不同結構控溫變換反應器的技術特點分析

謝德虎

(中國五環工程有限公司,湖北 武漢 430223)

一氧化碳變換是當前煤化工項目中極為關鍵的組成環節,依托變換反應的支持將粗煤氣里面含有的CO和H2O進一步轉化獲得H2,達到對粗煤氣介質內氫碳比進行調節控制的目的,更好地滿足下游裝置的生產需要。該變換反應屬于可逆放熱反應,傳統變換技術通常選擇若干絕熱變換反應器進行串聯的方式來獲得目標變換深度,利用低水氣比工藝或者是高水氣比工藝的方式達到避免催化劑床層出現超溫問題的目的。但是,不管是何種高低水氣比形式的處理工藝,都難以由根本上解決高溫狀態下催化劑使用壽命較短的難題。在近些年的發展中,控溫變換技術獲得足夠的關注與重視,與此相關的技術突破很好地處理了“雙高”粗煤氣變換反應催化劑床層超溫難題。

1 控溫變換技術原理

催化劑床層里面布置換熱單元,選擇的移熱介質是水,借助副產蒸汽的形式達到轉移反應熱的效果,確保整體變換反應能夠在低溫水平下展開,避免催化劑床層超溫,盡量將反應溫度控制到最佳溫度曲線水平。

2 控溫變換技術特點

對比傳統絕熱變換技術,控溫變換技術表現出下述特點。

(1)催化劑用量少,壽命長。反應器內配備著移熱單元,能夠確保整體變換反應都處在最佳溫度曲線的范圍展開(見圖1),不僅所需要使用的催化劑量更少,而且催化劑床層溫度相對偏低,能夠提高催化劑整體的使用時間與使用效率。

圖1 催化劑床層與最佳溫度曲線

(2)系統阻力降低。考慮到本反應處在溫度相對較低的水平,因此,在CO轉化率得到提升的同時,流程得以精簡,設備數量更少,系統整體的阻力降有所降低。

(3)流程簡單,易操作。借助汽包壓力進行控制的方式就能夠管控反應溫度,整體操作更加便捷。

3 控溫變換反應器

按照變換反應器內流體流動方式的差別,將其區分為徑向反應器、軸向反應器以及軸徑向反應器幾種形式。其中,徑向反應器的阻力相對較小,能夠更好地實現反應工作,因此,備受研究者的喜愛。現階段工業生產領域,用到較多的就是此種形式的反應器裝置。

按照反應器配置移熱單元的組成差別,將其區分成繞管式、列管式和套管式等三種形式。由于目前繞管式工業化應用較少,在這里不做詳細介紹。目前在國內市場上,其主要結構形式為列管式和套管式。控溫變換工業化應用業績較多的專利商分別為南京敦先、正元塔器、華爍科技和湖南安淳。以下對各專利商的控溫變換反應器技術特點進行分別說明。

3.1 列管式控溫變換反應器

按列管式結構特點,主要有南京敦先、正元塔器和華爍科技等三家,但每家列管結構、氣體進出口位置、上下部聯箱進出口、氣體收集口等局部結構都有所不同。

3.1.1南京敦先控溫變換反應器

南京敦先的控溫變換反應器催化劑在管間,管內是鍋爐水,反應熱副產中壓蒸汽或低壓蒸汽。控溫變換反應器結構見圖2。

圖2 南京敦先-控溫變換反應器

該控溫變換反應器結構為徑向反應器,管外裝有催化劑,管內通入蒸汽與水。粗煤氣由頂部進入到反應器內,流經筒體以及催化劑框兩者間隙徑向流過催化劑床層。其中,催化劑筐內配備收集管,結束反應的變換氣能夠在收集管匯合,進而從反應器底部流出反應器。水室所需要的鍋爐給水則經反應器底部流入管內,由下部聯箱完成分配的情況下流入換熱管,水則會在換熱管內獲取到足夠反應熱的情況下生成蒸汽,并在上部蒸汽聯箱匯集后從反應器頂部離開。

該結構的控溫變換反應器的殼體一般采用鉻鉬鋼,而換熱管及相應內件都采用奧氏體不銹鋼。該結構的控溫變換反應器有以下特點。

(1)反應器結構設計合理。殼體承壓部分與催化劑框分開設計,發現內件有漏點也不影響生產,可單獨更換催化劑筐。

(2)制造周期短。外殼體和內件分開制造,外殼體可以提前交付,以供項目現場安裝配管,內件可在催化劑裝填前進行制造,不影響工期。

(3)管束安全性能高。換熱管全部為不銹鋼無縫鋼管,可以自由伸縮,安全系數高。

(4)催化劑利用率高、阻力降低、床層溫度穩定。無軸徑向混合流區,只有徑向流區。

(5)催化劑裝卸方便。下部設有多個自卸口。

(6)換熱管管頭封堵方便。聯箱直徑足夠大,人員可以進入里面。

(7)殼體直徑不宜太大。由于設備殼體上設置法蘭,如設備殼體直徑太大,導致設備法蘭也越大,設備法蘭的密封就越困難。

3.1.2正元塔器控溫變換反應器

該工藝控溫變換反應器結構見圖3。

圖3 正元塔器-控溫變換反應器

該控溫變換反應器屬于軸徑向反應器,管外裝有催化劑,管內則安排通入蒸汽與水。粗煤氣由上部進入到反應器內,部分從上部直接進入催化劑床層,部分流經筒體以及催化劑筐兩者間隙徑向流過催化劑床層。其中,催化劑筐內配有收集管,結束反應的變換氣能夠在進入收集管的情況下匯合,進而從反應器頂部流出。水室所需要的鍋爐給水則經反應器底部流入管內,由下部聯箱分配水流入換熱管內,被變換氣加熱后的蒸汽進入上部蒸汽聯箱,收集后從反應器頂部離開。

該結構的控溫變換反應器的殼體一般采用鉻鉬鋼或鉻鉬鋼與不銹鋼復合板,而換熱管及相應內件都采用奧氏體不銹鋼。該結構的控溫變換反應器有以下特點。

(1)反應器結構設計簡單。殼體承壓部分與催化劑筐焊接在一起,更換內件較麻煩。

(2)管束安全性能高。換熱管全部為不銹鋼無縫鋼管,可以自由伸縮,安全系數高。

(3)催化劑床層阻力降較低,床層溫度有波動。有軸徑向混合流區,徑向流區面積多,軸向流區面積少。

(4)催化劑卸料不太方便。下部設有裙座,卸料口在裙座內影響卸料。

(5)換熱管管頭封堵不太方便。上下部聯箱直徑較小,人員進入困難。

(6)設備宜大型化。設備殼體上未設置設備法蘭,殼體整體焊接,殼體直徑一般不受設備法蘭結構設計的影響。

3.1.3華爍科技控溫變換反應器

華爍科技的控溫變換反應器結構見圖4。

圖4 華爍科技-控溫變換反應器

該控溫變換反應器為全徑向結構,管外裝有催化劑,管內則安排走水與蒸汽。粗煤氣由下部側向進入到反應器內,流經筒體以及催化劑筐兩者間隙徑向流過催化劑床層。其中,催化劑筐內配備收集管,結束反應的變換氣能夠在進入收集管的情況下匯合,進而從反應器底部流出反應器。水室所需要的鍋爐給水則經內管底部球形聯箱進行分配后再流向換熱管。后續被變換氣加熱后的蒸汽進入球形聯箱收集后從反應器頂部離開。

該結構的控溫變換反應器的殼體、換熱管及內件一般都采用鉻鉬鋼。該結構的控溫變換反應器有以下特點。

(1)管束連接結構設計簡單。換熱管無應力設計,管頭焊縫不與工藝氣體接觸,避免H2S、H2O對焊縫的應力腐蝕。

(2)換熱管全部為鉻鉬鋼無縫鋼管,耐腐蝕性能不高。

(3)催化劑床層阻力降低,床層溫度可控制。全部為徑向流區,阻力小,壓降低。

(4)催化劑卸料較方便。下部設有多個卸料口,卸料較方便。

(5)換熱管管頭封堵方便。上下聯箱為大球形容器,進入方便,換熱管有問題時方便封堵管頭。

(6)換熱管熱應力消除結構合理。主要換熱管與殼體材料相近,且換熱管下部采用U形彎結構,管束收縮自由,釋放了熱應力。

(7)設備宜大型化。設備殼體上未設置設備法蘭,殼體整體焊接,殼體直徑一般不受設備法蘭結構設計的影響。

3.2 套管式控溫變換反應器

湖南安淳的控溫變換反應器為套管式,該控溫變換反應器結構見圖5。

圖5 湖南安淳-控溫變換反應器

該反應器為雙套管式控溫變換反應器,其結構為徑向反應器。

外套管外裝有催化劑,外套管內則安排通入蒸汽與水。粗煤氣由底部接入到反應器內,流經筒體以及催化劑筐兩者間隙徑向流過催化劑床層。其中,催化劑筐內配備著收集管,結束反應的變換氣在收集管匯合,進而從反應器底部流出。

反應器上方配有汽室與水室,內外套管組成的換熱管,其外套管連接到汽室,內套管則連接到水室,外套管端部位置則處在盲死狀態。水室所需要的鍋爐給水則經內套管底部進入到外套管內,吸收變換反應熱量得到蒸汽,然后流經汽室并流出反應器。

該結構的控溫變換反應器的殼體、大法蘭一般采用鉻鉬鋼,外套管采用奧氏體不銹鋼,內套管采用碳鋼。該結構的控溫變換反應器有以下特點。

(1)整體結構設計安全可靠。雙套管采用了雙管板的結構,采用了直管無縫鋼管,使換熱管管頭焊接質量和檢測質量得到保證。

(2)管束材料分介質使用。內套管內外接觸水和蒸汽介質,采用普通碳鋼;外套管接觸變換氣,采用奧氏體不銹鋼。

(3)催化劑床層阻力低,床層溫度低。管板全部為特殊的均勻布管,每個裝料孔周圍都是換熱管(見圖6),催化劑床層阻力≤0.02 MPa,系統阻力≤0.3 MPa,有效降低生產運行費用。

圖6 裝料孔布置示意

(4)催化劑裝卸較方便。上部有多個裝料孔,下部設有多個卸料口,卸料較方便。

(5)換熱管管頭封堵方便。管板結構都可以抽出,封堵管頭較方便。

(6)換熱管熱應力消除結構合理。雙管板結構,外套管與內套管分別與下管板和上管板相連,換熱管垂直安裝,伸縮自由,有效吸收熱膨脹應力,使用安全可靠。

(7)設備殼體設置設備法蘭,一般需采用焊接密封來保證其密封性能。同時由于受設備殼體大法蘭結構設計的限制,也在一定程度上限制了設備的大型化。

(8)設備材料用量較大。使用套管結構,換熱管較多,雙管板結構,材料用量較多。

4 各結構的技術對比

不同結構的綜合技術對比見表1。

表1 不同結構的綜合技術對比

5 結語

以上結合不同專利商的控溫變換反應工藝,分析了各種控溫變換反應器的結構特點及其優缺點。控溫變換反應器的設計應系統地從結構可靠性、投資費用、應用業績、便于使用維護等多方面綜合考慮,以便設計出安全可靠、經濟合理的控溫變換反應器。