專利名稱：Co全徑向等溫變換爐的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到化工設備領域，具體指一種CO全徑向等溫變換爐。
背景技術：
目前國內在粉煤氣化生成的高濃度CO變換流程設計過程中，變換爐均采用絕熱反應器。由于粗合成氣中CO含量高，同時變換反應又是強放熱過程，因此，變換單元在流程設置上均采用多臺絕熱爐串聯(lián)進行CO變換反應，爐間移走反應熱。這也造成了傳統(tǒng)高濃度CO變換流程復雜、反應器臺數(shù)多、系統(tǒng)壓降大、設備投資高、變換爐溫度控制困難，在催化劑硫化和正常運行時容易超溫，存在安全隱患；絕熱溫升抑制了 CO反應平衡，造成單臺變換爐CO轉化率低等一系列問題?；诮^熱變換爐在高濃度CO變換過程中存在的各種問題，近年來國內一些工程 公司對全等溫變換爐也進行了研究和開發(fā)。等溫變換爐的工作原理較簡單，在等溫變換爐內置入換熱管道，當爐內發(fā)生CO變換反應時，通過鍋爐給水副產蒸汽的方式移走反應熱，這樣就可以保持催化劑床層溫度基本恒定。相比絕熱變換爐可以省去爐間的熱能回收設備，簡化了工藝流程，降低了設備投資。等溫變換爐工作原理雖然簡單，但在工程設計和裝置實際運行過程中，等溫爐要能夠及時移走反應熱、爐子的結構要簡單、爐子的催化劑更換和檢維修要方便快捷、變換氣分布要均勻，同時解決好爐內熱應力問題也非常關鍵和重要。公告號為CN101721956A的中國專利申請了一種《等溫低溫CO變換反應器》，該等溫反應器內用于移走反應熱的鍋爐水從換熱管道頂部進入，產生的蒸汽也是從換熱管道頂部以自蒸發(fā)的形式移出，這使鍋爐水的流動性很差，通過鍋爐水移走反應熱的能力有限，反應器仍然存在超溫的風險。該等溫反應器對自身所產的飽和中壓蒸汽進行了過熱，在工程化過程中此設計方案很難實施，原因是飽和中壓蒸汽的比熱很小，在等溫反應器內由飽和中壓蒸汽變成過熱中壓蒸汽的過程中，吸收的熱量很少，不能有效的移走變換反應熱量，肯定會導致等溫反應器局部超溫，燒壞局部超溫處的變換催化劑。該等溫反應器采用全封閉型式，只能在設備制造過程中進行催化劑的裝填，催化劑失活后的裝卸更換無法實現(xiàn)，另外如果換熱管破裂，也無法進行修補和封堵。該等溫反應器內部分為汽室和水室，下部有換熱管和倒U形管，結構復雜，制造加工難度大，成本高。該等溫反應器內CO變換反應發(fā)生在250°C以上，換熱管束所在內部筒體上下部分均與反應器外部筒體焊接連接，在高溫下爐內熱應力無法釋放，會造成內部筒體彎曲變形。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的狀況，提出一種CO全徑向等溫變換爐，它利用循環(huán)水連續(xù)、快速地移走高濃度CO變換反應過程中的反應熱,使反應器能夠維持在恒溫狀態(tài)下進行變換反應，同時優(yōu)化和簡化爐體結構型式，為催化劑的快速裝卸、更換和設備檢維修提供便利，還要解決高溫工況下反應器的熱應力釋放問題。本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案為該CO全徑向等溫變換爐，包括爐體，封閉容器，爐體的頂部設有反應氣入口和檢修人孔，爐體的上部側壁上設有冷卻水出口，爐體底部設有冷卻水入口 ；換熱管束，設置在所述爐體內，由多根相互平行的換熱管組成；氣體分布器，設置在所述爐體內，進入爐體內的氣體經氣體分布器均流后進入催化劑床層；上管板和下管板，連接在所述氣體分布器的上、下兩端，其上設有多個管孔，各換 熱管的兩端分別插設在上、下管板上對應的管孔內；氣體收集器，用于收集反應后的合成氣，縱向設置在所述爐體中部；其特征在于所述爐體包括可拆卸連接在一起的上段、中段和下段，所述爐體的頂部還設有變換氣出口 ；所述氣體收集器的下端連接所述下管板，所述上管板上設有連接孔，所述氣體收集器的上端穿過該連接孔可拆卸連接出氣管；該出氣管的另一端穿過所述的變換氣出口并外露于所述爐體；所述上管板的上方連接有環(huán)形上封頭，所述下管板密封連接所述爐體并位于所述中段和所述下段之間。較好的，爐體的三段之間均可通過法蘭連接，以保證爐體外部的拆卸和內部管束的整體抽出。爐體可以支撐在裙座上立式放置。為了方便催化劑的裝填、更換，所述氣體分布器可以由可拆卸連接在一起的多個分段短節(jié)組合而成，并且各分段又由兩個半圓筒可拆卸連接構成。進一步，為了保證氣體進入催化劑床層時的分布均勻性，各所述分段均包括有外筒體和套設在所述外筒體內的內筒體，各所述外筒體可拆卸連接在一起形成外筒，各所述內筒體可拆卸連接在一起形成套設在所述外筒內的內筒，并且所述外筒體和所述內筒體間隔有間隙。內筒體對反應氣起到二次分布的作用。較好的，上述方案中所述內筒上的氣孔的密度大于所述外筒的，并且所述內筒上的氣孔的孔徑小于等于3_。考慮到生產過程中催化劑的沉降問題，所述氣體分布器靠近所述上管板IOOmm以內的位置不開設氣孔，以防止因催化劑沉降引起的反應氣回流和短路。為了降低冷卻水的流動阻力，所述的冷卻水出口有兩個，相應地，連接所述上封頭與兩個冷卻水出口的出水管也有兩根?？紤]到反應爐內部整體的熱膨脹，可以在所述出水管上設有膨脹節(jié)；所述氣體收集器位于所述上封頭與所述爐體空腔內的部分上也設有膨脹節(jié)，以解決內部反應系統(tǒng)整體熱膨脹問題。所述上管板的側壁上間隔設有多塊定位塊，對應地，所述爐體的內側壁上設有多組定位板，每組定位板包括左、右間隔設置的左定位板和右定位板，各所述定位塊位于對應的左、右定位板之間。爐體和內部系統(tǒng)通過定位塊的相互定位使安裝和拆卸更為方便。所述氣體收集管在上下管板之間部分間隔均勻地設有多個氣孔，較好地，收集管在靠近上管板底面IOOmm內不開孔，以防止催化劑沉降引起反應氣回流和短路。
考慮到氣體收集器的熱膨脹，可以在所述下管板的上表面上設有連接套，所述氣體收集器的下端部定位在該連接套內并與所述的上管板間隔有間隙，該間隙可供氣體收集器在上下管板之間部分的局部熱膨脹。所述的兩個出水管上和氣體收集器出口管上設置膨脹節(jié)，以解決內部反應系統(tǒng)整體熱膨脹問題。該CO等溫變換爐整體上采用全徑向Π型結構，反應氣上進上出，換熱管間裝填催化劑，管內走冷卻水，冷卻水吸收變換熱，根據(jù)反應熱移出的強度要求，冷卻水循環(huán)過程可以是自然循環(huán)也可以是強制循環(huán)，循環(huán)冷卻水下游可設置汽包副產蒸汽回收余熱。通過控制循環(huán)水量來維持變換反應溫度的恒定。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下特點 I、通過冷卻水的循環(huán)達到快速移出高濃度CO變換反應熱，其過程可以是自然循環(huán)也可是強制循環(huán)，通過控制循環(huán)水量達到控制變換反應溫度的目的，冷卻水出口可以設置汽包副產蒸汽，回收余熱，反應器結構簡單，投資少，可控性強。2、冷卻水出口管、氣體收集器和爐體均采用法蘭連接，使外部爐體可拆卸為上段、中段和下段三部分，使內部反應系統(tǒng)可整體抽出，加上氣體分布器的分段拼接設計和可拆式栓接結構為催化劑的快速裝卸以及后期設備的檢維修提供了便利。3、充分考慮高溫應力工況，在內部反應系統(tǒng)兩個循環(huán)冷卻水出口和氣體收集器上端均設置有膨脹節(jié)，解決了內部反應系統(tǒng)整體向上的熱膨脹；氣體收集管底套筒間隙定位，解決了氣體收集管向下的局部膨脹，這有利于設備的長周期穩(wěn)定運行和使用壽命的延長。4、CO全徑向等溫變換爐采用全徑向結構，流通面積大，床層阻力小，壓降小。氣體分布器采用內、外筒結構，對反應氣二次分布，使氣體分布更加均勻，有利于提高轉化率，同時，充分考慮催化劑沉降問題，在氣體分布器頂部和氣體收集管靠近上管板處都預留有IOOmm不開孔區(qū)，可防止催化劑沉降引起的變換氣回流、短路。5、變換爐所采用的全徑向Π型結構，反應氣上進上出，充分利用了徑向反應器分流流道靜壓沿流體流動方向而升高，集流流道靜壓沿流動方向降低的特點，有利于變換氣在催化劑床層的均勻分布和穩(wěn)定流動，使反應更加穩(wěn)定，變換效率高。6、本發(fā)明采用管殼式反應器，催化劑裝填換熱管間，催化劑床層溫度，穩(wěn)定，壽命長，可通過增加氣體分布器段數(shù)方式增加CO變換氣處理量，有利于裝置的大型化；且利用徑向反應器阻力小的特點可提高空速，增加轉化率，提高設備的生產能力。


圖I為本發(fā)明實施例I裝配結構的剖視示意圖；圖2為本發(fā)明圖I中位置32的放大圖；圖3為本發(fā)明實施例I中上管板與爐體內壁之間定位結構的平面示意圖；圖4為本發(fā)明實施例I中氣體分布器結構示意圖；圖5為沿圖4中A-A向的剖視圖；圖6為本發(fā)明實施例I中環(huán)形封頭的平面示意圖；圖7為本發(fā)明實施例2中氣體分布器俯視方向的平面不意圖；圖8為沿圖7中B-B向的剖視圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。實施例I如圖I至圖6所示，該CO全徑向等溫變換爐包括爐體1，包括上段15、中段12和下段11，上段15為焊接有直邊段的橢圓形封頭，上段15與中段12之間、中段12與下段11之間均采用法蘭可拆卸連接。上段15的封頭頂部設有反應氣入口 16、變換氣出口 17和上部檢修人孔18，其直邊段側壁上設有兩個對稱布置的循環(huán)冷卻水出口 14A和14B，下段11底部設有冷卻水入口 19，爐體I底部坐落在裙座5上，裙座5為該等溫變換爐的支撐底座。在爐體內，有由多根換熱管37組成的換熱管束，換熱管束的中部設有多個用于支 撐換熱管束的支撐件36。各換熱管的兩端分別插設在上管板34和下管板31上對應的管孔內形成換熱管束，各換熱管之間的間隙內裝填有催化劑。上管板34由兩個管板34A和34B依靠螺栓39連接組成，34A和34B之間設有墊片310密封。上管板依靠焊接在上管板34B上的四塊定位塊352和焊接在設備筒體上的四組定位板351配合徑向定位，保證軸向位移。每組定位板包括左右間隔設置的左定位板和右定位板，定位塊位于對應的左、右定位板之間。上管板34上表面設有環(huán)形封頭33，上管板的中部設有供氣體收集器2穿過的連接孔，環(huán)形封頭頂部設有兩個對稱布置并分別與上述循環(huán)冷卻水出口 14A和14B相連通冷卻出水管13A和13B，兩個出水管豎直部分均設有膨脹節(jié)以消除反應爐向上熱膨脹所產生的應力，兩個出水管的水平管段均為法蘭可拆連接，以方便外部爐體和內部系統(tǒng)的可拆分離。下管板31位于中段12和下段11之間，并且相對接的端面之間設有密封墊片，上段12、下管板31和下段11通過螺栓連接在一起。換熱管束外側由筒狀的氣體分布器4包裹,氣體分布器4由幾段相同結構的氣體分布器短節(jié)螺栓連接組成，每段分布器均包括長度為500mm的內筒體45和外筒體44，且內、外筒體均由兩個半圓筒組成，半圓筒端部焊接有兩組豎向連接板43，將兩個半圓形的筒體栓接在一起形成圓柱形的筒體；各段內筒體連接后形成內筒，各段外筒體連接后形成套設在內筒外的外筒。內筒體45和外筒體44上分別均布有圓形氣孔作為反應氣通道；內筒作為氣體二次分布器，其開孔密度大于外筒且孔徑不大于3_，內筒和外筒的頂部和底部均設有二組半環(huán)板41，半環(huán)板分割位置與內筒和外筒一致，且與豎向連接板43焊接在一起，半環(huán)板41端部設有八個支耳42，用于上下段氣體分布器之間的栓接和定位，最上段分布器的上端依靠與上管板34焊接的定位環(huán)311定位，最下段筒體的下端放入下管板31開的環(huán)形槽內定位，同時，最上面一段氣體分布器的內、外筒距離上管板IOOmm高度位置之內不開設氣孔，以防止催化劑沉降引起反應氣短路。氣體分布器的分段螺栓可拆連接設計，可以有效提高催化劑的裝卸和更換效率。氣體收集器2，其上端穿過上管板34上的連接孔并通過法蘭連接變換氣出口 17，氣體收集器在上管板34的連接孔內環(huán)焊密封固定。氣體收集器位于上管板34和下管板31之間部分的側壁上間隔均勻地開有寬度小于3mm的長條形氣體收集孔，同樣，為防止因催化劑沉降引起的反應氣回流、短路，在收集管靠近上管板34下表面以下部分留IOOmm高度區(qū)域不開孔。收集管底部焊接有圓形蓋板21，圓形蓋板外側設有焊接在下管板31上的收集管定位套筒22，套筒22與所述蓋板21之間留2_間隙，蓋板與下管板31間設有30_間隙以解決氣體收集管2向下的局部熱膨脹問題。所述氣體收集器與變換氣出口連接的管段上設有膨脹節(jié)，和循環(huán)水出口管段13A、13B上的膨脹節(jié)一起，解決了內部系統(tǒng)向上的整體熱膨脹問題。實施例2如圖7、圖8所示該CO全徑向等溫變換爐中的氣體分布器由幾段相同結構的分布器栓接組成，每段分布器包括內筒65和外筒64,內筒65由長度為500mm的三角形肋條間隙排列組成，外筒64由兩個半圓筒組成，半圓形外筒兩端焊接有兩組豎向連接板53將半圓筒栓接在一起形成圓柱筒。外筒64上開均布圓孔，內筒65作為氣體二次分布器，其三角形肋條間隙小于外筒孔徑且不大于3mm，內筒65的三角形肋條上下兩端與外筒64頂部和底部焊接在兩組半環(huán)板61上，半環(huán)板分割位置與外筒一致，且與豎向連接板63焊接在一起，半環(huán)板61端部設有八個支耳62，用于上下段氣體分布器之間的栓接和定位，最上段氣體分布 器上端依靠與上管板34焊接的定位環(huán)311定位，最下段氣體分布器下端放入下管板31開的環(huán)形槽內定位。同時，最上面一段氣體分布器的外筒與上管板34接觸處留IOOmm高度不開孔以防止催化劑沉降引起反應氣短路。其余內容與實例I相同。上間隔設有多塊定位塊，對應地，所述爐體的內側壁上設有多組定位板，每組定位板包括左、右間隔設置的左定位板和右定位板，各所述定位塊位于對應的左、右定位板之間。9、根據(jù)權利要求8所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述氣體收集管在靠近上管板底面IOOmm內不開孔。10、根據(jù)權利要求9所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述下管板的上表面上設有連接套，所述氣體收集器的下端部定位在該連接套內并與所述下管板的上表面間隔有間隙。
權利要求
1.一種CO全徑向等溫變換爐，包括 爐體，封閉容器，爐體的頂部設有反應氣入口和檢修人孔，爐體的上部側壁上設有冷卻水出口，爐體底部設有冷卻水入口 ； 換熱管束，設置在所述爐體內，由多根相互平行的換熱管組成； 氣體分布器，設置在所述爐體內，進入爐體內的氣體經氣體分布器均流后進入催化劑床層； 上管板和下管板，連接在所述氣體分布器的上、下兩端，其上設有多個管孔，各換熱管的兩端分別插設在上、下管板上對應的管孔內； 氣體收集器，用于收集反應后的合成氣，縱向設置在所述爐體中部； 其特征在于 所述爐體包括可拆卸連接在一起的上段、中段和下段，所述爐體的頂部還設有變換氣出口 ；所述氣體收集器的下端連接所述下管板，所述上管板上設有連接孔，所述氣體收集器的上端穿過該連接孔可拆卸連接出氣管；該出氣管的另一端穿過所述的變換氣出口并外露于所述爐體； 所述上管板的上方密封連接環(huán)形上封頭，所述下管板密封連接所述爐體并位于所述中段和所述下段之間。
2.根據(jù)權利要求I所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述氣體分布器包括可拆卸連接在一起的多個分段，并且各分段又有兩個半圓筒可拆卸連接構成。
3.根據(jù)權利要求2所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于各所述分段均包括有外筒體和套設在所述外筒體內的內筒體，各所述外筒體可拆卸連接在一起形成外筒，各所述內筒體可拆卸連接在一起形成套設在所述外筒內的內筒，并且所述外筒體和所述內筒體間隔有間隙。
4.根據(jù)權利要求3所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述內筒上的氣孔的密度大于所述外筒的，并且所述內孔上的氣孔的孔徑小于等于3mm。
5.根據(jù)權利要求5所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述氣體分布器靠近所述上管板IOOmm以內的位置不開設氣孔。
6.根據(jù)權利要求I至5任一權利要求所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述的冷卻水出口有兩個，連接所述上封頭與兩個冷卻水出口的出水管也有兩根。
7.根據(jù)權利要求6所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述出水管上設有膨脹節(jié)；所述氣體收集器位于所述上封頭與所述爐體空腔內的部分上也設有膨脹節(jié)。
8.根據(jù)權利要求7所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述上管板的側壁上間隔設有多塊定位塊，對應地，所述爐體的內側壁上設有多組定位板，每組定位板包括左、右間隔設置的左定位板和右定位板，各所述定位塊位于對應的左、右定位板之間。
9.根據(jù)權利要求8所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述氣體收集管在靠近上管板底面IOOmm內不開孔。
10.根據(jù)權利要求9所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述下管板的上表面上設有連接套，所述氣體收集器的下端部定位在該連接套內并與所述下管板的上表面間隔有間隙。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種CO全徑向等溫變換爐，其包括爐體、設置在所述爐體內的換熱管束、氣體分布器、氣體收集器和上、下管板，其特征在于所述爐體包括可拆卸連接在一起的上段、中段和下段，所述爐體的頂部還設有變換氣出口；所述氣體收集器的下端連接所述下管板，所述上管板上設有連接孔，所述氣體收集器的上端穿過該連接孔可拆卸連接出氣管；該出氣管的另一端穿過所述的變換氣出口并外露于所述爐體；所述上管板的上方密封連接環(huán)形上封頭，所述下管板密封連接所述爐體并位于所述中段和所述下段之間。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明反應器結構簡單，方便檢修和維護，設備投資少，可控性強。
文檔編號B01J8/02GK102886231SQ20121037802
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月8日 優(yōu)先權日2012年10月8日
發(fā)明者許仁春, 涂林, 施程亮 申請人:中國石油化工集團公司, 中石化寧波工程有限公司, 中石化寧波技術研究院有限公司