專利名稱：一種co全徑向等溫變換爐的制作方法
技術領域：
本發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進行CO變換反應，爐間移走反應熱。這也造成了傳統高濃度CO變換流程復雜、反應器臺數多、系統壓降大、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，單臺變換爐CO轉化率低等一系列問題。基于絕熱變換爐在高濃度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。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，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。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的狀況提供一種CO全徑向等溫變換爐，在滿足高濃度CO變換反應過程中連續、快速地移走反應熱，使反應器能夠維持在恒溫狀態下進行變換反應，同時優化和簡化設備構造，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，所述爐體內設有由多根換熱管組成的換熱管束，所述爐體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，爐體底部設有變換氣出口和冷卻水入口，所述爐體的中心設有氣體收集器；其特征在于所述爐體包括可拆卸連接的上部第一段爐體和下部第二段爐體，所述第二段爐體內設有氣體分布器，該氣體分布器的上、下兩端分別連接在上管板和下管板上，所述上管板與所述爐體的內壁間隔有間隙，所述下管板的周緣密封連接所述爐體的內周壁；所述上管板的上方設有上封頭，所述下管板的下方設有下封頭，所述的換熱管束設置在所述的氣體分布器內，并且各所述換熱管的兩端分別固定在所述的上、下管板上并分別連通由上封頭和上管板、下封頭和下管板構成的空腔；所述氣體收集器的上端連接所述的上管板，氣體收集器的下端穿過所述的下封頭位于下封頭和所述爐體底部構成的空腔內；所述上封頭上設有冷卻水出口，該冷卻水出口通過出水管連接所述的冷卻水出口，并且所述的出水管包括可拆卸連接在一起的兩部分；所述下封頭上設有冷卻水入口，該冷卻水出口通過進水管連接所述的冷卻水入口，并且所述的進水管包括可拆卸連接在一起的兩部分較好的，第一段爐體和第二段爐體之間可以通過法蘭連接，爐體可以支撐在裙座·上立式放置。為了方便催化劑的裝填，所述氣體分布器可以包括可拆卸連接在一起的多個分段，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，并且所述內孔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，以防止催化劑沉降引起的反應氣回流和短路。上述各方案中，所述氣體收集器外露于所述下封頭的部分呈喇叭狀，并且所述氣體收集器下端端口的中部設有擋板，所述擋板與所述氣體收集器下端端口的周緣間隔有供合成氣流出的空隙。該結構可使出氣體收集器的氣流擴散流動，避免了氣流直接高速沖擊爐體下封頭對爐體所造成的沖擊損傷，并且可使出氣體收集器的氣體在下封頭與爐體之間的空腔內短暫停留，保證了下封頭內外的壓力平衡，并且可使爐體和筒體以及下封頭內外的環境溫度相對均勻，不會產生應力集中。擋板與氣體收集器之間可以通過支撐筋板焊接連接，并通過筋板加強。較好地，收集管頂部靠近上管板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，可以在所述上管板的下表面上設有連接套，所述氣體收集器的上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熱膨脹。考慮到反應爐內部的熱膨脹，可以在所述的出水管上設置膨脹節，以解決內部反應系統整體熱膨脹問題。下管板與爐體的連接方式可以有多種，較好的，可以在所述爐體的周壁上設有定位環，該定位環的上表面上設有環形凹槽；所述下管板上設有與所述凹槽相適配的環形凸塊，所述凸塊容置在所述凹槽內，并且凸塊和凹槽之間設有密封圈。所述爐體的內周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，對應地，所述上管板的側壁上設有多塊定位塊，各所述定位塊放置在對應的左定位板和右定位板之間。較好的，上管板上焊接有4塊定位塊，與焊接在爐體內壁上的4組定位板配合徑向定位，以保證內部管束的快速安裝和所述凸塊和凹槽的配合。該CO等溫變換爐整體上采用全徑向Z型結構，反應氣上進下出，換熱管間為催化劑床層，管內走循環冷卻水，冷卻水吸收變換熱，根據反應熱移出的強度要求，冷卻水循環 過程可以是自然循環也可以是強制循環，循環冷卻水下游可設置汽包副產蒸汽回收余熱。通過控制循環水量來維持變換反應溫度的恒定。與現有技術相比，本發明具有如下特點I、通過冷卻水的循環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也可是強制循環，通過控制循環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、利用全徑向反應器氣體壓降小特點，對內部反應系統采用設備自重密封，冷卻水進出管和爐體均采用法蘭連接，使內部反應系統可整體抽出，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便利。3、內部反應系統循環冷卻水出口膨脹節的設置和氣體收集管頂套筒間隙定位，充分考慮高溫應力工況，解決了內部反應系統的整體熱膨脹和氣體收集管的局部膨脹，有利于設備運行穩定和延長使用壽命。4、C0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，在氣體分布器和收集管頂部都預留有IOOmm不開孔區，可防止變換氣的回流、短路。5、本發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，穩定，壽命長，且可通過增加氣體分布器段數方式增加CO變換氣處理量，有利于裝置的大型化。
圖I為本發明實施例I裝配結構的平面示意圖；圖2為本發明實施例I中上管板定位示意圖；圖3為本發明實施例I中下管板定位示意圖；圖4為本發明實施例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為本發明實施例I中氣體收集器結構示意圖；圖7為本發明實施例2中氣體分布器結構不意圖。圖8為沿圖4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，包括主體11、上封頭15和下封頭12，主體11與上封頭15之間設有過渡段18，主體11與過渡段18之間采用法蘭可拆卸連接，主體11與下封頭12、上封頭15與過渡段18之間均為焊接連接。上封頭15頂部設有反應氣入口 16和上部檢修人孔17，過渡段18側壁上設有循環冷卻水出口 14，主體11下端側壁設有下部檢修人孔13，下封頭底部設有冷卻水入口 19和變換氣出口 110，爐體I底部坐落在裙座6上，裙座6為該等溫變換爐的支承底座。 內部反應系統，主要由換熱管束2、氣體分布器3、氣體收集管4、橢圓形上封頭26和球形下封頭22等部件組成。上封頭26頂部設有與上述循環冷卻水出口 14相連通的冷卻出水管25，出水管豎直部分的中部設有膨脹節，膨脹節的作用是消除出水管熱膨脹所產生的應力；出水管的水平部分分為兩段，這兩段通過法蘭可拆卸連接在一起。圓形下封頭22上設有與上述下部檢修人孔13相通的內部檢修人孔21和與上述冷卻水入口 19法蘭連接的循環冷卻水進口管段。內部反應系統還包括上管板27和下管板210,上管板27依靠焊接在上管板上的四塊定位塊211和焊接在設備筒體上的四組定位板212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。主體11的內周壁上焊接有定位環215，該定位環的上表面上設有環形凹槽；定位環的底部設有16塊均布的支撐筋板213，這些支撐筋板焊接在主體11和定位環215上，以加強定位環的承重；定位環上還設置8顆頂絲214，方便反應系統的拆卸。下管板210上設有與凹槽相適配的環形凸塊，凸塊容置在凹槽內，并且凸塊和凹槽之間設有密封圈217。定位環的上表面和主體11的內壁之間還焊接有四塊定位錐216，定位錐成45°傾斜；定位錐的作用主要是用于對下管板定位。上、下管板上均設有供各換熱管28插設的管孔，各換熱管的兩端分別插設在對應的管孔內形成換熱管束，各換熱管之間間隙內裝填有催化劑，換熱管束的中部設有多個用于支撐換熱管束的支撐件29。氣體分布器3，由幾段相同結構的氣體分布器短節螺栓連接組成，每段分布器均包括長度為500mm的內筒體35和外筒體34，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33，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35和外筒體34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3mm，同時，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。內筒和外筒的頂部和底部均設有二組半環板31，半環板分割位置與內筒和外筒一致，且與豎向連接板33焊接在一起，半環板31端部設有八個支耳32，用于上下段氣體分布器之間的栓接和定位，最上段筒體的上端依靠與上管板27焊接的定位環定位，最下段筒體的下端放入下管板上210開的環形槽內定位。氣體分布器的分段螺栓可拆連接設計，可以有效提聞催化劑的裝卸效率。氣體收集器4，包括收集管43，其上開有寬度小于3mm的長條形氣體收集孔，同樣，在收集管頂部靠近上管板27留IOOmm高度不開孔，以防止因催化劑沉降引起的反應氣短路。收集管頂部焊接有圓形蓋板42，圓形蓋板外側設有焊接在上管板27的收集管定位套筒41，套筒與所述蓋板42之間留2mm間隙，蓋板與上管板27間設有30mm間隙以解決氣體收集管4熱膨脹問題。收集管43下端與內部反應系統球形下封頭22焊接連接。所述收集管底部設有擴管段45，擴管底部出口設有中心圓形擋板47，使氣體呈擴散狀流動，中心擋板與擴管段通過支撐筋板46焊接連接，并通過焊接4塊支撐筋板44加強。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55和外筒54,內筒55由長度為500mm的三角形肋條間隙排列組成，外筒54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54上開均布圓孔，內筒55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，同時，外筒與上管板27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。內筒55的三角形肋條上下兩端與外筒54頂部和底部焊 接在2組半環板51上，半環板分割位置與外筒一致，且與豎向連接板53焊接在一起，半環板51端部設有8個支耳52，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27焊接的定位環定位，最下段氣體分布器下端放入下管板上210開的環形槽內定位。其余內容與實例I相同。
權利要求
1.一種CO全徑向等溫變換爐，包括爐體，所述爐體內設有由多根換熱管組成的換熱管束，所述爐體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，爐體底部設有變換氣出口和冷卻水入口，所述爐體的中心設有氣體收集器；其特征在于所述爐體包括可拆卸連接的上部第一段爐體和下部第二段爐體，所述第二段爐體內設有氣體分布器，該氣體分布器的上、下兩端分別連接在上管板和下管板上，所述上管板與所述爐體的內壁間隔有間隙，所述下管板的周緣密封連接所述爐體的內周壁；所述上管板的上方設有上封頭，所述下管板的下方設有下封頭，所述的換熱管束設置在所述的氣體分布器內，并且各所述換熱管的兩端分別固定在所述的上、下管板上并分別連通由上封頭和上管板、下封頭和下管板構成的空腔；所述氣體收集器的上端連接所述的上管板，氣體收集器的下端穿過所述的下封頭位于下封頭和所述爐體底部構成的空腔內；所述上封頭上設有冷卻水出口，該冷卻水出口通過出水管連接所述的冷卻水出口，并且所述的出水管包括可拆卸連接在一起的兩部分；所述下封頭上設有冷卻水入口，該冷卻水出口通過進水管連接所述的冷卻水入口，并且所述的進水管包括可拆卸連接在一起的兩部分。
2.根據權利要求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，并且各分段又由兩個半圓筒可拆卸連接構成。
3.根據權利要求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和氣體收集器在靠近所述上管板IOOmm以內的位置均不開設氣孔。
6.根據權利要求I至5任一權利要求所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述氣體收集器外露于所述下封頭的部分呈喇叭狀，并且所述氣體收集器下端端口的中部設有擋板，所述擋板與所述氣體收集器下端端口的周緣間隔有供合成氣流出的空隙。
7.根據權利要求6所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述上管板的下表面上設有連接套，所述氣體收集器的上端部定位在該連接套內并與所述的上管板間隔有間隙。
8.根據權利要求7所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述的出水管上設有膨脹節。
9.根據權利要求8所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述爐體的周壁上設有定位環，該定位環的上表面上設有環形凹槽；所述下管板上設有與所述凹槽相適配的環形凸塊，所述凸塊容置在所述凹槽內，并且凸塊和凹槽之間設有密封圈。
10.根據權利要求9所述的CO全徑向等溫變換爐，其特征在于所述爐體的內周壁上設有多組定位板，每組定位板包括上、下間隔設置的上定位板和下定位板，對應地，所述上管板的側壁上設有多塊定位塊，各所述定位塊容置在對應的上定位板和下定位板之間。
全文摘要
本發明涉及到一種CO全徑向等溫變換爐，其包括爐體、換熱管束、氣體收集器，其特征在于所述爐體包括可拆卸連接的上部第一段爐體和下部第二段爐體，所述第二段爐體內設有氣體分布器，氣體分布器的上、下兩端分別連接有上管板和下管板，上管板的上方設有上封頭，所述下管板的下方設有下封頭，所述的換熱管束設置在所述的氣體分布器內。與現有技術相比較，本發明提供的CO全徑向等溫變換爐，解決了現有技術中高水氣比CO變換工藝流程長、反應級數多、系統壓降大、設備投資高、變換爐容易超溫、催化劑壽命短等一系列問題。
文檔編號C01B3/16GK102886229SQ20121037792
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月8日 優先權日2012年10月8日
發明者許仁春, 施程亮, 張唯瑋, 涂林, 陸亞東, 劉鋒 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