CN107243298A - 一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，包括壳体、设置在壳体内部的催化剂床层，壳体设有物料进口和产物出口，催化剂床层内部穿插用于换热的模块化板束组件，模块化板束组件由多个平行排列的板片组成，反应器物料进口设置气体分布器。本反应器通过在催化剂床层内穿插换热板束组件单元，根据需要具体设置模块化板束组件的形式，板束平行且间距可调，可精确控制反应温度，具有良好气体分布，流体流通路径短，横截面大，流速低，气体压降与距离和流速成正相关，压降减少，节省系统能耗，特别对操作压力低的工况尤为适用，该卧式反应器的处理规模可达到常见轴向反应器处理规模的3～5倍，处理量大，达到大型化生产的需要。
Description
技术领域
本发明涉及一种反应器，具体涉及一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器。
背景技术
2016年4月颁布的《石油和化学工业“十三五”科技发展指南》提出了石化行业“十三五”技术创新目标：要突破20～30项制约行业发展的重大关键、共性技术，自行研制10～15套大型成套装备，相关关键设备能效提高10％以上，行业整体技术水平进入世界先进行列。
反应器是成套化工装置的核心，开发高处理量大型化反应器是扩大装置规模的关键。大型化反应器可替代多台并联反应器，减少并联路线中的管道、仪表、换热器及其他配套设备，减少设备投资及能耗消耗。因此开发大型化反应器是化工行业产业升级及节能减排必经之路。
目前常用的固定床反应器有轴向反应器和径向反应器两种形式。轴向反应器设计制备简单，但反应器规模受限，一方面由于反应器允许压降限制，反应器催化剂床层高度一般不超过6～7m，尤其对于一些操作压力本来就低的反应，允许压降更是小，催化剂床层高度只能2～3m；另一方面，由于公路运输限制，反应器壳体外径应小于4.5m。由于这两方面的原因，轴向反应器的催化剂装填量有限，对于一般的列管式反应器，装填量一般不多于35m3；对于板式反应器，装填量一般在50～70m3。径向反应器由于气体流通路径短，所以压降小，反应器高度可以延长，催化剂装填量可以增加；但是由于气体流通截面太大，气体流速小，对一些内扩散和外扩散敏感的反应，流速小会导致传质效果差，反应速率降低，影响反应转化率；另外，对于列管式径向反应器，由于管板的存在，催化剂装填非常困难，对于板式径向反应器，其内板片扇形排布，板片间距不断变化，移热组件分布不均匀，移热不均，会造成热点或飞温等现象。
Casale和KBR公司报道过固定床卧式反应器，该反应器实则为多段式，由几段水平排列的绝热床层和段间冷却组件组成，反应器内温度呈现多次由低到高的变化趋势，温度变化幅度大，不利于反应稳定进行。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种大型化、控温好、压降小及气体分布均匀的具特殊分布器的控温气固卧式反应器。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，包括壳体、设置在壳体内部的催化剂床层，所述的壳体设有物料进口和产物出口，所述的物料进口设有引导气体扩散的气体分布器，所述的催化剂床层内部穿插用于换热的模块化板束组件，所述的模块化板束组件由多个平行排列的板片组成。
进一步地，所述的壳体为轴向水平布置的圆筒形或长圆筒形壳体，所述的圆筒形壳体由圆形直筒体及两端的半球形封头组成，所述的长圆筒形壳体由圆角长方形直筒体及圆角长方形封头组成，当操作压力大于1MPa时使用圆筒形壳体，当操作压力小于1MPa时使用长圆筒形壳体。
进一步地，所述的气体分布器呈楔形，该气体分布器与壳体内部组件之间形成从物料进口到壳体两侧空间逐渐减少的物料通道，引导气体扩散。气体在反应器长度方向上扩散，随着扩散距离增加，气体流速减小，尤其到扩散末端，流速几乎为零，扩散缺乏动力，楔形可使气体流速保持相对均匀，有利于气体分布均匀。优选地，楔形所成中间夹角为120～160°，其具体角度的确定需综合考虑气速、路径长度、阻力损失及静压变化等。
进一步地，所述的气体分布器设置为喷嘴式气体分布器，所述的喷嘴式气体分布器设有多个喷嘴。优选地，所述的喷嘴设有四个，均匀分布在喷嘴式气体分布器四周，喷嘴的内部设有一个或多个气体通道，一般为1～3个通道，当反应物料可以提前混合时，喷嘴内只需一个通道；当反应物料为两种或三种不可预混的气体时，喷嘴内需设置2～3个通道。气体经喷嘴喷出的辐射角度沿反应器长度方向为90～150°，沿反应器径向方向为30～90°。
进一步地，所述的板片为鼓泡板、平板或波纹板，等间距排布，可根据不同的操作压力和工况选择，一般地，鼓泡板可用于低压和高压工况；平板和波纹板则适用于低压工况。
进一步地，所述的板片平行或者垂直于壳体长度方向排列且间距可调，所述的板片宽度为1～2m，板片长度为2～12m，反应器直径和长度不超过国内公路运输限制，即直径不超过4.5m，长度不超过20m，相应的催化剂装填量为10～160m3。
进一步地，所述的模块化板束组件采用单回路、并联或串联形式进行组装：
采用单回路形式组装时，所述的壳体上部设置一个物料入口，下部设置一个产物出口，反应物料从物料入口进入后，经气体分布器分散到整个催化剂床层，然后气体竖直通过催化剂床层，再经气体收集器收集后由产物出口流出。
采用并联形式组装时，所述的壳体上部设置多个物料入口，下部设置多个产物出口，壳体内根据需要设置多个将反应器分成独立腔体的隔板，其中，每个独立腔体上下分别设有至少一个物料入口和产物出口，反应物料从上端物料入口进入后，经气体分布器分散到整个催化剂床层上，然后气体竖直通过催化剂床层，由下端产物出口收集流出，独立的腔体可用于同一系统中反应压力相近的不同反应。
单回路及并联组装形式可用于允许压降小的反应工况，实际压降在20kPa以下。
采用串联形式组装时，所述的壳体的前后两端分别设置一个物料入口和一个产物出口，该反应器由多个腔体串联组成，通过隔板分隔开，不同腔体装填同种或不同催化剂，不同腔体装填同一种催化剂用于一种反应，装填不同种催化剂用于连续的两个或多个反应。当不同腔体装填同一种催化剂时，对于一般的快速放热反应，不同的腔体之间可以设置不同的板束密度，在反应前端的腔体内，板片排列较为紧密，可以有效地移走反应热量；在反应后端的腔体内，板片排列较为稀疏，可以节省材质，降低成本。
进一步地，所述的模块化板束组件，不同模块之间可以共用热载体进出口和进出总管，即热载体的进出口温度相同；或者不同模块之间可以用分别独立的热载体进出口和进出总管，根据不同区域反应温度的需要，可以采用不同热载体进出口温度或不同的热载体介质。
进一步地，所述的模块化板束组件上端连接蛇形弯管，即板片顶部冷却水出口二级集水管和一级集水管之间采用蛇形弯管连接，从而保证了在筒体和换热组件在不同膨胀系数下应力的释放，所述的模块化板束组件上下部与壳体之间设有用于装填催化剂及检修的操作空间，尤其是对于催化剂易结块的工况，由于板束的高度较小，一般在1.5～3米，工人可通过气刀、真空抽吸、刚性棒等工具对催化剂板结位置进行处理，而不会因为通道过长而不便操作。
本发明控温卧式反应器具体工作原理为，反应物料垂直经过催化剂床层，催化剂床层内穿插换热板束组件，放热反应产生的热量可及时移除，吸热反应消耗的热量可及时补充，使反应床层内温度保持恒定均匀，有利于工业化稳定操作过程。反应气体自上而下或自下而上竖直经过催化剂床层，因为反应器为卧式，流程短，压降小，特别适用于低压反应工况，又因为反应器在长度方向上变化范围较宽，故可以装填的催化剂量范围较宽，可解决小压降反应器的大型化问题。
与现有技术相比，其具体优点为：
1、控温精确。通过在催化剂床层内穿插换热板束组件单元，根据需要具体设置模块化板束组件的形式，高效的将反应时产生的热量进行转移或者提供相应的热量，平行且间距可调的板束可以精确控制反应温度，每个反应的放热快慢和热负荷都不一样，在反应器设计过程中，严格按照反应热量的变化及热点温度要求，分段设置换热板对数量和面积，换热曲线紧密贴合反应热量变化，从而有效保证反应过程的连续化及高效化。
2、压降小。由于流体的流通路径短，横截面大，流速低，气体压降与距离和流速成正相关，故压降减少，节省系统能耗，特别对操作压力低的工况尤为适用。
3、大型化。该卧式反应器的处理规模可达到常见轴向反应器处理规模的3～5倍，常见轴向反应器直径上受公路运输限制，高度受允许压降限制，故其催化剂装填量有限，处理量小，而本发明卧式反应器催化剂竖直高度小，气体压降小，反应器可在长度方向上延伸，处理量大，达到大型化生产的需要。
4、气体分布均匀。楔形气体分布器或者喷嘴式气体分布器有利于气体在水平方向上分布均匀。
5、结构形式灵活，应用范围广。单回路、串联及并联等形式多样，可用于高压和低压工况，在大型化允许压降小的工况下特别有优势。
6、催化剂装卸方便。催化剂装填高度小，装填均匀度易控制；板片等间距分布，每个通道催化剂装填量一致，可依此检验催化剂装填效果；竖直距离小，催化剂板结等问题易处理。
7、检维修方便。板束上端和下端与壳体之间均有维修空间，方便板束及管道等检查维修。
附图说明
图1为本发明圆筒形壳体的结构示意图；
图2为图1的侧视示意图；
图3为本发明长圆筒形壳体的结构示意图；
图4为图3的侧视示意图；
图5为模块化板束组件采用并联形式组装的示意图；
图6为模块化板束组件采用串联形式组装的示意图；
图7为模块化板束组件采用单回路形式组装的示意图；
图8为设有喷嘴式气体分布器的反应器示意图；
图9、10为喷嘴式气体分布器的俯视结构示意图。
图中：1-壳体；2-封头；3-物料进口；4-产物出口；5-模块化板束组件；6-气体分布器；7-隔板；8-喷嘴式气体分布器；9-喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，参照图1-4，包括壳体1、设置在壳体1内部的催化剂床层，壳体1设有物料进口3和产物出口4，催化剂床层内部穿插用于换热的模块化板束组件5，模块化板束组件5由多个平行排列的板片组成，板片为鼓泡板、平板或波纹板，板片平行或者垂直于壳体长度方向排列，板片宽度为1～2m，板片长度为2～12m，根据不同操作压力和工况进行选择，壳体1为轴向水平布置的圆筒形或长圆筒形壳体，圆筒形壳体由圆形直筒体及两端的半球形封头2组成，长圆筒形壳体由圆角长方形直筒体及圆角长方形封头2组成，当操作压力大于1MPa时使用圆筒形壳体，当操作压力小于1MPa时使用长圆筒形壳体。为了使反应气体更加均匀的分布，壳体1在物料进口3的下端设有引导气体扩散的气体分布器6，气体分布器呈楔形，优选地，楔形所成中间夹角为120～160°，其具体角度的确定需综合考虑气速、路径长度、阻力损失及静压变化等。或者如图8-10，在物料进口3设置喷嘴式气体分布器8，喷嘴式气体分布器8设有多个喷嘴9，优选地，喷嘴可设四个，均匀分布在喷嘴式气体分布器8四周，喷嘴的内部设有一个或多个气体通道，一般为1～3个通道，当反应物料可以提前混合时，喷嘴内只需一个通道；当反应物料为两种或三种不可预混的气体时，喷嘴内需设置2～3个通道。气体经喷嘴喷出的辐射角度沿反应器长度方向为90～150°，沿反应器径向方向为30～90°。
模块化板束组件采用单回路、并联或串联形式进行组装，如图5-7，采用单回路形式组装时，壳体1上部设置一个物料入口3，下部设置一个产物出口4；采用并联形式组装时，壳体1上部设置多个物料入口3，下部设置多个产物出口4，壳体1内根据需要设置多个将反应器分成独立腔体的隔板7；采用串联形式组装时，壳体1的前后两端分别设置一个物料入口3和一个产物出口4，该反应器由多个腔体串联组成，不同腔体装填同种或不同催化剂，采用串联形式组装时，不同腔体内根据需要设置不同密度的板束，前端腔体内板片排列紧密，后端腔体内板片排列稀疏。模块化板束组件根据不同区域反应温度需要，不同的模块化板束组件共用热载体或分别采用独立的热载体，模块化板束组件上端连接蛇形弯管，模块化板束组件上下部与壳体之间设有用于装填催化剂及检修的操作空间。
列管式轴向反应器与本发明卧式反应器具体装填量及尺寸比较如表1、表2所示，其中列管内径与板间距相当。
表1列管式轴向反应器装填量及尺寸
表2本发明卧式反应器装填量及尺寸
对比例1
羰化偶联反应合成草酸二甲酯，反应温度区间小，为110～150℃，而单位体积催化剂上的平均热负荷为240kw/m3左右，属于剧烈放热反应，因此需要反应器内部换热组件移热效率高，移热面积大；反应压力为1～5atm，操作压力小，意味着压降不能太大，否则压缩机压比升高，压缩机轴功率增加，能耗增加。若采用轴向列管式反应器，催化剂床层高度不能超过5.5m，反应器直径不能超过运输限4.5m，催化剂的装填量最高可以达到27m3，对应生产10wt/a草酸二甲酯及5wt/a乙二醇，该规模严重制约煤制乙二醇装置大型化。
实施例1
羰化偶联反应合成草酸二甲酯，采用本发明大型化控温卧式反应器，如图2、图5，采用并联形式，板对间距为24～30mm，可以满足换热要求，催化剂床层高度2～4m，压降符合要求，在符合国家公路运输标准的情况下，可以将反应器处理规模提高2～5倍。
实施例2
用于合成气制甲醇，采用图1及图5并联的圆形结构，装填CuO-ZnO-Al2O3系催化剂90m3，其后串联气冷反应器，其处理量即可达到年产150万吨甲醇生产能力，在操作条件下：反应压力8.8Mpa、反应物料进口温度240℃、副产250℃、4MPa的蒸汽400t/h，反应器内催化剂的装填均匀，压力场分布均匀，压降小于300KPa,换热板对束间距30～40mm，可以将反应热点温度控制在270℃以内，催化剂保持较高活性且副反应少，出口甲醇摩尔分率可以达到12％，满足工艺要求，且效益显著。
实施例3
如图6所示，换热板束在水平方向上分为多段，各段换热板束的板对数量、间距和形状相互独立并且可调节，具体根据反应器中不同阶段区域反应放热量的不同来调整所需的换热面积；不同段可以装填不同催化剂，实现单台反应器内多个反应串联。将反应器应用于二甲醚合成乙醇，反应器分为串联的前后两段，第一段装填二甲醚羰化制醋酸甲酯反应的催化剂，第二段装填醋酸甲酯加氢制乙醇的催化剂，经过这两个反应可以制备出高选择性的乙醇，羰化和加氢这两步反应的反应温度和压力相同(493K和1.5MPa)，将这两个反应放在同一个反应器可以节省设备、管道和能耗等。
Claims (10)
1.一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，包括壳体、设置在壳体内部的催化剂床层，所述的壳体设有物料进口和产物出口，其特征在于，所述的物料进口设有引导气体扩散的气体分布器，所述的催化剂床层内部穿插用于换热的模块化板束组件，所述的模块化板束组件由多个平行排列的板片组成。
2.根据权利要求1所述的一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，其特征在于，所述的壳体为轴向水平布置的圆筒形或长圆筒形壳体，所述的圆筒形壳体由圆形直筒体及两端的半球形封头组成，所述的长圆筒形壳体由圆角长方形直筒体及圆角长方形封头组成。
3.根据权利要求1所述的一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，其特征在于，所述的气体分布器呈楔形，该楔形中间的夹角为120-160°。
4.根据权利要求1所述的一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，其特征在于，所述的气体分布器为喷嘴式气体分布器，所述的喷嘴式气体分布器设有多个喷嘴。
5.根据权利要求4所述的一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，其特征在于，所述的喷嘴设有四个，均匀分布在喷嘴式气体分布器四周，喷嘴的内部设有一个或多个气体通道，气体经喷嘴喷出的辐射角度沿反应器长度方向为90～150°，沿反应器径向方向为30～90°。
6.根据权利要求1所述的一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，其特征在于，所述的板片为鼓泡板、平板或波纹板，所述的板片平行或者垂直于壳体长度方向排列且等间距排布，所述的板片宽度为1～2m，板片长度为2～12m。
7.根据权利要求1所述的一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，其特征在于，所述的模块化板束组件采用单回路、并联或串联形式进行组装，
采用单回路形式组装时，所述的壳体上部设置一个物料入口，下部设置一个产物出口；
采用并联形式组装时，所述的壳体上部设置多个物料入口，下部设置多个产物出口，壳体内根据需要设置多个将反应器分成独立腔体的隔板，其中，每个独立腔体上下分别设有至少一个物料入口和产物出口；
采用串联形式组装时，所述的壳体的前后两端分别设置一个物料入口和一个产物出口，该反应器由多个腔体串联组成，不同腔体装填同种或不同催化剂。
8.根据权利要求7所述的一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，其特征在于，采用串联形式组装时，不同腔体内根据需要设置不同密度的板束，前端腔体内板片排列紧密，后端腔体内板片排列稀疏。
9.根据权利要求1所述的一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，其特征在于，所述的模块化板束组件根据不同区域反应温度需要，不同的模块化板束组件共用热载体或分别采用独立的热载体。
10.根据权利要求1所述的一种具特殊分布器的控温气固卧式反应器，其特征在于，所述的模块化板束组件上端连接蛇形弯管，所述的模块化板束组件上下部与壳体之间设有用于装填催化剂及检修的操作空间。
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