CN110639435B - 内构件和多级流化床反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种内构件和多级流化床反应器，该内构件应用于流化床反应器的腔室内，包括：外侧壁为第一圆锥形结构的壳体以及固定连接结构，其中，壳体的锥端封闭；与锥端相对应的所述第一圆锥形结构的底端设置有开口，在腔室内，开口向下；固定连接结构，设置于壳体的外侧壁，并与流化床反应器固定连接，以使第一圆锥形结构的壳体将腔室划分成上下结构的至少两个反应区。本发明实施例提供的内构件既能够有效地抑制高长径比流化床节涌的形成，又可在反应器内建立多级结构抑制返混。

Description

内构件和多级流化床反应器
技术领域
本发明涉及化工技术领域，特别涉及一种内构件和多级流化床反应器。
背景技术
流化床反应器是一种常见的多相反应器形式，由于其优异的催化剂颗粒流动性能以及高效的传热传质能力，尤其适用于反应强放热或催化剂需要连续反应-再生的情况，如催化裂化，粉煤燃烧，硝基芳香化合物加氢，芳烃氨氧化，甲醇制烯烃、芳烃以及合成气一步法制烯烃与芳烃等。
但是多相反应器中，气泡会不断长大从而减弱多相传递能力，同时容易产生短路造成反应转化率的大幅下降。当反应空速较低的反应过程，流化床反应器内需填充大量催化剂造成流化床反应器的高径比很大，此时产生“节涌”问题，即在主反应区形成气泡，气泡迅速长大最后与反应器直径相近，导致气固接触效率大幅下降，流化床内震动加剧，破坏流化床反应器长周期稳定运行。除此之外，多相反应器由于颗粒相的存在，其与流动相的滑移会造成返混，反应器的停留时间分布变宽，使得短路和过反应会同时存在，难以精准控制中间产物的生成，这尤其不利于深度较大、选择性要求高的反应过程。
发明内容
本发明实施例提供了一种内构件和多级流化床反应器，既能够有效地抑制高长径比流化床反应器内节涌的形成，进而获得更宽的稳定操作区域；又可建立多级反应器形式，级内增强混合级间抑制返混，进而增大反应推动力和中间产物选择性。
第一方面，本发明实施例提供一种内构件，应用于流化床反应器的腔室内，包括：外侧壁为第一圆锥形结构的壳体以及固定连接结构，其中，
所述壳体的锥端封闭；
与所述锥端相对应的所述第一圆锥形结构的底端设置有开口，在所述腔室内，所述开口向下；
所述固定连接结构，设置于所述壳体的外侧壁，并与所述流化床反应器固定连接，以使所述第一圆锥形结构的壳体将所述腔室划分成上下结构的至少两个反应区。
优选地，
第一圆锥形结构的侧壁与所述第一圆锥形结构的轴线之间的夹角不小于2.5度且不大于89度。
优选地，
所述壳体的内侧壁为第二圆锥形结构，所述第二圆锥形结构的侧壁与所述第二圆锥形结构的轴线之间的夹角不小于0度且不大于90度，且小于所述第一圆锥形结构的侧壁与所述轴线的夹角。
优选地，
所述第一圆锥形结构的底端的投影面积为所述腔室横截面积的5％～95％。
优选地，
所述第一圆锥形结构的圆锥母线为所述腔室的内径的0.05-0.75倍。
优选地，
内构件，进一步包括：固定于所述壳体的锥端上的导流组件，其中，
所述导流组件为圆锥体结构、圆柱体结构、圆台结构、球形结构以及立方体结构中的任意一种，且所述导流组件的底端与所述壳体的锥端相匹配。
优选地，
所述导流组件的高度为所述第一圆锥形结构的圆锥母线的0.05-0.75倍。
优选地，
所述导流组件的底端的投影面积为所述第一圆锥形结构的底端的投影面积的0.05-0.5倍。
优选地，
固定连接结构，包括：至少三对连接杆，其中，
每一对所述连接杆对称设置；
所述连接杆的一端固定连接在所述第一圆锥形结构的外侧壁；
所述连接杆的另一端固定连接在所述流化床反应器的内侧壁/顶部。
第二方面，本发明实施例提供一种多级流化床反应器，其特征在于，包括：流化床反应器本体以及至少一个上述任一所述的内构件，其中，
所述内构件固定于所述流化床反应器本体的腔室内，以将所述腔室划分成上下结构的至少两个反应区。
优选地，
至少一个所述内构件的轴线与所述流化床反应器本体的中轴线重合。
优选地，
当分布于所述流化床反应器的轴向上的所述内构件的个数为至少两个时，在所述流化床反应器的轴向上，每相邻两个所述内构件之间的间距为所述第一圆锥形结构的圆锥母线长度的0.2至10倍。
优选地，
当分布于所述流化床反应器的径向上的所述抑制节涌的内构件的个数为至少两个时，在所述流化床反应器的径向上，每相邻两个所述抑制节涌的内构件之间的间距为所述第一圆锥形结构的圆锥母线长度的0.2至10倍。
优选地，
流化床反应装置，进一步包括：设置于所述流化床反应器的腔室底部的管式分布器，其中，管式分布器的开孔向下。
优选地，
流化床反应装置，进一步包括：设置于所述流化床反应器的腔室底部的板式分布器。
本发明实施例提供了一种内构件和多级流化床反应器，该内构件应用于流化床反应器的腔室内，在腔室内的流体流经该内构件时，由于外侧壁为第一圆锥形结构，可在锥端形成空穴区域，该空穴区域为低压区，可迅速吸收周围的气体，吸收气体至锥顶端形成一个类似于蜡烛烛火的细长的气泡，避免形成扁平的节涌，从而防止气泡在高床内形成节涌。另外，流体中的部分催化剂在第一圆锥形结构的底端形成稳定且持续更新的颗粒垫，该颗粒垫可强制颗粒折返，使得位于底部以下的反应区内的气固混合均匀。另外，该颗粒垫可保护气固两相流磨损构件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例提供的一种内构件的结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的一种具有内构件的流化床内流体流动的示意图；
图3是本发明一个实施例提供的一种流化床反应器的示意图；
图4是本发明一个实施例提供的一种流化床反应装置剖面结构示意图；
图5是本发明一个实施例提供的一种流化床反应装置剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明一个实施例提供一种内构件100，该内构件100，应用于流化床反应器的腔室内，包括：外侧壁为第一圆锥形结构的壳体101以及固定连接结构102，其中，
壳体101的锥端封闭；
与锥端相对应的第一圆锥形结构的底端设置有开口103，在腔室内，开口向下；
固定连接结构102，设置于壳体101的外侧壁，并与流化床反应器固定连接，以使第一圆锥形结构的壳体101将腔室划分成上下结构的至少两个反应区。
内构件应用于流化床反应器的腔室内，如图2所示，随着时间的变化t＝3.36s，t＝3.48s，t＝3.60s，t＝3.72s，流体和催化剂在腔室内的流动，即在腔室内的流体流经该抑制节涌的内构件时，由于外侧壁为第一圆锥形结构，可在锥端形成空穴区域，该空穴区域为低压区，可迅速吸收周围的气体，吸收气体至锥顶端形成一个类似于蜡烛烛火的细长的气泡，避免形成扁平的节涌，在锥端处形成稳定的气泡，防止气泡在高床内形成节涌。另外，流体中的部分催化剂在第一圆锥形结构的底端形成稳定且持续更新的颗粒垫，该颗粒垫可强制颗粒折返，使得位于底部以下的反应区内的气固混合均匀。另外，该颗粒垫可保护气固两相流磨损构件。
该内构件可产生的效果：(1)在内构件下方产生稳定但不断更新的颗粒垫，可有效破碎因长径比较大所形成的稳定大气泡，使得大气泡的气相分散于内构件环隙；(2)其内构件下方形成的颗粒垫可强制其下方喷涌的部分颗粒折返，加强内构件下方的多相混合能力；(3)其内构件下方形成的颗粒垫还可有效减小因高速气泡裹挟固体颗粒冲刷对内构件造成的磨损；(4)在其内构件上方可产生稳定但不断更新的空穴，建立多级流化床反应器；(5)在其内构件上方形成的空穴具有较低的颗粒相浓度，可有效抑制颗粒夹带造成的气固返混；(6)在其内构件上方形成的空穴为低压区，可吸收环隙溢出的气体重新汇集于构件中心，形成细长的气泡而非扁平的气相节涌；(7)在其内构件上方形成的空穴，其稳定居于构件的顶部中心，可防止气固偏流的产生。本发明提供的伞型内构件可有效抑制高长径比流化床中大气泡以及节涌的形成，与此同时获得级内高效混合，级间有效抑制返混的新型多级流化床结构，尤其适用于高压低空速、较低操作气速、对传热及抑制返混有要求的反应过程。
在本发明一个实施例中，第一圆锥形结构的侧壁与所述第一圆锥形结构的轴线之间的夹角不小于2.5度且不大于89度。该第一圆锥形结构的侧壁与第一圆锥形结构的轴线之间的夹角的大小可直接影响在锥端形成的空穴区域的大小，而空穴区域的大小将直接影响气泡的破碎，本发明实施例给出的角度范围能够有效地抑制节涌。优选地，第一圆锥形结构的侧壁与第一圆锥形结构的轴线之间的夹角为25-55度，更优选地，第一圆锥形结构的侧壁与第一圆锥形结构的轴线之间的夹角为45度，在夹角为25～55度时，通过数值模拟与流化实验发现，空穴区域的高度为第一圆锥形结构的圆锥母线的2倍，宽度为第一圆锥形结构的圆锥母线的0.45倍，可以有效地分离气体与催化剂，一定程度上能够抑制产物气体过度反应，在空穴区域之后，气体与催化剂重新混合，使原料气进一步反应，有效地提高了产物产率。
在本发明一个实施例中，如图1所示，壳体的内侧壁为第二圆锥形结构104，第二圆锥形结构104的侧壁与第二圆锥形结构104的轴线之间的夹角不小于0度且不大于90度，且小于第一圆锥形结构的侧壁与轴线的夹角。能够保证在第一圆锥形结构的底端形成的具有一定厚度的颗粒垫的稳定性，从而避免内构件的磨损。
优选地，第二圆锥形结构104的轴线与第一圆锥形结构的轴线重合。
另外，在本发明一个实施例中，壳体的内侧壁为弧面结构。
其中，为了保证满足流化床反应器内气固反应的需求，使具有内构件的流化床反应器的性能能够达到较佳的状态如产物的产率、反应物的反应率等。需保证颗粒垫的厚度、内构件在流化床反应器内的高度、内构件的张角以及第一圆锥形结构的圆锥母线之间的关系满足下述计算公式：
计算公式：
Figure BDA0002268217520000071
其中，H表征颗粒垫的厚度；Ug表征表观气速；Umf表征颗粒的起始流化速度；
Figure BDA0002268217520000072
表征内构件内表面张角；L表征第一圆锥形结构的圆锥母线的长度；dp表征颗粒的平均直径。
其中，内构件内表面张角为第二圆锥形结构的侧壁与第二圆锥形结构的轴线之间的夹角的两倍。
在本发明一个实施例中，第一圆锥形结构的底端的投影面积为腔室横截面积的5％～95％。能够保证催化剂、原料气以及产物气体能够从下部的反应区进入到上部的反应区，同时，能够一定程度上抑制返混。
在本发明一个实施例中，第一圆锥形结构的圆锥母线为腔室的内径的0.05-0.75倍。该参数的大小可影响空穴区域大小，而空穴区域的大小不仅影响气泡破碎，而且影响气固分离，本发明实施例提供的参数范围能够抑制节涌的同时保证气固分离率不低于75％。
在本发明一个实施例中，内构件100，进一步包括：固定于壳体锥端上的导流组件，其中，
导流组件为圆锥体结构、圆柱体结构以及立方体结构中的任意一种，且导流组件的底端与壳体的锥端相匹配。如图1示出了圆锥体结构的导流组件105。该导流组件可作为一个类似于“晶核”的不动点从而稳定形成的空穴区并使其成为一个细长的形状，避免其快速长大成为扁平的节涌。
在本发明一个实施例中，导流组件的高度为第一圆锥形结构的圆锥母线的0.05-0.75倍，该导流组件的高度取决于该类固体颗粒在多高处形成节涌。该导流组件的高度为第一圆锥形结构的圆锥母线的0.05-0.75倍，能够最大程度的抑制节涌的形成。
在本发明一个实施例中，导流组件的底端的投影面积为所述第一圆锥形结构的底端的投影面积的0.05-0.5倍。该投影面积决定了气泡其实生长的大小，在保证其自身结构稳定的前提下，应该尽量小。
在本发明一个实施例中，固定连接结构102，包括：至少三对连接杆，其中，
每一对连接杆对称设置；
连接杆的一端固定连接在第一圆锥形结构的外侧壁；
连接杆的另一端固定连接流化床反应器的内侧壁/顶部。
如图3所示，本发明实施例提供一种流化床反应器，包括：流化床反应器本体301以及至少一个上述任一所述的内构件100，其中，
内构件100设置于流化床反应器本体301的腔室内，以使腔室划分成至少两个反应区。
在本发明一个实施例中，至少一个内构件的轴线与流化床反应器的中轴线重合，即在内构件的个数为1个时，则该内构件的轴线与流化床反应器本体的中轴线重合；而在内构件的个数为至少2个时，仍然至少有一个内构件的轴线与流化床反应器的中轴线重合。因为反应器的轴线是气泡聚并的核心。
在本发明一个实施例中，当分布于所述流化床反应器本体的轴向上的内构件的个数为至少两个时，在流化床反应器本体的轴向上，每相邻两个内构件之间的间距为内构件母线长度的0.2至10倍。
在本发明一个实施例中，当分布于流化床反应器的径向上的内构件的个数为至少两个时，在流化床反应器本体的径向上，每相邻两个内构件之间的间距为内构件母线长度的0.2至10倍。
另外，由于第一圆锥形结构，流体在空穴区域所在的反应区的摆动偏转角度和相邻反应区内流体的偏转角度总是相反的，可有效扩大该流化床反应器的操作范围。
在本发明一个实施例中，流化床反应器，进一步包括：
设置于流化床反应器的腔室底部的管式分布器(图中未示出)，其中，管式分布器的开孔向下。
在本发明一个实施例中，流化床反应装置，进一步包括：设置于流化床反应器的腔室底部的板式分布器(图中未示出)，其中，管式分布器的效果通过类似过孔喷动流来模拟。
其中，管式分布器和板式分布器可以同时存在，也可以以择一的方式存在。
使用管式分布器与板式分布器相配合，其中，管式分布器位于上述内构件的投影范围内，其可使气体进入到流化床反应器内后，产生喷动效果并帮助在内构件的底端形成颗粒垫；板式分布器起到助流化作用，防止未喷动区域产生死区。其流动效果如图4所示，在图4-a展示了在内构件存在时，可以使流动保持平衡，而当底层喷动向左偏时经过内构件的喷动向右偏(图4-b)，以使喷动恢复至图4-a的平衡状态，当底层喷动向右偏时经过内构件的喷动向左偏(图4-c)，以使喷动恢复至图4-a的平衡状态。因此，该内构件具有自稳定的作用。
本发明实施例提供的内构件与之前多孔板、百叶窗或是其他构件的设计原理不同。之前多孔板、百叶窗或是其他构件的设计原理主要是通过障碍物本身破碎气泡或是形成气垫。而本发明实施例提供的具有第一圆锥形结构的壳体的内构件的设计原理是：由于颗粒相的引入，多相流的平衡流速会大幅下降，此时其可压缩性凸显。在这样的情况下，颗粒流通过该具有第一圆锥形结构的壳体的内构件不会形成类似流体的涡街，而是会形成类激波结构。正由于颗粒流的可压缩性，使得在特殊设计该具有第一圆锥形结构的壳体的内构件底端形成颗粒垫，在该具有第一圆锥形结构的壳体的内构件锥端形成空穴。而经过数值模拟和实验可得，只有具有第一圆锥形结构的壳体的内构件才能实现这一效果。与此相对应，具有第一圆锥形结构的壳体的内构件的底端为颗粒垫，其可避免自身受到高速气泡与颗粒的冲刷，通过颗粒自身破碎气泡，防止节涌产生；另一方面，可在具有第一圆锥形结构的壳体的内构件的锥端形成空穴区域为低压区，可迅速吸收周围的气体，吸收气体至锥端形成一个类似于蜡烛烛火的细长的气泡，避免形成扁平的节涌。在锥端处形成稳定的气泡，防止气泡在高床内形成节涌。在此基础上，由于这样稳定的稀相空穴存在，使得在流化床内实现多级结构，有效抑制返混。
为了能够清楚地说明本发明实施例提供的内构件，能够达到抑制节涌的效果，本发明进行了模拟对比实验。模拟实验以颗粒温度指标气固混合能力和节涌现象，当边壁区域出现温度高的颗粒聚集，说明反应区混合能力下降且开始形成直径接近筒体尺寸的节涌。如图5所示，图5a为具有本发明实施例提供的伞型内构件的反应器的数值模拟结果，其温度高的聚集颗粒位于反应器的中心，其混合能力增强且气泡尺寸被有效抑制；而图5b为无本发明实施例提供的伞型内构件的反应器的数值模拟结果，其温度高的聚集颗粒位于反应器的边壁，其中心混合能力变差且出现节涌现象。
本发明实施例提供的流化床反应器的应用方法，其特征在于，流化床反应器的应用方法，应用于合成气制芳烃，包括：
在所述流化床反应装置的筒体内堆积高度为筒体直径5倍的催化剂；
控制进入所述筒体内的新鲜合成气的线速为0.03m/s；
控制进入所述筒体内的循环合成气线速为0.3m/s，且所述新鲜合成气与所述循环合成气的体积比为3:7。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
还需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种内构件，其特征在于，应用于流化床反应器的腔室内，包括：外侧壁为第一圆锥形结构的壳体以及固定连接结构，其中，
所述壳体的锥端封闭；
与所述锥端相对应的所述第一圆锥形结构的底端设置有开口，在所述腔室内，所述开口向下；
所述固定连接结构，设置于所述壳体的外侧壁，并与所述流化床反应器固定连接，以使所述第一圆锥形结构的壳体将所述腔室划分成上下结构的至少两个反应区；
流体和催化剂在所述腔室内流动时，所述锥端形成空穴区域，部分催化剂在所述第一圆锥形结构的底端形成稳定且持续更新的颗粒垫。
2.根据权利要求1所述的内构件，其特征在于，
所述第一圆锥形结构的侧壁与所述第一圆锥形结构的轴线之间的夹角不小于2.5度且不大于89度；
和/或，
所述壳体的内侧壁为第二圆锥形结构，所述第二圆锥形结构的侧壁与所述第二圆锥形结构的轴线之间的夹角不小于0度且不大于90度，且小于所述第一圆锥形结构的侧壁与所述轴线的夹角。
3.根据权利要求1所述的内构件，其特征在于，
所述第一圆锥形结构的底端的投影面积为所述腔室横截面积的5％～95％；
和/或，
所述第一圆锥形结构的圆锥母线为所述腔室的内径的0.05-0.75倍。
4.根据权利要求1至3任一所述的内构件，其特征在于，进一步包括：固定于所述壳体的锥端上的导流组件，其中，
所述导流组件为圆锥体结构、圆柱体结构、圆台结构、球形结构以及立方体结构中的任意一种，且所述导流组件的底端与所述壳体的锥端相匹配。
5.根据权利要求4所述的内构件，其特征在于，
所述导流组件的高度为所述第一圆锥形结构的圆锥母线的0.05-0.75倍；
和/或，
所述导流组件的底端的投影面积为所述第一圆锥形结构的底端的投影面积的0.05-0.5倍。
6.根据权利要求1至3任一所述的内构件，其特征在于，所述固定连接结构，包括：至少三对连接杆，其中，
每一对所述连接杆对称设置；
所述连接杆的一端固定连接在所述第一圆锥形结构的外侧壁；
所述连接杆的另一端固定连接在所述流化床反应器的内侧壁/顶部。
7.一种多级流化床反应器，其特征在于，包括：流化床反应器本体以及至少一个权利要求1至6任一所述的内构件，其中，
所述内构件固定于所述流化床反应器本体的腔室内，以将所述腔室划分成上下结构的至少两个反应区。
8.根据权利要求7所述的多级流化床反应器，其特征在于，
至少一个所述内构件的轴线与所述流化床反应器本体的中轴线重合。
9.根据权利要求7所述的多级流化床反应器，其特征在于，
当分布于所述流化床反应器的轴向上的所述内构件的个数为至少两个时，在所述流化床反应器的轴向上，每相邻两个所述内构件之间的间距为所述第一圆锥形结构的圆锥母线长度的0.2至10倍；
和/或，
当分布于所述流化床反应器的径向上的抑制节涌的内构件的个数为至少两个时，在所述流化床反应器的径向上，每相邻两个所述抑制节涌的内构件之间的间距为所述第一圆锥形结构的圆锥母线长度的0.2至10倍。
10.根据权利要求7至9任一所述的多级流化床反应器，其特征在于，进一步包括：
设置于所述流化床反应器的腔室底部的管式分布器，其中，管式分布器的开孔向下；
和/或，
设置于所述流化床反应器的腔室底部的板式分布器。
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