CN110624482B - 一种阶梯状流化床气体分布板 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型气体分布板，适用于强腐蚀和强放热反应体系的流化床反应器。分布板包括由内至外呈阶梯状上升的圆形中心区、圆环形主体区、圆环形壁面区，以及均匀分布于各区的变径短管式气体分布孔；变径短管式气体分布孔包括底部收缩段，中部直段和上部扩张段。从中心区到壁面区上的3个区域上的分布孔底部收缩段的底部入口直径与喉口直径的比值不断增大，相应通气区域内的气体流速不断减小，使壁面区呈现移动床状态，而中心中心区和主体区呈流态化状态，既提高了流化床的传热和传质效率，避免局部过热造成催化剂活性组分流失，又能降低流化床壁面磨蚀和局部流化死区造成的反应器腐蚀。

Description

一种阶梯状流化床气体分布板

技术领域

本发明属于化学合成装置领域，特别涉及一种新型流化床反应器气体分布板。

背景技术

流化床技术广泛应用于化工、冶金、医药等行业。在流化床的很多应用领域中，都涉及到强腐蚀和强放热的反应体系，比如氯化氢氧化反应、乙烯氧氯化反应、粉煤流化床气化反应等。为了使此类强腐蚀和强放热的流化床反应器实现长周期稳定运行，必须采取如下应对措施：

(1)防止在流化床中出现死区导致传热和传质效率的降低；

(2)防止流化床局部过热造成催化剂颗粒固结或活性组分流失；

(3)防止因流化床局部气速过高导致的反应器冲刷磨蚀。

采取这些措施的主要目的是使流化床密相区内形成有效而可控的循环流动，气体分布板是实现流化床密相区循环流动的关键部件。

例如，当措施(1)和(2)不完善时，随着死区的产生，反应产生的热量没有及时传递，会导致催化剂颗粒固结和活性组分流失(比如氯化氢氧化反应中催化剂CuCl₂组分的升华)，从而导致流化质量的不断恶化和反应器效率的不断降低，最终导致停车；而当措施(3)不完善时，会造成反应器尤其是内壁的冲刷磨蚀，导致停车甚至发生泄漏事故。

针对流化床气流分布不均以及流化死区问题，设计者已经提出了各种气体分布板的设计方案。CN105423742A公开了一种带有悬浮导流片的分布板，起到了均流作用；CN105289424A公开了采用风帽和分布板之间的调节手段，控制风量达到均匀流化的作用；CN105597655A公开了利用多层分布板，调节气体压力分布使气体速度均匀。上述技术方案虽然可以在一定程度上优化流化床性能，但工业流化床所采用的物料通常具有宽的粒径分布或者是多组分混合物料，采用均匀通气的分布板会造成颗粒密度低/小粒径的物料已经达到流化，而颗粒密度大/大粒径的物料尚未达到流化状态，造成死区和物料分层的现象，降低流化床的传热和传质效率。

针对上述问题，CN106994321公开了一种带有维持颗粒悬浮的第一基板和用于吹散团聚颗粒的二次风帽孔及风帽的流化床气体分布板；CN103638877A公开了一种带有搅拌系统的流化床反应器，将团聚颗粒打散来提高流化效率；CN205627898U公开了一种带有锥形进气口的气体分布板，锥形进气口按圆周分布，且锥形进气口上方焊接蛇形导向风帽，通过在分布板上方形成旋流来消除流化盲区；CN1191113C公开了一种带有一侧扩大为锥形的通气孔的气相流化床反应器，来避免粉体物料沉积。但是，上述发明操作弹性低，为了使大颗粒物料开始流化只能增加整个通气区域的气速，颗粒密度低或者小粒径的固体颗粒具有较大动量，又会使流化床边壁区域、风帽等内部构件发生严重的磨蚀。

因此，开发一种既能克服流化床因非均匀物料产生的传热和传质效率低，又能避免因过高气速造成的严重磨蚀问题，同时还具有较高操作弹性的气体分布板就显得十分重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术的不足，开发一种适用于强腐蚀和强放热反应体系的流化床反应器气体分布板。

该分布板在圆盘形分布板上由中心区域到边缘区域划分三个通气区域，相应的区域内的气体气孔流速不断减小，在一定条件下使壁面区呈移动床状态，中心区域和主体区域呈流化床状态，同时使流化床密相区内固体物料形成有效而可控的循环流动，消除流化床内死区提高传热和传质效率、避免流化床局部过热造成催化剂颗粒固结或活性组分流失、降低因流化床局部气速过高导致的反应器冲刷磨蚀。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种流化床气体分布板，包括由内至外呈阶梯状上升的圆形中心区、圆环形主体区、圆环形壁面区，以及均匀分布于各区的变径短管式气体分布孔；分布板的各区之间存在高度差且通过倾斜面连接；变径短管式气体分布孔包括底部收缩段，中部直段和上部扩张段。

本发明中，中心区、主体区、壁面区分别占分布板总面积的20-50％、40-60％、10-20％。

本发明中，中心区、主体区、壁面区的开孔率相同，都为1.5-15％，以分布孔上部扩张段出口面积计算开孔率。

本发明中，中心区与主体区之间、主体区与壁面区之间的高度差都为分布板厚度的0.3-1倍，倾斜面与水平面的夹角都为30°-60°。

本发明中，中心区、主体区与壁面区的厚度相同或不同，厚度都为流化床气体分布板的通常公知厚度。

本发明中，中心区、主体区、壁面区分布孔底部收缩段的入口直径相同，入口直径与喉口直径的比值为1.5-3:1，且该比值中心区＜主体区＜壁面区；收缩段的收缩角为20°-40°。

本发明中，分布孔中部直段的长度占短管总长度的比例为15-60％，直径为4-8mm。

本发明中，中心区、主体区、壁面区分布孔上部扩张段的出口直径相同，出口直径与喉口直径的比值为1.5-3:1，且该比值中心区＜主体区＜壁面区；扩张段的扩张角为20°-40°。

如上所述，从中心区到壁面区上的3个区域上的气体分布孔底部收缩段入口直径与喉口直径的比值不断增大，而从中心区到壁面区上的3个区域上的气体分布孔的上部扩张段出口直径一致，当流化气由变径短管式气体分布孔底部收缩段进入时，根据文丘里阻力损失原理，中心区域必然具有最高的气孔气速以及表观气速，将物料吹起，呈现流态化状态，壁面区气孔气速及表观气速最低，贴近壁面的物料呈现充气状态，而处于移动床状态。壁面区、主体区、中心区的高度逐次降低且各区域间通过倾斜面连接，因此，壁面区下部的物料向中心区移动，补充中心区固体物料上升而造成的空穴，床层内的固体物料形成了均匀有序的内部循环，使固体物料径向移动。固体物料径向移动可以破坏流化死区并使大气泡破碎，贴近壁面的物料可以呈现移动床状态运动缓和，同时流化气由气孔直段进入到扩张段时，流动充分发展且气孔气速可以进一步降低。

本发明的分布板可以应用于流化床反应器，优选用于强腐蚀和强放热反应体系的流化床反应器。

通过采用上述技术方案，本发明具有如下积极效果：

(1)从中心区到壁面区3个区域的气孔气速不断减小，在一定条件下使壁面区呈现移动床状态，中心区及主体区形成流化床状态，床层内的固体物料形成可控的内部循环，固体物料形成径向移动提高传热和传质效率，消除了流化床内的死区，避免了流化床局部过热造成催化剂颗粒固结或活性组分流失。

(2)贴近壁面的物料呈现移动床状态运动缓和，降低因流化床局部气速过高导致的反应器器壁被冲刷磨蚀。

(3)分布板上没有导流板、风帽等附加构件，可适用于高强腐蚀和强放热反应体系，且结构简单坚固，便于维护，制造成本低。

附图说明

图1为气体分布板垂直剖面结构示意图；

图2为变径短管式气体分布孔垂直剖面结构示意图；

图3为各区域间倾斜连接面结构示意图。

附图中：1.气体分布板；1a.中心区；1b.主体区；1c.壁面区；2.变径短管式气体分布孔；2a.分布孔上部扩张段；2b.分布孔中部直段；2c.分布孔底部收缩段。

具体实施方式

结合附图与具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

直径为1m，高度为6m的中试流化床反应器装配有一个气体分布板，分布板如图1和图3所示，中心区1a为圆形区域位于分布板1的中心，占分布板总面积的20％；主体区1b为圆环形区域，占分布板总面积的60％，其与中心区1a通过倾斜面连接，分布板厚度为30mm，高度差H1为12mm，倾斜面与中心区水平面的夹角

为60°；壁面区1c为圆环形区域，占分布板总面积的20％，位于分布板1的外边缘，其与主体区1b通过倾斜面连接，高度差H1为30mm，倾斜面与主体区水平面的夹角为60°。分布孔2均匀分布于分布板1，开孔率都为1.5％。分布孔2包含上部扩张段2a、中部直段2b、底部收缩段2c。

如图2所示的变径短管式气体分布孔2，底部收缩段入口直径D1为14mm、收缩角α1为20°，上部扩张段出口直径D3为14mm、扩展角α2为20°；中心区1a、主体区1b、壁面区1c上分布孔2的喉口直径D2分别为7mm、6mm、5mm；分布孔2总长度L1为30mm；中心区1a、主体区1b、壁面区1c上的分布孔2的中部直段的长度L2分别为10.8mm、8mm、5.3mm，分别占短管总长度的36％、26.7％、17.6％。

在该流化床内进行HCl氧化制氯气的连续放热反应，采用粒度分布200目至325目的铜系催化剂。反应气的组成为：44.0mol％HCl，46.0mol％O₂。反应压力0.3MPa，温度390℃，反应气流量1000Nm³/h。分布板压降0.02MPa，流化床中测得的压降为0.11MPa。流化床工作时，流化气从下端的气体分布室经分布孔通过气体分布板。

该反应器连续工作31天，过程中床层压降始终维持稳定，流化床不同高度床层温度没有明显波动。反应器停车后打开人孔检查，流化床壁面没有冲蚀迹象，催化剂颗粒没有发生板结和粉化。

实施例2

直径为1m，高度为6m的中试流化床反应器装配有一个气体分布板，分布板如图1和图3所示，中心区1a为圆形区域位于分布板1的中心，占分布板总面积的50％；主体区1b为圆环形区域，，占分布板总面积的40％，其与中心区1a通过倾斜面连接，分布板厚度为25mm，高度差H1为10mm，倾斜面与中心区水平面的夹角为30°；壁面区1c为圆环形区域，占分布板总面积的10％，位于分布板1的外边缘，其与主体区1b通过倾斜面连接，高度差H1为10mm，倾斜面与主体区水平面的夹角

为30°。分布孔2均匀分布于分布板1，开孔率都为15％。分布孔2包含上部扩张段2a、中部直段2b、底部收缩段2c。

如图2所示的变径短管式气体分布孔2，底部收缩段入口直径D1为10mm、收缩角α1为40°，上部扩张段出口直径D3为10mm、扩展角α2为40°；中心区1a、主体区1b、壁面区1c上分布孔2的喉口直径D2分别为6mm、5mm、4mm；分布孔2总长度L1为25mm；中心区1a、主体区1b、壁面区1c上的分布孔2的中部直段的长度L2分别为14mm，11.2mm以及8.5mm，分别占短管总长度的56％，44.8％，34％。

在该流化床内进行乙烯氧氯化反应，采用粒度分布100目至300目的氯化铜催化剂。反应气的组成为：57.0mol％HCl，11.0mol％O₂，32.0mol％C₂H₄。反应压力0.32MPa，温度235℃，反应气流700Nm³/h。分布板压降0.02MPa，流化床中测得的压降为0.11MPa。流化床工作时，流化气从下端的气体分布室经分布孔通过气体分布板。

该氧氯化反应器连续工作60天，过程中床层压降始终维持稳定、流化床不同高度床层温度没有明显波动，乙烯转化率始终稳定在83％。反应器停车后打开人孔检查，环管进料器没有冲蚀和减薄迹象，催化剂颗粒没有发生板结和粉化。

对比例1

本对比例不同于实施例1之处在于，直径为1m，高度为6m的中试流化床反应器装有一个开孔率为5％的普通气体分布板，结构尺寸相同的圆孔通气孔均匀分布于分布板上，开口尺寸为14mm，每个通气孔上方安装舌形导流板。

在该流化床内进行HCl氧化制氯气的连续放热反应，采用粒度分布200目至325目的铜系催化剂。反应气的组成为：44.0mol％HCl，46.0mol％O₂。反应压力0.3MPa，温度390℃，反应气流量1000Nm³/h。分布板压降0.03MPa，流化床中测得的压降为0.1MPa。流化床工作时，流化气从下端的气体分布室经分布孔通过气体分布板。

该氧化反应仅能连续进行8天，运行第6天开始出现床层压降降低、流化床床层温度波动明显，运行第8天由于反应器出现飞温而紧急停车。反应器停车后打开人孔检查，通气孔上方安装舌形导流板全部被磨损脱落，催化剂颗粒严重粉化，而且板结严重，必须人工破碎清理。

实施例1、2和对比例1的使用效果表明：本发明的气体分布板既提高了流化床的传热和传质效率，又降低了流化床壁面冲蚀，非常适用于强腐蚀和强放热反应体系的流化床反应器。

以上实施例仅用以说明本发明而非限制本发明所描述的技术方案，本领域的技术人员如对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种流化床气体分布板，包括由内至外呈阶梯状上升的圆形中心区、圆环形主体区、圆环形壁面区，以及均匀分布于各区的变径短管式气体分布孔；分布板的各区之间存在高度差且通过倾斜面连接；变径短管式气体分布孔包括底部收缩段，中部直段和上部扩张段；

其中，中心区、主体区、壁面区分布孔底部收缩段的入口直径相同；

分布孔底部收缩段入口直径与中部直段喉口直径的比值为1.5-3:1；

且该比值中心区＜主体区＜壁面区。

2.根据权利要求1所述的气体分布板，其特征在于，中心区、主体区、壁面区分别占分布板总面积的20-50％、40-60％、10-20％。

3.根据权利要求1所述的气体分布板，其特征在于，中心区、主体区、壁面区的开孔率相同，为1.5-15％，以分布孔上部扩张段出口面积计算开孔率。

4.根据权利要求1所述的气体分布板，其特征在于，中心区与主体区之间、主体区与壁面区之间的高度差为分布板厚度的0.3-1倍，倾斜面与水平面的夹角为30°-60°。

5.根据权利要求1所述的气体分布板，其特征在于，中心区、主体区、壁面区分布孔底部收缩段的收缩角为20°-40°。

6.根据权利要求1所述的气体分布板，其特征在于，分布孔中部直段的长度占短管总长度的比例为15-60％，直径为4-8mm。

7.根据权利要求1所述的气体分布板，其特征在于，中心区、主体区、壁面区分布孔上部扩张段的出口直径相同，出口直径与喉口直径的比值为1.5-3:1，且该比值中心区＜主体区＜壁面区；扩张段的扩张角为20°-40°。

8.根据权利要求1所述的气体分布板，该分布板用于强腐蚀和强放热反应体系的流化床反应器。

Images