CN109382045A - 一种气固相接触催化反应的螺旋板固定床反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气固相接触催化反应的螺旋板固定床反应器，包括气相和换热介质的进出口，反应器内有多个螺旋板式固定床反应段；螺旋板式固定床反应段由两张平行的金属板卷制成两个螺旋形的通道，其中一个通道轴向上两端不密封，装填催化剂后形成固定床层，床层上端(或下端)与气体进口相连通，下端(或上端)与气体出口相连通，气体由进口进入反应器，轴向逐段通过催化剂固定床层反应后，由气体出口排出；另一个通道轴向上的两端封闭，作为换热介质通道，换热介质经螺旋通道流动并通过板壁进行换热，换热完成后由换热介质出口离开反应器。本发明的显著增大壳程换热系数，使总传热系数增大，强化了传热效果，减小了传热温差。
Description
技术领域
本发明涉及固定床反应器，具体涉及一种气固相接触催化反应的螺旋板固定床反应器。
背景技术
固定床催化反应器在化学工业以及石油工业中有着广泛的应用。
固定床反应器的优点是：①返混小，流体同固体催化剂可进行有效接触，当伴有副反应 时可获得较高选择性；②催化剂机械损耗小；③结构简单。但存在以下缺点：①传热效果差， 特别是对于强放热反应，容易出现飞温(反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围)；② 操作过程中催化剂不能更换，对催化剂需频繁再生的反应一般不宜采用。
工业生产中，对于强放热反应，收率对温度敏感且要求高转化率和高选择性的过程多采 用列管式固定床反应器。其结构与管壳式换热器相似，由管束、壳体、两端封头等组成。应 用于气固催化反应时，管程装填催化剂颗粒，并由底部支撑件进行固定，壳程有换热介质流 动，与管程进行热量交换，以及时取出反应热，维持管程内催化剂床层反应温度的稳定。
列管式固定床反应器的管程结构灵活，可以是单管、多管并联，也可以是U型管等，与 其它形式的固定床反应器相比，具有：①径向传热的距离小，可使反应热及时传到管壁，以 准确控制催化剂床层温度；②借鉴成熟的列管式换热器制造技术，工程上易于实现等优点。 但存在：①壳程所占设备体积大，导致传热系数小，装置所需的传热面积大；②催化剂床层 的空间利用率低，导致反应器体积庞大，设备制作成本高，装置不易大型化等缺点。
螺旋板换热器是由两张平行的金属板卷制成两个封闭的螺旋形通道，冷热流体之间通过 螺旋板壁进行换热的换热器。具有体积小、设备紧凑、传热效率高、金属耗量少的优点，在 化工、石油、医药、电力等行业具有广泛的应用。
发明内容
为了解决现有列管式固定床反应器壳程传热系数小、催化剂床层的空间利用率低、装置 不易大型化的技术问题，特别是为了降低换热介质的循环量，借鉴螺旋板换热器的结构和性 能特点，本发明提供一种气固相接触催化反应的螺旋板式固定床反应器。
本发明的技术方案如下：
一种气固相接触催化反应的螺旋板式固定床反应器，包括气相和换热介质的进出口，反 应器内有多个螺旋板式固定床反应段；螺旋板式固定床反应段由两张平行的金属板卷制成两 个螺旋形的通道，其中一个通道轴向上两端不密封，装填催化剂后形成固定床层，床层上端 (或下端)与气体进口相连通，下端(或上端)与气体出口相连通，气体由进口进入反应器， 轴向逐段通过催化剂固定床层反应后，由气体出口排出；另一个通道轴向上的两端封闭，作 为换热介质通道，换热介质经螺旋通道流动并通过板壁进行换热，换热完成后由换热介质出 口离开反应器。
螺旋板固定床反应器的气体进口一般设置在反应器顶部，出口一般设置在反应器底部， 有利于催化剂颗粒的固定，但在某些特定情况下，气体进口也可设置在反应器底部，出口 设置在反应器顶部。
螺旋板固定床反应器可灵活设置多个螺旋板式固定床反应段，其数量由反应所需催化剂 装填量、气相停留时间、所需换热面积等因素综合决定。其中螺旋板式固定床反应段的气体 通道在轴向上串联，气体依次通过每一反应段的催化剂固定床层，反应后由气体出口排出； 为降低换热介质循环量，自下而上每相邻两段螺旋板式固定床反应段(如第1段和第2段、 第3段和第4段……)的换热介质通道通过中心管，在轴向上串联，形成一螺旋板式反应组， 每一螺旋板式反应组中心管的顶部和底部均有隔板与相邻的螺旋板式反应组相隔离，并分别 与换热介质进出口管道相连，实现多组并联取热。
对于具有多个螺旋板式反应组的反应器，进口换热介质的分布可通过设置一个换热介质 进口+换热介质分布器的方式或多个换热介质进口，以实现换热介质多组并联进入每一螺旋 板式反应组，换热介质由通道螺旋进入反应器中心的中心管后，进入上(或下)一层螺旋 板式固定床反应段螺旋流出，经螺旋板式反应段与外壳间设置的管道，再汇聚至反应器顶 (或底)部的换热介质收集器，从换热介质出口流出，有利于反应床层温度的控制。
当螺旋板固定床反应器只需一个换热介质进口时，一般设置在反应器顶(或底)部一侧， 进口管与反应器内部设置的换热介质分布器相连，分布器通过分布管连通至各奇数段螺旋板 式反应段(如自下而上数，第1段、第3段……，下同)，实现各反应段进口换热介质温度和 流量的一致；若需多个换热介质进口时，可在每一奇数段螺旋板式固定床反应段设置一换热 介质进口(进口温度可相同，也可不同)，多个进口并联设置在反应器外侧，实现分段控温； 换热介质出口设置在反应器顶(或底)部另一侧，出口管与反应器内收集器相连，收集器通 过收集管连通至各偶数段螺旋板式固定床反应段(如自下而上数，第2段、第4段……，下 同)，将完成换热的换热介质汇集后离开反应器。换热介质收集器和换热介质分布器可由法兰 或管螺纹与外部插入反应器内的出进口管相连接。
为实现螺旋板式反应组换热介质轴向上的串联，将各螺旋板式固定床反应段与中心管的 相切面留有开口与中心管相连通。当换热介质经管道进入各奇数段螺旋板式固定床反应段， 经换热介质通道由反应段外侧螺旋进入中心管，每一螺旋板式反应组的两个螺旋板式反应段 间的中心管在轴向上相连通，换热介质可通过中心管进入相应的偶数段螺旋板式固定床反应 段，经换热介质通道由中心螺旋离开螺旋板式固定床反应段，经螺旋板式反应段与外壳间设 置的管道，进入收集管汇聚至收集器内，实现与催化剂床层的热量交换。
螺旋板式固定床反应段两侧通道的间距可灵活设计，具体间距的设计需结合催化剂时 空参数、反应总换热量、传热系数、换热介质循环量等因素综合计算。换热介质一侧的通 道间距可根据换热介质的循环量设置，通过提升换热介质的流动速度，提高传热系数，强 化传热效果；催化剂固定床层一侧的通道间距在确保换热效果前提下，尽量增大，以提升 反应器容积的利用率。
螺旋板固定床反应器底部和顶部均由惰性磁球支撑和固封催化剂床层。
螺旋板固定床反应器侧壁环隙亦填充惰性磁球，以避免由于催化剂颗粒在环隙的堆 积，导致反应放热所引起的局部飞温。
螺旋板固定床反应器的制作采用单段制作、两段焊接成组、反应组和分布器、收集器、 分布管和收集管器外组装的模式进行。单段制作过程中，借鉴螺旋板换热器的制作加工经验， 可通过在钢板之间设置筋板或O型圈的方式，实现两侧通道间距的灵活调整；反应段单段制 作完毕后，两段之间先进行外部组装，再通过中心管焊接成组，内部中心管的焊接方式有两 种：首先在中心管的上下两端预留坡口，当中心管直径较小时，可采用自动焊杆深入中心管 内进行焊接；若中心管直径满足进人条件，焊接人员可由中心管进入各反应段，进行内部中 心管的焊接，将两段螺旋板式固定床反应段组成一个整体，再将中心管顶部和底部焊接隔离 挡板，形成一个完整的螺旋板式反应组。将螺旋板式反应组通过换热介质分布管和收集管与 换热介质分布器和收集器连接后，整体吊装放入反应器壳体内，完成反应器的加工制作。
本发明换热介质收集管和分布管与各螺旋板反应器换段介质出进口之间可采用焊接、螺 纹连接或管箍连接的方式进行连接。
本发明的优点：
1)显著增大壳程换热系数，使总传热系数增大，强化了传热效果，减小了传热温差；
2)通过螺旋板式反应段的串联，可显著降低换热介质循环用量；
3)可灵活控制传热距离与传热面积，有利于反应床层温度的控制；
4)容积利用率大(最大可达70％以上，列管式反应器最大仅为40％左右)，单套设备产 能高，占地面积与投资显著降低。
5)换热介质通道具有自清洗作用，不易产生污垢与堵塞。
附图说明
图1和图2是本发明的结构示意图。
1换热介质进口，2换热介质出口，3气体进口，4气体出口，5换热介质分布器，6分布管，7中心管，8～15为螺旋板式固定床反应段，16换热介质收集器，17收集管，18中心管 隔板。
图3为实施例2的结构示意图。
2-1(A.B.C)换热介质进口，2-2换热介质出口，2-3气体进口，2-4气体出口，2-5换热介 质收集器，2-6收集管，2-7中心管，2-8～2-13为螺旋板式固定床反应段，2-14中心管隔板。
具体实施方式
实施例1
75000吨/年乙二醇羟基化合成反应器
本发明的反应器用作75000吨/年乙二醇羟基化合成反应器时，经综合核算需8段螺旋板 式固定床反应段，经换热介质循环量核算：换热介质通道采用两级串联的方式具有较为理想 的换热效果，其结构见图1和图2。
气体由顶部进气口3进入反应器，穿过催化剂固定床层(8～15)发生反应后与产物一起 由底部气体出口4离开反应器。
换热介质进口设置在反应器上部一侧，出口设置在反应器上部另一侧。换热介质经进口 管进入反应器后，先进入换热介质分布器5对液相进行均布，通过分布管6依次进入15、13、 11和9各螺旋板式固定床反应段，经换热介质通道由反应段外侧螺旋进入中心管，再通过中 心管依次进入14、12、10和8的螺旋板式固定床反应段，由换热介质通道螺旋离开螺旋板式 固定床反应段进入换热介质收集管16后，汇聚至换热介质收集器17经换热介质出口离开反 应器。换热介质在螺旋通过反应段的过程中实现与催化剂床层的换热。
表1 75000吨/年乙二醇羟基化合成反应器对比
| 项目 | 本发明固定床反应器 | 列管式固定床反应器 |
| 设备直径(mm) | 3600 | 4000 |
| 催化剂床层高度(mm) | 8000 | 8000 |
| 催化剂装填量(m<sup>3</sup>) | 54 | 36 |
从表1可以看出从上表可以看出，两种反应器催化剂床层的容积利用率分别为：66.35％ 和35.83％，本发明催化剂装填量提升85％以上，可大幅提升装置的产能；同时通过螺旋板式 固定床轴向上两级串联，降低了换热介质的循环量的同时，确保壳程换热系数，增大了总传 热系数，减小了传热温差，便于反应床层温度的控制。
实施例2
20000吨/年醋酸乙烯合成反应器
本发明的反应器用作20000吨/年醋酸乙烯合成反应器时，经综合核算需6段螺旋板式固 定床反应段，其结构见图3。为增强换热效果和降低换热介质循环用量，在每一螺旋板式反 应组设置一股换热介质，实现分段控温。具体为：换热介质进口2-1A、2-1B、2-1C(介质温 度可以相同，也可以不同)设置在2-13、2-11、2-9三个螺旋板式固定床反应段，与反应段内 部换热介质通道的外侧相连，经换热介质通道由反应段外侧螺旋进入中心管，再通过中心管 依次进入2-12、2-10和2-8三个螺旋板式固定床反应段，由换热介质通道螺旋离开螺旋板式 固定床反应段进入换热介质收集管2-6后，汇聚至换热介质收集器2-5经换热介质出口2-2离 开反应器。换热介质在螺旋通过反应段的过程中实现与催化剂床层的换热。
从表2中可以看出从上表可以看出，两种反应器催化剂床层的容积利用率分别为：57.37％ 和35.82％，本发明催化剂装填量提升60％以上，可大幅提升装置的产能；同时通过螺旋反应 段轴向上两级串联，降低了换热介质的循环量的同时，确保壳程换热系数，增大了总传热系 数，减小了传热温差，便于反应床层温度的控制。
表2 2万吨/年醋酸乙烯合成反应器对比
| 项目 | 本发明固定床反应器 | 列管式固定床反应器 |
| 设备直径(mm) | 3600 | 4000 |
| 催化剂床层高度(mm) | 6000 | 6000 |
| 催化剂装填量(m<sup>3</sup>) | 35 | 27 |
Claims (8)
1.一种气固相接触催化反应的螺旋板固定床反应器，其特征在于：包括气相和换热介质的进出口，反应器中心设置中心管，反应器内设置多个螺旋板式固定床反应段；螺旋板式固定床反应段由两张平行的金属板卷制成两个螺旋形的通道，其中一个通道轴向上两端不密封，装填催化剂后形成固定床层，固定床层上端或下端与气体进口相连通，下端或上端与气体出口相连通，气体由进口进入反应器，轴向逐段通过固定床层反应后，由气体出口排出；另一个通道轴向上两端封闭，作为换热介质通道，换热介质经通道流动并通过板壁进行换热，换热完成后由换热介质出口离开反应器；每相邻两个螺旋板式固定床反应段的换热介质通道通过中心管在轴向上串联，形成一螺旋板式反应组，每一螺旋板式反应组中心管的顶部和底部均有隔板与相邻的螺旋板式反应组相隔离，并分别与换热介质进出口管道相连，实现多组并联取热。
2.如权利要求1所述的一种气固相接触催化反应的均热式螺旋板固定床反应器，其特征在于：反应器顶部(或底部)设置换热介质收集器，反应器设置一个换热介质进口和一个换热介质分布器，换热介质进口与换热介质分布器连接，换热介质经由换热介质分布器分别进入每一螺旋板式反应组，换热介质由通道螺旋进入中心管后，进入上一层(或下一层)螺旋板式固定床反应段螺旋流出，经螺旋板式反应段与外壳间设置的管道，汇聚至换热介质收集器，从换热介质出口流出。
3.如权利要求2所述的一种气固相接触催化反应的均热式螺旋板固定床反应器，其特征在于：换热介质进口设置在反应器顶部(或底部)一侧，换热介质分布器通过分布管连通至各奇数段螺旋板式固定床反应段；换热介质出口设置在反应器顶部(或底部)，出口管与换热介质收集器相连，换热介质收集器通过换热介质收集管连通至各偶数段螺旋板式反应段，将完成换热的换热介质汇集后离开反应器。
4.如权利要求1所述的一种气固相接触催化反应的均热式螺旋板固定床反应器，其特征在于：反应器设置多个换热介质进口实现换热介质多组并联进入每一螺旋板式反应组，换热介质由通道螺旋进入中心管后，经上一层(或下一层)螺旋板式固定床反应段螺旋流出，再汇聚至换热介质收集器，从换热介质出口流出。
5.如权利要求4所述的一种气固相接触催化反应的均热式螺旋板固定床反应器，其特征在于：在每一奇数段螺旋板式反应段设置一换热介质进口，多个进口并联设置在反应器外侧，实现分段控温；换热介质出口设置在反应器顶部(或底部)，出口管与换热介质收集器相连，换热介质收集器通过换热介质收集管连通至各偶数段螺旋板式反应段，将完成换热的换热介质汇集后离开反应器。
6.如权利要求5所述的一种气固相接触催化反应的均热式螺旋板固定床反应器，其特征在于：换热介质入口温度相同或不同。
7.如权利要求3或5所述的一种气固相接触催化反应的均热式螺旋板固定床反应器，其特征在于：换热介质收集器和换热介质分布器由法兰或管螺纹与外部插入反应器内的出入口管相连接。
8.如权利要求1-6任一所述的一种气固相接触催化反应的均热式螺旋板固定床反应器，其特征在于：各螺旋板式固定床反应段与中心管的相切面留有开口与中心管相连通；当换热介质经管道进入各奇数段螺旋板式固定床反应段，经换热介质通道由螺旋板式固定床反应段外侧螺旋进入中心管，每一螺旋板式反应组的两个螺旋板式反应段间的中心管在轴向上相连通，换热介质可通过中心管进入相应的偶数段螺旋板式固定床反应段，经换热介质通道由中心螺旋离开螺旋板式固定床反应段，经螺旋板式反应段与外壳间设置的管道，进入收集管汇聚至顶部或底部换热介质收集器内，实现与催化剂床层的热量交换。
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