CN202516536U - 内置冷壁式变换反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种内置冷壁式变换反应器，属于化工设备领域，承压壳体通过支座固定，承压壳体内设置有催化剂床层，承压壳体内设置有热电偶，且热电偶延伸到承压壳体外端，承压壳体底部设置有出口中心管，出口中心管上端连接催化剂床层，且设置有气体收集器，承压壳体下封口上设置有催化剂卸料口，催化剂卸料口内安装有催化剂卸料管，其特征在于：催化剂床层与承压壳体的四周和上下方均设置有环形空隙，承压壳体上端设置有人孔，人孔上设置有人孔盖板。将传统工艺流程中的变换反应器变为冷壁式反应器的一个内件，按压差进行设计，减少了一台承压设备壳体，减少了外部管线、泄漏源和失效点。

Description

内置冷壁式变换反应器

技术领域

本实用新型涉及一种内置冷壁式变换反应器，属于化工设备领域。 

背景技术

参见图1，现有的轴向反应器包括承压壳体10，承压壳体10通过支座11安装在基础上，催化剂床层30设置在承压壳体10内，下方通过耐火球支撑，催化剂床层30与承压壳体10的内壳壁接触，在承压壳体10的底部设置有变换气出口31，在变换气出口31端设置有气体收集器40，以收集绝热变换反应后的热变换气，在承压壳体10的顶部设置有反应原料气入口21，在反应原料气入口21的入口端设置有气体分布器50，反应原料气由反应原料气入口21进入后，通过气体分布器50的均匀分布，轴向进入催化剂床层30内，进行绝热变换反应。在承压壳体10的顶部设置有人孔60，以便于催化剂卸料；在承压壳体10的底部设置有催化剂卸料管70，以便于依靠重力卸料。在催化剂床层30内设置有热电偶T，热电偶T被导出所述承压壳体10外。 

变换反应器的反应原料气入口21设在变换反应器顶部，连接管线较长；变换气出口设在变换反应器底部；因为一氧化碳变换反应是在较高的压力和温度下进行，其中变换反应器出口温度在400℃~500℃之间，工艺介质主要成分为H₂、CO、CO₂和水蒸气，介质氢分压高，易燃易爆；另外由于工艺介质存在高温特殊介质腐蚀环境，旧式变换反应器壳体的材料一般采用中温抗氢钢内衬不锈钢；其材料费用和制造、检验、维护成本都很高。 

此外，在以旧式变换反应器和旧式设备连接方式为基础的传统工艺流程中，旧式设备连接方式采用管线连接，这些管线与所连接的设备不仅占用了很大的布置、配管空间，而且由于管道承载的压力大、温度高、直径大，管壁也相应较厚。同时，管道的布置，管道推力的消除需要采用大量的弯头管件，增加了环焊缝的数量，这些原因都将造成管道材料、制造、检验成本高，投资额度大，并且在高温特殊介质腐蚀环境下，造成了大量潜在的泄漏源和失效点。为保证工艺流程的安全性和可靠性，管道材料必须采用不锈钢，不仅价格昂贵，而且不锈钢较高的线膨胀系数也会在管道及其连接的设备之间产生较大的热应力，需要增加管系的柔性。 

因此，为了减少设备尤其是中温抗氢钢设备的台数，减少设备内衬不锈钢的面积，须改造工艺流程，对变换反应器的结构进行创新设计，使壳体金属温度大幅降低，这样 不仅可以节约大量的设备投资，减少装置占地面积，而且有利于装置的长期、安全、稳定运行。 

实用新型内容

根据现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种内置冷壁式变换反应器，减少高温高压厚壁管线的使用，减少装置占地面积；降到工艺介质对反应器壳体材料的要求、减小壁厚，降低变换反应器的制造成本，提高反应器以及整个变换流程的安全性、稳定性和耐久性。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种内置冷壁式变换反应器，包括：承压壳体、催化剂床层、支座、气体收集器、出口中心管、热电偶、催化剂卸料口和催化剂卸料管，承压壳体通过支座固定，承压壳体内设置有催化剂床层，承压壳体内设置有热电偶，且热电偶延伸到承压壳体外端，承压壳体底部设置有出口中心管，出口中心管上端连接催化剂床层，且设置有气体收集器，承压壳体下封口上设置有催化剂卸料口，催化剂卸料口内安装有催化剂卸料管，其特征在于：催化剂床层与承压壳体的四周和上下方均设置有环形空隙，承压壳体上端设置有人孔，人孔上设置有人孔盖板。 

所述的承压壳体下端设置有原料气进口，低温原料气通过原料进气口进入承压壳体底部，通过催化剂床层外壁空隙，进入承压壳体的上部空间，轴向进入催化剂床层，并在此过程中与催化剂床层进行热交换，使得承压壳体可以使用低温材质。 

原料气进口与承压壳体下封头相连通，经催化剂床层内部反应的热变换气通过出口中心管流出，与原料气进行部分换热，形成冷气通道，此时出口变换气通过出口中心管与原料气进行换热。 

原料气通过承压壳体内的底部，经过催化剂床层外壁换热，催化剂外壁与承压壳体的内壳壁之间具有一环形空隙，原料气通过环形空隙进入催化剂床层上部，在承压壳体内壳壁与催化剂外框之间形成隔热气流层，达到承压壳体的冷壁结构。 

承压壳体的下封头侧面设置有变换反应器原料气进口，将原料气导入承压壳体内；在催化剂床层外壁换热，催化剂床层内走热变换气，催化剂床层外壁走原料气；原料气通过催化剂外框与承压壳体的内壳壁之间的环形空隙，与催化剂床层中反应后的变换气进行热交换，由环形空隙进入承压壳体的上部空间后，预热原料气轴向进入催化剂床层进行绝热变换反应。 

所述的催化剂床层顶端设置有气体分布器。气体分布器包括铁丝网、瓷球和格栅， 使进入承压壳体上部的原料气均匀分散后进入催化剂床层，在达到催化剂的活化反应温度后，通过底部所述出口中心管流出。 

所述的催化剂床层外侧设置有催化剂床层外框，催化剂床层外框通过支架圈支撑在承压壳体上。在催化剂外框内部以催化剂床层形式填有催化剂。 

催化剂床层，其下部装填催化剂支撑物，所述催化剂支撑物包括瓷球、铁丝网，在催化剂床层底部装填瓷球，瓷球上部铺一层铁丝网隔绝催化剂。 

所述的支架圈上设置有排孔。原料气从承压壳体下部空间，经由该排孔进入所述承压壳体的内壳壁与所述催化剂外框之间的环隙，形成隔热气流层，达到承压壳体的冷壁结构。 

所述的承压壳体不与变换反应产生的高温变换气接触，承压壳体采用中温抗氢钢，无需采用不锈钢衬里。 

所述的人孔设置在承压壳体顶端。 

所述的人孔盖板上安装有压力计。 

所述的催化剂卸料管连接催化剂床层底部，催化剂卸料管插入催化剂卸料口内，催化剂卸料口上安装有卸料口盖板。卸料时以依靠重力卸料。 

所述的出口中心管被承压壳体包覆，原料气进口设置在包覆出口中心管的承压壳体的侧壁上。 

所述的承压壳体下端与出口中心管之间设置有空隙。 

原料气通过所述承压壳体底部，经由承压壳体的环形空隙进行换热后，轴向进入催化剂床层进行变换反应，热变换气经由出口中心管排出，因为承压壳体的下封头与出口中心管之间存在一定空间，所以管体受热膨胀可以不受壳体限制，此时出口变换气不与原料气接触换热。 

本实用新型适用于一氧化碳变换反应器、甲烷化反应器等绝热型反应器。 

本实用新型的有益效果是： 

（1）将传统工艺流程中的变换反应器变为冷壁式反应器的一个内件，按压差进行设计，减少了一台承压设备壳体，减少了外部管线、泄漏源和失效点。 

（2）将变换反应器置于承压壳体的中心位置，并与其轴向平行，可通过设置在承压 壳体顶部的人孔进行维修、更换和清洗。 

（3）催化剂床层上部设置有瓷球和铁丝网，使原料气可以轴向均匀流动形式进入床层内部进行绝热变换反应，使绝热反应更加完全。 

（4）催化剂外框和承压壳体的内壳壁之间设置一定的间隔，并将低温原料气通过该间隔经由催化剂外框导入催化剂床层，使催化剂外框与承压壳体的内壳壁之间不接触，并形成一隔热冷壁结构，反应后的高温变换气体不与反应器承压壳体接触，消除了反应器超温或飞温对承压壳体的影响，降低承压壳体的设计温度，降低对反应器的材料要求，使承压壳体的壁厚大量减薄，并能采用中温抗氢钢，无需采用不锈钢衬里，从而降低成本。 

（5）催化剂床层、出口中心管等反应器内件均采用一端相对固定、单向自由膨胀的结构，消除温差应力、提高设备的使用寿命。 

（6）反应后的热变换气出口采用与原料气不接触形式和接触式部分换热，即原料气从承压壳体的下封头侧面进入，经过环隙后从催化剂床层顶部轴向进行绝热变换反应，反应后的热变换气从底部中心管排除，不与原料气接触。或者原料气入口与贯穿其中的出口中心管形成夹套式冷气通道结构；原料气通过夹套式通道与中心管内的热变换气部分换热，经由承压壳体的环隙进入催化剂床层进行变换反应，通过出口中心管流出。 

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图； 

图2为实施例2的结构示意图； 

图3为实施例3的结构示意图； 

图中1为承压壳体；2为催化剂床层；3为支座；4为气体收集器；5为出口中心管；6为热电偶；7为催化剂卸料口；8为催化剂卸料管；9为环形空隙；10为原料气进口；11为人孔；12为人孔盖板；13为催化剂床层外框；14为支架圈；15为气体分布器；16为卸料口盖板；17为压力计。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例做进一步描述： 

如图1~2所述，本实用新型包括：承压壳体1、催化剂床层2、支座3、气体收集器4、出口中心管5、热电偶6、催化剂卸料口7和催化剂卸料管8，承压壳体1通过支座3固定，承压壳体1内设置有催化剂床层2，承压壳体1内设置有热电偶6，且热电偶6延伸到承压壳 体1外端，承压壳体1底部设置有出口中心管5，出口中心管5上端连接催化剂床层2，且设置有气体收集器4，承压壳体1下封口上设置有催化剂卸料口7，催化剂卸料口7内安装有催化剂卸料管8，催化剂床层2与承压壳体1的四周和上下方均设置有环形空隙9，承压壳体1上端设置有人孔11，人孔上设置有人孔盖板12。 

承压壳体1下端设置有原料气进口10。原料气进口10与承压壳体1下封头相连通，经催化剂床层2内部反应的热变换气通过出口中心管5流出，与原料气进行部分换热，形成冷气通道，此时出口变换气通过出口中心管5与原料气进行换热。 

原料气通过承压壳体1内的底部，经过催化剂床层2外壁换热，催化剂床层2外壁与承压壳体1的内壳壁之间具有一环形空隙9，原料气通过环形空隙9进入催化剂床层2上部，在承压壳体1内壳壁与催化剂床层外框13之间形成隔热气流层，达到承压壳体1的冷壁结构。 

承压壳体1的下封头侧面设置有变换反应器原料气进口10，将原料气导入承压壳体1内；在催化剂床层2外壁换热，催化剂床层2内走热变换气，催化剂床层2外壁走原料气；原料气通过催化剂床层外框13与承压壳体1的内壳壁之间的环形空隙9，与催化剂床层1中反应后的变换气进行热交换，由环形空隙9进入承压壳体1的上部空间后，预热原料气轴向进入催化剂床层2进行绝热变换反应。 

催化剂床层2顶端设置有气体分布器15。气体分布器15包括铁丝网、瓷球和格栅，使进入承压壳体1上部的原料气均匀分散后进入催化剂床层2，在达到催化剂的活化反应温度后，通过底部所述出口中心管5流出。 

催化剂床层2外侧设置有催化剂床层外框13，催化剂床层外框13通过支架圈14支撑在承压壳体1上。在催化剂外框13内部以催化剂床层2形式填有催化剂。 

催化剂床层2，其下部装填催化剂支撑物，所述催化剂支撑物包括瓷球、铁丝网，在催化剂床层2底部装填瓷球，瓷球上部铺一层铁丝网隔绝催化剂。 

支架圈14上设置有排孔。原料气从承压壳体1下部空间，经由该排孔进入所述承压壳体1的内壳壁与所述催化剂床层外框13之间的环形空隙9，形成隔热气流层，达到承压壳体1的冷壁结构。 

承压壳体1不与变换反应产生的高温变换气接触，承压壳体1采用中温抗氢钢，无需采用不锈钢衬里。 

人孔11设置在承压壳体1顶端。 

人孔盖板12上安装有压力计17。 

催化剂卸料管8连接催化剂床层2底部，催化剂卸料管8插入催化剂卸料口7内，催化剂卸料口7上安装有卸料口盖板16。卸料时以依靠重力卸料。 

原料气通过所述承压壳体1底部，经由承压壳体1的环形空隙9进行换热后，轴向进入催化剂床层2进行变换反应，热变换气经由出口中心管5排出，因为承压壳体1的下封头与出口中心管5之间存在一定空间，所以管体受热膨胀可以不受壳体限制，此时出口变换气不与原料气接触换热。 

承压壳体1由筒体段以及上、下封头焊接而成，筒体段和上、下封头均采用中温抗氢钢材料制成，在承压壳体1内无需采用不锈钢衬里。整个承压壳体1采用支座3安装在基础上。在承压壳体1的顶部，也就是上封头的顶部设置有人孔11，设置人孔的目的是便于对催化剂床层2顶部内件进行拆装。在人孔11上安装有一人孔盖板12，在人孔盖板12上安装有压力计17，以检测整个承压壳体1内的反应压力。在承压壳体1的底部，也就是下封头上设置有变换反应器的原料气进口10和催化剂卸料口7。变换反应器的原料气进口10可以将原料气导入承压壳体1内。在催化剂卸料口7上安装有卸料口盖板16，在由催化剂形成的催化剂床层2的底部设置有催化剂卸料管8，催化剂卸料管8插入催化剂卸料口7内，与催化剂卸料口7之间形成套管式结构，这样打开卸料口盖板16和催化剂卸料管8管内设置的内挡板，就可以依靠重力方便，安全卸料。 

催化剂床层2通过相互连接的催化剂床层外框13设置在承压壳体1内，催化剂床层外框13通过反应器内件支撑圈14支撑于承压壳体1的内壳壁上，催化剂床层外框13框体下端固定，这样框体受热后可以自由膨胀。 

在催化剂床层外框13内部以催化剂床层2形式填有催化剂。床层外部走低温原料气，内部走反应的热变换气。在催化剂床层2的底部设置有出口中心管5，这样可以使原料气进入承压壳体的下封头空间，与出口中心管5相接触进行部分换热。出口中心管5的上端固定在催化剂床层2的底部，下端通过密封组件支撑连接于变换气出口中心管5的外管壁上。 

在催化剂床层外框13与承压壳体1的内壳壁之间具有一环形空隙9，在承压壳体1内壳壁与催化剂床层外框13直接形成隔热气流层，达成承压壳体1的冷壁结构。 

该实施例的内置冷壁式变换反应器的工作原理：低温原料气由变换反应器的原料气 进口10进入变换反应器的承压壳体1的底部空间，再经过催化剂床层外框13和承压壳体1的内壳壁间形成的环形空隙9，使催化剂床层外框13与承压壳体1内壳壁之间通过流动的原料气进行隔热，形成一冷壁结构，降低了承压壳体1的金属壁温。进入承压壳体1上部空间的原料气，轴向进入催化剂床层2。经过热变换后的原料气在达到催化剂活化反应温度后，在催化剂作用下进行绝热变换反应。绝热反应后的热变换气再由催化剂床层2底部上的气体收集器4进入到出口中心管5，与管外的低温原料气进行部分热变换。 

在催化剂床层2内设置有一热电偶6，该热电偶6延伸出承压壳体1外，通过热电偶6就可以精确地控制催化剂的温度，以免催化剂失活。 

实施例2 

在实施例1的基础上，承压壳体1下端与出口中心管5之间设置有空隙，以防止出口中心管5收热膨胀，涨坏承压壳体1。 

实施例3 

在实施例1的基础上，出口中心管5被承压壳体1包覆，原料气进口10设置在包覆出口中心管5的承压壳体1的侧壁上。该原料气进口10与贯穿其中的所述出口中心管5形成夹套式冷气通道结构；原料气通过夹套式通道与出口中心管5内的热变换气换热，经由所述承压壳体1的环隙轴向进入催化剂床层2进行变换反应，通过所述出口中心管5流出。 

Claims (10)

1.一种内置冷壁式变换反应器，包括：承压壳体（1）、催化剂床层（2）、支座（3）、气体收集器（4）、出口中心管（5）、热电偶（6）、催化剂卸料口（7）和催化剂卸料管（8），承压壳体（1）通过支座（3）固定，承压壳体（1）内设置有催化剂床层（2），承压壳体（1）内设置有热电偶（6），且热电偶（6）延伸到承压壳体（1）外端，承压壳体（1）底部设置有出口中心管（5），气体在催化剂床层（2）反应结束后通过出口中心管（5）排出，出口中心管（5）上端连接催化剂床层（2），且设置有气体收集器（4），承压壳体（1）下封口上设置有催化剂卸料口（7），催化剂卸料口（7）内安装有催化剂卸料管（8），其特征在于：催化剂床层（2）与承压壳体（1）的四周和上下方均设置有环形空隙（9），承压壳体（1）上端设置有人孔（11），人孔上设置有人孔盖板（12）。

2.根据利要求1所述的内置冷壁式变换反应器，其特征在于所述的承压壳体（1）下端设置有原料气进口（10），低温原料气通过原料进气口（10）进入承压壳体（1）底部，通过催化剂床层（2）外壁空隙，进入承压壳体（1）的上部空间，轴向进入催化剂床层（2），并在此过程中与催化剂床层（2）进行热交换，使得承压壳体（1）可以使用低温材质。

3.根据利要求1所述的内置冷壁式变换反应器，其特征在于所述的催化剂床层（2）顶端设置有气体分布器（15）。

4.根据权利要求1所述的内置冷壁式变换反应器，其特征在于所述的催化剂床层（2）外侧设置有催化剂床层外框（13），催化剂床层外框（13）通过支架圈（14）支撑在承压壳体（1）上。

5.根据权利要求4所述的内置冷壁式变换反应器，其特征在于所述的支架圈（14）上设置有排孔。

6.根据权利要求1所述的内置冷壁式变换反应器，其特征在于所述的人孔（11）设置在承压壳体（1）顶端。

7.根据权利要求1所述的内置冷壁式变换反应器，其特征在于所述的人孔盖板（12）上安装有压力计（17）。

8.根据权利要求1所述的内置冷壁式变换反应器，其特征在于所述的催化剂卸料管（8）连接催化剂床层（2）底部，催化剂卸料管（8）插入催化剂卸料口（7）内，催化剂卸料口（7）上安装有卸料口盖板（16）。

9.根据权利要求1所述的内置冷壁式变换反应器，其特征在于所述的出口中心管（5）被承压壳体（1）包覆，原料气进口（10）设置在包覆出口中心管（5）的承压壳体（1）的侧壁上。 

10.根据权利要求1所述的内置冷壁式变换反应器，其特征在于所述的承压壳体（1）下端与出口中心管（5）之间设置有空隙。 

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