專利名稱：一種固定床反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種固定床反應器，尤其是一種沿反應器軸線設置一反應管和電加熱裝置，采用氣體腔實現(xiàn)金屬反應管內外壓力平衡的固定床反應器。
背景技術：
在煤氣化生產中往往是在高溫高壓下進行，如煤直接甲烷化是在800-1000攝氏度和8-10兆帕的條件下進行，這對反應器的結構和材質提出了很高要求?，F(xiàn)有高溫高壓反應器主要有釜式反應器和列管式反應器，這些反應器多采用不銹鋼材料，但是不銹鋼在 1000攝氏度的高溫下不能承受較高壓力。采用不銹鋼反應釜內襯非金屬材料結構有效地解決了這個問題，但是不銹鋼反應釜內襯非金屬材料的結構又使得外加熱時其傳熱效率大大降低?，F(xiàn)有文獻CN1785492A公開報道了 “一種等壓內冷式高溫高壓化學反應器”，該反應器采用雙層結構，層間采用液體冷卻。外部設置有壓力控制器，由反應器內部的壓力控制冷卻液的壓力，使反應器內部的壓力和層間冷卻液的壓力基本保持相等，確保反應器內層承受高溫，反應器外層承受高壓。因為整個反應器未設置加熱裝置，所以該反應器主要用于放熱反應的反應過程，不適合吸熱反應的反應過程。現(xiàn)有文獻CN101537327A公開了 “一種固定床反應器”，該反應器法蘭密封面右邊的殼體中央設置有直徑占反應器內徑1 / 10的石英反應管，石英反應管一端至法蘭密封面，并與反應器內腔連通，另一端延伸至殼體外；在石英反應管外套設有電加熱裝置，其左端位于距法蘭密封面的1/8處，其長度為石英反應管的2 / 5 ；法蘭密封面左邊的殼體中央設置有直徑占反應器內徑1 / 10的氣體通管，氣體通管的右端與石英反應管的左端相對接，并與反應器內腔連通，另一端延伸至殼體外；殼體中空填充有耐高溫材料。該反應器采用反應器內部直接電加熱，有效地提高了熱效率，反應器筒體和石英管外的空間填充有耐高溫材料，其高溫由耐高溫材料承受，其高壓由外部筒體承受，這種結構的反應器，很好地解決了高溫高壓下反應器筒體的材料問題。但是，在殼體中央設置有石英反應管和氣體通管，石英反應管一端與氣體通管的一端在法蘭密封面處相對接，氣體通過石英管與氣體通道管對接處進入殼體，使得石英管在高溫反應時，其內部和外部的壓力維持相等，使得石英管能夠在高溫高壓條件下進行反應，而壓力主要作用在反應器壁上。這種結構的反應器由于其反應器中石英反應管外平衡氣與管內反應生成的產品氣相互混合，使得反應器的反應效率低下，在試驗中其反應效率僅為15%左右。

發(fā)明內容
為了解決上述反應器中由于其反應管的外平衡氣與反應管內生成的產品氣相互混合，使得反應器的反應效率低下的問題，本發(fā)明提供一種固定床反應器。本發(fā)明采取的措施是一種固定床反應器，所述反應器包括一反應器中設置有一向兩邊延伸至反應器端口 I、II的反應管； 一在所述反應管周圍設置有一氣體腔連通有氣體腔進氣口； 一原料氣進口分別連通有氣體管路I和氣體管路II ； 一在所述反應管的一端包含有一反應螺旋管。在上述技術方案中，所述反應管是金屬或非金屬反應管；所述反應管周圍設置有氣體腔的直徑是反應器筒體直徑的1/9 ；所述反應管外套設有反應管長度1/4的電加熱裝置；所述反應螺旋管的長是反應管總長的1/10 ；所述反應螺旋管的直徑是反應管直徑的 1/5 ；所述反應器筒體與氣體腔之間的空間填充有耐高溫材料；所述耐高溫材料是高質纖維棉或莫來石輕質保溫磚；所述反應管的反應溫度是800-1200攝氏度，反應壓力是6-12兆帕。本發(fā)明所述的一種固定床反應器，與現(xiàn)有技術相比，通過在反應器中設置一向兩邊延伸至反應器端口 I、11的反應管，避免了反應氣與平衡氣的混合，該反應管結構簡單， 操作方便，效果明顯；通過反應管周圍設置氣體腔，氣體腔中的氣體作為平衡氣保護反應管在高溫下工作時不承受壓力；通過反應管的一端包含一反應螺旋管，保護反應管在高溫下不會因高溫膨脹而受力變形；通過設置氣體分配裝置，實現(xiàn)了金屬反應管內氣體和氣體腔中氣體的壓力平衡，通過設置氣體單向閥使進入氣體腔的氣體不會回流與反應管內氣體混合；通過反應管外套設電加熱裝置，直接對反應管加熱，熱量利用效率高，電加熱裝置加熱均勻利于吸熱反應進行；設置的耐高溫材料能夠保證反應器不銹鋼筒體處溫度降至50攝氏度以下，這降低了設備材料成本，保證了反應器的工作安全；設備的不同位置安裝有三個測溫熱電偶，能夠準確的顯示反應區(qū)溫度分布情況。


圖1是本發(fā)明固定床反應器的總體結構示意圖。圖中1 反應管進氣口 ；2 法蘭I ；3 反應器端口 I ；4 法蘭II ；5 右封頭；6 耐高溫材料；7 電加熱裝置；8 測溫熱電偶；9 反應器筒體；10 反應管；11 左封頭；12 法蘭III ；13 反應管出氣口 ；14 反應器端口 II ；15 法蘭IV ；16 氣體腔；17 安全閥；18 氣體腔進氣口；19:氣體管路I ；20:壓力表I ；21:氣體單向閥；22:氣體流量控制顯示器I ； 23 截止閥I ；對原料氣進口 ；25 氣體分配裝置；26 氣體管路II ；27 截止閥II ；28 氣體流量控制顯示器II ；29 壓力表II。圖2是本發(fā)明固定床反應器的金屬反應管結構示意圖。圖中30 密封墊I ；31 出氣口墊片；32 密封墊II ；33 反應螺旋管；34 變徑接頭；35 反應管直管段；36 進氣口接頭；37 軟密封結構；38 密封墊III ；39 進氣口墊片； 40 密封墊IV。
具體實施例方式下面結合附圖通過具體實施方式
來進一步詳細描述本發(fā)明提出的一種固定床反應器。如圖1和圖2，實施本發(fā)明所述的一種固定床反應器，是沿反應器軸線設置有一向兩邊延伸至反應器端口 I 3和反應器端口 II 14的反應管10，在本實施例中以設置金屬反應管為例，說明本發(fā)明反應器的構成；本固定床反應器通過設置金屬反應管10實現(xiàn)反應管內外氣體相互隔絕，避免了平衡氣混入生成氣中導致反應氣的轉化率降低的問題；金屬反應管10的一端包含有一反應螺旋管33。反應螺旋管33的設置能夠提供足夠的彈性空間，以避免反應管10因高溫膨脹產生變形的影響；反應管10外套設有電加熱裝置7為反應器內反應的進行提供熱量；反應管10周圍設置有氣體腔16連通有氣體腔進氣口 18，氣體腔16 的設置為反應管10提供平衡氣，使得反應管內反應物在高溫高壓下反應，反應管只承受高溫不承受壓力，保護反應管10的運行安全，也解決了反應管的材質問題；原料氣進口對分別連通有氣體管路I 19和氣體管路II 26，通過該氣體管路的設置實現(xiàn)了反應管內外壓力平衡。氣體腔16和反應器筒體9之間為耐高溫材料6，氣體腔16的直徑是反應器筒體9 直徑的1/9，這樣保證高溫通過這部分耐高溫材料層傳至不銹鋼筒體時溫度降至50攝氏度以下，也為電加熱裝置7的安裝提供了足夠空間；反應管10外設置有電加熱裝置7，電加熱裝置7是反應管10長度的1/4，這樣的結構可以為反應物提供足夠長的高溫區(qū)，保證了反應物受熱均勻，也使得高溫沿反應管10傳至軟密封結構37和各個焊縫處溫度降至100攝氏度以下。反應螺旋管33的長是反應管10總長的1/10，這為反應管10提供了足夠的伸縮裕量，能避免反應管10因高溫產生不可逆變形，也避免了變徑接頭34的焊縫處于高溫區(qū)。反應螺旋管33的直徑是反應管10直徑的1/5，這保證了反應螺旋管33彈性良好且氣體經過反應螺旋管33時阻力較??；電加熱裝置7由內置或外盤加熱電阻絲的陶瓷管制成，電加熱裝置7對反應管直接加熱，大大提高了熱量利用效率；反應器筒體9和氣體腔16之間填充有耐高溫材料6，耐高溫材料6為高質纖維棉或莫來石保溫轉，耐高溫材料6能夠保證高溫傳至反應器筒體時溫度降至50攝氏度以下，可以保證人身和設備安全。反應管10的反應溫度是800-1200攝氏度，反應壓力是6-12兆帕。反應管10由密封墊I 30、出氣口墊片31、密封墊II 32、反應螺旋管33、變徑接頭 34、反應管直管段35、進氣口接頭36、軟密封結構37、密封墊III 38、進氣口墊片39、密封墊 IV 40組成。反應螺旋管33兩端分別與出氣口墊片31和變徑接頭34焊接。變徑接頭34 的另一端與反應管直管段35焊接。反應管直管段35采用0Cr25M20不銹鋼等耐高溫、耐腐蝕和耐氧化材料，能夠在1200攝氏度的高溫下工作。進氣口接頭36內部為正六邊形通孔結構，外表面為螺紋結構；進氣口墊片39中央開有兩個半孔使進氣口墊片39形成氣體通路。其中直徑較大的半孔為內螺紋結構，與進氣口接頭36通過螺紋連接的同時擠緊軟密封結構37;軟密封結構37采用氟橡膠等耐高溫材料制作的歐型圈或密封墊等結構，保證反應管10內反應氣體和氣體腔16中平衡氣的隔絕。原料氣進口 M接氣體分配裝置25分別連通有氣體管路I 19和氣體管路II 26， 氣體管路I 19上設置有壓力表I 20、氣體單向閥21、氣體流量控制顯示器I 22、截止閥 I 23，并與反應管進氣口 1相連；氣體管路II沈上設置有截止閥II 27、氣體流量控制顯示器II 28、壓力表II 29，并與氣體腔進氣口 18相連。氣體分配裝置25將原料氣分成壓力相等的兩路氣體分別經過氣體管路I 19和氣體管路II沈進入氣體腔16和反應管10內，實現(xiàn)反應管10內外壓力相等；氣體單向閥21保證通入氣體腔16的平衡氣不會倒流與反應管 10內氣體混合。本發(fā)明通過采用反應管10內外壓力相等的方式實現(xiàn)反應管10在高溫下不承受高壓，使得反應管材質問題得以解決；通過設置氣體腔16和氣體腔進氣口 18為反應管10提供平衡氣，保證反應管安全穩(wěn)定工作；通過設置氣體管路I 19和氣體管路II沈實現(xiàn)反應管 10內氣體和氣體腔16中氣體壓力平衡且平衡氣不會與反應氣混合；通過設置反應螺旋管 33保護反應管不會因高溫變形；反應管10上通過設置密封墊I、II、III、IV和軟密封結構37 使得反應管內外氣體與大氣三者之間完全密封；反應管10上通過設置進氣口接頭36和進氣口墊片39實現(xiàn)反應管的反復拆裝。下面就煤加氫氣化甲烷化反應為例具體說明本發(fā)明一種固定床反應器的結構。將煤料從進氣口接頭36處裝入金屬反應管10，然后將金屬反應管10從反應器端口 II 14置入反應器，由螺栓將法蘭III12與法蘭IV 15擠緊，這樣密封墊I 30和密封墊II 32 被擠緊，出氣口端密封完成。進氣口一端，將軟密封結構37安裝在進氣口接頭36與進氣口墊片39之間，此時軟密封結構37起密封作用。由螺栓擠緊法蘭I 2和法蘭II 4，進氣口端密封完成。原料氣進口 M來的氫氣通過氣體分配裝置25分成兩路壓力相同的氣體—— 反應氣和平衡氣分別進入氣體管路II 26和氣體管路I 19，再分別進入反應管10和氣體腔 16，實現(xiàn)反應管10內外壓力平衡。通過電加熱裝置7和外部連接的溫度顯示和控制器實現(xiàn)反應溫度的調節(jié)和變化。反應器上設置有測溫熱電偶8能夠準確顯示反應器內溫度分布情況。對比實施例1
利用專利CN101537327A公開的“一種固定床反應器”進行煤加氫甲烷化反應。為了區(qū)分平衡氣和反應氣，先將氮氣作為平衡氣通入反應器中進入石英反應管外，待反應器內溫度和壓力達到需要的條件時，通入氫氣作為反應氣進入石英反應管，此時開始計時。在出氣口處采集氣體樣品，分析氣體組成情況。結果見表1:
表1不同時刻得到的氣體樣品的組成情況
權利要求
1.一種固定床反應器，包括一反應器中設置有一向兩邊延伸至反應器端口 I、II (3,14)的反應管(10)；在所述反應管(10)的一端包含有一反應螺旋管(33)；在所述反應管(10 )周圍設置有一氣體腔(16 )連通有氣體腔進氣口(18 )；還包括一原料氣進口(24)分別連通有氣體管路I (19)和氣體管路II (26)。
2.如要求書1所述的一種固定床反應器，其所述反應管(10)是金屬或非金屬反應管。
3.如要求書1所述的一種固定床反應器，其所述反應管(10)周圍設置的氣體腔(16) 的直徑是反應器筒體(9)直徑的1/9。
4.如要求書1所述的一種固定床反應器，其所述反應管(10)外套設有反應管(10)長度1/4的電加熱裝置(7)。
5.如要求書4所述的一種固定床反應器，其所述反應螺旋管(33)的長是反應管(10) 總長的1/10。
6.如要求書1或5所述的一種固定床反應器，其所述反應螺旋管(33)的直徑是反應管 (10)直徑的1/5。
7.如要求書1所述的一種固定床反應器，其所述反應器筒體(9)與氣體腔(16)之間的空間填充有耐高溫材料(6)。
8.如要求書7所述的一種固定床反應器，其所述耐高溫材料(6)是高質纖維棉或莫來石輕質保溫磚。
9.如要求書1所述的一種固定床反應器，其所述反應管(10)的反應溫度是800-1200 攝氏度，反應壓力是6-12兆帕。
全文摘要
一種固定床反應器是反應器中設置有一向兩邊延伸至反應器端口Ⅰ、Ⅱ的反應管；在所述反應管的一端包含有一反應螺旋管；在所述反應管外套設有電加熱裝置；在所述反應管周圍設有氣體腔連通有氣體腔進氣口；其原料氣進口分別連通有氣體管路Ⅰ和氣體管路Ⅱ。本發(fā)明保證了反應管內外氣體壓力平衡且互不混合，且具有結構簡單，操作安全方便的特點。
文檔編號B01J8/02GK102188936SQ20111013575
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權日2011年5月25日
發(fā)明者丁曉闊, 張永發(fā), 朱大強, 董躍, 趙文軍, 趙武斌 申請人:太原理工大學