一种等温变换反应器
技术领域
本实用新型涉及到化工设备，尤其涉及一种等温变换反应器。
背景技术
CO变换所采用的等温变换反应器通常包括炉体和设置在炉体内的换热管，通过向换热管内通入换热介质取走反应热，从而维持反应器内的恒温反应。
如申请号为201410334970.5的中国发明专利所公开的《一种等温绝热径向复合式反应器》，该反应器由一台等温变换炉与一台轴向绝热变换炉上下叠加组成，设备结构复杂，制造难度大，投资高。
如申请号为201811160917.2的中国发明专利所公开的《一种可变温等温变换反应器》，该反应器为了调节床层温度，设置了两组换热管，换热管均匀布置，设备结构复杂，设备制造难度大。其次，该反应器通过停用其中一组换热管达到调节床层温度的目的，在换热管水侧设置了阀门，增加了系统压降及误操作的风险。
再如申请号为201410662869.2的中国发明专利所公开的《一种相变吸热的控温反应器》，该反应器的换热管采用曲线管，制造难度大，水侧压降大。其次，该反应器换热管布置为外疏内密，水煤气进气方向是从外向内，导致反应器外围高CO浓度变换的反应热不能被及时撤走，床层温度分布不均匀，变换反应效率较低。
CO变换反应的特点：粗煤气进入等温变换反应器后，由于粗煤气中CO初始浓度很高，变换反应的推动力大，反应速率很高，反应放出大量的热，随着变换反应的进行，CO浓度逐渐降低，反应放热也逐渐减小。因此，合理布置等温变换反应器内的换热管，对控制反应器内床层温度，提高变换反应效率，降低设备投资至关重要。
现有等温变换反应器内的换热管布置主要有两种型式，一种是外疏内密的布管，一种是均匀布管。两种布管型式都会导致反应器内撤热不均匀，降低变换反应效率，增加设备投资。
其次，现有等温变换反应器的分布管主要有两种型式，一种是环管，另一种是小管板。两种分布管都是非标准件，需单独设计制造，制造技术要求高，制造成本高。对于分布管与换热管的连接，很难做到模块化，安装过程中对组对技术要求高。
发明内容
本实用新型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均匀、变换反应效率高、设备投资低的等温变换反应器。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种等温变换反应器，包括炉体、设置在所述炉体内的催化剂框以及设置在所述催化剂框内的多根换热管，所述催化剂框内还设有合成气收集管道，所述催化剂框与所述合成气收集管道之间的空腔形成反应腔；其特征在于：
各所述换热管布置在多个同心圆周线上，各所述换热管在各自的圆周线上均匀布置，并且各所述换热管在各自圆周线上的排布间距自外向内逐渐变大；
各所述换热管的入口分别连接各自对应的冷却水分布管，各所述冷却水分布管均连通冷却水输送管道；各所述换热管的出口分别连接各自对应的汽水收集分布管，各所述汽水收集分布管均连通蒸汽输送管道；
各所述冷却水分布管和各所述汽水收集分布管在所述反应腔的横截面上呈放射状布置。
所述冷却水分布管包括间隔布置的冷却水分布短管和冷却水分布长管；所述汽水收集分布管包括间隔布置的汽水收集分布短管和汽水收集分布长管。
所述汽水收集分布长管和所述汽水收集分布短管的外端相对齐，所述冷却水分布长管和所述冷却水分布短管的外端相对齐；
优选所述冷却水分布管与所述汽水收集分布管采用上下对称式布置。
各所述汽水收集分布管通过环状汽水收集管连接所述蒸汽输送管道；各所述冷却水分布管通过环状冷却水连接管连接所述冷却水输送管道。
所述汽水收集管和所述冷却水收集管与所述催化剂框同心布置。
各所述换热管按布置密度在所述反应腔的横截面上分为靠近所述催化剂框的外区、靠近所述合成气收集管的内区以及位于两者之间的中区；
所述汽水收集分布长管连通所对应的外区、中区和内区内的各换热管；所述汽水收集分布短管连通所对应的外区和中区内的各换热管；
所述冷却水分布长管连通所对应的外区、中区和内区内的各换热管；所述冷却水分布短管连通所对应的外区和中区内的各换热管。
该方案将反应器内换热管布置为疏密程度不同的三个区：外区、中区和内区。在外区，换热管布置较密，在中区，换热管布置密度适中，在内区，换热管布置较稀疏。与传统等温变换反应器相比，由于中区和内区换热管显著数量减少，同样规模的反应器，换热管数量减少15％～25％，设备投资显著降低。
所述外区内相邻所述换热管之间的环向间距为60～90mm；所述中区内相邻换热管之间的环向间距为80～140mm，所述内区内相邻换热管之间的环向间距为100～160mm。
同一径线方向上，相邻的所述换热管之间的间距为60～130mm，由外向内逐渐变大，且各间距成等差数列排布，公差为3～10mm。
换热管的环向间距与径向间距能根据CO变换反应的特点，很好的控制催化剂床层温差、兼顾催化剂装卸、投资、焊接制造等因素。当换热管间距过大时，换热面积较少，反应器床层撤热少，导致催化剂床层高温差，进而影响反应效率。当换热管间距过小时，换热面积增大，能保证催化剂床层的低温差，提高反应效率，但是投资也将增大，催化剂装卸困难，换热管焊缝太近导致制造困难且焊缝热影响区相互叠加影响焊缝质量。考虑到CO变换反应的特点，粗煤气在反应器内依次流经外区，中区，内区。在外区60％～80％的CO完成变换反应，反应放出大量的热，需要布置较密集的换热管来撤热，因此，在此区域相邻换热管之间的环向间距和径向间距均较小。布置在外区的换热管数量占总换热管数量的50％～70％。随着反应的进行，在中区和内区CO含量逐步降低，反应放热逐渐减少，需要移走的热量也越来越小，换热管之间的环向间距和径向间距逐渐变大，布置的换热管也逐渐稀疏，布置在中区的换热管数量占总换热管数量的20％～40％，布置在内区的换热管数量占总换热管数量的8％～15％。
优选布置在外区的换热管数量占总换热管数量的50％～70％，布置在中区的换热管数量占总换热管数量的20％～40％，布置在内区的换热管数量占总换热管数量的8％～15％。
进一步地，放射状分布管排布形式，分布管之间形成的空隙有利于测温器的设置。。测温器的设置数量可根据催化剂床层温度监测要求灵活配置。可以在外区，中区，内区都设置了测温器，分别用于检测三个区的温度分布情况，如实反馈催化剂床层温度分布情况，为反应器稳定运行提供有效的检测手段。
与现有技术相比较，本实用新型所提供的等温变换反应器具有下述优点：
1、本实用新型中的等温变换反应器根据CO变换反应的特点，与粗煤气进气方向保持一致采用外密内疏的型式布置换热管；通过换热管的疏密布置来匹配催化剂床层的高低温区；即高温区换热管布置较密，低温区换热管布置较疏，同时兼顾换热管焊接、投资、催化剂装卸、催化剂床层温差等要求，能精确控制催化剂床层同平面温差控制在3～5℃，轴向温差控制在5～15℃。
2、本实用新型所提供的等温变换反应器可根据装置规模灵活调整反应器的大小，只需要改变冷却水分布管及汽水收集分布管的长度，和/或增加或减少换热管的圆周数，和/或改变筒体直径，就可以灵活调整反应器的大小以适应不同规模的处理量。
3、本实用新型尤其适合作为径向等温反应器使用。
附图说明
图1为本实用新型实施例中反应器部分的纵向剖视图；
图2为沿图1中A-A线的剖视图；
图3为沿图1中B-B线的剖视图；
图4为沿图3中C部分的局部放大图；
图5至图6为不同数量的换热管与冷却水分布管(汽水收集分布管)的连接结构。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
如图1至图6所示，该等温变换反应器包括：
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14，人孔14上扣盖有人孔盖，原料气入口35设在人孔盖上。
催化剂框21，用于装填催化剂，设置在筒体13内，所述催化剂框21与所述合成气收集管道3之间的空腔形成反应腔。催化剂框21的安装结构可根据需要选用现有技术中的任一种。本实施例中催化剂框21的上、下端不封闭，催化剂框21内催化剂床层的上、下两端均装填耐火球，催化剂框通过筒体13固定。
所述催化剂框21与所述炉体的侧壁之间的间隙构成原料气通道2a；所述合成气收集管道3套设在所述催化剂框21内。所述催化剂框21与合成气收集管道3之间形成反应腔2b。
催化剂框21的侧壁上均设有通孔(图中未示出)，通孔不仅作为原料气和变换气的流经通道，而且起到气体分布器的作用，使原料气均匀进入反应腔。
本实施例中，筒体、催化剂框以及合成气收集管道的横截面结构相同，为同心布置的同心圆型结构。
合成气收集管道3，用于收集变换气，并将变换气通过合成气输送管道33送出炉体1，设置在催化剂框内，与催化剂框同轴线布置，由多段筒体31依次可拆卸连接而成，筒体31长度800～1200mm，本实施例中相邻筒体31通过法兰34相连接；各筒体31的侧壁上设有多个供变换气从催化剂床层进入到合成气收集管道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道3的上端口上，端盖拆开后与上封头内腔以及人孔14相连通，供检修人员进入到合成气收集管道3中；合成气收集管3的下端口连接合成气输送管道33。合成气收集管道3采用可拆卸结构，方便本身拆装，有利于反应器内件的检维修，有利于催化剂的装卸以及后续换热管的泄漏检测、维护及更换。
蒸汽收集管，用于收集汽水混合物，设置在催化剂框上部，分为汽水收集管57和汽水收集分布管55。汽水收集管57为环形管道，与筒体同心布置，环形管道的出口与蒸汽输送管道58连通。环形管道的入口在下方，设有若干个开孔与收集连接管56连通，开孔数量与收集连接管56数量相同。收集连接管56用于连通汽水收集管57和汽水收集分布管55。
汽水收集分布管55，有多根，沿筒体的径向方向成放射状均匀布置，各汽水收集分布管结构相同，按长度分为两组，分别为汽水收集分布短管55a和汽水收集分布长管55b。汽水收集分布短管55a和汽水收集分布长管55b依次交错布置。汽水收集分布管两端设置管帽，汽水收集分布管的出口在上方，出口与收集连接管56连通，收集连接管56数量与汽水收集分布管的数量相同。汽水收集分布管的入口有多个，分别连接各自对应的换热管的出口。
冷却水分布管，用于向各换热管内均匀分配锅炉水，设置在催化剂框下部，结构型式与蒸汽收集分布管相同，包括冷却水连接管52和冷却水分布管54。冷却水输送管道51的出口与冷却水连接管52入口相连，冷却水连接管52的出口与分配连接管53入口连通，分配连接管53的出口与冷却水分布管54入口连通，冷却水分布管54出口与各换热管入口连通。
换热管，有多根，一端连接在冷却水分布管54上，另一端连接在汽水收集分布管55上，平行于炉体1的轴线竖向穿设在催化剂床层内。各换热管布置在反应腔内的多个同心圆周线上，在同一圆周线上的各换热管周向间隔均匀排布，且各换热管沿催化剂框的径向方向呈放射状布置。根据换热管沿环向方向布置的密疏程度不同，沿径向方向由外向内将换热管分为三个区，分别为外区、中区、内区。为便于区别、查看，图3至图4中外区的换热管用带交叉线(“×”)的圆表示，命名为外区换热管41；中间的换热管用实心圆表示，命名为中区换热管42；内侧的换热管用空心圆表示，命名为内区换热管43。
本实施例中，各换热管的布置原则为：周向方向上，外区换热管41环向间距y控制在60～90mm之间；中区换热管42环向间距y控制在80～140mm之间，内区换热管43环向间距y控制在100～160mm之间。同一径线方向上，换热管径向方向的间距x为60～130mm，由外向内逐渐变大，间距成等差数列排布，相邻径向间距相差3～10mm，本实施例间距相差3mm。
各冷却水分布管和各所述汽水收集分布管的同一圆周截面与换热管的连接有多种形式，即分布管的同一截面上可连接多根换热管，其可连接数跟分布管截面的外周长及换热管的大小有关。本实施例中，以各冷却水分布管和各汽水收集分布管的尺寸为DN200、换热管φ25为例，结合内区、中区、外区换热管的疏密形式，以及与冷却水分布管及各汽水收集分布管的对应关系，采用2种典型连接形式。如图5和图6所示，外区换热管密集，各冷却水分布管和各所述汽水收集分布管同一圆周截面与六根换热管连接(图6)。中区和内区，各冷却水分布管和各所述汽水收集分布管同一圆周截面与3根换热管连接(图5)。简化连接方式，易于标准化，批量工厂化生产预制，生产成本低，质量高。
粗煤气通过粗煤气入口35进入反应器上封头的空腔内，沿原料气通道2a下行，经由催化剂框上的各通孔均匀进入反应腔的催化剂床层，依次经过外区、中区、内区，在各区进行CO变换反应。外区的CO含量>中区的CO含量>内区的CO含量，即外区的反应热>中区的反应热>内区的反应热。在外区完成了60％～80％的CO变换反应，变换反应产生并聚集大量的反应热，需布置较密换热管撤热，随着反应的进行，在中区和内区CO含量逐步降低，反应放热逐渐减少，需要移走的热量也越来越小，布置的换热管较稀。本实施例中，外区的换热管数量占总换热管数量约60％，中区的换热管数量占总换热管数量约30％，内区的换热管数量占总换热管数量约10％。疏密布置换热管有利于均匀撤热，通过换热管的合理布置，催化剂床层同平面温差控制在3～5℃，轴向温差控制在5～15℃。
为监控床层温度的分布情况，本反应器设置多个测温器61，测温器套管平行于炉体1的轴线竖向穿设在催化剂床层内，每个测温器内设有多个测温点，用于监测不同催化剂床层高度的温度分布。测温器是现有技术的一种。因汽水收集分布管沿筒体的径向方向成放射状布置，汽水收集分布短管55a和汽水收集分布长管55b之间的间隙方便测温器61的穿越放置，且该间隙在筒体径向截面上呈均匀状态分布，有利于测温器在筒体径向截面上较均匀分布。测温器的设置数量可根据催化剂床层温度监测要求灵活配置，本实施例中设置了18组测温器，分布在外区，中区，内区，分别用于检测三个区的温度分布情况。
各换热管呈放射状布置，还方便了催化剂卸料。检修时，对积结的催化剂块，工具可以从相邻放射线之间间隙中插入，以方便敲碎催化剂块；同时也方便了催化剂的装填，装填催化剂时，仅需简单地将催化剂从上方倒入催化剂框内，催化剂颗粒即会沿各换热管之间的间隙下落，并且因为这些间隙自上至下是畅通无阻碍的，因此催化剂下落过程中不会被阻挡，能够均匀地布满整个催化剂框的内腔。
蒸汽输送管道58上设有膨胀节58a，用于吸收热应力。
该等温变换反应器的工作原理描述如下：
粗煤气通过粗煤气入口35进入反应器上封头的空腔内，沿粗煤气通道下行，经由催化剂框上的各通孔均匀进入反应腔的催化剂床层，依次经过外区、中区、内区，进行CO变换反应，形成变换气。汽包(图中未示出)内的锅炉水通过自然循环方式经由冷却水输送管、冷却水连接管、分配连接管、冷却水分布管进入各换热管，取走反应腔内的催化剂床层的反应热，生成的汽水混合物通过汽水收集管、收集连接管、汽水收集管、蒸汽输送管道返回汽包进行汽液分离，副产饱和蒸汽。变换气通过合成气收集管3经由合成气输送管道33输送至下游系统。
本实施例中的冷却水分布管和汽水收集分布管可采用标准件，在外区，各换热管与冷却水分布管及汽水收集分布管采用同一种型式连接；在中区和内区，各换热管与冷却水分布管及汽水收集分布管采用同一种型式连接；冷却水分布管与汽水收集分布管上下对称式布置；设备整体结构型式及各换热管结构型式简单，放射状分布管与换热管的连接结构，可实现设备的模块化设计及制造，可有效缩短设备制造周期，降低设备制造成本。
各所述换热管分别连接在呈放射状的各分布管上。分布管在极轴方向设有多个圆周截面；分布管的极轴布置形式有利于换热管外密内疏的布置结构的实现，便于实现标准化模块化制造，有利于工厂化批量制造，缩短设备制造周期，降低设备制造成本，提高设备制造质量。
