CN202893318U - 一种co全径向等温变换炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及到一种CO全径向等温变换炉，其包括炉体、换热管束、气体收集器，其特征在于所述炉体包括可拆卸连接的上部第一段炉体和下部第二段炉体，所述第二段炉体内设有气体分布器，气体分布器的上、下两端分别连接有上管板和下管板，上管板的上方设有上封头，所述下管板的下方设有下封头，所述的换热管束设置在所述的气体分布器内。与现有技术相比较，本实用新型提供的CO全径向等温变换炉，解决了现有技术中高水气比CO变换工艺流程长、反应级数多、系统压降大、设备投资高、变换炉容易超温、催化剂寿命短等一系列问题。

Description

一种CO全径向等温变换炉

技术领域

本实用新型涉及到化工设备领域，具体指一种CO全径向等温变换炉。 

背景技术

目前国内在粉煤气化生成的高浓度CO变换流程设计过程中，变换炉均采用绝热反应器。由于粗合成气中CO含量高，同时变换反应又是强放热过程，因此，变换单元在流程设置上均采用多台绝热炉串联进行CO变换反应，炉间移走反应热。这也造成了传统高浓度CO变换流程复杂、反应器台数多、系统压降大、设备投资高、变换炉温度控制困难，在催化剂硫化和正常运行时容易超温，存在安全隐患；绝热温升抑制了CO反应平衡，单台变换炉CO转化率低等一系列问题。 

基于绝热变换炉在高浓度CO变换过程中存在的各种问题，近年来国内一些工程公司对全等温变换炉也进行了研究和开发。等温变换炉的工作原理较简单，在等温变换炉内置入换热管道，当炉内发生CO变换反应时，通过锅炉给水副产蒸汽的方式移走反应热，这样就可以保持催化剂床层温度基本恒定。相比绝热变换炉可以省去炉间的热能回收设备，简化了工艺流程，降低了设备投资。等温变换炉工作原理虽然简单，但在工程设计和装置实际运行过程中，等温炉要能够及时移走反应热、炉子的结构要简单、炉子的催化剂更换和检维修要方便快捷、变换气分布要均匀，同时解决好炉内热应力问题也非常关键和重要。 

公告号为CN101721956A的中国专利申请了一种《等温低温CO变换反应器》，该等温反应器内用于移走反应热的锅炉水从换热管道顶部进入，产生的蒸汽也是从换热管道顶部以自蒸发的形式移出，这使锅炉水的流动性很差，通过锅炉水移走反应热的能力有限，反应器仍然存在超温的风险。 

该等温反应器对自身所产的饱和中压蒸汽进行了过热，在工程化过程中此设计方案很难实施，原因是饱和中压蒸汽的比热很小，在等温反应器内由饱和中压蒸汽变成过热中压蒸汽的过程中，吸收的热量很少，不能有效的移走变换反应热量，肯定会导致等温反应器局部超温，烧坏局部超温处的变换催化剂。 

该等温反应器采用全封闭型式，只能在设备制造过程中进行催化剂的装填，催化剂失活后的装卸更换无法实现，另外如果换热管破裂，也无法进行修补和封堵。 

该等温反应器内部分为汽室和水室，下部有换热管和倒U形管，结构复杂，制造 加工难度大，成本高。 

该等温反应器内CO变换反应发生在250℃以上，换热管束所在内部筒体上下部分均与反应器外部筒体焊接连接，在高温下炉内热应力无法释放，会造成内部筒体弯曲变形。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的状况提供一种CO全径向等温变换炉，在满足高浓度CO变换反应过程中连续、快速地移走反应热，使反应器能够维持在恒温状态下进行变换反应，同时优化和简化设备构造，为催化剂的快速装卸、更换和设备检维修提供便利，还要解决高温工况下反应器的热应力释放问题。 

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：该CO全径向等温变换炉，包括炉体，所述炉体内设有由多根换热管组成的换热管束，所述炉体顶部设有反应气入口和检修人孔，炉体的上部侧壁上设有冷却水出口，炉体底部设有变换气出口和冷却水入口，所述炉体的中心设有气体收集器；其特征在于所述炉体包括可拆卸连接的上部第一段炉体和下部第二段炉体，所述第二段炉体内设有气体分布器，该气体分布器的上、下两端分别连接在上管板和下管板上，所述上管板与所述炉体的内壁间隔有间隙，所述下管板的周缘密封连接所述炉体的内周壁；所述上管板的上方设有上封头，所述下管板的下方设有下封头，所述的换热管束设置在所述的气体分布器内，并且各所述换热管的两端分别固定在所述的上、下管板上并分别连通由上封头和上管板、下封头和下管板构成的空腔；所述气体收集器的上端连接所述的上管板，气体收集器的下端穿过所述的下封头位于下封头和所述炉体底部构成的空腔内；所述上封头上设有冷却水出口，该冷却水出口通过出水管连接所述的冷却水出口，并且所述的出水管包括可拆卸连接在一起的两部分；所述下封头上设有冷却水入口，该冷却水出口通过进水管连接所述的冷却水入口，并且所述的进水管包括可拆卸连接在一起的两部分 

较好的，第一段炉体和第二段炉体之间可以通过法兰连接，炉体可以支撑在裙座上立式放置。 

为了方便催化剂的装填，所述气体分布器可以包括可拆卸连接在一起的多个分段，并且各分段又由两个半圆筒可拆卸连接构成。 

进一步，为了保证气体进入催化剂床层时的分布均匀性，各所述分段均包括有外筒体和套设在所述外筒体内的内筒体，各所述外筒体可拆卸连接在一起形成外筒，各所述内筒体可拆卸连接在一起形成套设在所述外筒内的内筒，并且所述外筒体和所述内筒体间隔有间隙。内筒体对反应气起到二次分布的作用。 

较好的，上述方案中所述内筒上的气孔的密度大于所述外筒的，并且所述内孔上的气孔的孔径小于等于3mm。 

考虑到生产过程中催化剂的沉降问题，所述气体分布器靠近所述上管板100mm以内的位置不开设气孔，以防止催化剂沉降引起的反应气回流和短路。 

上述各方案中，所述气体收集器外露于所述下封头的部分呈喇叭状，并且所述气体收集器下端端口的中部设有挡板，所述挡板与所述气体收集器下端端口的周缘间隔有供合成气流出的空隙。该结构可使出气体收集器的气流扩散流动，避免了气流直接高速冲击炉体下封头对炉体所造成的冲击损伤，并且可使出气体收集器的气体在下封头与炉体之间的空腔内短暂停留，保证了下封头内外的压力平衡，并且可使炉体和筒体以及下封头内外的环境温度相对均匀，不会产生应力集中。 

挡板与气体收集器之间可以通过支撑筋板焊接连接，并通过筋板加强。较好地，收集管顶部靠近上管板100mm内不开孔，以防止催化剂沉降引起反应气回流和短路。 

考虑到气体收集器的热膨胀，可以在所述上管板的下表面上设有连接套，所述气体收集器的上端部定位在该连接套内并与所述的上管板间隔有间隙，该间隙可供气体收集器热膨胀。 

考虑到反应炉内部的热膨胀，可以在所述的出水管上设置膨胀节，以解决内部反应系统整体热膨胀问题。 

下管板与炉体的连接方式可以有多种，较好的，可以在所述炉体的周壁上设有定位环，该定位环的上表面上设有环形凹槽；所述下管板上设有与所述凹槽相适配的环形凸块，所述凸块容置在所述凹槽内，并且凸块和凹槽之间设有密封圈。 

所述炉体的内周壁上设有多组定位板，每组定位板包括左、右间隔设置的左定位板和右定位板，对应地，所述上管板的侧壁上设有多块定位块，各所述定位块容置在对应的左定位板和右定位板之间。 

较好的，上管板上焊接有4块定位块，与焊接在炉体内壁上的4组定位板配合径向定位，以保证内部管束的快速安装和所述凸块和凹槽的配合。 

所述炉体的内周壁上设有多组定位板，每组定位板包括上、下间隔设置的上定位板和下定位板，对应地，所述上管板的侧壁上设有多块定位块，各所述定位块容置在对应的上定位板和下定位板之间。 

该CO等温变换炉整体上采用全径向Z型结构，反应气上进下出，换热管间为催化剂床层，管内走循环冷却水，冷却水吸收变换热，根据反应热移出的强度要求，冷却水循环过程可以是自然循环也可以是强制循环，循环冷却水下游可设置汽包副产蒸汽回收余热。通过控制循环水量来维持变换反应温度的恒定。 

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点： 

1、通过冷却水的循环达到快速移出高浓度CO变换反应热，其过程可以是自然循环也可是强制循环，通过控制循环水量达到控制变换反应温度的目的，冷却水出口可以设置汽包副产蒸汽，回收余热，反应器结构简单，投资少，可控性强。 

2、利用全径向反应器气体压降小特点，对内部反应系统采用设备自重密封，冷却水进出管和炉体均采用法兰连接，使内部反应系统可整体抽出，加上气体分布器的分段拼接设计和可拆式栓接结构为催化剂的快速装卸以及后期设备的检维修提供便利。 

3、内部反应系统循环冷却水出口膨胀节的设置和气体收集管顶套筒间隙定位，充分考虑高温应力工况，解决了内部反应系统的整体热膨胀和气体收集管的局部膨胀，有利于设备运行稳定和延长使用寿命。 

4、CO全径向等温变换炉采用全径向结构，流通面积大，床层阻力小，压降小。气体分布器采用内、外筒结构，对反应气二次分布，使气体分布更加均匀，有利于提高转化率，同时，充分考虑催化剂沉降问题，在气体分布器和收集管顶部都预留有100mm不开孔区，可防止变换气的回流、短路。 

5、本实用新型采用管壳式反应器，催化剂装填换热管间，催化剂床层温度，稳定，寿命长，且可通过增加气体分布器段数方式增加CO变换气处理量，有利于装置的大型化。 

附图说明

图1为本实用新型实施例1装配结构的平面示意图； 

图2为本实用新型实施例1中上管板定位示意图； 

图3为本实用新型实施例1中下管板定位示意图； 

图4为本实用新型实施例1中气体分布器结构示意图； 

图5为沿图4中A-A向的剖视图。 

图6为本实用新型实施例1中气体收集器结构示意图； 

图7为本实用新型实施例2中气体分布器结构示意图。 

图8为沿图7中B-B向的剖视图。 

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。 

实施例1 

如图1至图6所示，该CO全径向等温变换炉包括： 

炉体1，包括主体11、上封头15和下封头12，主体11与上封头15之间设有过渡段18，主体11与过渡段18之间采用法兰可拆卸连接，主体11与下封头12、上封头15与过渡段18之间均为焊接连接。上封头15顶部设有反应气入口16和上部检修人孔17，过渡段18侧壁上设有循环冷却水出口14，主体11下端侧壁设有下部检修人孔13， 下封头底部设有冷却水入口19和变换气出口110，炉体1底部坐落在裙座6上，裙座6为该等温变换炉的支承底座。 

内部反应系统，主要由换热管束2、气体分布器3、气体收集管4、椭圆形上封头26和球形下封头22等部件组成。上封头26顶部设有与上述循环冷却水出口14相连通的冷却出水管25，出水管竖直部分的中部设有膨胀节，膨胀节的作用是消除出水管热膨胀所产生的应力；出水管的水平部分分为两段，这两段通过法兰可拆卸连接在一起。圆形下封头22上设有与上述下部检修人孔13相通的内部检修人孔21和与上述冷却水入口19法兰连接的循环冷却水进口管段。内部反应系统还包括上管板27和下管板210，上管板27依靠焊接在上管板上的四块定位块211和焊接在设备筒体上的四组定位板212配合径向定位，保证轴向位移。每组定位板包括左右间隔设置的左定位板和右定位板，定位块位于对应的左、右定位板之间。主体11的内周壁上焊接有定位环215，该定位环的上表面上设有环形凹槽；定位环的底部设有16块均布的支撑筋板213，这些支撑筋板焊接在主体11和定位环215上，以加强定位环的承重；定位环上还设置8颗顶丝214，方便反应系统的拆卸。下管板210上设有与凹槽相适配的环形凸块，凸块容置在凹槽内，并且凸块和凹槽之间设有密封圈217。定位环的上表面和主体11的内壁之间还焊接有四块定位锥216，定位锥成45°倾斜；定位锥的作用主要是用于对下管板定位。上、下管板上均设有供各换热管28插设的管孔，各换热管的两端分别插设在对应的管孔内形成换热管束，各换热管之间间隙内装填有催化剂，换热管束的中部设有多个用于支撑换热管束的支撑件29。 

气体分布器3，由几段相同结构的气体分布器短节螺栓连接组成，每段分布器均包括长度为500mm的内筒体35和外筒体34，且内、外筒体均由两个半圆筒组成，半圆筒端部焊接有两组竖向连接板33，将两个半圆形的筒体栓接在一起形成圆柱形的筒体；各段内筒体连接后形成内筒，各段外筒体连接后形成套设在内筒外的外筒。内筒体35和外筒体34上分别均布有圆形气孔作为反应气通道；内筒作为气体二次分布器，其开孔密度大于外筒且孔径不大于3mm，同时，内、外筒距离上管板100mm高度位置之内不开设气孔以防止催化剂沉降引起反应气短路。内筒和外筒的顶部和底部均设有二组半环板31，半环板分割位置与内筒和外筒一致，且与竖向连接板33焊接在一起，半环板31端部设有八个支耳32，用于上下段气体分布器之间的栓接和定位，最上段筒体的上端依靠与上管板27焊接的定位环定位，最下段筒体的下端放入下管板上210开的环形槽内定位。气体分布器的分段螺栓可拆连接设计，可以有效提高催化剂的装卸效率。 

气体收集器4，包括收集管43，其上开有宽度小于3mm的长条形气体收集孔，同样，在收集管顶部靠近上管板27留100mm高度不开孔，以防止因催化剂沉降引起的反应气短路。收集管顶部焊接有圆形盖板42，圆形盖板外侧设有焊接在上管板27的收集管定位套筒41，套筒与所述盖板42之间留2mm间隙，盖板与上管板27间设有30mm 间隙以解决气体收集管4热膨胀问题。收集管43下端与内部反应系统球形下封头22焊接连接。所述收集管底部设有扩管段45，扩管底部出口设有中心圆形挡板47，使气体呈扩散状流动，中心挡板与扩管段通过支撑筋板46焊接连接，并通过焊接4块支撑筋板44加强。 

实施例2 

如图7、图8所示：该CO全径向等温变换炉中的气体分布器由几段相同结构的分布器栓接组成，每段分布器包括内筒55和外筒54，内筒55由长度为500mm的三角形肋条间隙排列组成，外筒54由两个半圆筒组成，半圆形外筒两端焊接有两组竖向连接板53将半圆筒栓接在一起形成圆柱筒。外筒54上开均布圆孔，内筒55作为气体二次分布器，其三角形肋条间隙小于外筒孔径且不大于3mm，同时，外筒与上管板27接触处留100mm高度不开孔以防止催化剂沉降引起反应气短路。内筒55的三角形肋条上下两端与外筒54顶部和底部焊接在2组半环板51上，半环板分割位置与外筒一致，且与竖向连接板53焊接在一起，半环板51端部设有8个支耳52，用于上下段气体分布器之间的栓接和定位，最上段气体分布器上端依靠与上管板27焊接的定位环定位，最下段气体分布器下端放入下管板上210开的环形槽内定位。 

其余内容与实例1相同。 

Claims (10)

1.一种CO全径向等温变换炉，包括炉体，所述炉体内设有由多根换热管组成的换热管束，所述炉体顶部设有反应气入口和检修人孔，炉体的上部侧壁上设有冷却水出口，炉体底部设有变换气出口和冷却水入口，所述炉体的中心设有气体收集器；其特征在于所述炉体包括可拆卸连接的上部第一段炉体和下部第二段炉体，所述第二段炉体内设有气体分布器，该气体分布器的上、下两端分别连接在上管板和下管板上，所述上管板与所述炉体的内壁间隔有间隙，所述下管板的周缘密封连接所述炉体的内周壁；所述上管板的上方设有上封头，所述下管板的下方设有下封头，所述的换热管束设置在所述的气体分布器内，并且各所述换热管的两端分别固定在所述的上、下管板上并分别连通由上封头和上管板、下封头和下管板构成的空腔；所述气体收集器的上端连接所述的上管板，气体收集器的下端穿过所述的下封头位于下封头和所述炉体底部构成的空腔内；所述上封头上设有冷却水出口，该冷却水出口通过出水管连接所述的冷却水出口，并且所述的出水管包括可拆卸连接在一起的两部分；所述下封头上设有冷却水入口，该冷却水出口通过进水管连接所述的冷却水入口，并且所述的进水管包括可拆卸连接在一起的两部分。

2.根据权利要求1所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述气体分布器包括可拆卸连接在一起的多个分段，并且各分段又由两个半圆筒可拆卸连接构成。

3.根据权利要求2所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于各所述分段均包括有外筒体和套设在所述外筒体内的内筒体，各所述外筒体可拆卸连接在一起形成外筒，各所述内筒体可拆卸连接在一起形成套设在所述外筒内的内筒，并且所述外筒体和所述内筒体间隔有间隙。

4.根据权利要求3所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述内筒上的气孔的密度大于所述外筒的，并且所述内孔上的气孔的孔径小于等于3mm。

5.根据权利要求5所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述气体分布器和气体收集器在靠近所述上管板100mm以内的位置均不开设气孔。

6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述气体收集器外露于所述下封头的部分呈喇叭状，并且所述气体收集器下端端口的中部设有挡板，所述挡板与所述气体收集器下端端口的周缘间隔有供合成气流出的空隙。

7.根据权利要求6所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述上管板的下表面上设有连接套，所述气体收集器的上端部定位在该连接套内并与所述的上管板间隔有间隙。

8.根据权利要求7所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述的出水管上设有膨胀节。

9.根据权利要求8所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述炉体的周壁上设有定位环，该定位环的上表面上设有环形凹槽；所述下管板上设有与所述凹槽相适配的环形凸块，所述凸块容置在所述凹槽内，并且凸块和凹槽之间设有密封圈。

10.根据权利要求9所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述炉体的内周壁上设有多组定位板，每组定位板包括上、下间隔设置的上定位板和下定位板，对应地，所述上管板的侧壁上设有多块定位块，各所述定位块容置在对应的上定位板和下定位板之间。

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