CN218642476U - 气流导转部件、热交换组件及蒸汽重整制氢转化管 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及蒸汽重整制氢的气流导转部件、具有该气流导转部件的热交换组件及具有该热交换组件的转化管。该气流导转部件包括具有两个端的气流导转主体，气流倒转主体包括相互独立的原料气流通道和转化气流通道。原料气流通道在气流导转主体的一端形成原料气流入口，在另一端形成原料气流出口。转化气流通道在气流导转主体的原料气流入口所在的一端形成转化气流出口，在气流导转主体的侧壁形成转化气流入口，其中，转化气流出口位于原料气流入口的内侧。该气流导转部件可以使原料气和转化气交换内外流道，减少热损失，提高热量利用率；并且结构简单，便于生产制造。

Description

气流导转部件、热交换组件及蒸汽重整制氢转化管

技术领域

本实用新型涉及蒸汽重整制氢技术领域，特别涉及气流导转部件、具有该气流导转部件的热交换组件及蒸汽重整制氢转化管。

背景技术

现有的小型天然气蒸汽重整制氢转化炉，其原料气流入口和转化气流出口均设计在蒸汽重整制氢转化管的顶部。重整反应产生的高温转化气在转化管的上部与原料气进行热交换，利用转化气的热量对原料气进行预热，经过转化气预热后的原料气从贯穿催化剂床层的管道中流至转化管的底部，再向上流入催化剂床层进行催化重整反应。

现有的小型天然气蒸汽重整制氢转化炉的转化管，催化剂床层管段设计为原料气在内侧，转化气在外侧；并且，转化管上部的管段也设计为原料气在内侧，转化气在外侧。由于转化管的上部位于炉顶区域，使得位于外侧的高温转化气在与原料气热交换时，还会向外部传导热量，从而造成转化气的热量损失较多，热量利用率不足的问题，造成了资源的浪费。

实用新型内容

本实用新型提供一种气流导转部件、具有该气流导转部件的热交换组件及转化管，以降低热量损失，提高热量利用率。

第一方面，本实用新型提供一种气流导转部件，用于蒸汽重整制氢，该气流导转部件包括具有两个端的气流导转主体，被构造成包括相互独立的原料气流通道和转化气流通道。原料气流通道在气流导转主体的一端形成原料气流入口，在另一端形成原料气流出口。转化气流通道在气流导转主体上的原料气流入口所在的一端形成转化气流出口，在气流导转主体的侧壁形成转化气流入口，其中，转化气流出口位于原料气流入口的内侧。

在一些实施例中，转化气流通道包括转化气流纵向段和转化气流外延段，转化气流纵向段和转化气流外延段在气流导转主体的内部相连通。其中，转化气流出口位于转化气流纵向段的气流末端，转化气流入口位于转化气流外延段的气流始端。优选的，转化气流通道包括一个转化气流纵向段和若干转化气流外延段；其中，转化气流外延段与气流导转主体的轴线之间的角度为110°～130°，且沿转化气流的反方向从内向外延伸。更优选的，转化气流通道具有4个前述的转化气流外延段，原料气流通道具有4个原料气流纵向段；其中，转化气流外延段与原料气流纵向段交错间隔布置。

在一些实施例中，原料气流通道包括若干设置于气流导转主体的原料气流纵向段，原料气流纵向段与气流导转主体的轴线之间的角度为5°～15°，且沿原料气流方向从外向内延伸。

在一些实施例中，气流导转部件还包括转化气流罩，转化气流罩包括下端设置开口的内腔。其中，转化气流罩至少容纳部分气流导转主体以使转化气流通道连通至其内腔。

第二方面，本实用新型提供一种热交换组件。热交换组件的热交换介质包括原料气和转化气。热交换组件包括第一热交换部，被构造成包括内侧转化气降温流道和外侧原料气升温流道；第二热交换部，被构造成包括转化气散热气路和原料气吸热气路；以及上述第一方面的气流导转部件。外侧原料气升温流道通过气流导转主体的原料气流通道连通至原料气吸热气路，内侧转化气降温流道通过气流导转主体的转化气流通道连通至转化气散热气路。在原料气的流动方向上，第二热交换部位于第一热交换部的下游。在一些实施例中，第一热交换部包括内筒和包绕内筒的外筒，内侧转化气降温流道由内筒限定，外侧原料气升温流道由外筒和内筒之间的流道限定。在一些实施例中，第二热交换部被构造成管式换热器。

第三方面，本实用新型提供一种蒸汽重整制氢转化管。转化管包括炉管管体、催化剂床层、多孔支撑板、芯管以及上述第二方面设有气流导转部件的热交换组件。其中，催化剂床层将炉管管体分隔为上腔和下腔；热交换组件设于上腔且上腔与转化气散热气路连通；多孔支撑板设于催化剂床层的底端；芯管穿过催化剂床层以使芯管中的原料气到达下腔后再从多孔支撑板上的孔隙进入催化剂床层中发生反应。

本公开的特点及优点包括：

本实用新型提供的气流导转部件包括气流导转主体，通过在气流导转主体内设置相互独立的原料气流通道和转化气流通道，使流过气流导转部件的原料气流、转化气流可以被灵活地引导至最佳的流道，从而使位于气流导转部件两端的原料气和转化气可以交换内外流道，减少热损失，提高热量利用率。并且，该气流导转部件结构简单，便于制造加工。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本实用新型的蒸汽重整制氢转化管的示意图；

图2A示出了根据本实用新型的包括气流导转部件的热交换组件的一种实施例的示意图；

图2B示出了图2A中的气流导转部件的示意图；

图3A示出了根据本实用新型的气流导转部件的另一种实施例的俯视示意图；

图3B示出了沿着图3A中AA方向剖切的气流导转部件的示意图；

图3C示出了沿着图3A中BB方向剖切的气流导转部件的示意图；

图4示出了根据本实用新型的气流导转部件的又一种实施例的示意图；

图5A示出了沿着图4中CC方向剖切的气流导转部件的芯体的示意图；

图5B示出了沿着图5A中DD方向剖切的芯体的示意图；

图5C示出了沿着图5A中EE方向剖切的芯体的示意图。

附图标记说明：

20-转化管，210-热交换组件，22-多孔支撑板，23-催化剂床层，24-炉管管体；

211-第一热交换部，211a-内筒，211b-外筒；

212-气流导转部件，212a-气流导转主体，212b-原料气流入口，212c-原料气流出口，212d-原料气流通道，212e-转化气流入口，212f-转化气流出口，212g-转化气流通道，212h-内管组，212j-内腔，212k-转化气流罩，212m-转化气流纵向段，212n-转化气流外延段，212p/212p1/212p2-管体，212r-芯体，212s-原料气流纵向段；

213-第二热交换部/管式换热器，215-原料气入口连接端，216-转化气出口连接端，217-保温填料层，218-法兰盖，219-填料保护管；

25a-转化气气流，25b-原料气气流。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

参考图1，本实用新型公开一种蒸汽重整制氢转化管20，属于蒸汽重整制氢转化炉的重要部件。设置转化管20的蒸汽重整制氢转化炉，例如天然气重整制氢转化炉，可使原料气(天然气和水蒸气的混合物)发生重整转化反应生成转化气(甲烷、氢气、CO、CO2和H2O的混合物)。

在一些实施例中，转化管20包括炉管管体24、多孔支撑板22、催化剂床层23、芯管26以及热交换组件210。催化剂床层23将炉管管体24分隔为上腔和下腔，多孔支撑板22设于催化剂床层23的底端，用于为催化剂床层23提供支撑。热交换组件210设有输送原料气的通道和输送转化气的通道，用于使需要升温的原料气和需要降温的转化气进行热量交换。热交换组件210设于炉管管体24的上腔，且该上腔与热交换组件210输送转化气的通道连通。芯管26穿过催化剂床层23，其上端连接至热交换组件210，且与热交换组件210输送原料气的通道连通。芯管26中的原料气到达下腔后再从多孔支撑板22上的孔隙进入催化剂床层23中发生反应。优选的，转化管20的长度为2～3m；或，催化剂床层23的高度为1～2.5m。

继续参考图1，热交换组件210的上端设有原料气入口连接端215和转化气出口连接端216。参考图2A，原料气气流25b从原料气入口连接端215流入转化管20，经过热交换组件210提升温度至500～700℃后从多孔支撑板22上的孔隙进入到催化剂床层23中发生重整反应生成转化气气流25a；转化气经过热交换组件210降低温度至300～500℃后从转化气出口连接端216流出转化管20。

参考图1和图2A，在一些实施方式中，热交换组件210包括第一热交换部211、第二热交换部213以及气流导转部件212。其中，第一热交换部211包括内侧转化气降温流道和外侧原料气升温流道；第二热交换部213包括原料气吸热气路和转化气散热气路；气流导转部件212使第一热交换部211的外侧原料气升温流道流体连通至第二热交换部213的原料气吸热气路，且使第二热交换部213的转化气散热气路流体连通至第一热交换部211的内侧转化气降温流道。第一热交换部211、第二热交换部213以及气流导转部件212设置在转化管20的上部区域。其中，在原料气的流动方向上，第二热交换部213位于第一热交换部211的下游。也即，在转化气的流动方向上，第二热交换部213位于第一热交换部211的上游。气流导转部件212设置在第一热交换部211与第二热交换部213之间。

在热交换组件210的第一热交换部211设置内侧转化气降温流道和外侧原料气升温流道，使得转化气在内侧，原料气在外侧。位于内侧的转化气的余热可加热原料气，由于原料气与转化气的流动方向相反，因此两者热交换效率高，原料气的加热效果明显。同时，由于转化气位于内侧，降低第一热交换部211所在位置的热损失，使得第一热交换部211的热量更加有效地用于原料气的升温加热。进一步地，由于第一热交换部和第二热交换部分别为原料气都提供了有效的热量交换，原料气在此之后所需的热量减少。因此，在第二热交换部之后的为了提高原料气温度的热交换路径或热交换装置的设计可以精简化，从而能大幅度减小转化管的长度，极大地缩小转化炉装置的体积。

进一步地，请参考图2A，第一热交换部211包括内筒211a和包绕内筒211a的外筒211b。原料气入口连接端215设置于外筒211b的上端，具体地，原料气入口连接端215设置在外筒211b的侧壁上；转化气出口连接端216设置于内筒211a的上端。内筒211a限定了内侧转化气降温流道，使转化气从内筒211a流出转化管20。外筒211b和内筒211a之间的流道限定了原料气升温流道，使原料气经过外筒211b后流向第二热交换部213。内筒211a中流过的转化气气流25a与外筒211b中流过的原料气气流25b进行热量交换，使原料气温度升高、转化气温度降低。

根据本实用新型的若干实施方式，第二热交换部213可以是盘管式或列管式的管式换热器213。管式换热器213设置原料气吸热气路和转化气散热气路。原料气经过原料气吸热气路升温后流向芯管26，转化气经过转化气散热气路降温后流向第一热交换部211的转化气降温流道。转化气散热气路中流过的转化气气流25a与原料气吸热气路中流过的原料气气流25b进行热量交换，使原料气温度升高、转化气温度降低。

在一些实施例中，管式换热器213中的列管或盘管作为原料气吸热气路，列管或盘管管路外部的空间作为转化气放热气路。可选地，在另一些实施例中，管式换热器213中的列管或盘管作为管式换热器213的转化气放热气路，列管或盘管管路外部的空间作为原料气吸热气路。

请参考图2A至图5C，气流导转部件212包括具有两端的气流导转主体212a，且气流导转主体212a设有相互独立的原料气流通道212d和转化气流通道212g。其中，原料气流通道212d在气流导转主体212a的一端(例如，上端)形成原料气流入口212b，在另一端(例如，下端)形成原料气流出口212c。原料气流入口212b连通至第一热交换部211的外侧原料气升温流道，原料气流出口212c连通至第二热交换部213的原料气吸热气路。转化气流通道212g在气流导转主体212a的一端(例如，上端)形成位于原料气流入口212b内侧的转化气流出口212f，在气流导转主体212a的侧壁形成转化气流入口212e。转化气流入口212e连通至第二热交换部213的转化气散热气路，转化气流出口212f连通至第一热交换部211的内侧转化气降温流道。

在一些实施例中，请参考图2A和图2B，气流导转主体212a被构造成包括两端开口且内部中空的管体212p，以及设置于管体212p内部的内管组212h。管体212p上端的开口为原料气流入口212b，管体212p下端的开口为原料气流出口212c。在一些实施例中，管体212p两端细且中部粗，这将有利于在其内布置原料气流通道212d和转化气流通道212g。

内管组212h可以被构造成适于被容纳至管体212p的任意形状，内管组212h可以沿曲线或直线等延伸。内管组212h限定转化气流通道212g，管体212p内壁与内管组212h之间所限定的区域构成原料气流通道212d。转化气流通道212g在管体侧壁形成开口，该开口为转化气流入口212e。内管组212h具有上端，该上端位于原料气流入口212b的内侧。内管组212h的上端设置开口，该开口为转化气流出口212f。在一些实施例中，气流导转部件212还包括设置于气流导转主体212a外侧的转化气流罩212k。转化气流罩212k具有下端开口的内腔212j，内腔212j至少容纳部分气流导转主体212a，例如将转化气流入口212e容纳至内腔212j，从而使转化气流通道212g连通至内腔212j。也就是说，内腔212j可以被视为转化气流通道212g的延伸。在一些实施例中，转化气流入口212e设置于管体212p靠近下端的侧壁，转化气流罩212k与管体212p同轴设置。

在一些实施例中，转化气流通道212g包括流体连通的转化气流纵向段212m和转化气流外延段212n，转化气流出口212f位于转化气流纵向段212m的气流末端，转化气流入口212e位于转化气流外延段212n的气流始端。其中，转化气流外延段212n被定义为其具有在水平面上的投影长度，即转化气流外延段212n的起点和终点位于不同的纵向轴线上。例如，内管组212h可以被构造成L型，即包括流体连通的纵向段和一个外延段，转化气流出口212f设置于纵向段，转化气流入口212e设置于外延段。其中，纵向段限定转化气流纵向段212m，外延段限定转化气流外延段212n。内管组212h的纵向段的轴线可与管体212p的轴线平行，例如，内管组212h的纵向段与管体212p同轴设置。内管组212h的外延段沿横向延伸至管体212p的侧壁。纵向段的轴线与外延段的轴线成角度分布，例如两轴线的角度大于等于90°且小于180°，具体可为110°、120°、130°等，且外延段沿转化气流的反方向从内向外延伸。内管组212h可设置多个连接至纵向段的外延段，各外延段可沿径向均匀分布。例如，内管组212h可设置2个相对布置的外延段，或4个两两相对布置的外延段等。可替换地，内管组212h可以只包括外延段，外延段的一端延伸至气流倒转主体的侧壁，另一端延伸至气流倒转主体的上端。具体的，转化气流通道212g可以包括一个或多个转化气流外延段212n。

管体212p的上端连接至第一热交换部211的外筒211b，管体的下端连接至第二热交换部213的原料气吸热气路的接口(例如，管式换热器的原料气的入口)。内管组212h的上端连接至第一热交换部的内筒211a，与转化气流入口212e联通的转化气外罩212k连接至第二热交换部213的转化气散热气路的接口(例如，管式换热器的转化气的出口)。原料气气流25b从原料气入口连接端215流入外筒211b，依次途经原料气流通道212d、第二热交换部213的原料气吸热气路及芯管26，到达催化剂床层23参与反应。反应后生成的气体形成转化气气流25a，依次途经第二热交换部213的转化气散热气路、转化气流罩212k的内腔212j、转化气流通道212g及内筒221a，从转化气出口连接端216流出。

在另一些实施例中，请参考图3A至图5C，可将气流导转部件212的内管组212h替换为芯体212r，其余部件不变。气流导转主体212a被构造成包括两端开口且内部中空的管体212p，以及将管体212p分隔为上腔和下腔的芯体212r，芯体212r设有纵向贯穿的孔，该孔为原料气流纵向段212s。原料气流通道212d包括依次连通的管体212p的上腔、原料气流纵向段212s和下腔。芯体212r还设有从其上端延伸至侧壁的转化气流通道212g。转化气流通道212g在芯体212r的上端形成转化气流出口212f，并在管体212p的侧壁形成转化气流入口212e。在一些实施例中，参见图4，可将管体212p分为上下两段管体212p1、212p2，芯体212r将两段管体连接为一个整体。此时，转化气流入口212e位于芯体212r的侧壁。在一些实施例中，参见图3B，管体212p与芯体212r一体成型。在另一些实施例中，参见图4，管体212p1、212p2和芯体212r可通过焊接进行连接。设置于芯体212r的原料气流纵向段212s和转化气流通道212g可通过机加工形成。例如，芯体212r通过在柱状的实体上机加工开孔，从而形成相互独立的原料气流纵向段212s和转化气流通道212g。

设置于芯体212r的转化气流通道212g可以是沿任意曲线或直线等延伸的通道。具体地，在一些实施例中，参见图3C，转化气流通道212g包括转化气流纵向段212m和连通至其的相对设置的两个转化气流外延段212n，且两个转化气流外延段212n的轴线成角度分布，例如120°等。其中，沿纵向方向延伸的转化气流纵向段212m设置于芯体212r的上部的中轴线部位，且与管体212p同轴设置。由内向外延伸的转化气流外延段212n设置于芯体212r的中部，且连通至转化气流纵向段212m的下端。芯体212r还设有两个平行于管体轴线且相对设置的原料气流纵向段212s，其围绕转化气流纵向段212m并与转化气流外延段212n错开设置。

参见图4，在一些实施例中，气流导转部件212的管体212p分为上下两段管体212p1、212p2，芯体212r可以视为管体212p的一部分，芯体212r将管体212p1、212p2连接为一个整体。气流导转部件212的原料气流入口212b设于管体212p1的上端，原料气流出口212c设于管体212p2的下端。气流导转部件212的转化气流入口212e设于芯体212r的侧壁，转化气流出口212f设于芯体212r的上端。

参见图5A至图5C，在一些实施例中，芯体212r设有4个围绕转化气流纵向段212m在径向上均匀分布的原料气流纵向段212f，且沿原料气流的方向从外向内延伸，即向内靠拢地延伸。此时，原料气流纵向段212f与管体轴线成角度分布，夹角范围为0°～20°，例如5°、10°、15°等，优选为10°。芯体212r具有四个连通至转化气流纵向段212m的转化气流外延段212n，其与原料气流纵向段212f在径向上交错布置。在芯体212r设置四个原料气流纵向段212f及四个转化气流外延段212n，有利于减小流阻，便于原料气和转化气的流动。

请继续参考图1，在一些实施例中，芯管26与炉管管体24同轴设置，其上端连接至热交换组件210，且与热交换组件210输送原料气的通道连通，即芯管26连接至管式换热器213的原料气出口。

芯管26沿催化剂床层23向下延伸至下端超过多孔支撑板22。原料气气流25b从管式换热器213的原料气出口进入芯管26，进一步随向下延伸的芯管26到达多孔支撑板22下方，再经过多孔支撑板22上的孔隙进入到催化剂床层23中发生重整转化发应。重整反应产生的转化气气流25a从催化剂床层的上方流出进入到第二热交换部213的转化气散热气路中。

优选的，参考图1和图2A，第一热交换部211的外筒211b的外侧设置保温填料层217，保温填料层217外周设置填料保护管219。法兰盖218将填料保护管219以及填料保护管219内的保温填料层217固定至炉管管体24。通过设置保温填料层217，减少外筒211b的热量损失，提高内筒211a中的转化气气流25a和外筒211b中的原料气气流25b的热交换效果。由于第一热交换部211外冷内热，因此，在法兰盖218处不需要填充隔热材料也能保证法兰盖218不会受热变形，法兰盖218可以采用普通的平顶法兰盘，从而可以降低成本。

本实用新型的气流导转部件212包括气流导转主体，通过在气流导转主体内设置相互独立的原料气流通道和转化气流通道，使流过气流导转部件212的原料气流、转化气流可以被灵活地引导至最佳的流道联接位置，减少热损失，提高热量利用率。本实用新型提供的气流导转部件212结构简单，便于制造加工，尤其适用于经过简单机加工钻孔处理后再焊接而成。

以上所述仅为本公开的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本公开实施例进行各种改动或变型而不脱离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种气流导转部件，用于蒸汽重整制氢，其特征在于，所述气流导转部件包括：

具有两个端的气流导转主体，被构造成包括相互独立的原料气流通道和转化气流通道；

其中，所述原料气流通道在所述气流导转主体的一端形成原料气流入口，在另一端形成原料气流出口；所述转化气流通道在所述气流导转主体的所述一端形成转化气流出口，在所述气流导转主体的侧壁形成转化气流入口；

其中，所述转化气流出口位于所述原料气流入口的内侧。

2.根据权利要求1所述的气流导转部件，其特征在于，所述转化气流通道包括转化气流纵向段和转化气流外延段，所述转化气流纵向段和所述转化气流外延段在所述气流导转主体的内部相连通；

其中，所述转化气流出口位于所述转化气流纵向段的气流末端，所述转化气流入口位于所述转化气流外延段的气流始端。

3.根据权利要求2所述的气流导转部件，其特征在于，所述转化气流通道包括一个转化气流纵向段和若干转化气流外延段；

其中，所述转化气流外延段与所述气流导转主体的轴线之间的角度为110°～130°，且沿转化气流的反方向从内向外延伸。

4.根据权利要求2所述的气流导转部件，其特征在于，所述原料气流通道包括若干设置于所述气流导转主体的原料气流纵向段；原料气流纵向段与所述气流导转主体的轴线之间的角度为5°～15°，且沿原料气流方向从外向内延伸。

5.根据权利要求3所述的气流导转部件，其特征在于，所述转化气流通道具有4个所述转化气流外延段，所述原料气流通道具有4个原料气流纵向段；

其中，所述转化气流外延段与所述原料气流纵向段交错间隔布置。

6.根据权利要求1～5任一项所述的气流导转部件，其特征在于，还包括转化气流罩，所述转化气流罩包括下端设置开口的内腔，

其中，所述转化气流罩至少容纳部分气流导转主体以使所述转化气流通道连通至其内腔。

7.一种热交换组件，用于蒸汽重整制氢，所述热交换组件的热交换介质包括原料气和转化气，其特征在于，所述热交换组件包括：

第一热交换部，被构造成包括内侧转化气降温流道和外侧原料气升温流道；

第二热交换部，被构造成包括转化气散热气路和原料气吸热气路；以及

权利要求6所述的气流导转部件，所述外侧原料气升温流道通过所述气流导转主体的原料气流通道连通至原料气吸热气路，所述内侧转化气降温流道通过所述气流导转主体的转化气流通道连通至转化气散热气路；

其中，在所述原料气的流动方向上，所述第二热交换部位于所述第一热交换部的下游。

8.根据权利要求7所述的热交换组件，其特征在于，所述第一热交换部包括内筒和包绕所述内筒的外筒，所述内侧转化气降温流道由所述内筒限定，所述外侧原料气升温流道由所述外筒和所述内筒之间的流道限定。

9.根据权利要求8所述的热交换组件，其特征在于，所述第二热交换部被构造成管式换热器。

10.一种蒸汽重整制氢转化管，其特征在于，包括炉管管体、催化剂床层、多孔支撑板、芯管以及权利要求7～9任一项所述的热交换组件；其中，所述催化剂床层将所述炉管管体分隔为上腔和下腔；

所述热交换组件设于所述上腔且所述上腔与所述转化气散热气路连通；

所述多孔支撑板设于所述催化剂床层的底端；

所述芯管穿过所述催化剂床层以使芯管中的原料气到达下腔后再从所述多孔支撑板上的孔隙进入所述催化剂床层中发生反应。

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