CN103285782B - 一种催化剂下料管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化剂下料管，包括导流筒和侧接口；所述的侧接口有2个，分别与所述的导流筒的同一筒口连通且呈对称设置。本发明催化剂下料管不仅能减小反应器壁面处贴壁效应的影响，还可显著减小反应器内催化剂流动死区，提高反应器有效体积利用率，并使催化剂流型更接近平推流，特别适用于甲醇制烯烃、催化重整或其他生产过程所用的移动床径向反应器。

Description

一种催化剂下料管

技术领域

本发明涉及反应器领域，尤其涉及一种催化剂下料管，可用于移动床径向反应器，特别是用于甲醇制烯烃或催化重整过程的移动床径向反应器。

背景技术

移动床反应器在化工领域的应用广泛，尤其在石脑油催化重整、甲苯歧化、煤气化等工艺中发展较成熟(宋续祺，金涌，俞芷青.移动床技术的现状与发展前景[J].化工进展，1994，3：40-45)。移动床技术的特点主要是：反应气体以近似于平推流的方式连续地与固体催化剂接触，催化剂可以在反应器内连续地移动进出反应器，但催化剂的循环速率要远小于流化床反应器。因此，移动床反应器是一种操作性能介于固定床和流化床之间的反应器形式，适合于催化剂积炭速度中等，但仍需循环再生的反应。移动床按照气体与颗粒流动方向的区别可以分为逆流、并流和错流移动床。其中，错流移动床中的催化剂依靠重力自上而下移动，反应气体沿径向通过催化剂床层，与催化剂移动方向垂直而形成错流运动。错流移动床由于具有低压降、反应截面大等优点应用较为广泛。

移动床技术由于床内固体返混小、反应接近活塞流因而原料转化率高，且床内催化剂不断移动(再生)因而能保持良好的催化性能，愈来愈受到研究人员的重视。中国专利申请CN00205860.X公开了一种气固并流式颗粒移动床设备的下料装置，在径向移动床中，由于气体在反应器中为变质量流动，靠近中心管壁处由于气体流通面积小，流速较大，因此当气体离心流动时容易使中心管壁附近的催化剂发生“空腔”现象，造成气流短路；而当气体向心流动时则易使中心管壁附近的催化剂发生“贴壁”现象，导致催化剂结焦严重并造成床层飞温。因此，考虑到反应器实际操作状况，宜设计合理的下料管型式，在保证催化剂颗粒更靠近平推流方式移动的同时，尽量避免床层内的“空腔”和“贴壁”等不良流动现象。

现有工业催化重整移动床装置中采用如图3所示结构的下料管，包括导流圆筒27和与导流圆筒27的一倾斜筒口连通的一侧接口28，所述的侧接口28包括相互连接的类等腰梯形状的顶板30、类等腰梯形状的底板以及连接顶板30与底板的两个类直角梯形状的侧板31；所述的顶板30的上底边、底板的上底边以及两个侧板31的倾斜腰均与导流圆筒27的倾斜筒口连接；所述的顶板30的下底边、底板的下底边以及两个侧板31的直角腰形成一个矩形扁平口29，该矩形扁平口29作为催化剂的承接端口；各部件之间采用焊接方式连接。该下料管的承接端口为矩形，承接端口面对移动床装置的中心管辐射排布。如此排布有利于移动床装置的中心管管壁处催化剂的流动，从结构上缓解了催化剂“贴壁”现象。但由此带来的问题也不容忽视，即从下料管承接端口开始的侧接口28直至上流面的区域往往成为流动死区，这部分的催化剂不能及时移出移动床，不能进入再生器再生，最终失活，副产物含量增加，且占用了反应器的有效体积，对反应过程以及生产过程极其不利，常常导致装置停车、产量下降、产品质量波动。因此，提供结构合理的下料管对于提高催化剂颗粒的循环速率用于提高催化剂单程转化率、减少再生器能源消耗、提高反应效率及选择性、增加产量和目的产物分率、节约生产成本、保证装置的长期高效稳定运行至关重要。

此外，在实际的工业生产中，催化剂颗粒在移动床反应器中下移的流型并非理想的平推流，而是沿床层的径向存在颗粒移动速度分布，垂直于下料管口的轴向流线上颗粒移动速度最大，而靠近壁面处颗粒移动速度则相对缓慢，甚至会存在颗粒几乎静止不动的死区。催化剂颗粒移动速度的不均一将对移动床反应器的传质与传热效率造成显著影响，而死区的存在也使催化剂的有效利用率下降。因此，调节移动床反应器中不同位置处颗粒的移动速度，对改善床层传质与传热效率、指导移动床反应器的设计具有重要意义。

对于催化剂颗粒移动速度的调节，有研究者考察了整流子等内构件的影响，结果表明整流子的加入能调节颗粒的移动速度，改善了催化剂颗粒移动速率不均一的现象(陈允华，朱学栋，吴勇强等.整流子对错流移动床颗粒行为的影响.过程工程学报，2007，7(4)：639-645)，但对于反应器中下料管结构对于催化剂颗粒移动速度的影响，目前尚未有文献报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：采用现有催化剂下料管所导致的固体催化剂颗粒在反应器中流动死区较大、反应器有效体积利用率低、催化剂颗粒流型严重偏离平推流以及在装置运行过程中死区催化剂由于结焦严重而导致飞温，甚至导致反应器中扇形筒或中心管被催化剂挤压变形的问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：提供了一种用于移动床径向反应器的新型催化剂下料管。

一种催化剂下料管，包括导流筒和侧接口，所述的侧接口有2个，分别与所述的导流筒的同一筒口连通且呈对称设置。导流筒两端未封闭。

所述的导流筒的横截面为圆形或中心对称多边形。

所述的催化剂下料管沿导流筒的中心轴线对称。

所述的侧接口的端口面积从与导流筒的连接处开始逐渐增大。，用于增加催化剂的承接面积。具体可设置成如下的一种结构：所述的侧接口包括梯形的顶板、梯形的底板以及连接顶板与底板的两个侧板；所述的顶板的上底边、底板的上底边以及两个侧板的一边均与导流筒的部分筒口连接；所述的顶板的下底边、底板的下底边以及两个侧板的另一边形成一个四边形的承接端口。进一步优选：所述的顶板和底板均为等腰梯形，所述的顶板的下底边、底板的下底边和两个侧板的另一边形成一个矩形的承接端口。

所述的矩形的承接端口的长度、导流筒的直径与矩形的承接端口的宽度之比为2～20∶0.25～4∶1。所述的侧接口的空腔的横截面为矩形，下料管侧接口顶部即承接端口为空腔最大横截面处，该处矩形截面即矩形的承接端口的长度L根据现有反应器的尺寸设置一般可为50～1000mm，所述的导流筒的直径根据现有反应器的尺寸设置一般可为10～200mm。

所述的侧接口的顶板与导流筒筒口所在平面之间的夹角α为30°～90°，所述的侧接口的底板与导流筒筒口所在平面之间的夹角β为30°～90°，夹角α与夹角β相同或不同。当夹角α和夹角β小于90°时，所述的催化剂下料管呈Y型。

所述的顶板、底板、导流筒及侧板均为实心材质，所有部件的材料一般采用耐热不锈钢，如Cr₅Mo等，各部件之间一般采用焊接方式连接。

所述的2个侧接口内的空腔以及导流筒均为催化剂流动通道。

本发明还提供了一种包括所述的催化剂下料管的移动床径向反应器，所述的移动床径向反应器可采用现有的催化剂固体颗粒在内运动的移动床径向反应器，如用于甲醇制烯烃或催化重整过程的移动床径向反应器，移动床径向反应器中催化剂下料管的安放位置与现有的移动床径向反应器中催化剂下料管的安放位置相同。

所述的催化剂下料管在移动床径向反应器内的布置，采用现有工业催化重整移动床径向反应器内催化剂下料管的常规布置方式，即沿反应器中心筒周向均匀设置，根据反应器尺寸大小及实际催化剂循环速率的需要，一般可沿周向均匀设置8～20根催化剂下料管，其中下料管侧接口靠近反应器中心管或扇形筒，并且侧接口与中心管或扇形筒的距离为10～50mm。

本发明与现有催化剂下料管相比具有如下优点：

1)本发明催化剂下料管，其结构较为合理。由于催化剂下料管同时具有两个对称的侧接口，使用时两个对称的侧接口中的一个靠近反应器中心管，能减小下流面附近贴壁效应造成的催化剂滞留死区，而两个对称的侧接口中的另一个靠近反应器扇形筒能发挥中心下料的优势，减小上流面处催化剂流动死区，使反应器内催化剂颗粒流型更接近平推流，同时显著提高反应器有效体积利用率；

2)本发明的新型催化剂下料管结构较为简单，制造安装难度较低，对于不同装置规模的移动床径向反应器，只需改变下料管尺寸及相关结构参数，就能达到较好的应用效果，即对不同规模的移动床径向反应器具有较好的适应性；本发明的两种催化剂下料管除可用于上述向心∏型移动床径向反应器外，还可用于各种常见向心Z型、离心∏型及离心Z型移动床径向反应器。本发明的两种催化剂下料管特别适用于甲醇制烯烃以及催化重整过程所使用的移动床径向反应器，也可用于其他一些烃类原料催化转化以及吸附脱附过程中所使用的移动床径向反应器，适用范围较广，具有较大实用价值与经济意义；

3)本发明的新型催化剂下料管能显著减小运行过程中反应器内的催化剂流动死区，从而有效避免反应器中的滞流催化剂由于深度结焦而造成反应器飞温或者挤压反应器扇形筒或中心管而引起反应器关键内构件的变形。这对于维持移动床径向反应器以及整个操作单元的长期稳定运行具有重要意义。

附图说明

图1是本发明中Y型催化剂下料管的正视示意图；

图2是本发明中Y型催化剂下料管的俯视示意图；

图3是现有催化剂下料管的正视示意图(a图)和俯视示意图(b图)；

图4是采用现有催化剂下料管时的颗粒流型图；

图5是采用Y型催化剂下料管时的颗粒流型图；

图6是本发明包括Y型催化剂下料管的甲醇制烯烃向心型移动床径向反应器的示意图。

具体实施方式

结合附图与具体实施方式对本发明催化剂下料管作进一步详细说明。附图与具体实施方式不限制本发明要求保护的范围。

实施例1

如图1和图2所示，本发明催化剂下料管，包括导流筒9和两个分别与导流筒9的同一筒口连通且呈对称设置的侧接口。导流筒9两端未封闭。

导流筒9的横截面为圆形。催化剂下料管沿导流筒9的中心轴线对称。

侧接口的端口面积从与导流筒9的连接处开始逐渐增大，具体可设置为：侧接口包括等腰梯形状的顶板7、等腰梯形状的底板8以及连接顶板7与底板8的两个直角梯形状的侧板10；顶板7的上底边、底板8的上底边以及两个侧板10的倾斜腰均与导流筒9的筒口连接；顶板7的下底边、底板8的下底边以及两个侧板10的直角腰形成一个矩形的承接端口。顶板7、底板8、导流筒9及侧板10为实心材质，板厚均为0.5～5mm。

矩形的承接端口的长度、导流筒9的直径与矩形的承接端口的宽度之比为2～20∶0.25～4∶1。侧接口的空腔的横截面为宽度相等的矩形，下料管侧接口顶部即承接端口为空腔最大横截面处，该处矩形截面即矩形的承接端口的长度L根据现有反应器的尺寸设置一般可为50～1000mm，导流筒9的直径根据现有反应器的尺寸设置一般可为6～200mm。

侧接口的顶板7与导流筒(9)筒口所在平面(即催化剂下料管使用时的水平面)之间的夹角α与底板8与导流筒(9)筒口所在平面(即催化剂下料管使用时的水平面)之间的夹角β相等，均为30°，催化剂下料管呈Y型。

两个侧接口内的空腔以及导流筒9均为催化剂流动通道。

催化剂下料管所有部件的材料一般采用耐热不锈钢，如Cr₅Mo等，各部件之间一般采用焊接方式连接。

实施例2

如图6所示，本发明采用实施例1中的Y型催化剂下料管的连续催化重整径向反应器，反应器由上部封头11、圆筒形反应器筒体12及底部封头13构成反应器外部壳体。在反应器的外部壳体上设有气体入口管14和气体出口管15，其中气体入口管14设于上部封头11上。反应器筒体12的中心轴线上设置有与反应器筒体12同轴的中心管16，气体出口管15和中心管16相通。反应器筒体12内壁均匀设置有多个扇形筒17，沿扇形筒17与中心管16之间的环隙内周向均匀设置有8根沿中心管16圆周均匀分布的实施例1中的Y型催化剂下料管26(如图1和图2所示)。中心管16和扇形筒17之间的环形空间18内装填有催化剂，为催化剂流动通道。当气体流动形式为向心流动时，各扇形筒17内为气体物料分流流道19，中心管16内则为气体物料集流流道20。在中心管16、扇形筒17以及环形空间18顶部设置有盖板21，盖板21位于反应器上部，与反应器上部封头11之间的空间为气体流动通道22。反应器盖板21上设置有依次连接的催化剂入口管与催化剂分配器23，催化剂入口管穿过盖板21进入环形空间18。扇形筒17底部封闭，顶部与气体流动通道22相通，置于支撑环24上。

在操作过程中，气体物料由气体入口管14进入反应器上部的气体流动通道22，再经各扇形筒17径向流入环形空间18内的催化剂床层，与催化剂发生反应后，气体物料由环形空间18流入中心管16，再经气体出口管15流出反应器。而催化剂则经催化剂分配器23和催化剂入口管进入环形空间18的催化剂床层，在重力作用下沿反应器轴向移动，由催化剂下料管26排出反应器。反应器内催化剂和气体物料两相错流流动，气体流动形式为∏型。图6中的箭头表示气体的流动方向。

上述连续催化重整径向反应器及其各部件的结构，除催化剂下料管26采用实施例1中的Y型催化剂下料管以外，其余部件均为常规部件，催化剂下料管26的布置方式、反应器的操作过程以及操作条件也为常规方式或条件，因此只进行上述简要说明。

所采用的实施例1中的催化剂下料管26，其中，板厚均为5mm。矩形的承接端口的长度、导流筒9的直径与矩形的承接端口的宽度之比为2∶0.25∶1。矩形的承接端口的长度L为50mm，导流筒的直径为6.25mm。

催化剂下料管26的一个侧接口靠近反应器中心管16下流面，另一个侧接口靠近反应器扇形筒17。侧接口与中心管的距离为10mm。

在连续催化重整过程中，气体反应物为轻石脑油、氢气与回炼烃的混合物，反应温度为450～550℃，压力为0.3～1.0MPa，体积空速为1.0～3.0h^-1，连续催化重整催化剂颗粒形状为球形，颗粒粒径范围为Φ1.4～2.0mm。

该连续催化重整径向反应器中催化剂在二维移动床径向反应器冷模装置中的流型分布如图5，从左到右分别为颗粒流动0s、120s、240s、360s、480s、600s、720s时所拍摄的示踪颗粒照片。改进后的反应器颗粒流型分布除了靠近上流面与下流面壁面处的催化剂由于壁面效应而使移动速度偏慢以外，反应器内大部分催化剂基本也是保持平推流下移的趋势，在靠近下料管接口处呈现上拱弧形的颗粒流型。由图5中流动时间为720s时的示踪颗粒照片可看出，采用Y型催化剂下料管时，原本位于床层左下方的大面积三角形流动死区基本消失，虽然主体床层底部仍存在上拱弧形流动死区，但死区面积已大大减小，反应器的有效体积利用率得到显著提高。

实施例3

本发明采用实施例1中的Y型催化剂下料管的移动床甲醇制烯烃径向反应器，除了将实施例2中采用的连续催化重整径向反应器替换为移动床甲醇制烯烃径向反应器，其它结构均同实施例2。

上述移动床甲醇制烯烃径向反应器及其各部件的结构，除催化剂下料管26采用实施例1中的Y型催化剂下料管以外，其余部件均为常规部件，催化剂下料管26的布置方式、反应器的操作过程以及操作条件也为常规方式或条件，因此只进行上述简要说明。

所采用的实施例1中的催化剂下料管26，其中，催化剂下料管26的根数为20根，板厚均为0.5mm。矩形的承接端口的长度、导流筒9的直径与矩形的承接端口的宽度之比为20∶4∶1。矩形的承接端口的长度L为1000mm，导流筒的直径为200mm。

催化剂下料管26的一个侧接口靠近反应器中心管16下流面，另一个侧接口靠近反应器扇形筒17。侧接口与中心管的距离为50mm。

在甲醇制烯烃过程中，气体反应物为甲醇、二甲醚与水的混合物，反应温度为400～500℃，压力为0.1～0.2MPa，体积空速为0.5～3.0h^-1，甲醇制烯烃催化剂颗粒形状为球形，颗粒粒径范围为Φ1.4～2.0mm。

该移动床甲醇制烯烃径向反应器中催化剂在二维移动床径向反应器冷模装置中的流型分布与图5近似，颗粒流动0s、120s、240s、360s、480s、600s、720s时所拍摄的示踪颗粒照片显示：改进后的反应器颗粒流型分布除了靠近上流面与下流面壁面处的催化剂由于壁面效应而使移动速度偏慢以外，反应器内大部分催化剂基本也是保持平推流下移的趋势，在靠近下料管接口处呈现上拱弧形的颗粒流型。由流动时间为720s时的示踪颗粒照片可看出，采用Y型催化剂下料管时，原本位于床层左下方的大面积三角形流动死区基本消失，虽然主体床层底部仍存在上拱弧形流动死区，但死区面积已大大减小，反应器的有效体积利用率得到显著提高。

对比例1

除了将实施例2中采用的实施例1中的Y型催化剂下料管替换为如图3所示的现有催化剂下料管之外其它均同实施例2。

采用如图3所示的现有催化剂下料管的径向反应器中催化剂在二维移动床径向反应器冷模装置中的流型分布如图4所示，从左到右分别为颗粒流动0s、120s、240s、360s、480s、600s、720s时所拍摄的示踪颗粒照片。由示踪颗粒带随着时间的变化趋势可看出，催化剂在二维移动床中偏流现象较严重，呈现出倒三角形的流动形式。下料管接口正上方的颗粒流动速度相对最快，这对缓解下流面处的贴壁现象较为有利，但由图4中流动时间为720s时的示踪颗粒照片也可看出，反应器上流面至下料管接口处存在一较大的三角形流动死区，同时实验观察结果也可证明，该区域内的催化剂处于静止不动的状态，大大减小了反应器的有效利用体积。

Claims (6)

1.一种包括催化剂下料管的移动床径向反应器，其特征在于，所述的催化剂下料管，包括导流筒和侧接口，所述的侧接口有2个，分别与所述的导流筒(9)的同一筒口连通且呈对称设置；所述的导流筒(9)的横截面为圆形或中心对称多边形；

所述的催化剂下料管沿导流筒(9)的中心轴线对称；

所述的催化剂下料管在移动床径向反应器内沿反应器中心筒周向均匀设置8～20根，其中下料管侧接口靠近反应器中心管或扇形筒，并且侧接口与中心管或扇形筒的距离为10～50mm。

2.根据权利要求1所述的包括催化剂下料管的移动床径向反应器，其特征在于，所述的侧接口的端口面积从与导流筒(9)的连接处开始逐渐增大。

3.根据权利要求1所述的包括催化剂下料管的移动床径向反应器，其特征在于，所述的侧接口包括梯形的顶板(7)、梯形的底板(8)以及连接顶板(7)与底板(8)的两个侧板(10)；所述的顶板(7)的上底边、底板(8)的上底边以及两个侧板(10)的一边均与导流筒(9)的部分筒口连接；所述的顶板(7)的下底边、底板(8)的下底边以及两个侧板(10)的另一边形成一个四边形的承接端口。

4.根据权利要求3所述的包括催化剂下料管的移动床径向反应器，其特征在于，所述的顶板(7)和底板(8)均为等腰梯形，所述的顶板(7)的下底边、底板(8)的下底边和两个侧板(10)的另一边形成一个矩形的承接端口。

5.根据权利要求4所述的包括催化剂下料管的移动床径向反应器，其特征在于，所述的矩形的承接端口的长度、导流筒(9)的直径与矩形的承接端口的宽度之比为2～20：0.25～4：1。

6.根据权利要求3所述的包括催化剂下料管的移动床径向反应器，其特征在于，所述的侧接口的顶板(7)与导流筒(9)筒口所在平面之间的夹角α为30°～90°，所述的侧接口的底板(8)与导流筒(9)筒口所在平面之间的夹角β为30°～90°，夹角α与夹角β相同或不同。