一種軸徑向等溫變換反應器的製作方法

2023-11-02 03:16:47 2

專利名稱：一種軸徑向等溫變換反應器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種在等溫條件下進行催化反應和熱量利用的等溫變換反應器，尤其是盤管式軸徑向等溫變換反應器，特別適用於石油化工行業的合成氨、甲醇和煤制油等領域的變換裝置。
背景技術：
變換反應是利用原料氣中含量較高的CO和H2O (蒸汽)反應製取H2，其反應式為:co+h2o 〒=^h2+co2+qCO變換反應為可逆放熱反應，在較低溫度下有利於反應向正方向進行，CO變換反應速率比較慢，在催化劑的作用下具有較快的反應速率，而目前工業應用的變換催化劑的活性溫度較高，普遍在200°c以上，所以變換反應都在較高溫度下進行，反應進行時反應器內的溫度會不斷上升，溫度過高(> 400°c )時易發生甲烷化強放熱反應，使反應器內的溫度急劇升高，如果控制措施不當時，會燒結催化劑，同時反應溫度可能會超過設備的設計溫度，導致安全事故。變換反應為放熱反應，及時取走反應熱，保持催化劑床層基本恆溫，在相同轉化率下能降低水蒸氣消耗。同時催化劑床層操作溫度低，變化梯度小，延長了催化劑的使用壽命，降低了設備投資。目前工業應用的變換反應器多為絕熱式固定床反應器，具有結構簡單的特點。但在工業生產，特別是合成氨生產中，由於轉化率要求較高，單段的絕熱固定床反應器不能滿足要求，只能根據最終的產品要求，考慮設置多段反應器，以達到較高的轉化率，這主要是因為平衡常數的影響，由於反應中生成物不斷產生，同時反應溫度不斷升高，轉化率下降，到一定程度，不得不降低溫度後進入後續反應器繼續轉化。同時溫度不斷升高，會超出催化劑的使用溫度，也要求反應要採用多段反應的方式，使之在最適宜溫度下進行，以達到工業生產的需要。 為了控制CO變換反應在一定溫度下穩定進行，常採用4種方法來控制反應器內的反應溫度:①原料氣冷激的方法，當反應溫度過高時直接向反應器內通入原料氣來降低反應溫度；②冷激水直接降溫的方法，當反應溫度過高時向反應器內直接噴入冷激水降低反應溫度；③中間間接換熱的方法，當反應溫度過高時將高溫氣體引出反應器到外部換熱設備降溫後再進入反應器反應；④反應器內置換熱器直接降溫的方法，將換熱管設置在變換反應器內部，通過換熱管直接移走變換反應產生的熱量，從而控制反應溫度。以上4種控制反應器內反應溫度的方法中，第一種和第二種方法對於冷激氣和冷激水的加入量很難準確控制，可能會由於通入量過大而造成反應器內的溫度過低而導致反應無法繼續進行；第三種方法會增加一部分設備和管道，佔用更多的布置空間，對於溫度的控制也相對滯後；第四種方法能夠及時移走反應所產生的熱量，很好的控制反應溫度，但是設備結構相對複雜。為了更好的控制變換反應在較低溫度下等溫進行，CN201010518121.7提出了一種催化劑裝填在列管內，管外通過鍋爐給水、副產蒸汽移走反應熱來維持列管內反應溫度保持恆定的等溫列管式變換反應器。這種反應器能夠較好的控制變換反應的溫度，但是因為催化劑是裝在管徑較小的列管內，床層阻力大，同時催化劑裝填量小，不適用於規模大的生產裝置，並且催化劑的裝卸較困難。CN200910056717.7提出了一種換熱器內置冷壁式變換反應器，將列管換熱器內置於變換反應器內部，以省去另外設置換熱器和管線的成本。原料氣徑向進入催化劑床層，變換反應後放出大量熱量，高溫氣體穿出床層進入內置的列管換熱器，經冷卻介質移走熱量降溫後排出反應器。雖然熱量由反應器內部帶走，但未解決催化劑床層超溫和甲烷化的問題，另外內置列管換熱器雖省去換熱器筒體，與反應器在結構上組合在一起，但在整體上增大了反應器的直徑，並且高溫氣體經過換熱管所產生的熱應力等問題也有待解決。CN20091022701.1提出了一種等溫低溫CO變換反應器，反應器的上端為蒸汽發生裝置的汽室和水室，反應器下部為催化劑床層，換熱列管穿過汽室垂直插入催化劑床層，換熱管出口與汽室連通，不斷產生蒸汽帶走變換反應產生的熱量，使變換反應始終在低溫恆溫下進行，但是這種變換反應器結構比較複雜，檢修較困難，而且換熱管密布在催化劑床層中，催化劑的裝填困難。

實用新型內容針對以上技術問題，本實用新型提出了一種盤管式軸徑向等溫變換反應器，它可在反應過程中不斷的移走變換反應所生成的熱量，使變換反應在等溫下進行，提高了 CO轉化率和催化劑的使用壽命。本實用新型的盤管式軸徑向等溫變換反應器，主要由外殼體14、人孔16、卸料口7、原料氣入口 1、入口氣體分布器2、內筒12、定位杆5、中心集氣器10及內筒12中的催化反應裝置和換熱裝置組成，其中換熱裝置包括鍋爐水進水分布器9、汽液收集器13、換熱盤管11和外置蒸汽汽包17 ;其特徵是，反應器內置換熱管成環形盤旋設置，換熱管內側和外側裝有催化劑，原料氣同時通過軸向催化劑床層3和徑向催化劑床層4。本實用新型所述反應器的催化劑床層由三部分構成，軸向催化劑床層3，換熱盤管11與內筒12環隙間的徑向催化劑床層，換熱盤管11與中心集氣器10環隙間的徑向催化劑床層，兩個環隙均具有足夠的徑向空間，方便催化劑的裝填和更換。本實用新型所述反應器的換熱盤管11與催化劑床層及變換氣直接接觸換熱，可以快速移走熱量，降低床層溫度，避免超溫，延長催化劑使用壽命。本實用新型所述反應器的換熱盤管11環形盤旋設置在徑向催化劑床層4中，氣體徑向穿過床層接觸換熱管降溫後，再繼續徑向穿過床層，可以避免由局部溫度差引起的偏流；並且換熱管可以利用自身的盤旋設置解決高溫引起的熱應力問題。本實用新型所述反應器的換熱盤管11在裝置開工階段可以作為加熱器使用，換熱管內通入蒸汽用以催化劑的升溫硫化，減少外置開工加熱設備的投資。在本實用新型的一個實施方案中，本實用新型所述反應器的內置換熱管採用多根盤管分布的型式，減少單根換熱管的長度從而降低管內流體的流動阻力，同時提高了換熱效率；相鄰換熱管間留有一定間距，便於氣體通過。在本實用新型的一個優選實施方案中，內筒12與中心集氣器10之間裝填徑向催化劑床層4，換熱管成環形盤旋設置其間。在本實用新型的一個優選實施方案中，在內筒12上部裝填軸向催化劑床層3。在本實用新型的一個優選實施方案中，內筒12和中心集氣器10上開有供氣體通過的分布孔，這些孔的分布使氣體通過徑向床層的速率一致。在本實用新型的一個優選實施方案中，鍋爐水進水分布器9為環形對稱設置。在本實用新型的一個優選實施方案中，汽液收集器13為環形對稱設置。在本實用新型的一個優選實施方案中，汽包17置於設備外側。在本實用新型的一個優選實施方案中，原料氣通過入口氣體分布器均布後，同時進入軸向和徑向催化劑床層。在本實用新型的一個優選實施方案中，原料氣經入口分布器2分布後,一部分氣體通過軸向催化劑床層3，大部分氣體沿內筒12和外殼體14之間的環隙徑向通過換熱盤管外側催化劑床層發生反應，經換熱盤管11換熱後，通過換熱盤管內側催化劑繼續反應，經中心集氣器10收集後出反應器。在本實用新型的一個優選實施方案中，外界補充的鍋爐水進入汽包17，與飽和水混合後進入鍋爐水進水分布器9並均勻流入換熱盤管11內，吸收變換反應的熱量，管內鍋爐水溫度升高，形成汽水混合物，再由汽液收集器13收集後送入汽包17，產生的飽和蒸汽從汽包上方引出，飽和水與補入的鍋爐水混合後繼續循環換熱。本實用新型的工作過程是:原料氣經入口氣體分布器2分布後，一部分氣體通過軸向催化劑床層3，大部分氣體沿內筒12和外殼體14之間的環隙徑向通過換熱盤管11與內筒12之間的催化劑床層發生反應，經換熱盤管11換熱後繼續經過換熱盤管11與中心集氣器10之間的催化劑床層發生反應，經中心集氣器10收集後出反應器。鍋爐水進入換熱盤管11吸收變換反應的熱量後部分汽化產生飽和蒸汽帶出熱量，通過控制汽包17的蒸汽壓力使變換反應在等溫狀態下進行。本實用新型所述盤管式軸徑向等溫變換反應器的突出特點是:(I)變換反應在較低溫度下等溫進行，反應平穩，催化劑的使用壽命長CO轉化率高，特別適用於高濃度CO原料氣。(2)反應器溫度控制簡單，只需控制好汽包的蒸汽壓力，就能控制變換反應的溫度。(3)反應器採用軸徑向的型式，氣體流動阻力小，設備外殼只承受高壓而不承受高溫，對設備材料要求不高。(4)反應器內置換熱盤管結構簡單，易於製造，採用盤管型式能夠很好的吸收熱位移，解決了管道熱應力的問題。(5)與CN201010518121.7提出的列管式等溫變換反應器和CN20091022701.1提出
的等溫低溫CO變換反應器相比，本實用新型所述變換反應器的催化劑裝填量大，適用於不同規模的生產裝置，同時催化劑的裝卸方便，設備易於檢修。

圖1是本實用新型的一個實施示意圖。[0037]圖2是盤管式軸徑向等溫變換反應器的俯視圖。附圖標記為:1、原料氣入口 ；2、入口氣體分布器；3、催化劑軸向床層；4、催化劑徑向床層；5、定位杆；6、絲網；7、卸料口 ；8、耐火瓷球；9、鍋爐水進水分布器；10、中心集氣器；11、換熱盤管；12、內筒；13、汽液收集器；14、外殼；15、格柵；16、人孔17、汽包。
具體實施方式
圖1表示本實用新型的一種具體實施方式
。本實用新型所述的盤管式軸徑向等溫變換反應器的結構是，上、下兩端均為球形封頭的立式圓筒外殼14，上封頭設置人孔16，下封頭設置卸料口 7，內筒12和外殼14間留有一定空間的環隙；內筒12內的最上部裝有一層軸向催化劑床層3，催化劑床層的上部設置絲網和可拆卸的格柵15，中心集氣器10位於反應器中心位置，在下封頭上支撐，內筒12和中心集氣器10上開有供氣體通過的分布孔，這些孔的分布使氣體通過徑向床層的速率一致；內筒12和中心集氣器10之間的環形區域裝填催化劑徑向床層4，催化劑床層與內筒12內壁和中心集氣器10外壁之間用絲網6隔開，防止催化劑洩漏和進入中心集氣器10，下封頭裝有耐火瓷球8用於支撐催化劑；鍋爐水進水分布器9和汽液收集器13在反應器外殼14上支撐，按生產規模確定分支盤管根數和直徑，盤管位置設在內筒12和中心集氣器10的環形區域中。本實用新型所述的盤管式軸徑向等溫變換反應器的工作原理是:原料氣經入口分布器2分布後，一部分氣體通過軸向催化劑床層3，大部分氣體沿內筒12和外殼體14之間的環隙徑向通過換熱盤管外側催化劑床層發生反應，經換熱盤管11換熱後，通過換熱盤管內側催化劑繼續反應，經中心集氣器10收集後出反應器。外界補充的鍋爐水進入汽包17，與飽和水混合後進入鍋爐水進水分布器9並均勻流入換熱盤管11內，吸收變換反應的熱量，管內鍋爐水溫度升高，形成汽水混合物，再由汽液收集器13收集後送入汽包17，產生的飽和蒸汽從汽包17上方引出，飽和水與補入的鍋爐水混合後繼續循環換熱。通過控制汽包17的蒸汽壓力使變換反應在等溫狀態下進行。以上所述，僅為本實用新型最佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1、一種軸徑向等溫變換反應器，主要由外殼體(14)、人孔(16)、卸料口(7)、原料氣入口( I)、入口氣體分布器(2)、內筒(12)、定位杆(5)、中心集氣器(10)及內筒(12)中的催化反應裝置和換熱裝置組成，其中換熱裝置包括鍋爐水進水分布器(9)、汽液收集器(13)、換熱盤管(11)和外置蒸汽汽包(17);其特徵在於，反應器內置換熱管成環形盤旋設置，換熱管內側和外側裝有催化劑，原料氣同時通過軸向催化劑床層(3)和徑向催化劑床層(4)。
2、根據權利要求1所述的軸徑向等溫變換反應器，其中，內筒(12)與中心集氣器(10)之間裝填徑向催化劑床層(4)，換熱管成環形盤旋設置其間。
3、根據權利要求1所述的軸徑向等溫變換反應器，其中，在內筒(12)上部裝填軸向催化劑床層(3)。
4、根據權利要求1所述的軸徑向等溫變換反應器，其中，內筒(12)和中心集氣器(10)上開有供氣體通過的分布孔，這些孔的分布使氣體通過徑向床層的速率一致。
5、根據權利要求1所述的軸徑向等溫變換反應器，其中，鍋爐水進水分布器(9)為環形對稱設置。
6、根據權利要求1所述的軸徑向等溫變換反應器，其中，汽液收集器(13)為環形對稱設置。
7、根據權利要求1所述的軸徑向等溫變換反應器，其中，汽包(17)置於設備外側。
8、根據權利要求1所述的軸徑向等溫變換反應器，其中，原料氣通過入口氣體分布器均布後，同時進入軸向和徑向催化劑床層。
9、根據權利要求1所述的軸徑向等溫變換反應器，其中，原料氣經入口分布器(2)分布後，一部分氣體通過軸向催化劑床層(3)，大部分氣體沿內筒(12)和外殼體(14)之間的環隙徑向通過換熱盤管外側催化劑床層發生反應，經換熱盤管(11)降溫後在換熱盤管內側催化劑作用下繼續反應，經中心集氣器(10)收集後出反應器。
10 、根據權利要求1所述的軸徑向等溫變換反應器，其中，外界補充的鍋爐水進入汽包(17)，與飽和水混合後進入鍋爐水進水分布器(9)並均勻流入換熱盤管(11)內，吸收變換反應的熱量，管內鍋爐水溫度升高，形成汽水混合物，再由汽液收集器(13)收集後送入汽包(17)，產生的飽和蒸汽從汽包上方引出，飽和水與補入的鍋爐水混合後繼續循環換熱。
專利摘要本實用新型提供了一種盤管式軸徑向等溫變換反應器，主要由外殼體(14)、人孔(16)、卸料口(7)、原料氣入口(1)、入口氣體分布器(2)、內筒(12)、定位杆(5)、中心集氣器(10)及內筒(12)中的催化反應裝置和換熱裝置組成，其中換熱裝置包括鍋爐水進水分布器(9)、汽液收集器(13)、換熱盤管(11)和外置蒸汽汽包(17)；其特徵是，反應器內置換熱管成環形盤旋設置，換熱管內側和外側裝有催化劑，原料氣同時通過軸向催化劑床層(3)和徑向催化劑床層(4)。本實用新型把換熱盤管放置於反應器內部，反應熱由換熱介質不斷移走，使反應維持在較低的等溫條件下進行，不僅能解決CO變換的超溫和甲烷化問題，延長催化劑的使用壽命；也能減小設備和管道的熱應力風險，降低設備和管道的製造成本，具有顯著的工業意義和經濟效益。
文檔編號B01J8/02GK203075923SQ20122060568
公開日2013年7月24日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者杜國強, 尹俊傑, 汪旭紅, 曹志斌, 田旭, 楊羽華, 馬如芬 申請人:航天長徵化學工程股份有限公司