CN220990739U - 双球结构控温变换反应炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双球结构控温变换反应炉，属于催化反应器技术领域。其技术方案为：包括承压外壳体，承压外壳体的两端设置有上封头和下封头，上封头上设置有工艺气进口、蒸汽出口和催化剂填装口；下封头连接于承压外壳体的底部，下封头上设置有工艺气出口、进水口和催化剂卸料口；还包括承压内件结构、催化剂框和中心管，承压内件结构包括集气腔、集水腔、移热水管和膨胀节，集气腔和集水腔分别设置于承压内件结构的顶部中央和底部中央，催化剂框设置于承压外壳体和承压内件结构之间，催化剂框内设有若干移热水管；本实用新型很好的解决控温变换炉运行过程中承压内件许用应力过大，导致移热水管内漏的问题，延长了反应炉的使用寿命。

Description

双球结构控温变换反应炉

技术领域

本实用新型属于催化反应器技术领域，具体涉及一种双球结构控温变换反应炉。

背景技术

以煤或者重油、渣油为原料进行加压气化的煤化工产业，在得到气化粗煤气中的有效气（CO+H₂）组分后，均要通过变换装置将CO和H₂O在催化剂条件下进行变换反应生产H₂和CO₂，通过调整氢碳比生产合成氨、氢气、甲醇、乙二醇等后续产品。水煤浆水冷壁气化（如晋华炉3.0）、粉煤气化（如SE东方炉、航天炉）、碎煤气化（如BGL炉）等新开发的气化工艺条件，尤其是晋华炉3.0气化粗煤气的水气比在0.7-0.9之间，这个水气比直接进行变换反应，平衡反应温度将达到480℃甚至更高，使得设备材质选型、工艺操作控制均难以实现，且在这个平衡温度下，极易发生甲烷化副反应，甚至还有硫醇、硫醚产生的其他副反应发生，粗煤气水气比条件不经调整是不适用于传统的绝热变换反应炉的。在不增加工艺流程的前提下，亟需高效的控温变换反应炉，实现一步到位的工艺布置。

市场上已有多种变换控温反应炉，基本原理均是通过水路循环，将变换反应热带出反应炉，即通过自循环的布置进水产蒸汽的方式移出热量，使得床层催化剂反应温度得到控制，始终让催化剂在低温活性区使用，延长催化剂使用寿命并增加反应深度。但现有的变换控温反应炉存在应用过程中设计结构许用应力过大，易造成移热水管内漏的问题，影响反应炉的使用寿命。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种双球结构控温变换反应炉，解决了目前催化反应炉结构应力过大以及目前现有绝热反应炉易超温及发生副反应的问题。

本实用新型的技术方案为：

一种双球结构控温变换反应炉，包括承压外壳体，承压外壳体的两端设置有上封头和下封头，承压外壳体与上封头通过法兰连接，承压外壳体与下封头焊接，上封头上设置有工艺气进口、蒸汽出口、热电偶套管的套管口和催化剂填装口；下封头连接于承压外壳体的底部，下封头上设置有工艺气出口、进水口和催化剂卸料口，还包括承压内件结构、催化剂框和中心管，承压内件结构包括集气腔、集水腔、移热水管和膨胀节；承压内件结构设置于承压外壳体内，催化剂框设置在承压外壳体和下封头之间的支撑环上，实现催化剂框和承压外壳的连接，承压内件结构设置于下封头底部支撑架上，底部支撑架是通过进水口进入下封头与集水腔连接管道四周用竖向筋板加强支撑来实现，集气腔和集水腔分别设置于承压内件结构的顶部中央和底部中央，催化剂框设置于承压外壳体和承压内件结构之间，催化剂框内设有若干移热水管，移热水管的两端分别与集气腔和集水腔连通，集气腔沿圆周方向可拆卸设置有若干扇形密封板，扇形密封板可开启或关闭催化剂填装口，催化剂通过集气腔周围的扇形密封板填装至催化剂框内，在若干移热水管之间，集气腔的顶部与蒸汽出口之间的管道设置有膨胀节；中心管设置于移热水管之间的催化剂框中央，中心管上端与集气腔采用柔性连接，但不连通，中心管下端弯曲成型穿过集水腔并且与工艺气出口连通；还包括控制器和设置在催化剂床层中的热电偶套管，热电偶套管的套管口设置于上封头上，热电偶套管中设置热电偶，热电偶与控制器电性连接。

优选的，中心管上端与集气腔采用套筒式伸缩器连接。

优选的，集气腔和集水腔上设置有移热水管安装孔，移热水管的端部通过移热水管安装孔插入集气腔和集水腔内部并在集气腔和集水腔的内壁进行焊接或者胀接。

优选的，集气腔与承压外壳体通过扇形密封板可拆卸连接，集水腔通过底部支撑架与下封头连接。

优选的，工艺气出口的侧面以及催化剂卸料口的法兰盖均设置有排凝口，用于停车检修排积液，消除停车炉内介质冷凝产生的含氨凝液对设备的腐蚀风险。

优选的，集气腔和集水腔为球体、圆锥体或者椭圆体中的一种或任意多种的组合。

优选的，工艺气进口设置有个，分别沿上封头的0°和180°方向对称设置2个，60°方向设置1个，0°和180°方向对称布置个为主要应用进气口，实现工艺气均匀进气，使得工艺气进入反应炉内均匀分布，避免因分布不均发生“偏流”现象，60°方向布置的备用进气口是考虑装置运行负荷需要大幅增加时，不更换设备前提下，预留备用的补充进气方案。催化剂卸料口设置有3个，分别沿下封头的0°和180°方向对称设置2个、45°方向设置1个辅助卸料口；在实际应用过程中，1个卸料口或者2个卸料口均难以实现全部的催化剂自卸，在45°方向布置的1个辅助卸料口，是用于在即将完成自卸时，通过辅助卸料口深入作业工具，人工将残余催化剂卸出。

优选的，移热水管采用整根弯曲成型，移热水管呈“U”型弯。

优选的，工艺气进口靠近承压内件的一端设置有分布器，通过分布器实现更好的均布效果。

本实用新型与现有技术相比，具有以下有益效果：

1. 本实用新型膨胀节的设置能够在反应炉投入运行时，有效地起到补偿轴向变形作用，特别在这种变换反应炉中，内件热膨胀加上工艺气流动对内件造成的位移影响，对金属强度、应力结构和加工焊接技术等考验比较大，膨胀节能有效缓解这些问题，提高设备内件使用寿命；2.移热水管采用整根弯曲成型，移热水管呈“U”型弯，能有效减少轴向应力的产生，增加内件设备使用寿命，减小因应力造成焊接接头“崩裂”而导致工艺气泄露的风险；3.进水口后增加球状集水腔能利用其球状结构稳定来水压力，减少介质在设备中的波动，均匀的把来水分布给每根移热水管；4.蒸汽出口前增加球状集气腔能利用其球状结构更好的把移热水管中介质进行汇集，减少移热水管由于反应炉内部结构空间有限，导致水蒸气在各处移热水管中行程不均，对蒸汽出口形成不稳定波动，同时有效的保障了移热循环系统的良好运行；5.球形集气腔和球形集水腔结构在生产制造和使用过程中，能有效稳定各个结构的连接，能有效减少移热水管与主管道之间连接的应力不均问题；6.中心管出口穿越集水腔，能有效利用出气温度给下部球状集水腔中的锅炉水进行预热，让反应炉内集水腔水温适当提升至接近饱和态温度，且温度数值更为稳定，降低装置运行能耗；7.利用反应热产生蒸汽，提高回收热能效率，非绝热反应系统，反应热能够及时移出，催化剂床层温度可调节，避免副反应发生，延长催化剂的使用寿命和保障反应单元的安全运行；8.纯径向进气反应结构，催化剂利用率高，催化剂装量冗余小，经济性好，保障使用效果；9.下封头内壁和催化剂卸料口内壁设置有堆焊层，可将高温反应区域的设备外壳腐蚀保护，减薄设备外壳结构设计余量，减小投资；10.催化剂框及中心管外设置约翰逊网结构，工艺气分布更均匀，强度稳定性好，且不易堵塞。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型上封头的俯视图。

图3是本实用新型下封头的俯视图。

图中，1、承压外壳体；101、上封头；102、下封头；2、工艺气进口；3、工艺气出口；4、进水口；5、蒸汽出口；6、集水腔；7、集气腔；8、膨胀节；9、移热水管；10、热电偶套管；1001、热电偶套管的套管口；11、催化剂填装口；12、中心管；13、催化剂框；14、分布器；15、排凝口；16、法兰；17、催化剂卸料口。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种双球结构控温变换反应炉，包括承压外壳体1，承压外壳体1的两端设置有上封头101和下封头102，承压外壳体1与上封头101通过法兰16连接，承压外壳体1与下封头102焊接，下封头102内壁和催化剂卸料口17内壁设置有堆焊层，可采用E309L和E347材质二者共同使用，总厚度为6.5mm，其中表层E347有效厚度不低于3mm，用于本反应炉内高温反应区域的设备外壳腐蚀保护。上封头101上设置有工艺气进口2、蒸汽出口5、热电偶套管的套管口1001和催化剂填装口11；下封头102连接于承压外壳体1的底部，下封头102上设置有工艺气出口3、进水口4和催化剂卸料口17；

工艺气进口2设置有3个，分别沿上封头的0°和180°方向对称设置2个，60°方向设置1个备用（高负荷时技改投用），0°和180°方向对称布置2个为主要应用进气口，实现工艺气均匀进气，使得工艺气进入反应炉内均匀分布，避免因分布不均发生“偏流”现象；60°方向布置的备用进气口是考虑装置运行负荷需要大幅增加时，不更换设备前提下，预留备用的补充进气方案，催化剂卸料口17设置有3个，分别沿下封头的0°和180°方向对称设置2个、45°方向设置1个辅助卸料口；在实际应用过程中，1个卸料口或者2个卸料口均难以实现全部的催化剂自卸，在45°方向布置的1个辅助卸料口，是用于在即将完成自卸时，通过辅助卸料口深入作业工具，人工将残余催化剂卸出。工艺气进口2靠近承压内件结构的一端设置有分布器14，通过分布器14实现更好的均布效果。

还包括承压内件结构、催化剂框13和中心管12，承压内件结构包括集气腔7、集水腔6、移热水管9和膨胀节8；集气腔和集水腔均设置为球形，移热水管9采用整根弯曲成型，移热水管9呈“U”型弯，并采用市售的竖向筋板固定，

催化剂框13固定在承压外壳体筒体和下封头102之间的支撑环上，实现与承压外壳体1的连接，支撑环为市售的常见结构，在此不再赘述。承压内件结构靠重力固定在下封头102底部支撑架上（底部支撑架是通过进水口4进入下封头与集水腔6连接管道四周用竖向筋板加强支撑来实现）；

集气腔7和集水腔6分别设置于承压内件结构的顶部中央和底部中央，集气腔7与承压外壳体1通过扇形密封板可拆卸连接，集水腔6通过底部支撑架与下封头102连接，催化剂框13设置于承压外壳体1和承压内件结构之间，所述催化剂框13采用S32168材质的约翰逊网结构，工艺气分布更均匀，强度稳定性好，且不易堵塞，催化剂框内移热水管9和中心管12的间隙形成了催化剂的放置空间，并实现了反应炉的工艺介质全径向流动的结构特点；

催化剂框13内设有若干移热水管9，移热水管9的两端分别与集气腔7和集水腔6连通，集气腔7和集水腔6上设置有移热水管9的安装孔，移热水管9的端部通过移热水管安装孔插入集气腔7和集水腔6内部并在集气腔和集水腔6的内壁进行焊接或者胀接。集气腔7周围一圈设置扇形密封板实现可开启或关闭的催化剂装填口。催化剂通过集气腔7周围一圈扇形密封板均匀装剂，催化剂装填到催化剂框13内，在若干移热水管9之间；集气腔7的顶部与蒸汽出口5之间的管道设置有膨胀节8，减小管口载荷，更好的适应自循环系统；

中心管12设置于移热水管9之间的催化剂框13中央，所述中心管12采用S32168材质的圆孔板卷筒并外敷设一层约翰逊网，圆孔筒是主要承压结构件，通过开圆孔的数量、大小来控制开孔率，控制反应炉的工艺气流速，进而控制反应速率；外敷设一层约翰逊网起到均布气体并隔离催化剂的作用。

中心管12上端与集气腔7采用柔性连接，但不连通，实际生产中可以采用市售的套筒式伸缩器连接，中心管12下端弯曲成型穿过集水腔6并且与工艺气出口3连通，可利用出口工艺气温度将集水腔6水的温度进行预热。减小热量损失，降低装置运行能耗。

工艺气出口3的侧面以及催化剂卸料口17的法兰盖均设置有排凝口15，用于停车检修排积液，消除停车炉内介质冷凝产生的含氨凝液对设备的腐蚀风险。所述蒸汽出口5和进水口4可分别作为进入球形集气腔7和球形集水腔6内部的人孔使用，腔内至少能容纳单人完成检修操作。当移热水管9与集气腔7、集水腔6连接处出现泄漏，在不卸出催化剂的条件下，检修人员可以通过蒸汽出口5进入集气腔7或通过进水口4进入集水腔6对连接处进行检查、堵漏。

还包括DCS控制器和设置在催化剂床层中的热电偶套管10，热电偶套管的套管口1001设置于上封头101上，热电偶套管10中设置热电偶，热电偶与DCS控制器电性连接，热电偶实测数据通过出热电偶套管10的数据传输线连接到应用企业的布式控制系统（DCS系统）。

工艺步骤：工艺气从工艺气进口2进入反应炉，工艺气经反应炉承压外壳体1内壁和催化剂框13间均匀分布，期间经过催化剂床层（通过移热水管9管束行成的移热区域），从外向内径向流动反应，埋放在催化剂床层中的移热水管9内的水吸收反应热生成蒸汽，从而降低反应床层温度，反应气经中心管12收集后穿过集水腔经工艺气出口3出反应炉。同时，水（锅炉水）经反应炉下部进水口4首先进入底部集水腔6，进而进入移热水管中，在移热水管中吸收催化反应热量，实现水换热变成饱和蒸汽的过程，蒸汽进入顶部的集气腔7，而后经过蒸汽出口5出反应炉，蒸汽出口5出反应炉前管道设置膨胀节8，消除部分应力，通过多个热电偶监测不同位置的床层温度来判定移热效果。

在首次装填催化剂时，拆卸外壳上封头101，将催化剂通过集气腔7周围区域匀速均匀放料，直至催化剂填满至催化剂框13上表面。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本实用新型进行了详细描述，但本实用新型并不限于此。在不脱离本实用新型的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本实用新型的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本实用新型的涵盖范围内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种双球结构控温变换反应炉，包括承压外壳体（1），承压外壳体（1）的两端设置有上封头（101）和下封头（102），上封头（101）上设置有工艺气进口（2）、蒸汽出口（5）、热电偶套管的套管口（1001）和催化剂填装口（11）；下封头（102）连接于承压外壳体（1）的底部，下封头（102）上设置有工艺气出口（3）、进水口（4）和催化剂卸料口（17），其特征在于：还包括承压内件结构、催化剂框（13）和中心管（12），承压内件结构包括集气腔（7）、集水腔（6）、移热水管（9）和膨胀节（8）；

承压内件结构设置于承压外壳体（1）内，催化剂框（13）设置在承压外壳体（1）和下封头（102）之间的支撑环上，承压内件结构设置于下封头（102）底部支撑架上，集气腔（7）和集水腔（6）分别设置于承压内件结构的顶部中央和底部中央，催化剂框（13）设置于承压外壳体（1）和承压内件结构之间，催化剂框（13）内设有若干移热水管（9），移热水管（9）的两端分别与集气腔（7）和集水腔（6）连通，集气腔（7）沿圆周方向可拆卸设置有若干扇形密封板，集气腔（7）的顶部与蒸汽出口之间的管道设置有膨胀节（8）；

中心管（12）设置于移热水管（9）之间的催化剂框（13）中央，中心管（12）上端与集气腔（7）采用柔性连接，中心管（12）下端弯曲成型穿过集水腔（6）并且与工艺气出口（3）连通；

还包括控制器和设置在催化剂床层中的热电偶套管（10），热电偶套管的套管口设置于上封头上，热电偶套管（10）中设置热电偶，热电偶与控制器电性连接。

2.如权利要求1所述的双球结构控温变换反应炉，其特征在于：中心管（12）上端与集气腔（7）采用套筒式伸缩器连接。

3.如权利要求1所述的双球结构控温变换反应炉，其特征在于：集气腔（7）和集水腔（6）上设置有移热水管安装孔，移热水管（9）的端部通过移热水管安装孔插入集气腔（7）和集水腔（6）内部并在集气腔（7）和集水腔（6）的内壁进行焊接或者胀接。

4.如权利要求1所述的双球结构控温变换反应炉，其特征在于：集气腔（7）与承压外壳体（1）通过扇形密封板可拆卸连接，集水腔（6）通过底部支撑架与下封头（102）连接。

5.如权利要求1所述的双球结构控温变换反应炉，其特征在于：工艺气出口（3）的侧面以及催化剂卸料口（17）的法兰盖均设置有排凝口（15）。

6.如权利要求1所述的双球结构控温变换反应炉，其特征在于：集气腔（7）和集水腔（6）为球体。

7.如权利要求1所述的双球结构控温变换反应炉，其特征在于：工艺气进口（2）设置有3个，分别沿上封头的0°和180°方向对称设置2个，60°方向设置1个，催化剂卸料口（17）设置有3个，分别沿下封头的0°和180°方向对称设置2个、45°方向设置1个。

8.如权利要求1所述的双球结构控温变换反应炉，其特征在于：移热水管（9）采用整根弯曲成型，移热水管（9）呈“U”型弯。

9.如权利要求1所述的双球结构控温变换反应炉，其特征在于：工艺气进口（2）靠近承压内件的一端设置有分布器（14），催化剂框（13）及中心管（12）设置有约翰逊网结构。