CN205328607U - 一种用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，涉及一种MSR制氢装置，包括转化器壳体，转化器壳体内通过转化器管板固定有转化管束，沿转化管束设有若干折流板，以及与转化器壳体内连通的导热介质进、出口，与转化管束连通的反应气进、出口，还包括设于反应气进口的原料气进口导流筒，在反应气进口端的转化器管板上设有缓冲颗粒堆积层，在缓冲颗粒堆积层与原料气进口导流筒之间，正对原料气进口导流筒处还设有防冲挡板。本实用新型是一种用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，特别是单台产能超过20000Nm3/h。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种MSR制氢装置，尤其涉及单台产能超过20000Nm3/h的转化器。
背景技术
碳氢燃料的重整制氢是目前国内外工业用氢气的主要方法。蒸汽重整是目前使用最为广泛的制氢方式，目前全世界一半以上的氢气是由原料与蒸汽重整而制得的，在这其中，甲醇-水蒸汽重整(以下简称“MSR”)制氢因反应温度低、产物氢气含量高、原料来源广泛、单位体积氢气成本低等优势成为制氢方式的首选。
MSR制氢装置是在一定温度、压力的条件下，以甲醇和脱盐水为原料，借助甲醇水蒸气重整反应器内催化剂的作用，促使原料与水蒸气在转化炉管内部进行转化反应，制取合成氨原料气(即氢气)。
影响MSR制氢效果的主要因素有化学，物理两个方面。化学因素即催化条件；物理因素则涉及操作条件，传质传热状况等，两者综合表现在反应器的设计优劣中。
MSR是强吸热过程，常规反应器因所采用的颗粒催化剂传热传质过程的限制动态响应慢，催化剂床层存在“冷点”，难以实现等温操作。为了提高制氢效率，各国都加大力度进行甲醇制氢反应器的研究。此外，随着能源需求的扩大，氢能需求不断扩大，其中以上万Nm3/h的产氢规模居多。因甲醇产能过剩，甲醇价格低位运行，大型的甲醇裂解制氢装置即应运而生。转化器是甲醇裂解制氢装置中的核心设备，甲裂装置大型化需要具有优良性能的大型转化器作为支撑。
MSR反应是甲醇与水蒸汽混合物在转化器中加压催化裂解和转化一步完成，生成氢气和二氧化碳，其总反应式如下：
CH3OH+H2O＝CO2+3H2-49.5kJ/mol
该反应为吸热反应，反应所需热量由导热油提供。反应气体、导热油的进出口温差，以及导热油与反应气的温差控制在15℃以内，由此现有技术均选择固定管板式换热器作为整体结构形式；因温差很小，不需要设置膨胀节即可满足温差应力的要求。转化器内反应所需催化剂需定期更换，转化反应压力高于导热油压力，因此从换热器工艺设计的角度考虑反应气走管程，催化剂装填于转化管中，导热油走壳程。
甲醇转化反应是可逆反应，且在反应过程中除主反应外，还伴有生成少量的烃甲酸、二甲醚的副反应。为了减少副反应的发生，提高甲醇转化率，就必须选择合适的工艺条件和优化设计反应器，使得温度能有效控制，使反应热能迅速供给，使甲醇转化反应能在一个恒定、可控的温度下进行。因此，甲醇转化反应器不仅仅是一个换热器，而更重要的是一台转化吸热反应器，是有着化学反应动力学和热力学的一台设备。
目前通用的用于中小规模MSR制氢装置的转化器结构简图见图1，该种结构无法满足大规模MSR制氢装置用需要，原因如下：
1、大规模MSR反应进气的均匀性无法通过这种结构加以保证，现有结构满足直径2m以内的气流分布，但随着规模变大，转化器直径随着变大，这种结构进气会造成进气无法均匀分配到每根转化管中，造成转化率的下降，严重影响转化结果。
2、对于中小规模装置，转化管束采用“弓形”折流板可以满足要求，但对于大规模的MSR制氢装置，“弓形”折流板显然已经无法满足转化管束数量庞大、设备内部流动状态复杂化等要求。
3、对于中小规模装置，上下管板可以满足要求，但对于大规模的MSR反应，设备直径变大，转化管增加几倍甚至几十倍，上百倍，如果还采用这种设备法兰与管板的连接形式，将造成设备管板厚度成几何倍数的增加，造成成本的浪费，此外，也无法满足连接需要。
实用新型内容
本实用新型的目的在于：提供一种用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，特别是单台产能超过20000Nm3/h。
本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：
一种用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，包括转化器壳体，转化器壳体内通过转化器管板固定有转化管束，沿转化管束设有若干折流板，以及与转化器壳体内连通的导热介质进、出口，与转化管束连通的反应气进、出口，其特征在于：还包括设于反应气进口的原料气进口导流筒，在反应气进口端的转化器管板上设有缓冲颗粒堆积层，在缓冲颗粒堆积层与原料气进口导流筒之间，正对原料气进口导流筒处还设有防冲挡板。
作为选择，原料气进口导流筒由若干个内外嵌套的锥筒构成，并将反应气进口进入的原料气分成若干份导入转化器壳体内，各个锥筒同向布置，且朝反应气进口一端开口小而朝转化器壳体内另一端开口大。
作为选择，折流板由圆环型和圆盘型折流板沿转化管束交替布置而成，其中圆环型折流板紧贴转化器壳体内壁布置，圆盘型折流板布置于转化器壳体中央相对圆环型折流板空心位置。
作为选择，环绕转化器壳体外还分别设有导热介质进、出口盘管，导热介质进口盘管上设有至少两个导热介质进口，导热介质出口盘管上设有至少两个导热介质出口，导热介质进、出口盘管分别通过若干引出管与转化器壳体内连通。
作为选择，环转化器壳体内壁还分别设有导热介质进、出口盘管，导热介质进口盘管上设有至少两个连通转化器壳体外的导热介质进口，导热介质进口盘管上还设有若干导热介质引入口与转化器壳体内连通，导热介质出口盘管上设有若干导热介质引出口与转化器壳体内连通，导热介质出口盘管上还设有至少两个连通转化器壳体外的导热介质出口。
作为选择，转化器壳体包括自上而下不可拆卸连接固定的转化器上封头、转化器筒体和转化器下封头，转化器上、下封头内壁内分别固定有转化器管板，转化器上、下封头的转化器管板之间固定有转化管束，转化管束连通转化器上、下封头，转化器支撑裙座通过直接支撑固定于转化器下封头下支撑固定整个转化器。
作为进一步选择，转化器上、下封头上还分别设有人孔，转化器上封头上还设有反应气出气口，转化器下封头上还设有导热介质卸料口和催化剂卸料口。
作为选择，缓冲颗粒堆积层由缓冲物颗粒堆积在转化器管板上构成。
作为进一步选择，缓冲物颗粒为瓷球。
作为选择，原料气进口导流筒的若干个锥筒同心布置，且各锥筒间的上下口面积均为平均分配。
上述方案中，通过锥筒同心布置，将进料口面积均匀等分。
作为选择，导热介质进、出口，以及引出管分别在导热介质进、出口盘管上均匀分布。
作为选择，圆盘型折流板的外径大于或等于圆环型折流板的内径。
上述方案中，导热介质在交替布置的圆环型和圆盘型折流板之间曲折前行，当圆盘型折流板的外径与圆环型折流板的内径之间尺寸差异越大，导热介质的流程越曲折，流程越长，导热越均匀、充分。
作为选择，导热介质进、出口，以及引出管分别在导热介质进、出口盘管上均匀分布。
前述本实用新型主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本实用新型可采用并要求保护的方案：如本实用新型，各选择即可和其他选择任意组合，本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本实用新型所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本实用新型的工作流程：
一、满足工艺温度及压力条件的原料(甲醇，脱盐水)蒸汽从反应气进口经原料气进口导流筒以轴向流入转化器壳体内，在此过程中，设置正对原料气进口导流筒的防冲挡板进行阻挡，以防止流体对转化管束管端的冲刷。同时，原料气进口导流筒通过若干嵌套的锥筒将进料气体按进料口面积分成若干份，通过锥体的导向作用，当导流锥筒上下口面积平均分配时，气体流速大致相等，进料气成圆锥状流向转化器管板上的缓冲颗粒堆积层表面，同时起到气流分配和均匀布气的效果。由此避免管板表面缓冲颗粒堆积层受冲刷形成凹坑，气流不均匀进入转化管束触媒层造成转化反应不均匀，影响整体转化效率。
二、原料蒸汽通过原料气进口导流筒和缓冲颗粒堆积层后均匀进入转化管束内，转化管束内放置催化剂，原料气以一定速度通过转化管束内的催化剂床层，完成甲醇水蒸气重整制氢反应。转化管束依靠转化器上、下封头内的上下两块转化器管板支撑定位。由于催化剂数量大，转化管束数量多，管束重量达到几百吨以上，壳程导热介质(导热油)重量约几十吨，这些重量均通过转化器管板承担并传递到转化器支撑裙座上。该结构相比现有技术的设备法兰与转化器管板的连接形式，连接更为可靠，且转化器管板厚度也能得到有效减少。
三、本转化器壳程采用圆盘-圆环型折流板，采用一块为圆环型，一块为圆盘型交替布置的折流板。由于转化器直径较大，采用圆盘-圆环型折流板比弓形折流板更能保证周向温度的均匀性，从而为床层稳定反应创造良好的条件。
四、MSR反应为强吸热反应，整个反应所需热量均靠一定温度的导热介质(导热油)循环来提供，由于直径大，如果导热油还是采用单一口进料，势必会造成整个导热油热场分布不均匀，距离导热油进口相对远的转化管无法在最适宜的温度下反应，会造成转化效率明显降低，为了实现整个导热油温度场的温度均匀，本专利创造性地提出了一种导热油“环状”进、出料的新模式。本设备中，环绕转化器壳体的导热介质进口盘管位于转化器上部，在导热介质进口盘管上内侧均布一定数量的引出管，直接与设备外壁连通，导热油通过这些引出管直接流入设备壳程，使整个转化器壳程的导热油建立的温度场均匀地为数量众多的转化管转热。在下部也有一结构类似的导热介质出口盘管及其引出管装置，原理一样，方向相反。
本实用新型的有益效果：是一种能够适用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，特别是单台产能超过20000Nm3/h。
附图说明
图1目前常用的甲醇水蒸汽重整制氢反应器的结构示意图；
图1中，1为转化气出口、2为转化器下封头、3为转化器下部设备法兰、4为导热油出口、5为“弓形”折流板、6为转化管束、7为转化器筒体、8为排气口、9为设备上管板、10为转化器上部设备法兰、11为转化器上封头、12为原料气进口、13为导热油进口、14为转化器下管板。
图2是本实用新型所述甲醇水蒸气重整制氢反应器结构示意图；
图3为本实用新型实施例1所述的导热油环状进料原理简图；
图4为本实用新型实施例2所述的导热油设备内壁半环状进料原理简图；
图5为本实用新型实施例2所述的导热油设备内壁半环状出料原理简图；
图2-5中，1为转化器支撑裙座、2为转化气出口装置、3为转化器下封头、4为导热油出口Ⅰ、5为转化管束、6为折流板、7为转化器筒体、8为导热油进口Ⅰ、9为瓷球、10为转化器上封头、11为原料气进口导流筒、12为人孔Ⅰ、13为转化器上管板、14为出气口、15为导热油进口Ⅱ、16为导热油出口Ⅱ、17为转化器下管板、18为导热油卸油口、19为人孔Ⅱ、20为催化剂卸料口、21为导热油进口盘管、22为引出管、23为导热油出口盘管、24为导热油引入口、25为导热油引出口。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。
对比例1：
参考图1所示，原料气从设备上部经原料气进口12进入转化器，自下而上依次通过转化管5内的设备转化管催化剂床层，完成MSR反应后从设备下部转化气出口1出设备；由于MSR反应为强吸热反应，反应所需热量全部由导热油循环来提供，一定温度的导热油从设备上部的导热油进口13进入设备壳程，并充满整个壳程，使转化管5“浸泡”在导热油中，并经过“弓形”折流板5(由左侧的大半圆折流板和右侧的大半圆折流板交替，构成“弓形”流道)的导流，在转化管5之间呈“弓形”曲折前行，在导热油出口4位于设备下部。
实施例1：
参考图2、3所示，图中箭头表示导热介质(导热油)以及反应气流程，一种用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，包括转化器壳体，转化器壳体内通过转化器管板固定有转化管束，沿转化管束设有若干折流板，以及与转化器壳体内连通的导热介质进、出口，与转化管束连通的反应气进、出口。如本实施例所示，转化器壳体包括自上而下不可拆卸连接固定(如焊接等)的转化器上封头10、转化器筒体7和转化器下封头3，转化器上封头7内壁内固定有转化器上管板13，转化器下封头3内壁内固定有转化器下管板17，转化器上、下管板13、17之间固定有转化管束5，转化管束5连通转化器上、下封头7、3内腔体，转化器支撑裙座1通过直接支撑固定于转化器下封头3下支撑固定整个转化器。转化器上、下封头7、3上还设有人孔Ⅰ12、Ⅱ19，转化器上封头7上还设有反应气出气口14，转化器下封头3上还设有导热介质卸料口(导热油卸油口18)和催化剂卸料口20。
转化器还包括设于反应气进口的原料气进口导流筒11，原料气进口导流筒11由若干个内外嵌套的同心布置的锥筒构成，且各锥筒的上口面积间以及下口面积间均为平均分配，由此将进料口面积均分，用以将反应气进口进入的原料气均分成若干份导入转化器壳体内，此时各份原料气气体流速大致相等，各个锥筒同向布置，且朝反应气进口一端开口小而朝转化器壳体内另一端开口大，用以使进料气成圆锥状流向转化器内；在反应气进口端的转化器管板(转化器上管板13)上设有缓冲颗粒堆积层，作为选择，如本实施例所示，缓冲颗粒堆积层由瓷球9堆积在转化器管板上构成，用以进一步缓冲、均布原料气。在缓冲颗粒堆积层与原料气进口导流筒11之间，正对原料气进口导流筒11处还设有防冲挡板(图中未示出)，原料气直接正对防冲挡板喷射而被阻挡、缓冲和分散。
原料气由反应气进口的原料气进口导流筒11进入转化器上封头10内，然后经防冲挡板的阻挡和瓷球9的进一步缓冲、均布，通过转化器上管板13的转化管束5上管端进入转化管束5内，在转化管束5内与催化剂床层进行反应，然后通过转化器下管板17的转化管束5下管端出转化管束5进入转化器下封头3内，最后经转化气出口装置2排出转化器。
环绕转化器壳体还分别设有上部的导热油进口盘管21和下部的导热油出口盘管23，导热油进口盘管21上设有至少两个导热油进口均匀分布(本实施例图中示出为2个：导热油进口Ⅰ8和导热油进口Ⅱ15)，导热油出口盘管23上设有至少两个导热油出口均匀分布(本实施例图中示出为2个：导热油出口Ⅰ4和导热油出口Ⅱ16)，导热油进、出口盘管21、23分别通过若干均匀分布的引出管22与转化器壳体内连通。折流板6由圆环型和圆盘型折流板沿转化管束5交替布置而成，其中圆环型折流板紧贴转化器壳体内壁布置(沿内壁形成一环)，圆盘型折流板与相邻圆环型折流板间隔一定高度，布置于转化器壳体中央相对该圆环型折流板空心位置，作为优选，圆盘型折流板的外径大于或等于圆环型折流板的内径。
导热油通过对称布置的导热油进口Ⅰ8和导热油进口Ⅱ15进入导热油进口盘管21，再通过若干均布的引出管22从转化器上管板13一端进入转化管束5间的转化器壳程，然后沿转化管束5方向被折流板6导流，经过圆盘型折流板的外沿—圆环型折流板空心区域—圆盘型折流板的外沿形成“8字型”流程，最后从转化器下管板17一端的若干引出管22出转化器壳程进入导热油出口盘管23，最后从导热油出口Ⅰ4和导热油出口Ⅱ16出装置。
实施例2：
参考图4、5所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：环转化器壳体内壁分别设有导热油进、出口盘管21、23(优选为一截面为半圆的环状管)，导热油进口盘管21上设有至少两个连通转化器壳体外的导热油进口(本实施例图中示出为2个：导热油进口Ⅰ8和导热油进口Ⅱ15)，导热油进口盘管21上还设有若干导热油引入口24与转化器壳体内连通，导热油出口盘管23上设有若干导热油引出口25与转化器壳体内连通，导热油出口盘管23上还设有至少两个连通转化器壳体外的导热油出口(本实施例图中示出为2个：导热油出口Ⅰ4和导热油出口Ⅱ16)。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，包括转化器壳体，转化器壳体内通过转化器管板固定有转化管束，沿转化管束设有若干折流板，以及与转化器壳体内连通的导热介质进、出口，与转化管束连通的反应气进、出口，其特征在于：还包括设于反应气进口的原料气进口导流筒，在反应气进口端的转化器管板上设有缓冲颗粒堆积层，在缓冲颗粒堆积层与原料气进口导流筒之间，正对原料气进口导流筒处还设有防冲挡板。
2.如权利要求1所述的用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，其特征在于：原料气进口导流筒由若干个内外嵌套的锥筒构成，并将反应气进口进入的原料气分成若干份导入转化器壳体内，各个锥筒同向布置，且朝反应气进口一端开口小而朝转化器壳体内另一端开口大。
3.如权利要求1所述的用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，其特征在于：折流板由圆环型和圆盘型折流板沿转化管束交替布置而成，其中圆环型折流板紧贴转化器壳体内壁布置，圆盘型折流板布置于转化器壳体中央相对圆环型折流板空心位置。
4.如权利要求1所述的用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，其特征在于：环绕转化器壳体外还分别设有导热介质进、出口盘管，导热介质进口盘管上设有至少两个导热介质进口，导热介质出口盘管上设有至少两个导热介质出口，导热介质进、出口盘管分别通过若干引出管与转化器壳体内连通。
5.如权利要求1所述的用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，其特征在于：环转化器壳体内壁还分别设有导热介质进、出口盘管，导热介质进口盘管上设有至少两个连通转化器壳体外的导热介质进口，导热介质进口盘管上还设有若干导热介质引入口与转化器壳体内连通，导热介质出口盘管上设有若干导热介质引出口与转化器壳体内连通，导热介质出口盘管上还设有至少两个连通转化器壳体外的导热介质出口。
6.如权利要求1所述的用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，其特征在于：转化器壳体包括自上而下不可拆卸连接固定的转化器上封头、转化器筒体和转化器下封头，转化器上、下封头内壁内分别固定有转化器管板，转化器上、下封头的转化器管板之间固定有转化管束，转化管束连通转化器上、下封头，转化器支撑裙座通过直接支撑固定于转化器下封头下支撑固定整个转化器。
7.如权利要求6所述的用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，其特征在于：转化器上、下封头上还分别设有人孔，转化器上封头上还设有反应气出气口，转化器下封头上还设有导热介质卸料口和催化剂卸料口。
8.如权利要求1所述的用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，其特征在于：缓冲颗粒堆积层由缓冲物颗粒堆积在转化器管板上构成。
9.如权利要求1所述的用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，其特征在于：原料气进口导流筒的若干个锥筒同心布置，且各锥筒间的上下口面积均为平均分配。
10.如权利要求3所述的用于大型甲醇水蒸气重整制氢装置用甲醇转化器，其特征在于：圆盘型折流板的外径大于或等于圆环型折流板的内径。
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2015
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