專利名稱：一種適用于強放熱反應的恒溫換熱裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型提供一種恒溫換熱裝置，尤其是一種適用于強放熱反應的恒
溫換熱裝置，具體而言是適用于反應溫度小于350'C的氣固(或其它多相) 強放熱反應的裝置。其采用新型的恒溫換熱循環(huán)裝置，借助套管內(nèi)的循環(huán)水 與反應器內(nèi)的反應氣體順流自下向上而行，把反應放出的大量的熱量有效地 移出，反應熱量不足的地方進行能量補充，使反應處在"恒溫范圍"內(nèi)發(fā)生， 保證反應的有效進行，提高反應的效率。
氣固(或其它多相)反應過程，尤其是氣固相催化反應過程，是化學工 業(yè)中應用最廣、規(guī)模最大的反應過程。據(jù)統(tǒng)計，按產(chǎn)品噸位計約有90%的化 工產(chǎn)品是通過氣固相反應過程產(chǎn)生的。大多數(shù)的反應過程都伴有熱效應，由 于催化劑的載體往往都是導熱性能較差的物質(zhì)，而溫度對反應結(jié)果的影響又 十分靈敏，因此傳熱和控溫成了一個難點。
傳統(tǒng)的氣固相反應氣體都是從上而下通過反應器，冷凝的循環(huán)介質(zhì)則是 從下而上逆流循環(huán)，這種方式適用于反應溫度較寬的反應，而對于溫度要求 較嚴格的反應則效果并不理想。氣固反應放出的大量的熱量一般都集中在反 應開始的部位，即氣體剛與催化劑床層接觸的位置的反應放熱量極大，隨著 反應的進行，反應物濃度降低，其放熱量也逐漸下降。傳統(tǒng)的從下而上逆流 循環(huán)的循環(huán)介質(zhì)在入口處溫度較低，出口處溫度升高，與反應放熱量變化一 致，因此得不到充分的熱交換，反應效率不高，甚至會出現(xiàn)高溫熱點，導致 催化劑被燒損。而且傳統(tǒng)的循環(huán)介質(zhì)熱容小，流動性能差，需要動力裝置。
實用新型內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本實用新型提供了一種新型的恒溫換熱裝 置，尤其是一種適用于強放熱反應的恒溫換熱裝置，其采用外加循環(huán)水的套 管結(jié)構(gòu)，循環(huán)水在套管內(nèi)從下向上流動，反應氣體也是從下向上流動。循環(huán) 水在反應器入口段溫度較低，可以快速吸收較多的反應熱，而在反應器出口 段由于循環(huán)水的溫度已升至最高，可以對反應熱量不足的地方進行能量補 充，實現(xiàn)了整個反應在一個"恒溫范圍"之內(nèi)進行，提高了反應效率。
本實用新型目的是針對強放熱反應，尤其是反應溫度小于350'C的強放 熱反應，且要求反應溫度變化較小的過程，所開發(fā)出的一種合適的恒溫換熱 裝置，以保證反應處在"恒溫范圍"內(nèi)發(fā)生，提高反應的效率。
本實用新型的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
本實用新型提供的該恒溫換熱裝置包括加熱器、反應器、套管和儲水罐， 所述的反應器位于套管內(nèi)；所述的加熱器連接在該反應器和套管的底部，該 加熱器內(nèi)設有煙道氣管道和原料氣管道，該煙道氣管道的入口開設于加熱器 的上部，煙道氣管道的出口開設于加熱器的下部，該原料氣管道的入口和出 口分別開設在加熱器的器壁上，其中，加熱器的原料氣管道的出口與反應器 底部設置的原料氣入口相連通；加熱器的器壁上還開設有循環(huán)水入口和循環(huán) 水出口，該加熱器的器壁上的循環(huán)水出口與所述套管相連接，并與反應器和 套管之間的空間相連通；所述的儲水罐一端與套管的上端設置的循環(huán)水出口 相連通，另一端與加熱器的器壁上的循環(huán)水入口相連通。
上述裝置中優(yōu)選循環(huán)水入口開設于加熱器的器壁的下部，循環(huán)水出口開
設于加熱器的器壁的上部，且與所述反應器外的套管相通。該循環(huán)水入口和 循環(huán)水出口的結(jié)構(gòu)使得該恒溫換熱裝置中運行的循環(huán)水在該加熱器中加熱
后向上穿過套管流至位于套管頂部的儲水罐中，之后通過所述的反應器外部 管線進入加熱器的循環(huán)水入口，以實現(xiàn)循環(huán)水的循環(huán)。
為了對循環(huán)水加熱使其達到設定溫度，本實用新型在所述加熱器內(nèi)設有
煙道氣管道的結(jié)構(gòu)目的是實現(xiàn)煙道氣將加熱器內(nèi)部流通的循環(huán)水加熱至預
定溫度；該煙道氣管道優(yōu)選為螺旋狀且上行的管道，而加熱器內(nèi)設的原料氣 管道也優(yōu)選為螵旋狀管道，目的是增加傳熱面積，提高熱交換效率。同時， 本實用新型中所采用的循環(huán)水也可以用高溫煙氣替代，目的是對反應器內(nèi)的 物料加熱。
上述恒溫加熱器適用于強放熱反應，尤其是反應溫度小于35(TC的強放 熱反應，在施用過程中可以保證強放熱反應在"恒溫范圍"內(nèi)發(fā)生，提高反 應的效率。
本實用新型所述的恒溫換熱裝置，所述的反應器的底部優(yōu)選還依次連接 設置有產(chǎn)品收集器和產(chǎn)品槽，該產(chǎn)品收集器是用來收集在該反應器中進行的 強放熱反應所生成的沸點高于反應溫度的產(chǎn)品，該產(chǎn)品槽是用來收集從該產(chǎn) 品收集器輸送出來的產(chǎn)品。所述的反應器的頂端優(yōu)選依次串連有換熱器和三 相分離器，使反應生成的產(chǎn)物流經(jīng)該換熱器和三相分離器后先冷凝篩出液態(tài) 烴類產(chǎn)品以及未轉(zhuǎn)化的合成氣，再在該三相分離器中其進行水相、油相和氣 相分離。
上述的恒溫換熱裝置中，在所述的儲水罐上還設置有液位計和進出閥， 利用該液位計來指示儲水罐下部的水和上部的水蒸汽的分界面，并通過該進 出閥來進行水的補充和排放；為了保證工業(yè)化生產(chǎn)的安全需要，所述的儲水 罐上更優(yōu)選設置有防爆閥，該防爆閥可以過壓自動泄壓，保證裝置的安全。
本實用新型的恒溫換熱裝置的儲水罐與循環(huán)水管道入口之間設置的循 環(huán)管線為兩種，其為并連設置的依靠循環(huán)水自身重力運行的自動循環(huán)管線 (自然循環(huán)管線)和依靠外力強制循環(huán)的強制循環(huán)管線(高壓循環(huán)管線)， 以供根據(jù)不同狀況進行選擇。所述的強制循環(huán)管線上還設置有高壓循環(huán)泵， 該高壓循環(huán)泵用來使所述的循環(huán)水流至儲水罐之后，通過高壓循環(huán)泵并且在 高壓循環(huán)泵的作用下直接進入加熱器的下部入口；為了使用上的便捷，在高 壓循環(huán)泵的入口和/或出口處還設有循環(huán)水控制閥，使得循環(huán)水可以得以有
效控制。
為了提高工作效率，本實用新型的恒溫換熱裝置在反應器中裝設排列有 至少1個輸送原料氣的輸氣管路，優(yōu)選兩個和兩個以上的輸氣管路，加熱器 內(nèi)的原料氣管道與該反應器中的輸氣管路通過反應器底部設置的原料氣入 口相連通，所述的反應氣體(合成氣體或原料氣)先通過該加熱器中的原料 氣管道，再經(jīng)過反應器的原料氣入口進入反應器的輸氣管路中，該輸氣管路 內(nèi)裝設有催化劑(也稱為催化劑床層)，反應氣體通過該催化劑床層，接著 進行強放熱反應，并與該反應器與套管之間的空間內(nèi)上行的循環(huán)水進行熱交 換，使反應氣體在反應的過程中達到反應溫度并保持在恒溫范圍內(nèi)。
本實用新型所述的恒溫換熱裝置，其中反應器可以是單管或列管固定 床，也可以是流化床或漿態(tài)床等各種床型。
在本實用新型的優(yōu)選實施例中，反應器內(nèi)裝設排列有1個以上的輸送原 料氣的輸氣管路(該兩個或者多個輸送原料氣的輸氣管路共同組成一組反應 器，也稱列管)，在該恒溫換熱裝置中還包括穿行于加熱器中的原料氣管道, 其與上述反應器中的輸氣管路通過反應器的原料氣入口相連通，強放熱反應 的反應氣體先通過加熱器中的輸氣管道，再經(jīng)過反應器的原料氣入口進入反 應器的添裝有催化劑的輸氣管路中，接著進行強放熱反應。
所述的加熱器可通過高溫煙道氣或電加熱器對循環(huán)水進行加熱，二者在 套管內(nèi)進行間接熱交換，同時熱的循環(huán)水再與加熱器中在原料氣管道中運行 的原料氣進行熱交換，使反應器中上行的原料氣達到合適的預熱溫度。在正 常反應狀況下，即循環(huán)水溫達到控制溫度后，加熱器就不需要對該循環(huán)水進 行補熱操作了，只在循環(huán)水溫低于控制溫度之前，才需要對該循化水進行加 熱。上述的控制溫度是指儲水罐與外界進行部分熱交換或維持罐內(nèi)壓力， 使該儲水罐上段蒸汽溫度維持不變，此溫度即為控制溫度(稍低于預定的反 應溫度)。
本實用新型的恒溫換熱循環(huán)裝置，借助套管內(nèi)的循環(huán)水與反應器內(nèi)的反
應氣體同方向，即自下向上而行，把反應放出的大量的熱量有效地移出，反 應熱量不足的地方進行能量補充，使反應在"恒溫范圍"內(nèi)發(fā)生，保證反應 的有效進行，提高反應的效率。


圖1:本實用新型適用于強放熱反應的恒溫換熱裝置結(jié)構(gòu)圖2:本實用新型的加熱器結(jié)構(gòu)圖； 圖3:實施例一的裝置流程示意圖。 附圖標號
2——高壓循環(huán)泵 5——
8——液位計
1-
4-7-
-加熱器 -反應器 -儲水罐
3-6畫 9-
崔化劑床層
進出閥
-防爆閥
11——循環(huán)水控制閥
10——
12——加熱器的原料氣管道的入口 (也稱加熱器的原料氣入口)
13——加熱器的原料氣管道的出口 (也稱加熱器的原料氣出口 )
14——反應器的原料氣入口 15——反應器的尾氣出口
16——循環(huán)水入口 17——循環(huán)水出口 18——煙道氣入口
19——煙道氣出口 20——氣體分布板 21——產(chǎn)品出口
22、 25——產(chǎn)品收集器23——換熱器 24——三相分離器
26——水相收集器 27——產(chǎn)品槽 28——尾氣放空閥
具體實施方式
以下結(jié)合附圖詳細說明本實用新型，但不限定本實用新型的實施范圍。 實施例一
如圖l、圖2和圖3所示，本實施例是用于強放熱反應的恒溫換熱裝置 和加熱裝置，具體結(jié)構(gòu)如下
該裝置包括反應器4，設置并且連接在該反應器4底部的加熱器1，加熱器1的作用是使原料氣和循環(huán)水達到合適的預熱溫度，再分別從下至上通 過催化劑床層3和反應器套管5;所述的加熱器1的下端設有加熱器的原料
氣管道的入口 12，加熱器的原料氣管道的出口 13,反應器的原料氣入口 14， 該反應器的原料氣入口 14與所述的反應器4相連通，該加熱器1內(nèi)設有加 熱介質(zhì)煙道氣管道，該煙道氣管道的入口 (煙道氣入口) 18開設于加熱器的 上部，煙道氣管道的出口 (煙道氣出口) 19開設于加熱器的下部，通過煙道 氣管道將進入加熱器中運行的循環(huán)水和原料氣管道中的原料氣進行加熱，加 熱器l中循環(huán)水入口 16和循環(huán)水出口 17分別開設在加熱器壁的下部和上部， 且循環(huán)水出口 17與所述反應器4外、套管壁6內(nèi)(即，套管5內(nèi))的空間 相通，循環(huán)水被加熱后直接進入套管5內(nèi)的空間中從下向上與催化劑床層進 行換熱。
反應器4的底部依次連接設置有產(chǎn)品出口 21、產(chǎn)品收集器22、 25和產(chǎn) 品槽27，該產(chǎn)品收集器22是用來收集在該反應器中反應生成的沸點高于反 應溫度的產(chǎn)品，該產(chǎn)品槽27是用來收集從該產(chǎn)品收集器輸送出來的產(chǎn)品。 反應器4的頂端依次串連有具冷凝作用的換熱器23和具分離作用的三相分 離器24，使反應生成的產(chǎn)物流經(jīng)該換熱器23和三相分離器24后，先冷凝， 以篩出液態(tài)烴類產(chǎn)品以及未轉(zhuǎn)化的合成氣，再在該三相分離器24中對上述 沸點較低的烴類和水以及未轉(zhuǎn)化的合成氣進行水相、油相和氣相分離，油相 經(jīng)減壓后作為低溫冷凝產(chǎn)品可以被送到所述的產(chǎn)品槽27中，氣相則進入下 一組反應器中繼續(xù)反應，以使得原料氣的反應更加充分。
在反應器4外的套管5的上部通過開設的循環(huán)水出口 (未圖示)還連接 有儲水罐7，用來存儲從該套管中流出的循環(huán)水，該儲水罐7能夠及時的對 所述循環(huán)水的溫度、壓力和液位進行調(diào)節(jié)。該儲水罐7上優(yōu)選還設置有液位 計8、進出閥9以及更優(yōu)選還設置有防爆閥(或稱安全閥)10，用以監(jiān)控水 位的狀況和及時消除由于吸熱過大造成水壓升高過快的安全隱患。
在所述的儲水罐7下端設有與加熱器1上開設的循環(huán)水入口 16相通的
循環(huán)管線I，循環(huán)水上升至儲水罐7的時候，其與外界進行熱交換后溫度下 降，而后由于重力或者高壓循環(huán)泵2的作用從外部的循環(huán)管線中流下以重新
進入套管底部，開始循環(huán)。
在以合成氣為原料氣的實例中，整個反應器4的催化劑床層3溫度始終 維持在"恒溫范圍"，保證了反應的順利進行，提高了合成氣(原料氣)的 轉(zhuǎn)化率，使合成氣單程轉(zhuǎn)化率達到65%以上，相比現(xiàn)有的傳統(tǒng)的工藝條件提 高了 10-20%左右。而循環(huán)運行中的水由于重力的作用流動非?？欤梢匝杆?的把反應熱帶走并有效的對低溫區(qū)進行補充，水溫差上下不超過4'C，保證 了熱交換的順利進行，提高了整個反應器的效率。本實用新型的裝置中還裝 設有儲水罐7、液位計8和安全閥10，用以監(jiān)控水位的狀況和及時消除由于 吸熱過大造成水壓升高過快的安全隱患。
從反應器4頂部出來的氣體包括未反應的合成氣和生成的輕烴類產(chǎn)品， 其溫度依然很高，經(jīng)過冷凝器23的冷凝后，溫度接近于室溫，進入與冷凝 器23相連接的三相分離器24中，其中極少量的低碳烴(C&等)和一小部 分未反應的原料氣經(jīng)過三相分離器24的尾氣放空閥28放空或作為加熱燃 料。三相分離器24中排出的液相物質(zhì)包括液態(tài)烴類和生成的水兩部分，其 中液態(tài)烴類進入產(chǎn)品收集器25，減壓后送入產(chǎn)品槽27進行深加工，水相進 入水相收集器26，之后去精餾回收單元以回收水中的含氧有機物。而反應中 生成的沸點比反應溫度高的重烴類則由于自身重力的作用進入收集器即低 溫冷凝物中間槽22，經(jīng)減壓后送產(chǎn)品槽27深加工。
利用該固定床裝置進行強放熱反應可以達到的效果是
(1) 原料氣可以在循環(huán)水加熱器中進行換熱，達到了能量的合理利用。
(2) 用循環(huán)水對反應器進行取熱和補熱，充分的利用了水的熱容較大
的特點，并且可以根據(jù)反應狀況的不同選取自熱循環(huán)管線I和高壓泵強制循 環(huán)管線II兩種不同方式，對于單管固定床可選取自熱循環(huán)管線I就能滿足反 應要求的恒溫范圍，對于反應氣體進料量較大的多管固定床或其他床型可以
選取高壓泵強制循環(huán)管線II，且可以隨時調(diào)節(jié)泵的流量，能使反應熱大量的 移出，維持反應的溫度基本恒定，因此本實用新型所適用的反應體系范圍極廣。
(3) 儲水罐可隨時監(jiān)控液位的高低，并根據(jù)需要進行水量的調(diào)節(jié)，而 且安全閥有一定的壓力范圍，可以自動過壓放空，保證了裝置的安全運行。
(4) CO的單程轉(zhuǎn)化率達到65%， G+的選擇性不低于74%。
權(quán)利要求1.一種恒溫換熱裝置，其特征在于該恒溫換熱裝置包括加熱器、反應器、套管和儲水罐，所述的反應器位于套管內(nèi)；所述的加熱器連接在該反應器和套管的底部，該加熱器內(nèi)設有煙道氣管道和原料氣管道，該煙道氣管道的入口開設于加熱器的上部，煙道氣管道的出口開設于加熱器的下部，該原料氣管道的入口和出口分別開設在加熱器的器壁上，其中，加熱器的原料氣管道的出口與反應器底部設置的原料氣入口相連通；加熱器的器壁上還開設有循環(huán)水入口和循環(huán)水出口，該加熱器的器壁上的循環(huán)水出口與所述套管相連接，并與反應器和套管之間的空間相連通；所述的儲水罐一端與套管的上端設置的循環(huán)水出口相連通，另一端與加熱器的器壁上的循環(huán)水入口相連通。
2. 如權(quán)利要求1所述的恒溫換熱裝置，其特征在于所述的反應器的 底部還依次連接設置有產(chǎn)品收集器和產(chǎn)品槽。
3. 如權(quán)利要求2所述的恒溫換熱裝置，其特征在于所述的反應器的 頂端還依次串連有冷凝器和三相分離器。
4. 如權(quán)利要求1所述的恒溫換熱裝置，其特征在于所述的儲水罐上 設置有液位計和進出閥。
5. 如權(quán)利要求4所述的恒溫換熱裝置，其特征在于所述的儲水罐上 還設置有防爆閥。
6. 如權(quán)利要求l所述的恒溫換熱裝置，其特征在于所述的儲水罐設 有與加熱器上開設的循環(huán)水入口相通的循環(huán)管線，該循環(huán)管線為并連的自 動循環(huán)管線和強制循環(huán)管線兩種。
7. 如權(quán)利要求6所述的恒溫換熱裝置，其特征在于所述的儲水罐與 循環(huán)水管道入口之間設置的強制循環(huán)管線上還設置有高壓循環(huán)泵。
8. 如權(quán)利要求l所述的恒溫換熱裝置，其特征在于所述的恒溫換熱裝置的反應器中裝設排列有至少1個輸送原料氣的輸氣管路，所述的加熱 器內(nèi)的原料氣管道與該反應器中的輸氣管路通過反應器底部設置的原料氣 入口相連通。
9. 如權(quán)利要求1所述的恒溫換熱裝置，其特征在于所述的加熱器內(nèi) 設的煙道氣管道為螺旋狀上行的管道，該加熱器內(nèi)設的原料氣管道為螺旋 狀管道。
10. 如權(quán)利要求l一9任一項所述的恒溫換熱裝置，其中，所述的反應器為單管或列管固定床、流化床或漿態(tài)床。
專利摘要本實用新型提供了一種強放熱反應的恒溫換熱裝置，包括加熱器、反應器、套管和儲水罐，所述的反應器位于套管內(nèi)；所述的加熱器連接在該反應器和套管的底部，該加熱器內(nèi)設有煙道氣管道和原料氣管道，該煙道氣管道的入口開設于加熱器的上部，煙道氣管道的出口開設于加熱器的下部，該原料氣管道的入口和出口分別開設在加熱器的器壁上，其中，加熱器的原料氣管道的出口與反應器底部設置的原料氣入口相連通；加熱器的器壁上還開設有循環(huán)水入口和循環(huán)水出口，該循環(huán)水出口與所述套管相連接，并與反應器和套管之間的空間相連通；儲水罐一端與套管的上端設置的循環(huán)水出口相連通，另一端與加熱器的器壁上的循環(huán)水入口相連通。這種裝置傳熱效果好，溫差變化小，能夠自動維持目標溫度，安全可靠。
文檔編號B01J8/02GK201055771SQ200720149590
公開日2008年5月7日 申請日期2007年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月13日
發(fā)明者建 徐, 勇 石, 魏偉勝, 鮑曉軍 申請人:中國石油天然氣集團公司;中國石油大學(北京)