本申请涉及一种内置模块装配式换热管束的二甲醚反应器，属于化工设备技术领域。
背景技术：
化工装置内主反应为放热反应的，其主反应器一般都具备取热功能。对于二甲醚反应器而言，由于甲醇脱水制二甲醚反应放热量较小，现有技术中常见的反应器为多级绝热固定床反应器形式，级间采用冷甲醇激冷，或者采用列管式固定床反应器，如cn102319553b公开的二甲醚合成反应器结构形式。对于该类型反应器，管程和壳程分别作为反应场所和取热场所，催化剂装填在反应管中，反应介质通过反应管时与催化剂接触发生反应，反应放热通过壳层的换热介质移出。列管式固定床反应器具有良好的取热性能，应用于甲醇脱水制二甲醚反应，存在取热面积余量过大和催化剂装填率不高的问题，并且在装置规模放大的过程中，由于设备结构的限制，反应器制造难度大，反应管焊接接头容易泄漏，如反应器直径增大，管板直径厚度随之增加，大型锻件的加工难度增大；再如选用较长的反应管，由于管程换热管与壳程筒体膨胀量之差随管长的增加而等比例增加，造成反应管与管板焊接接头应力水平较高，易引发泄漏。
技术实现要素：
根据本申请的一个方面，提供了一种内置模块装配式换热管束的二甲醚反应器，该反应器通过把承压壳体内的换热管束模块化(即设计为多个换热管束组件单元)，相对独立地进行拼装组合，解决生产装置在规模放大的过程中，反应器直径放大受结构限制的问题，同时保证催化剂床层温度分布均匀，有效降低反应副产物。
一种内置模块装配式换热管束的二甲醚反应器，二甲醚反应器包括反应器壳体、多个换热管束组件单元；
反应器壳体包括反应器筒体，多个换热管束组件单元沿轴向固定在反应器筒体内；
每个换热管束组件单元包括多根换热管、分配气箱、限位结构、支架和管帽；
多根换热管通过限位结构固定在支架中，支架的下端与分配气箱连接，换热管的下端固定在分配气箱中，管帽安装在换热管的上端。
可选地，换热管束组件单元中的支架的横截面为三角形、四边形、六边形或者底边为弧状的梯形，不同换热管束组件单元的邻边相互配适。
可选地，换热管束组件单元中的限位结构为多个，多个限位结构由上至下依次排列在支架中，限位结构包括多个相互交叉的格栅条以及围设在格栅条周边的格栅外圈，换热管穿设并固定在格栅条中。
可选地，分配气箱包括管板和半球状的箱体，管板位于箱体的上方且与箱体连通，箱体的下方固定有连通的气体管道。
可选地，多根换热管的下端向内弯折，固定在分配气箱的管板内。
可选地，反应器壳体还包括上封头和下封头，上封头位于反应器筒体的上方，下封头位于反应器筒体的下方；上封头、反应器筒体和下封头相互连通；上封头设有开工物料进口；下封头设有多个反应介质进口、催化剂卸料口、反应介质出口；反应介质出口设置在下封头的中部，多个反应介质进口和催化剂卸料口均对称设置在反应介质出口的周围。
可选地，二甲醚反应器还包括进料分配器；进料分配器位于下封头内；进料分配器包括多个相互连通的出口，每个出口与换热管束组件单元一一对应。
可选地，进料分配器位于分配气箱的下方，分配气箱中的气体管道插设在进料分配器的出气口中，气体管道与进料分配器连通，气体管道与进料分配器出气口之间的环状空间内设有填料，且在填料上设有环状压盖。
可选地，二甲醚反应器还包括冷激物料分配器；冷激物料分配器位于上封头内；
冷激物料分配器包括多个冷激物料分配单元；
冷激物料分配单元与换热管束组件单元一一对应。
可选地，冷激物料分配单元包括分配主管和多个分配支管；
分配主管与分配支管连通；
分配支管上设有喷孔；
分配支管分布在与其对应的换热管束组件单元的上方。
本申请能产生的有益效果包括：
1)对比多级绝热固定床反应器，本申请提供的反应器内置进料换热管束对反应床层进行均匀取热，床层温度分布容易控制，反应副产物有效降低；
2)对比列管式固定床反应器，本申请提供的反应器由于进料换热管束模块化，反应器直径的放大不再受结构的限制，相应地给催化剂装填提供了足够的空间，有助于体现生产装置放大的规模经济效应；
3)对比列管式固定床反应器，分配气箱与进料分配器采用填料压紧式管道热补偿结构，消除了膨胀应力，避免了列管式反应器换热管与反应器壳体的温差应力引发的泄漏风险；
4)对比列管式固定床反应器，进料取热管束模块化还相应地减小了气箱管板锻件的尺寸，有利于降低设备的整体材料成本。
附图说明
图1为本申请一种实施方式中内置模块装配式换热管束的二甲醚反应器的结构示意图；
图2为本申请一种实施方式中换热管束组件单元的催化剂床层截面示意图；
图3为本申请一种实施方式中换热管束组件单元的分配气箱管板截面示意图；
图4为本申请一种实施方式中换热管束组件单元中的换热管下端与分配气箱管板的连接示意图；
图5(a)为本申请一种实施方式中换热管束组件单元中的限位结构的组装示意图；
图5(b)为本申请一种实施方式中第一种限位结构示意图；
图5(c)为本申请一种实施方式中第二种限位结构示意图；
图6为本申请一种实施方式中第一种限位结构与支架的连接示意图；
图7为本申请一种实施方式中第二种限位结构与支架的连接示意图；
图8为本申请一种实施方式中冷激物料分配器的正视图；
图9为本申请一种实施方式中冷激物料分配器的俯视图；
图10为本申请一种实施方式中分配气箱和进料分配器连接部分的局部示意图。
部件和附图标记列表：
100反应器壳体；101反应器筒体；102上封头；
1021开工物料进口；103下封头；1031反应介质进口；
1032催化剂卸料口；1033反应介质出口；1034出料收集器；
200换热管束组件单元；201换热管；202支架；
203限位结构；2031格栅条；2032格栅外圈；
204分配气箱；2041管板；2042箱体；
2043气体管道；205管帽；
300进料分配器；301填料；302压盖
400冷激物料分配器；401冷激物料分配单元；4011分配主管；
4012分配支管；402冷激物料进口；
500支撑结构。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
一种内置模块装配式换热管束的二甲醚反应器，二甲醚反应器包括反应器壳体100、多个换热管束组件单元200；反应器壳体包括反应器筒体101，多个换热管束组件单元200沿轴向固定在反应器筒体101内；每个换热管束组件单元200包括多根换热管201、分配气箱204、限位结构203、支架202和管帽205；多根换热管201通过限位结构203固定在支架202中，支架202的下端与分配气箱204连接以使换热管201的下端固定在分配气箱204中，管帽205为伞状结构且安装在换热管201的上端，管帽205与换热管201之间设有间隙。
可选地，换热管束组件单元200中的支架202的横截面为三角形、四边形、六边形或者底边为弧状的梯形，不同换热管束组件单元200的邻边相互配适。
具体地，如图6和图7所示，支架202的横截面为六边形或者底边为弧状的梯形。不同的支架202之间进行拼接，可以形成圆状的周径向布管截面，如图5(a)所示。当然布管方式还有有其他形成，例如三角形布管、正方形布管。
可选地，换热管束组件单元200中的限位结构203为多个，多个限位结构203由上至下依次排列在支架202中，限位结构203包括多个相互交叉的格栅条2031以及围设在格栅条周边的格栅外圈2032，换热管201穿设并固定在格栅条2031中。
具体地，如图5(a)～5(c)所示，限位结构203与对应的支架202的横截面形状相同，例如限位构件203可以为六边形或者底边为弧状的梯形，格栅条2031均匀地交叉设置，换热管201插设并固定再不同格栅条2031所围成形成的空间中。
可选地，分配气箱204包括管板2041和半球状的箱体2042，管板2041位于箱体2042的上方且与箱体2042连通，箱体2042的下方固定有连的气体管道2043。
可选地，多根换热管的下端向内弯折从而固定在分配气箱的管板内。
具体地，如图1和图4所示，多根换热管201的下端向内弯折，向中心靠拢，固定在分配气箱204的管板2041内。
可选地，反应器壳体100还包括上封头102和下封头103，上封头102位于反应器筒体101的上方，下封头103位于反应器筒体101的下方；上封头102、反应器筒体101和下封头103相互连通；上封头102设有开工物料进口1021；下封头103设有多个反应介质进口1031、催化剂卸料口1032、反应介质出口1033；反应介质出口1033设置在下封头103的中部，多个反应介质进口1031和催化剂卸料口1032均对称设置在反应介质出口1033的周围。
可选地，二甲醚反应器还包括多个进料分配器300；多个进料分配器300位于下封头103内；多个进料分配器300之间相互连通，进料分配器300与换热管束组件单元200一一对应。
具体地，如图1所示，反应介质进口1031与进料分配器300连通，原料气通过反应介质进口1031进入进料分配器300中。
可选地，进料分配器300位于分配气箱204的下方，分配气箱204中的气体管道2043插设在进料分配器300的出气口中，气体管道2043与进料分配器300连通，气体管道2043与进料分配器300出气口之间的环状空间内设有填料301，且在填料上设有环状压盖302。
具体地，如图10所示，分配气箱204和进料分配器300采用填料压紧式管道热补偿结构相连，即由于分配气箱204的气体管道2043插设在进料分配器300中，气体管道2043与进料分配器300之间的重合的部分形成环状空间，在该空间中填充了填料，再用压盖302将填料封堵。分配气箱204与进料分配器300之间采用了非焊接的方式，具有消除结构热膨胀应力的作用。
可选地，二甲醚反应器还包括冷激物料分配器400；冷激物料分配器400位于上封头102内；冷激物料分配器400包括多个冷激物料分配单元401；冷激物料分配单元401与换热管束组件单元200一一对应。
可选地，冷激物料分配单元401包括分配主管4011和多个分配支管4012；分配主管4011与分配支管4012连通；分配支管4012上设有喷孔；分配支管4012分布在与其对应的换热管束组件单元200的上方。
具体地，如图9所示，每个热管束组件单元200上方均对应一个冷激物料分配单元401，冷激物料分配单元401包括一条分配主管4011和若干个分配支管4012，若干个分配支管4012可以对称的排布在分配主管4011的两侧，当然也可以采用其他的分布方式。
下面介绍一些可能的实施方式
如图1所示，本申请所提供的内置模块装配式换热管束的二甲醚反应器包括反应器下封头103，反应介质进口1031，催化剂卸料口1032，反应介质出口1033，出料收集器1034，进料分配器300，支撑结构500，分配气箱204，反应器壳体100，换热管201，换热管的限位结构203，支架202，管帽205，冷激物料分配器400，冷激物料分配单元401，冷激物料进口402，反应器上封头102，开工物料进口1021。
如图1所示，反应器筒体101上端焊接反应器上封头102，反应器筒体101下端焊接反应器下封头103，反应器上封头102、反应器筒体101、反应器下封头103形成封闭的腔体。反应器上封头102上设有开工物料进口1021，反应器下封头103上设有反应介质进口1031、催化剂卸料口1032、反应介质出口1033，反应器筒体101上设有冷激物料进口402。
如图1所示，在反应器下封头103内部安装有出料收集器1034、进料换热管束的支撑结构500、进料分配器300，反应器筒体101内部安装有多组进料换热管束201，进料换热管束201下端由分配气箱204和进料分配器300采用填料压紧式管道热补偿结构相连，换热管201与分配气箱204焊接相连，换热管的限位结构203、支架202和换热管201形成整体装配结构，管帽205与换热管201上端焊接相连。冷激料分配器400安装于进料换热管束201上方，与冷激物料进口402相连。
如图2和图3所示，换热管束组件单元200中换热管201的布管方式按其位置区分为分配气箱管板截面布管和催化剂床层截面布管两个部分，催化剂床层部分的反应器截面均匀布满换热管201，该位置的换热管201间距大于管板2041上的换热管201间距。换热管束组件单元200的个数根据反应器的直径和换热管布管方式(如三角形布管、正方形布管或周径向布管)以及划分的区域个数而定。换热管201的数量综合反应所需换热面积、反应器直径和长度、换热管直径和间距等多个因素确定。
如图4所示，换热管201端500mm～1500mm范围内通过两次折弯，实现向中聚拢，单根换热管201的折弯角度和折弯位置根据该换热管201在分配气箱管板截面布管和催化剂床层截面布管的相对位置确定。换热管201下端根据要连接的分配气箱管板2041厚度，留出足够的直管段。收拢后与管板2041焊接相连。
如图1所示，换热管束组件单元200在催化剂床层中沿换热管201轴向以1000mm～2000mm的间距设置多层换热管限位结构203，用于换热管203的限位和固定。
如图5(a)～5(c)所示，换热管的限位结构203为交叉式格栅，格栅外圈2032为宽50～100mm，厚6～12mm的扁钢，包扎于进料换热管束的外围，格栅结构内的格栅条2031为宽50～100mm，厚6～10mm的扁钢，格栅条2031的布置根据换热管201的布管方式确定。
如图6和图7所示，多层换热管限位结构203、支架202与分配气箱204的管板2041组合连接形成类鼠笼结构，支架202根据换热管束组件单元200的分区形式选用不同类型的型钢，通过筋板与分配气箱204的管板2041焊接相连。
如图8和图9所示，冷激物料分配器400采用树枝状分布器结构形式，分配主管4011与冷激物料进口402相连，分配支管4012通过法兰与分配主管4011相连，分配支管4012利用开孔或喷嘴达到均匀分布的目的。
如图1所示，多个换热管束组件单元200进入反应器筒体101内进行组装，与对应位置的支撑结构500安装固定，支撑结构500由筋板和型钢组合而成。
本申请未做详细描述的内容，如反应器下封头103，反应介质进口1031，催化剂卸料口1032，反应介质出口1033，出料收集器1034，进料分配器300，分配气箱204，反应器筒体101，管帽205，冷激物料进口402，反应器上封头102，开工物料进口1021，均可以采用现有技术中相关型号的产品。
实施例
本实施例采用附图1所示反应器形式进行甲醇脱水制二甲醚反应。反应器直径5000mm，反应器筒体高度12m，采用如图2所示的三角形布管，根据所需换热面积核算，换热管采用外径48mm，壁厚2mm的不锈钢管材，换热管直管段管长9m，共设置1000根换热管。反应器下封头装填瓷球，装填位置与换热管直管段下端齐平，瓷球上方装填催化剂，催化剂装填至换热管直管段上端，共装填催化剂量160m3。催化剂床层截面温度分布均匀，与本反应工况条件匹配度良好。
本实施例提供了一种内置模块装配式换热管束的二甲醚反应器，包括承压壳体、进料分配器、换热管束组件单元、冷激物料分配器和出料收集器；多个换热管束组件单元组合装配实现换热管均匀布满反应器水平横截面，多个换热管束组件单元之间相互独立，通过各自独立的进料分配气箱连接进料分配器。该反应器由反应介质进口、进料分配器、换热管束组件单元、换热管之间以及换热管与承压壳体之间的间隙、出料收集器和反应介质出口组成反应介质流通通道，换热管之间的间隙装填催化剂形成反应床层，原料气通过反应介质进口进入进料分配器，然后通过分配气箱进入对应的换热管束组件单元的换热管内部，与换热管外部的反应床层进行换热升温，在换热管束顶部出口达到反应温度，折返进入换热管之间的催化剂床层进行反应，反应放热由换热管内的进料换热移走，以此保证床层不超温。换热管束组件单元顶部设置冷激物料分配器，用于调节反应起始温度。
本申请提供的反应器，采用装配式取热管束，易于实现设备直径的放大，不受设备部件结构加工制造能力的限制，催化剂装填量大，装卸催化剂方便，反应介质在床层内轴向流动，床层温度分布均匀，易于控制，能够有效降低反应副产物。
对比例1
对比例1采用现有技术中常见的列管式反应器形式进行甲醇脱水制二甲醚反应。反应器直径5000mm，采用三角形布管，根据反应放热量和结构综合考虑，反应管采用外径50mm，壁厚2mm的管材，反应管管长9m。共设置5250根取热管。反应器下封头装填瓷球，反应管内装填催化剂，共装填催化剂量78m3，与实施例同等装置规模需要设置两台反应器。
对比例2
对比例2采用现有技术中常见的多级绝热固定床反应器形式进行甲醇脱水制二甲醚反应。反应器直径5000mm，根据反应放热量，将催化剂床层分为8段，床层之间设置冷甲醇激冷分布器进行层间冷却，同时设置相应的收集分布结构。与实施例同等装置规模，反应器壳体高度26m。
从实施例和对比例的数据可以看出，采用相同规格的反应器壳体，采用本专利提供的内置模块装配式换热管束的二甲醚反应器，在保证换热效果的前提下，催化剂装填量提高105％，大大提高了生产装置大型化的能力。
对于对比例1中的列管式反应器形式，由于结构原因，实际换热面积远大于反应放热量所需换热面积，本专利则根据反应放热量数据设置对应数量的换热管，充分利用反应器壳体空间，从而实现设计优化。
对于对比例2中的多级绝热固定床反应器形式，由于其设置多段床层，内部结构复杂，催化剂装填卸出工序繁多，并且层间冷却的控温手段，操作过程和床层温度分布稳定性差，反应容易产生副产物，降低收率，影响后续生产工段。
以上，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
1.一种内置模块装配式换热管束的二甲醚反应器，其特征在于，所述二甲醚反应器包括反应器壳体、多个换热管束组件单元；
所述反应器壳体包括反应器筒体，所述多个换热管束组件单元沿轴向固定在所述反应器筒体内；
每个所述换热管束组件单元包括多根换热管、分配气箱、限位结构、支架和管帽；
所述多根换热管通过所述限位结构固定在所述支架中，所述支架的下端与所述分配气箱连接，所述换热管的下端固定在所述分配气箱中，所述管帽安装在所述换热管的上端。
2.根据权利要求1所述的二甲醚反应器，其特征在于，所述换热管束组件单元中的所述支架的横截面为三角形、四边形、六边形或者底边为弧状的梯形，不同所述换热管束组件单元的邻边相互配适。
3.根据权利要求2所述的二甲醚反应器，其特征在于，所述换热管束组件单元中的所述限位结构为多个，所述多个限位结构由上至下依次排列在所述支架中，所述限位结构包括多个相互交叉的格栅条以及围设在所述格栅条周边的格栅外圈，所述换热管穿设并固定在所述格栅条中。
4.根据权利要求1所述的二甲醚反应器，其特征在于，所述分配气箱包括管板和半球状的箱体，所述管板位于所述箱体的上方且与所述箱体连通，所述箱体的下方固定有连通的气体管道。
5.根据权利要求4所述的二甲醚反应器，其特征在于，所述多根换热管的下端向内弯折，固定在所述分配气箱的所述管板内。
6.根据权利要求1所述的二甲醚反应器，其特征在于，所述反应器壳体还包括上封头和下封头，所述上封头位于所述反应器筒体的上方，所述下封头位于所述反应器筒体的下方；所述上封头、反应器筒体和下封头相互连通；
所述上封头设有开工物料进口；
所述下封头设有多个反应介质进口、催化剂卸料口、反应介质出口；
所述反应介质出口设置在所述下封头的中部，所述多个反应介质进口和所述催化剂卸料口均对称设置在所述反应介质出口的周围。
7.根据权利要求6所述的二甲醚反应器，其特征在于，所述二甲醚反应器还包括进料分配器；
所述进料分配器位于所述下封头内；
所述进料分配器包括多个相互连通的出口，每个所述出口与所述换热管束组件单元一一对应。
8.根据权利要求7所述的二甲醚反应器，其特征在于，所述进料分配器位于所述分配气箱的下方，所述分配气箱中的气体管道插设在所述进料分配器的出气口中，所述气体管道与所述进料分配器连通，所述气体管道与所述进料分配器出气口之间的环状空间内设有填料，且在所述填料上设有环状压盖。
9.根据权利要求8所述的二甲醚反应器，其特征在于，所述二甲醚反应器还包括冷激物料分配器；所述冷激物料分配器位于所述上封头内；
所述冷激物料分配器包括多个冷激物料分配单元；
所述冷激物料分配单元与所述换热管束组件单元一一对应。
10.根据权利要求9所述的二甲醚反应器，其特征在于，所述冷激物料分配单元包括分配主管和多个分配支管；
所述分配主管与所述分配支管连通；
所述分配支管上设有喷孔；
所述分配支管分布在与其对应的所述换热管束组件单元的上方。
技术总结