CN109225074A - 一种可变温等温变换反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种可变温等温变换反应器，包括炉体和设置在炉体内的催化剂框，催化剂框的中部设有变换气收集管，变换气收集管的出口连接界外；催化剂框的壁上设有连通催化剂框内外空间的通孔；催化剂框与合成气收集管之间的空腔内设有多根换热管；其特征在于换热管包括外管和内管；外管的第一端口封闭，内管从外管的第二端口插入到外管内，内管的第一端口靠近外管的第一端口并连通外管的内腔，内管的第二端口连接原料气管道；外管的第二端口连通催化剂框与炉体之间的空腔；各内管的第二端口均连接原料气管道；外管的第二端口连通催化剂框与炉体之间的空腔。

Description

一种可变温等温变换反应器

技术领域

本发明涉及到化工设备，尤其涉及一种等温变换反应器。

背景技术

CO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(反应活性能)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气粗煤气换热器，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和效率。但是因为变换器出口温度很高，变换反应的压力很高，通常在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可达4800mm，设备炉体厚度达110mm，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。

由于变换炉内的介质成份不同，当水气比过低时，会造成温度迅速上升，当热量撤走不及时就会出现飞温(设备内反应区急剧上升)等现象。设备内温度过高后，还有可能引起甲烷化反应，当这种情况出现时，设备内的温度可达600℃～800℃，此种工况出现时会使催化剂因温度过高失去活性，需要更换催化剂，造成重大经济损失。而且，当设备壁温度过高，也会使设备强度急剧下降，给整个装置的生产带来巨大的安全风险。

为了控制CO变换反应能在设计温度下稳定进行，通常采用在反应器内设置换热管，通过向换热管内通冷却水移走变换反应产生的热量，从而控制反应温度。

但是随着反应的进行，催化剂活性降低，导致催化剂的活性温度升高，由初期的240℃左右升高至280℃左右，这就要求反应温度随之升高。目前解决该问题的方法通常是在反应后期提高冷却水和换热蒸汽温度，导致对设备要求严苛外，且后续配套管线和设备需要做相应的改变。带来一系列的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种不需要增加设备壁厚即能够在催化剂整个活性期内维持恒定产率的可变温等温变换反应器。

本发明所要解决的另一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种不需要增加设备壁厚即能够在催化剂整个活性期内维持恒定产率的等温变换反应装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该可变温等温变换反应器，包括炉体和设置在炉体内的催化剂框，所述催化剂框的中部设有变换气收集管，所述变换气收集管的出口连接界外；所述催化剂框的壁上设有连通所述催化剂框内外空间的通孔；所述催化剂框与所述合成气收集管之间的空腔内设有多根换热管；

其特征在于所述换热管包括外管和内管；所述外管的第一端口封闭，所述内管从所述外管的第二端口插入到所述外管内，所述内管的第一端口靠近所述外管的第一端口并连通所述外管的内腔，所述内管的第二端口连接原料气管道；

所述外管的第二端口连通所述催化剂框与所述炉体之间的空腔；各所述内管的第二端口均连接原料气管道；

所述外管的第二端口连通所述催化剂框与所述炉体之间的空腔。

为进一步保证换热效果，可以在所述内管与所述外管之间的空腔内设有扰流板，以增加原料气的停留时间，使得原料气与催化剂床层之间的换热更充分。

较好的，所述扰流板沿所述内管的轴线方向螺旋布置。

作为上述各方案的进一步改进，所述外管的第二端口可以具有向外翻折的折边，所述折边支撑设置在所述催化剂框的端面上。该结构方便换热管的安装和固定。

进一步地，作为上述各方案的改进，所述换热管可以分为两组，对应地，所述原料气输送管道也有两根；

其中第一组换热管的内管的第二端口连接第一原料气输送管道，第二组换热管的内管的第二端口连接第二原料气输送管道；

所述第二原料气输送管道连接第一支路和第二支路；所述第一支路和第二支路上分别设有第一阀门和第二阀门；

第二组换热管中的各内管均连通第一支路，第二支路通过换热器连接所述炉体上的进气口。

所述第二支路连通所述换热器的第一通道；所述合成气收集管的出口通过合成气输出管道连接所述换热器的第二通道。

于各所述换热管分为两组，对应地，所述原料气输送管道也有两根；

其中第一组换热管的内管的第二端口连接第一原料气输送管道，第二组换热管的内管的第二端口连接第二原料气输送管道；

所述第二原料气输送管道连接第一支路和第二支路；所述第一支路和第二支路上分别设有第一阀门和第二阀门；

第二组换热管中的各内管均连通第一支路，第二支路连接变换气输出管道，所述变换气输出管道连接所述变换气收集管的出口。

换热管分为两组，克服了现有技术中只采用一组换热管、通过提高蒸汽压力来保证装置运行后期催化剂的活性温度的偏见，将等温变换反应装置设计成可变温的等温变换反应装置，两组换热管的设计，能够根据装置运行各阶段催化剂的活性要求改变撤热量，从而满足不同反应阶段催化剂活性温度的要求，维持产率恒定，同时避免了现有技术中反应后期需要升高汽包和换热管内压力来提高反应温度的方法所导致的换热管壁厚增加、汽包壁厚增加以及配套管线及设备需要改变等问题，降低了设备投资，避免了后期控制难的问题。

较好的，各所述换热管在所述催化剂床层空间的横截面上沿径向方向呈放射状布置。各换热管呈放射状布置，还方便了催化剂卸料。检修时，对积结的催化剂块，工具可以从相邻放射线之间间隙中插入，以方便敲碎催化剂块；同时也方便了催化剂的装填，装填催化剂时，仅需简单地将催化剂从上方倒入催化剂框内，催化剂颗粒即会沿各换热管之间的间隙下落，并且因为这些间隙自上至下是畅通无阻碍的，因此催化剂下落过程中不会被阻挡，能够均匀地布满整个催化剂框的内腔。

进一步地，各所述换热管还可以在所述催化剂床层横截面上在以所述催化剂框的轴线为中心的多个同心圆周线上均匀布置。该设计进一步保证了催化剂床层撤热的均匀性。

较好地，可以将所述催化剂床层空间的横截面自内至外分为三个区域，位于内侧的第一区域和位于外侧的第三区域中只布置了所述第一组换热管中的换热管；位于中间的第二区域中同时布置了第一组换热管中的换热管和第二组换热管中的各换热管，并且第二组换热管中的各换热管与第一组换热管中的换热管在周向方向上依次交替布置。

优选同一周线上相邻换热管之间的间距m控制在30～150mm，同一放射线上相邻换热管之间的间距n控制在30～150mm；

并且，m-n的绝对值为0～50mm。

更好地，所述m为30～100mm，，n在30～100mm。

上述各方案中，为方便检修，所述合成气收集管可以由多段筒体依次可拆卸连接而成，所述筒体的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯。

与现有技术相比，本发明所提供的等温变换反应装置，将换热管设计为内、外套管结构，以保证原料气的停留时间和充分撤热，从而精确控制催化剂床层的反应温度，保证反应效果。优选方案能够根据装置运行的不同阶级改变催化剂床层的撤热量，从而不需要增加设备壁厚即能够在装置运行全过程、催化剂整个活性期内维持恒定的产率。

附图说明

图1为本发明实施例的纵向剖视图；

图2为本发明实施例的流程图；

图3为本发明实施例中第二支管的另一种连接方式；

图4为本发明实施例换热管的纵向剖视图；

图5为图1的横向剖视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图5所示，该可变温等温变换反应器包括：

炉体1，为常规结构，包括上封头11、下封头12和连接在上封头11和下封头12之间的筒体13。炉体的顶部设有原料气入口14，下封头上设有人孔15。

催化剂框2，用于装填催化剂，设置在筒体13内。催化剂框2可以根据需要选用现有技术中的任意一种，本实施例为径向反应器。催化剂框与筒体13之间的间隙形成原料气通道，催化剂框的侧壁上设有多个通孔(图中未示出)，预热后的原料气从原料气通道经由催化剂框2侧壁上的各通孔径向进入到催化剂框内的催化剂床层。

合成气收集管3，用于收集合成气，并将合成气通过合成气管道33送出炉体1，设置在催化剂框2空腔内的中部位置，由多段筒体31依次可拆卸连接而成，本实施例中各筒体31之间通过法兰34连接；筒体31的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯32。端盖可拆卸连接在合成气收集管3的上端口上，合成气收集管3的下端口连接合成气管道33，将合成气送出界外；合成气管道33还连接有旁路34，旁路34上设有阀门35，旁路34连接换热器54的第二通道，与第一通道内的第二原料气换热。

换热管4，有多根，设置在催化剂框2与合成气收集管3之间的空间中，各换热管4沿催化剂框2的径向方向呈放射状布置，同时各换热管4还在以催化剂框的轴线为中心的多个同心圆周线上均匀布置。各换热管4均包括外管41和内管42；外管41的第一端口即下端口封闭，内管42从外管的第二端口即上端口插入到外管41内，内管的第一端口靠近外管的第一端口并连通外管41的内腔，内管的第二端口连接原料气管道；

外管的第二端口连通催化剂框2与炉体1之间的空腔。

内管42与外管41之间的空腔内设有扰流板43。扰流板43沿内管42的轴线方向螺旋布置；扰流板的两边缘分别连接在内管的外侧壁上和外管的内侧壁上。

外管41的第二端口具有向外翻折的折边44，折边44支撑在催化剂框2的上端面上。

本实施例中，各换热管的布置原则为：周向方向上，相邻换热管之间的周向间距m控制在30～50mm之间。同一径线方向上，相邻换热管之间的间距控制n在30～50mm，并且m-n的绝对值控制在0～30mm之间。

各换热管之间的间距还可以根据管径以及催化剂的动力学方程，选用其它尺寸，m优选30～150mm，n优选30～50mm。

本实施例中的换热管分为两组，即第一组换热管4a和第二组换热管4b，其中第一组换热管4a由多根换热管组成，第二组换热管由多根换热管组成。为便于区别、查看，图2中第一换热管用空心圆表示，带有阴影的为第二换热管。

各换热管4在催化剂框的径向方向上分三个区域布置，分别为靠近变换气收集管3的第一区域和靠近催化剂框的外周缘的第三区域以及两者之间的第二区域；其中第一区域和第三区域中只布置有第一组换热管4a；第二区域内同时布置有第一组换热管和第二组换热管，并且第一组换热管中的各换热管和第二组换热管中的各换热管在周向方向上依次交替布置。

对应于两组换热管，原料气输送管道也有两组；其中第一原料气输送管道51a通过第一气体分布器52a连接第一组换热管中各内管的上端口，第一原料气输送管道51a上还设有膨胀节55，用于吸收反应热，适配装置运行时的膨胀变形。

第二原料气输送管道52连接第一支路52a和第二支路52b；所述第一支路52a和第二支路52b上分别设有第一阀门53a和第二阀门53b；

第二组换热管中的各内管均连通第一支路52a，第二支路52b通过换热器54的第一通道连接所述炉体1上的进气口14。如图1所示。

第二支路的连接还可以采用如图2所示的路径，即，第二支路52b连接变换气输出管道33，所述变换气输出管道33连接所述变换气收集管3的出口。将这部分不参加换热的原料气直接与合成气回流后送去下游。

本实施例中，各换热管内管的管径相等，外管的管径相等；第二组换热管的数量为第一组换热管数量的20％，以使第二组换热管中各外管的内腔横截面积之和为第一组换热管中各外管内腔横截面面积之和的20％。该比例可以根据所使用催化剂的动力学方程计算，控制在15～30％为佳。

这样，在第二组换热管4b停用后，第一组换热管中的各换热管仍旧能够将催化剂床层中的热量均匀撤走。

装置运行初期，催化剂活性高，打开第一支管上的阀门，关闭第二支管上的阀门，两组换热管同时工作，撤走的反应热量多，催化剂床层维持在设定的温度下进行变换反应，产率恒定在设定值；装置运行后期，由于催化剂活性降低，催化剂活性温度升高，关闭第一支管上的阀门，打开第二支管上的阀门，第二原料气管道内的原料气进入换热器与合成气换热至反应温度后，从进料口进入炉体，减少催化剂床层的撤热量，此时催化剂床层温度上升至催化剂的活性温度，变换反应正常进行，产率仍旧维持在设计值，不需要改变配套管线和设备的参数。

Claims (12)

1.一种可变温等温变换反应器，包括炉体(1)和设置在炉体(1)内的催化剂框(2)，所述催化剂框(2)的中部设有变换气收集管(3)，所述变换气收集管(3)的出口连接界外；所述催化剂框的壁上设有连通所述催化剂框内外空间的通孔；所述催化剂框(2)与所述合成气收集管(3)之间的空腔内设有多根换热管(4)；

其特征在于所述换热管(4)包括外管(41)和内管(42)；所述外管(41)的第一端口封闭，所述内管(42)从所述外管的第二端口插入到所述外管(41)内，所述内管的第一端口靠近所述外管的第一端口并连通所述外管(41)的内腔，所述内管的第二端口连接原料气管道；

所述外管的第二端口连通所述催化剂框(2)与所述炉体(1)之间的空腔；各所述内管的第二端口均连接原料气管道；

所述外管的第二端口连通所述催化剂框(2)与所述炉体(1)之间的空腔。

2.根据权利要求1所述的可变温等温变换反应器，其特征在于所述内管(42)与所述外管(41)之间的空腔内设有扰流板(43)。

3.根据权利要求2所述的可变温等温变换反应器，其特征在于所述扰流板(43)沿所述内管(42)的轴线方向螺旋布置。

4.根据权利要求1所述的可变温等温变换反应器，其特征在于所述外管(41)的第二端口具有向外翻折的折边(44)，所述折边(44)支撑设置在所述催化剂框(2)的端面上。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的可变温等温变换反应器，其特征在于各所述换热管(4)分为两组，对应地，所述原料气输送管道(5)也有两根；

其中第一组换热管(4a)的内管(42)的第二端口连接第一原料气输送管道(51)，第二组换热管(4b)的内管的第二端口连接第二原料气输送管道(52)；

所述第二原料气输送管道(52)连接第一支路(52a)和第二支路(52b)；所述第一支路(52a)和第二支路(52b)上分别设有第一阀门(53a)和第二阀门(53b)；

第二组换热管中的各内管均连通第一支路(52a)，第二支路(52b)通过换热器(54)连接所述炉体(1)上的进气口(15)。

6.根据权利要求5所述的可变温等温变换反应器，其特征在于所述第二支路(52b)连通所述换热器(54)的第一通道；所述合成气收集管的出口通过合成气输出管道(33)连接所述换热器(54)的第二通道。

7.根据权利要求1至4任一权利要求所述的可变温等温变换反应器，其特征在于各所述换热管(4)分为两组，对应地，所述原料气输送管道(5)也有两根；

其中第一组换热管(4a)的内管(42)的第二端口连接第一原料气输送管道(51)，第二组换热管(4b)的内管的第二端口连接第二原料气输送管道(52)；

所述第二原料气输送管道(52)连接第一支路(52a)和第二支路(52b)；所述第一支路(52a)和第二支路(52b)上分别设有第一阀门(53a)和第二阀门(53b)；

第二组换热管中的各内管均连通第一支路(52a)，第二支路(52a)连接变换气输出管道(33)，所述变换气输出管道(33)连接所述变换气收集管(3)的出口。

8.根据权利要求7所述的可变温等温变换反应器，其特征在于各所述换热管(4)在所述催化剂床层空间的横截面上沿径向方向呈放射状布置。

9.根据权利要求8所述的可变温等温变换反应器，其特征在于各所述换热管在所述催化剂床层横截面上在以所述催化剂框的轴线为中心的多个同心圆周线上均匀布置。

10.根据权利要求9所述的可变温等温变换反应装置，其特征在于所述催化剂床层空间的横截面自内至外分为三个区域，位于内侧的第一区域和位于外侧的第三区域中只布置了所述第一组换热管中的换热管；位于中间的第二区域中同时布置了第一组换热管中的换热管和第二组换热管中的各换热管，并且第二组换热管中的各换热管与第一组换热管中的换热管在周向方向上依次交替布置。

11.根据权利要求10所述的可变温等温变换反应器，其特征在于同一周线上相邻换热管之间的间距m控制在30～150mm，同一放射线上相邻换热管之间的间距n控制在30～150mm；

并且，m-n的绝对值为0～50mm。

12.根据权利要求11所述的可变温等温变换反应器，其特征在于所述m为30～100mm，，n在30～100mm。