CN101796366B - 用于反应器容器的盘管管道系统 - Google Patents

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Abstract

一种反应器容器系统，包括反应器容器，该反应器容器包括与反应器容器的内部流体连通的第一端口、和与反应器容器的内部流体连通的出口端口。基座支撑反应器容器。第一盘管与第一端口流体连通地连接，并且绕反应器容器的周边布置。一种操作反应器容器系统的方法包括：提供反应器容器，该反应器容器包括与反应器容器的内部流体连通的第一端口、和与反应器容器的内部流体连通地连接的出口端口；提供第一盘管，它与第一端口流体连通地连接，并且绕反应器容器的周边布置；及使蒸汽流过第一盘管，并且进入反应器容器中。

Description

用于反应器容器的盘管管道系统
对于相关申请的交叉参考
本申请要求对于在2007年7月20日提交的美国临时专利申请No.60/951,095的优先权，该专利申请的内容通过参考包括在这里。
技术领域
在升高的温度下操作的反应器容器会膨胀(例如，在长度方面沿容器的轴向长度延长)，这是因为反应器容器从非操作的、冷却状态加热到操作的、加热状态。这样的反应器容器通过将其基座安装在固定位置处被典型地安装，并且可通过对于一个或多个其它元件的管道连接而被互连。然而，其它元件可能在不同的温度条件下操作，并且/或者经历与反应器容器不同的膨胀/收缩形态。本发明已经确定，在这样的系统中的元件之间的这样的相对位置移动会在管道连接中产生应力，这在管道连接中会引起失效或加快疲劳失效。
发明内容
在努力消除以上问题的过程中，本发明人已经建造了一种下面所描述的盘管管道系统。
附图说明
参照如下详细描述，特别是当联系附图考虑时，将会易于对本发明和其多个附属优点产生更为完全的理解，在附图中：
图1A是根据本发明用于水煤气转移反应器的盘管管道系统的前视立体图；
图1B是根据本发明用于水煤气转移反应器的盘管管道系统的后视立体图；
图2A是根据本发明用于水煤气转移反应器的盘管管道系统的前视图；
图2B是根据本发明用于水煤气转移反应器的盘管管道系统的侧视图；
图2C是根据本发明用于水煤气转移反应器的盘管管道系统的俯视图；
图3A是在图1A-1B和2A-2C中所示的天然气预加热器的分解立体图；
图3B是在图1A-1B和2A-2C中所示的天然气预加热器的组装剖视图；
图3C是在图1A-1B和2A-2C中所示的天然气预加热器的缩小组装剖视图；
图3D是在图1A-1B和2A-2C中所示的天然气预加热器的缩小组装仰视图；
图4A和4B分别是表示在压缩状态下和在非压缩状态下的盘管的图；及
图5A和5B是反应器系统的立体图，表示连接到水煤气转移反应器容器上的本发明的盘管管道系统，该盘管管道系统具有天然气预加热器、加氢脱硫装置容器、及具有空气预加热器的蒸汽转化反应器容器。
具体实施方式
下文参照附图描述本发明的实施例。在如下描述中，具有大体相同功能和布置的构成元件由相同的附图标记指代，并且仅当必要时才将进行重复描述。
在升高的温度下操作的反应器容器会膨胀(例如，在长度方面沿容器的轴向长度延长)，这是因为反应器容器从非操作的、冷却状态加热到操作的、加热状态。这样的反应器容器通过将其基座安装在固定位置处被典型地安装，并且可通过对于一个或多个其它元件(例如，另一个反应器容器、预加热器组件、等等)的管道连接(例如，进口管道、出口管道、等等)而被互连。然而，其它元件可能操作直到不同的温度条件，并且/或者经历与反应器容器不同的膨胀/收缩形态。因而，在操作条件期间容器的膨胀可能相对于基座移动容器的一个或多个零件(例如，进口端口、出口端口、等等)的位置，并且反应器容器的端口(一个或多个)的位置移动可能与其它元件(一个或多个)的端口的位置移动不相对应，管道连接安装到其它元件的这些端口上。因而，在反应器容器的端口和其它元件的端口-反应器容器通过管道连接而被互连到其它元件的这些端口上-中的相对位置移动，会在管道连接中产生应力，这在管道连接或端口中会引起失效或加快疲劳失效。而且，如果反应器容器的一个或多个端口经连接管道连接到一个或多个其它元件的端口上，这些其它元件的位置不移动(即，不膨胀或收缩)并因而保持在固定位置处，那么反应器容器的端口的位置移动将在管道连接中产生应力，这会在管道连接或端口或支撑结构中引起失效或加快疲劳失效。
本发明提供一种用来提供用于反应器容器的管道连接的方法和系统，该方法和系统可化解由这样的应力生成的不利后果。管道系统优选地提供对于容器的一个或多个管道连接，其允许在容器的操作期间在管道连接中的应力的被最小化或消除。
图1A-1B和2A-2C表示根据本发明的盘管管道系统的实施例。所示的盘管管道系统10包括进口盘管30和出口盘管60；然而，注意，系统可选择性地只包括进口盘管30或出口盘管60中的一个(即，系统不必包括两者)，或者可选择性地包括除进口盘管和出口盘管之外的盘管，例如，为了连接到在容器中的其它端口(未表示)上。在图1A-1B和2A-2C中所示的盘管管道系统10连接到水煤气转移反应器(WGS)容器20上；然而，本发明可应用于在其寿命期间经历膨胀和收缩的任何其它类型的容器或壳体。图5A和5B是示范反应器系统的立体图，该反应器系统结合了连接到WGS容器20上的本发明的盘管管道系统，该盘管管道系统具有天然气预加热器40、加氢脱硫装置(HDS)容器100、蒸汽转化反应器容器110、及用于蒸汽转化反应器110的空气预加热器120。
WGS容器20包括刚性安装到基座12上的下部部分22，该基座12例如刚性地固定到地板上、或固定到包装单元或壳体上。WGS容器20具有在其上部部分26一侧上的进口端口28、和在下部部分22一侧上的出口端口24。在WGS容器20内是催化剂材料(如低温水煤气转移催化剂)的填充床。因而，流体(在这种情况下，是来自蒸汽转化反应器容器的重整产品(reformate))通过进口端口28进入WGS容器20的上部部分26，然后向下穿过催化剂材料的填充床，继而通过出口端口24离开WGS容器20的下部部分22。
在图1A-1B和2A-2C中所示的WGS容器20连接到天然气预加热器组件(或NG预加热器)40上；然而，本发明可应用于任何容器或壳体，并且不必连接到这样一种预加热器上，或者可连接到任何其它类型的元件上。导管25在出口端口24处连结到WGS容器的下部部分22的侧面上。导管25设置在出口端口24与NG预加热器40的进口42之间的流体互连。导管25也通过提供NG预加热器40的悬臂支撑，而设置在WGS容器20与NG预加热器40之间的结构互连。
在这个实施例中，在天然气进料被输送到加氢脱硫装置(HDS)容器100(见图5A和5B)和在其中被使用之前，NG预加热器40使用离开WGS容器20的重整产品来预热天然气进料。NG预加热器40例如用来将天然气进料的温度升高到适当水平，以保证在HDS容器100中发生脱硫反应。在图1A、1B、2A、及2C中所示的NG预加热器之外，图3A-3D还示出NG预加热器的内部和外部结构的细节。
NG预加热器40包括两个管-壳式(shell-and-tube)热交换器；第一管-壳式热交换器设置在段44内，而第二管-壳式热交换器设置在段48内。离开WGS容器20的重整产品当它穿过NG预加热器40时在壳程(shell-side)中提供，而天然气进料当它穿过NG预加热器40时在管程(tube-side)中提供。
通过出口端口24离开WGS容器20的重整产品穿过导管25，并且进入NG预加热器40的进口42。重整产品然后在壳程向上穿过在段44内提供的第一管-壳式热交换器，然后穿过弯曲段46(该弯曲段46不包括用于天然气的管阵列，如下面将解释的那样)，然后在壳程向下穿过在段48内提供的第二管-壳式热交换器，继而通过出口端口50离开NG预加热器40。
天然气进料通过进口52进入NG预加热器40，然后在管程中向上通过第二管-壳式热交换器的管阵列行进到段48的上端以便通过段48的第一程(first pass)，然后转弯并在管程中向下穿过第二管-壳式热交换器的管阵列以便通过段48的第二程(second pass)，然后经管55(J形管)从段48的下端行进到段44的下端，然后通过进口56进入段44的下端，然后在管程中向上通过第一管-壳式热交换器的管阵列行进到段44的上端以便通过段44的第一程，然后转弯并在管程中向下穿过第一管-壳式热交换器的管阵列以便通过段44的第二程，继而通过出口58离开NG预加热器40。离开出口58的预加热的天然气进料经导管行进到HDS容器100以便在在其中使用。
本发明的进口盘管30具有进口端部32，该进口端部32经刚性管路连接到蒸汽气体转化反应器110的出口端口130上。进口盘管30包括刚性连接管道部分34，该刚性连接管道部分34一般可包括将进口端部32(以及蒸汽气体转化反应器110的出口端口)连接到进口盘管30的盘管部分36的端部上所需要的管道的直段和弯曲段的任意组合。盘管部分36的相对端部具有出口端部38，该出口端部38连接到WGS容器20的进口端口28上。
本发明的出口盘管60具有进口端部62，该进口端部62连接到NG预加热器40的出口端口50上，用来接收离开NG预加热器40的重整产品。出口盘管60的进口端部62连接到盘管部分64的一个端部上。盘管部分64的相对端部连接到刚性管道连接部分66上，该刚性管道连接部分66具有出口68。刚性连接管道部分66一般可包括将出口68连接到另一个元件上所需要的刚性管道的直段和弯曲段的任意组合，该另一个元件在这种情况下是预加热器120，该预加热器120当空气在蒸汽气体转化容器110中被使用之前用来预热空气。
进口盘管30的盘管部分36由管或管道制成，该管或管道被弯曲以形成螺旋盘管。在所示的实施例中，进口盘管30的盘管部分36绕WGS容器20缠绕大约四次；然而，进口盘管30的盘管部分36可选择性地绕WGS容器20缠绕比在所示的实施例中多的次数或少的次数。盘管部分36形成一个螺旋弹簧。
出口盘管60的盘管部分64由管或管道制成，该管或管道被弯曲以形成螺旋盘管。在所示的实施例中，出口盘管60的盘管部分64绕WGS容器20缠绕五次；然而，出口盘管60的盘管部分64可选择性地绕WGS容器20缠绕比在所示的实施例中多的次数或少的次数。盘管部分64形成一个螺旋弹簧。
如在图2A和2B中可看到的那样，WGS容器20的进口端口28设置在离基座12的上表面的距离为d1的高度处，在该基座12内安装WGS容器20。另外，WGS容器20的出口端口24设置在离基座12的上表面的距离为d2的高度处。在WGS容器20的操作期间，WGS容器20将被加热，这将引起WGS容器20的热膨胀和WGS容器20沿其轴向长度的延长。因而，距离d1和d2将从冷的、非操作状态变到热的、操作状态，从而d1(操作状态)＞d1(非操作状态)，并且d2(操作状态)＞d2(非操 作状态)。
除WGS容器20的进口端口28和出口端口24的位置变化之外，对于与进口端口28和出口端口24连接的元件的端口而言，由于这些元件的热膨胀/收缩，也会改变位置。WGS容器20的端口24和28、和其它元件的端口(WGS容器20通过管道连接互连到这些其它元件上)的相对位置移动会在管道连接中产生应力，这在管道连接或端口中会引起失效或加快疲劳失效。而且，如果WGS容器20的一个或多个端口经连接管道连接到一个或多个其它元件的端口上，该一个或多个其它元件的位置不移动(即，不膨胀或收缩)并因而保持在固定位置处，那么WGS容器20的端口的位置移动将在管道连接中产生应力，这在管道连接或端口中会引起失效或加快疲劳失效。
基于经验或计算，在WGS容器20的进口端口28、与该端口所连接的元件的出口端口之间的相对位置移动，可在WGS容器20和该元件的非操作状态与操作状态之间被确定。一旦这种相对位置移动已经被确定，则进口盘管30的盘管部分36可构造成，吸收在WGS容器20的进口端口28、与该端口所连接的元件的出口端口之间的相对位置移动。
类似地，在WGS容器20的出口端口24、与该端口所连接的元件的进口端口之间的相对位置移动，可在WGS容器20和该元件的非操作状态与操作状态之间被确定。并且，一旦这种相对位置移动已经被确定，则出口盘管60的盘管部分64可构造成，吸收在WGS容器20的出口端口24、与该端口所连接的元件的进口端口之间的相对位置移动。
在本发明的优选实施例中，盘管部分36和64构造成，在WGS容器20和连接到其上的元件的操作状态期间，在进口盘管30和出口盘管60中存在低应力或没有应力。因而，由盘管部分36和64形成的螺旋弹簧，在WGS容器20和连接到其上的元件的操作状态期间，处于无应力、非压缩状态下。然而，当WGS容器20和连接到其上的元件在冷的、非操作状态下时，WGS容器20和连接到其上的元件的热收缩将引起在相应进口与出口端口之间的相对位置移动，这将轴向地压缩由盘管部分36和64形成的螺旋弹簧。因而，在冷的、非操作状态下，由盘管部分36和64形成的螺旋弹簧将处于压缩状态下。
图4A和4B分别是表示在压缩状态下和在非压缩状态下的盘管的图，以便提供如何构造本发明的盘管部分36和64的解释。各盘管部分可构造成，盘管当在图4B中所示的非压缩状态下时具有轴向长度d3，并且当在图4A中所示的压缩状态下时具有轴向长度d4。一旦对于进口端口28和出口端口24和它们所连接的元件确定相对位置移动，那么用于进口端口的位置移动值和用于出口端口24的位置移动值中的每一个值都可用作距离d5，该距离d5是盘管部分36和64在非操作状态下的安装期间应该压缩的相应距离。因而，在操作状态期间，相对位置移动将使得螺旋弹簧解除压缩，从而管道连接处于无应力条件下。
可选择地，盘管部分可构造成，螺旋盘管在操作状态下处于压缩构造中，并且在非操作状态期间处于非压缩构造中。进一步可选择地，盘管部分可构造成，螺旋盘管当在应力状态下时受拉伸而不受压缩。可选择地，盘管部分可构造成，螺旋盘管在操作状态下受压缩，在非操作状态下受拉伸，而在当系统从冷的、非操作状态加热到热的、操作状态时的时间点期间、和在当系统从热的、操作状态冷却到冷的、非操作状态时的时间点期间，处于无应力状态下。进一步可选择地，盘管部分可构造成，螺旋盘管在操作状态下受拉伸，在非操作状态下受压缩，而在当系统从冷的、非操作状态加热到热的、操作状态时的时间点期间、和在当系统从热的、操作状态冷却到冷的、非操作状态时的时间点期间，处于无应力状态下。
因而，本发明的盘管系统可便利地构造成可靠地吸收应力而不失效，可构造成减小由在整个系统中的热膨胀/收缩变化引起的应力数值，及/或者根据不同需要可构造成提供无应力操作状态、或无应力非操作状态。通过考虑到在系统中由热膨胀/收缩造成的各种元件的进口和出口的相对位置变化，本发明的盘管系统可提供牢固的管道系统。如果希望，则盘管(一个或多个)可在预应力状态下制造，并且在装运期间保持在预应力状态下，从而管道系统在正常操作条件下是无应力的。例如，如果确定从冷状态到热操作状态的相对位置移动将是0.75英寸，则盘管可被预加应力从而具有0.75英寸的轴向压缩。
在优选实施例中，盘管不连结到WGS容器的外壁上，而是在操作和非操作条件下在WGS容器的外表面与盘管的内径之间都保持最小空隙。优选地，提供的空隙大得足以允许绕WGS容器的外表面提供隔热层。另外，盘管优选地被隔热，并且打算是绝热的。
所示的WGS容器在其顶部表面处包括吊耳，并且上部温度计插孔和下部温度计插孔被表示成从其侧表面延伸而用于热电偶，这些热电偶用来测量在WGS容器内的温度。
应该注意，本发明示出和描述的示范实施例叙述了本发明的优选实施例，并不意味着以任何方式限制关于本发明的权利要求书的范围。鉴于以上讲授可以对本发明做出多种修改和变更。因此要理解，在所附的权利要求书的范围内，本发明可以与这里的特定描述不同地实施。

Claims (11)

1.一种反应器容器系统，包括：
反应器容器，包括与所述反应器容器的内部流体连通的第一端口、和与所述反应器容器的所述内部流体连通地连接的作为出口端口的第二端口；
基座，它支撑所述反应器容器；及
第一盘管，与所述第一端口流体连通地连接，并且绕所述反应器容器的周边布置，其中，所述第一盘管构造成，在所述反应器容器处于非加热状态下时，处于压缩状态的第一状态下，并且构造成，在所述反应器容器处于相对于非加热状态的加热状态下时，处于较小压缩状态的第二状态下。
2.根据权利要求1所述的反应器容器系统，还包括第二盘管，该第二盘管绕所述反应器容器的所述周边延伸，并且与第二端口流体连通地连接。
3.根据权利要求2所述的反应器容器系统，其中，所述反应器容器沿第一方向从所述基座延伸，并且沿第一方向所测量的在所述第一端口与所述基座之间的距离大于沿所述第一方向所测量的在所述第二端口与所述基座之间的距离。
4.根据权利要求3所述的反应器容器系统，其中，所述第一端口和第二端口沿着与所述第一方向垂直的第二方向和第三方向从所述反应器容器延伸。
5.根据权利要求1所述的反应器容器系统，其中，所述反应器容器包括在所述反应器容器的壁上布置的隔热材料。
6.根据权利要求1所述的反应器容器系统，其中，所述第一盘管被隔热。
7.根据权利要求1所述的反应器容器系统，还包括在所述第一盘管与所述反应器容器之间布置的间隙，所述间隙除所述第一端口之外绕所述反应器容器的整个周边延伸。
8.一种操作反应器容器系统的方法，包括：
提供反应器容器，该反应器容器包括与所述反应器容器的内部流体连通的第一端口、和与所述反应器容器的所述内部流体连通地连接的作为出口端口的第二端口；
提供第一盘管，该第一盘管与所述第一端口流体连通地连接，并且绕所述反应器容器的周边布置，该第一盘管构造成，在所述反应器容器处于第一温度下时，处于第一压缩状态下，并且构造成，在所述反应器容器处于第二温度下时，处于与第一压缩状态不同的第二压缩状态下，其中，所述第一压缩状态的压缩大于所述第二压缩状态的压缩；及
使蒸汽流过所述第一盘管，并且进入所述反应器容器中。
9.根据权利要求8所述的操作反应器容器系统的方法，还包括：
提供第二盘管，该第二盘管与所述反应器容器的第二端口流体连通；以及
使重整产品从天然气预加热器流动到所述第二盘管内侧。
10.根据权利要求9所述的操作反应器容器系统的方法，还包括将所述反应器容器从第一温度加热到比所述第一温度高的第二温度。
11.根据权利要求8所述的操作反应器容器系统的方法，其中，所述反应器容器在所述第一温度下是指该反应器容器处于非加热状态下，并且所述反应器容器在所述第二温度下是指该反应器容器处于相对于非加热状态的加热状态下。
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