CN103084122B - 径向反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于气固两项流减/增焓化学反应的固定床径向催化反应器，具体是一种包括多个催化剂床层、多种流动形式的径向催化反应器。该径向反应器包括反应器壳体、设置在反应器壳体内的支撑架、位于支撑架上方的中心筒以及同轴地设置在中心筒与反应器壳体之间的外环构件，该径向反应器的特征在于还包括同轴地设置在中心筒与外环构件之间的多个内环构件。上述内环构件的设置将现有反应器的催化剂装载通道分为至少三个部分，内侧和外侧部分用作催化剂装载室，而中间部分用作反应物流动通道，从而不仅增大了催化剂床层的表面积、减小了床层厚度、减少了副反应、降低了反应器阻力，并且在同等反应器体积的情况下还能增加催化剂的装填量，因而在同等反应器体积的情况下增加了生产加工能力。

Description

径向反应器

技术领域

本发明涉及用于石化、日化、化工、化肥、轻工、碳一化学及表面活性剂等行业的气固两项流减/增焓化学反应的固定床径向式催化反应器，具体是一种包括多个催化剂床层的径向催化反应器。

背景技术

固定床催化反应器是上述化学反应的核心设备。反应器的大小、结构、型式和工况决定了上述化学反应的工业程度、投资规模、装置能耗和生产成本。现有的固定床反应器类型多为轴向反应器、径向反应器和轴径向反应器三大类。

径向反应器是反应物流沿反应器直径或半径方向穿过催化剂床层的高效节能的气固相固定床反应器。与轴向反应器相比，径向反应器的内部结构较为复杂，制造难度较高，投资也较大，但它具有流通面积大，流速低，流程短，床层压降小，温度分布均匀，副反应少，反应器单位体积加工能力高的特点。径向反应器工艺技术的优化、改进是上述三类固定床反应器的发展和改造方向。

径向反应器的性能主要取决于反应物流沿催化剂床层的轴向分布。它直接影响催化剂床层的物流分布、浓度分布、温度分布，影响催化剂转化率、选择性、稳定性和效率。反应器内构件设计不当会造成催化剂床层局部结焦、失活、中毒，或造成床层局部堵塞或局部穿透、短路。因此，反应器内构件的流体力学特性和结构型式是反应器设计、制造的关键。

参阅图1，该图示出了现有的Z型流径向反应器的竖向截面图。如图所示，该反应器主要包括外壳体、中心筒以及设置在外壳体与中心筒之间的环形构件。中心筒与环形构件之间形成环形催化剂装载通道，该环形催化剂装载通道的顶部和底部分别设置有催化剂进料管和催化剂卸料管－即图1中的两根基本沿竖向设置的导管。环形构件与外壳体之间形成反应物流入通道，而中心筒的内部空间用作反应产物流出通道。在工作时，反应物从环形构件与外壳体之间进入，穿过中心筒与环形构件之间的催化剂床层并发生催化反应，反应产物最终从中心筒的内部空间向下流出。

上述径向反应器中仅设置有一个催化剂床层，并且反应物仅沿一个方向流动，导致反应物与催化剂床层的接触面积较小，在保证催化剂装填量的情况下又会导致床层厚度较大，从而在转化率、选择性以及副反应发生率等方面对相关催化反应产生不利影响。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，即通过对现有径向反应器的内部结构进行改进，从而在同等体积的反应器内增加催化剂装填量、增大催化剂床层表面积，增大流道面积、降低流速、同时减小催化剂床层的厚度，缩短流程、缩短反应物停留时间，并因此减少副反应、提高转化率和选择性。

为了达到上述目的，本发明提供一种径向反应器，该径向反应器包括：反应器壳体，该反应器壳体上设置有反应物入口和反应产物出口；支撑架，其固定地设置在所述反应器壳体内并位于其底部；中心筒，其同轴地设置在所述反应器壳体内并且位于所述支撑架的上方；以及外环构件，其同轴地设置在所述中心筒与所述反应器壳体之间并且也位于所述支撑架的上方，所述径向反应器的特征在于还包括同轴地设置在所述中心筒与所述外环构件之间的多个内环构件，所述内环构件之间以及所述内环构件与所述中心筒和所述外环构件之间彼此间隔设置，从而在所述内环构件之间、以及所述内环构件与所述中心筒或所述外环构件之间形成多个催化剂装载室和/或反应物或反应产物流动通道。

应当指出的是，如上文所使用的，术语“中心筒、内环构件以及外环构件”并非意指这些构件必须具有圆形横截面形状，而是仅仅表示所述构件总体上为环状或筒状，本领域技术人员容易理解的是，根据实际应用的需要，其可以设置成具有任何适当的横截面形状，例如矩形、正方形、八边形以及其他任何适当的多边形形状。并且，在同一实施方案中，所述中心筒、内环构件以及外环构件也可具有彼此不同的横截面形状。

本领域技术人员容易理解的是，上述内环构件的设置将现有反应器的催化剂装载通道分割为至少三个部分，所述三个部分中的内侧和外侧部分用作催化剂装载室，而中间部分用作反应物或反应产物流动通道。当该中间部分用作反应物流动通道时，反应物可通过该部分进入，从而分别沿径向向内和径向向外的方向穿过内外两侧的催化剂床层（即催化剂装载室），之后一股物料从反应器壳体与外环构件之间的空间流出，另一股物料从反应器中心管流出。这样一来，由于反应物分别沿两个方向与内外两侧的催化剂床层接触，因此能够显著增大催化剂床层的表面积并减小催化剂床层的厚度。另外，由于内侧催化剂床层的表面积和装载量都明显小于外侧催化剂床层，因此可通过缩小中心筒的径向尺寸来减少穿过内侧催化剂床层的反应物量；整体效果是，在反应器总体积不变的情况下，可以增加催化剂的装填量。再者，同样由于内侧催化剂床层的表面积和装载量明显小于外侧催化剂床层，因此，为了使穿过内侧催化剂床层的反应物与穿过外侧催化剂床层的反应物的反应程度一致，需要对中心筒、内环构件以及外环构件的尺寸以及它们之间的间隔大小进行设置，以便使穿过内侧催化剂床层的反应物的量与内侧催化剂床层的催化剂装载量成比例，并且使穿过外侧催化剂床层的反应物的量与外侧催化剂床层的催化剂装载量成比例，从而使穿过内外两侧催化剂床层的反应物在空速、转化率以及反应选择性方面保持一致。

在优选实施方式中，所述多个内环构件包括第一内环构件和第二内环构件，并且所述多个催化剂装载室包括第一催化剂装载室和第二催化剂装载室；所述第一催化剂装载室形成在所述第一内环构件与所述中心筒之间，所述第二催化剂装载室形成在所述第二内环构件与所述外环构件之间，并且所述第一内环构件与所述第二内环构件之间形成所述反应物或反应产物流动通道。

在更优选的实施方式中，所述外环构件包括网篮和设置在所述网篮外侧的隔栅。

在更优选的实施方式中，所述径向反应器还包括分别穿过所述反应器壳体的两端并连接到所述第一催化剂装载室和所述第二催化剂装载室的入口端和出口端的至少一个催化剂进料歧管和催化剂卸料歧管。

在更优选的实施方式中，根据反应物的流动方向，所述径向反应器是Z型流径向反应器或U型流径向反应器，其中，当所述径向反应器是Z型流径向反应器时，该反应器的一端设置有反应物入口并且另一端设置有反应产物出口；并且当所述径向反应器是U型流径向反应器时，反应物入口和反应产物出口均设置在所述反应器壳体的同一端部。关于此点，本领域技术人员熟知的是，上述“Z型流”和“U型流”意指反应物在反应器内的流动路径或方向。具体来说，当径向反应器的一个端部设置有反应物入口而另一个端部设置有反应产物出口时，反应物首先沿一个轴向方向进入反应器、接着沿径向穿过催化剂床层、最后再沿同一轴向方向流出反应器，从而形成Z型的流动路径，相应的径向反应器也称为Z型流径向反应器。相反，当径向反应器的反应物入口和反应产物出口时，反应物首先沿一个轴向方向进入反应器、接着沿径向穿过催化剂床层、最后再沿相反的轴向流出反应器，从而形成U型的流动路径，相应的径向反应器也称为U型流径向反应器。

在进一步优选的实施方式中，所述径向反应器是Z型流径向催化反应器，并且所述第一内环构件与所述第二内环构件之间的通道用作反应物流入通道，而所述中心筒的内部空间以及所述外环构件与所述反应器壳体之间的空间用作反应产物流出通道。

在进一步优选的实施方式中，所述支撑架的外周上设置有多个通流窗口，以便从所述外环构件与所述反应器壳体之间流出的反应产物与从所述中心筒内流出的反应产物彼此混合并最终流出所述径向反应器。

在进一步优选的实施方式中，所述第一内环构件和所述第二内环构件为彼此设置成一体并且顶部开口而底部封闭的双层环形筒状构件。具体地说，当所述径向反应器是Z型流径向催化反应器并且所述第一内环构件与所述第二内环构件之间的通道用作反应物流入通道时，可将所述第一内环构件和所述第二内环构件设置成一个整体构件，并且该整体构件为顶部开口而底部封闭的双层环形筒状构件。这样一来，反应物通过该整体构件的顶部开口端进入第一内环构件与第二内环构件之间的空间，同时由于该整体构件的底部封闭，反应物只能沿径向向内和径向向外的方向穿过内外两侧的催化剂床层－即上述第一催化剂装载室和第二催化剂装载室，最终分别到达中心筒内部以及外环构件与反应器壳体之间的通道并流出反应器。

在更进一步优选的实施方式中，所述径向反应器还包括固定地设置在所述反应器壳体内的固定环，所述支撑架通过所述固定环连接至所述反应器壳体。

在更进一步优选的实施方式中，所述径向反应器还包括固定地设置在所述支撑架上方的限位环，所述限位环将所述外环构件、所述内环构件以及所述中心筒固定在适当位置，使得所述反应器壳体、所述外环构件、所述内环构件以及所述中心筒之间具有所需的间隔。

附图说明

通过结合附图来描述本发明的优选实施方式，本领域技术人员将能更充分地理解本发明的上述以及其他特征和优点，附图中：

图1是现有径向反应器的竖向截面图。

图2是本发明的径向反应器的一个示例性实施方式的竖向截面图。

图3是图2所示的径向反应器的底部放大截面图。

具体实施方式

下文对本发明的优选实施方式的描述本质上仅仅是示例性的，并非旨在限制本发明、其应用或用途。应当指出的是，尽管该优选实施方式披露了本发明的各种具体结构和连接关系，但是本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围不限于这些结构和连接关系，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域技术人员能够对这些结构和连接关系做出修改、调整或等同替换。例如，尽管在下面的优选实施方式中结合Z型流径向催化反应器描述了本发明的技术方案，本领域技术人员容易理解的是，可以对该Z型流径向催化反应器做出简单的改动或调整，以便将本发明的技术方案应用于其他类型的反应器，诸如U型流、环形、梯形或扇型结构径向反应器、轴向反应器或轴径向反应器等，这些改动或调整后的实施方式由于没有改变本发明的基本原理，因此都将落入本发明的保护范围之内。

首先参阅图2，该图示出了本发明的径向反应器的一个示例性实施方式的竖向截面图。该径向反应器具体为固定床Z型流环形结构径向反应器。如图所示，该反应器包括反应器壳体，反应器壳体的顶部设置有反应物入口，而其底部设置有反应产物出口。该反应器还包括固定地设置在反应器壳体内并位于其底部的支撑架7、与反应器壳体同轴地设置在反应器壳体内并且位于支撑架7上方的中心筒3以及与中心筒3同轴地设置在中心筒3与反应器壳体之间并且也位于支撑架7上方的网篮6和格栅5－即外环构件。

继续参阅图2，与现有技术不同的是，本发明的径向反应器还包括同轴地设置在中心筒3与外环构件5、6之间的多个内环构件4（图中所示为2个）。所述内环构件4也位于支撑架7上方。并且，所述内环构件4之间以及所述内环构件4与中心筒3和外环构件5、6之间彼此间隔设置，从而在内侧的内环构件4与中心筒3之间形成一个内侧催化剂床层（即内侧催化剂装载室），并且在外侧的内环构件4与外环构件5、6之间形成一个外侧催化剂床层（即外侧催化剂装载室）。而且，在所述内侧和外侧的内环构件4之间形成反应物流入通道。

如图所示，上述内侧催化剂床层和外侧催化剂床层的顶部和底部分别设置有多个催化剂进料歧管1和多个催化剂卸料歧管2。从图2中可以看出，由于反应器包括内侧和外侧两个催化剂床层，因此，催化剂进料歧管1的总管部分（即图2中穿过反应器壳体的那段）在反应器壳体内分支为内外两个部分，分别用于连通到内侧催化剂床层和外侧催化剂床层。应当指出的是，尽管图2中仅示出了一个催化剂进料歧管和催化剂卸料歧管，本发明并不局限于这些进料和卸料歧管的具体数量，本领域技术人员可以根据实际应用来调整所述进料和卸料歧管的数量。

如图2所示，本发明的径向反应器的各个内部构件的顶端和底端分别设置有多块顶板和底板，从而将中心筒3以及外环构件5、6与反应器壳体之间的空间（即，反应产物流出通道）限定为顶部封闭且底部开口的，并且将所述内环构件4之间的空间（即，反应物流入通道）限定为顶部开口且底部封闭的，而且还将所述内侧和外侧催化剂床层限定为两端均封闭的，这使得反应物能够通过所述内环构件4之间的反应物流入通道进入、穿过内侧和外侧催化剂床层并最终通过中心筒3以及外环构件5、6与反应器壳体之间的反应产物流出通道向下流出。关于此点，本领域技术人员容易理解的是，可将所述内侧的内环构件和所述外侧的内环构件设置成一个整体构件，并且该整体构件为顶部开口而底部封闭的双层环形筒状构件。这样一来，反应物通过该整体构件的顶部开口端进入两个内环构件之间的空间，同时由于该整体构件的底部封闭，反应物只能沿径向向内和径向向外的方向穿过内外两侧的催化剂床层，最终分别到达中心筒3内部以及外环构件5、6与反应器壳体之间的通道并流出反应器。

当然，如上所述，这里描述的结构和操作仅适用于作为示例给出的Z型流环形结构径向催化反应器，当本发明的技术方案被应用于U型流环形结构（梯形结构、扇型结构）径向催化反应器、轴向反应器、轴径向反应器等其他类型的反应器时，这些封闭和/或开口结构以及其他细节均需做相应的调整，由于这些调整不需要任何创造性劳动，因此调整后的技术方案也将落入本发明的保护范围内。

图2中还示出了所述反应器内构件顶部的密封结构。该密封结构包括填料函压板12、填料函支撑座13以及设置在填料函压板12与填料函支撑座13之间的填料函11和密封填料14。反应器底部是借助内构件和催化剂的自重形成设备面密封而达到密封要求的。

此外，隔栅5可由梯形截面的不锈钢条垂直焊结在支承条上制成，网篮6可由钻孔的不锈钢板制成，两者起到提高稳定性、阻止催化剂流动、无阻力通过反应物和反应产物的功能。隔栅5也可以用丝网、或开孔板制成。重点是隔栅5和网蓝6的孔道总截面积要足够大，以保证其阻力控制在总体阻力的10％以内。

接着参阅图3，该图示出了本发明的径向反应器的底部放大截面图。如图3所示，支撑架7的外周上可设置多个通流窗口，以便从外环构件5、6与反应器壳体之间流出的反应产物与从中心筒3内流出的反应产物彼此混合并最终流出所述径向反应器。并且，所述径向反应器还包括固定地设置在反应器壳体内并位于其底部的固定环9，支撑架7通过固定环9连接至反应器壳体。再者，所述径向反应器还包括固定地设置在支撑架7上方的限位环8，限位环8将外环构件5、6、内环构件4以及中心筒3固定在适当位置，使得反应器壳体、外环构件5、6、内环构件4以及中心筒3之间具有所需的间隔，以便使穿过内、外两侧催化剂床层的反应物在空速、转化率以及反应选择性方面保持一致。当然，本发明的径向反应器还包括按照需要设置在各个构件之间的连接部的密封件，这些都是本领域公知的，因而本文不再赘述。

此外，还可以根据需要，在所述内侧和外侧催化剂床层内的不同高度位置设置多点温度计，以便检测反应状况。

最后，在不改变本发明的基础技术方案的前提下，所述反应器内构件的制造尺寸可根据相关模型表征关系式并通过压降计算公式、空速计算公式、各环形（扇型、梯形）和异型空间截面积比计算公式，再经过取值猜算、水力学验证计算、几何学验证计算、结构尺寸调整后确定。上述模型表征关系式包括：内外侧催化剂床层压降相等；内外侧催化剂床层空速相等；两个反应产物流出通道面积比=两个催化剂床层催化剂装填量比；反应物进料通道截面积=F×（两反应产物出料通道截面积之和）。

尽管已参照优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围并不局限于这些优选实施方式，在不偏离本发明的基本原理的情况下，可以对所述实施方式以及其中的具体技术特征――例如各种构件及其连接关系进行拆分、组合或改变，拆分、组合或改变后的技术方案仍将落入本发明的保护范围之内。例如，尽管上述优选实施方式中的反应器仅包括两个内环构件4以及因此形成的两个催化剂床层，本领域技术人员可以根据需要设置更多的内环构件并因此形成更多的催化剂床层。此外，尽管在本申请中结合圆形截面的反应器描述了本发明，本发明的反应器方案显然也可应用于具有其他截面形状的其他反应器，这些都不背离本发明的基本原理和保护范围。

Claims (9)

1.一种用于石化、日化、化工、化肥、轻工、碳一化学及表面活性剂行业的径向反应器，包括：

反应器壳体，该反应器壳体上设置有反应物入口和反应产物出口；

立式桶形反应器内支撑架，其固定地设置在所述反应器壳体内并位于其底部；

中心筒，其同轴地设置在所述反应器壳体内并且位于所述支撑架的上方；以及

外环构件，其同轴地设置在所述中心筒与所述反应器壳体之间并且也位于所述支撑架的上方，

所述径向反应器的特征在于还包括同轴地设置在所述中心筒与所述外环构件之间的多层内环构件，所述多层内环构件之间以及所述多层内环构件与所述中心筒和所述外环构件之间彼此间隔设置，从而在所述多层内环构件之间、以及所述多层内环构件与所述中心筒或所述外环构件之间形成多个催化剂装载室和/或反应物或产物流动通道，其中所述内环构件被设置成使得反应物分别沿径向向内和径向向外的方向穿过内外两侧的催化剂床层；

所述径向反应器还包括固定地设置在所述支撑架上方的限位环，所述限位环将所述外环构件、所述内环构件以及所述中心筒固定在适当位置，使得所述反应器壳体、所述外环构件、所述内环构件以及所述中心筒之间具有所需的间隔，以便使穿过内、外两侧催化剂床层的反应物在空速、转化率以及反应选择性方面保持一致。

2.如权利要求1所述的径向反应器，其特征在于，所述多层内环构件包括第一内环构件和第二内环构件，并且所述多个催化剂装载室包括第一催化剂装载室和第二催化剂装载室；所述第一催化剂装载室形成在所述第一内环构件与所述中心筒之间，所述第二催化剂装载室形成在所述第二内环构件与所述外环构件之间，并且所述第一内环构件与所述第二内环构件之间形成所述反应物或反应产物流动通道。

3.如权利要求2所述的径向反应器，其特征在于，所述外环构件包括网篮和设置在所述网篮外侧的隔栅。

4.如权利要求2所述的径向反应器，其特征在于还包括分别穿过所述反应器壳体的两端并连接到所述第一催化剂装载室和所述第二催化剂装载室的入口端和出口端的至少一个催化剂进料歧管和催化剂卸料歧管。

5.如权利要求2所述的径向反应器，其特征在于，根据反应物的流动方向，所述径向反应器是Z型流径向反应器或U型流径向反应器，其中，当所述径向反应器是Z型流径向反应器时，该反应器的一端设置有反应物入口并且另一端设置有反应产物出口；并且当所述径向反应器是U型流径向反应器时，反应物入口和反应产物出口均设置在所述反应器壳体的同一端部。

6.如权利要求5所述的径向反应器，其特征在于，所述径向反应器是Z型流径向反应器，并且所述第一内环构件与所述第二内环构件之间的通道用作反应物流入通道，而所述中心筒的内部空间以及所述外环构件与所述反应器壳体之间的空间用作反应产物流出通道。

7.如权利要求6所述的径向反应器，其特征在于，所述支撑架的外周上设置有多个通流窗口，以便从所述外环构件与所述反应器壳体之间流出的反应产物与从所述中心筒内流出的反应产物彼此混合并最终流出所述径向反应器。

8.如权利要求6所述的径向反应器，其特征在于，所述第一内环构件和所述第二内环构件为彼此设置成一体并且顶部开口而底部封闭的双层环形筒状构件。

9.如权利要求1至8中任一项所述的径向反应器，其特征在于还包括固定地设置在所述反应器壳体内的固定环，所述支撑架通过所述固定环连接至所述反应器壳体。