的发明专利。卧式水冷反应器C的气体横向流动催化床层流通面大，催化剂床高度的立式绕管塔低、阻力小、与绕管水冷塔前后组合， 既能达到良好的反应效果，又降低阻力、降低能耗。
权利要求1.一种绕管式换热器，包括进口联箱、出口联箱和换热内件，其特征在于所述的换热内件包括绕管轴芯和换热管，所述的换热管沿绕管轴芯呈螺旋形缠绕布置，形成多个以绕管轴芯为圆心、不同圈径的换热管束，所述的换热管两端分别与进口联箱和出口联箱连接。
2.如权利要求I所述的绕管式换热器，其特征在于所述的进口联箱为一个，所述的出口联箱为2个以上且为偶数，所述的出口联箱呈对称均匀布置。
3.如权利要求I所述的绕管式换热器，其特征在于相邻换热管束同一水平面的换热管管壁间距大于同一换热管束中上下相邻换热管的管壁间距。
4.如权利要求I所述的绕管式换热器，其特征在于相邻换热管束同一水平面的换热管管壁间距大于2_。
5.如权利要求I所述的绕管式换热器，其特征在于所述的换热管与水平面夹角小于 35度缠绕，相邻两层换热管束的缠绕方向相反。
6.如权利要求I所述的绕管式换热器，其特征在于所述的同一换热管束中上下相邻换热管管壁间距为0-5mm。
7.如权利要求I所述的绕管式换热器，其特征在于所述的换热管的直径为<30_。
8.—种绕管式换热反应器,其特征在于具有一个反应器壳体，其内设有如权利要求 1-7任一权利要求所述的换热器，所述的换热管间装填催化剂，所述的换热管间距为相邻换热管束同一水平面的换热管管壁间距为使用的催化剂粒径的2 8倍。
9.一种利用如权利要求8所述的绕管式换热反应器的组合装置，其特征在于由多台所述的换热反应器前后串联或并联组成。
10.一种利用如权利要求8所述的绕管式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。
专利摘要本实用新型公开了一种绕管式换热器，包括进口联箱、出口联箱和换热内件，所述的换热内件包括绕管轴芯和换热管，所述的换热管沿绕管轴芯呈螺旋形缠绕布置，形成多个以绕管轴芯为圆心、不同圈径的换热管束，所述的换热管两端分别于进口联箱和出口联箱连接。本实用新型还公开了一种具有上述绕管式换热器结构的换热反应器，该换热反应器可单独使用，也可多个换热反应器串联或并联使用，或与气冷反应器与绕管水冷反应器或卧式水管反应器组成联合反应器。本实用新型的换热器具有传热系数大、容积利用率高的特点，换热反应器具有移热能力高、循环比低、高碳比原料气、合成率高、净值高的优点。
文档编号F28D7/02GK202747831SQ201220234489
公开日2013年2月20日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7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