本发明涉及一种化工设备，具体涉及一种适用于强放热反应的节能型径向反应器。
背景技术：
化学反应一般伴随着吸热或者放热反应。其中将合成气经过催化剂作用转化为烃的费脱合成等是强放热反应。固定床列管反应器具有催化剂与产品分离、催化剂再生流程简单等优点，在放热反应中具有较为广阔的应用前景。列管反应器分催化剂装换热管外和换热管内两种，催化剂装换热管内的可以从上下封头直接装卸料，比较方便，而对于催化剂装在换热管外的列管反应器，一般不能从上下封头直接装卸料，其装卸料比较困难。合成气一般是沿着床层轴向流动或径向流动，径向流动较轴向流动换热效率好，停留时间长，但现有反应器存在空间浪费问题。且放热反应随着反应的进行，降低反应温度能提高转化率，但是现有的反应器没有根据反应不同阶段的控温设计。例如，cn104368281a公开了一种列管式反应器，包括反应器箱体以及间隔设置在所述反应器箱体内的多个列管，反应器箱体包括箱体主体和固定在该箱体主体底部的水平基座，所述反应器箱体上还设置有与所述多个列管连通的反应原料进口和反应产物出口，其中，至少一个所述列管相对于所述水平基座倾斜设置。该列管式反应器无法针对反应不同阶段的控温设计，难以满足强放热反应的需要。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种合成气在反应区内径向流动且空间利用率高、催化剂装载率高、合成气停留时间长、反应温度多样性、列管转化率高的适用于强放热反应的节能型径向反应器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种适用于强放热反应的节能型径向反应器，包括筒体，所述的筒体的两端分别连接有上封头和下封头，所述的上封头与所述的筒体之间安装有上管板，所述的筒体与所述的下封头之间安装有下管板，所述的筒体上设置有进气口和出气口，所述的筒体的内腔中设置有反应区，所述的反应区包括环状的高温区和低温区，所述的高温区与所述的低温区之间设置有换热区，所述的高温区位于所述的换热区的外侧，所述的低温区的内侧设有用于排出反应气的中间通道，所述的高温区内设置有直立的多根第一换热管，所述的低温区内设置有直立的多根第二换热管，所述的换热区内设置有直立的多根第三换热管，所述的多根第一换热管、多根第二换热管和多根第三换热管的上端和下端分别安装在所述的上管板和所述的下管板上，所述的多根第一换热管的壳程和所述的多根第二换热管的壳程内均填充有催化剂，所述的多根第一换热管的管程入口与循环热水供应机构的出水口相通，所述的多根第一换热管的管程出口与所述的循环热水供应机构的入水口相通，所述的多根第二换热管和所述的多根第三换热管的管程入口分别经第一气体分布器与所述的进气口相通，所述的多根第二换热管和所述的多根第三换热管的管程出口分别经第二气体分布器与所述的多根第一换热管的壳程入口相通，所述的多根第一换热管的壳程、多根第三换热管的壳程、多根第二换热管的壳程和中间通道依次相通，所述的中间通道与所述的出气口相通。
本发明的反应器使用时，新鲜合成气首先通过进气口和第一气体分布器同时进入多根第二换热管和多根第三换热管的管程，径向流动至多根第一换热管的壳程进行反应，再径向流动，经过换热区与多根第三换热管的管程内流过的低温的新鲜合成气进行热交换，温度降低后的合成气再径向流动至多根第二换热管的壳程进行反应，反应后产生的反应气在中间通道汇合后从出气口出反应器。反应过程中高温区的热量由循环热水供应机构带走，在进入低温区前的气体的热量被换热区内的多根第三换热管内的新鲜合成气带走，低温区的热量由多根第二换热管内的新鲜合成气带走，可见，反应气在进入反应区时，首先径向流动至高温区进行反应，然后径向流动至换热区降温，再径向流动至低温区进行反应，且高温区的反应温度由循环热水供应机构提供的循环热水的温度决定，而热水的温度由催化剂的活性温度决定，低温区的反应温度由引自进气口的新鲜合成气的温度、催化剂的活性温度及换热区的换热效果决定，节能效果好，可避免不必要的能量浪费。本发明的反应器中，合成气在反应区内径向流动，且反应过程中能够有效降低反应温度，具有空间利用率高、催化剂装载率高、合成气停留时间长、反应温度多样性、列管转化率高的优点。
作为优选，所述的第一气体分布器和所述的第二气体分布器分别安装在所述的下管板和所述的上管板上，所述的第一气体分布器位于所述的换热区和所述的低温区的正下方，所述的第二气体分布器位于所述的换热区和所述的低温区的正上方。在低温区的正下方和正上方同时分别设置第一气体分布器和第二气体分布器，有利于提高合成气的布气效率，确保后续反应的转化率。
作为优选，所述的第一气体分布器为由一根或多根封闭的第一方管构成的螺盘型气体分布器，所述的多根第二换热管和所述的多根第三换热管的管程入口分别与所述的第一气体分布器相通，贯穿所述的第一气体分布器的径向设置有多根封闭的第一总方管，所述的进气口设置在所述的下封头上，所述的下封头上设置有与所述的进气口相通的进气管，所述的多根第一总方管分别与所述的第一气体分布器和所述的进气管相通。
作为优选，所述的第二气体分布器为由一根或多根封闭的第二方管构成的螺盘型气体分布器，所述的多根第二换热管和所述的多根第三换热管的管程出口分别与所述的第二气体分布器相通，贯穿所述的第二气体分布器和所述的高温区的径向设置有多根封闭的第二总方管，所述的多根第二总方管分别与所述的第二气体分布器和所述的多根第一换热管的壳程入口相通。
第一气体分布器和第二气体分布器均为螺盘型结构，且螺盘型结构的第一气体分布器和第二气体分布器可由一根或多根封闭的方管构成，轴向尺寸小，有利于反应器的空间节约。多根第二换热管和多根第三换热管的下端和上端分别沿第一气体分布器和第二气体分布器呈螺旋型排布，有利于合成气均匀进入反应器和反应区。
作为优选，所述的上管板上安装有用于向所述的低温区装填催化剂的环形的装料筒，所述的装料筒位于所述的低温区的正上方，所述的上管板上设置有多个沿螺旋型排布的装料孔，构成所述的第二气体分布器的径向相邻的第二方管之间具有间隙，从而所述的第二气体分布器上形成有螺旋型间隙，所述的多个装料孔的正投影落在所述的第二气体分布器的螺旋型间隙上，所述的筒体的上部侧壁上安装有若干装料口，所述的若干装料口分别与所述的多根第一换热管的壳程相通。上述装料筒结合上管板上的装料孔的设计，便于催化剂的装填加料，可操作性强。在通过装料筒向低温区装填催化剂的同时，可通过装料口向高温区装填催化剂，操作方便、快捷。
作为优选，所述的下管板上设置有多个沿螺旋型排布的卸料孔，所述的多个卸料孔正对所述的低温区，构成所述的第一气体分布器的径向相邻的第一方管之间具有间隙，从而所述的第一气体分布器上形成有螺旋型间隙，所述的多个卸料孔的正投影落在所述的第一气体分布器的螺旋型间隙上，所述的下管板上安装有与所述的低温区位置相对的卸料斗，所述的筒体的下部侧壁上安装有若干卸料口，所述的若干卸料口分别与所述的多根第一换热管的壳程相通。卸料孔和卸料斗的作用是对低温区内填充的催化剂进行卸料，卸料口的作用是对高温区内填充的催化剂进行卸料，使低温区和高温区的卸料操作互不干涉，确保卸料效率。
作为优选，所述的筒体的内侧设置有第一导流筒和第二导流筒，所述的第一导流筒和所述的第二导流筒均为环形，所述的第一导流筒和所述的第二导流筒的筒壁上分别均匀开设有导流孔，所述的中间通道位于所述的第二导流筒的中部，所述的第一导流筒的外侧与所述的筒体的内侧之间具有第一环形间隙，所述的高温区位于所述的第一导流筒内，所述的低温区位于所述的第二导流筒内，所述的换热区位于所述的第一导流筒的内侧与所述的第二导流筒的外侧之间，所述的上管板上安装有隔筒，所述的隔筒与所述的第一导流筒的外径相同，所述的隔筒、装料筒、上封头和上管板围成第二环形间隙，所述的多根第一换热管的管程出口经所述的第二环形间隙与所述的循环热水供应机构的入水口相通，所述的隔筒上开设有多个第一排气孔，所述的上管板上设置有与所述的第一环形间隙位置相对的多个第二排气孔，所述的多根第二总方管经所述的多个第一排气孔和所述的多个第二排气孔与所述的第一环形间隙相通。
作为优选，所述的循环热水供应机构包括汽包，所述的汽包内装有高温锅炉水，所述的汽包的出水口与所述的多根第一换热管的管程入口相通，所述的多根第一换热管的管程入口位于所述的多根第一换热管的底部，所述的多根第一换热管的管程出口与所述的汽包的进气口相通。使用时，高温锅炉水自底部进入高温区的第二换热管内，吸收反应热后变成蒸汽返回汽包，由密度差实现自然循环。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：反应气在进入反应区时，首先径向流动至高温区进行反应，然后径向流动至换热区降温，再径向流动至低温区进行反应，且高温区的反应温度由循环热水供应机构提供的循环热水的温度决定，而热水的温度由催化剂的活性温度决定，低温区的反应温度由引自进气口的新鲜合成气的温度、催化剂的活性温度及换热区的换热效果决定，节能效果好，可避免不必要的能量浪费。本发明的反应器中，合成气在反应区内径向流动，且反应过程中能够有效降低反应温度，具有空间利用率高、催化剂装载率高、合成气停留时间长、反应温度多样性、列管转化率高的优点，适用于费-托合成、变换、甲醇、乙醇等强放热反应。
附图说明
图1为实施例中反应器的结构示意图；
图2为放大4倍后的图1中a-a剖视图；
图3为图2中部的局部放大图；
图4为放大4倍后的图1中b-b剖视图；
图5为图4中部的局部放大图；
图6为图1中c处虚线框对应的纵剖示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1的适用于强放热反应的节能型径向反应器，如图所示，包括筒体1，筒体1的两端分别连接有上封头21和下封头22，上封头21与筒体1之间安装有上管板23，筒体1与下封头22之间安装有下管板24，筒体1上设置有进气口251和出气口253，筒体1的内腔中设置有反应区，反应区包括环状的高温区3和低温区4，高温区3与低温区4之间设置有换热区8，高温区3位于换热区8的外侧，低温区4的内侧设有用于排出反应气的中间通道42，高温区3内设置有直立的多根第一换热管31，低温区4内设置有直立的多根第二换热管41，换热区8内设置有直立的多根第三换热管81，多根第一换热管31、多根第二换热管41和多根第三换热管81的上端和下端分别安装在上管板23和下管板24上，多根第一换热管31的壳程和多根第二换热管41的壳程内均填充有催化剂，多根第一换热管31的管程入口与循环热水供应机构7的出水口相通，多根第一换热管31的管程出口与循环热水供应机构7的入水口相通，多根第二换热管41和多根第三换热管81的管程入口分别经第一气体分布器5与进气口251相通，多根第二换热管41和多根第三换热管81的管程出口分别经第二气体分布器6与多根第一换热管31的壳程入口相通，多根第一换热管31的壳程、多根第三换热管81的壳程、多根第二换热管41的壳程和中间通道42依次相通，中间通道42与出气口253相通。
实施例1中，循环热水供应机构7包括汽包71，汽包71内装有高温锅炉水，汽包71的出水口与多根第一换热管31的管程入口相通，多根第一换热管31的管程入口位于多根第一换热管31的底部，多根第一换热管31的管程出口与汽包71的进气口251相通。
实施例2的适用于强放热反应的节能型径向反应器，如图所示，包括筒体1，筒体1的两端分别连接有上封头21和下封头22，上封头21与筒体1之间安装有上管板23，筒体1与下封头22之间安装有下管板24，筒体1上设置有进气口251和出气口253，筒体1的内腔中设置有反应区，反应区包括环状的高温区3和低温区4，高温区3与低温区4之间设置有换热区8，高温区3位于换热区8的外侧，低温区4的内侧设有用于排出反应气的中间通道42，高温区3内设置有直立的多根第一换热管31，低温区4内设置有直立的多根第二换热管41，换热区8内设置有直立的多根第三换热管81，多根第一换热管31、多根第二换热管41和多根第三换热管81的上端和下端分别安装在上管板23和下管板24上，第一气体分布器5和第二气体分布器6分别安装在下管板24和上管板23上，第一气体分布器5位于换热区和低温区的正下方，第二气体分布器6位于换热区和低温区的正上方，多根第一换热管31的壳程和多根第二换热管41的壳程内均填充有催化剂，多根第一换热管31的管程入口与循环热水供应机构7的出水口相通，多根第二换热管41和多根第三换热管81的管程入口分别经第一气体分布器5与进气口251相通，多根第二换热管41和多根第三换热管81的管程出口分别经第二气体分布器6与多根第一换热管31的壳程入口相通，多根第一换热管31的壳程、多根第三换热管81的壳程、多根第二换热管41的壳程和中间通道42依次相通，中间通道42与出气口253相通。
实施例2中，第一气体分布器5为由多根封闭的第一方管51构成的螺盘型气体分布器，多根第二换热管41和多根第三换热管81的管程入口分别与第一气体分布器5相通，贯穿第一气体分布器5的径向设置有四根封闭的第一总方管52，进气口251设置在下封头22上，下封头22上设置有与进气口251相通的进气管252，四根第一总方管52分别与第一气体分布器5和进气管252相通；第二气体分布器6为由多根封闭的第二方管61构成的螺盘型气体分布器，多根第二换热管41和多根第三换热管81的管程出口分别与第二气体分布器6相通，贯穿第二气体分布器6和高温区3的径向设置有四根封闭的第二总方管62，四根第二总方管62分别与第二气体分布器6和多根第一换热管31的壳程入口相通。
实施例3的适用于强放热反应的节能型径向反应器，与实施例2的区别在于，实施例3中，如图所示，上管板23上安装有用于向低温区4装填催化剂的环形的装料筒26，装料筒26位于低温区4的正上方，上管板23上设置有多个沿螺旋型排布的装料孔27，构成第二气体分布器6的径向相邻的第二方管61之间具有间隙，从而第二气体分布器6上形成有螺旋型间隙63，多个装料孔27的正投影落在第二气体分布器6的螺旋型间隙63上，筒体1的上部侧壁上对称安装有多个装料口15，多个装料口15分别与多根第一换热管31的壳程相通。
实施例4的适用于强放热反应的节能型径向反应器，与实施例3的区别在于，实施例4中，如图所示，下管板24上设置有多个沿螺旋型排布的卸料孔28，多个卸料孔28正对低温区4，构成第一气体分布器5的径向相邻的第一方管51之间具有间隙，从而第一气体分布器5上形成有螺旋型间隙53，多个卸料孔28的正投影落在第一气体分布器5的螺旋型间隙53上，下管板24上安装有与低温区4位置相对的卸料斗20，筒体1的下部侧壁上对称安装有多个卸料口16，多个卸料口16分别与多根第一换热管31的壳程相通。
实施例5的适用于强放热反应的节能型径向反应器，与实施例4的区别在于，实施例5中，如图所示，筒体1的内侧设置有第一导流筒10和第二导流筒11，第一导流筒10和第二导流筒11均为环形，第一导流筒10和第二导流筒11的筒壁上分别均匀开设有导流孔（图中未示出），中间通道42位于第二导流筒11的中部，第一导流筒10的外侧与筒体1的内侧之间具有第一环形间隙12，高温区3位于第一导流筒10内，低温区4位于第二导流筒11内，换热区8位于第一导流筒10的内侧与第二导流筒11的外侧之间，上管板23上安装有隔筒13，隔筒13与第一导流筒10的外径相同，隔筒13、装料筒26、上封头21和上管板23围成第二环形间隙14，多根第一换热管31的管程出口经第二环形间隙14与循环热水供应机构7的入水口相通，隔筒13上开设有多个第一排气孔（图中未示出），上管板23上设置有与第一环形间隙14位置相对的多个第二排气孔29，四根第二总方管62经多个第一排气孔和多个第二排气孔29与第一环形间隙12相通。
上述适用于强放热反应的节能型径向反应器使用时，新鲜合成气首先通过进气口251和第一气体分布器5同时进入多根第二换热管41和多根第三换热管81的管程，径向流动至多根第一换热管31的壳程进行反应，再径向流动，经过换热区8与多根第三换热管81的管程内流过的低温的新鲜合成气进行热交换，温度降低后的合成气再径向流动至多根第二换热管41的壳程进行反应，反应后产生的反应气在中间通道42汇合后从出气口253出反应器。反应过程中高温区3的热量由循环热水供应机构7带走，在进入低温区前的气体的热量被换热区8内的多根第三换热管81内的新鲜合成气带走，低温区4的热量由多根第二换热管41内的新鲜合成气带走，可见，反应气在进入反应区时，首先径向流动至高温区3进行反应，然后径向流动至换热区8降温，再径向流动至低温区4进行反应，且高温区3的反应温度由循环热水供应机构7提供的循环热水的温度决定，而热水的温度由催化剂的活性温度决定，低温区4的反应温度由引自进气口251的新鲜合成气的温度、催化剂的活性温度及换热区8的换热效果决定，节能效果好，可避免不必要的能量浪费。该反应器中，合成气在反应区内径向流动，且反应过程中能够有效降低反应温度，具有空间利用率高、催化剂装载率高、合成气停留时间长、反应温度多样性、列管转化率高的优点。
以实施例6的适用于强放热反应的节能型径向反应器为例，其工作过程为：使用时，新鲜合成气经进气口251送入第一气体分布器5；新鲜合成气进入第一气体分布器5后，经四根第一总方管52同时进入低温区4内的多根第二换热管41的管程以及换热区8内的多根第三换热管81的管程，再从第二换热管41的管程出口流入四根第二总方管62，经四根第二总方管62进入第二环形间隙14，然后进入第一环形间隙12，之后经第一导流筒10径向流入高温区3内的多根第一换热管31的壳程，在多根第一换热管31的壳程内进行反应，反应过程中高温锅炉水自底部进入高温区3的第二换热管41内，吸收反应热后变成蒸汽返回汽包71，由密度差实现自然循环，降温后的合成气再从高温区3径向流入换热区8，与多根第三换热管81的管程内流过的低温的新鲜合成气进行热交换，温度降低后的合成气再径向流动，经第二导流筒11进入至低温区4，在多根第二换热管41的壳程内进行反应，最后从第二导流筒11内侧流入中间通道42，在中间通道42汇合后从出气口253出反应器。