CN102937386B - 一种反应取热方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于醇类原料制烯烃或芳烃，烃类原料催化反应的取热方法和设备，其特征为，在反应器和反应取热设备中部或下部设置催化剂连通管，以该连通管为界热催化剂在反应取热设备内分成上下两个传热区，两个传热区内分别设置气体分布器；反应取热设备内连通管以下传热区的催化剂由下气体分布器进入的气体流化，该部分流化气体经连通管返回反应器；连通管以上的传热区由上气体分布器进入的气体流化，实现上传热区内的催化剂与下传热区的催化剂混合及热量传递，该部分流化气体经顶部的排气管排出反应取热设备；两传热区取热量可以通过进入各自区域内的流化气体量独立控制。

Description

一种反应取热方法和设备

技术领域

本发明属于换热设备技术领域，用于放热反应过程反应温度的控制，特别涉及一种用于醇类原料和固体催化剂积碳再生反应过程温度控制的取热方法和设备。

背景技术

许多气固相反应为放热反应，如甲醇催化聚合生成乙烯、丙烯及芳烃过程，醇类反应催化剂再生过程，石油烃催化裂化催化剂再生反应。为控制反应过程的温度，一般需要取走部分反应放出的热量。常采用两种介质通过换热面传热方式实现从反应物流取热和反应温度控制；更方便的可以采用在反应器外并列设置取热设备的方式取出热量，以维持反应器内的温度。

设置在反应器外部的气固相反应催化剂(或粉体)取热或冷却设备的关键问题是反应器和换热设备间的催化剂和热量的交换方式。

该领域已有多项专利发明。申请号90103413.4的中国专利发明了一种气控内循环式催化剂冷却器，有三个主要特征：1、不设阀门，催化剂循环实现气控，即催化剂循环和换热量均由输送催化剂的气体量控制；2、催化剂循环在器内完成，冷却器内设有催化剂循环管，装置内的热催化剂自顶部进入冷却器，冷却后在底部进入循环管，向上输送返回再生器；3、换热元件采用肋片式单套管。中国专利92101532.1对上述专利做了修改，其主要特征在于将催化剂循环管线移到冷却器外部，用外部管线输送催化剂到再生器，其优点是使冷却器内传热管布置更自由，有利于大型化，维修更方便。中国专利CN201007626Y设计了一种技术，仍然在外部设置催化剂循环管线，主要改进点是把催化剂循环管线设置在催化剂进入管上方。中国专利CN201095630Y则提出了一种换热管横向布置的技术。申请号为200420010037.4和200420010038.9的专利分别发明了自带汽水分离器的反应取热方法和设备，且把催化剂循环管设置在设备的中上部和催化剂进入管内。申请号为200620032695.2的专利发明了一种换热管束可分拆的结构，用于解决管束检修问题。

现有技术中催化剂取热传热区都是设置在催化剂进入口以下。为达到足够的换热面积，取热设备内的换热管要有足够长度。为维持换热效率，需要使反应取热设备和反应器之间有足够的热量传递能力，以便维持反应取热设备传热区催化剂温度；已有技术通过用催化剂循环来实现。

以上这些专利都需要设置催化剂循环输送管，把换热后的低温催化剂输送回反应器，实现反应器内的温度控制；等量的反应区内的未换热的催化剂进入取热设备，向取热设备提供热量；以上技术只是催化剂输送管安装的方式不同，有的设置在外部，有的设置在内部，有的设置多个催化剂循环管。之所以设置催化剂循环管，主要是依据“换热器”的概念，催化剂在换热设备内换热后自然被冷却，必须把冷却后的催化剂输送走，再送进来未冷却的催化剂，才能维持换热。

现有技术中传热区都是设置在催化剂进入口以下，为达到足够的换热面积，换热设备内的换热管要有足够长度，进一步增加了流化和输送介质的压力要求。

现有技术中的催化剂输送循环自然需要输送介质和消耗能量。而且现有取热设备操作需要的流化和催化剂输送介质需要比反应器更高的压力，需要专门增压，进一步增加了能耗。

当催化剂从反应器到取热设备的流动速度较低，且取热设备内的流化气体同时使取热设备内的催化剂以及取热设备和反应器连通管内的催化剂良好流化时，不设置催化剂循环，靠流化气体也可以实现催化剂取热，但需要缩短换热管长度，降低取热设备流化气体进入点到反应器的距离。这样就要增加换热设备的直径，相应的增加流化气体的用量。

现有技术流化气体全部在底部使取热设备内的催化剂流化，若取热设备不设催化剂循环、靠流化气体维持取热设备和反应器间的热交换时，即要把取热设备内的催化剂流化，也要把取热设备与反应器联通管内的催化剂流化，流化气体必须从取热设备和反应器间的催化剂连通管返回反应器；因此取热设备和反应器间的连通管必须设在传热区以上，即传热区必须设置在下方，流化介质必须设置在底部，流化介质自底部向上流动，先流化取热设备内传热区的催化剂，再流化连通管内的催化剂，然后返回反应器。

对一些化工型工艺装置，如甲醇制乙烯，甲醇制丙烯，甲醇制芳烃工艺，催化剂昂贵，降低催化剂破碎，减少催化剂消耗有重要意义。现有技术中的催化剂循环环节，流化介质分布器出口的高速气流环节都会造成催化剂的破碎，增加操作费用和向环径的粉尘排放量。

发明目的

发明一种无催化剂循环、减少催化剂破碎、操作介质压力低、节能的反应取热方法和设备。

发明内容

本发明的反应取热方法，其特征为，在反应器外并列设置反应取热设备；反应取热设备内竖直设置换热管，在反应器和反应取热设备中部或下部设置催化剂连通管，反应器内的过剩热通过该连通管内的催化剂混合在反应取热设备中部或下部向反应取热设备内传递，以该连通管为界热催化剂在反应取热设备内分成上下两个传热区，两个传热区内同时进行催化剂向换热管传热；两个传热区内分别设置流化气体分布器；反应取热设备内连通管以下传热区的催化剂由下气体分布器进入的气体流化，流化气体的数量控制催化剂和换热管的热量传递和该传热区催化剂的混合，该部分流化气体经连通管返回反应器，同时实现反应取热设备和反应器间的催化剂混合和热量传递；连通管以上的传热区由上气体分布器进入的气体介质流化，用流化气体的数量控制该区催化剂和换热管的热量传递和该传热区催化剂的混合，并实现上传热区内的催化剂与下传热区的催化剂混合及热量传递，该部分流化气体经顶部的排气管排出反应取热设备；设置上流化气体即实现连通管以上的传热区催化剂流化、实现换热，也实现连通管以上传热区的催化剂和连通管以下传热区的催化剂交换；两个传热区内的催化剂都以流化床型式与换热管换热；两传热区取热量可以通过各自区域内的流化气体量独立控制；

本发明的流化介质管线设置调节阀，由反应器温度计控制流化介质调节阀开度，从而控制进入换热设备是流化介质量，调节反应取热设备的取热量，进而控制反应器的温度；

本发明的换热管为内外套管，取热介质在内管向下流入，在内外管间隙向上流出；取热介质为除氧水或反应原料；

本发明的流化气体为氮气、蒸汽或空气；

本发明的上下气体分布器气体出口流速不大于15m/s；

本发明的上气体分布器的气体在进气管进入，在上方进入输送管，向下流入喷头内，经180°转向向上进入反应取热设备上传热区；或者喷头设置在输送管顶部，气体经输送管向上进入喷头，向上流入上传热区；

本发明的下气体分布器为分布板，气体在分布板以下进入，通过分布板开孔向上进入反应取热设备下传热区。

本发明的反应取热设备由壳体，封头，换热管，连通管，流化介质进入管，气体排出管，流化介质上下气体分布器组成；

本发明的下气体分布器为分布板，该分布板为平板，上凸弧型板或下凹弧型板，分布板上安装气体喷嘴，分布板设置在换热管下端以下的壳体底部，距换热管下端的距离大于0.2m；

本发明的上气体分布器为管式分布器，由进气管、多个气体输送管和喷头组成，分布器喷头为套管型式，在输送管出口设置外套管，该套管内壁与输送管出口留有气体转向通道；该套管上端内壁与进气管外壁间留有缝隙；

本发明的上气体分布器进气管入口设置在壳体顶部区域或上封头上或设置在换热管和下分布器之间；分布器喷头设置在催化剂连通管中线和壳体轴线交点标高以上；

本发明的换热管连接在封头顶部或侧面或壳体侧壁。

本发明的效果

本发明很好的解决了反应取热设备内上传热区的流化和换热问题；反应器和反应取热设备间没有催化剂循环输送管线；底部流化气体使下传热区内的催化剂流化的同时，使反应取热设备和反应器间的催化剂连通管内的催化剂流化，靠气体的流化混合实现反应器向反应取热设备的供热和取热；由于采用两区设计，大幅度缩短降低了连通管以下的传热区的高度，使反应取热设备和反应器间的催化剂流化混合效率提高，热量传递效率更高；由于设置了上气体分布器，使上传热区的催化剂可以实现与下传热区混合和流化换热，由于设置了上传热区，增加了换热管面积，缩小反应取热设备的体积直径，减少流化气体用量；由于缩短了下传热区高度，可以降低需要的流化气体压力，降低能耗；取消催化剂循环输送和降低分布器出口气体流速都可以减少催化剂的破碎。

附图说明

图1-3：本发明的一种反应取热方法和设备结构示意图。

图4：本发明的一种反应取热方法和设备下气体分布板的结构示意图。

图5：本发明的一种反应取热方法和设备换热管上气体分布器布置示意图。

图6：本发明的一种反应取热方法和设备上气体分布器上的喷嘴分布结构示意图。

图7：本发明实施例的结构示意图。

图中编号说明：1反应器；2反应取热设备；3上封头；4下封头；5上传热区；6下传热区；7上分布器流化介质输送管；8流化介质喷头，81喷头外套管，83外套管和气提输送管间的环隙，82，82a在外套管内的气体出口，84环隙出口；9换热管；10反应器与反应取热设备之间的催化剂连通管；11反应取热设备的流化气体排出管；12取热介质出口管；13下流化气体进入管；14、24连接法兰；15、25、29上气体分布器；16下气体分布板；17上流化气体进入管；18气体喷嘴；19喷头；20上流化气体；21进入的取热介质；22加热后的取热介质；23下流化气体；26水；27水蒸汽；28空气；30反应取热设备主壳体；31上流化介质调节阀；32下流化介质调节阀；33上流化介质流量计；34下流化介质流量计；35反应器温度计。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围包括但是不限于此：

图1-3为本发明的反应取热方法和设备示意图。图1、图2、图3的反应取热方法和设备包括反应器1，反应取热设备2，反应器和反应取热设备催化剂连通管10；反应取热上传热区5，下传热区6，上气体分布器15、29、25，下气体分布器16，换热管9，流化介质输送管7，壳体30，封头3、4，上流化气体进入管17，下流化气体进入管13，气体排出管11；流化气体20、23，取热介质21、22。换热管束9安装在反应取热设备2上部，竖直布置在设备内，下分布器16布置在换热管9下端以下，上分布器气体出口在催化剂连通管10中线和反应取热设备2轴线交点标高以上；反应区内的催化剂经过连通管10和取热设备2内的催化剂联通，在来自下分布器16的气体介质23流化作用下实现取热设备2和反应器1间的催化剂混合和热量传递；上传热区5的催化剂由上流化介质20和催化剂重力实现作用与下传热区6的催化剂混合和热量传递，使上传热区的催化剂加热；下分布器16的流化介质23经管道在下分布器下方进入取热设备2，经过下传热区6后进入催化剂连通管10返回反应器1；上分布器15的流化气体20经过上传热区5后，从排气管道11返回反应器1，图1中上气体分布器15进气管入口设置在壳体顶部区域，图2中上气体分布器29进气管入口设置在上封头上，图3中上气体分布器25进气管入口设置在换热管9下端以下与下分布板16以上之间，即喷头8设置在输送管7上顶部，气体20经输送管7向上进入喷头8，向上流入上传热区5；催化剂在换热管9外部取热设备2的壳体内；取热介质21从换热管9内管进入，吸收热量后向上流出换热管。

图4为本发明反应取热方法和设备下气体分布板的结构示意图，该分布板有平板16a，上凸弧型板16c或下凹弧型板16b三种，分布板上安装气体喷嘴18。

实施例

如图例7，某甲醇制乙烯催化剂再生器反应取热方法和设备，取热负荷25MW，产4.0MPa饱和水蒸汽27，反应取热方法和设备：催化剂再生温度660℃，催化剂连通管10直径1300mm；催化剂连通管10中线与反应取热设备轴线间夹角50°；主壳体30直径2200mm，换热管9传热区总高度6m，下传热区6高2.5m，上传热区5高3.5m；换热管9下端距下分布器300mm；换热管34支；换热管9为内外套管形式，外管规格为DN150；内管为DN80；总换热面积96㎡；18支换热管9安装在壳体侧面，16支换热管9安装在顶封头3上；流化介质为来自再生器压缩机的空气28，下分布器16空气用量60nm³/min.，上分布器25空气用量30nm³/min.，下分布器分布板喷嘴数量350个，喷嘴出口直径16mm，出口流速9m/s；上分布器进气管安装在壳体换热管以下；上分布器25流化介质分5个进气管进入，规格DN50，每个进气管连接4个输送管7和喷嘴8；上分布器喷嘴数量20个，喷嘴8处气体输送管7直径30mm，喷嘴8出口缝隙宽度18mm；上分布器喷嘴8在距催化剂连通管10和反应取热设备2轴线交点标高以上400mm处；壳体底部设置封头4分拆法兰14，下分布器16安装在该封头法兰14之间；下分布器进气管13规格DN200,安装在壳体底部封头4上。

Claims (5)

1.一种反应取热方法，其特征为，在反应器外并列设置反应取热设备；反应取热设备内竖直设置换热管，在反应器和反应取热设备中部或下部设置催化剂连通管，反应器内的过剩热通过该连通管内的催化剂混合在取热设备中部或下部向反应取热设备内传递，以该连通管为界热催化剂在反应取热设备内分成上下两个传热区，两个传热区内同时进行催化剂向换热管传热；两个传热区内分别设置流化气体分布器；反应取热设备内连通管以下传热区的催化剂由下气体分布器进入的气体流化，流化气体的数量控制催化剂和换热管的热量传递和该传热区催化剂的混合，该部分流化气体经连通管返回反应器，同时实现反应取热设备和反应器间的催化剂混合和热量传递；连通管以上的传热区由上气体分布器进入的气体介质流化，用流化气体的数量控制该区催化剂和换热管的热量传递和该传热区催化剂的混合，并实现上传热区内的催化剂与下传热区的催化剂混合及热量传递，该部分流化气体经顶部的排气管排出反应取热设备；设置上流化气体即实现连通管以上的传热区催化剂流化、实现换热，也实现连通管以上传热区的催化剂和连通管以下传热区的催化剂交换；两个传热区内的催化剂都以流化床型式与换热管换热；两传热区取热量可以通过流化介质调节阀调节进入各自区域内的流化气体流量独立控制，流化介质调节阀由反应器温度计控制。

2.如权利要求1所述反应取热方法，其特征在于，上气体分布器的气体经流化介质调节阀控制，经过进气管，在上方进入输送管，向下流入喷头内，经转向向上进入反应取热设备上传热区；或者喷头设置在输送管上顶部，气体经输送管向上进入喷头，向上流入上传热区。

3.如权利要求1所述反应取热方法，其特征为，下气体分布器为分布板，气体介质经流化介质调节阀控制在分布板以下进入反应取热设备内，通过分布板开孔向上进入反应取热设备下传热区。

4.如权利要求1所述反应取热方法，其特征为，进入换热设备的流化介质流速小于15m/s。

5.一种反应取热设备，其特征在于，反应取热设备由壳体，封头，换热管，连通管，流化介质进入管，气体排出管，流化介质上下气体分布器组成，上气体分布器为管式分布器，由进气管、多个气体输送管和喷头组成，分布器喷头为套管型式，在输送管出口外设置外套管，该套管内壁与输送管出口留有气体转向通道；该套管上端内壁与进气管外壁间留有缝隙。