CN105413592A - 一种组合式固定床反应器及由其形成的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种组合式固定床反应器，包括，壳体、等温反应床层、绝热反应床层和气体分布器，气体分布器、等温反应床层、绝热反应床层依次套设，且彼此间设有间隙；所述等温反应床层内设置有换热结构，其包括沿轴向贯穿所述等温反应床层的若干换热件；还包括导气结构。使得工艺气进入催化剂床层后，沿径向流动，这种外扩式的流动方式，对于气体量增加的反应而，避免了气体流速的提高，延长了工艺气在催化剂床层内的停留时间，促进反应能够完全进行，提高了催化剂的利用率。同时由于绝热反应床层设置在等温反应床层的外部，有利于吸收等温反应床层的热量，一方面减少了换热量，另一方面促进了绝热反应的进行。

Description

一种组合式固定床反应器及由其形成的装置

技术领域

本发明涉及化工设备技术领域，具体涉及一种组合式固定床反应器。

背景技术

固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右，堆积成一定高度(或厚度)的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等，广泛应用于石油炼制工业、无机化工工业，有机化工工业等领域。

在实际使用过程中，对于复杂的多级反应，其一般需要将多个固定床反应器串联使用，以满足不同反应阶段的要求，但多级串联的装置设备部件多、占地面积大且投资成本高。为此，中国专利文献CN104069777A公开了一种等温绝热径向复合式反应器，它由壳体和内件组成，其中，壳体由外壳上部封头和外壳下部筒体连接；内件包括等温径向段的催化剂床层、上分气筒、上集气筒、换热管、换热管进口管箱、换热管出口管箱、冷激器；绝热径向段的冷激汽化层、催化剂床层、下分气筒和下集气筒；内件为径向设置，其中内件的上部设有等温径向段的催化剂床层，该等温径向段的催化剂层设在上分气筒和上集气筒之间以及换热管之外；内件的下部设有绝热径向段的催化剂床层，该催化剂层设在下分气筒和下集气筒之间。

但上这装置中换热器的设置方式，一方面，使得等温床层仍存在温度分布不均匀的问题，其不仅仅影响反应效果，甚至局部出现飞温，严重影响反应的选择性和催化剂的使用活性及寿命；另一方面，床层内的气体遇到换热管后，会改变气体的流动方向，造成气体在床层的流动方向混乱，浓度分布不均匀，床层内的停留时间不均，容易出现“返混”。返混会影响沿主流方向上的浓度分布和温度分布，使浓度趋向于出口浓度。对于传质过程，这样的浓度变化使浓度推动力减小，从而减小了传递速度。对于反应过程，这样的浓度变化使反应物浓度降低，产物浓度增加，从而使主反应速度降低和串连副反应速度增加，反应选择性下降。另工艺气体可能在床层内短路，影响床层内催化剂的利用率(即空速降低)和换热器的换热效果。

由于上述专利文献中换热器效果不佳，其必须设置激冷器，激冷液在反应器内汽化冷却工艺气的同时，稀释了工艺气的浓度，浓度变化使浓度推动力减小，反应选择性下降，进一步的，激冷气还会参与后续反应，或造成进入绝热床层的总气量增加，增加了催化剂的负荷，降低反应效率。

最后，上述装置反应床层内气体是由外向中心流动，对于气体量增大的反应，该反应器床层的流体流通面积逐渐减小，流体流速逐渐增大，工艺气停留时间缩短，催化剂利用率降低，反应不完全。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的等温床层温度分布不均匀、工艺气容易“返混”、催化剂利用率降低等缺陷，从而提供一种组合式固定床反应器。

为此，本申请采取的技术方案为，

一种组合式固定床反应器，包括，顶部设置有生成气出口的壳体，和设置于所述壳体内部的等温反应床层、绝热反应床层和气体分布器，所述等温反应床层套设在所述气体分布器的外部，且与所述气体分布器间设置有间隙，所述绝热反应床层套设在所述等温反应床层的外部，且所述等温反应床层与所述绝热反应床层间设置有间隙；所述气体分布器与设置于所述壳体上的工艺气进口相联通，且所述气体分布器的周壁上设置有气孔；所述等温反应床层内设置有换热结构，其包括沿轴向贯穿所述等温反应床层的若干换热件，所述若干换热件沿所述等温反应床层的周向均匀设置；还包括导气结构，其包括设置于所述等温反应床层内、外周壁的多孔壁板和设置于所述绝热反应床层内、外周壁的多孔壁板，及套设于所述绝热反应床层外部的气体导流板，所述气体导流板与所述绝热反应床层外周壁间设置有间隙。

优选地，上述组合式固定床反应器，所述等温反应床层、所述绝热反应床层和所述换热结构在轴向上长度一致。

优选地，上述组合式固定床反应器，换热件为换热板，或，换热组件，所述换热组件由若干沿所述等温反应床层径向排列的换热管组成。

优选地，上述组合式固定床反应器，所述换热管为鳍片管。

优选地，上述组合式固定床反应器，多个所述等温反应床层依次套设形成等温反应床层组，各所述等温反应床层间形成有间隙；和/或，

多个所述绝热反应床层依次套设形成绝热反应床层组，各所述绝热反应床层间形成有间隙。

优选地，上述组合式固定床反应器，所述等温反应床层的上、下两端分别设置有固定所述换热结构的上、下管板，所述上、下管板上分别设置有催化剂装填口和催化剂卸料口。

优选地，上述组合式固定床反应器，所述下管板在远离所述等温反应床层的侧面连接设置有下管箱，所述下管箱上设设置有换热介质入口管路，所述换热介质入口管路一端延伸到所述壳体的外部形成换热介质入口，换热介质从所述换热介质入口经换热介质入口管路进入所述下管箱，再经下管板进入换热结构，与所述等温反应床层实现热交换；

所述上管板在远离所述等温反应床层的侧面连接设置有上管箱，所述上管箱的顶部设置有换热介质出口管路，所述换热介质出口管路一端延伸到所述壳体的外部形成换热介质出口，完成热交换的换热介质由经所述下管板进入所述下管箱，并最终经换热介质出口管路，由换热介质出口排出。

优选地，上述组合式固定床反应器，所述上、下管箱包括上、下管箱本体和分别设置在所述上、下管箱本体上的上、下检修法兰，所述换热介质出口管路和换热介质入口管路分别设置在上、下检修法兰上。

优选地，上述组合式固定床反应器，所述绝热反应床层的上、下两端分别设置有上、下板，所述上、下板上分别设置有第二催化剂装填口和第二催化剂卸料口。

优选地，上述组合式固定床反应器，所述等温反应床层内、外周壁的多孔壁板和设置于所述绝热反应床层内、外周壁的多孔壁板的开孔率不大于30％；和/或，

所述气体分布器的周壁上设置的气孔的开孔大小为1-10mm，开孔率为1-10％；和/或，所述绝热反应床层外周壁的多孔壁板和所述气体导流板的间隙不大于500mm。

优选地，上述组合式固定床反应器，所述绝热反应床层的床层厚度与铺设于所述床层的颗粒直径的比值不大于100。

本发明还公开了一种组合式固定床反应装置，包括多个在轴向上连接的上述所述的组合式固定床反应器。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的组合式固定床反应器中，所述等温反应床层套设在所述气体分布器的外部，且与所述气体分布器间设置有间隙，所述绝热反应床层套设在所述等温反应床层的外部，且所述等温反应床层与所述绝热反应床层间设置有间隙，上述气体分布器、等温反应床层与绝热反应床层在径向上依次套设连接的方式，使得工艺气进入催化剂床层后，沿径向流动，这种外扩式的流动方式，对于气体量增加的反应而，避免了气体流速的提高，延长了工艺在催化剂床层内的停留时间，促进反应能够完全进行，提高了催化剂的利用率。同时由于绝热反应床层设置在等温反应床层的外部，有利于吸收等温反应床层的热量，一方面减少了换热介质的用量，另一方面促进了绝热反应的进行。

所述等温反应床层内设置有换热结构，其包括沿轴向贯穿所述等温反应床层的若干换热件，所述若干换热件沿所述等温反应床层的周向均匀设置；这种设置方式进一步规整了沿径向流动的气体，使其程平推流状态，避免了床层内反应的返混，提高了反应效率。同时，上述设置方式换热均匀，效率高，避免出现“飞温”，并减少了激冷器的使用，节省了设备成本。

2、本发明提供的组合式固定床反应器中，所述等温反应床层、所述绝热反应床层和所述换热结构在轴向上长度一致，有利于规整工艺气在径向上的流动，避免返混，更有利于气体的稳步扩散，保持反应的稳定性。

3、本发明提供的组合式固定床反应器中，换热管采用鳍片管，鳍片管具有耐高压的特点，其鳍片又能有效的增加换热面积，多根鳍片管的鳍片相连组成管排，规整了工艺气流动。

4、本发明提供的组合式固定床反应器中，所述绝热反应床层外周壁的多孔壁板和所述气体导流板的间隙不大于500mm，优选为10-100mm，其作用是防止外侧多孔壁板的气体流动对绝热床层内部的流场和温度场的干扰，保证床层内的气体流动为平推流，避免返混。最后的反应生成气从外侧多孔壁板与气体导流板的间隙底部流出，再延反应器壳体向上，从反应器顶部的生成气出口流出，进入到下一工序。

5、本发明提供的组合式固定床反应器中，多个所述等温反应床层依次套设形成等温反应床层组，各所述等温反应床层间形成有间隙；和/或，多个所述绝热反应床层依次套设形成绝热反应床层组，各所述绝热反应床层间形成有间隙。从而实现对反应的多段控制，满足不同反应阶段的条件需求，例如，可以分别有效的控制各段反应的温度,反应的停留时间,或控制床层内工艺气的转化率，减少催化剂的用量。并且工艺气通过每个反应床层时均能再分布，提高布气的均匀性，提高反应效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种组合式固定床反应器；

图2为图1所示组合式固定床反应器的截面图；

图3为具有不同换热结构的组合式固定床反应器的截面图；

图4为具有反应床层的组合式固定床反应器的截面图的结构示意图；

图5为本发明一种组合式固定床反应装置。

附图标记说明：

1-壳体，11-工艺气进口，12-生成气出口，13-换热介质入口，14-换热介质出口，2-等温反应床层，3-绝热反应床层，4-气体分布器，5-换热结构，51-换热板，52-鳍片管，6-下管板，61-催化剂卸料口，611-第二催化剂卸料口，62-下管箱，63-下检修法兰，7-上管板，71-催化剂装填口，711-第二催化剂装填口，72-上管箱，73-上检修法兰，8-多孔壁板，9-气体导流板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1和2所示，本发明的一种组合式固定床反应器，包括，顶部设置有生成气出口12的壳体1，和设置于所述壳体1内部的等温反应床层2、绝热反应床层3和气体分布器4，其中，所述等温反应床层2套设在所述气体分布器4的外部，且与所述气体分布器4间设置有间隙，所述绝热反应床层3套设在所述等温反应床层2的外部，且所述等温反应床层2与所述绝热反应床层3间设置有间隙；所述气体分布器4与设置于所述壳体1上的工艺气进口11相联通，且所述气体分布器4的周壁上设置有气孔；所述等温反应床层2内设置有换热结构5，如图2所示，其包括沿轴向贯穿所述等温反应床层2的若干换热件，所述若干换热件沿所述等温反应床层的周向均匀设置，使得工艺气进行反应床层后，通过换热件间的间隙均布径向流动，程平推流状态，避免反应床层内反应的反混，提高反应效率；还包括导气结构，其包括设置于所述等温反应床层内、外周壁的多孔壁板8和设置于所述绝热反应床层内、外周壁的多孔壁板8，及套设于所述绝热反应床层外部的气体导流板9，所述气体导流板9与所述绝热反应床层外周壁间设置有间隙。

在上述实施方式的基础上，所述等温反应床层2、所述绝热反应床层3和所述换热结构5在轴向上长度一致。

在上述实施方式的基础上，如图2所示，换热件为换热组件，所述换热组件由若干沿所述等温反应床层2径向排列的换热管组成，本实施方式中为鳍片管52。当等温反应床层内进行放热反应时，可以通过控制鳍片管52内换热介质的流量和气化率，对反应床层进行移热，并控制反应床层的温度。换热介质可采用常压水(小于373K)，加压水(373-573K),道生液(联苯和联苯醚的混合物，473-623K),熔盐(硝酸钠，硝酸钾和亚硝酸钠的混合物，573K-773K)或烟道气(873-1073K)。具有性质稳定、无腐蚀、热熔大、廉价等特点，可根据反应操作温度范围及热效应大小等选择。

作为可替代的实施方式，如图3所示，在压力要求不高的情况下，换热件还可以为换热板51，其具有制作方便和自清洁的特点。

作为可变换的实施方式，如图4所示，所述等温反应床层2可设置有多个，多个所述等温反应床层2依次套设形成等温反应床层组，各所述等温反应床层间形成有间隙。

作为可变换的实施方式，如图4所示，所述绝热反应床层3可设置有多个，多个所述绝热反应床层3依次套设形成绝热反应床层组，各所述绝热反应床层间形成有间隙。

上述的变换方式有利于实现对反应的多段控制，满足不同反应阶段的条件需求，例如，可以分别有效的控制各段反应的温度,反应的停留时间,或控制床层内工艺气的转化率，减少催化剂的用量。并且工艺气通过每个反应床层时均能再分布，提高布气的均匀性，提高反应效率。

在上述实施方式的基础上，所述等温反应床层的上、下两端分别设置有固定所述换热结构5的上管板7和下管板6，所述上管板7、下管板6上分别设置有催化剂装填口71和催化剂卸料口61。

在上述实施方式的基础上，所述下管板6在远离所述等温反应床层的侧面连接设置有下管箱62，所述下管箱62上设设置有换热介质入口管路，所述换热介质入口管路一端延伸到所述壳体1的外部形成换热介质入口13，换热介质从所述换热介质入口13经换热介质入口管路进入所述下管箱62，再经下管板6进入换热结构5，与所述等温反应床层2实现热交换；所述上管板7在远离所述等温反应床层2的侧面连接设置有上管箱72，所述上管箱72的顶部设置有换热介质出口管路，所述换热介质出口管路一端延伸到所述壳体的外部形成换热介质出口14，完成热交换的换热介质由所述上管板7进入所述上管箱72，并最终经换热介质出口管路，由换热介质出口14排出。

在上述实施方式的基础上，所述上、下管箱包括上、下管箱本体和分别设置在所述上、下管箱本体上的上检修法兰73和下检修法兰63，所述换热介质出口管路和换热介质入口管路分别设置在上检修法兰73和下检修法兰63上，主要用于换热器的检修、清洗及催化剂的装卸。

在上述实施方式的基础上，所述绝热反应床层3的上、下两端分别设置有上、下板，所述上、下板上分别设置有第二催化剂装填口711和第二催化剂卸料口611。本申请的绝热反应床层内可以不设置换热装置，其床层采用薄床层结构，床层内主要进行的是吸热反应，其热量主要靠工艺气体和等温反应床层热辐射提供。床层薄，气体流速很低，床层内气体的流动为理想置换流动，因此反应浓度高，反应速度快，完成同样生产任务时，所用的催化剂用量和反应器的体积较小。

优选地，在上述实施方式的基础上，所述等温反应床层内、外周壁的多孔壁板8和设置于所述绝热反应床层内、外周壁的多孔壁板8的开孔率不大于30％；所述气体分布器的周壁上设置的气孔的开孔大小为1-10mm，开孔率为1-10％。

优选地，在上述实施方式的基础上，所述绝热反应床层3外周壁的多孔壁板8和所述气体导流板9的间隙不大于500mm。

本发明还公开了一种组合式固定床反应装置如图5所示，包括多个在轴向上连接的上述任一组合式固定床反应器。

本申请中工艺气从工艺气进口11进入到反应器的气体分布器4，通气其周壁上的气孔排出，从而实现在轴向上的均匀分布，然后由多孔壁板进入等温反应床层2。工艺气分散在整个床层截面，流经催化剂颗粒间隙，进行传质和反应，生成气体产物，并经换热结构5移热降温后，从外侧多孔壁板的开孔处排出。再穿过与绝热反应床层3之间的间隙，由多孔壁板进入到绝热床反应床层3。在绝热床层3反应完成后，最后的反应生成气从其外侧的多孔壁板与气体导流板9的间隙底部流出，再延壳体向上，从反应器顶部的生成气出口12流出，进入到下一工序。该反应器可根据反应工艺要求，在径向上设置多级床层(如图4)。也可以根据生产能力的要求，在轴向多台反应器组合(如图5)并联使用，解决了设备的大型化问题。并且在催化剂进行活化时，上下两台还可以切换使用。本反应器适用于具有放热和吸热多级反应工艺，可更有效的控制反应床层温度，提高反应效率，减少循环气量。利用换热结构回收了反应热，副产高品质蒸汽。换热管(板)采用径向圆周均布，系统的压降小，且不会造成返混。单台设备具有多级反应，减少了设备数量和投资。例如一种甲醇制烃类的反应，便可以采用本实施例中的组合式固定床反应气。由气相甲醇和循环气组成的混合工艺气进入本发明提供的反应器，可直接得到烃类产品。工艺气首先在第一段床层-等温反应床层2内进行脱水、烃化等反应,并放出大量热量。在第二层床层-绝热反应床层3内进行重整,歧化,叠合反应,并吸收部分热量,最终生成烃类产品。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种组合式固定床反应器，包括，顶部设置有生成气出口的壳体，和设置于所述壳体内部的等温反应床层、绝热反应床层和气体分布器，其特征在于，

所述等温反应床层套设在所述气体分布器的外部，且与所述气体分布器间设置有间隙，所述绝热反应床层套设在所述等温反应床层的外部，且所述等温反应床层与所述绝热反应床层间设置有间隙；

所述气体分布器与设置于所述壳体上的工艺气进口相联通，且所述气体分布器的周壁上设置有气孔；

所述等温反应床层内设置有换热结构，其包括沿轴向贯穿所述等温反应床层的若干换热件，所述若干换热件沿所述等温反应床层的周向均匀设置；

还包括导气结构，其包括设置于所述等温反应床层内、外周壁的多孔壁板和设置于所述绝热反应床层内、外周壁的多孔壁板，及套设于所述绝热反应床层外部的气体导流板，所述气体导流板与所述绝热反应床层外周壁间设置有间隙。

2.根据权利要求1所述的组合式固定床反应器，其特征在于，所述等温反应床层、所述绝热反应床层和所述换热结构在轴向上长度一致。

3.根据权利要求1或2所述的组合式固定床反应器，其特征在于，换热件为换热板，或，

换热组件，所述换热组件由若干沿所述等温反应床层径向排列的换热管组成。

4.根据权利要求3所述的组合式固定床反应器，其特征在于，所述换热管为鳍片管。

5.根据权利要求1-4任一所述的组合式固定床反应器，其特征在于，多个所述等温反应床层依次套设形成等温反应床层组，各所述等温反应床层间形成有间隙；和/或，

多个所述绝热反应床层依次套设形成绝热反应床层组，各所述绝热反应床层间形成有间隙。

6.根据权利要求1-5任一所述的组合式固定床反应器，其特征在于，所述等温反应床层的上、下两端分别设置有固定所述换热结构的上、下管板，所述上、下管板上分别设置有催化剂装填口和催化剂卸料口。

7.根据权利要求6所述的组合式固定床反应器，其特征在于，

所述下管板在远离所述等温反应床层的侧面连接设置有下管箱，所述下管箱上设置有换热介质入口管路，所述换热介质入口管路一端延伸到所述壳体的外部形成换热介质入口，换热介质从所述换热介质入口经换热介质入口管路进入所述下管箱，再经下管板进入换热结构，与所述等温反应床层实现热交换；

所述上管板在远离所述等温反应床层的侧面连接设置有上管箱，所述上管箱的顶部设置有换热介质出口管路，所述换热介质出口管路一端延伸到所述壳体的外部形成换热介质出口，完成热交换的换热介质由经所述下管板进入所述下管箱，并最终经换热介质出口管路，由换热介质出口排出。

8.根据权利要求7所述的组合式固定床反应器，其特征在于，所述上、下管箱包括上、下管箱本体和分别设置在所述上、下管箱本体上的上、下检修法兰，所述换热介质出口管路和换热介质入口管路分别设置在上、下检修法兰上。

9.根据权利要求1-8任一所述的组合式固定床反应器，其特征在于，所述绝热反应床层的上、下两端分别设置有上、下板，所述上、下板上分别设置有第二催化剂装填口和第二催化剂卸料口。

10.根据权利要求1-9任一所述的组合式固定床反应器，其特征在于，

所述等温反应床层内、外周壁的多孔壁板和设置于所述绝热反应床层内、外周壁的多孔壁板的开孔率不大于30％；和/或，

所述气体分布器的周壁上设置的气孔的开孔大小为1-10mm，开孔率为1-10％；

和/或，

所述绝热反应床层外周壁的多孔壁板和所述气体导流板的间隙不大于500mm。

11.根据权利要求1-10任一所述的组合式固定床反应器，其特征在于，

所述绝热反应床层的床层厚度与铺设于所述床层的颗粒直径的比值不大于100。

12.一种组合式固定床反应装置，其特征在于，包括多个在轴向上连接的权利要求1-11任一所述的组合式固定床反应器。