[发明专利]一种模块化控温反应器

说明书

本发明涉及化学反应装置技术领域，尤其涉及一种模块化控温反应器。包括：反应腔室，反应腔室内设置有至少一个模块化的换热单元，换热单元中设有气体环隙分布筒中心筒，换热单元的外部设有气体环隙分布筒，反应腔室还连通有原料气进口、反应气出口、至少一个换热介质进口和至少一个与换热介质进口相对应的换热介质出口，原料气进口和反应气出口这两者中的其中一个与气体环隙分布筒连通，另一个与中心筒相连通，换热介质进口和换热介质出口与换热单元连通，换热单元包括围绕中心筒分布的多个可相互拼接且独立拆卸的控温反应模块。针对不同放热或吸热反应，换热单元可以分别装填相同或不同量甚至不同种类的催化剂，实现多种反应的集成。

技术领域

本发明涉及化学反应装置技术领域，尤其涉及一种模块化控温反应器。

背景技术

多数化学反应过程往往伴随放热或吸热现象，如CO变换、合成气制甲烷、合成甲醇、合成二甲醚、二甲醚制乙醇、醇制烯烃、合成氨及加氢反应等等。随着人们对化学反应热力学和动力学的研究，绝热式反应器由于其温升高，催化剂易失活，导致反应选择性下降，转化率低，同时由于催化剂耐温区间较小，绝热反应需要多台反应器与多台换热器串联，导致整个工艺流程复杂、压降过大及投资高等问题，已逐渐被等温反应所取代。

现有的等温反应工艺中，通常采用列管式反应器或板式反应器两种不同形式。如CN102059078A提出了《一种等温径向变换反应器》，将固定管板式换热器集成在等温反应器中。换热装置包括多根换热管和位于换热管两端的上管板和下管板，在两块管板之间有一桶状的配流管，催化剂分布于管板和配流管内的空间中。原料气经过顶部的入口进入反应器，进入配流管与反应器外壳组成的配流环隙空间，通过配流管径向进入催化剂床层，然后由中心管出反应器。反应热由分布于催化剂床层中的换热管移出反应器。该设计解决了反应床层温度过高的问题。

CN101304803A提出了《等温化学反应器》，采用了径向板式反应器形式，包括圆柱形壳体,长侧与圆柱形外壳的轴平行且短侧与壳垂直延伸的板片。换热板片以等角度扇形排布形成一个个从中心筒向壳体延伸的等体积催化剂床层。

在具体应用中，等温反应器通常采用列管式反应器，但是换热管的传热系数不高，需要较多的换热面积，反应器体积大；催化剂多数装填在换热管内，一个反应器内换热管数量有成千上万根，催化剂装卸工作量大，检漏维修等较为复杂；即使催化剂装填于壳体内，由于上下管板的存在，催化剂的装填仍然复杂繁琐；尤其是需要实现高产能和单台设备高产量时，列管式反应器往往面临压降大、热点高以及体积大等问题。

采用径向列管式反应器虽然可以解决压降大、能耗高的问题，但同时也存在以下问题：管板导致催化剂装卸困难，且管板结构不适合现场焊接，在运输上存在尺寸限制；采用管箱或环管结构，换热管需特殊弯制，工序繁多，加工难度大；管束支撑设置困难；列管有管径和管心距等要求，使得移热组件占比总反应器空间小，且在剧烈放热或吸热区域，换热面积及换热能力不足，容易导致飞温或反应骤停，在反应放热量小或吸热量少的区域，换热面积大量富余，导致反应器体积增加，成本增加。

板式等温反应器虽然避免了列管式径向反应器的某些缺点，但同时也存在弊端，比如由于径向板式结构中，板呈径向发散形式，这样就导致在靠近中心管处的板片比催化剂外围床层处密集，造成换热效果不均匀。另外，考虑到催化剂活性，需要同时兼顾热点温度或最低温度和出口温度，往往板对间角度较小，造成靠近中心筒处的板对太过密集，换热面积大量富余；且装填催化剂时，易造成搭桥阻塞；换热介质进出支管设置紧密，且管径受限，不能满足换热介质流量大的情况

除此之外，如图1所示，不同反应的放热或吸热过程各有不同，其热点温度出现的位置各有不同，单一的排列形式难以适用，难免会在放热最强或吸热最强而换热面积不足的地方出现温度积累或温度降低，造成局部温度过高或温度不足和局部催化剂结焦失活或未达到起活温度，从而影响反应的选择性及反应速度，更有可能使反应器处于失稳状态，出现飞温或反应骤停等。

发明内容