CN107213856A - 一种限制式流化床反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种限制式流化床反应器，其包括外壳，在外壳内安装有气体分布板，气体分布板将外壳的内腔分为上腔体和下腔体；在外壳上安装有热媒进口管和热媒出口管，热媒进口管和热媒出口管均安装在上腔体所对应的外壳上；在上腔体内安装有若干换热管束，换热管束由换热管通过180°弯头串联而成，换热管束的管束进口管连通热媒进口管，管束出口管连通热媒出口管；换热管呈直管状，换热管相互平行且沿中间壳体的轴线方向延伸，换热管均匀布置在上腔体内；任一换热管束中的换热管的数量为2‑20中的偶数；在上封头上设置有气相出料管；在下封头上设置有粉体进出管和气体进料管。该反应器可有效地提高气体在床内的均匀性，提高硅粉在床内的流化态。

Description

一种限制式流化床反应器
技术领域
本发明属于直接法生产氯硅烷领域，具体地说涉及一种用于直接法生产氯硅烷的限制式流化床反应器，该流化床反应器可以用于直接法生产甲基氯硅烷单体、乙基氯硅烷、三氯氢硅和甲氧基硅烷、乙氧基硅烷等氯硅烷。
背景技术
流化床反应器是有机硅生产的关键设备之一，目前有机硅合成反应器主要采用的是一种自由式流化床，在流化床反应器中进行气固相反应生产有机硅单体，保证反应有效进行的关键因素是让气相均匀的分散在固相当中，行业称之为流化态，同时反应释放出来的热量及时高效的移出反应区域。
目前在有机硅行业使用的流化床反应器通常采用在反应器中布置内外套管式换热构件，由于内外套管结构使得管外径相对比较大，管之间的距离也比较大，这种结构无法避免气体在固相中分布时形成短路和沟流，不能形成良好的流化态，其结果就是流化床不能均匀反应和均匀散热。
通常情况下，大型流化床反应器内的硅粉高度在5～12米，所有的反应气体必须从反应器底部通入，用气流让硅粉形成流化态，想要达到好的流化态就必须让气体在流化床中分布均匀。目前流化床反应器内气体分布的不均匀性尚交大，无法形成具有良好形态的流化态。
发明内容
为解决上述问题，本申请提出了一种反应器，该反应器可有效地提高气体在床内的均匀性，提高硅粉在床内的流化态，具体技术方案如下：
一种限制式流化床反应器，其包括外壳，该外壳包括呈圆形的中间壳体、安装在中间壳体的上端的上封头和安装在中间壳体的下端的下封头，在外壳内安装有气体分布板，气体分布板将外壳的内腔分为上腔体和下腔体，气体分布板为多孔板；
在外壳上安装有热媒进口管和热媒出口管，热媒进口管和热媒出口管均安装在上腔体所对应的外壳上；
在上腔体内安装有若干换热管束，换热管束由换热管通过180°弯头串联而成，任一换热管束具有一管束进口端和一管束出口端，管束进口端和管束出口端均朝上设置，管束进口端向上延伸形成管束进口管，管束出口端向上延伸形成管束出口管；管束进口管连通热媒进口管，管束出口管连通热媒出口管；所述换热管呈直管状，换热管相互平行且沿中间壳体的轴线方向延伸，换热管均匀布置在上腔体内；任一换热管束中的换热管的数量为2-20中的偶数；
在上封头上设置有连通上腔体的气相出料管；在下封头上设置有连通上腔体的粉体进出管和连通下腔体的气体进料管，所述粉体进出管从下向上贯穿气体分布板后连通上腔体。
优选地，任一换热管束中的换热管的数量为4、6、8、10或12。
在本发明中，在外壳内设置了由多孔板所制作的气体分布板，其中换热管束由换热管通过180°弯头串联而成，且换热管相互平行且沿中间壳体的轴线方向延伸，180°弯头分散布置，且位于下部的弯头的数量要多于位于上部的弯头的数量，如此可最大限度地减少弯头对于物料上下移动的阻碍。采用指型换热管时，指型换热管的各支管之间的连接端均位于支管的上端，而且由于指型换热管采用套管结构，使指型换热管的外形较为粗大，各支管之间的连接弯头半径和间距比较大，上述双重因素叠加使得流化态比较差。而采用本申请中的由180°弯头串联而成的具有多个折弯的换热管束后，可有效地提高物料在反应区的流动性，提高反应器中物料的流化态。
在生产氯硅烷时，物料为40～160目的粉体，采用本发明后，粉体与进入到反应器内的气态原料进行反应，当气态原料进入流化床反应器中后，在粉体的作用下形成气泡，气泡在上升的过程中，会不断合并增大，直到床面而破裂。如果床层中大气泡很多，气泡不断的搅动和破裂，床层波动大，气固之间接触不好，气固反应效率下降。本发明中，各换热管相互平行且沿中间壳体的轴线方向延伸，使反应器内物料的运动方式由自由式转变为沿换热管束的换热管之间的间隙进行运动的限制式流动，使本发明成为限制式流化床反应器。本发明中的呈直管状的换热管限制了气泡的直径，使直径超过一定范围的气泡破碎，增加气固接触面积，减少气体返混现象，提高床层的稳定性，进而提高了反应效率，为进一步提高反应床层和操作气速提供了有利条件。
优选地，所述气体分布板呈平板状或呈向下突出的锥形。优选地，当所述气体分布板呈向下突出的锥形时，锥角为120～150度。采用平板形或锥形的气体分布板，能够保证气体布置的均匀性。
优选地，所述换热管的外径为10～50mm，相邻换热管的外壁之间的距离为20～70mm。相邻换热管即指同一换热管束的相邻的换热管，也指不同换热管束之间的相邻的换热管。
上述限定使换热管形成细密的管束，更加有效地将气泡的直径限定在一定的范围内，进一步保证了气固接触面积，保证了床层的稳定性及物料的反应效率。
进一步，所述中间壳体的上部径向向外突出形成扩大部。形成扩大部后，有利于硅粉的沉降，气体在上升到扩大部后，风速会降低，对硅粉的推动作用减弱，硅粉由上升状态转变为下降状态，并重新进行分布，使硅粉在反应器内的分布更加均匀，相比较全部由气流强制对硅粉进行推动而形成的流化态，这种设置扩大部的设计，可有效地提高硅粉在反应器内的流化状态。
进一步，在中间壳体的外侧面上设置有半管换热夹套。半管换热夹套的设置可有效地提高反应器内的温度的均匀性，避免靠近外壳的区域由于散热较快，而使该区域的温度低于反应器中心部位的温度，影响反应器内物料的反应均匀性。
进一步，为避免反应器内压力过大而对反应器造成伤害，在上封头上还设置有安全阀接口。在该安全阀接口可安装安全阀，在反应器的压力超过设定压力后，安全阀启动，释放反应器内的压力。
进一步，还包括吊架，所述吊架的一端固定在中间壳体上，吊架的另一端固定在换热管束上。优选地，在外壳内设置有横梁，所述横梁安装在中间壳体的上端，所述吊架包括拉杆、吊环和固定件，所述拉杆的一端贯穿横梁后连接固定件，所述吊环安装在拉杆的另一端，吊环卡持在180°弯头上。采用吊架将换热管束安装在外壳内，可提高换热管束的安装和更换的灵活性。
本发明流化床反应器结构合理，能够有效地阻止气体在流化床反应器中形成大气泡，强化气体在固相中的均匀分布，克服了现有流化床反应器的缺点和不足，同等直径的反应器相比换热面积增加，有效反应空间增加，气体在反应器内部能较快较好的均匀分布
相对于等直径的流化床反应器，本发明能够使反应产能、目标产物选择性以及反应气体单程转化率均有较大的提高。
附图说明
图1是本发明的第一种实施例的结构示意图。
图2是第一种实施例中所使用的换热管束的简图。
图3是第一种实施例中吊架的简图
图4是图3的左视图，其中进行了局部剖视。
图5是本发明的第二种实施例的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
参阅图1，一种限制式流化床反应器，其包括外壳，该外壳包括呈圆形的中间壳体6、安装在中间壳体6的上端的上封头9和安装在中间壳体的下端的下封头3，在外壳内安装有气体分布板4，气体分布板4将外壳的内腔分为上腔体31和下腔体32，气体分布板4为多孔板，在本实施例中，气体分布板4呈向下突出的锥形，锥角为120度。在其它实施例中，气体分布板的锥角可以为150度，或在120～150度之间任意选择。或者在其它实施例中，气体分布板还可以呈平板状。
在外壳上安装有热媒进口管13和热媒出口管12，热媒进口管13和热媒出口管12均安装在上腔体所对应的外壳上。
在本实施例中，中间壳体6包括呈直筒状的直筒体62和连接在直筒体上端的扩大部61，扩大部61的上下两端均为呈圆锥状的锥部，扩大部61经其下端的锥部611连接直筒体62，经其上端的锥部612连接上封头9。本实施例中，直筒体62的直径为2600mm。
在上腔体31内安装有均匀布置的若干换热管束7，请同时参阅图2，任一换热管束7
由换热管24通过180°弯头25串联而成，任一换热管束7具有一管束进口端和一管束出口端，管束进口端和管束出口端均朝上设置，管束进口端向上延伸形成管束进口管22，管束出口端向上延伸形成管束出口管21；管束进口管22连通热媒进口管13，管束出口管21连通热媒出口管12；所述换热管24呈直管状，换热管24相互平行且沿中间壳体6的轴线方向延伸；换热管均匀布置在上腔体内。
本实施中，热媒进口管13与管束进口管22一一对应，热媒出口管12与管束出口管21一一对应。
换热管束的底端71临近气体分布板4，换热管束的顶端72向上延伸进入到扩大部61的内腔。
在上封头9上设置有连通上腔体31的气相出料管10；在下封头上设置有连通上腔体31的粉体进出管1和连通下腔体32的气体进料管2，粉体进出管1从下向上贯穿气体分布板4后连通上腔体31。本实施例中，粉体进出管1为一直管，该粉体进出管1从下向上依次贯穿下封头3和气体分布板4后连通上腔体31。
在本实施例中，每个换热管束的换热管的数量为8，即每个换热管束具有8根换热管。可以理解，在其它实施例中，换热管束的换热管的数量可以在2-20中的偶数进行选择。
在本实施例中，所述换热管24的外径为48mm，相邻换热管24的外壁之间的距离L为70mm。在其它实施例中，换热管24的外径可以在10～50mm之间进行选择，相邻换热管24的外壁之间的距离L可以在20～70mm之间进行选择
在本实施例中，共设置有70个换热管束7，每个换热管束有8根换热管，共560根换热管。
在中间壳体6的直筒体62的外侧面上设置有半管换热夹套15，半管换热夹套15的进口端5设置在下端，出口端14设置在上端，半管夹套环绕缠绕在直筒体的外侧面上。
在本实施例中，换热管的安装采用吊架8，参同时阅图3和图4，吊架8包括拉杆81、吊环83和固定件81，在外壳内设置有横梁85，横梁85水平安装在扩大部61内，在横梁85上开设有安装孔，拉杆81的一端从下向上穿过该安装孔后，将作为固定件81的螺母拧上；吊环83连接在拉杆81的另一端。在本实施中，在吊环83上焊接有具有内螺纹的短接82，通过该短接吊环83连接在拉杆上。
180°弯头穿设在吊环83上，通过吊架8，将换热管束固定在壳体内。
为了提高本实施例的安全性，在上述方案的基础上，在本实施例中，在上封头上还设置有安全阀接口11，该安全阀接口11用于安装安全阀，以在反应器内的压力超过其设定值后开启，释放反应器内的压力。
采用本实施例生产甲基氯硅烷单体时，与现有技术中同直径的内外套管式流化床反应器相比，反应产能增加15％，目标产物选择性增加5％，反应气体单程转化率提高20％。
实施例2
请参阅图5，本实施例是在实施例基础上的变形，图5中与图1中相同的标记序号表示相同的部件。本实施例与实施例1的区别在于，在扩大部61的外周面上设置有第一夹套66和第二夹套65，热媒进口管13安装在第一夹套66上，热媒出口管12安装在第二夹套65上，换热管束的管束进口管22连通第一夹套66，管束出口管21连通第二夹套65。
在本实施例中，每个换热管束的换热管的数量为12，换热管的外径为38mm，相邻换热管的外壁之间的距离为L为85mm。在本实施例中，共设置有30个换热管束，每个换热管束有12根换热管，共360根换热管。直筒体的直径为1800mm。
采用本实施例生产三氯氢硅单体时，与现有技术中同直径的内外套管式流化床反应器相比，反应产能增加10％，目标产物选择性增加5％，反应气体单程转化率提高5％。

Claims (10)

1.一种限制式流化床反应器，其特征在于，包括外壳，该外壳包括呈圆形的中间壳体、安装在中间壳体的上端的上封头和安装在中间壳体的下端的下封头，在外壳内安装有气体分布板，气体分布板将外壳的内腔分为上腔体和下腔体，气体分布板为多孔板；
在外壳上安装有热媒进口管和热媒出口管，热媒进口管和热媒出口管均安装在上腔体所对应的外壳上；
在上腔体内安装有若干换热管束，换热管束由换热管通过180°弯头串联而成，任一换热管束具有一管束进口端和一管束出口端，管束进口端和管束出口端均朝上设置，管束进口端向上延伸形成管束进口管，管束出口端向上延伸形成管束出口管；管束进口管连通热媒进口管，管束出口管连通热媒出口管；所述换热管呈直管状，换热管相互平行且沿中间壳体的轴线方向延伸，换热管均匀布置在上腔体内；任一换热管束中的换热管的数量为2-20中的偶数；
在上封头上设置有连通上腔体的气相出料管；在下封头上设置有连通上腔体的粉体进出管和连通下腔体的气体进料管，所述粉体进出管从下向上贯穿气体分布板后连通上腔体。
2.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，任一换热管束中的换热管的数量为4、6、8、10或12。
3.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，所述气体分布板呈平板状或呈向下突出的锥形。
4.根据权利要求3所述的流化床反应器，其特征在于，当所述气体分布板呈向下突出的锥形时，锥角为120～150度。
5.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，所述换热管的外径为10～50mm，相邻换热管的外壁之间的距离为20～70mm。
6.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，所述中间壳体的上部径向向外突出形成扩大部。
7.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，在中间壳体的外侧面上设置有半管换热夹套。
8.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，在上封头上还设置有安全阀接口。
9.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，还包括吊架，所述吊架的一端固定在中间壳体上，吊架的另一端固定在换热管束上。
10.根据权利要求9所述的流化床反应器，其特征在于，在外壳内设置有横梁，所述横梁安装在中间壳体的上端，所述吊架包括拉杆、吊环和固定件，所述拉杆的一端贯穿横梁后连接固定件，所述吊环安装在拉杆的另一端，吊环卡持在180°弯头上。
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