CN105457563B - 一种内置管束等温变换反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内置管束等温变换反应器,采用内置且沿周向均匀分布于催化剂床层的轴向环形管束移出反应热，实现等温变换；采用内置于中心管内的中心管束预热进入反应器的原料气，实现气气换热器的内置；该等温变换反应器包括承压壳体，催化剂筐，轴向环形管束，中心管及中心管束；轴向环形管束由上下环形管箱和上下环形管板、以及换热管组成；该发明采用管束内置有效的降低设备制造成本，采用换热管端部折弯结构有效地缩小了管板尺寸，管板与高温催化剂床层之间铺设的隔热层有效地隔离了管端焊点与床层高温区的接触，减少了泄漏概率，提高了设备的可靠性；本发明结构紧凑，造价低廉，较易维护，可靠性高，功能完备，适用性广。

Description

一种内置管束等温变换反应器

技术领域

本发明属于化工设备技术领域,涉及一种等温变换反应器,尤其涉及一种内置管束等温变换反应器。

背景技术

CO的变换反应是个可逆的、放热的反应,其反应方程式为：

当原料气中的CO含量较高时，必须及时地移走反应热，否则将导致变换气温度急剧上升，对变换炉内的催化剂是一个较大的伤害，可直接降低催化剂寿命，也可能直接将催化剂烧损失效；同时变换反应是可逆反应，不及时移走反应热，会导致反应不能向深度进行。

目前，通常所采用的煤气化工艺，均是以煤为原料采用纯氧作气化剂的水煤浆气化或粉煤气化，这些工艺制出来的原料气中的CO含量高达50％～76％，传统的变换炉根本适应不了这么高的CO变换要求，一般要采用多级，多段、薄床、中间多次换热的较为复杂的流程来达到变换的要求，这样就会造成流程较长、投资较大，同时若温度控制不住会造成“飞温”问题。

专利号为“ZL 200920102700.6”，名称为“一种水管型反应器”的中国实用新型专利，公开了一种水管型反应器，包括反应器外壳和装配于反应器外壳内的冷管束,冷管束由一个以上相互并联的冷管束换热单元体组成,冷管束换热单元体在反应器外壳内纵向均匀排列,冷管束换热单元体的汽水出口一次经汽水连通管、汽水总管接上封头汽水出口，冷管束换热单元体的进水口经由水连接管后接下部进水总管。该水管型反应器虽然可以进行气液换热移走反应热，但是该设备存在结构复杂、焊点多、可靠性不高和维修困难的问题。

专利号为“ZL 200810024974.8”,名称为“多相移热绝热管壳式反应器”的中国发明专利,公开了一种多相移热绝热管壳式反应器,包括筒体、上封头、气侧封头和下封头，筒体与上封头固定连接，气侧封头位于筒体内部，筒体上固定连接有下管板，下封头与下管板固定连接，气侧封头与上管板固定连接，下管板与下封头形成第一腔室，上管板与气侧封头形成第二腔室，第一腔室与第二腔室通过水侧换热管连接，水侧换热管至少部分位于第三腔室中，水侧换热管中穿装有冷气换热管。该装置虽然可以由内置管束进行不同介质移热，但是该反应器为热壁结构(高温介质直接与器壁接触)，且设有大管板、内置大封头，用料较多；并且其换热管与管板的焊点暴露在床层高温区，影响了结构的可靠性；另外，其反应为绝热反应，该类反应所固有的温升不易控制等缺点仍然存在。

综上，需要一种能够解决现有技术中所存在的上述技术问题的等温变换反应器，以满足实际化工生产作业的需要。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种内置管束等温变换反应器,以解决现有技术中所存在的上述技术问题,从而缩短工艺流程，节省生产投资,降低制造成本且提高生产可靠性,满足实际化工生产作业的需要。

为实现上述目的，本发明提供一种内置管束等温变换反应器,包括承压壳体，还包括设置在承压壳体上的原料气入口、变换气出口、锅炉水入口、锅炉水出口和催化剂卸料口；

还包括设置在承压壳体内的催化剂筐、轴向环形管束、中心管、环腔筒体和中心管束；轴向环形管束与锅炉水出口之间通过膨胀节联接，以吸收管束与承压壳体之间的热膨胀变形差；催化剂装在催化剂筐以内、中心管以外,以及轴向环形管束所形成的空隙中；轴向环形管束由锅炉水分布器、锅炉水收集器，以及与上环形管板、下环形管板相连接的换热管组成；所述锅炉水分布器由下环形管箱和下环形管板组成；所述锅炉水收集器由上环形管箱和上环形管板组成，所述换热管由直管和端部折弯管组成；

还包括与锅炉水进口相连的下锅炉水接管、与锅炉水出口相连的上锅炉水接管，以及支持及固定换热管的支持板。

在以上方案中优选的是,其采用经轴向环形管束的气液换热和经中心管束的气气换热的组合结构；原料气通过中心管束进入反应器顶部，再分布到催化剂筐的环隙，再通过催化剂筐的孔阵沿径向进入催化剂床层的径向流结构和承压壳体不接触反应后的高温变换气的冷壁结构。

还可以优选的是,其采用仅经轴向环形管束的气液换热的单一结构；原料气通过顶部的原料气入口进入反应器顶部，再分布到催化剂筐的环隙，再通过催化剂筐的孔阵沿径向进入催化剂床层的径向流结构和承压壳体不接触反应后的高温变换气的冷壁结构。

还可以优选的是,换热管的直管、端部折弯管与上环形管板、下环形管板形成直接连接结构；上环形管箱和下环形管箱采用半管结构并与管板直接相连。

还可以优选的是,上环形管箱和下环形管箱管箱平均分为至少两段的结构。

还可以优选的是，上环形管箱和下环形管箱管箱平均分为三段的结构。

还可以优选的是,下环形管板与催化剂床层之间铺设耐火料。

还可以优选的是，轴向环形管束和中心管束在内侧和外侧均留有缺口,即留有不布管区域。

还可以优选的是，中心管束设置在中心管内,采用原料气走管程下进上出、变换气经集气环腔走壳程上进下出，以及通过折流杆的折流来实现逆流换热的中心管束布置方式。

还可以优选的是，其床层高温区整体无焊接接点。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的一种内置管束等温变换反应器,针对现有变换反应器存在的问题，通过在催化剂床层中设置换热管，在换热管内通入锅炉水；锅炉水通过换热管和变换气换热，锅炉水吸收热量汽化，及时移走变换反应的热量；当锅炉水的压力一定时，锅炉水的温度是稳定的；当催化剂床层中均匀布置换热管时，变换反应放出的热量会被锅炉水及时移走；这样可以使变换气的温度维持恒定或温升很小，从而实现等温变换；等温变换可以保护催化剂免受烧损，并延长催化剂的寿命，减少催化剂的更换成本；同时，由于反应产生的热量被及时移走，可以维持反应推动力，增大CO的转化率；此外，通过换热管的排布方式，可以控制催化剂床层中的温度分布，在外圈排布较少的换热管可以使原料气的温度提高，提高反应效率；中间排布较多的换热管可以及时移走变换产生的热量，维持床层的温度恒定；内圈排布较少的换热管可以使变换气的温度进一步提高，为预热原料气提供热量；通过设置于中心管中的中心管束，利用反应后的高温变换气预热原料气，使通过中心管束的原料气达到起活温度，通过催化剂篮筐的孔阵进入催化剂床层，开始变换反应。

本发明的一种内置管束等温变换反应器,采用内置结构,且按一定规律分布于催化剂床层的轴向环形管束移出反应热，实现等温变换；采用内置于中心管内的换热管束预热进入反应器的原料气，实现气气换热器的内置；采用锅炉水作为导热介质，流程短，流动阻力小，采用自然循环；换热管采用整管制成，无拼接接头，仅管端和管板焊接，采用两个环形管箱，焊缝短，焊接节点少，且所有焊点置于高温床层外，整个床层高温区无焊接接点，减少了泄漏概率，提高了装置的可靠性；在中心管束内原料气走管程，变换气走壳程，逆流换热，换热温差大，换热效率高，能有效降低变换气出口温度；原料气采用下进上出的方式，走中心管束的管程；变换气采用上进下出的方式，走中心管束的壳程，能够省去进气中心管路，从而有效减小换热器直径，减小中心管直径。

本发明的一种内置管束等温变换反应器,采用径向变换炉冷壁结构，径向流程短，流动阻力小，催化剂床层高度不受限等优点；采用内置轴向环形管束移除反应热，避免绝热反应温升大，反应深度低，需要中间引出换热降温，否则会烧毁催化剂等缺点；采用内置中心管束，用变换后的高温反应气预热原料气；采用气气换热器内置，换热器采用压差设计，可以节省气气换热器外置时的投资，并减短流程；能够通过调节环形管束换热装置内锅炉水的压力，来调节锅炉水的饱和温度，调节变换气和锅炉水的温差，调节换热效率，控制移出热量数值，最终可以调节进入中心管的变换气温度；能够通过调节环形管束移出的热量值，中心管束能够采用全流量换热，不需要流量调节就能够控制原料气的预热温度。

本发明的一种内置管束等温变换反应器,其轴向环形管束特征在于：(1)管束换热管沿炉体径向等间距布置，周向均匀分布，整个管束换热管基本均匀分布在床层中间，换热均匀，换热效果好，能够实现等温变换；(2)环形管束中间换热管为直管，内侧和外侧边缘换热管端部向中间折弯，从而缩小环形管板的尺寸，使得两端管箱结构紧凑；(3)采用环形管箱、环形管板，从而受力结构好，管板薄，重量轻；(4)换热管整根制成，无拼接接头，换热管与环形管板、管箱与环形管板、管箱与外部接管的焊接接头位于催化剂床层外；下环形管板与催化剂床层接触，在下环形管板和催化剂床层间设置耐火料，有效隔离高温区；整个床层高温区无焊接接点，减少了泄漏概率，提高了装置的可靠性；(5)中心管束和轴向环形管束的内侧和外侧均留有两个不布管区，留出两个缺口供工作人员装卸清理催化剂之用，从而方便催化剂的装卸；(6)在上锅炉水接管与锅炉水出口之间设膨胀节，能够补偿环形管束和壳体之间的热膨胀差，并有效地减少了膨胀节的尺寸。

本发明的一种内置管束等温变换反应器,其内置中心管束特征在于：(1)中心管束内置于反应器内，换热器可采用压差设计，可以省去外置时的承压壳体及连接法兰，并有效减小管板厚度，大大减少气气换热器的投资；(2)原料气走管程，变换气走壳程，逆流换热，换热温差大，换热效率高，并能有效降低变换气出口温度；(3)中心管束的上环形管板固定在中心管束上，下端管子插入原料气进口管中，中间采用填料密封，下端管子能够滑动，从而能够消除中心管和中心管束之间的热膨胀差；(4)原料气采用下进上出的方式，走中心管束的管程，变换气采用上进下出的方式，走中心管束的壳程，逆流换热，换热温差大，效率高，且能够省去进气中心管路，从而有效减小换热器直径，减小中心管直径。

本发明的一种内置管束等温变换反应器,其还可以将位于中心管内的气气换热器—中心管束移出变换炉，去掉环腔筒体，保留中心管，环向管束布满整个床层空间(预留检修空间除外)，反应热完全由换热管内冷却流体带走，温度的控制靠对管内流体的温压参数及流量控制实现；该简化例保留了原方案的高可靠性特征，并大大简化了炉内工艺流程。

本发明的一种内置管束等温变换反应器，其采用轴向环形管束和整体中心管束结构，方便换热管的排布，方便管束的安装和运输；其换热管的直管与端部折弯管与上环形管板、下环形管板形成紧凑连接结构；其上、下环形管箱采用半管结构并与管板直接相连，管箱均分为几段，可用环向法兰连接，以方便检修；其下环形管板与催化剂床层间铺设耐火料，换热管在整个床层高温区无焊点，可靠性高；其轴向环形管束在内、外侧均留有缺口(不布管区域)，以方便检修人员进出装卸催化剂；其设置位于中心管内的中心管束(气气换热器)，及较省空间的原料气走管程下进上出，变换气经集气环腔走壳程上进下出，通过折流杆折流实现逆流换热的中心管束布置方式。

本发明的一种内置管束等温变换反应器,提供了创新设计的反应器结构和内部布置方式，采用新的流程和换热结构，克服了以前反应器的缺点和不足，提高了反应效率，提高了内部的空间利用率，降低了流程阻力，降低了设备投资和运行成本，具有很大的技术突破性。

本发明的一种内置管束等温变换反应器,能够解决现有技术中所存在的上述技术问题,从而缩短工艺流程，节省生产投资,降低制造成本且提高生产可靠性,满足实际化工生产作业的需要。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明：

图1是本发明的带有轴向环形管束和中心管束的内置管束等温变换反应器的结构示意图；

图2是图1的本发明的带有轴向环形管束和中心管束的内置管束等温变换反应器的结构示意图的俯视图；

图3是本发明的带轴向环形管束的内置管束等温变换反应器的结构示意图；

图4是图3的本发明的带轴向环形管束的内置管束等温变换反应器的结构示意图的俯视图；

图5是本发明的内置管束等温变换反应器的轴向环形管束的结构示意图。

图中，1为锅炉水入口，2为催化剂卸料口，3为耐火料，4为承压壳体，5为催化剂筐，6为轴向环形管束，7为中心管，8为催化剂床层，9为膨胀节，10为锅炉水出口，11为原料气入口，12为变换气出口，13为中心管束，14为环腔筒体；6-1为下锅炉水接管，6-2为下环形管箱，6-3为下环形管板，6-4为直管，6-5为支持板，6-6为端部折弯管，6-7上环形管板，6-8上环形管箱，6-9为上锅炉水接管。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作了详细说明。但是，显然可对本发明进行不同的变型和改型而不超出后附权利要求限定的本发明更宽的精神和范围。因此，以下实施例具有例示性的而没有限制的含义。

实施例1：

如图1和图2所示，一种内置管束等温变换反应器,包括承压壳体(4)，设置在承压壳体(4)上的原料气入口(11)、变换气出口(12)、锅炉水入口(1)、锅炉水出口(10)和催化剂卸料口(2)，以及设置在承压壳体(4)内的催化剂筐(5)，轴向环形管束(6)，中心管(7)，环腔筒体(14)，及中心管束(13)。轴向环形管束(6)与锅炉水出口(10)之间由膨胀节(9)联接，以吸收管束与壳体之间的热膨胀变形差。催化剂(8)装在催化剂筐(5)以内，中心管(7)以外及轴向环形管束的空隙中。如图5所示的轴向环形管束(6)由下环形管箱(6-2)和下环形管板(6-3)组成的锅炉水分布器，上环形管箱(6-8)和上环形管板(6-7)组成的锅炉水收集器，以及与上、下环形管板相连接的换热管：直管(6-4)和端部折弯管(6-6)组成；还包括与锅炉水进口相连的下锅炉水接管(6-1)，与锅炉水出口相连的上锅炉水接管(6-9)，以及支持及固定换热管的支持板(6-5)；上环形管板(6-7)和下环形管板(6-3)组成环形管板。

原料气由原料气入口(11)进入，通过中心管束(13)的管程进入反应器上部，分布到承压壳体(4)与催化剂筐(5)之间的环腔，经催化剂筐(5)上的孔阵进入催化剂床层(8)，在催化剂作用下发生变换反应，放出热量，反应热大部分被均匀分布在床层中的轴向环形管束(6)中的锅炉水带走，反应后且有一定温升的变换气由中心管(7)的孔阵，汇入由中心管(7)和环腔筒体(14)之间的环腔，向上流动从环腔筒体(14)的上部进入中心管束(13)的壳程，和管程的低温原料气逆流换热，变换气温度降低，原料气温度升高，换热降温后的变换气从中心管(7)和中心管束(13)下管箱之间的环隙流出，经由变换气出口(12)离开反应器。轴向环形管束换热装置内的冷却介质理论上可以是任何冷却流体，优选为锅炉水。

实施例2：

如图3和图4所示，一种内置管束等温变换反应器,其将中心管(7)内的中心管束(13)换热器移出反应器；原料气改由反应器上部原料气入口(11)进入，分布到承压壳体(4)与催化剂筐(5)之间的环腔，经催化剂筐(5)上的孔阵进入催化剂床层(8)，在催化剂作用下发生反应，放出热量，反应热大部分被均匀分布在床层中的轴向环形管束(6)中的锅炉水带走，反应后的变换气由中心管(7)收集，经由下部的变换气出口(12)离开反应器。

该另一实施例的内置管束等温变换反应器,将位于中心管(7)内的气气换热器——中心管束(13)移出变换炉，去掉环腔筒体，保留中心管(7)，轴向环形管束(6)布满整个床层空间(除预留检修空间除外)，反应热完全由换热管内冷却流体带走，温度的控制靠对管内流体的温压参数及流量控制实现；该简化例保留了原方案的高可靠性特征，简化了炉内工艺流程。

应该理解，上述描述仅仅是为了阐述本发明。本领域的技术人员在不脱离本发明的情况下能够作出多种替换和修改。因此，本发明意在所有这些替换形式、修改和变形都包含在所附权利要求书的保护范围内。

Claims (3)

1.一种内置管束等温变换反应器,包括承压壳体(4)，其特征在于:还包括设置在承压壳体(4)上的原料气入口(11)、变换气出口(12)、锅炉水入口(1)、锅炉水出口(10)和催化剂卸料口(2)；

还包括设置在承压壳体(4)内的催化剂筐(5)、轴向环形管束(6)、中心管(7)、环腔筒体(14)和中心管束(13)；轴向环形管束(6)与锅炉水出口(10)之间通过膨胀节(9)联接，以吸收管束与承压壳体(4)之间的热膨胀变形差；催化剂(8)装在催化剂筐(5)以内、中心管(7)以外,以及轴向环形管束所形成的空隙中；轴向环形管束(6)由锅炉水分布器、锅炉水收集器，以及与上环形管板(6-7)、下环形管板(6-3)相连接的换热管组成；所述锅炉水分布器由下环形管箱(6-2)和下环形管板(6-3)组成，所述锅炉水收集器由上环形管箱(6-8)和上环形管板(6-7)组成，所述换热管由直管(6-4)和端部折弯管(6-6)组成；

还包括与锅炉水进口相连的下锅炉水接管(6-1)、与锅炉水出口相连的上锅炉水接管(6-9)，以及支持及固定换热管的支持板(6-5)；

进一步地，换热管的直管(6-4)、端部折弯管(6-6)与上环形管板(6-7)、下环形管板(6-3)形成直接连接结构；上环形管箱(6-8)和下环形管箱(6-2)采用半管结构并与管板直接相连；

进一步地，上环形管箱(6-8)和下环形管箱(6-2)管箱平均分为至少两段的结构；

进一步地，下环形管板(6-3)与催化剂床层之间铺设耐火料(3)；

进一步地，轴向环形管束(6)在内侧和外侧均留有缺口,即留有不布管区域；

进一步地，中心管束(13)设置在中心管(7)内,采用原料气走管程下进上出、变换气经集气环腔走壳程上进下出，以及通过折流杆的折流来实现逆流换热的中心管束(13)布置方式；

其采用经轴向环形管束(6)的气液换热和经中心管束的气气换热的组合结构；原料气通过中心管束(13)进入反应器顶部，再分布到催化剂筐(5)的环隙，再通过催化剂筐(5)的孔阵沿径向进入催化剂床层的径向流结构和承压壳体(4)不接触反应后的高温变换气的冷壁结构。

2.如权利要求1所述的内置管束等温变换反应器,其特征在于:上环形管箱(6-8)和下环形管箱(6-2)管箱平均分为三段的结构。

3.如权利要求1所述的内置管束等温变换反应器,其特征在于:其床层高温区整体无焊接接点。

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