1、第 卷第期 年月化肥设计C h e m i c a lF e r t i l i z e rD e s i g nA u g 分析与探讨作者简介:谢德虎(年),男,甘肃天水人,年毕业于武汉工程大学过程装备与控制工程专业,高级工程师,现主要从事化工设备设计工作.不同结构控温变换反应器的技术特点分析谢德虎(中国五环工程有限公司,湖北 武汉 )摘要:控温变换技术凭借着自身能够从根本上克服“双高”粗煤气变换反应催化剂床层超温难题的优势,获得很多企业及科研单位的青睐,是近些年来发展势头极为强劲的控温技术.国内具有代表性的几大公司都开发了自己的控温变换技术,每种技术的控温变换反应器结构都有所不同.详细介绍
2、了每种结构的控温变换反应器的技术特点,并进行对比,对控温变换反应技术及反应器的选择具有指导意义.关键词:反应器;换热管;控温;结构d o i:/j i s s n 中图分类号:TQ 文献标识码:B文章编号:()A n a l y s i so fT e c h n i c a lC h a r a c t e r i s t i c so fT e m p e r a t u r e c o n t r o l l e dC OS h i f tR e a c t o r sw i t hD i f f e r e n t S t r u c t u r e sX I ED e h u(W u
3、 h u a nE n g i n e e r i n gC o,L t d,W u h a nH u b e i ,C h i n a)A b s t r a c t:T e m p e r a t u r e c o n t r o l l e dC Os h i f tt e c h n o l o g yc a nf u n d a m e n t a l l yo v e r c o m et h e o v e r t e m p e r a t u r ep r o b l e m o ft h ec a t a l y s tb e di nt h e“d o u b l eh
4、 i g h”(h i g ht e m p e r a t u r e&h i g hp r e s s u r e)c r u d eg a sC Os h i f t r e a c t i o n,t h a n k s t ow h i c h i th a sb e e n f a v o r e db ym a n ye n t e r p r i s e s a n ds c i e n t i f i c r e s e a r c hu n i t s,w i t n e s s i n gav e r ys t r o n gd e v e l o p m e n tm
5、o m e n t u mi nr e c e n ty e a r sa m o n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l t e c h n o l o g i e s S e v e r a l r e p r e s e n t a t i v ec o m p a n i e s i nC h i n ah a v ed e v e l o p e d t h e i r o w nt e m p e r a t u r e c o n t r o l l e dC Os h i f t t e c h n o l o g i e s,w h i c
6、 h f e a t u r e r e s p e c t i v e l yd i f f e r e n t s t r u c t u r e s T h e t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f e a c ht y p eo f t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e dC Os h i f t r e a c t o r a r e i n t r o d u c e d i nd e t a i l a n da r e c o m p a r e d,w h i c h i
7、 so fg u i d i n gs i g n i f i c a n c e f o r t h es e l e c t i o no f t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e dC Os h i f t r e a c t i o nt e c h n o l o g i e sa n dr e a c t o r s K e y w o r d s:r e a c t o r;h e a t e x c h a n g e t u b e;t e m p e r a t u r ec o n t r o l;s t r u c t u r
8、ed o i:/j i s s n 一氧化碳变换是当前煤化工项目中极为关键的组成环节,依托变换反应的支持将粗煤气里面含有的C O和HO进一步转化获得H,达到对粗煤气介质内氢碳比进行调节控制的目的,更好地满足下游装置的生产需要.该变换反应属于可逆放热反应,传统变换技术通常选择若干绝热变换反应器进行串联的方式来获得目标变换深度,利用低水气比工艺或者是高水气比工艺的方式达到避免催化剂床层出现超温问题的目的.但是,不管是何种高低水气比形式的处理工艺,都难以由根本上解决高温状态下催化剂使用寿命较短的难题.在近些年的发展中,控温变换技术获得足够的关注与重视,与此相关的技术突破很好地处理了“双高”粗煤气变换
9、反应催化剂床层超温难题.1 1控温变换技术原理催化剂床层里面布置换热单元,选择的移热介质是水,借助副产蒸汽的形式达到转移反应热的效果,确保整体变换反应能够在低温水平下展开,避免催化剂床层超温,尽量将反应温度控制到最佳温度曲线水平.2 2控温变换技术特点对比传统绝热变换技术,控温变换技术表现出下述特点.()催化剂用量少,寿命长.反应器内配备着移热单元,能够确保整体变换反应都处在最佳温度曲线的范围展开(见图),不仅所需要使用的催化剂量更少,而且催化剂床层温度相对偏低,能够提高催化剂整体的使用时间与使用效率.图催化剂床层与最佳温度曲线()系统阻力降低.考虑到本反应处在温度相对较低的水平,因此,在C
10、O转化率得到提升的同时,流程得以精简,设备数量更少,系统整体的阻力降有所降低.()流程简单,易操作.借助汽包压力进行控制的方 式 就 能 够 管 控 反 应 温 度,整 体 操 作 更 加便捷.3 3控温变换反应器按照变换反应器内流体流动方式的差别,将其区分为径向反应器、轴向反应器以及轴径向反应器几种形式.其中,径向反应器的阻力相对较小,能够更好地实现反应工作,因此,备受研究者的喜爱.现阶段工业生产领域,用到较多的就是此种形式的反应器装置.按照反应器配置移热单元的组成差别,将其区分成绕管式、列管式和套管式等三种形式.由于目前绕管式工业化应用较少,在这里不做详细介绍.目前在国内市场上,其主要结构
11、形式为列管式和套管式.控温变换工业化应用业绩较多的专利商分别为南京敦先、正元塔器、华烁科技和湖南安淳.以下对各专利商的控温变换反应器技术特点进行分别说明.列管式控温变换反应器按列管式结构特点,主要有南京敦先、正元塔器和华烁科技等三家,但每家列管结构、气体进出口位置、上下部联箱进出口、气体收集口等局部结构都有所不同.南京敦先控温变换反应器南京敦先的控温变换反应器催化剂在管间,管内是锅炉水,反应热副产中压蒸汽或低压蒸汽.控温变换反应器结构见图.该控温变换反应器结构为径向反应器,管外装有催化剂,管内通入蒸汽与水.粗煤气由顶部进入到反应器内,流经筒体以及催化剂框两者间隙径向图南京敦先控温变换反应器流过
12、催化剂床层.其中,催化剂筐内配备收集管,结束反应的变换气能够在收集管汇合,进而从反应器底部流出反应器.水室所需要的锅炉给水则经反应器底部流入管内,由下部联箱完成分配的情况下流入换热管,水则会在换热管内获取到足够反应热的情况下生成蒸汽,并在上部蒸汽联箱汇集后从反应器顶部离开.该结构的控温变换反应器的壳体一般采用铬钼钢,而换热管及相应内件都采用奥氏体不锈钢.该结构的控温变换反应器有以下特点.()反应器结构设计合理.壳体承压部分与催化剂框分开设计,发现内件有漏点也不影响生产,可单独更换催化剂筐.()制造周期短.外壳体和内件分开制造,外壳体可以提前交付,以供项目现场安装配管,内件可在催化剂装填前进行制
13、造,不影响工期.()管束安全性能高.换热管全部为不锈钢无缝钢管,可以自由伸缩,安全系数高.()催化剂利用率高、阻力降低、床层温度稳定.无轴径向混合流区,只有径向流区.()催化剂装卸方便.下部设有多个自卸口.()换热管管头封堵方便.联箱直径足够大,人员可以进入里面.()壳体直径不宜太大.由于设备壳体上设置法兰,如设备壳体直径太大,导致设备法兰也越大,设备法兰的密封就越困难.正元塔器控温变换反应器该工艺控温变换反应器结构见图.该控温变换反应器属于轴径向反应器,管外装有催化剂,管内则安排通入蒸汽与水.粗煤气由上部进入到反应器内,部分从上部直接进入催化剂床层,部分流经筒体以及催化剂筐两者间隙径向流过化
14、肥设计 年第 卷图正元塔器控温变换反应器催化剂床层.其中,催化剂筐内配有收集管,结束反应的变换气能够在进入收集管的情况下汇合,进而从反应器顶部流出.水室所需要的锅炉给水则经反应器底部流入管内,由下部联箱分配水流入换热管内,被变换气加热后的蒸汽进入上部蒸汽联箱,收集后从反应器顶部离开.该结构的控温变换反应器的壳体一般采用铬钼钢或铬钼钢与不锈钢复合板,而换热管及相应内件都采用奥氏体不锈钢.该结构的控温变换反应器有以下特点.()反应器结构设计简单.壳体承压部分与催化剂筐焊接在一起,更换内件较麻烦.()管束安全性能高.换热管全部为不锈钢无缝钢管,可以自由伸缩,安全系数高.()催化剂床层阻力降较低,床层
15、温度有波动.有轴径向混合流区,径向流区面积多,轴向流区面积少.()催化剂卸料不太方便.下部设有裙座,卸料口在裙座内影响卸料.()换热管管头封堵不太方便.上下部联箱直径较小,人员进入困难.()设备宜大型化.设备壳体上未设置设备法兰,壳体整体焊接,壳体直径一般不受设备法兰结构设计的影响.华烁科技控温变换反应器华烁科技的控温变换反应器结构见图.该控温变换反应器为全径向结构,管外装有催化剂,管内则安排走水与蒸汽.粗煤气由下部侧向进入到反应器内,流经筒体以及催化剂筐两者间隙径向流过催化剂床层.其中,催化剂筐内配备收集管,结束反应的变换气能够在进入收集管的情况下图华烁科技控温变换反应器汇合,进而从反应器底
16、部流出反应器.水室所需要的锅炉给水则经内管底部球形联箱进行分配后再流向换热管.后续被变换气加热后的蒸汽进入球形联箱收集后从反应器顶部离开.该结构的控温变换反应器的壳体、换热管及内件一般都采用铬钼钢.该结构的控温变换反应器有以下特点.()管束连接结构设计简单.换热管无应力设计,管头焊缝不与工艺气体接触,避免HS、HO对焊缝的应力腐蚀.()换热管全部为铬钼钢无缝钢管,耐腐蚀性能不高.()催化剂床层阻力降低,床层温度可控制.全部为径向流区,阻力小,压降低.()催化剂卸料较方便.下部设有多个卸料口,卸料较方便.()换热管管头封堵方便.上下联箱为大球形容器,进入方便,换热管有问题时方便封堵管头.()换热管热应力消除结构合理.主要换热管与壳体材料相近,且换热管下部采用U形弯结构,管束收缩自由,释放了热应力.()设备宜大型化.设备壳体上未设置设备法兰,壳体整体焊接,壳体直径一般不受设备法兰结构设计的影响.套管式控温变换反应器湖南安淳的控温变换反应器为套管式,该控温变换反应器结构见图.该反应器为双套管式控温变换反应器,其结构第期谢德虎不同结构控温变换反应器的技术特点分析图湖南安淳控温变换反应器为径向反
