CN108554321A - 一种适用于强放热体积减小的催化反应器 - Google Patents

一种适用于强放热体积减小的催化反应器 Download PDF

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Abstract

一种适用于强放热体积减小的催化反应器，涉及一种催化反应器，所述反应器轴心呈U形结构，U形轴心为内气筒（7），内气筒（7）四周，从内向外对称的设置有催化剂床层Ⅰ（6）、催化剂床层Ⅱ（5）、催化剂床层Ⅲ（3）、气体分布筒（2）、外气筒（1）；与外气筒（1）相通的外部设有进气口（4）；催化剂床层Ⅲ（3）中设有换热管（8）；反应原料气沿反应器四周进入催化剂床层、从反应器中心排出，匹配气体体积与流路通道面积的变化；调控不同径向位置发生的反应量；匹配催化剂的梯度装填，催化剂床层内梯度移热管束，平衡床层反应热与换热管束移热完成。本发明反应器尤其适合强放热体积减小反应实现床层气体流速、床层温度等的均匀化的场所。

Description

一种适用于强放热体积减小的催化反应器
技术领域
本发明涉及一种催化反应器，特别是涉及一种适用于强放热体积减小的催化反应器。
背景技术
固定床反应器广泛应用于化工领域的气-固相催化反应过程中，对于强放热，体积减小的反应如费托合成，合成氨，甲烷化等，传统的固定床反应器由于有限的传热性能导致催化剂床层中轴-径向存在一定的温差，进而导致催化剂床层中形成局部热点或催化剂床层飞温，引起催化剂烧结甚至失活。此外，传统的固定床反应设计还存在反应气穿过催化剂床层时压降大的缺点。
而工业上现用的列管式反应器在管束内装填催化剂、管外是冷却介质。反应生成的热量一部分由反应物料带走,大部分由反应器列管外的换热介质带走。相比于传统固定床甲烷化反应器，列管式反应器传热性能得到提升，但是存在着气体在反应器列管中分布不均、局部集中或气体死区的现象，严重影响反应器的处理效果和反应效率。由于强放热反应过程中产生的热量比较大，反应器列管中的气量分配不均可能导致列管温差过大，进而发生爆管。此外，现用的列管式反应器还存在着催化剂装填少、床层阻力高，热应力消除不彻底等问题。
现有列管式径向反应器，换热介质走管程，催化剂装填在换热管之间，大大提升了催化剂的装填量，也在一定程度上消除了热应力，减小了反应气的压力降，但是催化剂装填形式单一，无法良好的控制催化剂床层内不同径向位置的反应量，对于强放热反应难以实现床层温度的均匀化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于强放热体积减小的催化反应器，本发明解决了强放热体积减小催化反应过程中原料气穿过催化剂床层压力降大、反应热移出慢以及催化剂床层温差大问题，提供一种适用于强放热体积减小催化反应的径向反应器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种适用于强放热体积减小的催化反应器，包括外气筒、气体分布筒、催化剂床层、进气口、内气筒、换热管，所述反应器轴心呈U形结构，U形轴心为内气筒，内气筒四周，从内向外对称的设置有催化剂床层Ⅰ、催化剂床层Ⅱ、催化剂床层Ⅲ、气体分布筒、外气筒；与外气筒相通的外部设有进气口；催化剂床层Ⅲ中设有换热管；
所述催化反应器的流程如下：
反应原料气沿反应器四周进入催化剂床层、从反应器中心排出，匹配气体体积与流路通道面积的变化；沿径向梯度装填不同活性的催化剂或催化剂与惰性载体的混合物，调控不同径向位置发生的反应量；匹配催化剂的梯度装填，催化剂床层内梯度移热管束，平衡床层反应热与换热管束移热完成。
所述的一种适用于强放热体积减小的催化反应器，所述流程中催化剂床层四周设置反应气均匀进入不同高度催化剂床层的分布器，该分布器对反应气进入催化剂床层的阻力大于反应气在反应器四周通道内流向不同高度处的流动阻力；催化剂床层中心通道四周设置气体流通阻力尽可能小的产品气均匀流出催化剂床层的分布器。
所述的一种适用于强放热体积减小的催化反应器，所述流程中催化剂的梯度装填通过沿径向将反应器分成两个及两个以上区域，匹配反应速度在每个区域装填不同活性催化剂或催化剂与惰性载体的混合物。
所述的一种适用于强放热体积减小的催化反应器，所述匹配催化剂梯度装填的反应床层内移热管束换热面梯度设置不同的管束排列密度或使用不同的管束直径，以平衡所指反应床层内的反应热释放与移出为依据而设置换热管束的总表面积。
所述的一种适用于强放热体积减小的催化反应器，所述流程中强放热体积减小的反应，包括但不限于合成加氢反应，如合成氨、甲烷化、合成甲醇反应。
本发明的优点与效果是：
本发明与现有技术相比的优势在于，反应气沿反应器四周进入催化剂床层，缩短了反应气穿过催化剂床层的路径，降低了反应气穿过催化剂床层的压降。匹配气体体积与流路通道面积的变化沿径向梯度装填不同活性的催化剂或催化剂与惰性载体的混合物，控制不同径向位置催化剂床层反应的量及放出的反应热，防止催化剂床层飞温。换热管束数量及管径的匹配布置平衡不同径向位置反应热的生成与移出，实现整个催化剂床层温度均匀化。
附图说明
图1本发明设计的径向反应器中气体流路示意；
图2本发明设计的径向反应器中换热管束与催化剂装填匹配示。
图中部件：1-外气筒，2-气体分布筒，3-催化剂床层Ⅲ，4-进气口，5-催化剂床层Ⅱ，6-催化剂床层Ⅰ，7-内气筒，8-换热管。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。
图1所示，本发明设计的径向反应器中气体流路示意 (生成气从反应器上部排出)；
图2所示，本发明设计的径向反应器中换热管束与催化剂装填匹配示意图。
本发明的主要设计包括：
1.反应原料气体沿反应器四周进入催化剂床层，从反应器中心排出，沿径向匹配气体流通面积逐渐变小与流通气体体积逐渐变小的特点。
2.在反应器径向方向上梯度装填催化剂。随偏离中心床层的距离增大、催化剂装填量增大、气体流通面积增大，催化剂床层径向上由内至外可划分为多个区域装填不同的催化剂或催化剂与惰性载体混合物，以控制不同径向位置的催化剂床层发生反应的量及其释放的反应热。
3.匹配催化剂的梯度装填，优化设置催化剂床层内的换热管束的数量及密度。即，对应催化剂装填量大及装填高活性催化剂的径向位置床层排布更多换热管束，及时移走生成的大量反应热，避免催化剂床层的飞温和催化剂烧结。按照本发明的设计方法开发的径向反应器尤其适合强放热体积减小反应，实现床层气体流速、床层温度等的均匀化。
本发明反应原料气沿反应器四周进入催化剂床层、从反应器中心排出，匹配气体体积与流路通道面积的变化；沿径向梯度装填不同活性的催化剂或催化剂与惰性载体的混合物，调控不同径向位置发生的反应量；匹配催化剂的梯度装填，在催化剂床层内梯度设置移热管束，平衡床层反应热与换热管束移热。在催化剂床层四周设置反应气均匀进入不同高度催化剂床层的分布器，该分布器对反应气进入催化剂床层的阻力远大于（如5倍以上）反应气在反应器四周通道内流向不同高度处的流动阻力；在催化剂床层中心通道四周设置气体流通阻力尽可能小的产品气均匀流出催化剂床层的分布器。催化剂的梯度装填的方法可为，通过沿径向将反应器分成两个及两个以上区域，匹配反应速度在每个区域装填不同活性催化剂或催化剂与惰性载体的混合物。匹配催化剂梯度装填的反应床层内移热管束换热面梯度设置的方法可为，设置不同的管束排列密度或使用不同的管束直径，以平衡在所指反应床层内的反应热释放与移出为依据而设置换热管束的总表面积。强放热体积减小的反应，包括但不限于各种合成、加氢反应，如合成氨、甲烷化、合成甲醇等反应。
实施例1以甲烷化反应为例：
（1）催化剂床层径向上可划分3个区域为例，催化剂以同心圆的形式装填在催化剂床层Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，依次装填催化剂20Ni/Al2O3 、10Ni/Al2O3、5Ni/Al2O3。
（2）惰性气体N2由进气口4进入径向反应器，经气体分布筒2径向依次穿过催化剂床层Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ，进入内气筒7，并由出气口排出。使用惰性气体排出反应器及催化剂床层中的空气。
（3）还原气体由进气口4进入径向反应器，经气体分布筒2径向穿过催化剂床层依次穿过催化剂床层Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ，并在一定温度下将催化剂还原，然后进入径向反应器的内气筒7，最后由出气口排出。还原气为H2或H2与惰性气体的混合气。
（4）H2和CO的混合气（体积比H2/CO=3：1）由进气口4进入径向反应器，经气体分布筒2径向依次穿过催化剂床层Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ，在催化剂床层内发生甲烷化反应。在催化剂床层Ⅲ装填活性组分含量较少的催化剂5Ni/Al2O3，减少反应气反应的量及放出的反应热，排布数量较多、管径较小的换热管束，即排布较大的换热面积，及时移出反应热。随着反应气径向流动，反应气的量即体积逐渐减小，在催化剂床层Ⅱ和Ⅰ依次装填活性高的催化剂，能促进反应气的充分反应，匹配放出反应热的减少，催化剂床层Ⅱ和Ⅰ的换热面积排布依次减少。甲烷化反应操作条件400 oC、2Mpa下，催化剂床层压降小于0.001Mpa，催化剂床层温差小于40oC。
实施例2以合成甲醇反应为例：
（1）催化剂床层径向上划分3个区域为例，催化剂以同心圆的形式装填在催化剂床层Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，依次装填催化剂CuO/ZnO/Al2O3、CuO/ZnO/Al2O3和Al2O3（3：1）和CuO/ZnO/Al2O3和Al2O3（1：2）。
（2）H2和CO的混合气（体积比H2/CO=2：1）由进气口4进入径向反应器，经气体分布筒2径向依次穿过催化剂床层Ⅲ、Ⅱ和Ⅰ并在催化剂床层内发生反应。在催化剂床层Ⅲ中反应气量较大，装填催化剂CuO/ZnO/Al2O3和Al2O3（1：2）的混合物，通过减少催化剂的量控制反应气发生反应的量，进而减少反应热，匹配较大的换热面积的排布，防止催化剂床层飞温。随着反应气径向流动，反应气的量即体积逐渐减小，在催化剂床层Ⅱ中惰性载体的装填量减少，催化剂床层Ⅰ仅装填催化剂，并且依次减少换热面积（减少换热管束的排布数量及增大换热管管径）。合成甲醇反应操作条件270 oC、5Mpa下，催化剂床层压降小于0.002Mpa，催化剂床层温差小于30 oC。
以上所述皆为本发明较佳的实施例而已，并不用于限制本发明的应用。

Claims (5)

1.一种适用于强放热体积减小的催化反应器，包括外气筒、气体分布筒、催化剂床层、进气口、内气筒、换热管，其特征在于，所述反应器轴心呈U形结构，U形轴心为内气筒（7），内气筒（7）四周，从内向外对称的设置有催化剂床层Ⅰ（6）、催化剂床层Ⅱ（5）、催化剂床层Ⅲ（3）、气体分布筒（2）、外气筒（1）；与外气筒（1）相通的外部设有进气口（4）；催化剂床层Ⅲ（3）中设有换热管（8）；
所述催化反应器的流程如下：
反应原料气沿反应器四周进入催化剂床层、从反应器中心排出，匹配气体体积与流路通道面积的变化；沿径向梯度装填不同活性的催化剂或催化剂与惰性载体的混合物，调控不同径向位置发生的反应量；匹配催化剂的梯度装填，催化剂床层内梯度移热管束，平衡床层反应热与换热管束移热完成。
2.根据权利要求1所述的一种适用于强放热体积减小的催化反应器，其特征在于，所述流程中催化剂床层四周设置反应气均匀进入不同高度催化剂床层的分布器，该分布器对反应气进入催化剂床层的阻力大于反应气在反应器四周通道内流向不同高度处的流动阻力；催化剂床层中心通道四周设置气体流通阻力尽可能小的产品气均匀流出催化剂床层的分布器。
3.根据权利要求2所述的一种适用于强放热体积减小的催化反应器，其特征在于，所述流程中催化剂的梯度装填通过沿径向将反应器分成两个及两个以上区域，匹配反应速度在每个区域装填不同活性催化剂或催化剂与惰性载体的混合物。
4.根据权利要求3所述的一种适用于强放热体积减小的催化反应器，其特征在于，所述匹配催化剂梯度装填的反应床层内移热管束换热面梯度设置不同的管束排列密度或使用不同的管束直径，以平衡所指反应床层内的反应热释放与移出为依据而设置换热管束的总表面积。
5.根据权利要求1所述的一种适用于强放热体积减小的催化反应器，其特征在于，所述流程中强放热体积减小的反应，包括但不限于合成加氢反应，如合成氨、甲烷化、合成甲醇反应。
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