CN109261081B - 一种可变温等温变换反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到一种可变温等温变换反应器，包括炉体(1)和设置在所述炉体(1)内的催化剂框(2)，所述催化剂框(2)的中部设有合成气收集管(3)，换热管设置在所述催化剂框(2)内，换热管的进口连接进水管道，换热管的出口连接蒸汽管道；其特征在于所述换热管至少有两组，所述进水管道和所述出水管道的数量与所述换热管的组数相匹配；各组换热管的入口分别连接各自对应的进水管道，各组换热管的出口分别连接各自对应的蒸汽管道；并且，各进水管道上均设有阀门。

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
Figure BDA0001820018480000011
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，设备壳体厚度达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，这必然会导致汽包以及换热管内压力急剧增大；同时要相应地提高汽包以及换热管的设计壁厚。这样除了对设备要求严苛外，还会导致一系列其他问题，例如由于换热管壁厚的增加，会导致换热管的传热系数降低，反应前期的换热量也需要增加；并且，由于出汽包蒸汽的温度和压力的改变，必然导致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，包括炉体和设置在所述炉体内的催化剂框，所述催化剂框的中部设有合成气收集管，换热管设置在所述催化剂框内，换热管的进口连接进水管道，换热管的出口连接蒸汽管道；
其特征在于所述换热管至少有两组，所述进水管道和所述出水管道的数量与所述换热管的组数相匹配；各组换热管的入口分别连接各自对应的进水管道，各组换热管的出口分别连接各自对应的蒸汽管道；并且，各进水管道上均设有阀门。
所述换热管有两组，包括第一组换热管和第二组换热管，其中第一组换热管由多根第一换热管组成，第二组换热管由多根第二换热管组成。
各所述第二换热管与各所述第一换热管一一对应设置，并且各所述第二换热管的横截面面积之和为各所述第一换热管的横截面面积之和的15～60％。
所述第一换热管沿所述炉体的径向方向呈放射状布置；所述第二换热管沿所述炉体的径向方向呈放射状布置。
所述第二换热管与第一换热管不在同一放射线上，并且各所述第二换热管所在的放射线位置与对应位置上的各所述第一换热管所在的放射线依次交错布置。
各所述换热管在周向方向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。
同一周线上相邻换热管之间的间距m控制在30～150mm，优选30～100mm，同一放射线上相邻换热管之间的间距n控制在30～150mm，优选30～100mm；
并且，m-n的绝对值为0～50mm，优选0～50mm。
所述第二换热管在所述炉体的径向方向上分两个区域布置，其中第一区域靠近所述气体收集管，第二区域靠近所述催化剂框的外周缘。
各所述第二换热管螺旋盘绕在各自对应的所述第一换热管上。
所述合成气收集管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。
所述进水管道包括进水连接管和与所述进水连接管的出口相连通的管箱；各所述第一换热管的入口和各所述第二换热管的入口分别连通各自所对应的所述管箱上的各出口。
上述各方案中，各换热管组可以共用一个蒸汽管道；为避免蒸汽憋在停工的换热管内，所述蒸汽管道可以包括连接所述汽包的蒸汽连接管和蒸汽收集管，所述蒸汽收集管的出口连接所述蒸汽连接管；各所述第一换热管的出口和所述第二换热管的出口分别连通各自对应的所述蒸汽收集管上各入口。
所述蒸汽连接管上设有膨胀节。
与现有技术相比，本发明所提供的可变温等温变换反应器，克服现有技术的偏见，将等温变换反应器设计成可变温的等温变换反应器，通过多组换热管的设计，能够根据反应各阶段催化剂的活性要求改变撤热量，从而满足各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，避免了前后期控制难的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1的纵向剖视图；
图2为本发明实施例1的横向剖视图；
图3为图2中A部分的局部放大图；
图4为图2中B部分的局部放大图；
图5为本发明实施例2的横向剖视图；
图6为图3中C部分的局部放大图；
图7为本发明实施例2中第一换热管和第二换热管的缠绕结构示意图；
图8为本发明实施例2中第一换热管和第二换热管之间的连接结构示意图。
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4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。
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，例如可以是轴向反应器，也可以是径向反应器，或者还可以是轴径向反应器，根据需要设定即可。本实施例为径向反应器，原料气从催化剂框2的侧壁进入到催化剂框内。
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。
换热管，设置在催化剂框2与合成气收集管3之间的空间中，有两组，包括第一组换热管和第二组换热管，其中第一组换热管由多根第一换热管41组成，第二组换热管由多根第二换热管42组成。为便于区别、查看，图2中第一换热管用空心圆表示，第二换热管有实心圆表示。
本实施例中的各第一换热管41和各第二换热管42穿过催化剂床的部分均各自沿催化剂框2的径向方向呈放射状布置，第二换热管42与第一换热管41不在同一放射线上，并且各第二换热管42所在的放射线位置与对应位置上的各所述第一换热管41所在的放射线依次交错布置。
考虑到反应后期撤热的均匀性，本实施例中在整个催化剂床层内由内而外均设有第一换热管41；而各第二换热管42在催化剂框的径向方向上分两个区域布置，其中第一区域靠近气体收集管3，第二区域靠近催化剂框的外周缘。
本实施例中，各换热管的布置原则为：周向方向上，相邻第一换热管之间的周向间距控制在30～100mm之间；加入第二换热管42后，相邻换热管之间的间距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。
并且，各第二换热管42的内腔的横截面面积之和为各第一换热管41的内腔的横截面面积之和的33％。该比例可以根据所使用催化剂的动力学方程计算，控制在15～60％。
这样，在第二换热管42停用后，各第一换热管仍旧能够将催化剂床层中的热量均匀撤走。并且，在第二换热管启用时，由于各第二换热管大部分是靠近催化剂框的边缘设置，且设置在相邻的第一换热管的放射线之间，因此在催化剂活性较高的装置运行前期，第二换热管的布置填补了外周围相邻放射线上的第一换热管之间间距较大的问题，使得催化剂活性较高状态下能够均匀撤热。
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。
进水管道，用于连通汽包(图中未示出)和各换热管，包括进水连接管51和与进水连接管51的出口相连通的管箱52；进水连接管51上设有阀门56。本实施例中进水管道有两组，分别对应连接汽包和第一组换热管、汽包和第二组换热管；各所述第一换热管的入口和各所述第二换热管的入口分别连通各自所对应的所述管箱52上的各出口；两个管箱52上、下布置。
所述蒸汽管道包括连接所述汽包的蒸汽连接管53和蒸汽收集管54，所述蒸汽收集管54的出口连接所述蒸汽连接管53；各所述第一换热管的出口和所述第二换热管的出口分别连通各自对应的所述蒸汽收集管54上各的入口。
膨胀节55，设置在两根蒸汽连接管53上，提供蒸汽连接管的膨胀余量。
装置运行初期，催化剂活性高，控制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；维持汽包及其内锅炉水、蒸汽压力等参数不变，关闭第二换热管，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，并且出汽包的蒸汽压力不变，不需要改变配套管线和设备的参数。
实施例2
如图5至图8所示，本实施例中，第一换热管41和第二换热管42一一对应布置。本实施例中将第二换热管42螺旋缠绕在第一换热管41上，如图3所示，两者之间通过管卡43连接在一起。
各第一换热管41和对应的第二换热管42也可以直立设置，相对应的两根第一换热管和第二换热管之间通过连接件定位；或者，还可以是第一换热管螺旋缠绕在第二换热管上；或者，也可以是对应的两根第一换热管和第二换热管螺旋缠绕在一起。
第二换热管42的内径为第一换热管41的内径的五分之一；缠绕后的第一换热管和第二换热管形成一对换热管，各对换热管沿催化剂框的同心圆周向方向布置，并且相邻圆周线之间的间隔相同，同一周线上相邻换热管对之间的间距相同，以达到均匀取热的目的，避免局部飞温现象的发生。
如果有三组换热管，甚至更多组换热管，各组换热管中相对应的三根换热管或更多根换热管也可按上述方式布置；各换热管的管径与各阶段催化剂的活性温度相匹配。
其余内容与实施例1相同。

Claims (9)

1.一种可变温等温变换反应器，包括炉体(1)和设置在所述炉体(1)内的催化剂框(2)，所述催化剂框(2)的中部设有合成气收集管(3)，换热管设置在所述催化剂框(2)内，换热管的进口连接进水管道，换热管的出口连接蒸汽管道；
其特征在于所述换热管至少有两组，所述进水管道和所述出水管道的数量与所述换热管的组数相匹配；各组换热管的入口分别连接各自对应的进水管道，各组换热管的出口分别连接各自对应的蒸汽管道；并且，各进水管道上均设有阀门；
所述换热管有两组，包括第一组换热管和第二组换热管，其中第一组换热管由多根第一换热管(41)组成，第二组换热管由多根第二换热管(42)组成；所述第一换热管(41)沿所述炉体(1)的径向方向呈放射状布置；所述第二换热管(42)沿所述炉体(1)的径向方向呈放射状布置；
所述第二换热管(42)与第一换热管(41)不在同一放射线上，并且各所述第二换热管(42)所在的放射线位置与对应位置上的各所述第一换热管(41)所在的放射线依次交错布置。
2.根据权利要求1所述的可变温等温变换反应器，其特征在于各所述第二换热管(42)的内腔的横截面面积之和为各所述第一换热管(41)的内腔的横截面面积之和的15%~60%。
3.根据权利要求1或2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周向方向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。
4.根据权利要求3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。
5.根据权利要求4所述的可变温等温变换反应器，其特征在于所述第二换热管(42)在所述炉体的径向方向上分两个区域布置，其中第一区域靠近所述合成气收集管(3)，第二区域靠近所述催化剂框的外周缘。
6.根据权利要求2所述的可变温等温变换反应器，其特征在于各所述第二换热管(42)与各所述第一换热管(41)一一对应设置。
7.根据权利要求1所述的可变温等温变换反应器，其特征在于所述合成气收集管(3)由多段筒体(31)依次可拆卸连接而成，所述筒体(31)的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯(32)。
8.根据权利要求7所述的可变温等温变换反应器，其特征在于所述进水管道有两组，均包括进水连接管(51)和与所述进水连接管(51)的出口相连通的管箱(52)；各所述第一换热管的入口和各所述第二换热管的入口分别连通各自所对应的所述管箱(52)上的各出口。
9.根据权利要求8所述的可变温等温变换反应器，其特征在于所述蒸汽管道有两组，均包括连接所述汽包的蒸汽连接管(53)和蒸汽收集管(54)，所述蒸汽收集管(54)的出口连接所述蒸汽连接管(53)；各所述第一换热管的出口和所述第二换热管的出口分别连通各自对应的所述蒸汽收集管(54)上的各入口。
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