CN105457564A - 多段间接换热径向固定床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多段间接换热径向固定床反应器，其用于放热化学反应，其包括圆柱形壳体、催化反应装置、套管式换热器以及设在套管式换热器上的翅片。在根据本发明的上述类型的反应器内的不同反应区域的进口温度和出口温度控制在预定的最佳值附近的有限范围内。本发明相比现有技术有这样优点：可以用简单的手段在较大范围内稳定的将催化剂床层温度控制在预定的最佳值附近；催化剂使用效率高，装填比大，装卸容易；结构简单，制造和安装工艺要求相对较低，基建成本和操作成本低；热能散失小，利用系数高。

Description

多段间接换热径向固定床反应器

技术领域

本发明涉及一种用于放热化学反应的径向流动固定床反应器。具体地，本发明涉及这样一种用于放热化学反应的径向流动固定床反应器，其具有上下封头的圆柱形外壳，在所述圆柱形外壳内具有被限定装置划分的至少一个或多个具有反应物进口和反应产物出口的催化剂反应区域，使得不同反应区域的进口温度和出口温度控制在预定的最佳值附近的有限范围内。

背景技术

径向固定床反应器具有这样的优点：1、流动面积大、压降小，可使用小颗粒催化剂，故反应速率较高、生产强度大；2、结构简单，基建投资小；3、强制气流均匀分布等。

近年来，径向固定床反应器在工业装置上得到了广泛的应用，但受限于径向固定床的结构特点和流动特点，其应用于强放热反应时，径向固定床反应器有明显的不足。如何用简单有效的方法将在径向固定床催化剂床层中的反应热移出反应器、控制床层温度在预定的最佳值附近，相关领域的技术人员进行了大量的工作。

一种本专业熟知的方法是通过在催化剂床层中流动的反应物流将产生的热量带走，为了强化这种作用，需要在反应物流中增加非主要反应组份。限于所述流股的物理特性和径向反应器的流动特点，为了达到有效控制床层温度的目的，在反应器流股中增加的非主要反应组份必须要达到很大的量，并在系统中循环流动带走热量，有时甚至要达到主要反应组份质量的数倍到数十倍，使系统中循环机的功耗大大增加。

中国专利CN10455731A公开了一种降低循环机能耗的方法，在反应物流中加入了两种用于带走反应生成热的非主要反应组份：干气和水。干气是反应副产品，水另外加入。在分离工序后，将干气用循环机送到催化床层进口端，同时用水泵将水循环至催化床层进口端，并再次升温气化后与反应物、干气混合后进入反应器床层，其实质是用效率较高的液体泵分担了气体循环机的工作能耗，但反应物中水分的增加，给这种方法的应用带来了限制，水的不断冷却和气化也消耗了大量的能量。

中国专利CN203916626U、CN203944358U、CN201088911Y和CN203075923U公开了在径向固定床催化剂床层中敷设换热冷管控制催化剂床层温度的方法。用这种方法控制催化剂床层的温度，会使反应器的结构复杂、制造工艺要求高，提高了制造难度和建设成本，同时还带来了催化剂装卸难、装填系数低等问题，尤其劣化了催化剂床层中反应物流的流动状况，增加了流动阻力、反混和壁效应。由于径向反应器的流动特点，采用在催化剂床层中敷设冷管的方法移除热量，效率很低，为了达到预期的目标，需使用特殊的设备或敷设大量的冷管，使得由此引起的问题更加严重。

中国专利CN201978732U公开了一种将催化剂床层轴向分段、在段间加入冷激气体控制催化剂床层温度的固定床反应器，其可以有效的控制反应器床层的温度。但为了使冷、热流股在段间良好混合，必须给予必要的混合空间或相应的混合设备，使得段间空间增大、设备复杂，如果采用原料气实施冷激，还会造成反混，影响目标产物的收率和催化剂的使用效率。对于多级反应器通过冷激气调节进口温度控制床层的温升，也有一定局限性，主要由于冷激气在各级进口的分配存在相互干扰，很难保证稳定工作，由此也影响了在大型设备中的使用。

中国专利CN101616730B、CN202570121U和CN202570115U所公开的是一种在多段绝热反应器段间换热控制温度的径向固定床反应器。换热器是光管、翅片管、螺旋管或异型管等组成的管束。通过管束将由催化剂床层流出的热工艺气(反应物)与未进入床层的冷工艺气(非反应组份：循环气)换热，一方面将冷工艺气升温至催化剂床层进口所需温度，另一方面使已经部分反应的工艺气适当降温，以进入下一段催化剂床层继续反应。该方法有效的利用了反应产生的热能，但仍然存在循环比大、换热效率低等带来的问题，使得设备复杂、制作工艺要求高、换热器体积大、催化剂装填比低等问题，而且，由于工艺的限制，操作范围较窄，温度不易控制在预定值附近。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够将催化反应床层温度控制在预定的最佳值附近范围内的多段间接换热径向固定床反应器。该多段间接换热径向固定床反应器在具备较大的生产能力和转换产量的同时，具有能量利用率高、易于操作和结构简单等优点，尤其适用于含氧化合物为原料制液体烃工艺的大型装置。

根据本发明的一个方面，一种多段间接换热径向固定床反应器，其包括：

壳体，其为圆柱形，所述壳体的上下封头，在所述壳体上设置至少一个原料气进口和反应产物出口、换热介质进口和换热介质出口。

至少一个或多个催化反应装置，其设置在所述壳体内，所述至少一个或多个催化反应装置置于催化反应装置底板上，催化反应装置底板通过焊接或其它方式与壳体相接；所述至少一个或多个催化反应装置，其由催化剂筐和置于其中的催化剂组成；所述催化剂筐由内筛网、外筛网、内气流分布板、外气流分布板、构成；其中所述催化剂筐可以进一步包括分气道挡板，所述分气道挡板构成所述至少一个或多个催化反应装置的外缘；在工艺要求不设分气道挡板时，所述壳体或其它与催化剂筐外气流分布板形成环隙的元件构成所述催化剂筐的外缘；催化剂筐可以是径向流动结构，优选轴径向结构，使得在其中流动的反应物流沿着反应器的径向做Z型流动。

套管式换热器，其设置在壳体中心，且其外管壁构成催化剂筐集气道挡板和催化反应装置内缘，所述套管式换热器由双层套管组成，二层间留有环隙，形成换热介质通道；所述套管式换热器的下端设有换热介质进口均布器和进口联箱；套管式换热器的上端设有换热介质出口均布器和出口联箱；进口联箱和出口联箱通过壳体上的换热介质进出口与壳体外相关设备相联接。

套管式换热器的外壁设有翅片，在套管式换热器与每一个催化剂筐高度相当或略延伸的范围内，所述翅片平行于所述套管式换热器轴向中心线，超过这一范围的翅片与换热器轴向中心线形成斜角；套管式换热器外壁和外壁上的翅片表面均作滚花处理；套管式换热器内环隙中设扰流子，套管式换热器管内设麻花状导流片或涡流叶片。

在所述套管式换热器环隙中流通的换热介质，可以是处于饱和状态的水或导热油。当反应工艺需高压环境时，优选饱和水做换热介质；当反应器应用于常压或低压工艺时，优选导热油做换热介质。

本发明相比现有技术有如下优点：

1、可以用简单的手段在较大范围内稳定地将催化剂床层温度控制在预定的最佳值附近。

2、催化剂使用效率高，装填比大，装卸容易。

3、结构简单，制造和安装工艺要求相对较低，基建成本和操作成本低。

4、热能散失小，热量利用系数高。

附图说明

本发明的方法和装置具有其它特征和优点，这些特征和优点将在纳入本文的附图以及随后与附图一起用于解释本发明的某些原理的具体实施方式中显现或更详细地阐明，在这些附图中：

图1为根据本发明的多段换热径向固定床反应器示意图；

图2为根据本发明一个实施方案的多段换热径向固定床反应器示意图；

图3为根据本发明另一实施方案的多段换热径向固定床反应器示意图。

应了解，附图并不必须按比例绘制，其示出了某种程度上经过简化了的在此公开的本发明的各个优选的特征，包括例如特定的尺寸、定向、位置和形状，将部分地由特定目的的应用和使用环境加以确定。

具体实施方式

根据本发明的多段间接换热径向固定床反应器，在壳体内中心轴线上设置套管式换热器，所述套管式换热器的外壁构成催化反应器装置的内缘和催化剂筐的集气道挡板。

在所述套管式换热器环隙中流通换热介质。换热介质通过套管式换热器的外管壁与从催化剂床层中流出的反应物流进行热交换，使反应物流降温后进入下一个催化反应装置。通过调节换热介质的温度和流量，可以有效地控制进入下一个催化反应装置的反应物流的温度。经套管式换热器内管从设置在壳体上的反应物流进口引入的非主要反应物组分(也称循环气)流股通过内管壁与换热介质换热，使该流股升温并与反应物流混合后进入第一个催化反应装置。

所述套管式换热器上端设有换热介质出口均布器和出口联箱，下端设有换热介质进口均布器和进口联箱。换热介质出口均布器和联箱使换热介质在套管式换热器中流动分布均匀，减小套管式换热器的周向温度不均匀。

所述套管式换热器的外管壁设有轴向翅片，以增加换热器面积。所述套管式换热器的环隙内设有扰流子，以改善换热介质在套管式换热器环隙中流动时的流动状态。套管式换热器内管设有双螺旋状导流片或涡流叶片，增加管内流体与内管壁的热交换效果和管内流股各组分间的混合。

将生产规模所需的催化剂分置于一个或多个的催化反应装置中，沿轴向置于壳体内。反应物流沿催化剂床层径向由催化反应装置外缘向内缘流动，属于径向向心流动型。反应物流依次穿过每一段催化反应装置，在总处理量不变的情况下，总反应热由每一个催化反应装置分别承担，相较于总生产规模所需的催化剂数量而言，每一个催化反应装置中的催化剂数量都减少了，相对于每一个催化剂床层中的质量流率都增加了，使催化剂床层产生的热量可以更有效地被移出催化剂反应装置，每一个催化反应装置都是向心径向流动。由反应器流股携带的在每一个催化反应装置中反应产生的热量通过由套管式换热器外壁构成的催化反应装置内缘，经热交换后移出壳体外。经热交换后的反应物流温度降低到预定值附近，进入下一个反应装置继续反应，或经壳体上的反应物流出口流出反应器。因此，整体反应器热散失小，能量利用率高，耐高温材料用量少，制造成本较低。

所述套管式换热器的外管壁构成催化剂筐的集气道挡板，套管式换热器环隙中换热介质的流量和温度可以方便地在套管制造材料允许的范围内通过常规的手段调节，以最近的距离构成催化剂筐内缘的可控低温环境，对催化剂床层产生的热量而言，增强了辐射传热效果，有效地提高了催化剂床层的移热效率并改善了对进入下一个催化反应装置的反应物流温度控制的能力。

下文现在将详细描述本发明的各个实施方案，所述实施方案的实施例在附图中说明并在以下进行描述。虽然本发明与示例性的实施方案相结合进行描述，但是应当了解，本说明书不是要将本发明限制为那些示例性的实施例。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替换、修改、等同和其它实施方案。

实施例1

如图2所示，其为根据本发明的一个实施方案的一种年处理含氧化合物原料25,000吨生产液体烃的多段换热径向固定床反应器，其包括圆柱形壳体1，壳体1具有上下封头2、3，在上封头2设置有原料进口4及循环气副线进口5，在下封头3上设置有反应物出口7、循环气主线进口6和换热介质进口9。此外，壳体1可以包括人孔、压力检测孔、热电偶线孔等常规设施。

壳体1内设有4段催化反应装置，包括催化剂筐13和催化反应装置底板15。

壳体内沿中轴线设置套管式换热器12，套管换热器的上下端设有套管换热器出进口分布器8和出进口联箱11。

在本实施例中，催化剂筐总高度4.8米，分成4段，厚度0.3米。在催化剂筐内放置市售ZSM-5催化剂，共8.5m³。

上述多段换热径向固定床反应器工作过程如下：

温度为120℃-250℃，优选120℃-150℃的原料气，经原料气进口4与温度为15℃-30℃的经循环气进口6进入到套管换热器12并在其中换热升温至200℃-420℃，优选200℃-300℃的循环气混合，经由循环气副线5进入的15℃-30℃的冷循环气混合调温在250℃-400℃，优选250℃-300℃后进入催化剂筐13，进行反应后的气体升温至300℃-450℃，优选300℃-350℃，该流股流出催化剂筐后与套管换热器外壁换热后降温至280℃-400℃，优选280℃-320℃后，进入下一个催化剂筐。直至依次通过所有的催化剂筐经反应升温和换热降温后，由反应产物出口7流出壳体。

实施例2

如图3所示，其为根据本发明的另一实施方案的用于以含氧化合物为原料生产汽油的多段换热径向固定床反应器。

本实施例与实施例1结构相同，但有5个催化反应装置在壳体内沿轴向设置。上面4个催化剂筐的总高度为4.8米，厚0.3米。装填市售ZSM-5催化剂总量8.5m³。最下面的催化剂筐高2.4米，厚0.4米，装改性ZSM-5催化剂总量9.6m³。

工作过程与实施例1相同。

上述各实施例中作为原料的含氧化合物，可以是甲醇、乙醇、二甲醚等，以及它们的混合物或是与其它C₁-C₈的烃类及水的混合物。

Claims (10)

1.一种多段间接换热径向固定床反应器，其特征在于其包括：

壳体，其为圆柱形，所述壳体的上下封头，在所述壳体上设置至少一个原料气进口和反应产物出口、换热介质进口和换热介质出口；

至少一个或多个催化反应装置，其设置在所述壳体内，所述至少一个或多个催化反应装置置于催化反应装置底板上，催化反应装置底板通过焊接或其它方式与壳体相接；所述至少一个或多个催化反应装置由催化剂筐和置于其中的催化剂组成，所述催化剂筐是径向流动结构；

套管式换热器，其设置在壳体中心，且其外管壁构成催化剂筐集气道挡板和催化反应装置内缘，所述套管式换热器由双层套管组成，二层间留有环隙，形成换热介质通道；所述套管式换热器的下端设有换热介质进口均布器和进口联箱；套管式换热器的上端设有换热介质出口均布器和出口联箱；进口联箱和出口联箱通过壳体上的换热介质进出口与壳体外相关设备相联接。

2.根据权利要求1所述的多段间接换热径向固定床反应器，其特征在于套管式换热器的外壁设有翅片，在套管式换热器与每一个催化剂筐高度相当或略延伸的范围内，所述翅片平行于所述套管式换热器轴向中心线，超过这一范围的翅片与换热器轴向中心线形成斜角；套管式换热器外壁和外壁上的翅片表面均作滚花处理；套管式换热器内环隙中设扰流子，套管式换热器管内设麻花状导流片或涡流叶片。

3.根据权利要求1所述的多段间接换热径向固定床反应器，其特征在于所述催化剂筐由内筛网、外筛网、内气流分布板、外气流分布板、构成。

4.根据权利要求1所述的多段间接换热径向固定床反应器，其特征在于所述催化剂筐进一步包括分气道挡板，所述分气道挡板构成所述至少一个或多个催化反应装置的外缘。

5.根据权利要求3所述的多段间接换热径向固定床反应器，其特征在于所述壳体或其它与催化剂筐外气流分布板形成环隙的元件构成所述催化剂筐的外缘。

6.根据权利要求3所述的多段间接换热径向固定床反应器，其特征在于所述催化剂筐是轴径向结构，使得在其中流动的反应物流沿着反应器的径向做Z型流动。

7.根据权利要求3所述的多段间接换热径向固定床反应器，其特征在于在所述套管式换热器环隙中流通的换热介质是处于饱和状态的水或导热油等物质。

8.根据权利要求7所述的多段间接换热径向固定床反应器，其特征在于当反应工艺需高压环境时，优选饱和水作为换热介质。

9.根据权利要求7所述的多段间接换热径向固定床反应器，其特征在于当反应器应用于常压或低压工艺时，优选导热油做换热介质。

10.根据权利要求1所述的多段间接换热径向固定床反应器为用于以含氧化合物为原料制液体烃工艺的大型装置。