CN112624044B - 绝热串等温的co变换兼产过热蒸汽的反应器及煤气变换工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绝热串等温的CO变换兼产过热蒸汽的反应器，其包括外壳和隔板封头，隔板封头将外壳分割为径向壳体和轴向壳体；在径向壳体内设置有离心式径向反应段，在轴向壳体内设置有轴向反应段；在轴向壳体内设置有换热筒、安装换热筒内的U形换热管组；该离心式径向反应段具有一连通该换热筒的中心布气管，在中心布气管外套设有外气筒，在中心布气管与外气筒之间布置有移热列管；原料气能够在轴向反应段内生成一次变换气；然后在离心式径向反应段内生成二次变换气。本申请还公开一采用上述反应器的煤气变换工艺。本申请能够实现绝热反应、控温反应、产饱和蒸汽和对蒸汽进行过热等功能，并有利于现场的设备布置简洁、节约管线、节约投资。
Description
技术领域
本发明涉及一种绝热串等温的CO变换兼产过热蒸汽的反应器及煤气变换工艺。
背景技术
由于原料气中存在一定量的COS，在CO变化反应过程中，这些COS会转化为H2S，不但对设备造成腐蚀，也会造成催化剂的中毒。另外在原料气中不可避免地存在一定量的灰尘和其它有害物质，即使在变换反应前，经过脱毒和净化处理，但由于脱毒和净化处理过程中，温度的限制，实际上，对灰尘和其它有害物质的去除效果有限，其中的灰尘在进入到变换反应器内后，会堵塞触媒的通道上，影响触媒的催化效果。另外现有的设备中，换热所产生的热水进入汽包后，生产相应的蒸汽，这些蒸汽如果需要成为过热蒸汽，需要经过其它加热装置二次加热，增加了设备的布置数量。
发明内容
为解决上述问题，本发明首先提出了一种绝热串等温的CO变换兼产过热蒸汽的反应器，其包括沿竖直方向延伸的外壳，在外壳内设置有隔板封头，该隔板封头将外壳分割为位于上侧的径向壳体和位于下侧的轴向壳体；
在径向壳体内设置有离心式径向反应段，在轴向壳体内设置有轴向反应段；
在轴向壳体的中心部沿轴向设置有一换热筒，在该换热筒具有气流通道；在该换热筒内安装有U形换热管组，该U形换热管组的两端均连通外壳的外部、并分别连通蒸汽进口管和蒸汽出口管，该U形换热管组用于生成过热蒸汽；
该离心式径向反应段具有一中心布气管，该中心布气管向下连通该换热筒，在径向壳体的顶部设置有变换气出口，在轴向壳体上开设有原料气入口；
在中心布气管外套设有外气筒，在中心布气管与外气筒之间布置有沿竖直方向延伸的移热列管，该移热列管的下端连接有冷媒入口管，该冷媒入口管向下贯穿隔板封头和轴向反应段后由外壳的底部伸出并形成为冷媒入口；
外气筒与外壳之间形成一环隙，该环隙连通变换气出口；
该移热列管的上端连接有冷媒出口管，该冷媒出口管向上由外壳的定部伸出并形成为冷媒出口；在中心布气管上开设有布气孔，在外气筒上开设有排气孔，布气孔和排气孔均为通孔，布气孔和排气孔的设置按照现有技术即可；
原料气能够经原料气入口进入到轴向壳体内，并在轴向反应段内进行一次变换，生成一次变换气；一次变换气能够经气流通道进入到换热筒内，然后将中心布气管进入到离心式径向反应段进行二次变换，生成二次变换气，二次变换气由变换气出口排出。
本申请中，为了保证壳体的强度，径向壳体采用14CrMoR材料制作，包括下封头在内的轴向壳体采用14CrMoR+S32168复合材料板制作，其中S32168材料层位于内侧。在轴向壳体内加衬S32168不锈钢材料后，可以提高壳体在高温下的耐腐蚀性能，保证设备的使用寿命。
本申请中，外壳包括直筒、上封头和下封头，其中上封头与直筒可拆卸地连接在一起，并且在上封头与直筒之间垫设有欧米伽密封。将上封头采用可拆卸方式安装在直筒的顶部，可以通过直筒的上端对设备的内部进行安装以及大修。采用欧米伽密封以保证设备在高温高压下的密封性。
本申请，原料气在轴向反应段内进行初步反应，可以将轴向反应段内的温度设置在有利于COS转化成H2S的温度区间，最大程度地对原料气中的其他有机物进行转化，避免这些有机物进入到离心式径向反应段内，保证了离心式径向反应段能够长时间运行。由于轴向反应段具有更换触媒的优势，因此将轴向反应段的反应温度设置在较高范围内时，有利于将气体有机物反应所生成的产物保留在轴向反应段内，另外原料气中的有毒物质和灰尘等杂质也被保留在轴向反应段内，使得本申请中，在生产过程中，在对轴向反应段内触媒进行多次更换后，再需要对离心式径向反应段内的触媒进行更换，由于轴向反应段内的触媒更换要较离心式径向反应内的侧面更加方便和快捷，而且利用本申请，能够大幅度地缩短触媒的更换时间，提高设备的运行时间。
利用轴向反应段的高反应温度，能够使蒸汽进行过热，以提高蒸汽的品位，使所生产的过热蒸汽可以直接作为动力蒸汽使用。
本申请作为一个复合式塔器，能够实现绝热反应、控温反应、产饱和蒸汽和对蒸汽进行过热等功能。在有利于实现工艺过程要求的条件下，并有利于现场的设备布置简洁、节约管线、节约投资。
进一步，在外壳的底部设置有用于U形换热管组进出的换热器安装口，换热筒的下端呈敞口状、并形成为换热器进出口，该换热器安装口正对换热器进出口，U形换热管组能够经换热器安装口和换热器进出口自由地进出该换热筒。当需要对U形换热管组进行更换时，可以将U形换热管组经换热器安装口和换热器进出口抽出，然后更换新的U形换热管组。该设计使得U形换热管组的更换具有较高的便利性，无需进入到外壳内，即可完成对U形换热管组的更换。
进一步，为充分吸收轴向反应段内的反应热，该换热筒的下端与外壳底部的内表面之间具有距离，该距离形成为气流通道。由于气流通道设置在换热筒的下端，能够使一次变换气在流经换热筒的过程中，最大限度地与U形换热管组进行接触并换热，可有效地提高换热效率。
进一步，中心布气管向上伸出外壳的顶部后形成为原料气近路线入口。该原料近路线入口可以作为离心式径向反应段的冷激气入口。在传统设备中，一般单独设置冷激气管，冷激气进入设备后，直接进入反应床层，来降低反应温度，但是由于冷激气无法及时向床层的中心区域扩散，造成反应床层内，局部区域的反应温度无法有效降低。本申请中，将中心布气管同时作为冷激气管，冷激气在进入反应器后，首先与从轴向反应段过来的一次变换气进行混合，直接降低一次变换气的温度，从而使得反应变的更加平稳，能够有效地消除局部反应过热的问题。采用该设计后，能够将离心式径向反应段内，反应温度的差异由目前的50-80℃减少到10-20℃。
进一步，为便于对轴向反应段的反应温度进行有效控制，在轴向反应段设置有两个轴向床层，两个轴向床层沿竖直方向间隔设置，该原料气入口设置在上层的轴向床层的上侧；在两个轴向床层之间设置有冷激气入口管。对应于每个轴向床层，均设置有一触媒排放管，以便于将各轴向床层内的触媒排出。
进一步，移热列管分为至少三组，每组移热列管均设置有一个冷媒入口管，冷媒入口管环绕换热筒均匀布置；
在两个轴向床层之间设置有冷激气分布管，该冷激气分布管呈环状，该冷激气分布管包括套设在冷媒入口管上的环形管和连接在两个相邻环形管之间的连接管，该冷激气入口管连接到冷激气分布管上；在冷激气分布管上开设有冷激气孔。在环形管和连接管上均开设有冷激气孔。
第二冷激气由冷激气孔进入到冷激气分布管内，然后再进入到两个轴向床层内，为使冷激气均匀地进入到两个轴向床层内，在环形管和连接管上均开设有冷激气孔，且冷激气孔在环形管和连接管的上下两侧均开设有冷激气孔。
由于冷媒入口管占据了冷激气分布管的最佳位置，为保证第二冷激气的均匀分布，本申请中，在冷媒入口管上套设了环形管，使冷激气分布管最大限度地布置在最佳位置上，使第二冷激气能够均匀分布。
进一步，该冷媒入口连接到一汽包的热水出口管上，该冷媒出口连接到该汽包的热水入口管上，该汽包的蒸汽排出管连通蒸汽进口。该设计能够使本申请中的反应器对同一水源进行连续加热，首先由离心式径向反应段对汽包内的软水进行加热生成饱和水，然后再由轴向反应段对汽包所闪蒸出的饱和蒸汽进行过热，生产过热蒸汽，以充分利用反应热，到达兼产过热蒸汽的目标。
由于生产饱和水和过热蒸汽时，是针对同一汽包，能够有效地减少相关管线的布置，节约投资。
其次，本申请还提出了一种煤气变换工艺，其采用上述任一项所述的反应器，其包括如下步骤：
原料气经原料气入口进入到轴向壳体内，并在轴向反应段内进行一次变换，生成一次变换气；一次变换气能够经气流通道进入到换热筒内，然后将中心布气管进入到离心式径向反应段进行二次变换，生成二次变换气，二次变换气由变换气出口排出；轴向反应段内的反应温度高于离心式径向反应段的反应温度；
汽包的饱和水经冷媒入口进入到移热列管内，吸收离心式径向反应段的变换热后形成过热水，过热水由冷媒出口排出，并返回到汽包内；汽包内的过热水经闪蒸得到饱和蒸汽，该饱和蒸汽经蒸汽进口进入到换热管内吸收轴向反应段的变换热后，成为过热蒸汽。
该变换工艺中，原料气在轴向反应段内进行初步反应，可以将轴向反应段内的温度设置在有利于COS转化成H2S的温度区间，最大程度地对原料气中的其他有机物进行转化，避免这些有机物进入到离心式径向反应段内，保证了离心式径向反应段能够长时间运行。由于轴向反应段具有更换触媒的优势，因此将轴向反应段的反应温度设置在较高范围内时，有利于将气体有机物反应所生成的产物保留在轴向反应段内，另外原料气中的有毒物质和灰尘等杂质也被保留在轴向反应段内，使得本申请中，在生产过程中，在对轴向反应段内触媒进行多次更换后，再需要对离心式径向反应段内的触媒进行更换，由于轴向反应段内的触媒更换要较离心式径向反应内的侧面更加方便和快捷，而且利用本申请，能够大幅度地缩短触媒的更换时间，提高设备的运行时间。
利用轴向反应段的高反应温度，能够使蒸汽进行过热，以提高蒸汽的品位，使所生产的过热蒸汽可以直接作为动力蒸汽使用。
进一步，第一冷激气由外壳顶部的原料气近路线入口进入到中心布气管内，对离心式径向反应段内的温度进行调整。第二冷激气由冷激气入口管进入到轴向反应段内，对轴向反应段内的温度进行调整。
本申请中，将中心布气管同时作为冷激气管，冷激气在进入反应器后，首先与从轴向反应段过来的一次变换气进行混合，直接降低一次变换气的温度，从而使得反应变的更加平稳，能够有效地消除局部反应过热的问题。采用该设计后，能够将离心式径向反应段内，反应温度的差异由目前的50-80℃减少到10-20℃。
具体地，轴向反应段的反应温度为390-410℃，离心式径向反应段的反应温度为280-295℃。该煤气变换工艺中，进入到换热管内的饱和蒸汽的温度为245-255℃，从换热管内排出的过热蒸汽的温度为395-405℃。
附图说明
图1是本发明的一实施例的结构示意图。
具体实施方式
参阅图1，一种绝热串等温的CO变换兼产过热蒸汽的反应器，其包括沿竖直方向延伸的外壳10，外壳10具体包括直筒11、位于直筒顶部的上封头12和和位于直筒底部的下封头13。其中的上封头12与直筒11经螺栓可拆卸地连接在一起，并且在上封头与直筒之间垫设有欧米伽密封，下封头直接焊接在直筒上。
在外壳内设置有隔板封头14，该隔板封头14焊接在直筒11的内壁上，并将外壳10分割为位于上侧的径向壳体和位于下侧的轴向壳体。
在径向壳体内设置有离心式径向反应段101，在轴向壳体内设置有轴向反应段102。
在轴向壳体的中心部沿轴向设置有一换热筒71，在该换热筒71内安装有U形换热管组61。在下封头13的底部开设有底孔，在该底孔上焊接有一法兰17，在该法兰17的下侧利用螺栓密封地安装有一换热管板63，换热封头62焊接在该换热管板63的下侧。在换热封头62内焊接有一分割板64位于换热封头62内，并焊接在换热封头与换热管板之间，将换热封头与换热管板之间的内腔分割为入口腔和出口腔，蒸汽进口管65焊接在换热封头上并连通入口腔，蒸汽出口管66焊接在换热封头上并连通出口腔。
U形换热管组61的U型管的两端均焊接在换热管板上，并分别连通入口腔和出口腔。法兰17的中心孔形成为U形换热管组进出的换热器安装口。
该换热筒的下端呈敞口状、并形成为换热器进出口，该换热器进出口正对换热器安装口。该换热筒的下端与外壳底部的内表面之间具有距离72，该距离72形成为气流通道。
在需要更换U形换热管组61时，将连接法兰17和换热管板63的螺栓拆卸下来，然后将U形换热管组61、换热管板63和换热封头62整体拆卸下来，并经法兰17的中心孔和换热器进出口从外壳内抽出，然后更换新的U形换热管组61、换热管板63和换热封头62。即U形换热管组能够经换热器安装口和换热器进出口自由地进出该换热筒。
该离心式径向反应段101具有一中心布气管31，中心布气管31与换热筒71同轴设置，且连接在一起，中心布气管31向下连通该换热筒71。
在中心布气管外套设有外气筒32，在中心布气管与外气筒之间布置有四个移热管组20，每个移热管组20均包括若干根沿竖直方向延伸的移热列管21，对应于每个移热管组20均设置有一上管板44和一下管板43，移热列管21的两端分别焊接到上管板44和一下管板43上。在上管板44的上侧安装有一上内封头45，上内封头上安装有一冷媒出口管46，冷媒出口管46向上伸出上封头后形成为冷媒出口461。在中心布气管上开设有布气孔，在外气筒上开设有排气孔，布气孔和排气孔在附图中均为显示，具体可采用现有技术。
在下管板43的下侧安装有一下内封头42，下内封头上安装有一冷媒入口管41，冷媒入口管41向下贯穿隔板封头和轴向反应段后、伸出下封头并形成为冷媒入口411。各冷媒入口管41环绕换热筒71均匀布置。
在轴向反应段设置有两个轴向床层，两个轴向床层分别为第一轴向床层51和第二轴向床层56，第一轴向床层51位于第二轴向床层56的上侧。对应于每个轴向床层均设置有触媒支撑板52和触媒压盖53。原料气入口15设置在第一轴向床层51上侧，即原料气入口设置在上层的轴向床层的上侧。
对应于每个轴向床层，均设置有一触媒排放管54。
两个轴向床层沿竖直方向间隔设置，在两个轴向床层之间设置有冷激气入口管58。
在两个轴向床层之间设置有冷激气分布管，该冷激气分布管呈环状，该冷激气分布管包括套设在冷媒入口管上的环形管581和连接在两个相邻环形管之间的连接管582，该冷激气入口管58连接到冷激气分布管上；在冷激气分布管上开设有冷激气孔，具体在本实施例中，在环形管和连接管上均开设有冷激气孔。
在上封头上设置有变换气出口16，外气筒与外壳之间形成一环隙，该环隙连通变换气出口。
中心布气管31向上伸出上封头后形成为原料气近路线入口313。
原料气能够经原料气入口15进入到轴向壳体内，并在轴向反应段内进行一次变换，生成一次变换气；一次变换气能够经气流通道进入到换热筒内，然后将中心布气管进入到离心式径向反应段进行二次变换，生成二次变换气，二次变换气由变换气出口排出。第一冷激气由原料气近路线入口313进入到中心布气管31内，然后在离心式径向反应段内参与反应，并对离心式径向反应段内的反应温度进行调整。第二冷激气由冷激气入口管58进入到轴向反应段参与反应，并对轴向反应段的反应温度进行调整。
本实施例中，该冷媒入口411连接到一汽包80的热水出口管81，该冷媒出口461连接到该汽包的热水入口管82上，该汽包的蒸汽排出管83连通蒸汽进口83，在汽包80上安装有软水补充管84。
以下对煤气变换工艺进行说明，该煤气变换工艺采用上述的反应器，其包括如下步骤：
原料气经原料气入口进入到轴向壳体内，并在轴向反应段内进行一次变换，生成一次变换气；一次变换气能够经气流通道进入到换热筒内，然后将中心布气管进入到离心式径向反应段进行二次变换，生成二次变换气，二次变换气由变换气出口排出；轴向反应段内的反应温度高于离心式径向反应段的反应温度。
汽包的饱和水经冷媒入口进入到移热列管内，吸收离心式径向反应段的变换热后形成过热水，过热水由冷媒出口排出，并返回到汽包内；汽包内的过热水经闪蒸得到饱和蒸汽，该饱和蒸汽经蒸汽进口进入到换热管内吸收轴向反应段的变换热后，成为过热蒸汽。
第一冷激气由外壳顶部的原料气近路线入口进入到中心布气管内，对离心式径向反应段内的反应温度进行调整。第二冷激气由冷激气入口管进入到轴向反应段内，对轴向反应段内的反应温度进行调整。
在本实施例中，轴向反应段的反应温度为395-405℃，离心式径向反应段的反应温度为285-290℃。从汽包80内闪蒸出的饱和蒸汽经过U形换热管组后成为温度为400℃的过热蒸汽，饱和蒸汽入口温度250℃。
Claims (10)
1.绝热串等温的CO变换兼产过热蒸汽的反应器，其特征在于，
包括沿竖直方向延伸的外壳，在外壳内设置有隔板封头，该隔板封头将外壳分割为位于上侧的径向壳体和位于下侧的轴向壳体；
在径向壳体内设置有离心式径向反应段，在轴向壳体内设置有轴向反应段；
在轴向壳体的中心部沿轴向设置有一换热筒，在该换热筒具有气流通道；在该换热筒内安装有U形换热管组，该U形换热管组的两端均连通外壳的外部、并分别连通蒸汽进口管和蒸汽出口管，该U形换热管组用于生成过热蒸汽；
该离心式径向反应段具有一中心布气管，该中心布气管向下连通该换热筒，在径向壳体的顶部设置有变换气出口，在轴向壳体上开设有原料气入口；
在中心布气管外套设有外气筒，在中心布气管与外气筒之间布置有沿竖直方向延伸的移热列管，该移热列管的下端连接有冷媒入口管，该冷媒入口管向下贯穿隔板封头和轴向反应段后由外壳的底部伸出并形成为冷媒入口；
外气筒与外壳之间形成一环隙，该环隙连通变换气出口；
该移热列管的上端连接有冷媒出口管，该冷媒出口管向上由外壳的定部伸出并形成为冷媒出口；
原料气能够经原料气入口进入到轴向壳体内，并在轴向反应段内进行一次变换，生成一次变换气；一次变换气能够经气流通道进入到换热筒内，然后将中心布气管进入到离心式径向反应段进行二次变换，生成二次变换气，二次变换气由变换气出口排出。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，
在外壳的底部设置有用于U形换热管组进出的换热器安装口，换热筒的下端呈敞口状、并形成为换热器进出口，该换热器安装口正对换热器进出口，U形换热管组能够经换热器安装口和换热器进出口自由地进出该换热筒。
3.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，
该换热筒的下端与外壳底部的内表面之间具有距离，该距离形成为气流通道。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，
中心布气管向上伸出外壳的顶部后形成为原料气近路线入口。
5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，
在轴向反应段设置有两个轴向床层，两个轴向床层沿竖直方向间隔设置，该原料气入口设置在上层的轴向床层的上侧；在两个轴向床层之间设置有冷激气入口管。
6.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于，
移热列管分为至少三组，每组移热列管均设置有一个冷媒入口管，冷媒入口管环绕换热筒均匀布置；
在两个轴向床层之间设置有冷激气分布管，该冷激气分布管呈环状，该冷激气分布管包括套设在冷媒入口管上的环形管和连接在两个相邻环形管之间的连接管，该冷激气入口管连接到冷激气分布管上；在冷激气分布管上开设有冷激气孔。
7.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，
该冷媒入口连接到一汽包的热水出口管上，该冷媒出口连接到该汽包的热水入口管上，该汽包的蒸汽排出管连通蒸汽进口。
8.一种煤气变换工艺，其采用权利要求1-7任一项所述的反应器，其包括如下步骤：
原料气经原料气入口进入到轴向壳体内，并在轴向反应段内进行一次变换，生成一次变换气；一次变换气能够经气流通道进入到换热筒内，然后将中心布气管进入到离心式径向反应段进行二次变换，生成二次变换气，二次变换气由变换气出口排出；轴向反应段内的反应温度高于离心式径向反应段的反应温度；
汽包的饱和水经冷媒入口进入到移热列管内，吸收离心式径向反应段的变换热后形成过热水，过热水由冷媒出口排出，并返回到汽包内；汽包内的过热水经闪蒸得到饱和蒸汽，该饱和蒸汽经蒸汽进口进入到换热管内吸收轴向反应段的变换热后，成为过热蒸汽。
9.根据权利要求8所述的煤气变换工艺，其特征在于，
第一冷激气由外壳顶部的原料气近路线入口进入到中心布气管内，对离心式径向反应段内的温度进行调整。
10.根据权利要求8或9所述的煤气变换工艺，其特征在于，
轴向反应段的反应温度为390-410℃，离心式径向反应段的反应温度为280-295℃。
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