CN102921369A - 一种新型卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征在于包括由不同内径的筒体组成的卧式容器、安装在卧式容器中并与其对应各段同轴的不同内径的筒体组成的导流筒、安装在导流筒末端且位于导流筒内的强剪切循环流搅拌桨叶、安装在卧式容器末端且被搅拌桨叶的搅拌轴所穿过的改变流体流动方向的端盖封头、以管板与卧式容器的另一端固定连接并安装在导流筒内的另一端的带折流杆的列管束、安装在卧式容器和导流筒的内径变化的变径段的进料分布器及安装在导流筒变径段内壁上的宽度渐变的挡板。本发明通过对反应器进行全面的考虑，对进料初始分散与分布、剪切与排出流量强化、流场结构规整性、换热构件上湍流扰动等方面采取了强化措施，从而提高了反应器的传热与传质能力。

Description

一种新型卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器

技术领域

本发明涉及一种酸（浓硫酸）催化烷烃和烯烃反应生产烷基化油所采用的烷基化反应器。具体地说，涉及轻碳(如碳四)烷烃和轻碳（如碳四）烯烃在浓硫酸催化剂的作用下反应生成碳八烷烃及其同系物的烷基化油所采用的新型卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器。

背景技术

轻碳烷烃与烯烃在浓硫酸为催化剂的作用下生成烷基化油的反应，是一种烯烃溶于强酸性催化剂与不互溶的烷烃在液液两相界面发生的反应。反应物可以是碳三~碳五烷烃和烯烃，在浓硫酸催化剂的作用下生成以异辛烷为主的碳八烷烃及其同系物组成的烷基化油。典型的反应为丁烷与丁烯烷基化生成烷基化油的反应，反应物常压下为气态实际反应时为液态，烯烃溶于酸相而与烷烃不互溶，反应的绝热温升大而反应的控制温度低。该反应需要在剪切分散与流动传热效果较好的反应器中进行。

影响硫酸法烷基化反应的因素非常复杂，但一般认为决定硫酸烷基化反应速度的控制步骤是异丁烷向酸相的传质步骤，因此，硫酸法烷基化反应中，酸烃乳化的程度、循环内比等相当重要。实践与理论研究均证明，烷基化反应能否顺利进行，取决于分散、接触方式、循环方式等是否处于良好状态，以及反应所放出热能否及时高效地移除。因而，设计一种能够对反应物料产生足够的剪切分散又能使反应放热高效移除的反应器是众多研究者所追求的目标。

中国专利200520078557.3公开了一种卧式烷基化反应器。该卧式烷基化反应器由电机与螺旋桨搅拌器直接相连，在壳体内设有内壳，原料和循环酸通入内壳中，冷却管束安装在内壳中。该专利反应器考虑了分散、混合与换热的同步实施，将其整合在同一设备中，但对不互溶的液液反应体系的剪切分散、混合及流动换热能力考虑不充分。

中国专利200880011181.0披露了一种用于烷基化的系统和工艺方法，适用于对含有至少一种异构烷烃和至少一种烯烃的碳氢化合物进行烷基化，该方法首先将液体酸催化剂和碳氢化合物导入高剪切力分散器，使之形成包含在酸连续相中含有碳氢化合物的液滴的乳浊液；然后将乳浊液导入在适当的烷基化条件下运行的容器中发生反应形成烷基化物。由于该专利采用高速乳化机单独对反应物进行乳化操作，因此其分散与反应及移热需要分开实施。

中国专利200580042917.7公开了一种带有沉降器排出物循环的烷基化方法，该法所采用的是多区烷基化的实施方法，该系统和/或方法包括将部分沉降器排出物作为进料送入多区烷基化反应器的第一反应区下游的至少一个反应区中，并且将部分烯经进料送入该多区烷基化反应器以提高反应器内的烷烯比。该专利采用了分区方法以提高烷烯比，但需要复杂的物料输送管路，且未涉及反应必须关注的传质与换热问题。

因此开发研究一种新的分散与乳化、流动与循环能力兼备的具有良好传质传热效果的烷基化反应器，是产业部门所迫切期望的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分散与乳化、流动与循环能力兼备的具有良好传质传热效果的新型卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器。

本发明采用如下技术方案实现：

一种新型卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征在于包括由不同内径的筒体组成的卧式容器、安装在卧式容器中并与其对应各段同轴的不同内径的筒体组成的导流筒、安装在导流筒末端且位于导流筒内的强剪切循环流搅拌桨叶、安装在卧式容器末端且被搅拌桨叶的搅拌轴所穿过的改变流体流动方向的端盖封头、以管板与卧式容器的另一端固定连接并安装在导流筒内的另一端的带折流杆的列管束、安装在卧式容器和导流筒的内径变化的变径段的进料分布器及安装在导流筒变径段内壁上的宽度渐变的挡板。

所述导流筒采用4~6块整体或拼接的轴向导流板与卧式容器连接。

所述强剪切循环流桨叶是一种其叶片展开的投影轮廓为扇形、叶片外缘一角以一定曲率半径R沿叶片上一定角度的贯穿线A进行弯曲的新型桨叶，其中所述扇形中心角β为30°~90，所述曲率半径R为桨叶直径的1/4~3/4，所述贯穿线A的起始位置L位于叶片径向由内向外的1/4~3/4处，贯穿线与叶片的另一边的夹角γ为10°~45°。

所述强剪切循环流桨叶的叶片为3~6片，其安装于桨叶轮毂上的根部轮廓投影线与所述轮毂的中轴线的夹角α为10°~80°。

所述强剪切循环流桨叶的直径与安装所在位置处的导流筒内径相同。

所述端盖封头由法兰、弯曲体和带轴孔的密封构件组成，其中所述弯曲体由三段圆弧面连接而成，各圆弧面的曲率半径与所述端盖封头的内径D的比值为：R1/D=0.406~0.813、R2/D=0.166~0.250、R3/D=0.144~0.194；对应的圆心角取值α1=12°~40°、α2=36°~101°、α3=34°~120°。

所述带折流杆的列管束是指若干个折流杆均匀布置在所述列管束的轴向方向上，上述折流杆是由若干个相互平行的条杆及固定条杆的圆环组成，相邻所述折流杆上的所述条杆成90°夹角布置，所述圆环通过拉杆固定在管板上。

所述列管束为U形列管束，其按正方形直列形式平行并对称固定在所述管板的中间部位。

所述折流杆间的间距为100mm~400mm。

当所述列管束很长时，以4－8个紧密排布的折流杆为一组，均匀布置在列管束的轴向方向上，组间间距为折流杆直径的4－6倍。

所述条杆的截面形状为圆形或菱形，其中截面为圆形时，所述条杆直径与所述列管束的间距相同；所述条杆的截面为菱形时，所述条杆的一对角线长度与所述列管束的间距相同。

所述具有渐变宽度的挡板，其宽度为所述导流筒变径段各横向截面直径的1/12~1/8倍。

所述挡板为4~8，均匀布置。

所述挡板是离壁安装的，其离壁距离为所述导流筒变径段各横向截面直径的1/120~1/80倍。

本发明具有以下技术特点：

1、具有适宜盘面比和弯曲叶片的强剪切循环流桨叶，通过叶片结构及其在轮毂上的安装角度的匹配有效控制桨叶的剪切分散及循环驱动功率的分配，可使其对物料进行强烈剪切分散的同时产生较高的轴向排出流量，保证多相体系的分散稳定及换热流速需求。

2、以一定规则布置在换热列管束上的折流杆，不改变流体主体的流动方向，不会产生明显的流动阻力，因而对流速和反应器的功耗影响不大，但却可以对流体产生强烈的局部湍流扰动，强化了流动换热的效果，同时还通过适当组合发挥其对列管束的支撑固定作用。

3、多个垂直于导流筒变径段内壁面且与导流筒内壁面留有间隙的具有渐变宽度的挡板，既避免了循环流体在变径段的实心体旋转运动，又对进料产生了初步剪切分散与混合作用，有利于物料分散体系的形成，从而满足反应的要求。

4、具有多段圆弧设计的端盖封头，剔除了轴向流桨叶的排出流部位的低速流动区，使其产生稳定的规整流场，保证了流体的高速循环流动。

综上所述，本发明通过对反应器进行全面的考虑，在结构设计及部件设计上充分考虑反应需求，提供了足够的分散与乳化、流动与循环等的结构保障，包括叶轮形式、端盖封头、换热列管束上的扰流构件、变径段的变宽挡板等，对进料初始分散与分布、剪切与排出流量强化、流场结构规整性、换热构件上湍流扰动等方面采取了强化措施，从而提高了反应器的传热与传质能力。

附图说明

图1为本发明的烷基化反应器的总体结构示意图；

图2为强剪切循环流桨叶立体结构示意图；

图3为轮毂及叶片安装结构示意图；

图4为叶片展开结构示意图；

图5为叶片弯曲结构立体示意图；

图6为端盖封头尺寸结构示意图；

图7为换热列管束总体结构示意图；

图8为换热列管束管板侧视结构示意图；

图9为折流杆结构示意图；

图10为条杆截面形状示意图；

图11为换热列管束上折流杆布置结构示意图；

图12为换热列管束上折流杆紧密布置结构示意图；

图13宽度渐变的挡板示意图；

图14为该生产过程及物料流动示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的烷基化反应器包括：

一个设有多股物料入口装置——进料分布器7和物料出口18的圆筒形卧式容器1，该卧式容器各段的直径不同，直径连续变化的部分称为变径段。

一个安装在卧式容器1中的导流筒2，所述的导流筒2与卧式容器1同形变化、各段中心线相同并存在变径段。所述的导流筒2由可以是整体的也可以是拼接的、在不同段是独立的导流板9与卧式容器1进行连接固定，周向均匀布置的导流板9的数量为4~6块。导流板的作用是对导流筒进行固定支撑，同时将循环流体进行分隔导向以改善混合。

一个安装在导流筒2内部末端的强剪切循环流桨叶3，所述桨叶3的直径与安装部位的所述导流筒2的内径相同；所述的桨叶3有适宜的盘面比，所述桨叶3的叶片数量为3~6片；所述桨叶3的叶片13展开投影为扇形，其圆心角为30°~90°。所述叶片13安装在轮毂14上的根部轮廓线与轮毂中轴线的夹角为10°~80°。所述叶片13的一角沿一贯穿线A以某一曲率半径R进行弯曲，贯穿线在弯曲角一边的起始位置位于所述叶片13径向长度的1/4~3/4处、与所述叶片13的另一边的夹角为10°~45°，叶片弯曲的曲率半径R为所述桨叶3直径的1/4~3/4，见图2~图5。本发明采用的桨叶，其适宜的盘面比和弯曲的叶片可使其产生较高的轴向排出流量，而叶片结构及其在轮毂上的安装角度设计则有利于剪切及循环功率输入的合理分配，是一种剪切分散与轴向排出兼顾的桨叶。见图2－5。

一个安装在卧式容器1末端、并被所述桨叶3的搅拌轴21所穿过的端盖封头4，所述的端盖封头4由法兰10、弯曲体11和带轴孔的密封构件12组成。所述的弯曲体11由三段圆弧体连接而成。所述的三段圆弧体的特征尺寸包括各圆弧的曲率半径R1、R2、R3和各圆弧的圆心角α1、α2、α3。所述的各圆弧的曲率半径与与所述端盖封头的内径D的比值为：R1/D=0.406~0.813、R2/D=0.166~0.250、R3/D=0.144~0.194；对应的圆心角取值α1=12°~40°、α2=36°~101°、α3=34°~120°，见图6。

一个带折流杆23的换热列管束6，安装在所述导流筒2内的另一端、并以管板5与卧式容器1的另一端固定连接。所述列管束6为U形管，以正方形直列形式平行并对称固定在管板5的中间部位。所述列管束6的外侧安装有列管束6管内流体介质进口19和出口20的封头22。所述列管束6上以一定规律分布了折流杆23，所述折流杆23采用若干个条杆15固定在一个圆环16上设计。所述圆环16上均匀布置了若干个定位拉杆17，定位拉杆17将所有圆环16连接后并固定在管板5上，这种设计可以使相邻的折流杆23用拉杆进行定位并与管板连接固定，以方便换热列管构件的安装与维护。所述的条杆15的截面形状可以是圆形，也可以是菱形的。当所述条杆15截面为圆形时，所述条杆15的直径与所述列管束6的管间距相同，当所述条杆15的截面为菱形时，所述条杆15横截面的一对角线长度与所述列管束6的管间距相同。所述的截面为菱形的条杆15以棱与所述的列管束6进行接触并支撑所述的列管束6。所述的截面为圆形的条杆15以线接触方式支撑所述的列管束6。所述折流杆23在所述的列管束轴向方向上均匀布置的间距为100mm~400mm。相邻的所述折流杆23上的条杆之间的方向夹角为90°。若所述列管束6的长度很长，则以4－8组紧密排布的折流杆23为一组，沿所述列管束6轴向方向每隔折流杆23（所述圆环16在所述折流杆23上的直径最大，故以所述圆环16直径计）直径的4~6倍距离紧密布置以加强定位和支撑。其中，相邻所述折流杆23上的条杆15方向仍相互垂直，且相邻的所述折流杆23上的条杆15的夹角为90°，见图7~图12。此种布置的目的可对数以千计的所述列管束6提供足够的支撑作用力。

多个垂直于所述导流筒2变径段内壁面且与所述导流筒2内壁面留有间隙的、宽度渐变的挡板8，所述挡板8的宽度为所述导流筒2变径段横向截面直径的1/12~1/8倍。所述挡板8的数量为4~8。所述挡板8的离壁距离为所述导流筒2变径段横向截面直径的1/120~1/80倍，见图13。

轻碳烷烃和轻碳烯烃可在上述烷基化反应器中，在温度为0~20℃、压力为0.3~0.9MPa的条件下，通过浓硫酸的催化作用发生反应生产烷基化油。图14为该生产过程示意图。预先处理的反应物料及循环物料和催化剂，从反应器的变径段入口——进料分布器7加入反应器1，经过变径段的初步分散及桨叶3的剪切分散与排出流动，流经端盖封头4，通过导流筒2外的循环流道流向反应器1的另一末端，在该末端设有物料出口18，部分物料从物料出口18流出反应器1并经分离处理后得到产物、催化剂和未反应的烷烃，该未反应的烷烃经处理后再分两路分别返回反应器以保证烷烯比及作为换热介质流经换热列管束6以移除烷基化反应放出的热量。大部分反应物料在列管束6的管间流动，与列管束6管内介质换热，同时保证反应器1内的足够高的循环比，使烷基化反应连续地进行。

采用上述的烷基化方法生产烷基化油，由于充分考虑了物料的高效剪切分散、混合以及良好的循环流动与换热强化，使不互溶的液液两相分散均匀、混合优良，强化了传质传热效果，符合了在低温下的快速烷基化反应的需要。在相似于工业条件下的模拟实验中表明本发明所获得的效果良好。

Claims (14)

1.一种新型卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征在于包括由不同内径的筒体组成的卧式容器（1）、安装在卧式容器（1）中并与其对应各段同轴的不同内径的筒体组成的导流筒（2）、安装在导流筒（2）末端且位于导流筒内的强剪切循环流搅拌桨叶（3）、安装在卧式容器（1）末端且被搅拌桨叶（3）的搅拌轴所穿过的改变流体流动方向的端盖封头（4）、以管板（5）与卧式容器（1）的另一端固定连接并安装在导流筒（2）内的另一端的带折流杆（23）的列管束（6）、安装在卧式容器（1）和导流筒（2）的内径变化的变径段的进料分布器（7）及安装在导流筒（2）变径段内壁上的宽度渐变的挡板（8）。

2.按照权利要求1所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：所述导流筒（2）采用4~6块整体或拼接的轴向导流板（9）与卧式容器（1）连接。

3.按照权利要求1所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：所述强剪切循环流桨叶（3）是一种其叶片（13）展开的投影轮廓为扇形、叶片（13）外缘一角以一定曲率半径R沿叶片（13）上一定角度的贯穿线A进行弯曲的新型桨叶，其中所述扇形中心角β为30°~90，所述曲率半径R为桨叶（3）直径的1/4~3/4，所述贯穿线A的起始位置L位于叶片（13）径向由内向外的1/4~3/4处，贯穿线与叶片的另一边的夹角γ为10°~45°。

4.按照权利要求1或3所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：所述强剪切循环流桨叶（3）的叶片（13）为3~6片，其安装于桨叶轮毂（14）上的根部轮廓投影线与所述轮毂（14）的中轴线的夹角α为10°~80°。

5.按照权利要求1或3所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：所述强剪切循环流桨叶（3）的直径与安装所在位置处的导流筒内径相同。

6.按照权利要求1所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：所述端盖封头（4）由法兰（10）、弯曲体（11）和带轴孔的密封构件（12）组成，其中所述弯曲体由三段圆弧面连接而成，各圆弧面的曲率半径与所述端盖封头的内径D的比值为：R1/D=0.406~0.813、R2/D=0.166~0.250、R3/D=0.144~0.194；对应的圆心角取值α1=12°~40°、α2=36°~101°、α3=34°~120°。

7.按照权利要求1所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：所述带折流杆（23）的列管束（6）是指若干个折流杆均匀布置在所述列管束（6）的轴向方向上，上述折流杆（23）是由若干个相互平行的条杆（15）及固定条杆的圆环（16）组成，相邻所述折流杆（23）上的所述条杆（15）成90°夹角布置，所述圆环（16）通过拉杆（17）固定在管板上。

8.按照权利要求1或7所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：所述列管束（6）为U形列管束，其按正方形直列形式平行并对称固定在所述管板（5）的中间部位。

9.按照权利要求7所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：所述折流杆（23）间的间距为100mm~400mm。

10.按照权利要求7所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：当所述列管束（6）很长时，以4－8个紧密排布的折流杆（23)为一组，均匀布置在列管束的轴向方向上，组间间距为折流杆（23）直径的4－6倍。

11.按照权利要求7所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：所述条杆（15）的截面形状为圆形或菱形，其中截面为圆形时，所述条杆（15）直径与所述列管束（6）的间距相同；所述条杆（15）的截面为菱形时，所述条杆（15）的一对角线长度与所述列管束（6）的间距相同。

12.按照权利要求1所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：所述具有渐变宽度的挡板（8），其宽度为所述导流筒（2）变径段各横向截面直径的1/12~1/8倍。

13.按照权利要求1或12所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：所述挡板为4~8，均匀布置。

14.按照权利要求1或12所述的卧式内置换热管的烷基化搅拌反应器，其特征是：所述挡板（8）是离壁安装的，其离壁距离为所述导流筒（2）变径段各横向截面直径的1/120~1/80倍。

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