CN111721147B - 换热单元及换热反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及换热器领域，公开了一种换热单元及换热反应器，换热单元包括基体(4)以及设置于基体(4)内部的换热介质通道(1)和反应流体通道(2)，其特征在于，所述换热介质通道(1)位于换热单元的中心，多个所述反应流体通道(2)分散包裹在所述换热介质通道(1)外；其中，所述换热介质通道(1)与反应流体通道(2)的轴向平行。对于风险较高的强放热反应过程，可以实现稳定工艺参数的控制和被动型的本质安全化水平提升。
Description
技术领域
本发明涉及换热器领域，具体地，涉及一种换热单元及换热反应器。
背景技术
目前化工行业内，相比于间歇及半间歇反应过程，连续反应过程具备反应效率高、工艺参数易控制、本质安全等优点，但连续反应过程中的换热设备的取热功率无法满足生产需求，特别是对于强放热反应过程，易导致生产安全事故的发生，因此，需要提供一种取热功率高且使反应过程的本质安全化水平得到提升的换热器，以满足上述需求。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种换热单元，以提高换热性能的同时，具有较佳的换热效率。
为了实现上述目的，本发明提供一种换热单元，所述换热单元包括基体以及设置于基体内部的换热介质通道和反应流体通道，所述换热介质通道位于换热单元的中心，多个所述反应流体通道分散包裹在所述换热介质通道外；其中，所述换热介质通道与反应流体通道的轴向平行。
优选地，所述反应流体通道中任意一个通道的进料、出料口分别与相邻反应流体通道的出料口及另一相邻反应流体通道的进料口连接，且连接后的反应流体通道多次迂回盘绕地包裹在位于中心的所述换热介质通道外。
优选地，相邻2个反应流体通道之间通过弯管段相连。
优选地，相邻反应流体通道之间间隔开。
优选地，位于换热单元的中心的所述换热介质通道的数量为1个或多个。
优选地，多个所述换热介质通道平行排布。
优选地，所述反应流体通道与相邻的换热介质通道之间间隔开。
优选地，所述反应流体通道的数量为3个以上。
优选地，所述换热介质通道与反应流体通道的内径比为1.5-2.5：1。
优选地，所述换热介质通道与反应流体通道的横截面为正多边形、矩形、椭圆形或圆形。
优选地，所述基体为硅-铝合金。
优选地，所述换热介质通道为硅-铝合金。
优选地，所述硅-铝合金中所述硅的含量为12-20wt％。
优选地，所述换热介质通道和反应流体通道固定在基体上。
本发明的另一目的在于提供一种换热器，所述换热器包括至少一个本发明上述的换热单元。
通过上述技术方案，反应流体通道分散包裹换热介质通道的方式，将反应流体通道与换热介质通道以不同形式交错、重叠排列，从而实现反应生成热实时被换热介质取热。该种方式的换热单元由于其更大的取热面积和更大的传热系数，使得取热功率数十倍于常规釜式反应器，数倍于常规管式反应器，对于风险较高的强放热反应过程，可以实现稳定工艺参数的控制和被动型的本质安全化水平提升；同时对换热单元的材料进行优化，通过采用硅-铝合金，具备较高的导热系数，能够实现反应流体通道与换热介质通道之间更快的热交换；同时该材料的比热容也较大，具备很强的热吸收储存能力，当反应发生失控时，可以提供较大的缓冲能力，进一步提升反应过程高强度的取热能力，使反应过程的本质安全化水平得到提升。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为换热单元的反应流体通道及换热介质通道的结构示意图；
图2为换热单元的整体结构示意图。
附图标记说明
1、换热介质通道 11、换热介质入口
12、换热介质出口 2、反应流体通道
21、反应流体入口 22、反应流体出口
3、弯管段 4、基体
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。
如图1-2中所示，本发明首先提供了一种换热单元，所述换热单元包括基体4以及设置于基体4内部的换热介质通道1和反应流体通道2，换热介质通道1位于换热单元的中心，多个反应流体通道2分散包裹在换热介质通道1外；换热介质通道1与反应流体通道2的轴向平行。
如图1所示，作为一种优选方式，反应流体通道2中任意一个通道的入口、出口分别与相邻反应流体通道的出口及另一相邻反应流体通道的入口连接，且连接后的反应流体通道2多次迂回盘绕地包裹在位于中心的换热介质通道1外，相邻2个反应流体通道2之间通过弯管段3相连。
在本发明中，优选地，相邻反应流体通道2之间间隔开；更优选地，相邻反应流体通道2的间隔为反应流体通道直径的4-6倍。通过相连管道的间隔设置，使得反应通道分散包裹取热通道，使得反应器不存在局部热点，温度分布均匀。
在本发明中，优选地，位于换热单元的中心的换热介质通道1的数量为1个或多个，例如可以为1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个等。
在本发明中，优选地，多个换热介质通道1平行排布。
在本发明中，优选地，所述反应流体通道2与相邻的换热介质通道1之间间隔开，更优选地，反应流体通道2与相邻的换热介质通道1的间隔为反应流体通道直径的2-4倍。
在本发明中，优选地，反应流体通道2的数量为3个以上，更优选为3-20个，进一步优选为3-15个，进一步优选为3-10个，进一步优选为5-8个，特别优选为8个。
在本发明中，优选地，换热介质通道1与反应流体通道2的内径比为1.5-4：1，优选为1.5-2.5：1。通过上述方式使得换热介质的流量远大于反应流体，同样保证了反应温度的稳定，进一步降低了反应失控风险。
在本发明中，优选地，换热介质通道1与反应流体通道2的横截面为正多边形、矩形、椭圆形或圆形。作为一种优选方式，换热介质通道1与反应流体通道2反应流体的横截面为圆形。
在本发明中，优选地，基体4为硅-铝合金、硅-不锈钢合金或铝合金，更优选为硅-铝合金。
此外，为了增加换热效率，优选地，换热介质通道1为硅-铝合金、硅-不锈钢合金或铝合金，更优选为硅-铝合金。
为了进一步增加换热效率，优选地，基体4内部除换热介质通道1与反应流体通道外，可以为填充填料。所述填料为具有换热效果的各种填料，优选为硅-铝合金、硅-不锈钢合金中的一种或多种。
在本发明中，优选地，硅-铝合金中所述硅的含量为10-30wt％，更优选为12-20wt％。
在本发明中，优选地，换热介质通道1与反应流体通道2分别固定于基体4内，通过焊接等方式保证尽可能多的接触传热面积。
在本发明中，通过换热单元使用硅-铝合金，相比传统材质，其具备较高的导热系数，可以实现反应流体通道与换热介质通道之间更快的热交换；同时该材料的比热容也较大，具备很强的热吸收储存能力，当反应发生失控时，可以提供较大的缓冲能力。
本发明还提供一种换热器，其包括至少一个上述的换热单元。
在本发明中，换热器内换热单元的数量，取决于换热器安装空间以及对换热能力的需要，例如可以为1-20个，优选为5-10个。
下面通过实施例对本发明进行详细地说明，但本发明并不仅限于下述实施例。
实施例1
采用如图1-2所示的结构，基体及换热介质通道采用硅-铝合金(其中硅含量为15wt％)。
换热介质通道1与反应流体通道2分别固定于基体4内，换热介质通道为4根为直管结构；反应流体通道为8根直管组成，除去反应流体入口21和反应流体出口22的其他管口，分别与相邻的反应流体通道通过弯管段3首尾连接，使得8根直管形成完整的盘管，该盘管分散包裹在换热介质通道周围，其中，相邻反应流体通道2的间隔为反应流体通道直径的4-6倍，反应流体通道2与相邻的换热介质通道1的间隔为反应流体通道直径的2-4倍。换热介质通道与反应流体通道的管径比例2:1。
使用过程中，将换热介质通过换热介质入口11通入管道内并沿着管道由换热介质出口12流出，反应流体通过反应流体入口21进入，经盘管后由反应流体出口流出。
本发明提供的换热单元材质为硅-铝合金，相比传统材质，其具备较高的导热系数，可以实现反应流体通道与换热介质通道之间更快的热交换；同时该材料的比热容也较大，具备很强的热吸收储存能力，当反应发生失控时，可以提供较大的缓冲能力；并且，通过相连管道的间隔设置，使得反应通道分散包裹取热通道，使得换热单元不存在局部热点，温度分布均匀，同时，取热流体流量远大于反应流体，同样保证了反应温度的稳定，降低了反应失控风险。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (13)
1.一种换热单元，所述换热单元包括基体(4)以及设置于基体(4)内部的换热介质通道(1)和反应流体通道(2)，其特征在于，所述换热介质通道(1)位于换热单元的中心，多个所述反应流体通道(2)分散包裹在所述换热介质通道(1)外；
其中，所述换热介质通道(1)与反应流体通道(2)的轴向平行；
所述反应流体通道(2)中任意一个通道的入口、出口分别与相邻反应流体通道的出口及另一相邻反应流体通道的入口连接，且连接后的反应流体通道(2)多次迂回盘绕地包裹在位于中心的所述换热介质通道(1)外；
所述换热介质通道(1)与反应流体通道(2)的内径比为1.5-2.5：1。
2.根据权利要求1所述的换热单元，其中，相邻2个反应流体通道(2)之间通过弯管段(3)相连。
3.根据权利要求1所述的换热单元，其中，相邻反应流体通道(2)之间间隔开。
4.根据权利要求1所述的换热单元，其中，位于换热单元的中心的所述换热介质通道(1)的数量为1个或多个。
5.根据权利要求4所述的换热单元，其中，多个所述换热介质通道(1)平行排布。
6.根据权利要求4所述的换热单元，其中，所述反应流体通道(2)与相邻的换热介质通道(1)之间间隔开。
7.根据权利要求1所述的换热单元，其中，所述反应流体通道(2)的数量为3个以上。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的换热单元，其中，所述换热介质通道(1)与反应流体通道(2)的横截面为正多边形、矩形、椭圆形或圆形。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的换热单元，其中，所述基体(4)为硅-铝合金。
10.根据权利要求9所述的换热单元，其中，所述换热介质通道(1)为硅-铝合金。
11.根据权利要求9所述的换热单元，其中，所述硅-铝合金中所述硅的含量为12-20wt％。
12.根据权利要求1-7中任意一项所述的换热单元，其中，所述换热介质通道(1)和反应流体通道(2)固定在基体(4)上。
13.一种换热器，其特征在于，所述换热器包括至少一个权利要求1-12中任意一项所述的换热单元。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20220129 Address after: 100728 No. 22 North Main Street, Chaoyang District, Beijing, Chaoyangmen Applicant after: CHINA PETROLEUM & CHEMICAL Corp. Applicant after: Sinopec Safety Engineering Research Institute Co., Ltd Address before: 100728 No. 22 North Main Street, Chaoyang District, Beijing, Chaoyangmen Applicant before: CHINA PETROLEUM & CHEMICAL Corp. Applicant before: Qingdao Safety Engineering Research Institute of Sinopec |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |