一種列管式固定床反應器的制作方法

本發明涉及化工裝備領域，特別涉及一種列管式固定床反應器。

背景技術：

在生產費托、甲醇、環氧乙烷、合成氨等產品時，為保證催化劑的活性，反應溫度一般控制在150～350℃之間，此類反應會放出大量的反應熱，若產生的熱量沒有及時移走，會造成催化劑床層過熱、催化劑燒結、床層壓降快速增大甚至床層飛溫、造成催化劑報廢并嚴重威脅生產安全。列管式固定床反應器是用于解決上述問題的設備。其工作流程如下，原料氣在一定的摩爾比下進入反應器床層，在催化劑的作用下反應合成產品，反應原料氣走裝載催化劑的列管內部，管外為冷卻移熱的水，通過水汽化的潛熱帶走反應熱，同時副產飽和蒸汽。

最常見的列管式固定床反應器采用固定管板管殼結構，如圖1所示，列管1-1安裝在上管板1-2和下管板1-3之間，內部采用支持板1-4支撐定位固定；上封頭1-5通過管箱筒體1-6與上管板1-2相連，上封頭1-5上設置原料氣入口1-51與人孔1-52；設備殼體1-7上開設冷卻水入口1-71、水蒸汽出口1-72與殼程溫度檢測口1-73；下封頭1-8通過下管箱筒體1-9與下管板1-3相連，其上設有卸催化劑口1-81、物料出口1-82，內部可設鐘形罩1-83，在運行過程中，下封頭1-8內可裝填瓷球；催化劑裝在列管1-1內，整個設備由裙座1-10支撐安裝在設備基礎上。

其中，支持板1-4不僅起到固定和定位換熱列管1-1的作用，同時還有改變冷卻流體流動方向、提高傳熱系數的作用。現有技術中的支持板1-4的 結構參見圖2所示，設置若干缺口1-41和周邊的透汽孔1-42提供蒸汽的上升通道，導致中心部分大量的蒸汽必須平行移動到遠處的缺口1-41處才能上升到上一層支持板1-4的空間，移動阻力大、路程長，易造成汽體在支持板1-4下部的停滯與積聚，影響反應管的傳熱/散熱，且汽體在支持板1-4下部的橫向流動會誘導列管1-1的振動、產生噪音等；反應管內的熱量不能及時移走，易造成管內局部過熱、催化劑部分燒結、床層壓降增加等；另外，缺口1-41的設置和周邊的透汽孔1-42占用了部分反應器橫截面，導致反應器體積利用率下降。

此外，反應器催化劑裝填，如圖1所示，在下封頭1-8內分層裝填不同大小規格的瓷球，然后再裝填列管1-1內的催化劑，內部設有鐘形罩1-83。在實際操作中，通常需先在底部封頭內裝填瓷球后，才能開始裝填固體催化劑。這需要耗用大量瓷球、且裝填的平整度不易觀察和控制。卸載催化劑時，瓷球與催化劑混合卸出，對催化劑回收過程造成困擾。此外，這些填充用瓷球的也造成額外的壓降。

本發明申請人還發現，該類固定管板管殼式反應器，在運行過程中管內原料氣在催化劑的作用下發生強放熱反應，反應管內部與外部的溫差較大，與反應器殼體1-7的溫差更大，由溫差導致材料膨脹量的不同而產生溫差應力，特別是在列管1-1與管板連接處，溫差應力很大，在運行過程中發生管板變形、列管1-1變形、列管1-1與管板的焊縫拉裂等嚴重影響反應器安全運行的現象。

為減小溫差應力，現有的固定床列管1-1反應器大都采用熱膨脹系數相近的材料來制造反應器的殼體1-7和列管1-1。在殼體材料選擇方面，以甲醇反應器為例，單產10萬噸以下的反應器多以13mnnimonbr為殼程筒體和加強段材料，而20萬噸、25萬噸和30萬噸的大型甲醇反應器多以20mnmoni55為殼體材料；而列管則多采用s31803等牌號的雙相不銹鋼。 這主要是考慮二者的線膨脹系數與列管采用的s31803雙相不銹鋼類材質匹配性很接近，特別是20mnmoni55更接近于雙相鋼管材，減小了由于管、殼程的溫差產生的軸向熱應力。但是，雙相不銹鋼管材的價格是相當高的，其價格約為s304普通不銹鋼的3倍左右；且殼體1-7與列管1-1材質均屬于高強度鋼，制造工藝復雜、制造難度較普通材質更大，所以反應器的造價是相當高的。

現有技術中，還存在另一種結構的列管式固定床反應器，如圖3所示，由上封頭2-1、上管板2-2、殼體2-3、列管2-4、支持板2-5、下管板2-6、外封頭2-7、內封頭2-8、鐘形罩2-9、卸催化劑口2-10、填料函密封2-11等組成，列管2-4固定在上管板2-2和下管板2-6之間，與現有技術一不同的是下管板2-6不與殼體2-3連接，并設有內封頭2-8與下管板2-6連接，下部的外封頭2-7仍與殼體2-3連接，這種結構旨在解決固定管板式反應器無法補償溫差造成的熱應力問題，下部內封頭2-8與下管板2-6是懸掛在上管板2-2下面的，有溫差時可以自由伸縮補償。出料口從內封頭2-8上接出穿過外封頭2-7，在外封頭2-7上設置了填料函密封2-11結構，如圖4所示，該結構包含密封填料2-12、壓圈2-13、壓緊螺栓2-14、填料函外套管2-15和內套管(實為反應器出料管)、出口2-16。

填料函密封2-11其優點是結構簡單、造價低廉。但其一般適用于靜密封，而用于動密封上則難免泄漏。并且，填料函密封2-11通常用在密封要求不高、壓力較低、密封直徑較小等場合。而反應器在運行過程中，殼程工作壓力通常在中壓范圍；由于反應物料通常為氣態，為減小流阻，出料口管道直徑通常不宜太小；而列管2-4和殼體2-3材料和/或溫度差異將導致內外套管之間的相對移動，取決于材料、溫差、反應器長度等因素，這種蠕動位移可達若干厘米，相應的密封屬于動密封而不是靜密封。因此，填料函這類的密封方式容易在反應器運行過程中產生泄漏。為避免泄漏，需要經常緊固填料壓圈，也需要經常補充或更換填料。此外，由于填料函結構尺寸較大，所以在制造 加工時必須嚴格控制內外套管的同心度、密封面的光潔度等等，加大了制造難度。在緊固填料壓圈時，為防止泄漏，需要壓緊填料。但這會導致內外套管間的摩擦力過大，使反應器內筒相對于外殼的膨脹伸縮困難，從而產生軸向應力，達不到自由伸縮的目的。所以壓緊填料以保證填料函不泄漏和軸向需要自由伸縮是相互矛盾的兩個方面，很難同時實現。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種列管式固定床反應器，不但能允許列管自由伸縮，還具有良好的密封效果，同時本發明提供的列管式固定床反應器的熱傳導效率高、填裝催化劑容易、制造成本低。

為解決上述技術問題，本發明的實施方式提供了一種列管式固定床反應器，包含殼體、列管、上管板、下管板、支持板，其中，所述殼體為中空結構，所述上管板和所述支持板分別位于在所述殼體內部，所述上管板固定在所述殼體內壁，所述列管穿過所述支持板并設置在所述上管板和所述下管板之間，具有這樣的特征，所述下管板通過列管與所述上管板連接，并且所述下管板不與所述殼體的內壁接觸，所述下管板通過補償裝置與所述殼體連接。

本發明實施方式相對于現有技術而言，利用補償裝置，徹底解決了列管式固定床反應器因反應列管與殼體因材料和/或溫差等引起的形變量不同而造成的軸向應力導致管板變形、列管與管板焊縫拉脫等損壞現象，使反應器無法長期安全運行的問題，也從根本上規避了現有技術包括密封泄漏、加工制造難度大、造價高等問題。

進一步地，為了實現列管的自由伸縮，所述殼體包含上封頭、中間殼體、下封頭，所述上封頭和所述下封頭分別連接在所述中間殼體的上端和下端；

所述下管板固定連接一內封頭，所述內封頭通過膨脹節與所述下封頭連接。

進一步地，為了保護中間殼體不受下管板的撞擊，所述中間殼體的內壁在配合所述下管板的位置處設有凸出的定位塊。

進一步地，為了實現可拆卸更換效果，所述膨脹節通過至少一組連接部件分別與所述內封頭和所述下封頭連接。

進一步地，所述各連接部件為法蘭。

進一步地，為了提高設備的密封性能，所述各連接部件間設有密封墊片。

進一步地，為了實現列管的自由伸縮，所述下管板的側壁通過彈性補償件與所述殼體的內壁連接。

進一步地，所述彈性補償件為u形補償件或s形補償件。

進一步地，為了保護中間殼體不受下管板的撞擊，所述殼體的內壁在配合所述下管板的位置處設有凸出的定位塊。

進一步地，為了便于填裝和卸出催化劑，所述列管底部設有寶塔彈簧。

另外的，為了避免寶塔彈簧的彈力減弱，所述列管內設有凸臺、設置在所述凸臺上的卡簧、設置在所述卡簧上的支撐孔板。

進一步地，所述支撐孔板為穹形。

進一步地，為了提高殼內的熱傳導效果，所述支持板包含上層支持板、下層支持板、外圍板；

其中，所述上層支持板疊加在所述下層支持板上，所述外圍板的內壁同時連接所述上層支持板和所述下層支持板的外壁，所述外圍板的外壁與所述殼體的內壁不連接；

所述上層支持板和所述下層支持板均設有條狀柵格，且所述上層支持板的條狀柵格與所述下層支持板的條狀柵格徑向交錯形成菱形空隙，所述列管穿過所述菱形空隙。

附圖說明

圖1為現有技術中的列管式固定床反應器的固定管板管殼結構的示意圖；

圖2為現有技術中的支持板的結構示意圖；

圖3為現有技術中的列管式固定床反應器的懸掛結構的示意圖；

圖4為現有技術中的列管式固定床反應器的懸掛結構中的密封連接結構示意圖；

圖5為本發明的第一實施方式的列管式固定床反應器的結構示意圖；

圖6為本發明的第一實施方式的連接部件的連接方式的示意圖；

圖7為本發明的第一實施方式的定位塊的結構示意圖；

圖8為本發明的第一實施方式的支持板的徑向剖面圖；

圖9為本發明的第一實施方式的支持板的俯視圖；

圖10為本發明的第一實施方式的催化劑支撐方式示意圖；

圖11為本發明的第一實施方式的寶塔彈簧的結構示意圖；

圖12為本發明的第二實施方式的列管式固定床反應器的結構示意圖；

圖13為本發明的第二實施方式的彈性補償件的連接示意圖；

圖14為本發明的第二實施方式的催化劑支撐方式示意圖；

圖15為本發明的第二實施方式的卡簧的主視圖；

圖16為本發明的第二實施方式的卡簧的仰視圖；

圖17為本發明的第二實施方式的支撐孔板的徑向剖面圖；

圖18為本發明的第二實施方式的支撐孔板的俯視圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的各實施方式進行詳細的闡述。然而，本領域的普通技術人員可以理解，在本發明各實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節。但是，即使沒有這些技術細節和基于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現本申請各權利要求所要求保護的技術方案。

本發明的第一實施方式涉及一種列管式固定床反應器，如圖5所示，包含殼體1、列管2、上管板3、下管板4、支持板5、裙座，其中，殼體1為中空結構并由上封頭11、中間殼體12、下封頭13組成，上封頭11和下封頭13分別連接在中間殼體12的上端和下端，該上封頭11設有上封頭人孔、測溫接管、反應器進料口，該下封頭13設有冷卻水入口、反應器出料口、下封頭人孔，上管板3和支持板5分別位于在殼體12內部，上管板3固定在殼體12的內壁，列管2穿過支持板5上的通孔，其上端設置在上管板3上，并且其下端設置在下管板4上，使得下管板4通過列管2與上管板3連接，但下管板4不與中間殼體12或下封頭13的內壁接觸，即為懸掛浮動式，下管板4固定連接一內封頭7，內封頭7和下封頭13之間用內置膨脹節61連接,本領域人員應當知曉，膨脹節61是補償裝置6中的一種。具體的，本實施方式中選用的膨脹節61的公稱直徑可以為dn100～3000mm，補償波數量為1～20波，材質可以為普通碳鋼、低合金鋼、不銹鋼或其它材料等；較大直徑的膨脹節61本身可以用作為服務通道以進入內封頭7內部空間；小直徑膨脹節61則需在內封頭7上另設與下封頭13相對應的人孔，以便于通行。這種內置膨脹節61可直接與內封頭7和下封頭13的出口(出料口、催化劑卸載口等)連接，每個出口配置一個膨脹節61，從而完全避免了密封以及由此引起的一系列問題。由于采用內置結構，各個膨脹節61的公稱直徑可以做得比較小，使膨脹節61的設計、制造和安裝都容易實現，造價也低。由于膨脹節 61對徑向偏移有適當的容忍度，因此對內封頭7和下封頭13相應孔口的同心度要求不高，進一步降低了加工制造難度。

通過上述內容不難發現，當列管2和殼體1因溫差產生不同膨脹量時，會自動通過膨脹節61來補償，允許列管2可以自由伸縮，不會因溫差產生軸向熱應力。同時，由于解決了熱膨脹的問題，反應器殼體1的材質選擇就無需考慮其熱膨脹系數以及與列管2匹配的問題。對于以水為移熱介質的反應器，一般可選用q345r或15crmor等常規材質。這些材料比之現有技術因需要考慮熱膨脹系數和匹配問題而選用13mnnimonbr或20mnmoni55等來作為殼體材質的成本要低得多。同理，反應列管2的選材也無需考慮熱膨脹系數和匹配問題，只需考慮反應特性、耐腐蝕性、溫度、壓力以及機械強度等其它問題即可。總體設備制造成本可大幅度降低。

另外，值得說明的是，如圖6所示，膨脹節61的上端和下端均設有連接法蘭，本領域人員應當知曉，法蘭是連接部件8中的一種，上端法蘭與內封頭7的底部法蘭用螺栓緊固連接，法蘭之間設有密封墊片81；膨脹節61的下端法蘭與下封頭13上的反應器出料口的反向法蘭相連，法蘭之間同樣設有密封墊片81，該密封墊片81可以采用不銹鋼金屬纏繞式墊片、金屬墊、橡膠墊片、o-型圈等，具體視工作壓力、溫度、反應介質等情形而定。通過上述內容不難發現，該種連接方式使膨脹節61可自由拆卸更換，使實際操作時的檢測維修更加方便，這對于涉及腐蝕性物料的反應器尤為有益。此外，由于管、殼間的相對運動由膨脹節61補償，因此在內置可拆卸式膨脹節61結構中，其與內封頭7和下封頭13之間的連接均為靜密封，因此安全可靠。值得指出的是，本領域技術人員應當知曉，若只利用焊接的方式，而不通過類似法蘭等連接件連接，也可以實現相同的連接效果。

另外，值得一提的是，由于下管板4為活動結構，其外壁與殼體1內壁之間存有間隙，當下管板4上的列管2受熱變形時，下管板4開始在徑向移 動，如不對其進行限制，則中間殼體12會受到下管板4的撞擊，所以本發明在中間殼體12的內壁在配合下管板4的位置處設有多個凸出的定位塊121，并且均勻分布，如圖7所示，該定位塊121用于限制下管板4的徑向位移，其間隙根據設計需要確定，建議定位塊121的數量為3～36塊，以提高定位效果。

另外，值得指出的是，本實施方式中采用的支持板5如圖8、圖9所示，由上層支持板51、下層支持板52、外圍板53組成；其中，上層支持板51疊加在下層支持板52上，并由點焊的方式連接固定，外圍板53的內壁同時連接上層支持板51和下層支持板52的外壁，外圍板53的外壁與殼體1的內壁是不連接的，該外圍板53和殼體1之間存有間隙。上層支持板51和下層支持板52均設有條狀柵格，有點類似填料塔的填料支撐柵板狀，上層支持板51的條狀柵格與下層支持板52的條狀柵格徑向交錯60°至90°形成菱形空隙，列管2穿過菱形空隙，由于菱形的四個角與列管2外壁之間的空隙是比較大的，空隙率達到25％以上，可作為冷卻水和蒸汽的上升通道。本領域技術人員應當知曉，該種結構的支持板5可以設置成多層結構，每組支持板5之間采用定距桿固定其間距，支持板5的單層高度可以為10～200mm。由此可見，本實施方式中采用的支持板5，解決了現有技術的支持板5占用反應器可用橫截面的問題，從而提高了反應器體積的利用率；同時也解決了殼體中蒸汽/汽泡上升過程中的橫向運動并誘導列管振動、產生噪音、增加殼體壓降等問題。

另外，值得說明的是，本實施方式中的固體催化劑的支撐方式，如圖10、圖11所示，在列管2底部安裝寶塔彈簧21，即支托彈簧，安裝位置根據工藝要求確定；然后裝填瓷球到工藝要求的高度，最后裝填固體催化劑，依靠寶塔彈簧21的彈力，以方便催化劑的裝填與卸出，并控制裝填質量。這種催化劑支撐方式使得裝填與卸載催化劑更為方便并且易于控制裝填質量、不需要在下封頭13填充瓷球，也無需鐘形罩和專設的催化劑卸載口等。寶塔彈簧 21具有耐溫性能高、耐腐蝕、支托承載能力大、抗彈性形變能力強、安裝拆卸方便、床層壓降小、不易脫落和可重復多次利用等優點。寶塔彈簧21直徑d可以為10～100mm，與列管2內徑適配；彈簧絲直徑為0.5～5mm；彈簧材質可以為s304、s304l、s316、s316l、s631、x750等或其它金屬材料，視工作溫度、承載壓力(包括催化劑重量、管程壓降等)、反應介質性質等情形而定。

本發明的第二實施方式涉及一種列管式固定床反應器，如圖12所示，與第一實施方式的主要區別在于，下管板4的側壁通過彈性補償件62與殼體1的內壁連接。具體的，本實施方式中選用的彈性補償件62為u形補償件，本領域人員應當知曉，彈性補償件62也是補償裝置6中的一種，詳細結構參見圖13所示，u形補償件的一側與下管板4的外緣側面焊接相連，另一側面與殼體1的內壁焊接相連。當列管2和殼體1因材質和/或溫差產生不同變形量時，通過補償件的相對運動(履帶式運動)來補償兩者沿軸向的相對位移，即下管板4是浮動的，可以自由伸縮，不會因材質和/或溫差而產生軸向熱應力。由此可知，本實施方式中的列管式固定床反應器，徹底解決了列管式固定床反應器因反應列管2與殼程筒體因材料和/或溫差等引起的形變量不同而造成的軸向應力導致管板變形、列管2與管板焊縫拉脫等損壞現象，使反應器無法長期安全運行的問題，并且無需內封頭7等，使得反應器結構更為簡化、造價也進一步降低。由于u形補償件的寬度小，因此可用薄板材加工成型，其彈性好、位移力小、抗疲勞能力強，并能承受較高的雙向壓差。此外，u形結構的開口端有適當的彈性，因此對管板和殼體1的機械加工誤差有較高的容忍度，降低了制造難度。具體的，本實施方式采用的u形補償件厚度可以為1～10mm，補償件寬度可以為10～100mm，高度可以為30～500mm；u形補償件可以為單層結構，也可以為多層復合型即為s形補償件，由u形縱向疊加，梯級承壓，進一步提高可靠性、抗腐蝕性、使用壽命等。

另外，值得一提的是，如圖13所示，因下管板4為懸掛浮動結構，u 形補償件為易彈性變形部件，故設置了下管板4定位塊121，均勻分布在殼體1的內壁上，定位塊1214用于限制下管板4的徑向移動，定位塊121焊接在筒體內壁上，與管板外緣的間隙根據設計需要確定，定位塊121可以為3～36塊，其材質與殼體1材質相同即可。

需要指出的是，本領域技術人員應當知曉，彈性補償件62不僅可以設置在下管板4上，也可以設置在上管板3上，實現相同的技術效果。

值得說明的是，在本發明的第二實施方式中，催化劑在列管2中的支撐結構如圖14至圖18所示，在列管2底部設置凸臺22，卡簧23安裝在該凸臺22上，在卡簧23上放置支撐孔板24。在實際操作時，由于列管2與下管板4的連接必須可靠，通常要求采用脹焊并用工藝，如強度焊加貼脹或強度脹加密封焊，因此卡簧23可以利用脹接的凸臺22來定位和固定，而無需另外設計和考慮其固定結構。同時，卡簧23的外徑應略大于列管2內徑，通過壓力以減小卡簧23的外徑，當放置到凸臺22后，施放壓力，以恢復卡簧23外徑，使其固定。具體的，本實施方式中選用的卡簧23的厚度h可以為0.2～10mm；卡簧23材質可以為各種金屬材料，例如s304、s304l、s316、s316l、s631、x750等，視工作溫度、承載壓力(包括催化劑重量、管程壓降等)、反應介質性質等情形而定。

此外，支撐孔板24可為平板形、半球形、鐘形罩形等，在本實施方式中選用的支撐孔板24為穹形，如圖16、17所示，其外徑略小于列管2內徑，支撐孔板24上設有多個小孔，開孔率一般宜大于50％。如果開孔率不高，可裝填瓷球以減小物料阻力；開孔率高時，可直接裝填固體催化劑。具體的，本實施方式中選用的支撐孔板24的開孔直徑可以為0.5～10mm，開孔率可以為10～90％；孔分布可以是規則的隨機的；孔板厚度h可以為0.5～20mm。這種支撐結構的優點是選材范圍寬，適用溫度范圍寬，避免了寶塔彈簧21在高溫環境下由于彈性變差導致彈簧塌縮和/或管壁附著力下降而造成管道堵塞 或彈簧脫落等問題，承載能力更強、結構簡單、安裝方便、使用更可靠。

本領域的普通技術人員可以理解，上述各實施方式是實現本發明的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發明的精神和范圍。