CN103962063A - 一种固定床反应器 - Google Patents
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Abstract
一种固定床反应器，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）的内表面光滑，外表面具有凹槽。由于采用了凹槽表面反应管，管程-壳程传热得到了强化，反应器结构简单容易实现；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，明显提高反应选择性，使工艺操作具有更好的安全性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种固定床反应器，具体地说，是一种适用于强放热反应的列管式固定床反应器，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，反应器的管程和壳程可以分别作为反应或导热的场所。目前工业上采用的列管式反应器采用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。因此，对于费托合成来说，能够采用强化传热或者低温度梯度的反应器，将对改善反应行为和提高催化性能有十分直接的作用，进而提高该技术的先进性和经济性。
Q=K*A*ΔT (1)
从传热方程(1)可知，热量传递的能力Q，主要与传热系数K、换热面积A以及传热面温度差ΔT相关联。在常规换热器设计中，为了达到强化传热的目的，可以更换换热器介质改善传热系数，采用小尺寸管或其它措施增加换热面积，也可以增加传热温差提高热通量。例如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。
研究人员借鉴换热器进行了较多强化换热器传热的研究，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。
CN101186550A采用尾气循环的方法，将通过反应管后未反应的原料气和部分气相产品，由压缩机循环至反应器入口，这样做提高了反应管内流体的流速，增加了反应管内扰动和混合，可以改善反应管内外的传热。
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圆形的三块折流板，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。
但是，列管式反应器与换热器具有较大的差别，首先是换热器多采用直径小、壁薄换热管，一般为直径16mm、19mm或者25mm三个型号，管壁厚度一般为1mm、1.5mm、2mm以及2.5mm、内外物料流速大，多为气相或液相物料，而反应管一般为25～50mm管径，壁厚在2mm以上，由于管内有催化剂，内部物料流速小，内部的固定的催化剂颗粒对传热影响较大。其次，换热器表面过热度大，一般超过5℃，管内外温差可以达到50℃，而费托合成反应管表面过热度要求越低越好，特别是对温度敏感的反应。另外换热管内外没有化学反应，换热处于稳定状态，而反应管内热量与反应状态有关，随多种因素变化，对热量传导要求更高。第三，换热器换热热流密度较大，通常在20～100KW/m2，而用于费托合成的反应器热流密度不超过20KW/m2，用换热器的强化传热方法，例如增加沸腾核心、降低表面湿润性等，对于反应器传热的强化效果不明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于固定床费托合成的列管式固定床反应器，通过强化管程-壳程的传热过程，解决现有反应器轴向、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的内表面光滑，外表面具有凹槽。
所述的反应管5为碳素结构钢或奥氏体不锈钢，内表面光滑，外表面经过冷、热机械加工形成有一定规律的螺旋型凹槽。催化剂装填在反应管5内，冷却介质流过反应器壳程，即与反应管的外表面接触，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外表面凹槽的特征参数为：每米有200～2000个槽，槽深0.5～1.5mm，槽宽0.2～1.0mm。优选，每米有300～800个槽，槽深1.0～1.2mm，槽宽0.5～0.8mm，螺旋升角为3~5°。凹槽截面可以为T形、矩形、梯形、三角形、锯齿形。
所述反应管5的上下两端具有200～500mm的光管部分。
反应器上下管板（4、8）与反应管5的上下两端的光管部分连接。
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，优选内直径为25～50mm，长度为4～15m，优选为6～12m。所述的反应管的管壁厚度为1~8mm。
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。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：由于采用了凹槽表面反应管，管程-壳程传热得到了强化，反应器结构简单容易实现；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，明显提高反应选择性，使工艺操作具有更好的安全性和经济性。
附图说明
图1是本发明提供的固定床反应器结构示意图。
图2是本发明提供的固定床反应器的反应管剖面示意图。
图3是本发明提供的固定床反应器在费托合成反应中使用的流程示意图。
图1中：1—反应器进料口；2—进料分布器；3—反应器上封头；4—上管板；5—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—反应器出料口；11—冷却介质入口；12—冷却介质出口。
图3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是本发明提供的固定床反应器结构示意图。如图1所示，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的内表面光滑，外表面具有凹槽。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是反应管的剖面示意图，D为反应管外径，d为反应管内径，外表面螺旋状凹槽。
图3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
本实施例采用附图1、2、3所示装置和流程进行费托合成反应。列管式固定床费托合成反应器中设置300个反应管，反应管采用外径38mm、壁厚3mm奥氏体不锈钢管材，外表面采用冷加工形成凹槽结构，每米管长包含500个凹槽，槽深1.2mm，槽平均宽度0.6mm，螺旋升角4.0°。
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。反应器主要温度参数和费托合成效果见表1。
表1
| 沿反应管轴向温度，℃ | |
| 测温点1 | 214.5 |
| 测温点2 | 215.6 |
| 测温点3 | 217.5 |
| 测温点4 | 216.9 |
| 测温点5 | 216.2 |
| 测温点6 | 215.6 |
| 轴向最大温差，℃ | 3.0 |
| 壳程循环水温度，℃ | 208.5 |
| 循环水量，m3/h | 29.5 |
| 反应管径向最大温差，℃ | 9.0 |
| 反应性能 | |
| CO转化率，％ | 95.2 |
| CH4选择性，％ | 8.6 |
| C5 +选择性，％ | 86.2 |
对比例
对比例采用图3所示流程进行费托合成反应，采用外径38mm、壁厚3mm奥氏体不锈钢管材作为反应管，反应管内外表面为没有经过加工光滑表面。
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。
表2
| 沿反应管轴向温度，℃ | |
| 测温点1 | 212.1 |
| 测温点2 | 216.4 |
| 测温点3 | 218.9 |
| 测温点4 | 217.4 |
| 测温点5 | 215.7 |
| 测温点6 | 213.9 |
| 轴向最大温差，℃ | 6.8 |
| 壳程循环水温度，℃ | 206.4 |
| 循环水量，m3/h | 29.5 |
| 反应管径向最大温差，℃ | 12.5 |
| 反应性能 | |
| CO转化率，％ | 94.5 |
| CH4选择性，％ | 10.7 |
| C5 +选择性，％ | 80.2 |
从实施例和对比例的数据可以看出，采用相同催化剂在达到相近反应活性的前提下，采用本专利提供的方法，反应器管程-壳程传热得到了强化，明显降低反应器轴向和纵向温度梯度，降低反应器热点温度，与对比例相比轴向温差由6.8℃降低为3℃，径向温差由12.5℃降低为9℃，避免局部过热导致的反应性能变差，使产品中副产物甲烷的选择性降低了2.1个百分点，特别值得注意的是C5 +选择性提高了6个百分点。
Claims (10)
1.一种固定床反应器，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）的内表面光滑，外表面具有凹槽。
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）外表面凹槽的特征参数为：每米有200～2000个槽，槽深0.5～1.5mm，槽宽0.2～1.0mm，螺旋升角为3~5°。
3.按照权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述反应管（5）外表面凹槽的特征参数为：每米有300～800个槽，槽深1.0～1.2mm，槽宽0.5～0.8mm。
4.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应管（5）的上下两端具有200～500mm的光管部分。
5.按照权利要求4所述的反应器，其特征在于，反应器上下管板（4、8）与反应管（5）的上下两端的光管部分连接。
6.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的反应管（5）管壁厚度为1~8mm。
7.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。
8.按照权利要求1所述的反应器，其特征在于反应管的内直径为20～60mm，长度为4～15m。
9.按照权利要求8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。
10.按照权利要求1或2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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |