变温等温变换反应装置的制作方法

本发明涉及到化工设备，尤其涉及一种等温变换反应装置。

背景技术：

co变换反应是一个放热反应，反应完全的变换气温度可达450℃左右，但是其反应的能垒(反应活性能)较高，在反应之前需要将反应原料即粗煤气加热到260℃或者更高的温度。因此以往的变换工艺都使用变换气粗煤气换热器，利用变换反应后产生的温度较高的变换气与变换反应之前的粗煤气进行换热。可节省大量能源，同时可以较大提高反应速率和效率。但是因为变换器出口温度很高，变换反应的压力很高，通常在3～6mpa，对变换炉外壳的材料与厚度提出了较高的要求。随着化工项目单线产能的进一步扩大，单台变换反应器的尺寸也进一步加大，当前大型变换炉的直径可达4800mm，设备壳体厚度达110mm，材料成本与制造成本大幅上升，也对加工工艺与设备运输提出了更高要求。

由于变换炉内的介质成份不同，当水气比过低时，会造成温度迅速上升，当热量撤走不及时就会出现飞温(设备内反应区急剧上升)等现象。设备内温度过高后，还有可能引起甲烷化反应，当这种情况出现时，设备内的温度可达600℃～800℃，此种工况出现时会使催化剂因温度过高失去活性，需要更换催化剂，造成重大经济损失。而且，当设备壁温度过高，也会使设备强度急剧下降，给整个装置的生产带来巨大的安全风险。

为了控制co变换反应能在设计温度下稳定进行，通常采用在反应器内设置换热管，通过向换热管内通冷却水移走变换反应产生的热量，从而控制反应温度。

但是随着反应的进行，催化剂活性降低，导致催化剂的活性温度升高，由初期的240℃左右升高至280℃左右，这就要求反应温度随之升高。目前解决该问题的方法通常是在反应后期提高冷却水和换热蒸汽温度，这必然会导致汽包以及换热管内压力急剧增大；同时要相应地提高汽包以及换热管的设计壁厚。这样除了对设备要求严苛外，还会导致一系列其他问题，例如由于换热管壁厚的增加，会导致换热管的传热系数降低，反应前期的换热量也需要增加；并且，由于出汽包蒸汽的温度和压力的改变，必然导致配套管线和设备需要做相应的改变。带来一系列的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种不需要增加设备壁厚即能够在催化剂整个活性期内维持恒定产率的变温等温变换反应装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该变温等温变换反应装置，包括炉体和设置在所述炉体内的催化剂框，所述催化剂框的中部设有合成气收集管，换热管设置在所述催化剂框内，换热管的进口连接进水管道，换热管的出口连接蒸汽管道；

其特征在于：

所述催化剂框内还设有多根原料气预热管，所述原料气预热管的入口连接第一原料气输送管道，所述原料气预热管的出口连通所述催化剂框与所述炉体之间的空腔；

所述炉体上设有原料气入口，所述原料气入口连接第二原料气输送管道，所述第二原料气输送管道连通换热器的第一介质通道；

所述合成气收集管的出口连接第一支路和第二支路，第一支路和第二支路上均设有阀门，其中第一支路连接下游，第二支路连通所述换热器的第二介质通道；

所述第一原料气输送管道上设有第一阀门，所述第二原料气输送管道上设有第二阀门。

优选所述合成气入口设置在所述炉体的上部或顶部。

进一步地，可以将各所述原料气预热管道的入口均连通气体分布器，所述气体分布器的入口连接所述的第一原料气输送管道，所述气体分布器设置在所述炉体的下部；各所述原料气预热管道的出口连通所述催化剂框与所述炉体上部之间的空腔。气体分布器的设计能够使原料气均匀进入各原料气预热管内，从而进一步保证催化剂床层撤热的均匀性。

优选所述合成气收集管连接合成气输送管道，所述合成气输送管道连接所述换热器的第二介质通道。

作为上述各方案的进一步改进，各所述原料气预热管沿所述催化剂框的横截面均匀布置在所述催化剂框和所述合成气收集管之间的空腔中；各所述换热管分别在各自对应的原料气预热管的外周均匀布置，并且，每根原料气预热管的周围至少均布有三根所述的换热管；

各所述原料气预热管与设置在其周围的各所述换热管形成管组。该方案能够进一步保证装置运行全过程中催化剂床层撤热的均匀性。

优选每根所述原料气预热管的周围设有3～6根所述的换热管。

更好地，各所述管组中各所述换热管的中心均布在以所述原料气预热管的中心为圆心的圆周线上。

进一步地，相邻的所述管组之间可以共用部分所述的换热管，以使各换热管在催化剂床层位置的布置更合理，在原料气预热管关闭后对催化剂床层的撤热更均匀。

上述各方案中，所述蒸汽管道可以包括蒸汽连接管和蒸汽收集管，所述蒸汽收集管的出口连接所述蒸汽连接管；所述蒸汽连接管上设有膨胀节；

所述进水管道包括进水连接管和与所述进水连接管的出口相连通的管箱；各所述换热管的入口分别连通管箱上的各出口。

为方便检修，所述合成气收集管可以由多段筒体依次可拆卸连接而成，所述筒体的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯。

与现有技术相比，本发明所提供的变温等温变换反应装置，克服现有技术的偏见，将等温变换反应器设计成可变温的等温变换反应装置，在催化剂床层位置设置了换热管和原料气预热管，能够根据装置运行各阶段催化剂的活性要求改变撤热量，从而满足不同反应阶段催化剂活性温度的要求，维持产率恒定，同时避免了现有技术中反应后期需要升高汽包和换热管内压力来提高反应温度的方法所导致的换热管壁厚增加、汽包壁厚增加以及配套管线及设备需要改变等问题，降低了设备投资，避免了后期控制难的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的示意图；

图2为本发明实施例中反应器部分的纵向剖视图；

图3为沿图2中a-a线的剖视图；

图4为沿图2中b-b线的剖视图；

图5为图3中c部分的局部放大图；

图6为图5中d部分的局部放大图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图5所示，该变温等温变换反应装置包括：

炉体1，为常规结构，包括上封头11、下封头12和连接在上封头11和下封头12之间的筒体13。上封头11上设有人孔15和原料气入口14，原料气入口连接第二原料气输送管道62。第二原料气输送管道62上设有换热器65并连通换热器65的第一介质通道；第二原料气输送管道62上还设有第二阀门64。第二原料气输送管道62的入口连通原料气管道66。

催化剂框2，用于装填催化剂，设置在筒体13内。催化剂框2可以根据需要选用现有技术中的任意一种，例如可以是轴向反应器，也可以是径向反应器，或者还可以是轴径向反应器，根据需要设定即可。本实施例为径向反应器，原料气从催化剂框2侧壁上的各通孔(图中未示出)进入到催化剂框内，催化剂框侧壁上的通孔起到气体分布器的作用。

合成气收集管3，用于收集合成气，并将合成气通过合成气输送管道33送出炉体1，设置在催化剂框内腔的中部位置，由多段筒体31依次可拆卸连接而成，本实施例中各筒体31之间通过法兰34相连接；各筒体31的侧壁上设有多个供合成气从催化剂床层进入到合成气收集管3内的进气孔(图中未示出)；筒体31的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯32。端盖可拆卸连接在合成气收集管3的上端口上，端盖拆开后与人孔15相连通，供检修人员进入到合成气收集管3中；合成气收集管3的下端口连接合成气输送管道33。合成气输送管道33连接第一支路35和第二支路36，第一支路35和第二支路36上均设有阀门，其中第一支路35连接下游，第二支路36连接换热器6的第二介质通道。

原料气预热管6，有多根，平行于炉体1的轴线竖向设置在催化剂框与合成气收集管之间的空腔中，并均匀布置。各原料气预热管6的入口连接均连通气体分布器55，所述气体分布器55的入口连接第一原料气输送管道61，第一原料气输送管道61上设有第一阀门63，第一原料气输送管道51连接原料气管道66。

气体分布器55设置在炉体的下部；各原料气预热管道6的出口限位在催化剂框2的上端板21上并外露于上端板21，以使预热后的原料气进入到催化剂框与上封头之间的空腔内，进而从催化剂框与筒体侧壁之间的空隙中经由各通孔进入到催化剂框内。

换热管4，设置在催化剂框2与合成气收集管3之间的空间中，有多根，平行于各原料气预热管6设置。各换热管可以是直管，也可以是波纹管或u形管，可根据需要选用现有技术中的任意一种。本实施例为直管。

为便于区别，在图2中各原料气预热管以实心圆表示，各换热管以空心圆表示。

本实施例中，各换热管4分别沿各自对应的原料气预热管6的外周均匀布置，并且，每根原料气预热管6的周围均布有六根换热管4；各换热管对中各换热管均布在以所对应原料气预热管的中心为圆心的圆周线l上。

各管组中换热管的数量可以根据装置规模和反应器的规格设计为其它数量，例如，可以是三根，四根、五根或更多根。

各原料气预热管6与设置在其周围的各换热管4形成管组，相邻管组之间共用部分换热管4，即相邻管组中各换热管所在的圆周线l交叉布置。

进水管道，用于连通汽包(图中未示出)和各换热管，包括进水连接管51和与进水连接管51的出口相连通的管箱52；管箱52可以为环管结构，如本实施例图1中所示出的，或者是箱体结构，可以根据需要选用现有技术中的任意一种。

各换热管4的入口均连通管箱52。

蒸汽管道，包括连接汽包的蒸汽连接管53和蒸汽收集管54；蒸汽收集管54的出口连接蒸汽连接管53，蒸汽收集管54的各入口分别连接换热管的出口。

蒸汽收集管54可以是环管结构，也可以是箱体结构，或其它结构。

膨胀节55，设置在两根蒸汽连接管53上，提供蒸汽连接管的膨胀余量。

装置运行初期，催化剂活性高，第一阀门打开，第二阀门关闭，第二支路上的阀门关闭，第一支路上的阀门打开；冷原料气从第一原料气输送管道进入原料气换热管；冷却水从进水管道进入各换热管，与催化剂床层的反应热换热后，原料气达到进料温度，从各原料气换热管的出口进入到上封头的空腔中，沿催化剂框与筒体之间的间隙下行，经由催化剂框侧壁上的各通孔进入催化剂床层，进行变换反应；各换热管内的冷却水取热后变成蒸汽，经由蒸汽管道返回汽包。变换反应得到的合成气经由第一支路排出，进入下游。

该阶段催化剂活性温度低，需要撤走的热量多，原料气和冷却水同时取热，催化剂床层维持在设定的温度下进行变换反应，产率恒定在设定值。

装置运行后期，由于催化剂活性降低，催化剂活性温度升高；此时维持汽包及其内锅炉水、蒸汽压力等参数不变，关闭第一阀门，打开第二阀门，第二支路上的阀门打开，第一支路上的阀门关闭；原料气从第二原料气输送管道进入换热器，与来自第二支路的高温合成气换热，经由原料气入口进入上封头的空腔内。各换热管内仍旧通入冷却水，取走催化剂床层所产生的反应热。由于原料气不参与催化剂床层的换热，仅换热管内的冷却水取热，因此换热量降低，催化剂床层的撤热量减少，催化剂床层温度升高，满足后期催化剂活性温度的要求，变换反应正常进行，产率仍旧维持在设计值；并且出汽包的蒸汽压力不变，不需要改变配套管线和设备的参数。

由于原料气预热管和换热管的特殊布置，因此，即使关闭原料气预热管，换热管仍旧能从催化剂床层均匀撤热。