CN203075923U - 一种轴径向等温变换反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种盘管式轴径向等温变换反应器，主要由外壳体（14）、人孔（16）、卸料口（7）、原料气入口（1）、入口气体分布器（2）、内筒（12）、定位杆（5）、中心集气器（10）及内筒（12）中的催化反应装置和换热装置组成，其中换热装置包括锅炉水进水分布器（9）、汽液收集器（13）、换热盘管（11）和外置蒸汽汽包（17）；其特征是，反应器内置换热管成环形盘旋设置，换热管内侧和外侧装有催化剂，原料气同时通过轴向催化剂床层（3）和径向催化剂床层（4）。本实用新型把换热盘管放置于反应器内部，反应热由换热介质不断移走，使反应维持在较低的等温条件下进行，不仅能解决CO变换的超温和甲烷化问题，延长催化剂的使用寿命；也能减小设备和管道的热应力风险，降低设备和管道的制造成本，具有显著的工业意义和经济效益。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种在等温条件下进行催化反应和热量利用的等温变换反应器，尤其是盘管式轴径向等温变换反应器，特别适用于石油化工行业的合成氨、甲醇和煤制油等领域的变换装置。
背景技术
变换反应是利用原料气中含量较高的CO和H2O(蒸汽)反应制取H2，其反应式为：
CO变换反应为可逆放热反应，在较低温度下有利于反应向正方向进行，CO变换反应速率比较慢，在催化剂的作用下具有较快的反应速率，而目前工业应用的变换催化剂的活性温度较高，普遍在200℃以上，所以变换反应都在较高温度下进行，反应进行时反应器内的温度会不断上升，温度过高(＞400℃)时易发生甲烷化强放热反应，使反应器内的温度急剧升高，如果控制措施不当时，会烧结催化剂，同时反应温度可能会超过设备的设计温度，导致安全事故。
变换反应为放热反应，及时取走反应热，保持催化剂床层基本恒温，在相同转化率下能降低水蒸气消耗。同时催化剂床层操作温度低，变化梯度小，延长了催化剂的使用寿命，降低了设备投资。
目前工业应用的变换反应器多为绝热式固定床反应器，具有结构简单的特点。但在工业生产，特别是合成氨生产中，由于转化率要求较高，单段的绝热固定床反应器不能满足要求，只能根据最终的产品要求，考虑设置多段反应器，以达到较高的转化率，这主要是因为平衡常数的影响，由于反应中生成物不断产生，同时反应温度不断升高，转化率下降，到一定程度，不得不降低温度后进入后续反应器继续转化。同时温度不断升高，会超出催化剂的使用温度，也要求反应要采用多段反应的方式，使之在最适宜温度下进行，以达到工业生产的需要。
为了控制CO变换反应在一定温度下稳定进行，常采用4种方法来控制反应器内的反应温度：①原料气冷激的方法，当反应温度过高时直接向反应器内通入原料气来降低反应温度；②冷激水直接降温的方法，当反应温度过高时向反应器内直接喷入冷激水降低反应温度；③中间间接换热的方法，当反应温度过高时将高温气体引出反应器到外部换热设备降温后再进入反应器反应；④反应器内置换热器直接降温的方法，将换热管设置在变换反应器内部，通过换热管直接移走变换反应产生的热量，从而控制反应温度。
以上4种控制反应器内反应温度的方法中，第一种和第二种方法对于冷激气和冷激水的加入量很难准确控制，可能会由于通入量过大而造成反应器内的温度过低而导致反应无法继续进行；第三种方法会增加一部分设备和管道，占用更多的布置空间，对于温度的控制也相对滞后；第四种方法能够及时移走反应所产生的热量，很好的控制反应温度，但是设备结构相对复杂。
为了更好的控制变换反应在较低温度下等温进行，CN201010518121.7提出了一种催化剂装填在列管内，管外通过锅炉给水、副产蒸汽移走反应热来维持列管内反应温度保持恒定的等温列管式变换反应器。这种反应器能够较好的控制变换反应的温度，但是因为催化剂是装在管径较小的列管内，床层阻力大，同时催化剂装填量小，不适用于规模大的生产装置，并且催化剂的装卸较困难。
CN200910056717.7提出了一种换热器内置冷壁式变换反应器，将列管换热器内置于变换反应器内部，以省去另外设置换热器和管线的成本。原料气径向进入催化剂床层，变换反应后放出大量热量，高温气体穿出床层进入内置的列管换热器，经冷却介质移走热量降温后排出反应器。虽然热量由反应器内部带走，但未解决催化剂床层超温和甲烷化的问题，另外内置列管换热器虽省去换热器筒体，与反应器在结构上组合在一起，但在整体上增大了反应器的直径，并且高温气体经过换热管所产生的热应力等问题也有待解决。
CN20091022701.1提出了一种等温低温CO变换反应器，反应器的上端为蒸汽发生装置的汽室和水室，反应器下部为催化剂床层，换热列管穿过汽室垂直***催化剂床层，换热管出口与汽室连通，不断产生蒸汽带走变换反应产生的热量，使变换反应始终在低温恒温下进行，但是这种变换反应器结构比较复杂，检修较困难，而且换热管密布在催化剂床层中，催化剂的装填困难。
实用新型内容
针对以上技术问题，本实用新型提出了一种盘管式轴径向等温变换反应器，它可在反应过程中不断的移走变换反应所生成的热量，使变换反应在等温下进行，提高了CO转化率和催化剂的使用寿命。
本实用新型的盘管式轴径向等温变换反应器，主要由外壳体14、人孔16、卸料口7、原料气入口1、入口气体分布器2、内筒12、定位杆5、中心集气器10及内筒12中的催化反应装置和换热装置组成，其中换热装置包括锅炉水进水分布器9、汽液收集器13、换热盘管11和外置蒸汽汽包17；其特征是，反应器内置换热管成环形盘旋设置，换热管内侧和外侧装有催化剂，原料气同时通过轴向催化剂床层3和径向催化剂床层4。
本实用新型所述反应器的催化剂床层由三部分构成，轴向催化剂床层3，换热盘管11与内筒12环隙间的径向催化剂床层，换热盘管11与中心集气器10环隙间的径向催化剂床层，两个环隙均具有足够的径向空间，方便催化剂的装填和更换。
本实用新型所述反应器的换热盘管11与催化剂床层及变换气直接接触换热，可以快速移走热量，降低床层温度，避免超温，延长催化剂使用寿命。
本实用新型所述反应器的换热盘管11环形盘旋设置在径向催化剂床层4中，气体径向穿过床层接触换热管降温后，再继续径向穿过床层，可以避免由局部温度差引起的偏流；并且换热管可以利用自身的盘旋设置解决高温引起的热应力问题。
本实用新型所述反应器的换热盘管11在装置开工阶段可以作为加热器使用，换热管内通入蒸汽用以催化剂的升温硫化，减少外置开工加热设备的投资。
在本实用新型的一个实施方案中，本实用新型所述反应器的内置换热管采用多根盘管分布的型式，减少单根换热管的长度从而降低管内流体的流动阻力，同时提高了换热效率；相邻换热管间留有一定间距，便于气体通过。
在本实用新型的一个优选实施方案中，内筒12与中心集气器10之间装填径向催化剂床层4，换热管成环形盘旋设置其间。
在本实用新型的一个优选实施方案中，在内筒12上部装填轴向催化剂床层3。
在本实用新型的一个优选实施方案中，内筒12和中心集气器10上开有供气体通过的分布孔，这些孔的分布使气体通过径向床层的速率一致。
在本实用新型的一个优选实施方案中，锅炉水进水分布器9为环形对称设置。
在本实用新型的一个优选实施方案中，汽液收集器13为环形对称设置。
在本实用新型的一个优选实施方案中，汽包17置于设备外侧。
在本实用新型的一个优选实施方案中，原料气通过入口气体分布器均布后，同时进入轴向和径向催化剂床层。
在本实用新型的一个优选实施方案中，原料气经入口分布器2分布后，一部分气体通过轴向催化剂床层3，大部分气体沿内筒12和外壳体14之间的环隙径向通过换热盘管外侧催化剂床层发生反应，经换热盘管11换热后，通过换热盘管内侧催化剂继续反应，经中心集气器10收集后出反应器。
在本实用新型的一个优选实施方案中，外界补充的锅炉水进入汽包17，与饱和水混合后进入锅炉水进水分布器9并均匀流入换热盘管11内，吸收变换反应的热量，管内锅炉水温度升高，形成汽水混合物，再由汽液收集器13收集后送入汽包17，产生的饱和蒸汽从汽包上方引出，饱和水与补入的锅炉水混合后继续循环换热。
本实用新型的工作过程是：
原料气经入口气体分布器2分布后，一部分气体通过轴向催化剂床层3，大部分气体沿内筒12和外壳体14之间的环隙径向通过换热盘管11与内筒12之间的催化剂床层发生反应，经换热盘管11换热后继续经过换热盘管11与中心集气器10之间的催化剂床层发生反应，经中心集气器10收集后出反应器。
锅炉水进入换热盘管11吸收变换反应的热量后部分汽化产生饱和蒸汽带出热量，通过控制汽包17的蒸汽压力使变换反应在等温状态下进行。
本实用新型所述盘管式轴径向等温变换反应器的突出特点是：
(1)变换反应在较低温度下等温进行，反应平稳，催化剂的使用寿命长CO转化率高，特别适用于高浓度CO原料气。
(2)反应器温度控制简单，只需控制好汽包的蒸汽压力，就能控制变换反应的温度。
(3)反应器采用轴径向的型式，气体流动阻力小，设备外壳只承受高压而不承受高温，对设备材料要求不高。
(4)反应器内置换热盘管结构简单，易于制造，采用盘管型式能够很好的吸收热位移，解决了管道热应力的问题。
(5)与CN201010518121.7提出的列管式等温变换反应器和CN20091022701.1提出的等温低温CO变换反应器相比，本实用新型所述变换反应器的催化剂装填量大，适用于不同规模的生产装置，同时催化剂的装卸方便，设备易于检修。
附图说明
图1是本实用新型的一个实施示意图。
图2是盘管式轴径向等温变换反应器的俯视图。
附图标记为：1、原料气入口；2、入口气体分布器；3、催化剂轴向床层；4、催化剂径向床层；5、定位杆；6、丝网；7、卸料口；8、耐火瓷球；9、锅炉水进水分布器；10、中心集气器；11、换热盘管；12、内筒；13、汽液收集器；14、外壳；15、格栅；16、人孔17、汽包。
具体实施方式
图1表示本实用新型的一种具体实施方式。
本实用新型所述的盘管式轴径向等温变换反应器的结构是，上、下两端均为球形封头的立式圆筒外壳14，上封头设置人孔16，下封头设置卸料口7，内筒12和外壳14间留有一定空间的环隙；内筒12内的最上部装有一层轴向催化剂床层3，催化剂床层的上部设置丝网和可拆卸的格栅15，中心集气器10位于反应器中心位置，在下封头上支撑，内筒12和中心集气器10上开有供气体通过的分布孔，这些孔的分布使气体通过径向床层的速率一致；内筒12和中心集气器10之间的环形区域装填催化剂径向床层4，催化剂床层与内筒12内壁和中心集气器10外壁之间用丝网6隔开，防止催化剂泄漏和进入中心集气器10，下封头装有耐火瓷球8用于支撑催化剂；锅炉水进水分布器9和汽液收集器13在反应器外壳14上支撑，按生产规模确定分支盘管根数和直径，盘管位置设在内筒12和中心集气器10的环形区域中。
本实用新型所述的盘管式轴径向等温变换反应器的工作原理是：
原料气经入口分布器2分布后，一部分气体通过轴向催化剂床层3，大部分气体沿内筒12和外壳体14之间的环隙径向通过换热盘管外侧催化剂床层发生反应，经换热盘管11换热后，通过换热盘管内侧催化剂继续反应，经中心集气器10收集后出反应器。
外界补充的锅炉水进入汽包17，与饱和水混合后进入锅炉水进水分布器9并均匀流入换热盘管11内，吸收变换反应的热量，管内锅炉水温度升高，形成汽水混合物，再由汽液收集器13收集后送入汽包17，产生的饱和蒸汽从汽包17上方引出，饱和水与补入的锅炉水混合后继续循环换热。通过控制汽包17的蒸汽压力使变换反应在等温状态下进行。
以上所述，仅为本实用新型最佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种轴径向等温变换反应器，主要由外壳体（14）、人孔（16）、卸料口（7）、原料气入口（1）、入口气体分布器（2）、内筒（12）、定位杆（5）、中心集气器（10）及内筒（12）中的催化反应装置和换热装置组成，其中换热装置包括锅炉水进水分布器（9）、汽液收集器（13）、换热盘管（11）和外置蒸汽汽包（17）；其特征在于，反应器内置换热管成环形盘旋设置，换热管内侧和外侧装有催化剂，原料气同时通过轴向催化剂床层（3）和径向催化剂床层（4）。
2、根据权利要求1所述的轴径向等温变换反应器，其中，内筒（12）与中心集气器（10）之间装填径向催化剂床层（4），换热管成环形盘旋设置其间。
3、根据权利要求1所述的轴径向等温变换反应器，其中，在内筒（12）上部装填轴向催化剂床层（3）。
4、根据权利要求1所述的轴径向等温变换反应器，其中，内筒（12）和中心集气器（10）上开有供气体通过的分布孔，这些孔的分布使气体通过径向床层的速率一致。
5、根据权利要求1所述的轴径向等温变换反应器，其中，锅炉水进水分布器（9）为环形对称设置。
6、根据权利要求1所述的轴径向等温变换反应器，其中，汽液收集器（13）为环形对称设置。
7、根据权利要求1所述的轴径向等温变换反应器，其中，汽包（17）置于设备外侧。
8、根据权利要求1所述的轴径向等温变换反应器，其中，原料气通过入口气体分布器均布后，同时进入轴向和径向催化剂床层。
9、根据权利要求1所述的轴径向等温变换反应器，其中，原料气经入口分布器（2）分布后，一部分气体通过轴向催化剂床层（3），大部分气体沿内筒（12）和外壳体（14）之间的环隙径向通过换热盘管外侧催化剂床层发生反应，经换热盘管（11）降温后在换热盘管内侧催化剂作用下继续反应，经中心集气器（10）收集后出反应器。
10、根据权利要求1所述的轴径向等温变换反应器，其中，外界补充的锅炉水进入汽包（17），与饱和水混合后进入锅炉水进水分布器（9）并均匀流入换热盘管（11）内，吸收变换反应的热量，管内锅炉水温度升高，形成汽水混合物，再由汽液收集器（13）收集后送入汽包（17），产生的饱和蒸汽从汽包上方引出，饱和水与补入的锅炉水混合后继续循环换热。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20130724 |
|
| CX01 | Expiry of patent term |