CN111013497A - 一种列管式反应器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种列管式反应器，其包括：反应器箱体，间隔设置在所述反应器箱体内的多根列管，设置在所述反应器箱体上的热交换介质入口和热交换介质出口，以及位于所述热交换介质入口和热交换介质出口之间的一个或多个折流板，设置在所述反应器箱体的上部的反应器出口，气体进料单元和液体进料单元，以及气体分布器。本发明的列管式反应器采用气液分腔进料，提出采用切线进料加挡板调节进料的方式，实现了气液均匀分布到每根管中，消除了液腔中的死区和滞留层，避免了进料自聚爆炸隐患。

Description

一种列管式反应器
技术领域
本申请涉及反应器领域，具体地涉及一种列管式反应器，更具体地涉及一种列管式固定床催化反应器。
背景技术
列管式反应器由许多很细的反应管组成，这些反应管内装有催化剂，成为固定床反应器。列管式反应器多用于强放热反应、强吸热反应等反应进行很快的情况，可用于碳酸乙烯酯的制备。用该类型设备制备碳酸乙烯酯目前的进料方式主要是气液均从底腔同腔进料，易导致液体分布不均。如何解决羰基化反应气液固三相反应气液分布不均、局部流动滞止、热量传递较慢、反应效率较低是生产碳酸乙烯酯的工程设计难题。
发明内容
本发明所要解决的是现有技术中存在的如下问题：(1)气液流场/温度分布不均匀导致热量分布不均造成局部飞温或反应不全，影响催化剂使用寿命和产品收率；(2)气液分腔进料局部沟流引起液腔中气体进料形成死区和滞留层，高温下可燃气体原料容易发生自聚存在爆炸隐患。本发明提出了一种用于固载化催化的气液固多相固定床列管式反应器，通过合理优化设计反应器气液分腔进料位置及方式、气体分布器结构、固相床层结构、内部导流构件和整体外部构型，实现了该反应器内床层结构、流体流动和化学反应间的高度匹配和协同促进效应，适合于大规模工业化应用的特点。
本申请提供一种列管式反应器，其包括：
反应器箱体，
间隔设置在所述反应器箱体内的多根列管，
设置在所述反应器箱体上的热交换介质入口和热交换介质出口，以及位于所述热交换介质入口和热交换介质出口之间的一个或多个折流板，在所述热交换介质入口和热交换介质出口之间形成壳程，
设置在所述反应器箱体的上部的反应器出口，所述反应器出口与所述多根列管的管内部流体相通；
设置在所述反应器箱体的下部的气体进料单元和液体进料单元，所述液体进料单元与所述多根列管的管内部流体相通，所述液体进料单元位于气体进料单元的上部；
气体分布器，所述气体分布器将所述液体进料单元与所述气体进料单元间隔开，所述气体分布器中设有多个轴向通孔，以使所述液体进料单元与所述气体进料单元流体相通。
在一种实施方式中，所述气体进料单元包括位于所述气体分布器下面的气体进口，以及位于所述反应器底部的气腔排液口。
在一种实施方式中，所述液体进料单元包括液体进料腔，位于所述反应器壁的液体切线进料口，以及挡板。
在一种实施方式中，所述挡板安装于所述液体进料腔顶部，并距离液体进料腔底部5～50mm。
在一种实施方式中，所述多根列管设置在带有通孔的安装盘上，通过所述带有通孔的安装盘，所述液体进料单元的液体进料腔与所述多根列管的管内部流体相通。
在一种实施方式中，所述多根列管内填充有固载化催化剂。
在一种实施方式中，所述多根列管为竖直列管结构，所述列管内径为10～50mm。
在一种实施方式中，所述列管的长度为2～30m。
在一种实施方式中，所述列管的间距为5～60mm。
在一种实施方式中，所述折流板的数目为1～50个。
本发明的列管式反应器采用气液分腔进料，提出采用切线进料加挡板调节进料的方式，实现了气液均匀分布到每根管中，消除了液腔中的死区和滞留层，避免了进料自聚爆炸隐患；采用换热管设计，解决了诸如碳酸乙烯酯的制备过程中羰基化反应气液固三相反应气液分布不均、局部流动滞止、热量传递较慢、反应效率较低的工程设计难题；本发明的反应器可以采用固载催化剂，可以使得催化剂不会被反应产物带出，避免了传统均相催化剂与产物例如碳酸乙烯酯分离的工序，降低了工艺能耗，简化了工艺流程。
附图说明
图1示出本申请列管式反应器的结构示意图。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。
如图1所示，本申请提供的一种列管式反应器包括：
反应器箱体20，
间隔设置在所述反应器箱体20内的多根列管8，
设置在所述反应器箱体20上的热交换介质入口10和热交换介质出口7，以及位于所述热交换介质入口10和热交换介质出口7之间的一个或多个折流板9，在所述热交换介质入口10和热交换介质出口7之间形成壳程，
设置在所述反应器箱体20的上部的反应器出口6，所述反应器出口6与所述多根列管8的管内部流体相通；
设置在所述反应器箱体的下部的气体进料单元和液体进料单元，所述液体进料单元与所述多根列管的管内部流体相通，所述液体进料单元位于气体进料单元的上部；
气体分布器3，所述气体分布器3将所述液体进料单元与所述气体进料单元间隔开，所述气体分布器中设有多个轴向通孔，以使所述液体进料单元与所述气体进料单元流体相通。
在本申请的列管式反应器中，反应器箱体20可以呈圆柱体形状，用于容纳各列管，并作为壳程流体的容器。
在本申请的列管式反应器中，在所述反应器箱体20内间隔设置有多根列管8。优选地，所述列管式反应器中多根列管8为竖直列管结构。可以根据需要选择列管的内径、长度、间距以及根数等。在一种实施方式中，列管内径为10～50mm，长度为2～50m，间距为12～60mm，数目为100～5000根，优选200-2500根，例如1000-3000根。采用这样的列管布局对于碳酸乙烯酯等的制备反应以及磺化反应等也是特别有利的。在一种实施方式中，所述多根列管设置在带有通孔的安装盘21上，通过所述带有通孔的安装盘21，所述液体进料单元的液体进料腔与所述多根列管8的管内部流体相通。
在本申请的列管式反应器中，在所述反应器箱体20上设置有热交换介质入口10和热交换介质出口7，以及在所述热交换介质入口10和热交换介质出口7之间设置有一个或多个折流板9，在所述热交换介质入口10和热交换介质出口7之间形成壳程。可以从热交换介质入口10通入换热介质，并从热交换介质出口7将换热介质引出反应器，从而可以快速引出反应过程产生的热量。在一种实施方式中，折流板9的数目可以为1～50，优选5～30，更优选10～20。每块折流板可以等距或者不等距设置在反应器箱体内，与反应器箱体的轴向呈90°角度。
在本申请中，在所述反应器箱体的下部设置有气体进料单元和液体进料单元，所述液体进料单元与所述多根列管的管内部流体相通。而且，为了便于将液体进料输送到列管内，所述液体进料单元位于气体进料单元的上部，使得通过气流上升将液体进料一起引入到各列管中。
在本申请中，还包括气体分布器3，所述气体分布器3将所述液体进料单元与所述气体进料单元间隔开。所述气体分布器3中设有多个轴向通孔，以使所述液体进料单元与所述气体进料单元流体相通。在一种实施方式中，这些通孔贯通气体分布器3的轴向方向，使得从气体分布器3下部输入的气体进料能够通过这些通孔进入到液体进料腔，并进而带动所述液体进料一起进入到各反应列管中。在一种实施方式中，在气体分布器3中的通孔均匀分布，以确保能够均匀地将气体进料输入到液体进料腔，进而保证每根管内气量分布均衡。该气体分布器3具有一定的厚度(即轴向方向的高度)，可以为0.02-0.5m，例如0.05-0.5m，或者0.02-0.1m。在该气体分布器3中的通孔均匀分布，其内径可以为10-1000μm，或者50-1500μm。
在本发明中，所述气体进料单元包括位于所述气体分布器3下面的气体进口2，以及位于所述反应器底部的气腔排液口1。在本发明中，该气体进料单元与气体分布器可以一起构成气体进料腔，用于向该列管式反应器输送气体原料。
在本发明的一种实施方式中，所述液体进料单元包括液体进料腔30，位于所述反应器壁的液体切线进料口5，以及挡板11。为保证气液在每根管的均匀分布，液体进料采用切线进料加挡板调节进料方式。切线进料方式与挡板组成内部导流构件的设计保证了液体进料稳定均匀，消除进料带来的扰动，实现了液体均匀分布到每根管中。在该反应器用于碳酸乙烯酯的制备时，消除了液腔中的环氧乙烷(EO)死区和滞留层，避免了环氧乙烷的自聚爆炸隐患。在一种实施方式中，挡板11安装于所述液体进料腔30顶部，并距离液体进料腔30底部5～50mm。在一种实施方式中，液体进料单元还包括与液体进料腔30相通的液腔排液口4。可以在检修或者发生故障时，通过该液腔排液口4将液体进料腔中的物料排出反应器。
优选地，所述列管8内填充有固载化催化剂。可以根据需要选择催化剂以及载体的种类。特别是，对于碳酸乙烯酯的制备，催化剂可选择有机碱催化剂、有机金属配合物催化剂、离子液体催化剂等。载体可以选自二氧化硅、金属氧化物、介孔分子筛以及有机聚合物中的一种。当列管8内填充有固载化催化剂时，各列管成为各反应物料发生反应的固定床，整个反应器可以称为列管式固定床反应器。
本发明的列管式反应器采用气液分腔进料，提出采用切线进料加挡板调节进料的方式，实现了气液均匀分布到每根管中，消除了液腔中的死区和滞留层，避免了进料自聚爆炸隐患。
针对反应器撤热采用换热管设计，解决了诸如碳酸乙烯酯的制备过程中羰基化反应气液固三相反应气液分布不均、局部流动滞止、热量传递较慢、反应效率较低的工程设计难题。
本发明可以采用固载催化剂，催化剂不会被反应产物带出，避免了传统均相催化剂与产物例如碳酸乙烯酯分离的工序，降低了工艺能耗，简化了工艺流程。
本发明的反应器可以用于多种反应过程，例如，二氧化碳与环氧乙烷反应制备碳酸乙烯酯的反应过程，以及使用SO3气体来进行磺化的反应过程等到。
以下给出了本发明反应器的应用实例。
实施例1
碳酸乙烯酯合成：按照图1，气液固多相列管式反应器竖直安装，反应器内部均匀分布列管2400根，列管内径20mm，列管间距15mm，列管长8000mm。折流板数目为10，与壳体呈90°角度。每根列管内部装填有机聚合物负载的离子液体催化剂(本发明中具体采用聚苯乙烯树脂负载的1,2,4-三氮唑溴类离子液体催化剂)。CO2由气体进口进入，经气体进口分布器均匀分布到列管反应器中。环氧乙烷(EO)经液体进料口切线进料，挡板位于液体进料腔顶部，并距离液体进料腔底部10mm。采用切线进料加挡板调节方式进料消除进料带来的扰动，可均匀分布到每根列管中，经过固载化催化剂与CO2反应生成产物。将所得的产品进行气相色谱分析，选择性为99.8％，收率为99％。
实施例2
磺化(硫酸化)反应：按照图1，列管式反应器竖直安装，反应器内部均匀分布列管2200根，列管内径25mm，列管间距12mm，列管长6m。列管式反应器内部折流板数目为5，与壳体呈90°角度。SO3/氮气的混合气(SO3体积分数25％)由气体进口进入，经气体进口分布器均匀分布到列管反应器中。有机相经液体进料口切线进料，挡板位于液体进料腔顶部，并距离液体进料腔底部8mm。采用切线进料挡板调节方式进料消除进料带来的扰动，可将有机液相均匀分布到每根列管中，SO3上行与有机液相反应生产磺酸产物。
本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种列管式反应器，其特征在于，所述列管式反应器包括：
反应器箱体，
间隔设置在所述反应器箱体内的多根列管，
设置在所述反应器箱体上的热交换介质入口和热交换介质出口，以及位于所述热交换介质入口和热交换介质出口之间的一个或多个折流板，在所述热交换介质入口和热交换介质出口之间形成壳程，
设置在所述反应器箱体的上部的反应器出口，所述反应器出口与所述多根列管的管内部流体相通；
设置在所述反应器箱体的下部的气体进料单元和液体进料单元，所述液体进料单元与所述多根列管的管内部流体相通，所述液体进料单元位于气体进料单元的上部；
气体分布器，所述气体分布器将所述液体进料单元与所述气体进料单元间隔开，所述气体分布器中设有多个轴向通孔，以使所述液体进料单元与所述气体进料单元流体相通。
2.根据权利要求1所述的列管式反应器，其特征在于，所述气体进料单元包括位于所述气体分布器下面的气体进口，以及位于所述反应器底部的气腔排液口。
3.根据权利要求1所述的列管式反应器，其特征在于，所述液体进料单元包括液体进料腔，位于所述反应器壁的液体切线进料口，以及挡板。
4.根据权利要求3所述的列管式反应器，其特征在于，所述挡板安装于所述液体进料腔顶部，并距离液体进料腔底部5～50mm。
5.根据权利要求3所述的列管式反应器，其特征在于，所述多根列管设置在带有通孔的安装盘上，通过所述带有通孔的安装盘，所述液体进料单元的液体进料腔与所述多根列管的管内部流体相通。
6.根据权利要求1-5任一项所述的列管式反应器，其特征在于，所述多根列管内填充有固载化催化剂。
7.根据权利要求1-5任一项所述的列管式反应器，其特征在于，所述多根列管为竖直列管结构，所述列管内径为10～50mm。
8.根据权利要求7所述的列管式反应器，其特征在于，所述列管的长度为2～30m。
9.根据权利要求7所述的列管式反应器，其特征在于，所述列管的间距为5～60mm。
10.根据权利要求1-5任一项所述的列管式反应器，其特征在于，所述折流板的数目为1～50个。
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