CN103657536A - 一种用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器 - Google Patents
一种用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，包括反应器壳体、该反应器壳体顶部设置的原料气入口、底部设置的产品气出口，在反应器壳体内设有至少一个轴向反应段，一个径向反应段和段间激冷段，所述的段间激冷段位于轴向反应段与径向反应段之间。与现有技术相比，本发明易于实现大型化、能够有效控制反应温度、降低床层压降，从而获得能量利用率高、生产能力大，同时可以有效降低前换热器的设计和操作难度，提高反应热的利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种丁烯氧化脱氢反应器的设计，尤其是涉及一种丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，主要用于工业制备丁二烯领域。
背景技术
丁二烯是最简单的具有共轭双键的二烯烃，易发生齐聚和聚合反应，也易与其它具有双键的不饱和化合物共聚，主要用来生产顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶及ABS树脂等，同时也是一种重要的涂料和有机化工原料。受乙烯裂解装置原料轻质化的影响，抽提法新增的丁二烯产能将越来越难以满足需求。丁烯氧化脱氢以其较高的转化率与选择性逐渐成为丁二烯的主要生产路线之一。
丁烯氧化脱氢制丁二烯是在水蒸汽存在下，利用氧与丁烯分子中的氢结合，得到丁二烯和水。反应的主要影响因素有反应温度、反应压力、水烯比、氧烯比等。该反应为强放热反应，为保护催化剂和控制反应温度，反应过程中需要引入大量的水蒸汽，通常水蒸汽是原料丁烯的8～16倍(摩尔比)或更高。丁烯氧化脱氢对压力比较敏感，较低的压力有利于丁烯转化率和丁二烯选择性的提高。反应条件的选取与反应器设计息息相关，因此设计合适的丁烯氧化脱氢反应器对于整个丁烯氧化脱氢技术的应用至关重要。
专利CN102442874A公开了一种恒温固定床丁烯氧化脱氢制备丁二烯的方法，采用管壳式固定床反应器，其中管内装填催化剂，管间采用换热介质移热，由于丁烯氧化脱氢是强放热反应，并且反应温度为370℃～570℃，这样就为换热介质的选取与操作带来很大问题，同时大大增加了对设备承压与制造的要求，从而使设备费用大增。专利CN101367702公开了一种轴向固定床丁烯氧化脱氢制备丁二烯的方法，该方法采用两段轴向固定床反应器，丁烯原料、水蒸汽和空气分段进入，反应器出口通过加热水蒸汽而冷却，达到下一段反应器入口温度后进入下一段反应器，但是由于丁烯氧化脱氢反应对压力敏感，轴向固定床床层无法做得很高，导致装置规模放大横截面积过大，对设备现场加工及占地要求较高。专利CN103071429A与CN103071430A公开了一种用于丁烯氧化脱氢径向固定床反应器，其采用径向固定床反应器，催化剂装在分流道与集流道之间。虽然采用径向固定床反应器可以降低床层压降，易于实现大型化，但是该专利的能量利用率较低，同时造成前换热器负荷过大。
目前，工业上丁烯氧化脱氢制丁二烯装置普遍采用轴向固定床反应器，这种形式反应器结构简单，但随着生产规模的增大，轴向固定床反应器由于受到床层压降和反应器直径的限制而无法放大，目前主要采用增加反应器台数来解决生产能力，因此开发新型易于放大的反应器非常必要。此外，由于反应器出口温度高达570℃，为用来回收反应热的前换热器的设计与操作带来了极大的不便。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种易于实现大型化、能够有效控制反应温度、降低床层压降，从而获得能量利用率高、生产能力大的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，包括反应器壳体、该反应器壳体顶部设置的原料气入口、底部设置的产品气出口，其特征在于，在反应器壳体内设有至少一个轴向反应段，一个径向反应段和段间激冷段，所述的段间激冷段位于轴向反应段与径向反应段之间；
所述的轴向反应段包括轴向段筒体、轴向段原料进口，所述的轴向段筒体内装填有催化剂，其顶部设置轴向段原料进口，下部连接段间激冷段；
所述的段间激冷段安装有激冷喷淋系统，用于段间气体冷却并添加新的反应原料；
所述的径向反应段包括径向反应段筒体、气相外分布筒、气相内分布筒、换热器、径向段原料进口、径向段产物出口和原料激冷进口；所述的径向反应段筒体顶部设置径向段原料进口，底部设置径向段产物出口；所述的气相外分布筒与气相内分布筒之间设有催化剂床层，经该催化剂床层催化反应后的物流流向下游设有换热器；所述的激冷物质进口设置在径向反应段筒体侧壁，并连接所述激冷喷淋系统。
所述的激冷喷淋系统包括沿径向反应区规则排列的一组带喷嘴的喷淋管，激冷物质通过激冷物质进口进入喷淋管，再通过喷嘴喷射。
所述的激冷物质为原料与水的混合物，水是干净的脱盐水或者是水洗塔后的废水。
所述的换热器包括换热管、换热管进口和换热管出口，所述的换热管进口和换热管出口设置在径向反应段筒体上并与换热管相连；所述的换热管设置在径向反应段气相内分布筒中，或者设置在气相外分布筒与径向反应段筒体之间。
所述的气相外分布筒与气相内分布筒之间设有多层催化剂床层，各催化剂床层之间设有换热管。
所述的轴向反应段的高度范围为300～800mm。
所述的径向反应段的厚度范围为200～800mm。
所述的反应器壳体内设有一个轴向反应段和一个径向反应段，其中径向反应段为向心流动形式，轴向反应段设置在径向反应段的上端或下端。
所述的反应器壳体内设有一个轴向反应段和一个径向反应段，其中径向反应段为离心流动形式，轴向反应段设置在径向反应段的上端或下端。
所述的反应器壳体内设有一个轴向反应段和一个径向反应段，其中径向反应段为两层催化剂床层环套形式和向心流动形式，轴向反应段设置在径向反应段的上端或下端。
以上所述的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，可以一台单独使用，也可以多台串联、并联或混联使用，根据整体工艺要求，可以在相邻两台轴向径向复合式固定床催化反应器之间设置换热器。
与现有反应器相比，本发明综合了轴向反应器和径向反应器的优点，具有：
1.适应大型化生产装置，如年产10万吨丁二烯装置，只需两台直径约为3.6m，高约为9m的轴向径向复合反应器，而采用传统轴向固定床反应器约需要3～5套两级反应器。
2.能够有效控制反应温度，段间激冷可以方便的控制径向反应段的入口温度。
3.床层压降低，由于主要反应阶段在径向段，径向固定床可以有效的降低床层压降。
4.能量利用率高，在集流道布置换热管，有效利用反应热，可以降低前换热器负荷，降低前换热器的故障率。
5.生产能力大，采用轴向径向复合式反应器结构，可以有效提高反应器空间利用率，提高催化剂的装填量，提高生产能力。
6.本发明既可用于新建装置，也适用于原生产装置扩能改造。
附图说明
图1为上部设置轴向反应段、径向反应段为向心流动形式的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器示意图；
图2为下部设置轴向反应段、径向反应段为向心流动形式的的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器示意图；
图3为上部设置轴向反应段、径向反应段为离心流动形式的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器示意图；
图4为上部设置轴向反应段、径向反应段为两层催化剂床层环套的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器示意图。
其中，1为轴向反应段，2为径向反应段，3为反应器壳体，4为原料气入口，5为人孔，6为换热管进口，7为换热管出口，8为分流道，9为集流道，10为换热管，11为产品气出口，12为催化剂卸载口，13为原料激冷进口，14为脱盐水进口，15为激冷系统喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，包括圆柱形反应器壳体3、该反应器壳体顶部设置的原料气入口4，底部设置的产品气出口11，原料气入口4处设置有分布器，其在反应器壳体3内设有一个轴向反应段1，一个径向反应段2和段间激冷段，所述的段间激冷段位于轴向反应段1与径向反应段2之间；其中径向反应段2为向心流动形式，轴向反应段1设置在径向反应段2的上端。所述的轴向反应段的高度范围为300～800mm。所述的径向反应段的厚度范围为200～800mm。
所述的轴向反应段1包括轴向段筒体、轴向段原料进口，所述的轴向段筒体内装填有催化剂，其顶部设置轴向段原料进口，下部连接段间激冷段；
所述的段间激冷段安装有激冷喷淋系统，用于段间气体冷却并添加新的反应原料；所述的激冷喷淋系统包括沿径向反应区规则排列的一组带喷嘴15的喷淋管，以及设置在径向反应段筒体侧壁的激冷物质进口，所述的激冷物质进口包括原料激冷进口13和脱盐水进口14，激冷物质通过激冷物质进口进入喷淋管，再通过喷嘴喷射。所述的激冷物质为原料与水的混合物，水是干净的脱盐水。
所述的径向反应段2为向心流动形式，包括径向反应段筒体、气相外分布筒、气相内分布筒、换热器、径向段原料进口、径向段产物出口和原料激冷进口；所述的径向反应段筒体顶部设置径向段原料进口，底部设置径向段产物出口；所述的气相外分布筒与气相内分布筒之间设有催化剂，所述的换热器包括换热管10、换热管进口6和换热管出口7，所述的换热管进口6和换热管出口7设置在径向反应段筒体上并与布置在径向反应段气相内分布筒中的换热管10相连。径向反应段筒体与气相外分布筒之间形成分流道8，气相内分布筒内形成集流道9，换热管10位于集流道9内。
原料从原料气入口4进入轴向反应段1反应后，经段间激冷段补充原料并激冷，然后进入径向反应段2，从两侧分流道8进入催化剂床层进行反应，同时通过换热器换热，并从中间集流道9流出，最终产物从底部产品气出口11流出。
反应器壳体3上还设有人孔5和催化剂卸载口12。
实施例2
如图2所示，一种用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，包括圆柱形反应器壳体3、该反应器壳体顶部设置的原料气入口4，底部设置的产品气出口11，原料气入口4处设置有分布器，其在反应器壳体3内设有一个轴向反应段1，一个径向反应段2和段间激冷段，所述的段间激冷段位于轴向反应段1与径向反应段2之间；其中径向反应段2为向心流动形式，轴向反应段1设置在径向反应段2的下端。所述的轴向反应段的高度范围为300～800mm。所述的径向反应段的厚度范围为200～800mm。
所述的轴向反应段1包括轴向段筒体、轴向段原料进口，所述的轴向段筒体内装填有催化剂，其顶部设置轴向段原料进口，上部连接段间激冷段；
所述的段间激冷段安装有激冷喷淋系统，用于段间气体冷却并添加新的反应原料；所述的激冷喷淋系统包括沿径向反应区规则排列的一组带喷嘴15的喷淋管，以及设置在径向反应段筒体侧壁的激冷物质进口，所述的激冷物质进口包括原料激冷进口13和脱盐水进口14，激冷物质通过激冷物质进口进入喷淋管，再通过喷嘴喷射。所述的激冷物质为原料与水的混合物，水是干净的脱盐水。
所述的径向反应段2为向心流动形式，包括径向反应段筒体、气相外分布筒、气相内分布筒、换热器、径向段原料进口、径向段产物出口和原料激冷进口13；所述的径向反应段筒体顶部设置径向段原料进口，底部设置径向段产物出口；所述的气相外分布筒与气相内分布筒之间设有催化剂，所述的换热器包括换热管10、换热管进口6和换热管出口7，所述的换热管进口6和换热管出口7设置在径向反应段筒体上并与布置在径向反应段气相内分布筒中的换热管10相连。径向反应段筒体与气相外分布筒之间形成集流道9，气相内分布筒内形成分流道8，换热管10位于集流道9内。
原料从原料气入口4进入径向反应段2，从两侧分流道8进入催化剂床层进行反应，同时通过换热器换热，并从中间集流道9流出，再经段间激冷段补充原料并激冷，然后进入轴向反应段1，最终产物从底部产品气出口11流出。
反应器壳体3上还设有人孔5和催化剂卸载口12。
实施例3
如图3所示，一种用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，包括圆柱形反应器壳体3、该反应器壳体顶部设置的原料气入口4，底部设置的产品气出口11，原料气入口4处设置有分布器，其在反应器壳体3内设有一个轴向反应段1，一个径向反应段2和段间激冷段，所述的段间激冷段位于轴向反应段1与径向反应段2之间；其中径向反应段2为离心流动形式，轴向反应段1设置在径向反应段2的上端。所述的轴向反应段的高度范围为300～800mm。所述的径向反应段的厚度范围为200～800mm。
所述的轴向反应段1包括轴向段筒体、轴向段原料进口，所述的轴向段筒体内装填有催化剂，其顶部设置轴向段原料进口，下部连接段间激冷段；
所述的段间激冷段安装有激冷喷淋系统，用于段间气体冷却并添加新的反应原料；所述的激冷喷淋系统包括沿径向反应区规则排列的一组带喷嘴15的喷淋管，以及设置在径向反应段筒体侧壁的激冷物质进口，所述的激冷物质进口包括原料激冷进口13和脱盐水进口14，激冷物质通过激冷物质进口进入喷淋管，再通过喷嘴喷射。所述的激冷物质为原料与水的混合物，水是干净的脱盐水。
所述的径向反应段2为离心流动形式，包括径向反应段筒体、气相外分布筒、气相内分布筒、换热器、径向段原料进口、径向段产物出口和原料激冷进口13；所述的径向反应段筒体顶部设置径向段原料进口，底部设置径向段产物出口；所述的气相外分布筒与气相内分布筒之间设有催化剂，所述的换热器包括换热管10、换热管进口6和换热管出口7，所述的换热管进口6和换热管出口7设置在径向反应段筒体上并与换热管10相连，径向反应段筒体与气相外分布筒之间形成集流道9，气相内分布筒内形成分流道8，换热管10位于集流道9内。
原料从原料气入口4进入轴向反应段1反应后，经段间激冷段补充原料并激冷，然后进入径向反应段2，从中间分流道8进入催化剂床层进行反应，并从两侧集流道9流出，同时通过换热器换热，最终产物从底部产品气出口11流出。
反应器壳体3上还设有人孔5和催化剂卸载口12。
实施例4
如图4所示，一种用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，包括圆柱形反应器壳体3、该反应器壳体顶部设置的原料气入口4，底部设置的产品气出口11，原料气入口4处设置有分布器，其在反应器壳体3内设有一个轴向反应段1，一个径向反应段2和段间激冷段，所述的段间激冷段位于轴向反应段1与径向反应段2之间；其中径向反应段2为向心流动形式，轴向反应段1设置在径向反应段2的上端。所述的轴向反应段的高度范围为300～800mm。所述的径向反应段的厚度范围为200～800mm。
所述的轴向反应段1包括轴向段筒体、轴向段原料进口，所述的轴向段筒体内装填有催化剂，其顶部设置轴向段原料进口，下部连接段间激冷段；
所述的段间激冷段安装有激冷喷淋系统，用于段间气体冷却并添加新的反应原料；所述的激冷喷淋系统包括沿径向反应区规则排列的一组带喷嘴15的喷淋管，以及设置在径向反应段筒体侧壁的激冷物质进口，所述的激冷物质进口包括原料激冷进口13和脱盐水进口14，激冷物质通过激冷物质进口进入喷淋管，再通过喷嘴喷射。所述的激冷物质为原料与水的混合物，水是干净的脱盐水。
所述的径向反应段2为向心流动形式，包括径向反应段筒体、气相外分布筒、气相内分布筒、换热器、径向段原料进口、径向段产物出口和原料激冷进口；所述的径向反应段筒体顶部设置径向段原料进口，底部设置径向段产物出口；所述的气相外分布筒与气相内分布筒之间设有两层催化剂床层，各催化剂床层之间设有换热器；所述的换热器包括换热管10、换热管进口6和换热管出口7，所述的换热管进口6和换热管出口7设置在径向反应段筒体上并与布置在径向反应段两层催化剂床层间的换热管10相连。径向反应段筒体与气相外分布筒之间形成分流道8，气相内分布筒内形成集流道9。
原料从原料气入口4进入轴向反应段1反应后，经段间激冷段补充原料并激冷，然后进入径向反应段2，从两侧分流道8进入外层催化剂床层进行反应，再通过换热器换热后进入内层催化剂床层继续反应，然后从中间集流道9流出，最终产物从底部产品气出口11流出。
反应器壳体3上还设有人孔5和催化剂卸载口12。
实施例5
所述的反应器壳体内设有一个轴向反应段和一个径向反应段，其中径向反应段为离心流动形式，轴向反应段设置在径向反应段的下端。其余同实施例3。
实施例6
所述的反应器壳体内设有一个轴向反应段和一个径向反应段，其中径向反应段为两层催化剂床层环套形式和向心流动形式，轴向反应段设置在径向反应段的下端。其余同实施例4。
Claims (10)
1.一种用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，包括反应器壳体、该反应器壳体顶部设置的原料气入口、底部设置的产品气出口，其特征在于，在反应器壳体内设有至少一个轴向反应段，一个径向反应段和段间激冷段，所述的段间激冷段位于轴向反应段与径向反应段之间；
所述的轴向反应段包括轴向段筒体、轴向段原料进口，所述的轴向段筒体内装填有催化剂，其顶部设置轴向段原料进口，下部连接段间激冷段；
所述的段间激冷段安装有激冷喷淋系统，用于段间气体冷却并添加新的反应原料；
所述的径向反应段包括径向反应段筒体、气相外分布筒、气相内分布筒、换热器、径向段原料进口、径向段产物出口和原料激冷进口；所述的径向反应段筒体顶部设置径向段原料进口，底部设置径向段产物出口；所述的气相外分布筒与气相内分布筒之间设有催化剂床层，经该催化剂床层催化反应后的物流流向下游设有换热器；所述的激冷物质进口设置在径向反应段筒体侧壁，并连接所述激冷喷淋系统。
2.根据权利要求1所述的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，其特征在于，所述的激冷喷淋系统包括沿径向反应区规则排列的一组带喷嘴的喷淋管，激冷物质通过激冷物质进口进入喷淋管，再通过喷嘴喷射。
3.根据权利要求2所述的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，其特征在于，所述的激冷物质为原料与水的混合物，水是干净的脱盐水或者是水洗塔后的废水。
4.根据权利要求1所述的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，其特征在于，所述的换热器包括换热管、换热管进口和换热管出口，所述的换热管进口和换热管出口设置在径向反应段筒体上并与换热管相连；所述的换热管设置在径向反应段气相内分布筒中，或者设置在气相外分布筒与径向反应段筒体之间。
5.根据权利要求1所述的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，其特征在于，所述的气相外分布筒与气相内分布筒之间设有多层催化剂床层，各催化剂床层之间设有换热管。
6.根据权利要求1所述的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，其特征在于，所述的轴向反应段的高度范围为300～800mm。
7.根据权利要求1所述的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，其特征在于，所述的径向反应段的厚度范围为200～800mm。
8.根据权利要求1所述的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，其特征在于，所述的反应器壳体内设有一个轴向反应段和一个径向反应段，其中径向反应段为向心流动形式，轴向反应段设置在径向反应段的上端或下端。
9.根据权利要求1所述的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，其特征在于，所述的反应器壳体内设有一个轴向反应段和一个径向反应段，其中径向反应段为离心流动形式，轴向反应段设置在径向反应段的上端或下端。
10.根据权利要求1所述的用于丁烯氧化脱氢的轴向径向复合式固定床催化反应器，其特征在于，所述的反应器壳体内设有一个轴向反应段和一个径向反应段，其中径向反应段为两层催化剂床层环套形式和向心流动形式，轴向反应段设置在径向反应段的上端或下端。
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