CN102794138B - 用于放热反应的反应器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于反应器的技术领域，为了解决现有列管式反应器体积大以及列管式反应器中反应程度分布不均和移热需求不同的问题，提供一种用于放热反应的反应器，包含换热式列管固定床段和绝热式固定床段，所述绝热式固定床段位于所述换热式列管固定床段下游，两段的催化剂装填体积比为0.2～5∶1。本发明反应器可以用于许多放热反应，例如丙酮氨化制异丙胺、丙酮加氢制异丙醇和苯加氢制环己烷。本发明的反应器具有体积小、易加工和成本低以及有利于提高产量等优点。

Description

用于放热反应的反应器及其应用
技术领域
本发明涉及一种反应器及其应用，更具体地说，本发明涉及一种用于放热反应的反应器及其应用。
背景技术
在工业生产装置中，放热反应的放热量较大时采用列管式反应器，管程中装填催化剂，壳程中流动用于移热的移热介质，例如水。
固定床反应器分为绝热式固定床反应器、换热式固定床反应器和自热式固定床反应器。绝热式固定床反应器适用于反应放热或吸热对物料温升不大的反应，反应器加工简单，成本低。换热式固定床反应器用于反应放热或吸热较大的情况，需要通过移热介质进行加热或移出热量，例如顺酐反应。自热式固定床反应器是利用反应热加热物料自身温度，在反应器内反应产物与反应物通过换热管进行换热，省略了移热介质，不需要一些移热介质流动用的辅助设备，这种反应器适合反应热基本可以将反应物加热至反应温度的情况。
一些反应过程就需要采用换热式列管反应器，但列管式反应器加工难度较大，并且需要的材料较多，成本较高，并且催化剂装填时要求严格，要求每根管子的差压基本相同，以保证物料在每根管子中的流量和空速相同，获得较好的反应效果，催化剂的使用寿命也最佳。但实际上，对于大多数反应而言，随着反应的进行，反应物在物料中的浓度逐渐降低，从动力学角度看反应速度逐渐减慢，因而反应放出的热量也大幅减少，不需要继续移出反应热。例如丙酮加氢制异丙醇、丙酮氨化制异丙胺和苯加氢制环己烷等反应都采用换热式列管式反应器，在每根列管的前部中反应进行的程度很大，放出大量热，而在每根列管的后部，反应程度较低，放热量很低，需要移出的热量也很少。也就是说，在列管中反应程度沿轴向的分布是不均匀的，反应热沿轴向的分布也是不均匀的，在轴向上移出热量的需求也是不同的。
另外，在列管式反应器中，壳程体积都比管程体积大出很多，因此对于装填相同体积的催化剂，列管式反应器的体积远大于绝热式反应器。每根管子的自身体积和壳程体积是不能装填催化剂的，对于相同长度和反应器外径来说，列管式反应器的催化剂装填体积一般是绝热式固定床反应器的催化剂装填体积的30％左右。
发明内容
为了解决现有列管式反应器体积大以及列管式反应器中反应程度分布不均和移热需求不同的问题，发明人经过试验和计算，提出了一种新型反应器。反应器中组合了列管式固定床段和绝热式固定床段。
具体技术方案如下：
本发明提供了一种用于放热反应的反应器，所述反应器包含换热式列管固定床段和绝热式固定床段，所述绝热式固定床段位于所述换热式列管固定床段下游。
为了便于加工和实际应用，优选地，所述绝热式固定床段和所述换热式列管固定床段直接相连。
优选地，所述反应器还包含位于两端的封头，所述封头上分别设置进料口或出料口。
优选地，所述换热式列管固定床段的壳程两端设置流动性移热介质的进出口。
根据不同反应的反应速率和反应物对反应速率的影响程度以及反应热引起床层温升程度，可以根据动力学计算出较佳的换热式列管固定床段的体积和绝热式固定床段的体积。优选地，所述绝热式固定床段和换热式列管固定床段的催化剂装填体积比为1∶1～5。
本发明的再一个目的是提供了本发明的反应器的应用。例如，本发明的反应器应用于丙酮或异丙醇氨化制异丙胺中，在所述反应器的绝热式固定床段和换热式列管固定床段中装填催化剂，两段催化剂的装填体积比为1∶2～4。在换热式列管固定床段中反应温度控制在110～150℃，反应压力控制在0.6～1.3MPa，丙酮的液相体积空速为0.2～0.8h-1，反应器入口处丙酮、氢气与氨的摩尔比为1∶2～4∶2～6。在绝热式固定床段中，反应条件不特意控制。在本发明中，不特别指出时，空速是指物料相对于反应器中催化剂总体积的空速。
本发明的反应器应用于丙酮加氢制异丙醇中，在所述反应器的绝热式固定床段和换热式列管固定床段中装填催化剂，两段催化剂的装填体积比为1∶2～4。在换热式列管固定床段中反应温度控制在110～150℃，反应压力控制在0.6～1.5MPa，丙酮的液相体积空速为0.2～0.8h-1，反应器入口处丙酮与氢气的摩尔比为1∶2～6。在绝热式固定床段中，反应条件不特意控制。
本发明的反应器应用于苯加氢制环己烷中，在所述反应器的绝热式固定床段和换热式列管固定床段中装填催化剂，两段催化剂的装填体积比为1∶2～4。在换热式列管固定床段中反应温度控制在140～200℃，反应压力控制在0.4～1.5MPa，苯的液相体积空速为0.2～2.0h-1，反应器入口处苯与氢气的摩尔比为1∶2～6。在绝热式固定床段中，反应条件不特意控制。
在本发明的反应器中，根据反应器出口处的反应程度适时调节列管固定床段的反应条件，调整列管固定床段和绝热式固定床段的反应比例和负荷，使反应器出口达到所需要的反应程度。
本发明的反应器在工业实际应用中具有很多优点，以丙酮加氢为例，优点如下：
1.在催化剂床层入口段丙酮加氢程度很高，可以达到80％以上，反应放出的热量也很大，需要使用换热式列管固定床，随着反应的进行，反应物丙酮浓度降低，反应速率也减慢很多，反应放出的热量很低，这时才有绝热式固定床即可。这样不仅可以缩小反应器体积，而且绝热式固定床使反应温度升高一些，有利于加快反应速度。
2.将换热式列管固定床与绝热式固定床组合在一起，可以省略很多管线连接和阀门，同时反应器的气密性增加。
3.反应器也易于加工，容易将反应器做得更大。在生产规模较大时，可以不使用两台或三台反应器并联，而直接使用一台本发明的反应器。
4.本发明的反应器在装填催化剂时，装填难度小，容易装填。如果原来的反应器的管板下面设置装填惰性瓷球的空间，需要先将惰性瓷球装填好，才能装填列管，而本发明的反应器不装填惰性瓷球或装填量很少，装填催化剂难度小。如果原来的反应器的的管板下面没有设置装填惰性瓷球的空间，而是在列管下端使用支撑催化剂的弹性部件时，需要先将这些支撑件各个地安装好，才能装填列管的催化剂，操作费时费劲，而使用本发明的反应器不需要使用支撑件，容易装填。
附图说明
图1是本发明的反应器的示意图。
图中符号说明：
1：物料入口；2：反应器入口端封头；3：移热介质出口4：列管式固定床段；5：绝热式固定床段；6：反应器出口端封头；7：物料出口；8：移热介质入口。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明的反应器结构和形式。
在图1所示的反应器中，本发明的反应器主要由列管式固定床段4和绝热式固定床段5组成，列管式固定床段4与绝热式固定床段5直接连接，在列管式固定床段4的另一端连接反应器入口封头2，在绝热式固定床段5的另一端连接反应器出口端封头6，列管式固定床段4的壳程两端设置移热介质进出的移热介质出口3和移热介质入口8，在反应器入口封头2的顶端设置物料入口1，在反应器出口端封头6的顶端设置物料出口7。在反应器入口封头2上还可以设置测定温度的热电偶插入口，通过热电偶插入口将热电偶插入催化剂床层中以用来测定不同点的反应温度。在反应器入口封头2上还可以设置压力传感器以测定反应压力。移热介质的出入口可以设置多个，分布在不同角度上。
下面结合实施例对本发明的反应器的应用作进一步解释与描述，但本发明的反应器的应用并不仅限于以下实施例。
实施例1
使用本发明的反应器用于丙酮氨化制异丙胺，反应器的结构和型式如图1所示。换热式列管固定床段装填13m3催化剂，绝热式固定床段装填4m3催化剂。催化剂使用北京化工研究院生产的催化剂BC-A-30。列管固定床段使用带压热水移出反应热，反应温度控制在135℃，反应系统压力为1.3MPa，丙酮液相体积空速为0.7h-1，丙酮、氢气与氨的摩尔比为1∶3∶3。绝热式固定床段的温度经测定为135～142℃。对反应器出口的物料取样分析，丙酮转化率为100％。
对比例1
使用传统的列管式反应器用于丙酮氨化制异丙胺。反应器装填17m3催化剂。催化剂使用北京化工研究院生产的催化剂BC-A-30。列管固定床段使用带压热水移出反应热，反应温度控制在135℃，反应系统压力为1.3MPa，丙酮液相体积空速为0.5h-1，丙酮、氢气与氨的摩尔比为1∶3∶3。对反应器出口的物料取样分析，丙酮转化率为99％。
通过实施例1和对比例1的比较，可以看出使用本发明的反应器，丙酮的处理空速大，生产量大。在相同的催化剂装填体积下，反应器的设计体积小，成本低。
实施例2
使用本发明的反应器用于丙酮加氢制异丙醇，反应器的结构和型式如图1所示。列管固定床段装填10m3催化剂，绝热式固定床段装填3m3催化剂。催化剂使用北京化工研究院生产的催化剂BC-A-31。列管固定床段使用带压热水移出反应热，反应温度控制在135℃，反应系统压力为1.0MPa，丙酮液相体积空速为0.7h-1，丙酮与氢气的摩尔比为1∶5。绝热式固定床段的温度经测定为135～141℃。对反应器出口的物料取样分析，丙酮转化率为100％。
实施例3
使用本发明的反应器用于苯加氢制环己烷，反应器的结构和型式如图1所示。列管固定床段装填10m3催化剂，绝热式固定床段装填4m3催化剂。催化剂使用北京化工研究院生产的催化剂BC-A-60。列管固定床段使用带压热水移出反应热，反应温度控制在175℃，反应系统压力为0.6MPa，苯液相体积空速为0.7h-1，苯与氢气的摩尔比为1∶5。绝热式固定床段的温度经测定为175～181℃。对反应器出口的物料取样分析，苯转化率为100％。

Claims (7)

1.一种用于放热反应的反应器，其特征在于，所述反应器包含换热式列管固定床段和绝热式固定床段，所述绝热式固定床段位于所述换热式列管固定床段下游，所述换热式列管固定床段的壳程两端分别设置流动性移热介质的进口或出口。
2.如权力要求1所述的反应器，其特征在于，所述绝热式固定床段和所述换热式列管固定床段直接相连。
3.如权力要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应器还包含位于两端的封头，所述封头上分别设置进料口或出料口。
4.如权力要求1所述的反应器，其特征在于，所述绝热式固定床段和换热式列管固定床段的催化剂装填体积比为1:1～5。
5.如权力要求1～4中任一项所述的反应器的应用，其特征在于，所述反应器应用于丙酮或异丙醇氨化制异丙胺中，在所述反应器的绝热式固定床段和换热式列管固定床段中装填催化剂，两段催化剂的装填体积比为1:2～4。
6.如权力要求1～4中任一项所述的反应器的应用，其特征在于，所述反应器应用于丙酮加氢制异丙醇中，在所述反应器的绝热式固定床段和换热式列管固定床段中装填催化剂，两段催化剂的装填体积比为1:2～4。
7.如权力要求1～4中任一项所述的反应器的应用，其特征在于，所述反应器应用于苯加氢制环己烷中，在所述反应器的绝热式固定床段和换热式列管固定床段中装填催化剂，两段催化剂的装填体积比为1:2～4。
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