CN102059078A - 一种等温径向变换反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等温径向变换反应器，包括：壳体(4)，设置在壳体(4)上的原料气入口(9)和变换气出口(11)，和设置在所述壳体(4)内部的催化反应装置和换热装置；所述换热装置包括换热管(7)和位于换热管(7)两端的上管板(8)和下管板(3)，其特征在于，所述催化反应装置被设置在所述上管板(8)和下管板(3)之间，并且所述换热管(7)被分散地布置在所述催化反应装置中。本发明通过将气气式换热方式变为气固式换热方式，提高了换热效率，降低了压降。并且换热器管束分散布置在催化反应装置中，能够直接与床程接触，使床程温度分布更为均匀，有利于对反应进程的监控与调节。

Description

一种等温径向变换反应器

技术领域

本发明涉及变换反应器，特别是在石油化工、煤化工等化工行业中使用的变换反应器。

背景技术

变换工艺在石油化工行业用来调整原料气的碳氢比，原料气中的有效成分为CO和H₂。对于合成氨工艺来说，原料气中的有效成分为H₂，因此需要利用原料气中的CO，与水一起通过变换反应，得到H₂与CO₂。

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(反应活化能)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炉进料换热器，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与效率。但是因为变换气出口温度很高(通常450℃左右)，变换反应的压力很高，通常(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(内径)可达了4500mm，外壳厚度达100mm，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。

由于变换反应会产生大量的热量，而变换反应的速度也会随着原料气的温度上升而加速，因此，如果控制不及时，会出现飞温(床程温度急剧上升)等现象。极端情况下，催化剂会因为温度太高而失活(失去催化的作用)，而造成催化剂永久的失效，因此催化剂需要定期更换。

此外，传统的进料换热器是与变换反应器分离的单独的设备，变换反应器中排出的热变换气和进行变换工艺之前的粗煤气都被送入换热器，进行换热后，被加热的粗煤气被送入变换反应反应器，被冷却的变换气被送入之后的工艺流程。由于单独设置的进料换热器也将占用额外的空间，因此对于设备安装的空间也提出了更高的要求。

为克服上述缺陷，CN200910056717.7提出了一种换热器内置冷壁式变换反应器。即，将换热器集成到变换反应器内部，从而省去了另外设置换热器以及铺设管线所需的额外的成本。但CN200910056717.7的变换反应器在使用过程中存在一定的问题，即换热过程与反应过程是分离的，从而可能产生换热效率低，以及反应器内温度分布不均匀的问题。具体而言：

1、CN200910056717.7原料气(粗煤气)穿过所有催化剂床程，反应完全以后达到气气式换热器中，与冷的原料气(粗煤气)进行换热。显然完全反应以后的气体温度会很高，催化剂床程温度是不均匀的(开始反应时温度低，彻底反应后温度最高)，全床程反应的速度也是不均匀的(温度低的部位反应速率低，温度高的部位反应速率高)，各部分的催化剂寿命也是不均匀的(温度高的部位，易失效，反应强度大，易失活)。

2、CN200910056717.7中的气气式换热器换热过程分别为对流换热-热传导-对流换热，而气体与管壁之间对流换热效率并不高，通常需要通过管外折流，管内扰动等手段来提高换热的效率，而管外折流、管内扰动这样的手段无一例外都会提高气体通过的压降，增加能耗。

3、CN200910056717.7在变换反应器的筒体内部，仍然存在相对独立的催化剂床程与气气式换热器。通常气气式换热器由换热器筒体、换热管、管外折流装置、管束支撑装置四部分组成，虽然CN200910056717.7省去了换热器筒体，对变换反应器与气气式换热器进行了结构上的组合，但其整体上并未节省很多的空间，并且由于换热器被集成到变换反应器内部，为保持相同的产能，很可能还需要增加变换炉的直径。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提出了一种等温径向变换反应器。

本发明的等温径向变换反应器，包括：壳体，设置在壳体上的原料气入口和变换气出口，和设置在所述壳体内部的催化反应装置和换热装置。所述换热装置包括换热管和位于换热管两端的上管板和下管板，其特征在于，所述催化反应装置被设置在所述上管板和下管板之间，并且所述换热管被分散地布置在所述催化反应装置中。

优选地，所述的等温径向变换反应器，还包括用于支撑所述外壳的裙座支撑、用于监测炉内温度的温度传感器、和/或用于更换催化剂的卸料口。

优选地，所述催化反应装置包括催化剂和由包裹所述催化剂的网状材料形成的催化剂外缘。

优选地，在所述催化剂外缘与所述外壳之间形成供原料气体通过的环形腔。

本发明将CN200910056717.7中使用的气气式换热方式变为气固式换热方式，同时改变了换热装置与变换反应装置的结构关系，能够获得以下优点：

1、床程温度更为均匀。本发明将换热管直接插入催化剂床程，变换反应产生的热量在产生之初就被换热管所吸收，在实际生产过程中，当反应稳定以后，床程的温度相对均匀。与CN200910056717.7所述高温变换气不与反应器筒体相接触，而产生所谓“冷壁式”相比，在本发明中，所谓温度极高的气体就不曾产生过，更谈不上与筒壁相接触。从而形成“等温”床程。并且催化剂床程温度均匀对于对反应进程的监控与调节、以及催化的保护也是极为有利的。

2、本发明中的内置式换热器换热效率更高。本发明催化剂与换热管之间直接接触，而气体在催化剂表面反应以后，催化剂与气体温度均上升，这样换热管与催化剂及热气体之间存在三种换热形式即：热对流、热传导、热辐射。相比气气式换热器单一的对流换热而言，本发明的换热形式效率会高很多。实验表明，本发明气固式换热器的换热效率较气气式换热器的换热效率高40％以上，可大幅减少换热管的表面积，节省材料。

3、本发明在CN200910056717.7的基础上进一步节省空间，提高设备紧凑程度。在本发明中换热装置和催化反应装置两者在结构上是相互重叠的，催化剂床程可同时实现管束支撑与管外折流装置的功能，节省大量空间。在相同生产规模的条件下，本发明的设备尺寸更小，可节省大量的材料与加工费用，具有较好的经济效益。

附图简述

图1是根据本发明的一个实施例的示意图。

附图标记列表：

1、裙座支撑；2、催化剂卸料口；3、换热器下管板；4、壳体；5、催化剂；6、催化剂外缘；7、换热管；8上管板；9、粗煤气进口；10、温度传感器；11、热变换气出口。

具体实施方式

图1示出了本发明的一种具体实施方式。

本发明提供了一种等温径向变换反应器，包括：圆筒形壳体4，设置在壳体4上的原料气入口9和变换气出口11，和设置在所述壳体4内部的催化反应装置和换热装置；所述换热装置包括多个换热管7(通常可根据生产能力以及变换反应器的直径来确定设置换热管的具体数目)和位于所述多个换热管7两端的上管板8和下管板3，其特征在于，所述催化反应装置被设置在所述上管板8和下管板3之间，并且所述换热管7被分散地布置在所述催化反应装置中。在优选的方式中，换热管7是被阵列式的分布在催化反应装置中的，这种布置方式使换热管7的分布更加均匀，更有利于催化反应装置内部的温度稳定和整体平衡。在本发明中，换热管7是沿壳体4的轴向设置的，换热管7在上管板8和下管板3上都有开口部(图中未示出)，以便原料气穿过，与反应后产生的变换器进行换热。

优选地，该变换反应器还包括用于支撑所述外壳4的裙座支撑1，用于监测炉内温度的温度传感器10，和用于更换催化剂5的卸料口2。

在本发明中，所述催化反应装置包括催化剂5和由包裹所述催化剂的网状材料形成的催化剂外缘6，并且在催化剂外缘6与外壳4的内壁之间形成环形的空腔。该环形空腔被用作被换热加热后的原料气的通路，原料气由此从外壳4内的径向外侧向内侧流动。由于原料气要低于反应后的变换气，即使是经过换热，也可以通过温度控制将加热后的原料气的温度控制为260-300℃之间，从而在外壳4与催化剂5之间形成一隔离层，使外壳4不直接接触反应后的高温，从而降低了外壳4对于材料方面的要求。

上述部件之间的具体位置以及彼此之间的连接关系可以但不仅限于：

裙座支撑1与壳体4通过焊接连接，裙座支撑1起到支撑作用，壳体4为耐压部件。换热管7放置于壳体4内，沿壳体4的轴向布置。换热管7的上下两端分别为上管板8与下管板3。催化剂外缘6为网状材料包裹催化剂5而形成的空间边界，催化剂外缘6与壳体4之间环腔，该环形空腔作为换热后粗煤气进入催化剂床程的通道。催化剂卸料口2与下分布管板3相连，在定期更换催化剂的时候使用。温度传感器10与上分布管板相连，温度计通过此处进入催化剂床程，监控催化剂床程的温度并调节反应进行的速度。变换气出口11的上端位于催化剂床程中，其下端与裙座支撑1相连。

反应器壳体4的筒状部分下端为椭圆形封头，呈碗状，其内部为颗粒状的耐火球支撑物(为图示简洁，图中仅在碗状体的右部示例性地示出了其一部分)，兼具保温作用。耐火球设置为反应器的常规设置，通常也可以认为该部分是壳体的一部分，此处不再详细说明。

本发明的等温径向变换反应器的工作原理如下：

粗煤气由粗煤气进口9进入炉内，通过换热器上管板8上的开口进入换热管7的管程，与管外的热催化剂进行气固方式的换热，从而原料气的温度提高，到达其可进行反应的温度。随后，加热后的原料气到达下管板3，从下管板3上的开口排出，进入催化剂外缘6与壳体4之间的环腔，并进入催化剂5的床程，流经床程的催化剂的同时，进行变换反应。通过变换反应，催化剂的温度升高，气体温度提高。升高的温度与刚进入换热管7的较冷的原料气换热，被初步冷却的变换器随后在变换气出口11处收集并排出变换反应器。

Claims (7)

1.一种等温径向变换反应器，包括：壳体(4)，设置在壳体(4)上的原料气入口(9)和变换气出口(11)，和设置在所述壳体(4)内部的催化反应装置和换热装置；所述换热装置包括多个换热管(7)和位于换热管(7)两端的上管板(8)和下管板(3)，其特征在于，所述催化反应装置被设置在所述上管板(8)和下管板(3)之间，并且所述多个换热管(7)被分散地布置在所述催化反应装置中。

2.根据权利要求1所述的等温径向变换反应器，其中所述多个换热管(7)被阵列地布置在所述催化反应装置中。

3.根据权利要求1所述的等温径向变换反应器，还包括用于支撑所述外壳(4)的裙座支撑(1)。

4.根据权利要求1所述的等温径向变换反应器，还包括用于监测变换反应器内温度的温度传感器(10)。

5.根据权利要求1所述的等温径向变换反应器，还包括用于更换催化剂(5)的卸料口(2)。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的等温径向变换反应器，其特征在于所述催化反应装置包括催化剂(5)和由包裹所述催化剂(5)的网状材料形成的催化剂外缘(6)。

7.根据权利要求6所述的等温径向变换反应器，其特征在于，在所述催化剂外缘(6)与所述外壳(4)之间形成供原料气体通过的环形腔。

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