CN106964301A - 内置原料预热及蒸汽过热装置的新型炉式反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内置原料预热及蒸汽过热装置的新型炉式反应器，通过在内部设置多腔体实现气体流道的上下翻转，通过在腔体侧壁开设打孔壁的方式实现气体引流，通过在催化剂外筒侧壁设置若干导热系数绝佳的导热棒将催化剂床层的反应热传导至粗煤气实现粗煤气预热，少量的粗煤气流体在催化剂外筒上段打孔壁面进入催化剂床层，实现了流体的轴、径向流动。在催化剂作用下变换反应后的气体分成两股，各自通过不同高度的打孔壁轴、径向流入内置换热器的壳侧，与管侧的蒸汽进行热量交换，最终实现蒸汽被加热，变换气被冷却的功能。本发明能够确保实现热量交换与变换反应，安全可靠，解决了催化剂超温问题，缩减了设备投资经费，减少了设备布置占地，缩短了变换主流程，易于操作，易于组装、维修与更换。
Description
技术领域
本发明涉及煤气化工艺变换工段等领域的高温、高压场合。
背景技术
在化工、石化等行业中，高温、高压、大直径的反应器使用日渐广泛。在化工领域的煤气化变换工段，变换炉是核心设备。为了实现粗煤气到变换合成气的气体变换，同时解决热量平衡问题，经常需要原料气预热器、蒸汽过热器配合变换炉实现其核心功能。工程实际中，这三台设备压力、温度均高，设计条件苛刻，制造要求很高，在投资与操作方面都占据了变换工段中较大的份额，且传统变换炉本身催化剂容易局部过热，因此如何解决此问题就显得非常重要。
基于此，笔者使用了此新型炉式反应器，该结构能将三台设备缩减为一台设备，在高压、高温工况下仅有一个承压外壳存在，减少了厚壁、大直径设备外壳的数量。此结构解决了超温问题，解决了能源消耗与投资过大的问题，从设备布置来说也缩减了装置用地。可用于高温、高压，需要通过催化剂实现化学反应的场合。
发明内容
本发明的目的是提供一种内置原料预热及蒸汽过热装置的新型炉式反应器，其主要用于变换工段，能够确保实现热量交换与变换反应，反应热可控，流程被缩短，减少了能源消耗，安全可靠。
本发明的技术方案是一种内置原料预热及蒸汽过热装置的新型炉式反应器，包括粗煤气进口、催化剂床层、催化剂内筒、压力外壳、催化剂外筒、换热管束和内封头，其特征在于反应器内置蒸汽过热器，蒸汽过热器的外壳就是反应器的催化剂内筒，在反应器催化剂外筒侧壁环形分布若干小孔，在催化剂床层上设有环状格栅；在催化剂外筒上部侧壁面设有开孔壁A区，在催化剂内筒下部侧壁面设有开孔壁B区，紧邻开孔壁B区的正上方设有筒体开孔壁C区；在催化剂外筒侧壁从开孔壁A区正下方起至催化剂床层下段止，沿圆周方向设置若干个导热系数好的高效导热棒；在换热管束上设有由圆盘-圆环形板组成的环形折流板；由催化剂外筒与压力外壳围成一个环形通道，由催化剂外筒与催化剂内筒围成一个填装催化剂的通道；由催化剂内筒与换热管束围成内置换热器的壳程，通过内部多通道布置实现气体流道的上下翻转。
其中，开孔壁B区开孔间距小，开孔数目多，开孔位置较低，实现变换气的轴向流动。
其中，于开孔壁C区开孔间距较大，开孔数目较少，开孔位置较高，实现变换气的径向流动。
其中，开孔壁A区在催化剂外筒上部侧壁面开孔，与环状格栅一同实现粗煤气的轴、径向流动。
其中，催化剂床层的气体分布是轴径向的，使得催化剂床层上覆盖的催化剂直径小。
其中，粗煤气从反应器底部粗煤气进口进入设备内部，进入到由催化剂外筒与催化剂内筒及内封头围成的密闭空间内，密闭空间内的粗煤气经由环形分布的若干小孔进入催化剂外筒与压力外壳间形成的环形通道；气体上升至壳体上部后，通过环状格栅进入催化剂床层，反应产生大量的反应热，反应热由若干高效导热棒从催化剂外筒传导至冷粗煤气侧，预热了环形通道内的冷粗煤气，实现了原料气预热器的功能；少量的粗煤气流体在催化剂外筒上侧壁面的开孔壁A区进入催化剂床层，与环状格栅一同实现流体的轴、径向流动；经过预热的粗煤气经由环状格栅和开孔壁A区进入催化剂外筒与催化剂内筒围成的填装催化剂的通道，实现变换炉的气体变换功能；经过气体变换的粗煤气转化为变换气，部分变换气经由开孔壁B区进入到内置换热器的壳程实现轴向流动，其余变换气通过紧邻开孔壁B区正上方的筒体开孔壁C区径向进入内置换热器的壳程；由开孔壁B区和开孔壁C区两开孔区进入的变换气互相混合，流入由催化剂内筒与换热管束围成的内置换热器壳程，经由环形折流板与上进下出的管内蒸汽完成逆流换热，最终实现蒸汽过热器的功能。
本发明提供的新型炉式反应器，通过在内部设置多腔体实现气体流道的上下翻转，通过在腔体侧壁开设打孔壁的方式实现气体引流，通过在催化剂外筒侧壁设置若干导热系数绝佳的导热棒将催化剂床层的反应热传导至粗煤气实现粗煤气预热，少量的粗煤气流体在催化剂外筒上段打孔壁面进入催化剂床层，实现了流体的轴、径向流动。在催化剂作用下变换反应后的气体分成两股，各自通过不同高度的打孔壁轴、径向流入内置换热器的壳侧，与管侧的蒸汽进行热量交换，最终实现蒸汽被加热，变换气被冷却的功能。
本发明反应器内置蒸汽过热器，蒸汽过热器的压力外壳就是反应器的催化剂内筒体，压力低，壁厚薄，在高压、高温工况下仅有一个承压外壳存在，减少了厚壁、大直径设备外壳的数量。
本发明提供的新型炉式反应器，气体处于轴、径向流动且采用了若干高效导热棒及时将热量传导至冷粗煤气侧，代替了传统的原料气预热器对粗煤气进行预热，减少了高压承压外壳的使用，可以解决催化剂局部超温现象。因为轴、径向流动的气体一部分从外向内流动，反应器壳体处于相对低温运行，同时高效导热棒的采用也及时将热量传导至冷粗煤气侧，解决了局部超温现场，因此更加安全可靠。此设备的采用致使变换主流程缩短，设备及管线数量变少，缩减了投资经费，减少了布置占地，易于操作，易于维修更换。
本发明提供的新型炉式反应器，能将三台设备缩减为一台设备，在高压、高温工况下仅有一个承压外壳存在，减少了厚壁、大直径设备外壳的数量。此结构解决了超温问题，解决了能源消耗与投资过大的问题，从设备布置来说也缩减了装置用地。可用于高温、高压，需要通过催化剂实现化学反应的场合。
附图说明
图1-1是传统轴向变换炉工作原理图。
图1-2是新型炉式反应器工作原理图。
图2-1是传统轴向变换炉主流程图。
图2-2是新型炉式反应器主流程图。
图3是新型炉式反应器的结构示意图。
附图标号：粗煤气进口-1、变换气出口-2、环形分布的若干小孔-3、高效导热棒-4、催化剂床层-5、开孔壁B区-6、催化剂内筒-7、蒸汽进口-8、过热蒸汽出口-9、卸料口-10、人孔-11、开孔壁C区-12、环状格栅-13、压力外壳-14、催化剂外筒-15、开孔壁A区-16、环形折流板-17、换热管束-18、内封头-19。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的内容。
如图3所示，粗煤气从反应器底部粗煤气进口(1)通过底部封头进入设备，气体通过环形分布的若干小孔(3)进入催化剂外筒(15)与压力外壳(14)间的环形流道，气体上升至壳体上部后，通过环状格栅(13)进入催化剂床层(5)，反应产生大量的反应热，反应热由若干高效导热棒(4)从催化剂外筒(15)传导至粗煤气侧，起到了预热粗煤气的作用。少量的粗煤气流体在催化剂外筒(15)上侧壁面的开孔壁A区(16)进入催化剂床层(5)，与环状格栅(13)一同实现流体的轴、径向流动。粗煤气穿过催化剂床层(5)后成为变换气，变换气后经开孔壁B区(6)进入催化剂内筒(7)也就是换热管束(18)的壳程实现轴向流动，此开孔壁B区(6)开孔间距小，开孔数目多。紧邻(6)的正上方筒体设置开孔壁C区(12)，此段变换气通过径向进入换热管束(18)的壳程，此开孔壁C区(12)开孔间距较大，开孔数目较少，两开孔区的变换气混合，经圆盘-圆环形板组成的环形折流板(17)折流，与管内上进下出的蒸汽实现逆流换热。
蒸汽进口(8)位于内置换热器的上管箱，蒸汽经由换热管束(18)内部被加热成为过热蒸汽，由过热蒸汽出口(9)送至系统管线，与壳侧的变换气实现换热，最终变换气由变换气出口(2)送至系统管线，顶部人孔(11)实现内置换热管束(18)的装卸，下封头卸料口(10)用来卸内部填料。此设备通过打孔壁的设置实现了流体的轴、径向流动，通过内置换热管束(18)实现了蒸汽过热器的功能，通过高效导热棒实现了粗煤气原料预热功能，是一炉多能的高效率设备。
在设备催化剂外筒(15)侧壁(从开孔壁A区(16)下方起至催化剂床层(5)下段止)沿圆周方向，设置若干个导热系数好的导热棒(4)，将内部反应热传导至冷粗煤气气体侧，用以加热粗煤气。此处的高效导热棒(4)相当于传统原料气预热器的换热管，此处实现了换热功能，又不需另外设置换热管。
此处的压力外壳(14)相当于原流程中的原料气预热器的压力外壳，同时它又是反应器的外壳体(相当于原流程中的变换炉外壳)，此结构的使用使得高温高压下的压力外壳减少一个，合二为一。
环形分布的若干小孔(3)设置在催化剂外筒(15)侧壁下段，沿圆周方向均匀分布。粗煤气由粗煤气进口(1)进入设备内部，进入到由催化剂外筒(15)与催化剂内筒(7)及内封头(19)围成的密闭空间内。这时，沿圆周方向均匀开设的若干小孔(3)就起到了导流与气体分布的作用，粗煤气经过若干小孔后，进入环形通道，实现轴对称的均匀流动。
环形通道中的大量粗煤气经过环状格栅(13)以轴向方向进入催化剂床层(5)，之所以在催化剂外筒(15)侧壁的上段设置开孔壁A区(16)就是为了让少量的粗煤气经过开孔壁以径向的方式进入催化剂床层(5)。开孔壁A区的设置使得反应器上段的粗煤气气体实现了轴向和径向流动，最终所需的催化剂直径也较小。之所以仅仅在内壳体的上部设置一段开孔壁A区(16)，是为了使粗煤气在环形通道内多停留一段时间，以便被高效导热棒(4)充分加热，提高进入催化剂床层(5)的粗煤气温度，假设将催化剂外筒(15)侧壁大范围打孔，则无法实现粗煤气的充分预热。基于此，将开孔壁A区(16)设置在上段既可以实现粗煤气被预热的目的，又可以实现部分气体的径向流动，可谓是一举两得。
在催化剂作用下变换反应后，粗煤气转化为变换气。为了实现导流与分布的功能，在催化剂内筒(7)侧壁下段，也就是催化剂床层(5)的下段设置两段开孔密度不同，开孔高度不同的开孔壁。在最下段设置开孔壁B区(6)，此处开孔间距小，开孔数目多，大量变换气进入催化剂内筒(7)，也就是进入换热管束(18)的壳程实现轴向流动。紧邻其正上方的催化剂内筒(7)侧壁设置开孔壁C区(12)，此处开孔间距较大，开孔数目较少，少量变换气通过径向方向进入换热管束(18)的壳程，由两开孔区分别流入的变换气在换热管束(18)的壳程内部实现了轴、径向流动，实现了均匀分布。之所以仅仅在催化剂内筒(7)的下段设置开孔壁B区(6)和开孔壁C区(12)，是为了进入催化剂床层(5)的粗煤气几乎能够全部通过催化剂床层，较好实现粗煤气到变换气的反应过程。假设将开孔壁设置在催化剂内筒(7)壳体的全段，则无法保证粗煤气到变换气的充分转换。如前文所述，之所以设置开孔密度不同，高度不同的两段开孔壁，其实也是为了实现气体的轴、径向流动。不同的是，此处是将变换气导流至催化剂内筒(7)实现轴、径向流动，而开孔壁A区(16)的设置是为了将粗煤气导流至催化剂床层实现轴、径向流动。
环状格栅(13)的设置是为了实现气体分布，同时对催化剂起到限位作用。
环形折流板(17)是由圆盘-圆环形板组成。因为开孔壁B区(6)和开孔壁C区(12)是沿圆周设置，变换气得以均匀进入换热器壳程，使用环形折流板(17)就是为了使催化剂床层(5)内的变换气始终保持轴对称的均匀流动，始终不会出现偏流现象。
内封头(19)是由催化剂内筒(7)与催化剂外筒(15)支撑。
如图1-2所示，粗煤气先是通过环形分布的若干小孔(3)进入环形流道后，气体为轴向流向，气体分别从顶部和开孔壁A区(16)进入催化剂床层(5)，成功实现了轴、径向流动。
如图2-2所示，新型炉式反应器的采用大大缩短了变换主流程，起到了明显的优化作用。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。
凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种内置原料预热及蒸汽过热装置的新型炉式反应器，包括粗煤气进口(1)、催化剂床层(5)、催化剂内筒(7)、压力外壳(14)、催化剂外筒(15)、换热管束(18)和内封头(19)，其特征在于反应器内置蒸汽过热器，蒸汽过热器的外壳就是反应器的催化剂内筒(7)，在反应器催化剂外筒(15)侧壁环形分布若干小孔(3)，在催化剂床层(5)上设有环状格栅(13)；在催化剂外筒(15)上部侧壁面设有开孔壁A区(16)，在催化剂内筒(7)下部侧壁面设有开孔壁B区(6)，紧邻开孔壁B区(6)的正上方设有筒体开孔壁C区(12)；在催化剂外筒(15)侧壁从开孔壁A区(16)正下方起至催化剂床层(5)下段止，沿圆周方向设置若干个导热系数好的高效导热棒(4)；在换热管束(18)上设有由圆盘-圆环形板组成的环形折流板(17)；
由催化剂外筒(15)与压力外壳(14)围成一个环形通道，由催化剂外筒(15)与催化剂内筒(7)围成一个填装催化剂的通道；由催化剂内筒(7)与换热管束(18)围成内置换热器的壳程，通过内部多通道布置实现气体流道的上下翻转。
2.如权利要求1所述的内置原料预热及蒸汽过热装置的炉式反应器，其特征在于开孔壁B区(6)开孔间距小，开孔数目多，开孔位置较低，实现变换气的轴向流动。
3.如权利要求1所述的内置原料预热及蒸汽过热装置的炉式反应器，其特征在于开孔壁C区(12)开孔间距较大，开孔数目较少，开孔位置较高，实现变换气的径向流动。
4.如权利要求1所述的内置原料预热及蒸汽过热装置的炉式反应器，其特征在于开孔壁A区(16)在催化剂外筒(15)上部侧壁面开孔，与环状格栅(13)一同实现粗煤气的轴、径向流动。
5.如权利要求1所述的内置原料预热及蒸汽过热装置的炉式反应器，其特征在于催化剂床层(5)的气体分布是轴径向的，使得催化剂床层(5)上覆盖的催化剂直径小。
6.如权利要求1所述的内置原料预热及蒸汽过热装置的炉式反应器，其特征在于粗煤气从反应器底部粗煤气进口(1)进入设备内部，进入到由催化剂外筒(15)与催化剂内筒(7)及内封头(19)围成的密闭空间内，密闭空间内的粗煤气经由环形分布的若干小孔(3)进入催化剂外筒(15)与压力外壳(14)间形成的环形通道；气体上升至壳体上部后，通过环状格栅(13)进入催化剂床层(5)，反应产生大量的反应热，反应热由若干高效导热棒(4)从催化剂外筒(15)传导至冷粗煤气侧，预热了环形通道内的冷粗煤气，实现了原料气预热器的功能；少量的粗煤气流体在催化剂外筒(15)上侧壁面的开孔壁A区(16)进入催化剂床层(5)，与环状格栅(13)一同实现流体的轴、径向流动；经过预热的粗煤气经由环状格栅(13)和开孔壁A区(16)进入催化剂外筒(15)与催化剂内筒(7)围成的填装催化剂的通道，实现变换炉的气体变换功能；经过气体变换的粗煤气转化为变换气，部分变换气经由开孔壁B区(6)进入到内置换热器的壳程实现轴向流动，其余变换气通过紧邻开孔壁B区(6)正上方的筒体开孔壁C区(12)径向进入内置换热器的壳程；由开孔壁B区(6)和开孔壁C区(12)两开孔区进入的变换气互相混合，流入由催化剂内筒(7)与换热管束(18)围成的内置换热器壳程，经由环形折流板(17)与上进下出的管内蒸汽完成逆流换热，最终实现蒸汽过热器的功能。
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