热管-列管式固定床反应器制造技术

本发明专利技术公开了一种热管

【技术实现步骤摘要】
热管
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列管式固定床反应器


[0001]本专利技术涉及一种反应器，具体涉及一种热管
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列管式固定床反应器。
技术背景
[0002]以天然气、煤炭、生物质、CO2为原料经由合成气为中间原料合成清洁油品和化学品是目前煤化工、天然气化工、生物质转化领域重要的技术。尽管原料的来源多样，但这些原料都经由初步转化成合成气(CO和H2为主的混合气体)作为中间合成原料，再由合成气经催化剂合成反应制取丰富的油品和化学品。这些油品与化学品因不含硫、氮等杂质，被称为清洁油品和化学品，在后续使用过程中不会对环境造成污染。
[0003]在合成气催化转化利用技术的开发中，催化剂的研发，包括更高活性、更高选择性催化剂的研究与开发，是推动催化反应技术发展的重要环节。而研发新型反应器，强化传热、传质等工程限制因素与催化剂的研发具有同等重要的意义。
[0004]固定床和浆态床多用于多相态的强放热反应。对于大型商业项目，浆态床的优点是显而易见的：单台反应器的处理能力大，液态的浆能提供足够的热容作为缓冲。但是中等规模以下的项目，固定床的优势更大：犹豫单台反应器的产量要比浆态床低，固定床的固定投资比较大，但固定床的维护和运行费用低，所以在中等规模以下，并且项目运行周期较长，那么固定床是一个更为合理的选择。随着以合成气为原料生产化学品需求的不但扩大，所使用的催化剂往往以复合型催化剂体系为主，因此固定床更适用于此类催化剂体系及相应的化学品的生产。
[0005]列管式固定床通常用于强放热反应过程，如南非萨索尔(Sasol)公司煤制油列管式固定床反应器，壳牌(Shell)公司天然气制油工艺中的列管式固定床反应器，均采用列管式反应器。列管式反应器存在传热问题，反应器内的传热问题可以分成两部分，第一部分，催化剂床层内的导热；第二部分，催化剂床层和反应器管壁之间的传热。催化剂的导热性能主要由催化剂载体决定，即便采用高导热材料作为载体，最终的催化剂床层的有效导热系数的提升并不是很明显，是因为床层的有效导热系数更多地被介质和催化剂的孔道及空隙所主导。在床层有效导热系数无法得到明显改善的情况下，减小反应管直径，是最有效的作为，因为床层的温升，是管半径的平方关系。但是管径的减小，也带来直接的负面结果，那就是单管的催化剂装填量减小，所需反应管数大大增加，提升了制造成本，如在相同应用场景下，在相同催化剂装填体积时，Shell反应器反应管的根数约为Sasol反应器反应管的4倍。
[0006]另一设计思路是采用小颗粒催化剂提升反应速率，在反应器内部设置大量的换热面积以实现固定床单台反应的产能，如Compact GTL公司和Velocys公司的板式微通道反应器(Microchannel Reactor)系统，但是这种类型的反应器因催化剂床层高度只能处于60cm，且催化剂装填部分为长方体方形体系，要想在高压下使用，必须将反应器模块放置于圆柱形的反应器容器中，因为气体进入反应器的方向是从上往下，因此反应容器为卧式，在多个反应器模块放置于反应容器内之后，反应器内容纳催化剂的有效体积很低，反应器內部容积被大量浪费，因此这种反应器的应用场景以小型项目为主。
[0007]针对目前的催化转化应用场景，需要的仍然是能在高压下使用，即催化剂装填部分和移热介质所处的空腔都是圆柱形的反应器结构，但需要强化反应器的整体的移热效果。从催化剂的使用条件来看，催化剂床层内部合适的反应温升有利于反应器的传热，不被允许的是温升过高，如果观察反应管内温度的径向分布，通常只在反应管中心部位，温升才到达不被接受的范围，如图1和图2所示。如果中心部分的温升能被压制，则整个反应温升完全在合理接受范围之内。如在反应管中心位置处加入一个额外的传热通道，则催化剂床层中心位置处的最高温升能显著被抑制。但常用的移热方式，即通过冷却介质移热需要连续地与反应器外部进行冷却介质的交换，这对反应器的设计和制造提出了很大的挑战。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种热管
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列管式固定床反应器。
[0009]本专利技术采用的技术方案为：一种热管
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列管式固定床反应器，包括反应器本体、若干反应管和若干热管；所述反应器本体内置有水平的上管板和下管板，上下管板将反应器本体分隔为自上而下的进料区、反应区和出料区；所述反应器本体上开设有与进料区连通的进料口、与反应区连通的冷却介质入口和冷却介质出口，以及与出料区连通的出料口；若干反应管竖直布置于反应区内，反应管的两端分别安装在上下管板上，且其两端开口，分别与进料区和出料区连通；反应管外壁与反应器本体内壁之间填充有冷却介质；每根反应管的中心穿过一根热管，反应管内壁与热管外壁之间的区域内填充有催化剂床层；所述热管的上端自反应管穿出，伸入进料区；热管两端封闭，其内充填有相变介质。
[0010]按上述方案，所述热管包括热管下段和热管上段，热管下段位于反应管内，热管上段位于进料区内；热管内相变介质的液位与反应管上端口平齐。
[0011]按上述方案，所述热管整体呈圆柱形，热管内表面为开设有齿状的导流凹槽，导流凹槽在液体受重力作用向下流动的同时增加换热面积。
[0012]按上述方案，在反应管的下管口内固定有催化剂支撑板，催化剂支撑板上开设有用于产物及未反应的反应物通过的过流孔，过流孔的孔径小于催化剂颗粒粒径。
[0013]按上述方案，在反应管的上管口内周向间隔设置若干连接件，连接件的外沿与反应管内壁相连，连接件的内沿与热管外壁相连；相邻两个连接件之间留有用于向反应管内填充催化剂的间隙。
[0014]按上述方案，所述反应器本体包括筒状的壳体、固定于壳体顶部的上封头，以及固定于壳体底部的下封头。
[0015]按上述方案，所述进料口设于上封头的顶部，产品出口设于下封头，冷却介质入口和冷却介质出口设于壳体上。
[0016]按上述方案，所述反应管在反应器本体内间隔错位布置。
[0017]按上述方案，热管下段长度为催化剂床层高度的1/4～1/2。
[0018]按上述方案，热管下段的长度为热管上段长度的1～3倍。
[0019]本专利技术的有益效果为：本专利技术所述反应器在保留壳程换热为第一移热通道的同时，在催化剂床层内引入热管，形成第二移热通道，在不显著增加反应器设计和制造复杂性的同时，有效降低了反应器内催化剂床层的最大温升，消除了反应器热点的出现，避免反应器飞温的发生，可有效保护催化剂，延长催化剂的使用寿命。
附图说明
[0020]图1为传统列管式固定床反应器催化剂床层内最高温升沿反应管轴向变化示意图。
[0021]图2为传统列管式固定床反应器催化剂床层沿反应管径向温升分布图。
[0022]图3为本专利技术一个具体实施例的外观结构示意图。
[0023]图4为本专利技术一个具体实施例的反应器内部剖面图
[0024]图5为本专利技术一个具体实施例反应器内部单根反应管剖面图
[0025]图6为本实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热管
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列管式固定床反应器，其特征在于，包括反应器本体、若干反应管和若干热管；所述反应器本体内置有水平的上管板和下管板，上下管板将反应器本体分隔为自上而下的进料区、反应区和出料区；所述反应器本体上开设有与进料区连通的进料口、与反应区连通的冷却介质入口和冷却介质出口，以及与出料区连通的出料口；若干反应管竖直布置于反应区内，反应管的两端分别安装在上下管板上，且其两端开口，分别与进料区和出料区连通；反应管外壁与反应器本体内壁之间填充有冷却介质；每根反应管的中心穿过一根热管，反应管内壁与热管外壁之间的区域内填充有催化剂床层；所述热管的上端自反应管穿出，伸入进料区；热管两端封闭，其内充填有相变介质。2.如权利要求1所述的热管
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列管式固定床反应器，其特征在于，所述热管包括热管下段和热管上段，热管下段位于反应管内，热管上段位于进料区内；热管内相变介质的液位与反应管上端口平齐。3.如权利要求1所述的热管
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列管式固定床反应器，其特征在于，所述热管整体呈圆柱形，热管内表面为开设有齿状的导流凹槽，导流凹槽在液体受重力作用向下流动的同时增加换热面积。4.如权利要求1所述的热管
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列管式固定床反应器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆小军，刘一文，张睿，和铖阳，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：