本发明专利技术涉及到一种等温变换反应装置，包括炉体和设置在炉体内的催化剂框，催化剂框的中部设有合成气收集管，催化剂框的侧壁与炉体的侧壁之间具有间隙，催化剂框的侧壁上设有多个连通该间隙与催化剂框内腔的进气孔；催化剂框与合成气收集管之间的催化剂床层空间中设有多根换热管，各换热管在催化剂床层空间中纵向并列设置，换热管的进口连接冷却水管道，换热管的出口连接蒸汽收集管道；其特征在于：换热管包括外管和内管，外管的一个端口封闭，外管的第二端口连通蒸汽收集管道；内管从外管的第二端口插入到外管内，内管与外管之间具有间隙，内管的第一端口连通外管的内腔，内管的第二端口连通冷却水管道。
【技术实现步骤摘要】
等温变换反应装置
本专利技术涉及到化工设备，尤其涉及一种等温变换反应装置。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种撤热充分、能精确控制催化剂床层温度的等温变换反应装置。本专利技术所要解决的另一个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等温变换反应装置。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：该等温变换反应装置，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，所述催化剂框的侧壁与所述炉体的侧壁之间具有间隙，所述催化剂框的侧壁上设有多个连通该间隙与催化剂框内腔的进气孔；所述催化剂框与所述合成气收集管之间的催化剂床层空间中设有多根换热管，各所述换热管在所述催化剂床层空间中纵向并列设置，换热管的进口连接冷却水管道，换热管的出口连接蒸汽收集管道；其特征在于：所述换热管包括外管和内管，所述外管的一个端口封闭，所述外管的第二端口连通所述蒸汽收集管道；所述内管从所述外管的第二端口插入到所述外管内，所述内管与所述外管之间具有间隙，所述内管的第一端口连通所述外管的内腔，所述内管的第二端口连通所述冷却水管道。为进一步保证换热效果，可以在所述内管与所述外管之间的空腔内设有扰流板。优选所述扰流板沿所述内管的轴线方向螺旋布置。该结构能有效延长水流路径，增加水流停留时间，充分换热。作为上述各方案的进一步改进，可以将各所述换热管分为两组，对应地，所述冷却水管道有两组；第一组换热管中的各内管的入口均连接第一冷却水管道，第二组换热管中的各内管的入口均连接第二冷却水管道；第二冷却水管道上设有阀门；控制进入所述第一组换热管中各内管的冷媒体积流量为进入第二组换热管中各内管的冷媒体积流量的4～9倍。该结构设计，克服了现有技术中只采用一组换热管、通过提高蒸汽压力来保证装置运行后期催化剂的活性温度的偏见，将等温变换反应装置设计成可变温的等温变换反应装置，两组换热管的设计，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。较好的，为保证撤热的均匀性，可以将所述第一组换热管中各换热管在所述催化剂床层空间的横截面上均匀布置；第二组换热管中各换热管在所述催化剂床层空间的横截面上均匀布置。优选所述第一组换热管中各内管的口径与所述第二组换热管中各内管的口径相等，所述第一组换热管中各外管的口径与所述第二组换热管中各外管的口径相等。实现两组换热管内冷媒流量的控制可以有多种结构，例如，可以通过控制进入两组冷却水管道内的冷媒流量来控制，或者，可以使所述第一组换热管中各内管的口径为所述第二组换热管中各内管的口径的4～9倍，所述第一组换热管中各外管的口径为所述第二组换热管中各外管的口径的4～9倍。还可以通过两组换热管的数量的不同来控制两组换热管所移走的热量。还可以是，所述各所述换热管在所述催化剂床层空间的横截面上沿径向方向呈放射状布置。进一步地，各所述换热管在所述催化剂床层空间横截面的周向方向上在以所述催化剂框的轴线为中心的多个同心圆周线上均匀布置。优选将所述催化剂床层空间的横截面自内至外分为三个区域，位于内侧的第一区域和位于外侧的第三区域中只布置了所述第一组换热管中的换热管；位于中间的第二区域中同时布置了第一组换热管中的换热管和第二组换热管中的各换热管，并且第二组换热管中的各换热管与第一组换热管中的换热管在周向方向上依次交替布置。作为上述各方案的进一步改进，同一周线上相邻换热管之间的间距m可以控制在30～150mm，同一放射线上相邻换热管之间的间距n控制在30～150mm；并且，m-n的绝对值为0～50mm。优选所述m为30～100mm，，n在30～100mm。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，本专利技术所提供的等温变换反应装置，将换热管设计为内、外套管结构，以保证冷媒的停留时间和充分撤热，从而精确控制催化剂床层的反应温度，保证反应效果。优选方案能够根据反应不同阶级改变催化剂床层的撤热量，从而不需要增加设备壁厚即能够在装置运行全过程、催化剂整个活性期内维持恒定的产率。附图说明图1为本专利技术实施例的纵向剖视示意图；图2为本专利技术实施例中换热管的纵向剖视图；图3为本专利技术实施例中换热管与管箱的装配结构；图4为沿本专利技术中各换热管布置的横向剖视图。具体实施方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述。如图1至图4所示，该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和下封头上均设有人孔15和原料气入口14，原料气入口连接气体分布器16，原料气通过气体分布器16均匀分散到上封头空间内；下封头上设有催化剂出料口18，下封头12的底部设有合成气出口17。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本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.等温变换反应装置，包括炉体(1)和设置在所述炉体(1)内的催化剂框(2)，所述催化剂框(2)的中部设有合成气收集管(3)，所述催化剂框的侧壁与所述炉体的侧壁之间具有间隙，所述催化剂框的侧壁上设有多个连通该间隙与催化剂框内腔的进气孔；所述催化剂框(2)与所述合成气收集管(3)之间的催化剂床层空间中设有多根换热管(4)，各所述换热管(4)在所述催化剂床层空间中纵向并列设置，换热管(4)的进口连接冷却水管道(6)，换热管的出口连接蒸汽收集管道(5)；其特征在于：所述换热管(4)包括外管(41)和内管(42)，所述外管(41)的一个端口封闭，所述外管(42)的第二端口连通所述蒸汽收集管道(5)；所述内管(42)从所述外管(41)的第二端口插入到所述外管(41)内，所述内管(42)与所述外管(41)之间具有间隙，所述内管的第一端口连通所述外管(42)的内腔，所述内管的第二端口连通所述冷却水管道(6)。
【技术特征摘要】
1.等温变换反应装置，包括炉体(1)和设置在所述炉体(1)内的催化剂框(2)，所述催化剂框(2)的中部设有合成气收集管(3)，所述催化剂框的侧壁与所述炉体的侧壁之间具有间隙，所述催化剂框的侧壁上设有多个连通该间隙与催化剂框内腔的进气孔；所述催化剂框(2)与所述合成气收集管(3)之间的催化剂床层空间中设有多根换热管(4)，各所述换热管(4)在所述催化剂床层空间中纵向并列设置，换热管(4)的进口连接冷却水管道(6)，换热管的出口连接蒸汽收集管道(5)；其特征在于：所述换热管(4)包括外管(41)和内管(42)，所述外管(41)的一个端口封闭，所述外管(42)的第二端口连通所述蒸汽收集管道(5)；所述内管(42)从所述外管(41)的第二端口插入到所述外管(41)内，所述内管(42)与所述外管(41)之间具有间隙，所述内管的第一端口连通所述外管(42)的内腔，所述内管的第二端口连通所述冷却水管道(6)。2.根据权利要求1所述的等温变换反应装置，其特征在于所述内管(42)与所述外管(41)之间的空腔内设有扰流板(43)。3.根据权利要求2所述的变温等温变换反应器，其特征在于所述扰流板(43)沿所述内管(42)的轴线方向螺旋布置。4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的等温变换反应装置，其特征在于各所述换热管(4)分为两组，对应地，所述冷却水管道(6)有两组；第一组换热管(4a)中的各内管的入口均连接第一冷却水管道(6a)，第二组换热管(4b)中的各内管的入口均连接第二冷却水管道(6b)；第二冷却水管道(6b)上设有阀门(61)；控制进入所述第一组换热管中的冷媒体积流量为进入第二组换热管的冷媒体积流量的4～9倍。5.根据权利要求2所述的等温变换反应装置，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：张志国，许仁春，张茹，蒋自平，高步新，崔金栋，方晓峰，脱庆运，陈锡栋，胡玲玲，王宁峰，
申请(专利权)人：中石化宁波工程有限公司，中石化宁波技术研究院有限公司，中石化炼化工程集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33
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