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1、(10)申请公布号 CN 102886231 A(43)申请公布日 2013.01.23CN102886231A*CN102886231A*(21)申请号 201210378026.0(22)申请日 2012.10.08B01J 8/02(2006.01)C01B 3/16(2006.01)(71)申请人中国石油化工集团公司地址 100728 北京市朝阳区朝阳门北大街22号申请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(72)发明人许仁春 涂林 施程亮(74)专利代理机构宁波诚源专利事务所有限公司 33102代理人刘凤钦(54) 发明名称CO全径向等温变换炉(57) 摘要本发明涉及到。
2、一种CO全径向等温变换炉，其包括炉体、设置在所述炉体内的换热管束、气体分布器、气体收集器和上、下管板，其特征在于所述炉体包括可拆卸连接在一起的上段、中段和下段，所述炉体的顶部还设有变换气出口；所述气体收集器的下端连接所述下管板，所述上管板上设有连接孔，所述气体收集器的上端穿过该连接孔可拆卸连接出气管；该出气管的另一端穿过所述的变换气出口并外露于所述炉体；所述上管板的上方密封连接环形上封头，所述下管板密封连接所述炉体并位于所述中段和所述下段之间。与现有技术相比，本发明反应器结构简单，方便检修和维护，设备投资少，可控性强。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书5页 附图6页(19)中华人民共。
3、和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 6 页1/1页21.一种CO全径向等温变换炉，包括：炉体，封闭容器，炉体的顶部设有反应气入口和检修人孔，炉体的上部侧壁上设有冷却水出口，炉体底部设有冷却水入口；换热管束，设置在所述炉体内，由多根相互平行的换热管组成；气体分布器，设置在所述炉体内，进入炉体内的气体经气体分布器均流后进入催化剂床层；上管板和下管板，连接在所述气体分布器的上、下两端，其上设有多个管孔，各换热管的两端分别插设在上、下管板上对应的管孔内；气体收集器，用于收集反应后的合成气，纵向设置在所述炉体中部；其特征在于：所述炉体包括可拆卸连接在一起的上段。
4、、中段和下段，所述炉体的顶部还设有变换气出口；所述气体收集器的下端连接所述下管板，所述上管板上设有连接孔，所述气体收集器的上端穿过该连接孔可拆卸连接出气管；该出气管的另一端穿过所述的变换气出口并外露于所述炉体；所述上管板的上方密封连接环形上封头，所述下管板密封连接所述炉体并位于所述中段和所述下段之间。2.根据权利要求1所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述气体分布器包括可拆卸连接在一起的多个分段，并且各分段又有两个半圆筒可拆卸连接构成。3.根据权利要求2所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于各所述分段均包括有外筒体和套设在所述外筒体内的内筒体，各所述外筒体可拆卸连接在一起形成外筒，各所述内。
5、筒体可拆卸连接在一起形成套设在所述外筒内的内筒，并且所述外筒体和所述内筒体间隔有间隙。4.根据权利要求3所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述内筒上的气孔的密度大于所述外筒的，并且所述内孔上的气孔的孔径小于等于3mm。5.根据权利要求5所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述气体分布器靠近所述上管板100mm以内的位置不开设气孔。6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述的冷却水出口有两个，连接所述上封头与两个冷却水出口的出水管也有两根。7.根据权利要求6所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述出水管上设有膨胀节；所述气体收集器位于所述上封头与所述炉体。
6、空腔内的部分上也设有膨胀节。8.根据权利要求7所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述上管板的侧壁上间隔设有多块定位块，对应地，所述炉体的内侧壁上设有多组定位板，每组定位板包括左、右间隔设置的左定位板和右定位板，各所述定位块位于对应的左、右定位板之间。9.根据权利要求8所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述气体收集管在靠近上管板底面100mm内不开孔。10.根据权利要求9所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述下管板的上表面上设有连接套，所述气体收集器的下端部定位在该连接套内并与所述下管板的上表面间隔有间隙。权 利 要 求 书CN 102886231 A1/5页3CO 全径向等温变换炉。
7、技术领域0001 本发明涉及到化工设备领域，具体指一种CO全径向等温变换炉。背景技术0002 目前国内在粉煤气化生成的高浓度CO变换流程设计过程中，变换炉均采用绝热反应器。由于粗合成气中CO含量高，同时变换反应又是强放热过程，因此，变换单元在流程设置上均采用多台绝热炉串联进行CO变换反应，炉间移走反应热。这也造成了传统高浓度CO变换流程复杂、反应器台数多、系统压降大、设备投资高、变换炉温度控制困难，在催化剂硫化和正常运行时容易超温，存在安全隐患；绝热温升抑制了CO反应平衡，造成单台变换炉CO转化率低等一系列问题。0003 基于绝热变换炉在高浓度CO变换过程中存在的各种问题，近年来国内一些工程公。
8、司对全等温变换炉也进行了研究和开发。等温变换炉的工作原理较简单，在等温变换炉内置入换热管道，当炉内发生CO变换反应时，通过锅炉给水副产蒸汽的方式移走反应热，这样就可以保持催化剂床层温度基本恒定。相比绝热变换炉可以省去炉间的热能回收设备，简化了工艺流程，降低了设备投资。等温变换炉工作原理虽然简单，但在工程设计和装置实际运行过程中，等温炉要能够及时移走反应热、炉子的结构要简单、炉子的催化剂更换和检维修要方便快捷、变换气分布要均匀，同时解决好炉内热应力问题也非常关键和重要。0004 公告号为CN101721956A的中国专利申请了一种等温低温CO变换反应器，该等温反应器内用于移走反应热的锅炉水从换热。
9、管道顶部进入，产生的蒸汽也是从换热管道顶部以自蒸发的形式移出，这使锅炉水的流动性很差，通过锅炉水移走反应热的能力有限，反应器仍然存在超温的风险。0005 该等温反应器对自身所产的饱和中压蒸汽进行了过热，在工程化过程中此设计方案很难实施，原因是饱和中压蒸汽的比热很小，在等温反应器内由饱和中压蒸汽变成过热中压蒸汽的过程中，吸收的热量很少，不能有效的移走变换反应热量，肯定会导致等温反应器局部超温，烧坏局部超温处的变换催化剂。0006 该等温反应器采用全封闭型式，只能在设备制造过程中进行催化剂的装填，催化剂失活后的装卸更换无法实现，另外如果换热管破裂，也无法进行修补和封堵。0007 该等温反应器内部分。
10、为汽室和水室，下部有换热管和倒U形管，结构复杂，制造加工难度大，成本高。0008 该等温反应器内CO变换反应发生在250以上，换热管束所在内部筒体上下部分均与反应器外部筒体焊接连接，在高温下炉内热应力无法释放，会造成内部筒体弯曲变形。发明内容0009 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的状况，提出一种CO全径向等温变换炉，它利用循环水连续、快速地移走高浓度CO变换反应过程中的反应热，使反应器能够维持在恒温状态下进行变换反应，同时优化和简化炉体结构型式，为催化剂的快速装卸、更说 明 书CN 102886231 A2/5页4换和设备检维修提供便利，还要解决高温工况下反应器的热应力释放问题。00。
11、10 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该CO全径向等温变换炉，包括：0011 炉体，封闭容器，炉体的顶部设有反应气入口和检修人孔，炉体的上部侧壁上设有冷却水出口，炉体底部设有冷却水入口；0012 换热管束，设置在所述炉体内，由多根相互平行的换热管组成；0013 气体分布器，设置在所述炉体内，进入炉体内的气体经气体分布器均流后进入催化剂床层；0014 上管板和下管板，连接在所述气体分布器的上、下两端，其上设有多个管孔，各换热管的两端分别插设在上、下管板上对应的管孔内；0015 气体收集器，用于收集反应后的合成气，纵向设置在所述炉体中部；0016 其特征在于：0017 所述炉体包括可拆卸。
12、连接在一起的上段、中段和下段，所述炉体的顶部还设有变换气出口；所述气体收集器的下端连接所述下管板，所述上管板上设有连接孔，所述气体收集器的上端穿过该连接孔可拆卸连接出气管；该出气管的另一端穿过所述的变换气出口并外露于所述炉体；0018 所述上管板的上方连接有环形上封头，所述下管板密封连接所述炉体并位于所述中段和所述下段之间。0019 较好的，炉体的三段之间均可通过法兰连接，以保证炉体外部的拆卸和内部管束的整体抽出。炉体可以支撑在裙座上立式放置。0020 为了方便催化剂的装填、更换，所述气体分布器可以由可拆卸连接在一起的多个分段短节组合而成，并且各分段又由两个半圆筒可拆卸连接构成。0021 进一。
13、步，为了保证气体进入催化剂床层时的分布均匀性，各所述分段均包括有外筒体和套设在所述外筒体内的内筒体，各所述外筒体可拆卸连接在一起形成外筒，各所述内筒体可拆卸连接在一起形成套设在所述外筒内的内筒，并且所述外筒体和所述内筒体间隔有间隙。内筒体对反应气起到二次分布的作用。0022 较好的，上述方案中所述内筒上的气孔的密度大于所述外筒的，并且所述内筒上的气孔的孔径小于等于3mm。0023 考虑到生产过程中催化剂的沉降问题，所述气体分布器靠近所述上管板100mm以内的位置不开设气孔，以防止因催化剂沉降引起的反应气回流和短路。0024 为了降低冷却水的流动阻力，所述的冷却水出口有两个，相应地，连接所述上封。
14、头与两个冷却水出口的出水管也有两根。0025 考虑到反应炉内部整体的热膨胀，可以在所述出水管上设有膨胀节；所述气体收集器位于所述上封头与所述炉体空腔内的部分上也设有膨胀节，以解决内部反应系统整体热膨胀问题。0026 所述上管板的侧壁上间隔设有多块定位块，对应地，所述炉体的内侧壁上设有多组定位板，每组定位板包括左、右间隔设置的左定位板和右定位板，各所述定位块位于对应的左、右定位板之间。炉体和内部系统通过定位块的相互定位使安装和拆卸更为方便。0027 所述气体收集管在上下管板之间部分间隔均匀地设有多个气孔，较好地，收集管在靠近上管板底面100mm内不开孔，以防止催化剂沉降引起反应气回流和短路。说 。
15、明 书CN 102886231 A3/5页50028 考虑到气体收集器的热膨胀，可以在所述下管板的上表面上设有连接套，所述气体收集器的下端部定位在该连接套内并与所述的上管板间隔有间隙，该间隙可供气体收集器在上下管板之间部分的局部热膨胀。0029 所述的两个出水管上和气体收集器出口管上设置膨胀节，以解决内部反应系统整体热膨胀问题。0030 该CO等温变换炉整体上采用全径向型结构，反应气上进上出，换热管间装填催化剂，管内走冷却水，冷却水吸收变换热，根据反应热移出的强度要求，冷却水循环过程可以是自然循环也可以是强制循环，循环冷却水下游可设置汽包副产蒸汽回收余热。通过控制循环水量来维持变换反应温度的恒。
16、定。0031 与现有技术相比，本发明具有如下特点：0032 1、通过冷却水的循环达到快速移出高浓度CO变换反应热，其过程可以是自然循环也可是强制循环，通过控制循环水量达到控制变换反应温度的目的，冷却水出口可以设置汽包副产蒸汽，回收余热，反应器结构简单，投资少，可控性强。0033 2、冷却水出口管、气体收集器和炉体均采用法兰连接，使外部炉体可拆卸为上段、中段和下段三部分，使内部反应系统可整体抽出，加上气体分布器的分段拼接设计和可拆式栓接结构为催化剂的快速装卸以及后期设备的检维修提供了便利。0034 3、充分考虑高温应力工况，在内部反应系统两个循环冷却水出口和气体收集器上端均设置有膨胀节，解决了内。
17、部反应系统整体向上的热膨胀；气体收集管底套筒间隙定位，解决了气体收集管向下的局部膨胀，这有利于设备的长周期稳定运行和使用寿命的延长。0035 4、CO全径向等温变换炉采用全径向结构，流通面积大，床层阻力小，压降小。气体分布器采用内、外筒结构，对反应气二次分布，使气体分布更加均匀，有利于提高转化率，同时，充分考虑催化剂沉降问题，在气体分布器顶部和气体收集管靠近上管板处都预留有100mm不开孔区，可防止催化剂沉降引起的变换气回流、短路。0036 5、变换炉所采用的全径向型结构，反应气上进上出，充分利用了径向反应器分流流道静压沿流体流动方向而升高，集流流道静压沿流动方向降低的特点，有利于变换气在催化。
18、剂床层的均匀分布和稳定流动，使反应更加稳定，变换效率高。0037 6、本发明采用管壳式反应器，催化剂装填换热管间，催化剂床层温度，稳定，寿命长，可通过增加气体分布器段数方式增加CO变换气处理量，有利于装置的大型化；且利用径向反应器阻力小的特点可提高空速，增加转化率，提高设备的生产能力。附图说明0038 图1为本发明实施例1装配结构的剖视示意图；0039 图2为本发明图1中位置32的放大图；0040 图3为本发明实施例1中上管板与炉体内壁之间定位结构的平面示意图；0041 图4为本发明实施例1中气体分布器结构示意图；0042 图5为沿图4中A-A向的剖视图；0043 图6为本发明实施例1中环形封。
19、头的平面示意图；0044 图7为本发明实施例2中气体分布器俯视方向的平面示意图；0045 图8为沿图7中B-B向的剖视图。说 明 书CN 102886231 A4/5页6具体实施方式0046 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。0047 实施例10048 如图1至图6所示，该CO全径向等温变换炉包括：0049 炉体1，包括上段15、中段12和下段11，上段15为焊接有直边段的椭圆形封头，上段15与中段12之间、中段12与下段11之间均采用法兰可拆卸连接。上段15的封头顶部设有反应气入口16、变换气出口17和上部检修人孔18，其直边段侧壁上设有两个对称布置的循环冷却水出口14A和14B，。
20、下段11底部设有冷却水入口19，炉体1底部坐落在裙座5上，裙座5为该等温变换炉的支撑底座。0050 在炉体内，有由多根换热管37组成的换热管束,换热管束的中部设有多个用于支撑换热管束的支撑件36。各换热管的两端分别插设在上管板34和下管板31上对应的管孔内形成换热管束，各换热管之间的间隙内装填有催化剂。0051 上管板34由两个管板34A和34B依靠螺栓39连接组成，34A和34B之间设有垫片310密封。上管板依靠焊接在上管板34B上的四块定位块352和焊接在设备筒体上的四组定位板351配合径向定位，保证轴向位移。每组定位板包括左右间隔设置的左定位板和右定位板，定位块位于对应的左、右定位板之间。
21、。上管板34上表面设有环形封头33，上管板的中部设有供气体收集器2穿过的连接孔，环形封头顶部设有两个对称布置并分别与上述循环冷却水出口14A和14B相连通冷却出水管13A和13B，两个出水管竖直部分均设有膨胀节以消除反应炉向上热膨胀所产生的应力，两个出水管的水平管段均为法兰可拆连接，以方便外部炉体和内部系统的可拆分离。下管板31位于中段12和下段11之间，并且相对接的端面之间设有密封垫片，上段12、下管板31和下段11通过螺栓连接在一起。0052 换热管束外侧由筒状的气体分布器4包裹，气体分布器4由几段相同结构的气体分布器短节螺栓连接组成，每段分布器均包括长度为500mm的内筒体45和外筒体4。
22、4，且内、外筒体均由两个半圆筒组成，半圆筒端部焊接有两组竖向连接板43，将两个半圆形的筒体栓接在一起形成圆柱形的筒体；各段内筒体连接后形成内筒，各段外筒体连接后形成套设在内筒外的外筒。内筒体45和外筒体44上分别均布有圆形气孔作为反应气通道；内筒作为气体二次分布器，其开孔密度大于外筒且孔径不大于3mm，内筒和外筒的顶部和底部均设有二组半环板41，半环板分割位置与内筒和外筒一致，且与竖向连接板43焊接在一起，半环板41端部设有八个支耳42，用于上下段气体分布器之间的栓接和定位，最上段分布器的上端依靠与上管板34焊接的定位环311定位，最下段筒体的下端放入下管板31开的环形槽内定位，同时，最上面一。
23、段气体分布器的内、外筒距离上管板100mm高度位置之内不开设气孔，以防止催化剂沉降引起反应气短路。气体分布器的分段螺栓可拆连接设计，可以有效提高催化剂的装卸和更换效率。0053 气体收集器2，其上端穿过上管板34上的连接孔并通过法兰连接变换气出口17，气体收集器在上管板34的连接孔内环焊密封固定。气体收集器位于上管板34和下管板31之间部分的侧壁上间隔均匀地开有宽度小于3mm的长条形气体收集孔，同样，为防止因催化剂沉降引起的反应气回流、短路，在收集管靠近上管板34下表面以下部分留100mm高度区域不开孔。收集管底部焊接有圆形盖板21，圆形盖板外侧设有焊接在下管板31上的说 明 书CN 1028。
24、86231 A5/5页7收集管定位套筒22，套筒22与所述盖板21之间留2mm间隙，盖板与下管板31间设有30mm间隙以解决气体收集管2向下的局部热膨胀问题。所述气体收集器与变换气出口连接的管段上设有膨胀节，和循环水出口管段13A、13B上的膨胀节一起，解决了内部系统向上的整体热膨胀问题。0054 实施例20055 如图7、图8所示：该CO全径向等温变换炉中的气体分布器由几段相同结构的分布器栓接组成，每段分布器包括内筒65和外筒64，内筒65由长度为500mm的三角形肋条间隙排列组成，外筒64由两个半圆筒组成，半圆形外筒两端焊接有两组竖向连接板53将半圆筒栓接在一起形成圆柱筒。外筒64上开均布。
25、圆孔，内筒65作为气体二次分布器，其三角形肋条间隙小于外筒孔径且不大于3mm，内筒65的三角形肋条上下两端与外筒64顶部和底部焊接在两组半环板61上，半环板分割位置与外筒一致，且与竖向连接板63焊接在一起，半环板61端部设有八个支耳62，用于上下段气体分布器之间的栓接和定位，最上段气体分布器上端依靠与上管板34焊接的定位环311定位，最下段气体分布器下端放入下管板31开的环形槽内定位。同时，最上面一段气体分布器的外筒与上管板34接触处留100mm高度不开孔以防止催化剂沉降引起反应气短路。0056 其余内容与实例1相同。0057 上间隔设有多块定位块，对应地，所述炉体的内侧壁上设有多组定位板，每。
26、组定位板包括左、右间隔设置的左定位板和右定位板，各所述定位块位于对应的左、右定位板之间。0058 9、根据权利要求8所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述气体收集管在靠近上管板底面100mm内不开孔。0059 10、根据权利要求9所述的CO全径向等温变换炉，其特征在于所述下管板的上表面上设有连接套，所述气体收集器的下端部定位在该连接套内并与所述下管板的上表面间隔有间隙。说 明 书CN 102886231 A1/6页8图1说 明 书 附 图CN 102886231 A2/6页9图4说 明 书 附 图CN 102886231 A3/6页10图5图2说 明 书 附 图CN 102886231 A10。