CN108970548A - 等温变换反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种等温变换反应装置，包括炉体和设置在炉体内的催化剂框，催化剂框的中部设有合成气收集管，催化剂框的侧壁与炉体的侧壁之间具有间隙，催化剂框的侧壁上设有多个连通该间隙与催化剂框内腔的进气孔；催化剂框与合成气收集管之间的催化剂床层空间中设有多根换热管，各换热管在催化剂床层空间中纵向并列设置，换热管的进口连接冷却水管道，换热管的出口连接蒸汽收集管道；其特征在于：换热管包括外管和内管，外管的一个端口封闭，外管的第二端口连通蒸汽收集管道；内管从外管的第二端口***到外管内，内管与外管之间具有间隙，内管的第一端口连通外管的内腔，内管的第二端口连通冷却水管道。

Description

等温变换反应装置

技术领域

本发明涉及到化工设备，尤其涉及一种等温变换反应装置。

背景技术

CO变换反应是一个放热反应，反应完全的变换气温度可达450℃左右，但是其反应的能垒(反应活性能)较高，在反应之前需要将反应原料即粗煤气加热到260℃或者更高的温度。因此以往的变换工艺都使用变换气粗煤气换热器，利用变换反应后产生的温度较高的变换气与变换反应之前的粗煤气进行换热。可节省大量能源，同时可以较大提高反应速率和效率。但是因为变换器出口温度很高，变换反应的压力很高，通常在3～6MPa，对变换炉外壳的材料与厚度提出了较高的要求。随着化工项目单线产能的进一步扩大，单台变换反应器的尺寸也进一步加大，当前大型变换炉的直径可达4800mm，设备壳体厚度达110mm，材料成本与制造成本大幅上升，也对加工工艺与设备运输提出了更高要求。

由于变换炉内的介质成份不同，当水气比过低时，会造成温度迅速上升，当热量撤走不及时就会出现飞温(设备内反应区急剧上升)等现象。设备内温度过高后，还有可能引起甲烷化反应，当这种情况出现时，设备内的温度可达600℃～800℃，此种工况出现时会使催化剂因温度过高失去活性，需要更换催化剂，造成重大经济损失。而且，当设备壁温度过高，也会使设备强度急剧下降，给整个装置的生产带来巨大的安全风险。

为了控制CO变换反应能在设计温度下稳定进行，通常采用在反应器内设置换热管，通过向换热管内通冷却水移走变换反应产生的热量，从而控制反应温度。

但是随着反应的进行，催化剂活性降低，导致催化剂的活性温度升高，由初期的240℃左右升高至280℃左右，这就要求反应温度随之升高。目前解决该问题的方法通常是在反应后期提高冷却水和换热蒸汽温度，这必然会导致汽包以及换热管内压力急剧增大；同时要相应地提高汽包以及换热管的设计壁厚。这样除了对设备要求严苛外，还会导致一系列其他问题，例如由于换热管壁厚的增加，会导致换热管的传热系数降低，反应前期的换热量也需要增加；并且，由于出汽包蒸汽的温度和压力的改变，必然导致配套管线和设备需要做相应的改变。带来一系列的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种撤热充分、能精确控制催化剂床层温度的等温变换反应装置。

本发明所要解决的另一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种不需要增加设备壁厚即能够在催化剂整个活性期内维持恒定产率的等温变换反应装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该等温变换反应装置，包括炉体和设置在所述炉体内的催化剂框，所述催化剂框的中部设有合成气收集管，所述催化剂框的侧壁与所述炉体的侧壁之间具有间隙，所述催化剂框的侧壁上设有多个连通该间隙与催化剂框内腔的进气孔；所述催化剂框与所述合成气收集管之间的催化剂床层空间中设有多根换热管，各所述换热管在所述催化剂床层空间中纵向并列设置，换热管的进口连接冷却水管道，换热管的出口连接蒸汽收集管道；

其特征在于：

所述换热管包括外管和内管，所述外管的一个端口封闭，所述外管的第二端口连通所述蒸汽收集管道；

所述内管从所述外管的第二端口***到所述外管内，所述内管与所述外管之间具有间隙，所述内管的第一端口连通所述外管的内腔，所述内管的第二端口连通所述冷却水管道。

为进一步保证换热效果，可以在所述内管与所述外管之间的空腔内设有扰流板。

优选所述扰流板沿所述内管的轴线方向螺旋布置。该结构能有效延长水流路径，增加水流停留时间，充分换热。

作为上述各方案的进一步改进，可以将各所述换热管分为两组，对应地，所述冷却水管道有两组；第一组换热管中的各内管的入口均连接第一冷却水管道，第二组换热管中的各内管的入口均连接第二冷却水管道；第二冷却水管道上设有阀门；控制进入所述第一组换热管中各内管的冷媒体积流量为进入第二组换热管中各内管的冷媒体积流量的4～9倍。

该结构设计，克服了现有技术中只采用一组换热管、通过提高蒸汽压力来保证装置运行后期催化剂的活性温度的偏见，将等温变换反应装置设计成可变温的等温变换反应装置，两组换热管的设计，能够根据装置运行各阶段催化剂的活性要求改变撤热量，从而满足不同反应阶段催化剂活性温度的要求，维持产率恒定，同时避免了现有技术中反应后期需要升高汽包和换热管内压力来提高反应温度的方法所导致的换热管壁厚增加、汽包壁厚增加以及配套管线及设备需要改变等问题，降低了设备投资，避免了后期控制难的问题。

较好的，为保证撤热的均匀性，可以将所述第一组换热管中各换热管在所述催化剂床层空间的横截面上均匀布置；第二组换热管中各换热管在所述催化剂床层空间的横截面上均匀布置。

优选所述第一组换热管中各内管的口径与所述第二组换热管中各内管的口径相等，所述第一组换热管中各外管的口径与所述第二组换热管中各外管的口径相等。

实现两组换热管内冷媒流量的控制可以有多种结构，例如，可以通过控制进入两组冷却水管道内的冷媒流量来控制，或者，可以使所述第一组换热管中各内管的口径为所述第二组换热管中各内管的口径的4～9倍，所述第一组换热管中各外管的口径为所述第二组换热管中各外管的口径的4～9倍。还可以通过两组换热管的数量的不同来控制两组换热管所移走的热量。

还可以是，所述各所述换热管在所述催化剂床层空间的横截面上沿径向方向呈放射状布置。

进一步地，各所述换热管在所述催化剂床层空间横截面的周向方向上在以所述催化剂框的轴线为中心的多个同心圆周线上均匀布置。

优选将所述催化剂床层空间的横截面自内至外分为三个区域，位于内侧的第一区域和位于外侧的第三区域中只布置了所述第一组换热管中的换热管；位于中间的第二区域中同时布置了第一组换热管中的换热管和第二组换热管中的各换热管，并且第二组换热管中的各换热管与第一组换热管中的换热管在周向方向上依次交替布置。

作为上述各方案的进一步改进，同一周线上相邻换热管之间的间距m可以控制在30～150mm，同一放射线上相邻换热管之间的间距n控制在30～150mm；

并且，m-n的绝对值为0～50mm。

优选所述m为30～100mm，，n在30～100mm。

为方便检修，所述合成气收集管可以由多段筒体依次可拆卸连接而成，所述筒体的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯。

与现有技术相比，本发明所提供的等温变换反应装置，将换热管设计为内、外套管结构，以保证冷媒的停留时间和充分撤热，从而精确控制催化剂床层的反应温度，保证反应效果。优选方案能够根据反应不同阶级改变催化剂床层的撤热量，从而不需要增加设备壁厚即能够在装置运行全过程、催化剂整个活性期内维持恒定的产率。

附图说明

图1为本发明实施例的纵向剖视示意图；

图2为本发明实施例中换热管的纵向剖视图；

图3为本发明实施例中换热管与管箱的装配结构；

图4为沿本发明中各换热管布置的横向剖视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图4所示，该等温变换反应装置包括：

炉体1，为常规结构，包括上封头11、下封头12和连接在上封头11和下封头12之间的筒体13。上封头11和下封头上均设有人孔15和原料气入口14，原料气入口连接气体分布器16，原料气通过气体分布器16均匀分散到上封头空间内；下封头上设有催化剂出料口18，下封头12的底部设有合成气出口17。

催化剂框2，用于装填催化剂，设置在筒体13内。催化剂框2可以根据需要选用现有技术中的任意一种，例如可以是轴向反应器，也可以是径向反应器，或者还可以是轴径向反应器，根据需要设定即可。本实施例为径向反应器，催化剂框的上端口封闭，催化剂框的侧壁与筒体之间具有间隙，该间隙形成原料气通道；催化剂框的侧壁上间隔设有多个连通原料气通道与催化剂框内腔的进气孔(图中未示出)。原料气从催化剂框2侧壁上的各进气孔进入到催化剂框内，催化剂框侧壁上的通孔起到气体分布器的作用。

合成气收集管3，用于收集合成气，并将合成气通过合成气输送管道33送出炉体1，设置在催化剂框内腔的中部位置，由多段筒体31依次可拆卸连接而成，本实施例中各筒体31之间通过法兰34相连接；各筒体31的侧壁上设有多个供合成气从催化剂床层进入到合成气收集管3内的进气孔(图中未示出)；筒体31的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯32。端盖可拆卸连接在合成气收集管3的上端口上，端盖拆开后与人孔15相连通，供检修人员进入到合成气收集管3中；合成气收集管3的下端口连接合成气输送管道33。合成气输送管道33连接合成气出口17，经由合成气出口送出。

换热管4，有多根，纵向并列布置在催化剂框2与所述合成气收集管3之间的催化剂床层空间中。各换热管4均包括外管41和内管42，所述外管41的一个端口本实施例为上端口封闭，外管42的第二端口即下端口连通蒸汽收集箱51，蒸汽收集箱51通过蒸汽收集管道5连接界外汽包(图中未示出)。

内管42从所对应外管41的第二端口***到所述外管41内，所述内管42与所述外管41之间具有间隙，所述内管的第一端口即上端口连通所述外管42的内腔，所述内管的第二端口即下端口连通冷却水管道6。内管42与所述外管41之间的空腔内设有扰流板43。扰流板43沿所述内管42的轴线方向螺旋布置。

本实施例中的换热管4分为两组，对应地，所述冷却水管道6有两组。其中第一组换热管4a中的各内管的入口通过第一冷却水环管61连接第一冷却水管道6a，第二组换热管4b中的各内管的入口通过第二冷却水环管62连接第二冷却水管道6b；两个冷却水环管起到再分布的作用，使界外送来的冷却水均匀进入所连接的各内管；也可以使用管箱，或者根据需要选用现有技术中的任意一种。第二冷却水管道6b上设有阀门(图中未示出)；并且流经第一组换热管中各内管的冷却水体积流量为流经第二组换热管中各内管的冷却水体积流量的4～9倍。

实现两组换热管内冷却水流量控制方法有多种。可以通过控制进入第一冷却水管道和第二冷却水管道的冷却水流量来控制，所述第一换热管4a中各换热管在所述催化剂床层空间的横截面上均匀布置；第二组换热管中各换热管在所述催化剂床层空间的横截面上均匀布置。所述第一换热管中各内管的口径与所述第二组换热管中各内管的口径相等，所述第一换热管中各外管的口径与所述第二组换热管中各外管的口径相等。

或者，还可以通过控制两组换热管的口径来实现两组换热管内冷却水流量的分配。仍旧是第一换热管4a中各换热管在所述催化剂床层空间的横截面上均匀布置；第二组换热管中各换热管在所述催化剂床层空间的横截面上均匀布置；但是第一组换热管中各内管的口径为所述第二组换热管中各内管的口径的4～9倍，所述第一组换热管中各外管的口径为所述第二组换热管中各外管的口径的4～9倍。通过换热管的口径来控制流量。

还可以通过各换热管的布置来实现两组换热管内冷却水流量的分配。如图4所示，为方便辨识，各所述换热管4在所述催化剂床层空间的横截面上沿径向方向呈放射状布置，各换热管在周向方向上在以所述催化剂框的轴线为中心的多个同心圆周线上均匀布置。并且所述催化剂床层空间的横截面自内至外分为三个区域，位于内侧的第一区域和位于外侧的第三区域中只布置了所述第一组换热管中的换热管；位于中间的第二区域中同时布置了第一组换热管中的换热管和第二组换热管中的各换热管，并且第二组换热管中的各换热管与第一组换热管中的换热管在周向方向上依次交替布置。本实施例中同一周线上相邻换热管之间的间距m控制在30～100mm，同一放射线上相邻换热管之间的间距n控制在30～100mm；并且，m-n的绝对值为0～50mm。

本实施例中的各冷却水管道和蒸汽收集管道均连接汽包(图中未示出)。也可以根据需要选用现有技术的其它连接方式。

装置运行初期，催化剂活性高，催化剂活性温度低，需要撤走的热量多，第一冷却水管道上的阀门打开，两组换热管同时进水。

原料气从原料气入口经由气体分布器进入到催化剂框上方的空间中，经由原料气通道从各进气孔进入穿过催化剂框进入催化剂床层进行变换反应。

进入两组换热管内管中的冷却水上行从内管的上端口溢出，进入内、外管之间的间隙中，沿扰流板下行，与催化剂床层所产生的反应热换热，生成蒸汽；从外管的下端口进入蒸汽收集箱，从蒸汽收集管道排出。

两组换热管同时工作，带走的热量多，保证催化剂床层维持在设定的温度下进行变换反应，产率恒定在设定值。

装置运行后期，由于催化剂活性降低，催化剂活性温度升高；关闭第二冷却水管道6b上的阀门61，第二组换热管不工作，仅第一组换热管工作。工作原理同上，但是由于只有一组换热管工作，因此换热量降低，催化剂床层的撤热量减少，催化剂床层温度升高，满足后期催化剂活性温度的要求，变换反应正常进行，产率仍旧维持在设计值；并且出汽包的蒸汽压力不变，不需要改变配套管线和设备的参数。

Claims (12)

1.等温变换反应装置，包括炉体(1)和设置在所述炉体(1)内的催化剂框(2)，所述催化剂框(2)的中部设有合成气收集管(3)，所述催化剂框的侧壁与所述炉体的侧壁之间具有间隙，所述催化剂框的侧壁上设有多个连通该间隙与催化剂框内腔的进气孔；所述催化剂框(2)与所述合成气收集管(3)之间的催化剂床层空间中设有多根换热管(4)，各所述换热管(4)在所述催化剂床层空间中纵向并列设置，换热管(4)的进口连接冷却水管道(6)，换热管的出口连接蒸汽收集管道(5)；

其特征在于：

所述换热管(4)包括外管(41)和内管(42)，所述外管(41)的一个端口封闭，所述外管(42)的第二端口连通所述蒸汽收集管道(5)；

所述内管(42)从所述外管(41)的第二端口***到所述外管(41)内，所述内管(42)与所述外管(41)之间具有间隙，所述内管的第一端口连通所述外管(42)的内腔，所述内管的第二端口连通所述冷却水管道(6)。

2.根据权利要求1所述的等温变换反应装置，其特征在于所述内管(42)与所述外管(41)之间的空腔内设有扰流板(43)。

3.根据权利要求2所述的变温等温变换反应器，其特征在于所述扰流板(43)沿所述内管(42)的轴线方向螺旋布置。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的等温变换反应装置，其特征在于各所述换热管(4)分为两组，对应地，所述冷却水管道(6)有两组；第一组换热管(4a)中的各内管的入口均连接第一冷却水管道(6a)，第二组换热管(4b)中的各内管的入口均连接第二冷却水管道(6b)；第二冷却水管道(6b)上设有阀门(61)；控制进入所述第一组换热管中的冷媒体积流量为进入第二组换热管的冷媒体积流量的4～9倍。

5.根据权利要求2所述的等温变换反应装置，其特征在于所述第一组换热管(4a)中各换热管在所述催化剂床层空间的横截面上均匀布置；第二组换热管中各换热管在所述催化剂床层空间的横截面上均匀布置。

6.根据权利要求5所述的等温变换反应装置，其特征在于所述第一组换热管中各内管的口径与所述第二组换热管中各内管的口径相等，所述第一组换热管中各外管的口径与所述第二组换热管中各外管的口径相等。

7.根据权利要求6所述的等温变换反应装置，其特征在于所述第一组换热管中各内管的口径为所述第二组换热管中各内管的口径的4～9倍，所述第一组换热管中各外管的口径为所述第二组换热管中各外管的口径的4～9倍。

8.根据权利要求4所述的等温变换反应装置，其特征在于所述各所述换热管(4)在所述催化剂床层空间的横截面上沿径向方向呈放射状布置。

9.根据权利要求8所述的等温变换反应装置，其特征在于各所述换热管在所述催化剂床层空间横截面上在以所述催化剂框的轴线为中心的多个同心圆周线上均匀布置。

10.根据权利要求9所述的等温变换反应装置，其特征在于所述催化剂床层空间的横截面自内至外分为三个区域，位于内侧的第一区域和位于外侧的第三区域中只布置了所述第一组换热管中的换热管；位于中间的第二区域中同时布置了第一组换热管中的换热管和第二组换热管中的各换热管，并且第二组换热管中的各换热管与第一组换热管中的换热管在周向方向上依次交替布置。

11.根据权利要求8至10任一权利要求所述的等温变换反应装置，其特征在于同一周线上相邻换热管之间的间距m控制在30～150mm，同一放射线上相邻换热管之间的间距n控制在30～150mm；

并且，m-n的绝对值为0～50mm。

12.根据权利要求11所述的等温变换反应装置，其特征在于所述m为30～100mm，，n在30～100mm。