CN104857896B - 一种固定床反应器的气相分布器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固定床反应器的气相分布器，其包括内套管、外套管；所述内套管包括主管和水平分布在主管两侧并与主管垂直相连的若干支管，所述主管和支管内部相互贯通，主管和支管上分别设有出气孔；所述外套管与内套管套接相连，且两套管之间留有间隙；所述外套管上设有出气孔，所述外套管与内套管上的出气孔位置一一对应；设有多个气相分布器支撑件和筋板，所述气相分布器支撑件通过筋板固定于固定床反应器内壁；所述内套管的支管通过外套管水平安置于气相分布器支撑件上。本发明结构简单、合理，避免了因传热造成的反应器内温度及气体分布不均匀问题。

Description

一种固定床反应器的气相分布器

技术领域

本发明涉及一种在化工行业中用于强放热或强吸热反应的多段进料的固定床反应器的段间进料气相分布器，特别涉及一种需段间加入物料以达到控制反应床层温度的反应器所用的带保温结构的气相分布器。

背景技术

固定床反应器是化工行业中应用非常广泛的一类反应器。其优点是：返混小，结构简单，催化剂损耗小，缺点是：传热差，操作时催化剂不能更换，需频繁再生。

强放热或强吸热的反应一般有反应前后温差大，需加入惰性介质来控制床层温度等特点。因此，强放热或强吸热的反应，会采用多段进料的固定床反应器进行，即催化剂分多床层填装，每个床层厚度基本相当或略有变化。顶端起始进料段注入少量原料，以引发催化反应发生，同时为了降低原料分压并控制床层温度，注入大量的高温惰性介质以充当热载体。各床层间分段注入反应原料和惰性介质，以控制下一床层的反应温度。此反应器的优点是可分段控制每个催化剂床层反应的原料量，有效控制反应进程，但随着原料的加入，越往反应器下部，气体体积流量越大，床层压降增加很快。

反应有合适的反应温度范围，超过或低于此反应温度会造成副产物的增多或是反应不充分的后果。特别是对于气相反应，反应器内气体流量和温度分布的均匀程度会极大的影响反应的进行。在多段进料的固定床反应器内，段间的反应原料一般通过反应器内的气相分布器来保证反应原料与反应器内的气体混合均匀，以保证反应器内同一平面上各点的换热均匀，从而保证反应器内的平面温差控制在合适的范围内，因此，段间气相分布器的设计对于反应的稳定运行，反应器的操作有着巨大的影响。

目前反应器内的段间气相分布器型式多样，但是通常采用气相分布器都只是考虑了物料的分布均匀，或者根据反应器的实际问题，进行防堵或是易清洗的设计，或者采用套管的形式，同时加入气液两种物流。

中国专利文献CN203494506U公开了一种新式气体气相分布器，其特点是简单实用，布气均匀，提高使用效果，防止液体倒灌，延长使用寿命，自清洁性能，降低了劳动强度，安全可靠。

中国专利文献CN19299908A公开了一种既能均匀分布气体，又能防止催化剂或者副产物堵塞气相分布器孔道的新型气体气相分布器。

中国专利文献CN103861531A提供了一种甲醇制丙烯反应器的冷却气相分布器，其分配管具有外套管和位于外套管中的内管，从而使得液相物料可以流经内管，而气相物料流经外套管和内套管之间的空间，两者在分配盘中混合后，通过喷嘴雾化喷出。

在装置的运行中会发现，即使气相分布器能保证反应原料和惰性介质加入时流量均匀分布，但反应器内同平面的温差仍难以控制在合理的温差范围内，而且越往反应器下部，平面温差越大。

这一现象产生的原因是，在同一床层内由于加入反应原料和惰性介质的目的之一是缓解反应的温升或温降，所以反应原料和惰性介质与反应器内物料的温差大，即气相分布器内外温差大。无论何种型式的气相分布器，反应原料和惰性介质加入后停留时间越长，流量更是逐孔减少，在气相分布器内外温差的影响下，分布管内介质的温度也在逐渐改变，且靠近进口的温度变化小，而远离进口处的温度变化大。因此，即使气相分布器保证了反应原料和惰性介质的流量分布均匀，但其温度已经存在不均匀性，即使与反应气体混合换热后，这种温度的不均匀性仍旧存在。

随着催化剂床层的增加，床层温度差加剧是由于随着催化剂层数的增加，反应气体量增加，反应气体流速增大，使得反应原料在气相分布器内的温度变化更明显。而且由于气相反应的反应器往往直径较大，段间反应原料和惰性介质的加入总是从同一侧加入，因此气相分布器内温度的变化问题持续积累，造成整个反应器内一侧的温度低于另一侧。

若加入的反应原料和惰性介质，需通过相变来换热时，还有可能造成反应原料在分布管内发生相变，影响到气相分布器的结构，更加加大床层温度差。

反应器内同平面温度差的加大不仅会严重影响催化剂的性能及寿命，严重者甚至会造成气相分布器结构的破坏。

鉴于上述气相分布器存在的问题，基于从事此类产品设计的经验及专业知识，对气相分布器进行改造，解决现有问题。

发明内容

为了克服固定床反应器中气相分布器内的介质不受外部反应气体温度的影响，本发明提供一种固定床反应器的气相分布器，其结构简单、合理，避免了因传热造成的反应器内温度及气体分布不均匀问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种固定床反应器的气相分布器，其包括内套管、外套管；所述内套管包括主管和水平分布在主管两侧并与主管垂直相连的若干支管，所述主管和支管内部相互贯通，主管和支管上分别设有出气孔；所述外套管与内套管套接相连，且两套管之间留有间隙；所述外套管上设有出气孔，所述外套管与内套管上的出气孔位置一一对应；设有多个气相分布器支撑件和筋板，所述气相分布器支撑件通过筋板固定于固定床反应器内壁；所述内套管的支管通过外套管水平安置于气相分布器支撑件上；所述内套管的主管的一端设有原料进口，另一端封闭且固定在气相分布器支撑件或筋板上。

所述主管和支管上的出气孔可以任意设置，为了保证分布器内的反应原料与管外的反应气体混合均匀，且分布器有排净口的情况下，作为本发明的进一步改进：支管上的出气孔优先设置在支管的水平左右两侧；主管上出气孔优先设置在底部，同时可提高气体的导通率和流动性。

作为本发明的进一步改进：所述内套管和外套管的出气孔孔心处于同一水平或垂直直线上。

作为本发明的优选实施例一，内套管的主管与支管之间通过法兰连接。

作为本发明的优选实施例二，内套管的主管和支管焊接相连。

本发明的原料和有益效果为：反应器段间的反应原料由气相分布器原料进口进入气相分布器的内套管，并充满主管和支管后，从主管与支管的气体出口流出。流出气体经外套管与内套管之间的间隙后进入反应器内与反应气体换热。气相分布器的外套管的外表面的温度接近反应气体的温度，气相分布器的内套管内表面的温度接近与反应原料的温度，而在内外套管之间的间隙里也充满气体，这层气体为内套管内的反应原料及外套管外的反应气体组成的混合气体。由于气体的热导率远小于金属，间隙有一定距离，可以减少气相分布器外的反应气体对气相分布器内反应原料的换热。在一定范围内随间隙变大，反应原料的温度变化越小。因为反应原料在气相分布器内套管内的温度的变化，主要由内套管的壁温决定，采用带保温结构的气相分布器，在反应器内反应气体温度不变的情况下，内、外套管间的间隙越大，内套管内与外套管外的温差越大，内套管内反应原料的温度变化越小，保证了反应原料在反应器的平面内流量和温度的分布均匀。

本发明与现有气相分布器相比，还具有以下优点：1、结构合理，制作简单，制作费用低，2、气体的分布更均匀，避免了因传热造成的反应器内温度及气体分布不均匀问题，保证了催化剂的使用寿命，提高生产效率。

附图说明

图1是本发明的气相分布器的结构示意图；

图2 分布器主管固定示意图；

图3 分布器支管固定示意图；

图4 带外套管的主管截面图；

图5 带外套管的支管截面图。

在图中：1-主管；2-支管；3-外套管；4-进口；51-主管出气孔；52-外套管出气孔；53-支管出气孔；6-气相分布器支撑件；7-筋板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1-图4所示，气相分布器包括内套管、外套管3、气相分布器支撑件6和筋板7；内套管包括主管1和水平分布在主管两侧并与主管垂直相连的若干支管2，主管1和支管2内部相互贯通，主管1上设有原料进口4、内套管、外套管3都设有出气孔。

如图1-图4所示，内套管的主管1分为多段，各段与内套管的支管2通过法兰连接或焊接相连或直接制成为一体结构，主管1的各段之间通过法兰连接。外套管3套接在内套管外并焊接固定，且两套管之间留有间隙。其中主管1布有主管出气孔51，支管2上布有支管出气孔53，外套管3上布有外套管出气孔52。

如图1-图4所示，4个气相分布器支撑件6通过筋板7固定于反应器内壁，气相分布器的支管2通过外套管3水平放置于气相分布器支撑件6上，并且通过环扣等方式将支管2固定在支撑件6上。

如图1-图4所示，外套管3、主管1和支管2上的出气孔均匀分布。主管1和支管2上的出气孔与外套管3上的出气孔位置一一对应，且两者的出气孔在径向映射形成为两个同心圆。主管1和支管2上的出气孔与外套管3上的出气孔开孔方向的选择受孔内反应原料的速度，反应器内气体的流向有关，出气孔的开孔方向可向下，水平，或向上，也可斜向下，或斜向上。为保证分布器内的反应原料与管外的反应气体混合均匀，且分布器有排净口的情况下，支管出气孔53优选水平方向上开口，主管出气孔51设置在底部，以保证气体混合均匀。

内套管上的出气孔之间的孔间距由加入的气体量决定，出气孔的大小由气体量与出气孔的数量共同决定，在压降允许的范围内需尽可能小。

根据内外套管上出气孔的关系，内、外套管的连接有两种型式：

1、内套管与外套管相焊接，外套管上出气孔直径大于内套管上出气孔的直径；

2、内套管与外套管相焊接，外套管上出气孔直径小于内套管上出气孔的直径。

上述两种形式的主要区别在于间隙内气体组成。型式1的内外套管间隙的气体主要是外套管外的反应气体，型式2的内外套管间隙的气体主要是内套管内的反应原料。两种型式的采用需要考虑气体的结焦问题。由于内外套管焊接固定，间隙不可拆卸，且外套管壁温较高，气体在间隙内易结焦而影响隔热效果。

本发明利用内、外套管之间的间隙，使得反应过程中在内套管外形成一保温层，大大减少了气相分布器内部介质和气相分布器外部气体的之间带来的温度影响。

为了进一步分析本发明的有益效果，通过甲醇或甲醇与二甲醚的混合物在固定床反应器内与催化剂接触，生成含有丙烯的产物为例。而上述反应是强放热气相反应，现有技术采用多段进料的固定床作为反应器，段间需加入反应原料及惰性物料进行移热。以规模为14.4万吨/年的甲醇制丙烯反应器为例，此反应器的催化剂床层共8层，在各层催化剂间有进料气相分布器，以保证加入的反应原料及惰性物料与反应气体混合均匀。反应原料分为八股，其中的反应器顶部进料，与蒸汽混合后，进入电加热器，加热至反应温度440℃后，由反应器顶部进入，进行反应，其余各股反应物流分别从段间的进料气相分布器加入。保温层厚度为50mm，结构为外套管形式。

同样的进料量下、分别采用不带保温结构的气相分布器和带保温结构的气相分布器 ，其催化剂床层进口处不同测温点测得的床层温度数据见表1。

表1 催化剂床层进口处不同测温点测得的床层温度数据

由此可见，使用不带保温结构气相分布器床层内的温差大于带保温结构气相分布器，且使用不带保温结构气相分布器床层内的温差随床层数量的增加而加大，使用带保温结构气相分布器床层内的温差随床层的增加反而减小。因此带保温结构的气相分布器能很好的解决床层温度分布不均匀的问题。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但是本发明不限于上述实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种固定床反应器的气相分布器，其特征在于，其包括内套管、外套管；所述内套管包括主管和水平分布在主管两侧并与主管垂直相连的若干支管，所述主管和支管内部相互贯通，主管和支管上分别设有出气孔；所述外套管与内套管套接相连，且两套管之间留有间隙；所述外套管上设有出气孔，所述外套管与内套管上的出气孔位置一一对应；设有多个气相分布器支撑件和筋板，所述气相分布器支撑件通过筋板固定于固定床反应器内壁；所述内套管的支管通过外套管水平安置于气相分布器支撑件上；所述内套管的主管的一端设有原料进口，另一端封闭且固定在气相分布器支撑件或筋板上。

2.如权利要求1所述的固定床反应器的气相分布器，其特征在于，所述支管上的出气孔设置在水平方向；主管上出气孔设置在底部。

3.如权利要求1所述的固定床反应器的气相分布器，其特征在于，所述内套管和外套管的出气孔孔心处于同一水平或垂直直线上。

4.如权利要求1所述的固定床反应器的气相分布器，其特征在于，内套管的主管与支管之间通过法兰连接。