CN101703910A - 换热器内置冷壁式变换反应器及变换反应器与下游换热设备的直连结构 - Google Patents

Abstract

一种换热器内置冷壁式变换反应器，其在承压壳体内设置有换热部件和出口中心管，低温原料气通过换热部件与反应后的热变换气进行热交换后，再进入催化剂床层进行绝热变换反应，绝热反应后的热变换气通过出口中心管送出。本发明将传统工艺流程中的气气换热器变为反应器的一个内件，按压差进行设计，减少了一台承压设备壳体；降低了反应器壳体的设计温度和壁厚，提高了反应器运行的安全性和可靠性；减少了外置连接管线和占地空间，消除了许多泄漏源和失效点。本发明还公开了变换反应器与下游换热的直连结构，其中变换反应器采用立式布置，下游换热设备采用卧式布置，通过接管、法兰直接连接，节约了一根连接管线和设备占地空间，提高了系统装置的安全性。

Description

换热器内置冷壁式变换反应器及变换反应器与下游换热设备的直连结构

技术领域

本发明涉及变换反应器以及变换反应器与下游换热设备的连接技术领域，特别涉及换热器内置冷壁式变换反应器及变换反应器与下游换热设备的直连结构。本发明是将传统流程中旧式变换反应器下游的气气换热器整体置于反应器的内部，成为反应器的一个内件，达到结构和功能的创新，本发明适用于一氧化碳变换反应器，同时也适用于甲烷化反应器。

背景技术

参见图1，现有的轴向变换反应器包括承压壳体10，承压壳体10通过支座20安装在基础上(图中未示出)，催化剂床层30设置在承压壳体10内，下方通过耐火球支撑，催化剂床层30与承压壳体10的内壳壁接触，在承压壳体10的底部设置有变换气出口31，在变换气出口31入端设置有气体收集器40，以收集绝热变换反应后的热变换气，在承压壳体10的顶部设置有反应原料气入口21，在反应原料气入口21的出端设置有气体分布器50，反应原料气由反应原料气入口21进入后，通过气体分布器50的均匀分布，轴向进入催化剂床层30内，进行绝热变换反应。在承压壳体10的顶部设置有人孔60，以便于催化剂装料；在承压壳体10的底部设置有催化剂卸料口70，在催化剂卸料口70上安装有卸料口盖板80，在催化剂床层30的底部设置有催化剂卸料管90，以便于依靠重力卸料。在催化剂床层30内设置有热电偶T，热电偶T被导出所述承压壳体10外。

参见图2所示的以旧式变换反应器和旧式设备连接方式为基础的的传统工艺流程，在传统合成氨装置的一氧化碳变换流程中，来自变换反应器R101上游的入口原料气1的温度往往低于催化剂的活化温度，需要设置一台进出口气体换热器E101，简称气气换热器。该气气换热器E101设置在变换反应器R101的外部，与变换反应器R101之间采用管线2和3连接。入口原料气1通过气气换热器E101换热后，通过管线2送至变换反应器R101的反应原料气入口21，并由该反应原料入口21进入变换反应器R101进行绝热变换反应，反应后的热变换气由变换气出口31出来，通过管线3进入进出口气体换热器E101与入口原料气1进行热交换，经过换热后的变换气再送入换热设备E103进行热量回收，热量回收后的变换气通过管线5送至变换反应器R102的原料气入口51，并由该原料气入口51进入变换反应器R102进行第二次绝热变换反应，第二次绝热变换反应后的热变换气由变换气出口61出来，通过管线6进入换热设备E104回收热量，经过回收热量后的冷变换气由管线7进入下游工艺流程。中压锅炉给水经过换热设备E104预热后，送入换热设备E103换热，副产中压饱和蒸汽。

变换反应器R101的反应原料气入口21设在变换反应器R101顶部，连接管线2较长；变换气出口31设在变换反应器R101底部.出口气经气气换热器降温后，再经下游的换热设备E103带走一部分热量，提供作为变换反应器R102的入口原料气.换热设备E103与变换反应器R102的原料气入口51通过管线5连接，变换反应器R102与下游换热设备E104之间同样采用管线6连接.

因为一氧化碳变换反应是在较高的压力和温度下进行，其中变换反应器R101出口温度在400～500℃之间，工艺介质主要成分为H₂、CO、CO₂和水蒸汽，介质氢分压高，易燃易爆；另外由于工艺介质存在高温特殊介质腐蚀环境，旧式变换反应器壳体的材料一般采用中温抗氢钢内衬不锈钢，气气换热器管程采用中温抗氢钢内衬不锈钢，管线材料采用不锈钢；其材料费用和制造、检验、维护成本都很高。

此外，在以旧式变换反应器和旧式设备连接方式为基础的的传统工艺流程中，旧式设备连接方式采用管线连接，这些管线与所连接的设备不仅占用了很大的布置、配管空间，而且由于管道承载的压力大、温度高、直径大，管壁也相应较厚。同时，管道的布置、管道推力的消除需要采用大量的弯头管件，增加了环焊缝的数量，这些原因都将造成管道材料、制造、检验成本高，投资额度大，并且在高温特殊介质腐蚀环境下，造成了大量潜在的泄漏源和失效点。为保证工艺流程的安全性和可靠性，管道材料必须采用不锈钢，不仅价格昂贵，而且不锈钢较高的线膨胀系数也会在管道及其连接的设备之间产生较大的热应力，需要增加管系的柔性。

因此，为了减少设备尤其是中温抗氢钢设备的台数，减少设备内衬不锈钢的面积，须改造工艺流程，对变换反应器的结构进行创新设计，使壳体金属温度大幅降低，这样不仅可以节约大量的设备投资，减少装置占地面积，而且有利于装置的长期、安全、稳定运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一在于针对现有技术所存在的问题提供一种换热器内置冷壁式变换反应器，以减少设备台数，减少高温高压厚壁管线的使用，减少装置占地面积；降低工艺介质对反应器壳体材料的要求、减小壁厚，降低变换反应器的制造成本，提高反应器以及整个变换流程的安全性、稳定性和耐久性。

本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种变换反应器与下游换热设备的直连结构，以减少高温高压厚壁管线的使用，避免潜在的泄漏源和失效点，从而提高装置的安全性和耐久性。

作为本发明第一方面的换热器内置冷壁式变换反应器，包括变换反应器的承压壳体、内件和催化剂，其特征在于，所述内件包含换热部件和出后中心管，所述换热部件和出口中心管设置在所述变换反应器的承压壳体内，进入变换反应器的承压壳体内的低温原料气通过所述的换热部件与反应后的热变换气进行热交换，在达到催化剂的活化反应温度后，在催化剂作用下进行绝热变换反应，绝热反应后的热变换气通过出口中心管流出。

所述换热部件轴向设置于所述承压壳体的中心并与承压壳体平行，所述催化剂设置在所述换热部件的外围，所述出口中心管设置在所述换热部件的中心。

所述内件还包括相互连接的催化剂内框和催化剂外框，所述催化剂外框通过反应器内件支撑圈支撑于所述承压壳体的内壳壁上，在催化剂外框与催化剂内框之间以催化剂床层形式填有催化剂；所述换热部件与所述催化剂内框热连接。

所述催化剂外框与所述承压壳体的内壳壁之间具有一环隙，大部份原料气通过环隙沿径向进入催化剂床层，在承压壳体内壳壁与催化剂外框之间隔热气流层，达到承压壳体的冷壁结构。

在所述承压壳体的底部设置有变换气出口承压接管，所述换热部件的一端设置有出口冷气管，与所述变换气出口承压接管相连通，该出口冷气管与贯穿其中的所述出口中心管形成夹套式冷气通道结构。

所述变换气出口承压接管上开设有变换反应器的冷气出口，与低温原料气通过换热部件换热后的冷变换气通过夹套式冷气通道，由所述冷气出口流出，大部分未经内部换热的热变换气通过出口中心管流出。在所述冷气出口的外接管上设置有流量调节阀，以调节出口中心管流出的热变换气与冷气出口流出的冷变换气之间的流量，调节换热部件的传热量，达到控制原料气进入催化剂床层温度的目的。

在所述承压壳体的下封头侧面设置有变换反应器的原料气入口；所述换热部件为列管式换热器，列管内走低温原料气，列管外走反应后的热变换气；所述出口中心管直接通过列管式换热器的中心；所述催化剂内框设置在列管式换热器的外侧，其上设置有径向的气体收集孔，使催化剂内框兼作气体收集器，通过该气体收集孔，催化剂床层中反应后的热变换气可以导入所述列管式换热器的列管外，与列管内的低温原料气进行热交换；所述催化剂外框上设置有径向的气体分布孔，使催化剂外框兼作气体分布器。经过热交换后的原料气由列管进入承压壳体的上部空间后，一部分原料气通过轴向进入催化剂床层，大部分原料气通过催化剂外框与所述承压壳体的内壳壁之间的环隙，再有催化剂外框上的气体分布孔径向进入催化剂床层进行绝热变换反应。

本发明的另一种典型结构在所述承压壳体的上封头顶部设置一变换反应器的原料气入口管，所述换热部件为列管式换热器，列管内走低温原料气，列管外走反应后的热变换气；在所述列管式换热器的顶部设置有原料气导流筒，所述变换反应器的原料气入口管通过膨胀节直接与列管式换热器顶部的原料气导流筒连通，以将原料气直接导入列管内；所述出口中心管直接设置于列管式换热器的中心；在所述催化剂内框上设置有径向的气体收集孔，使催化剂内框兼作气体收集器，通过该气体收集孔，催化剂床层中反应后的热变换气可以导入所述列管式换热器的列管外，与列管内的低温原料气进行热交换，原料气被加热到催化剂初始反应温度后，进入承压壳体的下部空间。

在所述反应器内件支撑圈上设置有排孔；原料气被加热后进入承压壳体的下部空间，经由反应器内件支撑圈上开设的排孔，进入所述承压壳体的内壳壁与所述催化剂外框之间的环隙，形成隔热气流层，达成承压壳体的冷壁结构，原料气通过环隙进入承压壳体的上部空间，再沿轴向向下进入催化剂床层，此时换热器内置冷壁式变换反应器为轴向型。

更进一步，在所述催化剂外框上可以设置径向的气体分布孔，使催化剂外框兼作气体分布器。经过热交换后的原料气由列管进入承压壳体的下部空间后，一部分原料气通过轴向进入催化剂床层，大部分原料气经由反应器内件支撑圈上开设的排孔，进入所述承压壳体的内壳壁与所述催化剂外框之间的环隙，再有催化剂外框上的气体分散孔径向进入催化剂床层进行绝热变换反应，此时换热器内置冷壁式变换反应器为轴径向型。

在所述催化剂床层的底部设置有催化剂卸料管，并在所述承压壳体的底部设置有催化剂卸料口，所述催化剂卸料口上安装有卸料口盖板，所述催化剂卸料管插入所述催化剂卸料口内，依靠重力方便、安全卸料。

本发明的换热器内置冷壁式变换反应器还包括一开工加热气入口，所述开工加热气入口设置在所述承压壳体的顶部或变换反应器的原料气入口外管线上。

作为本发明第二方面的变换反应器与下游换热设备的直连结构，包括直接连接的变换反应器和下游换热设备，其中，所述变换反应器立式布置，所述下游换热设备卧式布置。

所述变换反应器为本发明所述的换热器内置冷壁式变换反应器。

在所述换热器内置冷壁式变换反应器的底部设置有第一接管，在所述第一接管上设置有第一联接法兰，该换热器内置冷壁式变换反应器具有一出口中心管，该出口中心管穿过所述第一接管；所述下游换热设备上设置有第二接管，在所述第二接管上设置有第二联接法兰，所述第一联接法兰与第二联接法兰直接联接，所述出口中心管穿过所述下游换热设备上的第二接管接入到下游换热设备的管箱或壳程筒体内。

所述接入是指所述出口中心管直接插入到下游换热设备的管箱或壳程筒体内。或者在所述下游换热设备的管箱或壳程筒体上设置有一换热设备内部热气导流筒，所述接入是指所述出口中心管通过膨胀节与所述换热设备内部热气导流筒连接。

所述第一联接法兰和第二联接法兰之间采用唇型密封元件进行密封。所述出口中心管与所述第一接管、第二接管为套管式结构，所述出口中心管与换热器内置冷壁式变换反应器上的第一接管和下游换热设备上的第二接管之间的环隙。该环隙可以与换热器内置冷壁式变换反应器内部的换热器出口冷变换气通道联通，以送出出口冷变换气。或者与换热器内置冷壁式变换反应器内部的低温原料气空间静连通，或者作为反应原料气经由下游换热设备进入换热器内置冷壁式变换反应器的环形冷气通道。

所述出口中心管与下游换热设备上的第二接管之间的环隙采用填料函密封。

所述第二接管设置于所述下游换热设备的一端，通过与换热器内置冷壁式变换反应器直连形成对于换热设备的拉撑；换热器的另一端设置有支撑于基础上的弹簧滑动支座。

所述下游换热设备可以是废热锅炉、蒸汽锅热器、气气换热器、锅炉给水预热器中的一种。

本发明适用于一氧化碳变换反应器、甲烷化反应器等绝热型反应器。

与现有技术相比，采用本发明后：

(1)将传统工艺流程中的气气换热器变为反应器的一个内件，按压差进行设计，减少了一台承压设备壳体，减少了外部管线、泄漏源和失效点。

(2)换热器内置冷壁式变换反应器采用立式布置，下游换热设备采用卧式布置，两台设备通过接管、法兰直接连接，节约了大量的投资，并提高了系统装置的安全性。

(3)将变换反应器中的换热部件布置于变换反应器的中心位置，与变换反应器的承压壳体轴向平行，并且换热部件与出口中心管部件均为可拆结构，可通过设置在承压壳体顶部的人孔进行吊装，便于清洗、维修或更换。

(4)催化剂床层采用筒形结构，设置在换热部件的外围，并且在催化剂床层上设置有兼作气体收集器的内框和兼做气体分散器的外框，使原料气体即可以采用轴向流动的形式，也可以采用轴径向流动的形式进入催化剂床层内进行绝热变换反应，使绝热反应更加完全。

(5)在催化剂外框与承压壳体的内壳壁之间设置一定的间隔，并将低温原料气通过该间隔由催化剂外框导入催化剂床层，使催化剂外框与承压壳体的内壳壁之间不接触，并形成一隔热冷壁结构，反应后的高温变换气体不与反应器承压壳体接触，消除了反应器超温或飞温对承压壳体的影响，降低承压壳体的设计温度，降低对反应器的材料要求，使承压壳体的壁厚大量减薄，并能采用中温抗氢钢，无需采用不锈钢衬里，从而降低成本.

(6)催化剂床层、换热部件、出口中心管等反应器内件均采用一端相对固定、单向自由膨胀的结构，消除温差应力、提高设备的使用寿命。

(7)反应后的热变换气的出口采用分流结构，即反应后的热变换气体一部分进入换热部件的壳程，与管程内的低温原料气进行换热，换热后的冷变换气从变换反应器底部的变换器冷气出口管离开反应器。未经传热的热变换气直接由出口中心管进入下游换热设备，在冷气出口管上设置有一流量调节阀，以调节出口中心管排出的热变换气与变换反应器的冷气出口流出的冷变换气之间的流量，便于控制原料气预热后进入催化剂床层的温度，保证反应器连续、稳定运行。

(8)换热器内置冷壁式变换反应器与下游换热设备的连接法兰之间采用唇型密封元件进行密封，确保不会发生泄露。

(9)下游换热设备一端通过变换反应器底部第一接管和第一联接法兰牵拉支撑，把力传递给变换反应器的支座，另一端采用弹簧滑动支座支撑，减小连接法兰处的外载荷。

附图说明

图1为现有变换反应器的结构简图。

图2为基于现有变换反应器和旧式换热设备连接方式的传统工艺流程简图。

图3为本发明实施例1的换热器内置冷壁式变换反应器的结构简图。

图4为本发明实施例2的换热器内置冷壁式变换反应器的结构简图。

图5为本发明实施例3的换热器内置冷壁式变换反应器的结构简图。

图6为本发明实施例4换热器内置冷壁式变换反应器与废热锅炉直接连接的结构简图。

图7为本发明实施例5换热器内置冷壁式变换反应器与蒸汽过热器直接连接的结构简图。

图8为本发明实施例6换热器内置冷壁式变换反应器与气气换热器直接连接的结构简图。

图9为本发明实施例7换热器内置冷壁式变换反应器与锅炉给水预热器直接连接的结构简图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例1

参见图3，图中所示的换热器内置冷壁式变换反应器为一轴径向反应器，包括一个承压壳体100，该承压壳体100由筒体段以及上、下封头焊接而成，筒体段和上、下封头均采用中温抗氢钢材料制成，在承压壳体100内无需采用不锈钢衬里.整个承压壳体100采用支座110安装在基础上(图中未示出).在承压壳体100的顶部，也就是上封头的顶部设置有人孔120和开工加热气入口130，设置人孔120的目的，以便于对换热部件200和出口中心管300进行拆装.在人孔120上安装有一人孔盖板121，在人孔盖板121上安装有压力计P，以检测整个承压壳体100内的反应压力.在承压壳体100的底部，也就是下封头上设置有另一人孔140、变换反应器的原料气入口150、变换气出口承压接管160以及催化剂卸料口170，人孔140也同样盖有人孔盖板.变换反应器的原料气入口150可以将原料气导入承压壳体100内.在变换气出口承压接管160的管侧壁上开有变换反应器的冷气出口161，在催化剂卸料口170上安装有卸料口盖板171，在由催化剂形成的催化剂床层400的底部设置有催化剂卸料管430，催化剂卸料管430插入催化剂卸料口170内，与催化剂卸料口170之间形成套管式结构，这样打开卸料口盖板171和催化剂卸料管430管内设置的内挡板，就可以依靠重力方便，安全卸料.

催化剂床层400通过相互连接的催化剂内框410和催化剂外框420设置在承压壳体100内，催化剂外框420通过反应器内件支撑圈440支撑于承压壳体100的内壳壁上，框体下端固定，这样框体受热后可以向上自由膨胀。

在催化剂外框410和催化剂内框420之间以催化剂床层400形式填有催化剂。换热部件200安装在催化剂内框420内，与催化剂内框420热连接，亦即换热部件200轴向设置于承压壳体100的中心并与承压壳体100轴向平行，催化剂床层400则位于换热部件200的外围。

换热部件200采用列管式换热器，列管内走低温原料气，列管走反应后的热变换气。在换热部件200的底部设置有出口冷气管210，出口冷气管210的一端通过密封组件162支撑连接于变换气出口承压接管160的内管壁上，这样可以使换热部件200的出口冷气管210与变换气出口承压接管160相贯通。换热部件200的下端固定在催化剂内框420的底部，以便使换热部件200受热后可以单向向上自由膨胀。

出口中心管300穿过变换气出口承压接管160和换热部件200的出口冷气管210，一端直接插入列管式换热器的中心；出口中心管300的下端通过密封组件163支撑连接于变换气出口承压接管160的内管壁上。出口中心管300插入换热部件200一端固定在换热部件200上，这样出口中心管300页能在受热后单向自由膨胀。

在催化剂内框420上设置有径向的气体收集孔421，使催化剂内框420兼作气体收集器，在催化剂外框410上设置有径向的气体分散孔411，使催化剂外框410兼作气体分布器。催化剂外框410与承压壳体100的内壳壁之间具有一环隙412，在承压壳体100内壳壁与催化剂外框410之间形成隔热气流层，达成承压壳体100的冷壁结构。

该实施例的换热器内置冷壁式变换反应器的工作原理是：低温原料气由变换反应器的原料气入口150进入变换反应器的承压壳体100的底部空间，再由换热部件200的底部进入换热部件200的列管中，与来自催化剂床层400的一部分热变换气进行换热.经过热交换后的原料气在达到催化剂的活化反应温度后，由列管进入承压壳体100的上部空间后，一部分原料气由催化剂床层400的顶部轴向进入催化剂床层400，大部分原料气进入到催化剂外框410与承压壳体100的内壳壁之间的环隙412，使催化剂外框410与承压壳体100内壳壁之间通过流动的原料气进行隔热，形成一冷壁结构，降低了承压壳体100的金属壁温.环隙412内的原料气再由催化剂外框410上的气体分散孔421径向进入催化剂床层400，轴向和径向进入催化剂床层400内的原料气，在催化剂作用下进行绝热变换反应.绝热反应后的热变换气再由催化剂内框420上的气体收集孔421进入到换热部件200的列管外，与列管内的低温原料气进行热交换.

一部分的热变换气与管程内的低温原料气进行热交换后变成冷变换气，由出口冷气管210、变换器冷气出口管160以及变换反应器的冷气出口161流出，而大部分未经内部换热的热变换气则直接由出口中心管300流出。在冷气出口161的外接管上可以设置有一流量调节阀(图中未示出)，这样可以调节出口中心管300排出的热变换气与变换反应器的冷气出口161流出的冷变换气之间的流量，达到控制原料气进入催化剂床层温度的目的。

在催化剂床层400内设置有一热电偶T，该热电偶T延伸出承压壳体100外，通过热电偶T就可以精确地控制催化剂的温度，以免催化剂失活。

实施例2

参见图4，该实施例的换热器内置冷壁式变换反应器为一轴向反应器，其结构与实施例1基于同一原理，区别仅在于变换反应器原料气入口150设置的位置不同，原料气在列管中的流向相反。该实施例不仅是轴径向变换反应器的另一种结构形式，而且由于原料气流向的倒置，使得当反应器采用轴向反结构时，承压壳体与催化剂外框之间的冷壁通道结构得以实现。

该换热器内置冷壁式变换反应器包括一个承压壳体100，该承压壳体100由筒体段以及上、下封头焊接而成，筒体段和上、下封头均采用中温抗氢钢材料制成，在承压壳体100内无需采用不锈钢衬里。整个承压壳体100采用支座110安装在基础上(图中未示出)。在承压壳体100的顶部，也就是上封头的顶部设置有人孔120，设置人孔120的目的，以便于对换热部件200和出口中心管300进行拆装。在人孔120上安装有一人孔盖板121，在人孔盖板121上安装有压力计P，以检测整个承压壳体100内的反应压力。

在承压壳体100的底部，也就是下封头上设置有另一人孔140、变换气出口承压接管160以及催化剂卸料口170，人孔140也同样盖有人孔盖板。在变换气出口承压接管160的管侧壁上开有变换反应器的冷气出口161，在催化剂卸料口170上安装有卸料口盖板171，在催化剂床层400的底部设置有催化剂卸料管430，催化剂卸料管430插入催化剂卸料口170内，与催化剂卸料口170之间形成套管式结构，这样打开卸料口盖板171和催化剂卸料管430管内设置的内挡板，就可以依靠重力方便，安全卸料。

催化剂床层400安装在承压壳体100内，催化剂床层400的框体通过反应器内件支撑圈440支撑于承压壳体100的内壳壁上，框体下端固定，这样框体受热后可以向上自由膨胀。

催化剂床层400如图4所示，呈圆筒形，其框体具有一个催化剂外框410和一个催化剂内框420，在催化剂外框410和催化剂内框420之间填有催化剂填料。换热部件200安装在催化剂内框420内，与催化剂内框420热连接，亦即换热部件200轴向设置于承压壳体100的中心并与承压壳体100轴向平行，催化剂床层400则位于换热部件200的外围。

换热部件200采用列管式换热器，列管内走低温原料气，列管走反应后的热变换气。在换热部件200的底部设置有出口冷气管210，出口冷气管210的一端通过密封组件162支撑连接于变换气出口承压接管160的内管壁上，这样可以使换热部件200的出口冷气管210与变换气出口承压接管160相贯通。换热部件200的下端固定在催化剂内框420的底部，以便使换热部件200受热后可以单向向上自由膨胀。

出口中心管300穿过变换气出口承压接管160和换热部件200的出口冷气管210，一端直接插入列管式换热器的中心；出口中心管300的下端通过密封组件163支撑连接于变换气出口承压接管160的内管壁上。出口中心管300插入换热部件200一端固定在换热部件200上，这样出口中心管300页能在受热后单向自由膨胀。

在催化剂内框420的底部设置有径向的气体收集孔421，使催化剂内框420兼作气体收集器，催化剂外框410与承压壳体100的内壳壁之间具有一环隙412。

在催化剂床层400内设置有一热电偶T，该热电偶T延伸出承压壳体100外，通过热电偶T就可以精确地控制催化剂的温度，以免催化剂失活。

本实施例的变换反应器原料气入口150用一变换反应器原料气入口管150a来取代，并且在换热部件200的顶部设置有一原料气导流筒220，变换反应器原料气入口管150a通过膨胀节151直接与原料气导流筒220连通。开工加热气入口设置变换反应器原料气入口管150a的管线上(图中未示出)。在反应器内件支撑圈440上设置有排孔441。

本实施例的工作原理是：低温原料气由变换反应器原料气入口管150a进入到换热部件200的原料气导流筒220内，通过原料气导流筒220进入到换热部件200的列管内，与来自催化剂床层400的一部分热变换气进行换热，经过热交换后的原料气在达到催化剂的活化反应温度后，由列管进入承压壳体100下部空间后，再经由反应器内件支撑圈440上开设的排孔441，进入承压壳体100的内壳壁与催化剂外框410之间的环隙412，使催化剂外框410与承压壳体100内壳壁之间通过流动的原料气进行隔热，形成一冷壁结构，降低了承压壳体100的金属壁温。流动的原料气由该环隙412上升充满承压壳体100的上部空间，原料气自上而下流经催化剂床层400，在催化剂作用下进行绝热变换反应，绝热反应后的热变换气再经催化剂内框420底部的气体收集孔421进入换热部件200的壳程，与管程内的低温原料气进行热交换。

一部分的热变换气与列管内的低温原料气进行热交换后变成冷变换气，由出口冷气管210、变换气出口承压接管160以及变换反应器的冷气出口161流出，而大部分未经内部换热的热变换气则直接由出口中心管300排出。在冷气出口161的外接管线上可以设置有一流量调节阀(图中未示出)，这样可以调节出口中心管300排出的热变换气与变换反应器的冷气出口161流出的冷变换气之间的流量，达到控制原料气进入催化剂床层温度的目的。

实施例3

参见图5，该实施例的换热器内置冷壁式变换反应器为一轴径向反应器，其结构与实施例2基本上相同，区别仅在于：在催化剂外框410上设置有径向的气体分散孔411，使催化剂外框410兼作气体分布器。

本实施例的工作原理是：低温原料气由变换反应器原料气入口管150a进入到换热部件200的原料气导流筒220内，通过原料气导流筒220进入到换热部件200的列管内，与来自催化剂床层400的一部分热变换气进行换热，经过热交换后的原料气在达到催化剂的活化反应温度后，由列管进入承压壳体100下部空间后，再经由反应器内件支撑圈440上开设的排孔441，进入承压壳体100的内壳壁与催化剂外框410之间的环隙412，使催化剂外框410与承压壳体100内壳壁之间通过流动的原料气进行隔热，形成一冷壁结构，降低了承压壳体100的金属壁温.环隙412内的原料气一部分由该环隙412上升充满承压壳体100的上部空间，原料气自上而下流经催化剂床层400，另一部分的原料气由催化剂外框410上的气体分散孔421径向进入催化剂床层400，轴向和径向进入到催化剂床层400的原料气，在催化剂作用下进行绝热变换反应，绝热反应后的热变换气再经催化剂内框420底部的气体收集孔421进入换热部件200的壳程，与管程内的低温原料气进行热交换.

一部分的热变换气与列管内的低温原料气进行热交换后变成冷变换气，由出口冷气管210、变换气出口承压接管160以及变换反应器的冷气出口161流出，而大部分未经内部换热的热变换气则直接由出口中心管300排出。在冷气出口161的外接管线上可以设置有一流量调节阀(图中未示出)，这样可以调节出口中心管300排出的热变换气与变换反应器的冷气出口161流出的冷变换气之间的流量，达到控制原料气进入催化剂床层温度的目的。

参见图6-9，这些图示中的下游换热设备根据出口变换气物性参数和工艺流程的设计，可以为：气气换热器E101、蒸汽过热器E102、废热锅炉E103和锅炉给水预热器E104，其中变换反应器R可以是旧式变换反应器，也可以是实施例1至实施例3所描述的换热器内置冷壁式变换反应器。变换反应器R立式布置，下游换热设备卧式布置，在变换反应器R的底部设置有第一接管R1，该第一接管R1为实施例1和实施例2中所述的变换器冷气出口管160。在第一接管R1上设置有第一联接法兰R2，该换热器内置冷壁式变换反应器R具有一出口中心管300，该出口中心管300穿过第一接管R1。

下游换热设备的一端设置有第二接管S1，另一端设置有支撑于基础上的弹簧滑动支座S3，这样可以使下游换热设备的一端通过换热器内置变换反应器R底部第一接管R1和第一联接法兰R2牵拉支撑，把力传递给换热器内置冷壁式变换反应器R的支座110，同时可以通过弹簧支座减小连接法兰处的弯曲应力。

在第二接管S1上设置有第二联接法兰S2，第一联接法兰R2与第二联接法兰S2直接联接，出口中心管300穿过下游换热设备上的第二接管S2接入到下游换热设备的管箱或壳程筒体内。这种接入可以是将出口中心管300直接插入到下游换热设备的管箱或壳程筒体内(如图7所示)，也可以如实施例2原理一样，在下游换热设备的管箱或壳程筒体上设置有一换热设备内部热气导流筒，出口中心管通过膨胀节与下游换热设备的内部热气导流筒连接(如图6所示)。

在第一联接法兰R1和第二联接法兰S2之间采用唇型密封元件RS进行密封。出口中心管300与第一接管R1、第二接管S1为套管式结构，在出口中心管300与下游换热设备上的第二接管S2之间的环隙采用填料函密封。也可以将出口中心管300与下游换热设备上的第二接管S2之间的环隙作为反应原料气经由下游换热设备进入换热器内置冷壁式变换反应器R的环形冷气通道，这样第一接管R1和第二接管S1与出口中心管300之间将形成一隔热结构(如图9所示)。

参看图9，图9为本发明所述换热器内置冷壁式变换反应器和下游换热设备直接连接方式的新工艺流程简图.其中采用两台换热器内置冷壁式变换反应器R101N和R102N，反应原料气经过两段反应完成一氧化碳的变换.来自换热器内置冷壁式变换反应器R101N上游的入口原料气1由换热器内置冷壁式变换反应器R101N的底部进入换热器内置冷壁式变换反应器R101N内，首先与反应后的热变换气进行换热，然后再进行绝热变换反应产出高温变换气.大部分的高温变换气由出口中心管300进入废热锅炉E103与进入的预热中压锅炉用水进行热交换，回收热量，热量回收后的热变换气由换热器内置冷壁式变换反应器R102N的底部进入换热器内置冷壁式变换反应器R102N内，进行第二次绝热变换反应.第二次变换反应后的中温变换气由换热器内置冷壁式变换反应器R102N的出口中心管300排出，进入下游换热设备E104中，与进入下游换热设备E104内的中压锅炉给水进行热交换，经过热量回收后的冷变换气通过管线7排出.经过预热后的中压锅炉给水送入下游换热设备E103内，与高温变换气进行热交换副产中压饱和蒸汽.

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (24)

1.换热器内置冷壁式变换反应器，包括变换反应器的承压壳体、内件和催化剂，其特征在于，所述内件包含换热部件和出后中心管，所述换热部件和出口中心管设置在所述变换反应器的承压壳体内，进入变换反应器的承压壳体内的低温原料气通过所述的换热部件与反应后的热变换气进行热交换，在达到催化剂的活化反应温度后，在催化剂作用下进行绝热变换反应，绝热反应后的热变换气通过出口中心管流出。

2.如权利要求1所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，所述换热部件轴向设置于所述承压壳体的中心，并与承压壳体平行，所述催化剂床层设置在所述换热部件的外围，所述出口中心管设置在所述换热部件的中心。

3.如权利要求1或2所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，所述内件还包括相互连接的催化剂内框和催化剂外框，所述催化剂外框通过反应器内件支撑圈支撑于所述承压壳体的内壳壁上，在催化剂外框与催化剂内框之间以催化剂床层形式填有催化剂；所述换热部件与所述催化剂内框热连接。

4.如权利要求3所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，所述的承压壳体不与变换反应产生的高温变换气接触，承压壳体采用中温抗氢钢，无需采用不锈钢衬里。

5.如权利要求4所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，所述催化剂外框与所述承压壳体的内壳壁之间具有一环隙，大部份原料气通过该环隙，大部份原料气通过环隙沿径向进入催化剂床层，在承压壳体内壳壁与催化剂外框之间隔热气流层，达到承压壳体的冷壁结构。

6.如权利要求3所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，在所述承压壳体的底部设置有变换气出口承压接管，所述换热部件的一端设置有出口冷气管，与所述变换气出口承压接管相连通，该出口冷气管与贯穿其中的所述出口中心管形成夹套式冷气通道结构；所述变换气出口承压接管上开设有变换反应器的冷气出口，与低温原料气通过换热部件换热后的冷变换气通过夹套式冷气通道，由所述冷气出口流出，大部分未经内部换热的热变换气通过出口中心管流出。

7.如权利要求3所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，在所述冷气出口的外接管上设置有一流量调节阀，以调节出口中心管排出的热变换气与变换反应器的冷气出口流出的冷变换气之间的流量，调节换热部件的传热量，达到控制原料气进入催化剂床层温度的目的。

8.如权利要求3所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，在所述承压壳体的下封头侧面设置有变换反应器原料气入口，以将原料气导入承压壳体内；所述换热部件为列管式换热器，列管内走低温原料气，列管外走反应后的热变换气；所述出口中心管直接通过列管式换热器的中心；所述催化剂内框设置在列管式换热器的外侧，在所述催化剂内框上设置有径向的气体收集孔，使催化剂内框兼作气体收集器，通过该气体收集孔，催化剂床层中反应后的热变换气可以导入所述列管式换热器的列管外，与列管内的低温原料气进行热交换；所述催化剂外框上设置有径向的气体分散孔，使催化剂外框兼作气体分布器；经过热交换后的原料气由列管进入承压壳体的上部空间后，一部分原料气通过轴向进入催化剂床层，大部分原料气通过催化剂外框与所述承压壳体的内壳壁之间的环隙，再有催化剂外框上的气体分布孔径向进入催化剂床层进行绝热变换反应。

9.如权利要求3所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，在所述承压壳体的上封头顶部设置一变换反应器原料气入口管，所述换热部件为列管式换热器，列管内走低温原料气，列管外走反应后的热变换气，在所述列管式换热器的顶部设置有原料气导流筒，所述变换反应器原料气入口管通过膨胀节与列管式换热器顶部的原料气导流筒连通，以将原料气直接导入列管内；所述出口中心管直接设置于列管式换热器的中心；在所述催化剂内框上设置有径向的气体收集孔，使催化剂内框兼作气体收集器，通过该气体收集孔，催化剂床层中反应后的热变换气可以导入所述列管式换热器的列管外，与列管内的低温原料气进行热交换；原料气被加热到初始反应温度后，进入承压壳体下部空间.

10.如权利要求9所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，在所述反应器内件支撑圈上设置有排孔；原料气从承压壳体下部空间，经由该排孔进入所述承压壳体的内壳壁与所述催化剂外框之间的环隙，形成隔热气流层，达成承压壳体的冷壁结构。

11.如权利要求9所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，在所述催化剂外框上可以设置径向的气体分布孔，使催化剂外框兼作气体分布器；一部分原料气从所述环隙进入承压壳体的上部空间，沿轴向进入催化剂床层，大部分原料气经由反应器内件支撑圈上开设的排孔，进入所述承压壳体的内壳壁与所述催化剂外框之间的环隙，通过催化剂外框上的气体分散孔径向进入催化剂床层进行绝热变换反应。

12.如权利要求1所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，在所述催化剂床层的底部设置有催化剂卸料管，并在所述承压壳体的底部设置有催化剂卸料口，所述催化剂卸料口上安装有卸料口盖板，所述催化剂卸料管插入所述催化剂卸料口内，以依靠重力卸料。

13.如权利要求8所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，所述的换热器内置冷壁式变换反应器包括一开工加热气入口，所述开工加热气入口设置在所述承压壳体的顶部。

14.如权利要求9或11所述的换热器内置冷壁式变换反应器，其特征在于，所述的换热器内置冷壁式变换反应器还包括一开工加热气入口，所述开工加热气入口设置在变换反应器原料气入口管的管线上。

15.变换反应器与下游换热设备的直连结构，包括直接连接的变换反应器和下游换热设备，其特征在于，所述变换反应器立式布置，所述下游换热设备卧式布置。

16.如权利要求15所述的直连结构，其特征在于，所述变换反应器为换热器内置冷壁式变换反应器。

17.如权利要求16所述的直连结构，其特征在于，在所述换热器内置冷壁式变换反应器的底部设置有第一接管，在所述第一接管上设置有第一联接法兰，该换热器内置冷壁式变换反应器具有一出口中心管，该出口中心管穿过所述第一接管；所述下游换热设备上设置有第二接管，在所述第二接管上设置有第二联接法兰，所述第一联接法兰与第二联接法兰直接联接，所述出口中心管穿过所述下游换热设备上的第二接管接入到下游换热设备的管箱或壳程筒体内。

18.如权利要求17所述的直连结构，其特征在于，所述接入是指所述出口中心管直接插入到下游换热设备的管箱或壳程筒体内；或在下游换热设备的管箱或壳程筒体上设置有一换热设备内部热气导流筒，所述出口中心管通过膨胀节与所述换热设备内部热气导流筒连接。

19.如权利要求17所述的直连结构，其特征在于，所述第一联接法兰和第二联接法兰之间采用唇型密封元件进行密封。

20.如权利要求17所述的直连结构，其特征在于，所述出口中心管与所述第一接管、第二接管为套管式结构，且所述出口中心管与换热器内置冷壁式变换反应器上的第一接管和下游换热设备上的第二接管之间的环隙。

21.如权利要求20所述的直连结构，其特征在于，所述的环隙与换热器内置冷壁式变换反应器内部的换热器出口冷变换气通道联通，以送出冷变换气；所述出口中心管与下游换热设备上的第二接管之间的环隙采用填料函密封。

22.如权利要求20所述的直连结构，其特征在于，所述的环隙与换热器内置冷壁式变换反应器内部的低温原料气空间静连通，作为反应原料气经由下游换热设备进入换热器内置冷壁式变换反应器的环形冷气通道。

23.如权利要求15所述的直连结构，其特征在于，所述第二接管设置于所述下游换热设备的一端，通过与换热器内置冷壁式变换反应器直连形成对于换热设备的拉撑；换热器的另一端设置有支撑于基础上的弹簧滑动支座。

24.如权利要求15所述的直连结构，其特征在于，所述下游换热设备是废热锅炉、蒸汽锅热器、气气换热器、锅炉给水预热器中的一种。

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