CN104379249A - 具有可更换管的压力容器 - Google Patents

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Abstract

一种适用作管式热交换器或重整炉的容器，其包括壳体(2)，由金属且优选钢铁制成的第一管板(4)和第二管板(5)，和设置在所述容器内部以在所述第一管板和所述第二管板间形成管束的多个管(3)；各所述管具有分别与所述第一管板或第二管板共同享有简支连接(12,13)的第一末端和第二末端，以该方式可将所述管容易地从所述容器中取出；所述管(3)优选由陶瓷材料制成且涂覆或浸渍有催化剂。

Description

具有可更换管的压力容器
技术领域
本发明涉及含管束的压力容器，例如适合用作热交换器或重整炉。本发明优选适用于但不仅仅是不烧的重整炉，如气体加热重整炉。
背景技术
重整是将烃源转化为有用产物如氢气或用于特定用途如合成氨的补充合成气的公知技术。例如蒸汽重整是将甲烷转化为含一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气的常用方法。
已知的重整炉的实施方案，被称作管式重整炉，包括容器和多个填充有合适催化剂的外部加热的金属管。通常所述管为在两个管板之间延伸的直管。所述重整过程发生在管程中，在那里将待重整的气体与催化剂接触。允许加热介质如热的气体进入所述容器的壳程，以从外部加热所述管。
例如，气体加热重整炉(GHR)通常用作初级重整炉，与次级重整炉连接；离开次级重整炉的热的气体进入GHR的壳程并提供重整热量。因此，GHR主要为管式气-气热交换器。
EP-A-2022754公开了氨工段的前端设备，用于生产氨合成气，具有填充有催化剂的外部加热管的初级重整炉。
传统的管式热交换器或管式重整炉具有一些局限和不足。
具有填充有催化剂的管的催化重整炉的一个缺点是用完的催化剂的转变是耗时且昂贵的。此外，用于填充蒸汽重整管(如n孔圆筒)的传统催化剂形状易于破碎。因此，在长期运行中压力降趋于增加。另一个缺点是传统的管式容器非常容易遭受金属尘化，尤其是当它们在某一温度范围内运行时。此外，有减少所述管两侧温差的动机和不断的努力，以减少废热。
另一个缺点是管式容器的传统设计不适用于非金属管，例如陶瓷管。由于陶瓷材料相对于金属或钢管具有优越的耐高温性，且由于它们不遭受金属尘化，陶瓷管是有吸引力的。然而，陶瓷管式容器的设计将引入一些技术问题。首先，陶瓷管不能与金属部件如管板焊接。用于陶瓷和金属接合的技术是本领域中已知的，但它们带来了相关的复杂性和成本和/或它们不适用于重整炉。此外，与管板和/或压力容器整合的陶瓷管将经受由金属和陶瓷不同热膨胀产生的压力。基于上述原因，目前已发现具有陶瓷管的重整炉在实践中很少或没有应用，尽管它们具有吸引力的潜能。
发明内容
基于本发明的问题是为压力容器尤其是为管式重整炉提供新颖的结构，可以克服上述缺点。所提出的设计包括由管板简单支撑的管，在所述管和管板或所述容器的其它金属部件间无固定连接。
相应地，利用包含外壳，第一管板，第二管板和设置在所述压力容器内部以在所述第一管板和所述第二管板间形成管束的多个管的压力容器解决了上述问题，所述重整炉的特征为：各管具有含相对于所述第一管板的简支连接的第一末端和含相对于所述第二管板的简支连接的第二末端。
根据本发明，所述管不被焊接，用螺丝拧紧或以其它方式牢固固定在所述管板上。所述管与所述管板共同简支连接。正如对技术人员显而易见的，那么相对于管板的管的虚位移是可能的。优选地，管的第一(或第二)末端和第一(或第二)管板间的各连接使所述管几乎自由地围绕其纵轴旋转且在平行于所述轴的方向上移动。应当指出，由于所述简支连接，可从所述容器中单独取出各管。
在一个优选的实施方案中，通过所述管板合适的插口和已被成型以匹配所述插口的所述管的端部形成简支连接。第一管板和第二管板的所述插口可为相同或不同，相对的管的第一和第二末端也可为相同或不同。更为通常地，所述管的末端和管板间的连接可相同或在第一和第二管板间不同。
下面为适于实施本发明的简支连接的非限制性例子。
一个管板或两个管板的插口可具有穿过孔或凹槽的形式，且可相应设计管的端部，以通过滑动配合可插入到所述孔或凹槽中。
在第一实施方案中，管的端部相对于管其余部分具有减小的直径，且所述减小的直径与所述管板孔的直径相匹配，二者具有小间隙，以这样的方式来使管的端部可安装在管板的孔中。在具有减小的直径的管的端部和具有公称直径的管的其余部分间的过渡处形成环形表面。将所述环形表面放置在插入孔周围的管板表面，从而提供所需的简单支撑。
根据第二实施方案，管板的孔具有基本上比各管末端的直径大的直径，且管和管板之间的连接包括密封件。密封件的优选的形式为可插入管板孔且具有与管末端直径通过滑动配合相匹配的内部通道的环形密封帽。
所述第二实施方案特别适于在部分开口的压力容器内将管的上端连接到固定的上管板上。实际上，管板较大的孔通过所述部分开口提供容易的管的插入和取出，且一旦管被放置，所述组装可通过密封件完成。
其它实施方案包括例如：可适应管板锥形插口的锥形管末端；圆锥形或球形接头，或类似物。
在本发明优选的实施方案中，管板和管末端间的装配无垫片。管末端和管板孔或密封帽的通道间的滑动配合可为具有小间隙的精确配合，使得在即使没有垫片时非常低或可忽略的泄漏。术语小间隙是指例如管和对应的管板的孔具有相同的公称直径，具有使管的实际直径略小于所述孔的直径的公差。然而，本发明不排除垫片的选择。
所述实施方案也适用于非金属管。例如，可制造具有显著精度的陶瓷管且然后它们以小的尺寸公差供使用。
根据本发明另一方面，所述管具有模块化结构，即每个管包含几个管部分。可通过自身已知的技术包括例如插口和承插连接、承口连接等实现管间的连接。在一个优选的实施方案中，所述管部分之间的连接也实现了简单支撑。因此，例如根据本发明一个实施方案的立式重整炉包括堆积部分组成的模块化的直立管，其中最低的管部分放置在所述重整炉的较低的固定管板上，且其它管部分简单地放置在下面的管部分上。当所述管相对较长和/或当仅提供部分开口时，可优选模块化的管以更容易插入所述压力容器或从所述压力容器中取出。
根据本发明的多个实施方案，两个管板均可固定在压力容器上，或一个管板在所述压力容器内可浮动。具有浮动管板的实施方案优选具有至少一个在必要时候允许移除所述浮动板的全开口。
在立式压力容器中，至少下管板优选固定在所述压力容器上，以使所述管上的任何垂直负荷由所述固定管板承担。上管板可为固定的或浮动的。
优选的实施方案之一是具有固定的下管板和浮动的上管板的立式压力容器。由下部的管板简单支撑所述管的下端，同时所述浮动的管板放置在所述管的上端。换句话说，上管板由所述管简单支撑且由所述压力容器的内表面引导。因此，所述管和所述浮动的板形成自支撑结构。
优选地，所述浮动管板的外直径略小于所述压力容器的内直径，以使所述压力容器精确地引导所述浮动的管板。任选地，在所述浮动管板和所述压力容器的内壁间可使用密封装置。
全开口法兰具有完全进入所述管的优势和通过简单取出以移除所述管甚至全部管束的可能性。然而，为了避免全开口的附加成本，可优选具有部分开口的压力容器。在这种情况下，优选两个所述管板与压力容器构成整体。为了允许管通过所述部分开口插入/取出，模块化的管和/或具有附加密封件的装配，如上述的密封帽，可能是有利的。
根据本发明的另一方面，所述管的至少部分内和/或外表面是催化活性的。相应地，可以涂层或浸渍所述管的内表面或外表面的形式提供所述重整催化剂。
在本发明更为常见的实施方案中，将待重整的气体输送至管程并以涂层或浸渍管内部的表面提供所述重整催化剂。所述表面可为所述管的内圆柱面或管内作为催化剂载体特别提供的表面。所述管可配置有装置以增加支撑所述催化剂的有效表面。以下为可行装置的实例：在第一实施方案中，所述装置包括插入到所述管内并涂覆有催化剂的螺旋支撑物；在第二实施方案中，所述装置包括内部纵向翅片。
任选地，管的两侧(内侧和外侧)可均具有催化活性。内部催化剂和外部催化剂可为相同或不同。根据不同的实施方案，部分内表面或全部内表面可具有催化活性。相似地，部分外表面或全部外表面可具有催化活性。在只有部分管的内或外表面具有催化活性的实施方案中，其余表面将充当热交换器。
具有催化活性内表面的管具有更有效使用催化剂的优势，因为克服了现有技术的催化剂填充管的扩散限制。因此，更少量的催化剂是足够的。另一个优势是，管程的热交换更为有效，因为所述催化剂与管的内表面直接接触，因此去除了传统的管至气和气至管的热交换步骤。
本发明消除了该问题。另一个优势是，可通过所述重整炉的换管更换催化剂。这可通过用新的或再生的管替换带有用完的催化剂的管来实现。
当所述管的内和外表面均具有催化活性时，根据本发明的重整炉能够在管程和壳程内均实施催化反应。
在具有陶瓷管的实施方案中，术语陶瓷材料应被理解为工程陶瓷材料(technical ceramic material)，包括氧化物，非氧化物或复合陶瓷。适用的陶瓷材料的实例为SiC(碳化硅)。优选地，所述管由高导热性材料制成。因此，例如，将优选具有高导热性的陶瓷材料。在包括具有催化表面的管的本发明的这些实施方案中，可用适于提供用于催化剂涂渍或浸渍的合适基质的材料实现所述管。
本发明的一个方面也为传统设备如管式热交换器或管式重整炉的改进。例如，根据本发明，可通过移除原有管束，在所述管板上提供必要的插口，或任选地安装新的管板，并提供将由所述管板简单支撑的新管，来改进传统的管式重整炉。新管优选由陶瓷材料制成。例如，本发明允许将传统管式重整炉转化为陶瓷管式重整炉。
本发明的容器具有以下主要的优势：
-可使用非金属管，如陶瓷管；
-可容易地取出或更换管；
-可通过所述容器的换管更换所述催化剂。
根据本发明的容器可使用无陶瓷与金属的接合问题的陶瓷管。所述容器将不承受热应力，因为所述金属部件和所述陶瓷部件将自由遵循它们不同的热膨胀。例如，在具有浮动管板的实施方案中，所述浮动板可随着下部陶瓷管的热膨胀相对于所述壳体自由移动。在其他实施方案中，所述管通常通过所述管板的孔或所述密封帽的通道自由伸长。
通过管的模块化结构便于管的插入或取出，其中各模块可容易地通过所述压力容器的开口。
应该强调的是，管的插入不需要容器内部的劳动密集型工作如垫片的焊接和定位。这尤其是对于从顶部开口进入的立式重整炉的情况，所述顶部开口可为全开口或部分开口。如果是模块化管，可从顶部开口插入所述管或管部分直至它们放置在下管板上。没有必要进入所述下管板或在容器的底部实施工作。通过一个接一个降低和定位各种管部分来组装所述模块化的管，各部分简单放置在下面部分组装的管。一旦完成所述管束，在所述管的上部放置上浮动管板，或根据所述重整炉的具体实施方案，在所述管的顶端周围放置密封帽。
具有催化剂涂覆或浸渍的管的实施方案具有如下附加优势：所述重整炉的换管成为替换用完的催化剂的有效方式。可将具有用完的催化剂的管移除以再生所述催化剂层然后将管重新插入所述压力容器，或用另一组具有新催化剂层的管替换所述管。根据本发明的重整炉可装配有两组催化剂涂覆的管；一旦用尽，移除第一组并用第二组替换；可将第一组管送至再生工艺用于进一步使用。
从维护的观点看，用简单方式移除所述管或其他内部构件的可能性也具有相当大的优势。
另一个重要的优势是确保合适的操作和无泄漏，甚至在所述管和所述管板之间或在模块化管的实施方案的管部分之间不需要密封的能力。这是由于陶瓷管所允许的小间隙。此外，应当注意的是，在本发明特别感兴趣的用于烃类的重整炉的领域，管程和壳程的压力差(delta-p)通常是正的(即管内的压力较大)并有助于管束的稳定性和紧密性，正如将由实施例更详细解释的。
借助于下面的详细描述，这些优势将更加明显。
附图说明
图1为根据本发明的第一实施方案的具有浮动的上管板的立式管式重整炉的示意图。
图2和图3分别为显示所述管与所述上管板和所述下管板间连接的图1的细节图。
图4为显示模块化管的两部分间连接的图1的细节图。
图5为根据本发明第二实施方案的立式重整炉的上部示意图。
图6为根据本发明的第三实施方案的立式重整炉的上部的示意图。
具体实施方式
参考图1，根据本发明的压力容器为气体加热重整炉1，其包括壳体2和一束延伸在下管板4和上管板5之间的管3。所述重整炉1因此有具有入口6和出口7的壳程和具有入口8和出口9的管程。所述壳体2具有底部封口10和在本实施例中提供全开口的顶部法兰11。
下管板4与所述容器的壳体连为一体而上管板5是浮动的。
管3的相对端插入所述管板4，5的插口中形成许多简支连接。如在图2和图3中所示，各管3以连接部分12终止。所述连接部分12的直径小于所述管的公称直径，以使各管具有环形表面14。所述图显示相同的相对部分12，但任选地可在管3的相对端设置不同的末端部分。
更为详细地，在管3的上端或下端的连接部分12分别在所述管板4或5的孔或凹槽13中以小的但为正的间隙插入，直至所述环形表面14放置在所述管板的表面上。因此，各管3实质上可围绕主轴A-A自由旋转且也可平行于所述轴自由移动。实际上，所述管3依靠自身重量，浮动管板5的重量和工作压力固定；这可从图1中理解且将在下面更详细地解释。
浮动管板5具有略小于容器壳体2的内径的外径，以使所述浮动管板5由所述壳体2的内壁17精确引导。任选地，可在所述浮动管板5和所述内壁17间的小的间隙空间16(图2)中设置密封装置，但所述密封装置不是必要的。为此目的可使用密封垫。
应该理解，所述管3的下端在下管板4的孔13中被简单支撑，且所述上管板5放置在所述管的相对上端，这意味着自由浮动的管板5的重量由管3的束支撑并最终由下部固定的板4支撑。
在一些实施方案中，所述管是模块化的，即各管包括几个管部分。例如，图1中描述了普通管3的3a，3b和3c部分。在图4中更详细地显示了在模块化管的两部分间的连接。各管部分具有可插入邻接管部分的凹端(femaletermination)3e的凸端(male termination)3d。该结合也是可移除的并提供简单支撑，这意味着管部分放置在下面的管部分上并可被简单的抬起或从其余的模块化管中移除。例如图4中所述管部分3a放置在下面的管部分3b上。
根据图1，顶部模块3a具有双凸端以接合所述管部分3b和所述管板5的插口13。所述凸端3d优选具有与末端12相同的直径，这意味着具有凸端和凹端的普通模块3c可与下法兰4结合。
图5和图6公开了两个示例性的实施方案，其中所述压力容器具有部分开口30且所述上板管，在此用5a表示，是与所述压力容器构成整体而不浮动。
在图5中，所述管板5a的孔13比所述管3大且各管3结合到含具有用于管3的通道32的密封帽31的管板上。所述帽31的外径与所述管板5a的孔13相匹配，而所述通道32的直径与所述管的直径或其末端直径相匹配。因此，所述密封帽31就像所述管和较大的孔13间的接头，确保精确的滑动配合和充分的流体密封。在图6简化的实施方案中，所述管3和所述孔13具有相同的公称直径且通过所述小间隙进行密封。
图5和图6涉及管的上端。根据图3，所述管的下端可适应于所述下部法兰。
可在管的部分之间和/或在与所述板4，5的交界处使用密封装置或垫片，但这些不是必要的。在其它实施方案中，管末端和管板的孔可为锥形如圆锥形。在其他实施方案中，所述管板的插口可制成凹槽。
尤其是在管的上端和上管板5a间界面处可采用如EP 1249272中公开的具有箔片或环形带的密封装置，例如作为图6中实施例的进一步的变体。移除所述密封装置将使管的取出更简单。
在一个优选的实施方案中，以管的涂层形式提供用于重整反应的所述催化剂。参照图4，各管3具有内催化剂涂层20。所述涂层可沉积在管的内表面上或沉积在适当的载体表面上如管内部的螺旋支撑物(未显示)。
图4也显示了能使所述重整炉壳程提供通过入口6输送的热气体的进一步重整的外催化剂层21。
操作的实例如下(图1)。输送以待重整的气体通过进气口8进入所述重整炉1且分布在管3中，在那里与层20的重整催化剂接触。已重整的气体产物通过底部出口9离开所述重整炉1。所述待重整的气体例如为烃源如合成气或天然气，且所述气体产物含有氢和一氧化碳。加热介质如热气体在所述容器的壳程19中从入口6至出口7流动。
在使用中，管程的压力通常超过壳程的压力，即顶板5上部的管程区域18内的压力高于壳程区域19内的压力。例如，这通常发生在当所述重整炉1为氨工段的重整炉时。因此，所述压力促使顶部法兰5向下，同重力一起保持所述整个管束的组装结构，并同时有助于在管部分3a–3b和3b–3c间的交界处和与管板的交界处的密封。
可容易地将所述管3从所述重整炉1中移除或引入所述重整炉1中。在如图1全开的实施方案中，在移除顶部法兰11后，可通过顶部通道移除和重新引入所述浮动板5和所述管3。
在如图5或图6的部分开口的实施方案中，可能在移除密封帽31后，从所述管板的孔和所述顶部开口可将所述管3或，视情况而定，所述管部分3a，3b等取出。以相同的方式，将第一管部分3c通过通道30和孔13插入新管，直至它达到底板4；然后放置后续的模块，直至用顶部模块3a完成所述管；重复相同的方式完成所有管并最终再次放置所述帽31(如果有的话)以密封管程，将其与壳程分开。
在图5和图6的实施方案中，各管截面尺寸应使其容易通过所述开口30。图6的实施方案更简单，因为它不需要所述密封帽。然而，由于上管板上的较大的孔，图5的实施方案留有更多用于放置所述管的空间。应该注意的是，在所述容器内且尤其是在接近所述板4的下部没有特别的操作(如移除旧的垫片或放置新的垫片，焊接接头等)要实施。
现描述气体加热重整炉1的操作实施例。可重整的气体原料，例如包括天然气和蒸汽，被预加热并进入所述重整炉1的管程。在外部加热的管3中，所述进料气体与催化剂层20接触。离开所述重整炉1的重整产物进入自热重整炉且转化为热产物气体，该热产物气体进入重整炉1的壳程并作为管3的加热介质，接着作为预加热进料气体的热源。在具有双面涂覆的管的实施方案中，即如图4中所示具有催化剂层20,21的管，所示重整炉的壳程可基本上作为ATR操作，这意味着所述重整炉1为一体化反应器。离开所述重整炉管程的所述重整产物在燃烧炉中部分燃烧且离开所述燃烧炉的产物气体在重整炉1的具有催化活性的壳程内进一步氧化。

Claims (19)

1.适用作管式热交换器或重整炉的容器，其包括壳体(2)，第一管板(4)，第二管板(5)和设置在所述容器内部以在所述第一管板和所述第二管板间形成管束的多个管(3)，其特征在于：各所述管具有含相对于所述第一管板的简支连接(12,13)的第一末端和含相对于所述第二管板的简支连接(12,13)的第二末端。
2.根据权利要求1所述容器，其中管(3)末端和管板(4,5)间的简支连接使各管(3)几乎自由地围绕其纵轴(A-A)旋转且在平行于所述轴的方向移动。
3.根据权利要求1或2所述容器，其特征在于，通过管板的插口(13)和被成形以匹配所述管板插口的所述管(3)的末端部分(12)，形成管(3)末端和各管板(4,5)间的简支连接。
4.根据权利要求3所述容器，所述管板插口以穿过孔(13)或凹槽形成，且以滑动配合将管(3)的端部插入所述孔(13)。
5.根据权利要求4的所述容器，管(3)的端部(12)具有相对于所述管的公称直径减小的直径，且所述减小的直径与所述管板的孔(13)以小间隙相匹配，以这样的方式管(3)的端部(12)可以滑动配合插入管板的孔(13)中，且在所述端部(12)和管(3)的主体间的过渡处形成的环形表面(14)放置于所述孔周围的所述管板的表面，从而在所述管(3)和所述管板(4,5)间提供简支连接。
6.根据权利要求4所述容器，其特征在于，所述管板的孔(13)的直径基本上大于管末端的直径，且管(3)和所述管板(4,5)间的连接包含外径基本上与所述管板孔(13)的直径匹配的环形密封帽(31)，且具有基本上与所述管末端直径相匹配的内部通道(32)。
7.根据前述权利要求任一项所述容器，其特征在于，一个管板(4)固定在所述压力容器的壳体上，且另一个管板(5)在压力容器内浮动。
8.根据前述权利要求任一项所述容器，具有含固定下管板(4)的立式压力容器，其中所述管(3)的下端通过下管板简支连接，以使所述管上的垂直负荷由所述固定的下管板(4)承担。
9.根据权利要求8所述容器，具有浮动的上管板(5)，其放置在所述管的上端，所述上管板(5)由所述管(3)立式支撑且由所述压力容器(2)的内表面(17)引导。
10.根据权利要求8所述容器，其包含还与所述压力容器(2)构成整体的上管板(5a)，且其中所述管(3)的上端插入到所述管板(5a)的通孔(13)中。
11.根据前述权利要求任一项所述容器，其特征在于，所述管(3)具有模块化结构，各管包含几个管部分(3a–3c)。
12.根据权利要求11所述容器，其包含在所述管部分间具有简支连接的立式管(3)，其中最低的管部分(3c)放置在重整炉的下管板(4)上，且各管部分(3a，3b)简单依靠在下面的管部分上。
13.根据前述权利要求任一项所述容器，所述管(3)由非金属材料制成。
14.根据权利要求13所述容器，所述管(3)由工程陶瓷材料制成。
15.根据前述权利要求任一项所述容器，其特征在于，所述管具有至少部分具有催化活性的内表面和/或至少部分具有催化活性的外表面。
16.根据权利要求15所述容器，其特征在于，以涂层(20,21)或浸渍管(3)的至少部分内表面和/或至少部分外表面的形式提供所述具有催化活性的表面。
17.根据权利要求15或16所述容器，其特征在于，以涂层或所述管内表面的浸渍提供所述重整催化剂，且所述管配置有延伸催化剂支撑表面的装置，优选以插入在管内的螺旋支撑物并覆盖有催化剂或纵向翅片的形式。
18.根据前述权利要求任一项所述容器，所述容器为用于烃类重整的气体加热重整炉。
19.一种用于改进含第一管板，第二管板和一束在所述管板间延伸的金属管的压力容器的方法，所述方法包含如下步骤：移除原有金属管；通过提供适用于接收新管的多个插口(13)改进所述管板，或安装具有所述插口的新管板；新管安装在所述压力容器内，所述新管优选由陶瓷材料制成，且插入改进的或新安装的管板的插口内，以该方式实现在管的末端(12)和各自的第一管板或第二管板(4,5)间的简支连接。
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