CN103769005B - 一种列管式固定床反应器 - Google Patents

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Abstract

一种列管式固定床反应器，所述的反应器包括反应器壳体、反应器上下管板（4、8）、反应管（5）、折流板（7），所述的反应管（5）分别由反应器上管板（4）和反应器下管板（8）固定排列在反应器筒体（6）内，所述的反应管（5）的管壁由多孔表面层和光滑表面层组成。由于反应管采用了多孔表面层与光滑表面层的结合，既能强化换热速率又能减少对催化剂的磨损，可以解决现有反应器轴向、径向温度梯度大的问题，能降低反应器热点温度，避免局部过热导致的催化剂失活和结焦，使工艺操作具有更好的安全性。

Description

一种列管式固定床反应器
技术领域
本发明涉及一种列管式固定床反应器，具体地说，是一种适用于强放热反应的反应器，属于化工设备技术领域。
背景技术
列管式固定床反应器是化工常用反应器形式，即在桶形容器中安排多个反应管管束，这样管程和壳程可以分别作为反应或导热的场所。此类反应器广泛应用于多相催化反应过程，该反应过程的特点是反应速度快，而且通常伴随大量的反应热产生。产生的热量必须即时有效的从催化剂上导出，以免发生因温度失控引起的催化剂烧结、副反应增多等不利影响。目前工业上采用的列管式反应器基本为壳层外循环换热的方式，催化剂装填在管束中，反应原料与催化剂接触发生反应，冷却介质从反应器壳层通过，在反应管壁进行换热将反应热导出。这种形式只适用于放热量小的反应，如果反应放热剧烈，热量的导出会受到反应管传热的限制，从而在反应管轴向和径向内形成较大的温度梯度，有可能使催化剂因局部过热结焦、副反应增多、催化剂利用率下降。例如采用固定床反应器的费托合成反应，因反应放热产生的反应管轴向和径向温差分别达到20℃和10℃以上，使部分催化剂处于高温、副反应严重的状态，而部分催化剂处于较低温度无法发挥正常性能的状态。
有关强化列管反应器传热的研究很多，主要通过提高介质流速、采用横流、增加流体的扰动和混合、增加换热面表面等方法可以得到不同程度的强化传热效果。虽然也可以通过减少反应管管径的方法增加单位体积催化剂的传热面积，但这样会减少反应器体积利用率和增加反应器压降。
CN201269705Y公开了一种增加内外翅片强化传热的换热器。在管内外增加翅片可以增加换热面积强化传热。
CN101209401A公开了一种壳程多腔式固定床反应器。该发明的壳体内在上管板和下管板之间沿壳体轴向设置两个壳程挡板，壳程挡板将壳体分为三个腔体，其两侧的腔体内设置反应管，两侧的腔体内设置由半园形的三块折流板，因而管间热交换介质的流动形式为错流兼平行流。
CN1736574A公开了一种无热点列管式固定床反应器。其技术特点式反应器列管中的每只管采用套管结构，内管两端封闭，在套管间隙中装填催化剂形成催化剂床层，冷却介质同时流过内管管程和反应器壳程。该发明在无需增加列管数量的条件下，可大幅度增加列管式固定床反应的换热面积，同时缩短传热路径。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于强放热多相催化反应的列管式固定床反应器，以解决现有技术中列管式反应器中轴向、径向温度梯度大的问题。
本发明所述的反应器包括反应器壳体、反应器上下管板（4、8）、反应管5、折流板7，所述的反应管5分别由反应器上管板4和反应器下管板8固定排列在反应器筒体6内，所述的反应管5的管壁由多孔表面层和光滑表面层组成。
所述的反应管5的管壁由两层组成，为多孔表面层和光滑表面层，接触冷却介质的表面为多孔表面层，接触催化剂的表面为光滑表面层。如催化剂装填在反应管内，则所述反应管5的管壁的外表面为多孔表面层，内表面为光滑表面层。冷却介质流过反应器壳程将反应产生的热量带出反应器，折流板按照一定间距分布在反应器中间。
所述反应管5多孔表面层的厚度为0.1~0.5mm，所述多孔表面层均匀分布多个小孔，小孔可为规则图形，也可为不规则图形，其等效孔径为0.02~0.5mm，开孔面积率为50%~80%，优选所述多孔表面层的厚度为0.2~0.4mm，等效孔径为0.05~0.4mm，开孔面积率为55%~75%。所述的开孔面积率是指，以无孔情况下的外表面积为基准，所有小孔面积之和占整体表面层的外表面积的比率。
所述光滑表面层的厚度为1~8mm。
所述的反应管5可以采用烧结、喷涂、电镀、和机械加工等任何方式制造。
所述的多孔表面层为合金材质，选自Fe、Ni、Cr、Mo、Mn、Ti、Cu、W、V、Nb金属的一种或几种，并包含其它有促进作用的非金属元素P、S、C、Si中的一种或几种。
所述的列管式固定床反应器，反应器中可以排列有100～10000根反应管5，每根反应管的内直径为20～60mm，优选为25～50mm，长度为4～15m，优选为6～12m。
所述的反应器壳体由反应器上封头3、反应器筒体6、反应器下封头9组成，反应器上封头3上设置反应器进料口1和进料分布器2，反应器下封头9上设置反应器出料口10，在反应器筒体的上部设置冷却介质出口12，在反应器筒体的下部设置冷却介质入口11。
所述的列管式固定床反应器，采用的冷却介质可以是纯净水、油、融盐、水蒸汽、常规气体等。
本发明具有以下优点：管程-壳程传热得到了强化，反应器结构简单容易实现。反应管采用的多孔表面层与光滑表面层的结合，既能强化换热速率又能减少对催化剂的磨损，采用本发明后可以解决现有反应器轴向、径向温度梯度大的问题，降低反应器热点温度，避免局部过热导致的催化剂失活和结焦，使工艺操作具有更好的安全性。
附图说明
图1是本发明提供的列管式固定床反应器结构示意图。
图2是采用本发明反应器在费托合成反应中使用的流程示意图。
图3是本发明实施例和对比例中催化剂床层温度分布图。
图1中：1—反应器进口；2—进料分布器；3—反应器上封头；4—上管板；5—多孔表面反应管；6—反应器筒体；7—折流板；8—下管板；9—反应器下封头；10—反应器出口；11—冷却介质入口；12—冷却介质出口。
图2中：1—合成气；2—循环气；3—反应器；4—热高压分离器；5—热低压分离器；6—冷高压分离器；7—冷低压分离器；8—循环压缩机；9—汽包；10—循环水泵；11—合成重质烃；12—合成废水；13—合成轻油；14—瓦斯气；15—尾气排放；16—汽包蒸汽排放。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所提供的方法予以进一步的说明，但本发明并不因此受到任何限制。
图1是本发明提供的列管式固定床反应器结构示意图。
所述的反应器包括反应器壳体、反应器上下管板（4、8）、反应管5、折流板7，所述的反应管5分别由反应器上管板4和反应器下管板8固定排列在反应器筒体6内，所述的反应管5的管壁由多孔表面层和光滑表面层组成。所述的反应器壳体由反应器上封头3、反应器筒体6、反应器下封头9组成，反应器上封头3上设置反应器进料口1和进料分布器2，反应器下封头9上设置反应器出料口10，在反应器筒体的上部设置冷却介质出口12，在反应器筒体的下部设置冷却介质入口11。
反应物料从反应器进料口1引入，经过进料分布器2后，进入装有催化剂的反应管5中，反应原料与催化剂接触后发生反应，未消耗完的反应原料与反应产物从反应管5下端流出，经反应器出料口10导出。冷却介质从冷却介质入口11进入反应器壳程，在折流板7的限制下形成横向和纵向的流动，反应产生的热量经过反应管5管壁传递给冷却介质，吸热后的冷却介质从冷却介质出口12导出反应器。
图2是采用本发明反应器在费托合成反应中应用的流程示意图。图中省略了许多设备，如换热器、控制阀等，但这对本领域普通技术人员是公知的。经过净化的氢气和一氧化碳（合成气）原料气1与循环气2混合后从反应器3上部导入，进入装有催化剂的反应管中，与催化剂接触后发生费托合成反应。未消耗完的合成气与反应产物从反应器下部导出反应器，经过换热后进入热高压分离器4进行气液分离。重质合成油从热高压分离器4底部导出，进入热低压分离器5，在热低压分离器分离出的重质合成油经管线11导出，瓦斯气进入瓦斯管线14。未反应的合成气、和未液化的产物从热高压分离器4的上部导出，经过换热后进入冷高压分离器6进行气液分离。分离出的未反应的合成气与气相烃类从冷高压分离器6上部导出后分为两部分，一部分15抽出装置，另一部分经由压缩机8增压作为循环气返回反应器3入口。冷高压分离器6分离出的轻质合成油进入冷低压分离器7中进行油水分离，所得的轻质合成油13导出系统，分离出的水和冷高压分离器6分离出的水汇合12导出系统，瓦斯气进入瓦斯管线14。锅炉水由水泵10泵入反应器壳程，在折流板的限制下形成横向和纵向的流动，反应产生的热量经过反应管管壁传递给锅炉水，水部分气化后气液两相流从上出口导出反应器，进入汽包9，通过控制汽包压力控制水的沸点温度，汽包9所得蒸汽16抽出系统。
下面结合实施例对本发明的方法予以进一步地说明，但并不因此而限制本发明。
实施例
本实施例采用图2所示流程和装置进行费托合成反应。反应器中设置300根内直径32mm的反应管，所述反应管管壁的外表面为多孔表面层，内表面为光滑表面层。多孔表面层为铁合金粉末烧结工艺制造，多孔表面层厚度0.3mm，开口面积率为60％，等效孔径0.07mm。光滑表面层的厚度为3mm。反应管中装填Co/Al2O3催化剂。所用的催化剂的制备过程如下：取氧化铝粉，滴加蒸馏水至初润湿，记下消耗水的体积，然后按钴含量（氧化物计）27重量％计算，配制出硝酸钴浸渍液。接着以此溶液浸渍氧化铝至初润湿，静置8小时，然后于120℃干燥4小时，在马福炉内450℃焙烧4小时制得催化剂。所得钴基费托合成催化剂的粒度范围0.5～1mm。
在工艺条件为：合成气体积空速500-1、氢气和一氧化碳摩尔比为2.0，反应压力3.0MPa，循环气体积空速2000-1，达到合成气转化率约95％时催化剂床层温度分布见图3，纵坐标为反应温度，横坐标为沿反应管分布的不同高度。
对比例
对比例采用图2所示流程和装置进行费托合成反应，但采用内直径32mm普通表面反应管。反应管中装填Co/Al2O3催化剂。所用的催化剂的制备过程如下：取氧化铝粉，滴加蒸馏水至初润湿，记下消耗水的体积，然后按钴含量（氧化物计）27重量％计算，配制出硝酸钴浸渍液。接着以此溶液浸渍氧化铝至初润湿，静置8小时，然后于120℃干燥4小时，在马福炉内450℃焙烧4小时制得催化剂。所得钴基费托合成催化剂的粒度范围0.5～1mm。
在工艺条件为：合成气体积空速500-1、氢气和一氧化碳摩尔比为2.0，反应压力3.0MPa，循环气体积空速2000-1，达到合成气转化率约95％时催化剂床层温度分布见图3，纵坐标为反应温度，横坐标为沿反应管分布的不同高度。
从图3可以看出，采用相同催化剂在达到相近反应活性的前提下，采用本发明的反应器，管程-壳程传热得到了强化，明显降低反应器轴向温度梯度，降低反应器热点温度，与对比例相比轴向温差由16℃降低为9℃，避免局部过热导致的催化剂失活和结焦，使产品中副产物甲烷的选择性降低了1.2个百分点。

Claims (7)

1.一种列管式固定床反应器，其特征在于，所述的反应器包括反应器壳体、反应器上下管板(4、8)、反应管(5)、折流板(7)，所述的反应管(5)分别由反应器上管板(4)和反应器下管板(8)固定排列在反应器筒体(6)内，所述的反应管(5)的管壁由多孔表面层和光滑表面层组成，所述反应管(5)管壁的外表面为多孔表面层，内表面为光滑表面层，所述反应管(5)多孔表面层的厚度为0.1～0.5mm，等效孔径为0.02～0.5mm，开孔面积率为50％～80％。
2.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应管(5)多孔表面层的厚度为0.2～0.4mm，等效孔径为0.05～0.4mm，开孔面积率为55％～75％。
3.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的光滑表面层的厚度为1～8mm。
4.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的反应器中排列有100～10000根反应管，每根反应管的内直径为20～60mm，长度为4～15m。
5.按照权利要求4所述的反应器，其特征在于，所述的反应管的内直径为25～50mm，长度为6～12m。
6.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的多孔表面层为合金材质，选自Fe、Ni、Cr、Mo、Mn、Ti、Cu、W、V、Nb金属的一种或几种，并包含其它有促进作用的非金属元素P、S、C、Si中的一种或几种。
7.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，反应器壳体由反应器上封头(3)、反应器筒体(6)、反应器下封头(9)组成，反应器上封头(3)上设置反应器进料口(1)和进料分布器(2)，反应器下封头(9)上设置反应器出料口(10)，在反应器筒体的上部设置冷却介质出口(12)，在反应器筒体的下部设置冷却介质入口(11)。
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