CN113426383A - 一种水冷气冷组合式等温变换反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水冷气冷组合式等温变换反应器，包括承压壳体、原料气入口、变换气出口、中心管、气冷管束支座、气冷管束、催化剂内格栅、水冷管束、锅炉水入口、锅炉水出口及催化剂外格栅，气冷管束及水冷管束设于催化剂外格栅与催化剂内格栅之间的催化剂床层内，气冷管束下端与原料气入口连通，变换气依次穿过水冷管束及气冷管束从中心管流出，本发明所述的水冷气冷组合式等温变换反应器简化了传统的变换流程，来自气化的水煤气直接进入反应器，水煤气在反应器内先通过气冷管束加热，然后通过催化剂床层反应放热，热量由水冷管束和气冷管吸收利用，减少了热损失，能够将反应温度可控制在较低范围，单台反应器即可满足流程要求。

Description

一种水冷气冷组合式等温变换反应器

技术领域

本发明属于化工设备领域，尤其是涉及一种水冷气冷组合式等温变换反应器。

背景技术

变换反应属于强放热反应，而低温有利于反应平衡往正向移动，为了使反应更加彻底，必须移走反应产生的大量热，否则反应温度将急剧上升。高温不仅会抑制反应进行，还会对反应器设备本身及变换催化剂带来严重损害。

目前的煤气化工艺，均以煤为原料采用纯氧和水蒸气作气化剂进行气化，产物中的CO含量高达50％～76％，传统的变换炉难以适应这么高的CO变换要求，一般要采用多级，多段、薄床、中间多次换热的较为复杂的流程来达到变换的要求，这些传统方案的流程较长、投资较大，还存在温度无法控制的“飞温”隐患。

目前已出现各种类型的内置移热管束的等温变换炉，如申请号“201821514837.8”，名称为“一种单筒腔可控移热式径向等温反应器”的实用新型专利，利用内置的水汽缓冲罐和内置的移热管移出反应热；申请号“201811160922.3”，名称为“可变温等温变换反应器”的发明专利，利用多个换热管组及预埋的换热管实现变换炉的温度控制；申请号“201720874542.0”，名称为“一种等温变换炉”的发明专利，利用弓形管束及上下多个小管板实现变换炉的温度控制。这几年发展下来，等温变换炉的设计制造经验已较为完备。

在实际运行中，变换催化剂要求入口的原料气达到一定温度才有催化效果，因此变换流程中需要设置进出口换热器来提高原料气温度，该换热器亦是同变换反应器一样承受高温高压的设备，造价高昂。专利号为“CN201410455211”,名称为“一种内置管束等温变换反应器”的中国专利，采用内置且沿周向均匀分布于催化剂床层的轴向环形管束移出反应热，实现等温变换；采用内置于中心管内的中心管束预热进入反应器的原料气，实现气气换热器的内置；该等温变换反应器包括承压壳体、催化剂筐、轴向环形管束、中心管及中心管束；轴向环形管束由上下环形管箱和上下环形管板、以及换热管组成。该反应器将气气换热器内置于中心管内，受限于气体流动，管束的换热效果较差；而且反应器的设计、制造困难。

在变换工段，至今仍未见将进出口换热器与变换炉一体化设计的流程，在申请号“201811162826.2”，名称为“一种配套粉煤气化的等温变换工艺”的发明专利中，发明人在进出口换热器的壳程装填催化剂，作为气冷反应器。该设计能提高进出口换热器的利用率，但仍无法摆脱进出口换热器与变换炉分开设置的传统设计理念，流程仍然较长、投资依旧较高。

综上，需要一种能够解决现有技术中所存在的上述技术问题的等温变换反应器，以满足实际化工生产作业的需要。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种水冷气冷组合式等温变换反应器，以将进出口换热器、水冷反应器、气冷反应器于一体，缩短变换工艺流程，减小反应器占地面积及投资成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种水冷气冷组合式等温变换反应器，包括承压壳体；

原料气入口，所述原料气入口与承压壳体下端连通；

变换气出口，所述变换气出口与承压壳体上端连通；

中心管，所述中心管同轴设于承压壳体内，中心管上端插入变换气出口内，承压壳体内的中心管下段侧壁均匀开有透气孔；

气冷管束支座，所述气冷管束支座设于承压壳体内，气冷管束支座的下端与原料气入口连通，中心管下端架设于所述气冷管束支座上；

气冷管束，所述气冷管束环绕中心管设置，气冷管束下端与气冷管束支座连通；

催化剂内格栅，所述催化剂内格栅设于气冷管束与中心管之间；

水冷管束，所述水冷管束环绕气冷管束设置；

锅炉水入口，所述锅炉水入口穿过承压壳体侧壁与水冷管束下端连通；

锅炉水出口，所述锅炉水出口穿过承压壳体侧壁与水冷管束上端连通；

催化剂外格栅，所述催化剂外格栅环绕水冷管束设置，催化剂外格栅与承压壳体之间留有间隙，催化剂外格栅与催化剂内格栅之间填充有催化剂床层。

进一步地，所述水冷管束包括包括由外至内多层设置的水冷管组，所述水冷管组包括呈圆周设置的多个水冷管，位于同一水冷管组内的相邻两个水冷管之间的距离由外层至内层逐渐变小。

进一步地，中心管与变换气出口之间填充有填料函。

进一步地，催化剂内格栅与气冷管束之间、气冷管束与水冷管束之间、水冷管束与催化剂外格栅之间均设有绝热带。

进一步地，锅炉水出口与水冷管束之间通过膨胀节连通。

进一步地，所述锅炉水入口与水冷管束之间设有分布器，所述分布器包括下管箱及下管板，所述下管板与水冷管束连通，所述锅炉水出口与水冷管束之间设有收集器，所述收集器包括上管箱及上管板，所述上管板与水冷管束连通。

进一步地，所述气冷管束支座内填充有惰性瓷球。

进一步地，所述气冷管束与水平面之间的夹角为30°-60°。

进一步地，所述气冷管束外套设有限位环。

进一步地，所述承压壳体下端开有催化剂卸料口，承压壳体上端开设有观察孔。

相对于现有技术，本发明所述的水冷气冷组合式等温变换反应器具有以下优势：

(1)本发明所述的水冷气冷组合式等温变换反应器简化了传统的变换流程，来自气化的水煤气直接进入反应器，水煤气在反应器内先通过气冷管束加热，然后通过催化剂床层反应放热，热量由水冷管束和气冷管吸收利用，减少了热损失，能够将反应温度可控制在较低范围，单台反应器即可满足流程要求；

(2)本发明所述的水冷气冷组合式等温变换反应器相较于传统的变换反应器将进出口换热集成于反应器内，减少了大口径高压管道的使用，减少了装置投资以及管道设计、采购、施工等系列工作，加速了项目进度，同时有效降低了气体泄漏的风险；

(3)本发明所述的水冷气冷组合式等温变换反应器中的水冷管束呈圆周布置，可均布气流，有效避免水煤气因偏流短路导致的催化剂床层局部温度过高的问题；

(4)本发明所述的水冷气冷组合式等温变换反应器中水冷管束与锅炉水出口之间通过膨胀节联接，以吸收管束与承压壳体之间的热膨胀变形差，气冷管束上端口可通过自由伸缩消除热膨胀变形，避免变形产生的应力使反应器内管路变形甚至发生泄漏；

(5)本发明所述的水冷气冷组合式等温变换反应器的气冷管束预埋于催化剂床层中，在该区域变换反应仍持续进行中，水冷反应器出口气体通过气冷管束进入变换反应器，进气露点温度更低，可进一步降低反应温度，有利于进一步降低CO含量，同时可有效避免露点腐蚀对设备的侵害，进入反应器的原料气体受热升温，可以进一步提高产品质量。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的水冷气冷组合式等温变换反应器的使用状态示意图；

图2为本发明实施例所述的水冷气冷组合式等温变换反应器的纵向剖视结构示意图；

图3为本发明实施例所述的水冷气冷组合式等温变换反应器的横向剖视结构示意图；

图4为现有技术中的变换反应器的连接结构示意图。

附图标记说明：

1、变换气出口；2、中心管；3、锅炉水出口；4、催化剂内格栅；5、气冷管束；6、水冷管束；7、催化剂外格栅；8、承压壳体；9、锅炉水入口；10、原料气入口；11、催化剂卸料口；12、气冷管束支座；13、进出口换热器；14、一级反应器；15、废热锅炉；16、二级反应器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图4所示，现有技术中的变换反应器，来自气化的水煤气先进入进出口换热器13预热后通过管道进入一级反应器14，从一级反应器14出来的高温变换气通过管道进入废热锅炉15，回收热量后，在通过管道回到进出口换热器13，加热来自气化的水煤气。由于温度较高，反应平衡限制，通常需要设置二级反应器16进行深度变换。

如图1-3所示，本发明中的水冷气冷组合式等温变换反应器，包括承压壳体8、原料气入口10、变换气出口1、中心管2、气冷管束支座12、气冷管束5、催化剂内格栅4、水冷管束6、锅炉水入口9、锅炉水出口3及催化剂外格栅7，催化剂外格栅7与催化剂内格栅4之间填充有催化剂床层，

使用本发明中的反应器改变了现有的流程设计，来自气化的水煤气直接由原料气入口10进入反应器，水煤气在反应器内先沿气冷管束5移动，在气冷管束5周围高温的作用下加热至一定温度，之后加热后的水煤气在催化剂床层中继续移动，在催化剂床层作用下发生反应，反应过程中不断释放热量，并先后与预埋在催化剂床层中的水冷管束6及气冷管束5依次发生热交换，热量由水冷管束6和气冷管束5吸收利用，从而将反应温度始终控制在较低范围，因此只需使用单台反应器即可满足流程要求，

原料气入口10与承压壳体8下端连通，气化的水煤气作为原料通过原料气入口10进入反应器，

变换气出口1与承压壳体8上端连通，反应后的变换气从变换气出口1排出反应器，

如图2所示，中心管2同轴设于承压壳体8内，中心管2受到温度变化的影响长度及直径会发生改变，具体的说，当反应器内温度升高时，中心管2长度会变长，直径会变大，而当反应器内温度降低时，中心管2长度会缩短，直径变小，如果中心管2的两端全部采用刚性连接，由于受到热胀冷缩的影响，中心管2随着使用会发生变形，甚至造成连接处的漏气，使反应器无法正常工作，因此本实施例中的中心管2下端为固定端，上端为活动端，中心管2上端插入变换气出口1内，中心管2与变换气出口1之间填充有填料函，两侧压差较小，为反应器阻力降，从在变换气出口1内自由伸缩，同时利用填料函吸收中心管2与承压壳体8之间的热膨胀变形差，承压壳体8内的中心管2下段侧壁采用均匀稀疏方式开孔以控制压降，用于均布气流，

如图2所示，气冷管束支座12设于承压壳体8内，气冷管束支座12的下端与原料气入口10连通，本实施例中气冷管束支座12下端与原料气入口10焊接，气冷管束支座12的上端封堵，作为安装气冷管束5的管板，中心管2下端焊接在气冷管束支座12上，使中心管2下端固定，气冷管束支座12内填充有惰性瓷球，起到良好的支撑作用，防止气冷管束支座12发生形变，同时缓冲进入反应器内的气体原料对反应器内管路的冲击，防止气流过大，气压过强，导致反应器内管路松动，此外可以改善反应器内气体的分布，

气冷管束5预埋于催化剂床层中，环绕中心管2均匀设置，如图3所示，气冷管束5与水平面之间的夹角为30°-60°，延长了气体自反应器底部到达反应器顶部的路径，从而增加了换热时间，使气体原料自气冷管束5排出时达到适当的温度，操作人员可以根据需要调节气体原料的进气速度，气冷管束5下端与气冷管束支座12固定连通，具体地说，气冷管束支座12上开有透气孔，气冷管束5与气冷管束支座12焊接且透气孔与气冷管束5的内腔密封连通，气冷管束5外套设有限位环，限位环对气冷管束5起到限位支撑的作用，主要用于限制气冷管束5横向位移，从本质上避免进出口换热器13由于气量大可能引起的管束震动问题，同时由于气冷管束5下端为固定端，气冷管束5在温度变化下会发生形变，限位环能够允许气冷管束5上端在承压壳体8内自由伸缩，以消除热膨胀变形，延长气冷管束5的使用寿命，

如图3所示，水冷管束6环绕气冷管束5设置，水冷管束6包括包括由外至内多层设置的水冷管组，每一个水冷管组均包括呈圆周设置的多个水冷管，且每个水冷管组中的水冷管数量相同，由于圆周长度自内而外逐渐变大，位于同一水冷管组内的相邻两个水冷管之间的距离由外层至内层逐渐变小，使水冷管束6呈外疏里密设置，锅炉水入口9穿过承压壳体8侧壁与水冷管束6下端连通，锅炉水出口3穿过承压壳体8侧壁与水冷管束6上端连通，反应中的气体从水冷管之间的间隙穿过，反应释放的热量被水冷管中的锅炉水吸收带走，从而降低反应温度，由于水冷管呈均匀设置，能够防止局部反应温度过高，锅炉水出口3与水冷管束6之间通过膨胀节连通，用于吸收水冷管束6与承压壳体8之间的热膨胀变形差，

催化剂内格栅4设于气冷管束5与中心管2之间，催化剂外格栅7环绕水冷管束6设置，催化剂外格栅7与催化剂内格栅4之间填充有催化剂床层，催化剂外格栅7与承压壳体8之间留有间隙，用于气体逐渐向下运动并从催化剂外格栅7穿过与催化剂床层接触，发生反应，气体继续依次穿过催化剂床层、催化剂内格栅4，最终进入中心管2，沿中心管2向上，从变换气出口1排出反应器。

本发明中的水冷气冷组合式等温变换反应器的反应流程如下：

水煤气从原料气入口10进入反应器，先进入气冷管束支座12，水煤气向上通过气冷管束5，吸收变换反应释放的热量，使水煤气受热温度升高，加热后的水煤气进入反应器上部封头，并直接由上封头分布后沿催化剂外格栅7与承压壳体8之间的间隙下降，随后由外至内径向通过催化剂床层，在此过程中水煤气依次通过催化剂外格栅7、水冷管束6、气冷管束5、催化剂内格栅4后通过中心管2上的透气孔进入中心管2汇集，汇集的变换气向上通过变换气出口1流出反应器，变换反应释放的热量由与气体发生热交换的水冷管束6和气冷管吸收利用，既实现了对原料气体的预热，又提高了热量的回收利用，减少了热损失，能够将反应温度始终控制在较低范围内，因此使用单台本发明中的反应器即可满足流程要求。

具体地说，水煤气通过气冷管束5穿过催化剂床层时，吸收变换反应释放的热量，能够使水煤气预热，提高催化反应效率，锅炉水由锅炉水入口9进入，由下至上通过水冷管束6，然后从锅炉水出口3流出，锅炉水穿过催化剂床层时能够吸收变换反应释放的热量，从而维持反应温度的相对稳定，使反应平衡往正向移动，反应更加彻底。

进一步地，催化剂内格栅4与气冷管束5之间、气冷管束5与水冷管束6之间、水冷管束6与催化剂外格栅7之间均设有绝热带，可提高变换气温度，提高气冷管束5的传热温差，进而提高水煤气的预热温度。

进一步地，锅炉水入口9与水冷管束6之间设有分布器，分布器包括下管箱及下管板，下管板与水冷管束6连通，锅炉水出口3与水冷管束6之间设有收集器，收集器包括上管箱及上管板，上管板与水冷管束6连通，使锅炉水分布更加均匀，热交换更加均匀，防止反应器内局部温度过高，热量无法及时排出，对反应结果造成影响。

进一步地，所述承压壳体8下端开有催化剂卸料口11，用于将反应器内的催化剂卸料，承压壳体8上端开设有观察孔，用于观察反应器内部或对反应器进行维修。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水冷气冷组合式等温变换反应器，其特征在于：包括承压壳体；

原料气入口，所述原料气入口与承压壳体下端连通；

变换气出口，所述变换气出口与承压壳体上端连通；

中心管，所述中心管同轴设于承压壳体内，中心管上端插入变换气出口内，承压壳体内的中心管下段侧壁均匀开有透气孔；

气冷管束支座，所述气冷管束支座设于承压壳体内，气冷管束支座的下端与原料气入口连通，中心管下端架设于所述气冷管束支座上；

气冷管束，所述气冷管束环绕中心管设置，气冷管束下端与气冷管束支座连通；

催化剂内格栅，所述催化剂内格栅设于气冷管束与中心管之间；

水冷管束，所述水冷管束环绕气冷管束设置；

锅炉水入口，所述锅炉水入口穿过承压壳体侧壁与水冷管束下端连通；

锅炉水出口，所述锅炉水出口穿过承压壳体侧壁与水冷管束上端连通；

催化剂外格栅，所述催化剂外格栅环绕水冷管束设置，催化剂外格栅与承压壳体之间留有间隙，催化剂外格栅与催化剂内格栅之间填充有催化剂床层。

2.根据权利要求1所述的水冷气冷组合式等温变换反应器，其特征在于：所述水冷管束包括包括由外至内多层设置的水冷管组，所述水冷管组包括呈圆周设置的多个水冷管，位于同一水冷管组内的相邻两个水冷管之间的距离由外层至内层逐渐变小。

3.根据权利要求1所述的水冷气冷组合式等温变换反应器，其特征在于：中心管与变换气出口之间填充有填料函。

4.根据权利要求1所述的水冷气冷组合式等温变换反应器，其特征在于：催化剂内格栅与气冷管束之间、气冷管束与水冷管束之间、水冷管束与催化剂外格栅之间均设有绝热带。

5.根据权利要求1所述的水冷气冷组合式等温变换反应器，其特征在于：锅炉水出口与水冷管束之间通过膨胀节连通。

6.根据权利要求1所述的水冷气冷组合式等温变换反应器，其特征在于：所述锅炉水入口与水冷管束之间设有分布器，所述分布器包括下管箱及下管板，所述下管板与水冷管束连通，所述锅炉水出口与水冷管束之间设有收集器，所述收集器包括上管箱及上管板，所述上管板与水冷管束连通。

7.根据权利要求1所述的水冷气冷组合式等温变换反应器，其特征在于：所述气冷管束支座内填充有惰性瓷球。

8.根据权利要求1所述的水冷气冷组合式等温变换反应器，其特征在于：所述气冷管束与水平面之间的夹角为30°-60°。

9.根据权利要求1所述的水冷气冷组合式等温变换反应器，其特征在于：所述气冷管束外套设有限位环。

10.根据权利要求1所述的水冷气冷组合式等温变换反应器，其特征在于：所述承压壳体下端开有催化剂卸料口，承压壳体上端开设有观察孔。

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