CN107519823A - 一种分区径向反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分区径向反应器，该反应器包括壳体(2)、进气管(18)、出气管(10)和径向催化反应区(8)，所述径向催化反应区(8)内具有用于轴向均匀分割催化剂床层的多组隔板和多个气体再分布板(19)。该反应器压降低、空间利用率高、无气体偏流和短路现象。

Description

一种分区径向反应器
技术领域
本发明涉及一种分区径向反应器。
背景技术
固定床反应器主要有两种类型，一种是轴向固定床反应器，另一种是径向固定床反应器。轴向固定床反应器设计、加工过程相对容易、操作简单，但存在反应器设备尺寸庞大、床层压降大、容易出现局部飞温、移热缓慢、转化率低、放大效应明显等问题。径向床反应器具有高径比较大、床层压降小、反应物在催化剂床层停留时间短、操作费用低、生产能力高，可使用小颗粒催化剂，易于大型化等优势，但很难实现反应物在径向上的均匀分布。
径向床反应器设计的优劣对反应过程影响较大。流体在床层中轴向均布问题是实现该类反应器优化设计的技术关键。反应物分布均匀与否，直接关系着反应物的转化率、产物的选择性以及反应器的操作稳定性。张成芳等人(径向反应器流体均布设计的研究(II)[J].化学工程,1980,2(2):82-89.)、王金福等人(重整径向反应器布气系统的流体力学行为及其优化设计[J].石油炼制与化工,1997,28(4):47-52.)提出了径向反应器流体均布的方法。一般而言，流体均布主要是通过选取适当的分流道、集流道形式以及开孔率控制的方法实现对流体的均布。
因此，为了进一步提高径向反应器的流体均匀度，满足径向反应器不断大型化的发展需求仍然是目前亟待解决的技术问题，同时也是未来径向固定床反应器的发展方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种分区径向反应器，该反应器压降低、空间利用率高、无气体偏流和短路现象。
为了实现上述目的，本发明提供一种分区径向反应器，该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体、从所述壳体顶部伸入到壳体内部的进气管、从所述壳体底部伸入到壳体内部的出气管、设置在所述壳体内所述进气管的下方所述出气管上方的径向催化反应区；所述径向催化反应区为与所述壳体同轴的圆筒形，其上下由顶部密封板和底部密封板密封；径向催化反应区的反应区侧壁与壳体的内侧壁之间形成有环隙，环隙的下端封闭且上端与所述进气管流体连通；径向催化反应区包括与所述壳体同轴的中心管，中心管的上端由所述顶部密封板封闭，下端密封穿过所述底部密封板与所述出气管连接并流体连通；所述径向催化反应区的反应区侧壁和中心管的中心管侧壁为流体可透过结构，所述径向催化反应区的筒体内外通过该流体可透过的侧壁而流体连通；其特征在于，所述径向催化反应区内具有用于轴向均匀分割催化剂床层的多组隔板和多个气体再分布板，所述气体再分布板为流体可透过结构；所述多组隔板包括按径向从外到内的一组数量为3-30的外层隔板、可选的一组或多组每组数量为3-30的中间隔板、和一组数量为3-30的内层隔板，同一组隔板中的每一块隔板径向设置且径向宽度基本相同，同一组隔板中的每一块隔板与中心点等距地沿圆周均匀排列，同一组隔板中的每一块隔板与与其相邻的一组隔板中的每一块隔板之间在径向上不重叠，且每一块隔板与与其相邻的一组隔板中距离最近的隔板之间具有5-120°的夹角；所述外层隔板的外侧边与所述径向催化反应区的反应区侧壁相接，所述内层隔板的内侧边与所述中心管的中心管侧壁相接；在相邻的二组隔板之间，位于外侧的一组隔板中的每一块隔板的内侧边与位于内侧的一组隔板中的最近的二块隔板的外侧边通过所述气体再分布板连接。
优选地，每一组隔板中的隔板的数量彼此相同，所述中间隔板为1-20组。
优选地，相邻二组隔板之间的径向距离为所述径向催化反应区的半径长度的0-0.5。
优选地，每组隔板中的隔板的径向宽度各自独立地为所述径向催化反应区的半径长度的0.01-0.3。
优选地，所述隔板的上下分别密封固定于所述顶部密封板和所述底部密封板。
优选地，所述中心管的中心管侧壁具有气体分布孔，所述中心管壁的开孔率为0.001-0.55。
优选地，所述气体再分布板具有气体分布孔，所述气体再分布板的开孔率为0.001-0.55。
优选地，所述气体再分布板为平面分布板、曲面分布板和波浪形分布板中的一种或者它们之间的组合。
优选地，所述进气管的下部设置有至少一个用于分布送入所述反应器的反应气的气体分布器。
优选地，所述径向催化反应区的底部与所述壳体的底部之间设置有隔热材料区。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、床层中设置有多组隔板、气体再分布板，将催化剂床层分割为多个反应空间，提高了流体在催化剂床层中的均匀度，避免了反应死区和气体偏流现象出现，床层的温度较为均匀，不会出现热点，充分保证了整个运行周期内的平稳运行；
2、该反应器采用多床层设计，原料转化率、目标产物高，在同等处理规模情况下，可以缩小装置规模，从而达到降低成本、减小投资的目的；
3、不论是新反应器设计、加工，还是对已有反应器进行改造升级，可以根据实际的工业生产能力要求，通过增加对隔板、气体再分布板数量的增减达到控制和调节床层流体均匀度的目的，有利于实现设备的最大利用效率，无明显放大效应。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的反应器的一种具体实施方式的结构示意图；
图2是本发明提供的反应器的一种具体实施方式的剖视图(即图1中A-A面的剖视图)；
图3是本发明提供的反应器的另一种具体实施方式的剖视图(即图1中A-A面的剖视图)；
图4是本发明提供的反应器的第三种具体实施方式的剖视图(即图1中A-A面的剖视图)；
图5是本发明提供的反应器的第四种具体实施方式的剖视图(即图1中A-A面的剖视图)；
图6是本发明提供的反应器的第五种具体实施方式的结构示意图；
图7是本发明提供的反应器的第五种具体实施方式的剖视图(即图6中A-A面的剖视图)；
图8是本发明提供的反应器的第六种具体实施方式的剖视图(即图6中A-A面的剖视图)。
附图标记说明
1进气口 2壳体 3第一气体分布器
4顶部密封板 5反应区侧壁 6中心管侧壁
7中心管 8径向催化反应区 9底部密封板
10出气管 11出气口 12隔热材料区
13外层隔板 14环隙 15内层隔板
16中间隔板 17第二气体分布器 18进气管
19气体再分布板
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供一种分区径向反应器，该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体2、从所述壳体2顶部伸入到壳体内部的进气管18、从所述壳体2底部伸入到壳体内部的出气管10、设置在所述壳体2内所述进气管18的下方所述出气管10上方的径向催化反应区8，所述径向催化反应区8为与所述壳体2同轴的圆筒形，其上下由顶部密封板4和底部密封板9密封。径向催化反应区8的反应区侧壁5与壳体2的内侧壁之间形成有环隙14，环隙14的下端封闭且上端与所述进气管18流体连通；径向催化反应区8包括与所述壳体2同轴的中心管7，中心管7的上端由所述顶部密封板4封闭，下端密封穿过所述底部密封板9与所述出气管10连接并流体连通。所述径向催化反应区8的反应区侧壁5和中心管7的中心管侧壁6为流体可透过结构，所述径向催化反应区8的筒体内外通过该流体可透过的侧壁而流体连通。径向催化反应区8内具有用于轴向均匀分割催化剂床层的多组隔板和多个气体再分布板19，所述气体再分布板19为流体可透过结构；所述多组隔板包括按径向从外到内的一组外层隔板13、可选的一组或多组中间隔板16、和一组内层隔板15；所述外层隔板13的外侧边与所述径向催化反应区8的反应区侧壁5相接，所述内层隔板15的内侧边与所述中心管7的中心管侧壁6相接；在相邻的二组隔板之间，位于外侧的一组隔板中的每一块隔板的内侧边与位于内侧的一组隔板中的最近的二块隔板的外侧边通过所述气体再分布板19连接。所述隔板的上下分别密封固定于所述顶部密封板4和所述底部密封板9。需要说明的是，上述及下文的“上、下”是针对图1和图6的图面方向而言的，“内、外”是针对反应器的本身轮廓而言的。
针对实际反应需要，所述一组外层隔板13的数量可以为3-30，所述每组中间隔板16的数量可以为3-30，所述一组内层隔板15的数量可以为3-30的。同一组隔板中的每一块隔板径向设置且径向宽度基本相同，同一组隔板中的每一块隔板与中心点等距地沿圆周均匀排列，同一组隔板中的每一块隔板与与其相邻的一组隔板中的每一块隔板之间在径向上不重叠，且每一块隔板与与其相邻的一组隔板中距离最近的隔板之间可以具有5-120°的夹角。
为了使径向催化反应区8内形成稳定的结构并提高反应物料在反应区内的均匀分布，每一组隔板中的隔板的数量彼此相同，所述中间隔板16可以为1-20组。相邻二组隔板之间的径向距离可以为所述径向催化反应区8的半径长度的0-0.5。
为了进一步提高反应物料在径向催化反应区8内的均匀分布，每组隔板中的隔板的径向宽度各自独立地为所述径向催化反应区8的半径长度的0.01-0.3。
为了进一步提高反应物料在径向催化反应区8内的均匀分布，所述中心管7的中心管侧壁6可以具有气体分布孔，其开孔率可以根据实际反应的需要进行确定，例如，所述中心管侧壁6的开孔率可以为0.001-0.55。径向催化反应区8的反应区侧壁5、中心管侧壁6也可以使用满足机械强度、工艺要求的约翰逊网。
为了进一步提高反应物料在径向催化反应区8内的均匀分布，所述气体再分布板19也可以具有气体分布孔，其开孔率可以根据实际反应的需要进行确定，例如，所述气体再分布板19的开孔率可以为0.001-0.55。需要说明的是，本领域技术人员常说的气体分布孔，可以是正方形孔、长方形孔、圆形孔、椭圆形孔、锥形孔等孔形式。
所述气体再分布板19可以为平面分布板、曲面分布板和波浪形分布板中的一种或者它们之间的组合。为了避免热应力带来的不利影响，所述气体再分布板19优选为曲面分布板和/或波浪形分布板。
所述气体再分布板和/或隔板可以采用金属材质、陶瓷材质，优选采用不与反应系统中的气体发生反应的金属材质。
为了便于催化剂的装卸，所述径向催化反应区8的顶部密封板4为与径向催化反应区8的外侧壁可拆移的结构。例如当装填微球催化剂时，可将所述顶部密封板4拆移，利用泵送的方式装填催化剂，催化剂装填完成后再将所述顶部密封板4安装为与径向催化反应区8的反应区侧壁5密封连接的状态；当需要卸除催化剂时，也可以将所述顶部密封板4拆移后通过卸剂装置来完成。所述卸剂装置可以为具有强吸力的装置，只要可以达到将催化剂吸出反应器的目的即可，本发明不做特殊的限制，例如可以为常规吸尘器等。
所述进气管18的下部可以设置有至少一个用于分布送入所述反应器的反应气的气体分布器。所述气体分布器可以采用本领域技术人员所常规使用的，本发明不再赘述，所述气体分布器优选设置有两个。
为了防止壳体2的底部过度受热以及阻止径向催化反应区8向下移动，径向催化反应区8的底部与壳体2的底部之间可以设置有隔热材料区12。隔热材料区12内可以放置有本领域技术人员所熟知的单一材质或多种复合材质的隔热球、隔热毡毯或隔热带等隔热材料。
下面将结合附图通过实施例来进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。
实施例1
如图1所示，本实施例所采用的分区径向反应器包括上端设有进气管18、下端设有出气管10的承压壳体2，进气管18的上部具有进气口1，下部设有第一气体分布器3，第一气体分布器3的下方设置有第二气体分布器17。进气管18的下方具有径向催化反应区8。如图2所示，径向催化反应区8内设置有一组外层隔板13，数量为8个，两组中间隔板16，每组的数量为8，以及一组内层隔板15，数量为8个，同一组隔板中的每一块隔板与与其相邻的一组隔板中的最近的隔板之间角度为22.5°。相邻的二组隔板之间，位于外侧的一组隔板中的每一块隔板的内侧边与位于内侧的一组隔板中的最近的二块隔板的外侧边通过所述气体再分布板19连接，径向催化反应区8内设置有3层共计48块平面气体再分布板；外层隔板13、内层隔板15、中间隔板16的上下分别密封固定于顶部密封板4和底部密封板9。
反应器壳体2内径为1200mm，环隙12间距为50mm，中心管6内径为200mm，径向反应区8的催化剂床层高度为1600mm，32个隔板的尺寸相同，长、宽、高分别为：75mm、2.5mm、1600mm，相邻二组隔板之间的径向距离为50mm。气体再分布板5、中心管侧壁6均具有圆形开孔，开孔率分别为3.5％、4.0％。
将本发明提出的反应器应用于合成气甲烷化反应，合成气从进气口1进入反应器，径向穿过催化反应单元后，在中心管7中汇集，从反应器底部出气口11排出反应器。进料组成摩尔体积分数分别为H2：40.1％、CO：8.7％、CO2：4.3％、H2O：17.1％、CH4：29.8％，反应进料温度为280℃、进料压力为3.2MPa，进料流量为2750kmol/h。
从催化剂床层的温度分布来看，床层热点位置距离径向反应区侧壁5的平均距离为280mm，热点值为920K。表1中给出的是本发明采用的一种分区径向反应器与现有技术中径向反应器对比情况。需要说明的是，两种反应器催化剂装填量相同。从床层均匀度、热点位置、CO转化率三个指标可以看出，本发明提出的反应器表现出了较为优异的性能。
表1 本实施例采用的分区径向反应器与常规径向反应器对比
反应器类型 均匀度 热点位置/(mm) CO转化率/(％)
常规径向反应器 0.90 300 65
本实施例的反应器 0.93 280 74
实施例2
如图1、图3所示，本实施例的反应器与实施例1的反应器壳体内径、催化反应区高度、开孔等结构参数相同。与实施例1的不同之处在于，本实施例中用曲面气体再分布板代替平面分布板，曲面凹向中心管方向。
该径向反应器同样可以用于合成气甲烷化反应。与实施例1采用的工艺条件相同。从催化剂床层的温度分布来看，床层热点位置距离反应区侧壁5的平均距离为275mm，热点值为920K。本实施例中流体均匀度为0.92，CO转化率为73％。可以看出本发明提出的反应器表现出了较为优异的性能。
实施例3
如图1、图4所示，本实施例的反应器与实施例2的反应器壳体内径、催化反应区高度、开孔等结构参数相同。与实施例2的不同之处在于，本实施例中采用的曲面气体再分布板的曲面凸向中心管方向。
该径向反应器同样可以用于合成气甲烷化反应。与实施例1采用的工艺条件相同。从催化剂床层的温度分布来看，床层热点位置距离反应区侧壁5的平均距离为268mm，热点值为920K。本实施例中的均匀度为0.96，CO转化率为75％。可以看出本发明提出的反应器表现出了较为优异的性能。
实施例4
如图1、图5所示，本实施例的反应器与实施例1的反应器壳体内径、催化反应区高度、开孔等结构参数相同。与实施例1的不同之处在于，本实施例中相邻二组隔板之间的径向距离为零，且每组隔板的数量为12，同一组隔板中的每一块隔板与与其相邻的一组隔板中的最近的隔板之间角度为15°。每组隔板的尺寸相同，长、宽、高分别为：112.5mm、2.5mm、1600mm。
该径向反应器同样可以用于合成气甲烷化反应。与实施例1采用的工艺条件相同。从催化剂床层的温度分布来看，床层热点位置距离反应区侧壁5的平均距离为278mm，热点值为920K。本实施例中的均匀度为0.92，CO转化率为71％。可以看出本发明提出的反应器表现出了较为优异的性能。
实施例5
如图6、图7所示，本实施例的反应器与实施例1的反应器壳体内径、催化反应区高度、开孔等结构参数相同。与实施例1的不同之处在于，本实施例中不设置中间隔板16，只设置一组外层隔板13和一组内层隔板15。外层隔板13、内层隔板15数量均为16，外组隔板中的每一块隔板与相邻的内组隔板中的每一块隔板之间角度为11.25°；径向催化反应区8内设置有32块平面气体再分布板19，气体分布板19两端分别与相邻的外层隔板的内侧边和内层隔板的外侧边；32个隔板的尺寸相同，长、宽、高分别为：175mm、2.5mm、1600mm，相邻二组隔板之间的径向距离为100mm。
该径向反应器同样可以用于合成气甲烷化反应。与实施例1采用的工艺条件相同。从催化剂床层的温度分布来看，床层热点位置距离反应区侧壁5的平均距离为280mm，热点值为920K。本实施例中流体均匀度为0.92，CO转化率为71％。可以看出本发明提出的反应器表现出了较为优异的性能。
实施例6
如图6、图8所示，本实施例的反应器与实施例5的反应器壳体内径、催化反应区高度、开孔等结构参数相同。与实施例5的不同之处在于，本实施例中外层隔板13、内层隔板15数量均为8，外组隔板中的每一块隔板与相邻的内组隔板中的每一块隔板之间角度为22.5°；径向催化反应区8内设置有16块平面气体再分布板5，外层隔板13的长、宽、高分别为：100mm、2.5mm、1600mm，内层隔板15的长、宽、高分别为：275mm、2.5mm、1600mm，相邻二组隔板之间的径向距离为75mm。
该径向反应器同样可以用于合成气甲烷化反应。与实施例1采用的工艺条件相同。从催化剂床层的温度分布来看，床层热点位置距离反应区侧壁5的平均距离为285mm，热点值为920K。本实施例中流体均匀度为0.91，CO转化率为70％。可以看出本发明提出的反应器表现出了较为优异的性能。
本发明提供的径向反应器结构紧凑、流体分布均匀度较高、床层空间利用率高、原料转化率较高、目标产物选择性高，并且无流体偏流和短路现象。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种分区径向反应器，该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体(2)、从所述壳体(2)顶部伸入到壳体内部的进气管(18)、从所述壳体(2)底部伸入到壳体内部的出气管(10)、设置在所述壳体(2)内所述进气管(18)的下方所述出气管(10)上方的径向催化反应区(8)；所述径向催化反应区(8)为与所述壳体(2)同轴的圆筒形，其上下由顶部密封板(4)和底部密封板(9)密封；径向催化反应区(8)的反应区侧壁(5)与壳体(2)的内侧壁之间形成有环隙(14)，环隙(14)的下端封闭且上端与所述进气管(18)流体连通；径向催化反应区(8)包括与所述壳体(2)同轴的中心管(7)，中心管(7)的上端由所述顶部密封板(4)封闭，下端密封穿过所述底部密封板(9)与所述出气管(10)连接并流体连通；所述径向催化反应区(8)的反应区侧壁(5)和中心管(7)的中心管侧壁(6)为流体可透过结构，所述径向催化反应区(8)的筒体内外通过该流体可透过的侧壁而流体连通；其特征在于，所述径向催化反应区(8)内具有用于轴向均匀分割催化剂床层的多组隔板和多个气体再分布板(19)，所述气体再分布板(19)为流体可透过结构；所述多组隔板包括按径向从外到内的一组数量为3-30的外层隔板(13)、可选的一组或多组每组数量为3-30的中间隔板(16)、和一组数量为3-30的内层隔板(15)，同一组隔板中的每一块隔板径向设置且径向宽度基本相同，同一组隔板中的每一块隔板与中心点等距地沿圆周均匀排列，同一组隔板中的每一块隔板与与其相邻的一组隔板中的每一块隔板之间在径向上不重叠，且每一块隔板与与其相邻的一组隔板中距离最近的隔板之间具有5-120°的夹角；所述外层隔板(13)的外侧边与所述径向催化反应区(8)的反应区侧壁(5)相接，所述内层隔板(15)的内侧边与所述中心管(7)的中心管侧壁(6)相接；在相邻的二组隔板之间，位于外侧的一组隔板中的每一块隔板的内侧边与位于内侧的一组隔板中的最近的二块隔板的外侧边通过所述气体再分布板(19)连接。
2.根据权利要求1的反应器，其中，每一组隔板中的隔板的数量彼此相同，所述中间隔板(16)为1-20组。
3.根据权利要求1的反应器，其中，相邻二组隔板之间的径向距离为所述径向催化反应区(8)的半径长度的0-0.5。
4.根据权利要求1的反应器，其中，每组隔板中的隔板的径向宽度各自独立地为所述径向催化反应区(8)的半径长度的0.01-0.3。
5.根据权利要求1的反应器，其中，所述隔板的上下分别密封固定于所述顶部密封板(4)和所述底部密封板(9)。
6.根据权利要求1的反应器，其中，所述中心管(7)的中心管侧壁(6)具有气体分布孔，所述中心管侧壁(6)的开孔率为0.001-0.55。
7.根据权利要求1的反应器，其中，所述气体再分布板(19)具有气体分布孔，所述气体再分布板(19)的开孔率为0.001-0.55。
8.根据权利要求1的反应器，其中，所述气体再分布板(19)为平面分布板、曲面分布板和波浪形分布板中的一种或者它们之间的组合。
9.根据权利要求1的反应器，其中，所述进气管(18)的下部设置有至少一个用于分布送入所述反应器的反应气的气体分布器。
10.根据权利要求1的反应器，其中，所述径向催化反应区(8)的底部与所述壳体(2)的底部之间设置有隔热材料区(12)。
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