CN112295508A - 一种带氢气分布管的反应器及应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带氢气分布管的反应器及应用方法。反应器的催化剂床层设置为两部分，催化剂上部床层和催化剂下部床层，催化剂上部床层和催化剂下部床层之间设置层间空隙区；在所述层间空隙区的上部设有氢气分布管，所述氢气分布管是以筒体中轴为圆心，沿圆心水平径向设置的呈放射状分布的直管；所述氢气分布管的向下或向斜下方向均匀设有氢气出口，所述氢气分布管与反应器外配氢管线相连。本发明通过在反应器催化剂上下床层之间的层间空隙区以圆心放射状分布的氢气分布器补配氢气，有效地均衡反应器中下部的MAPD和氢气浓度，显著消除壁流和气液分布不均所造成的出口MAPD超标。

Description

一种带氢气分布管的反应器及应用方法
技术领域
本发明涉及化工设备技术领域，具体是涉及一种采用双层催化剂和反应器中部多点氢气配入设计，平衡氢炔比和并且消除壁流的带氢气分布管的反应器及应用。
背景技术
石脑油等液态烃原料经蒸汽裂解和分离后，碳三馏分中含有丙烯，丙烷，及少量的丙炔和丙二烯(简称MAPD)，MAPD的含量约为1％～5％(体积)。在丙烯聚合反应中，MAPD会降低聚丙烯催化剂的活性，影响聚合级丙烯产品的质量。为了将MAPD从碳三馏分中脱除，当前工业上采用催化选择加氢和溶剂吸收法脱除MAPD。由于催化加氢法工艺流程简单，没有环境污染，所以催化加氢法的应用日益普遍。
碳三馏分催化加氢技术主要采用固定床反应器，分为等温固定床反应器和绝热固定床反应器。等温固定床反应器具有良好的传热性能，单位床层具有较大的传热面积，管内温度较易控制，适用于碳三馏分气相加氢工艺，但由于设备投资大，气相物料需换热冷却进入下游，能耗较高，其局限性日益突出。绝热固定床反应器，反应器外壳包裹绝热保温层，使催化剂床层与外界没有热量交换。中空圆筒的底部放置搁板，上面堆放固体催化剂，气液相物料从上而下通过催化剂床层。其结构简单，床层横截面温度均匀，单位体积内催化剂装填量大，即生产能力大，比较适合于热效应不大的反应，非常适合碳三馏分液相加氢工艺。
传统的碳三馏分固定床液相加氢工艺中，原料与氢气混合后从反应器上部进入，从上而下通过催化剂床层，反应后的气相中含有大量氢气和少量烃类，液相产物主要以烃类为主，气相和液相产物一起由反应器底部的出料口采出，在经过换热器和/或冷却器降低温度后，经过压力平衡罐稳压后进入到下游丙烯精馏塔。
戴伟、张立岩等的专利CN101139242公布了一种碳三馏分液相选择加氢方法，取消了反应器出口的冷却器，并将压力平衡罐改为气液分离罐，并在气液分离罐上部设有冷凝器，将少量的气相碳三馏分冷凝为液相。与传统的碳三加氢技术相比，该方法减少了设备投资，降低了丙烯精馏塔的分离负荷，甚至可以省去巴氏精馏段，但受管道传输的影响，气液分离罐的温度受物料流量影响较大，冷凝器控制难度较大，很容易造成整个碳三加氢系统的压力波动，影响催化加氢反应。
在固定床加氢反应器内，形成了气-液-固三相共存的反应体系，反应效率高低取决于气-液-固三相的相间传质速度。由于气相需要溶解到液相中，才能与固相(催化剂)发生吸附反应，所以气相分布方式对反应器的传质效率和氢气使用效率有重要影响。
甘永胜和李斌等的专利CN101279229公布了一种反应器的气液分布器，气相从气液分布器的液相通道管顶部小孔横向进入反应器，液相从气液分布器的液体通道管小孔流出，形成不同直径的环形分布，改善反应器内部气液分布。
叶汀的专利CN20286053公布了一种液体分布器，在分布器底部设置滴液头，提高了液滴分布的均匀程度以及液相与气相的反应质量。
采用气液分布器能够提高气液两相在反应器内催化剂床层上部初始分布均匀程度，但随着装置规模的扩大，反应器直径和高度不断加大，气液分布难以在催化剂床层中部到下部也形成均匀分布，液相物料易于在反应器壁形成壁流，降低反应效率。
碳三液相加氢反应中需将MAPD脱除至ppm级，普遍选用活性较高的催化剂，加氢反应集中在催化剂床层上部，消耗氢气大，却很难将反应器出口MAPD控制指标以下，这主要是由于反应器中下部氢气浓度偏低，受壁流和液相扩散的影响，在同一平面上碳三物料中MAPD浓度由中心区域向四周呈放射状升高，因此周边MAPD加氢效率较低。如果增大入口氢气配入量，不但影响丙烯选择性，而且反应后剩氢过多，将会直接影响丙烯精馏塔的分离效果，造成产品丙烯中氢含量超标。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，提高固定床加氢反应器的反应效果，本发明提供了一种带氢气分布管的反应器及其应用方法。本发明通过在反应器催化剂上下床层之间的层间空隙区以圆心放射状分布的氢气分布器补配氢气，有效地均衡反应器中下部的MAPD和氢气浓度，显著消除壁流和气液分布不均所造成的出口MAPD超标。
本发明的目的之一是提供一种带氢气分布管的反应器。
包括筒体、预分配器、气液分配盘、催化器床层、出口聚集器；筒体的顶部设置有进口；反应器内部，沿筒体的轴向从上至下依次设置预分配器、气液分配盘、催化剂床层和出口聚集器；
所述催化剂床层设置为两部分，催化剂上部床层和催化剂下部床层，催化剂上部床层和催化剂下部床层之间设置层间空隙区；
在所述层间空隙区的上部设有氢气分布管，所述氢气分布管是以筒体中轴为圆心，沿圆心水平径向设置的呈放射状分布的直管；所述氢气分布管的向下或向斜下方向均匀设有氢气出口，所述氢气分布管与反应器外配氢管线相连。
其中，
所述直管均在氢气分布管圆心相互连通，每个相邻直管之间夹角均相同。
所述直管数量为3-20根，优选为6-12根。
每根直管等长，长度为反应器筒体半径的90-98％，优选为92-96％。
所述氢气出口位置符合公式
Figure BDA0002142629020000041
其中Yn为直管上的第n个氢气出口距离氢气分布管中心长度；
Xn为直管上第n个氢气出口，Xn为整数且符合(1≤Xn≤N)；
N为每根直管上的氢气出口个数；L为直管长度；4≤N≤15，优选6≤N≤10；
m为设定系数，符合1＜m≤10，优选1.5≤m≤5。
通过出口位置的函数设置可以使层间空隙区的氢气浓度径向分布与MAPD浓度相匹配，以达到H2/MAPD在水平方向的一致，从而创造出更有利于MAPD加氢的反应环境。
所述外部氢管线由反应器外引入至层间空隙区中轴位置，与氢气分布管中心位置相连通。
所述氢气出口是设置在氢气分布管管壁纵切面的下半圆任意位置。即氢气出口的具体朝向，例如氢气垂直向下或者斜下方向。
所述催化剂上部床层与催化剂下部床层体积比为1∶(0.5～4)，优选为1∶(1～2)；
所述催化剂床层总高度0.8-5.0米，催化剂床层直径与总高度比1∶(0.5～4)。
本发明的目的之二是提供一种带氢气分布管的反应器的应用方法。
包括：
采用所述反应器，液相馏分物料与氢气混合后，由筒体上部的入口进入，经预分配器、气液分配盘均匀分配所述物料和氢气中的气液两相，通过催化剂上部床层进行加氢反应，然后在层间空隙区内与通过氢气分布管配入的氢气再进行混合后，进入所述催化剂下部床层进行加氢反应，反应产物由所述出口聚集器排出反应器；
加氢反应的温度0-500℃，压力0.1-3.0Mpa，液相空速10-280h-1。
本发明具体可采用以下技术方案：
一种带氢气分布管的反应器，所述反应器包括筒体1，沿所述筒体1的轴向从上至下依次设置有预分配2、气液分配盘3、催化剂上部床层4、层间空隙区5，催化剂下部床层7和设置在所述筒体1底部的出口聚集器8；在所述层间空隙区5的上部设有氢气分布管6，所述氢气分布管6是以筒体轴为圆心，沿圆心水平径向多根直管呈放射状分布；在所述的氢气分布管6的向下或向斜下方向设有若干氢气出口，所述的氢气分布管6是与反应器外配氢管线相连。
在具体实施时，所述氢气分布管6是筒体轴为圆心，沿圆心水平径向多根等长直管呈放射状分布，所述各直管均在氢气分布管6圆心相互连通，每个相邻直管之间夹角均相同。所述氢气分布管6中各直管均在氢气分布管6中心相互连通，每个相邻直管之间夹角均相同，直管数量为3-20根，优选为6-12根，更优选为6-10根；所述氢气分布管6中各直管呈圆心放射状分布，每根直管等长，长度为反应器筒体1半径的90-98％，优选为92-96％；所述氢气分布管6各直管管壁向下或向斜下方向均匀设有若干氢气出口，所述氢气出口位置符合公式
Figure BDA0002142629020000051
其中Yn为直管上的第n个氢气出口距离氢气分布管6中心长度；Xn为直管上第n个氢气出口，Xn为整数且符合(1≤Xn≤N)；N为每根直管上的氢气出口个数；L为直管长度；M为设定系数，符合(1＜m≤10)；所述每根直管上的氢气出口个数满足(4≤N≤15)，优选为(6≤N≤10)；所述的设定系数M满足(1＜M≤10)，优选为(1.5≤M≤5)；所述氢气出口是设置在氢气分布管6各直管管壁的垂直向下或斜向下方向，所述氢气出口是设置在氢气分布管6管壁纵切面的下半圆任意位置。
在具体实施时，所述氢气分布管6是与外配氢管线互相连接，所述外部氢管线由反应器外直通引入至层间空隙区5中轴位置，与氢气分布管6中心位置相连通。
在具体实施时，所述催化剂上部床层4与催化剂下部床层7体积比为1∶0.5至1∶4，优选为1∶1至1∶2。
采用所述反应器，所述液相馏分物料与氢气混合后，由所述筒体1上部的入口进入，经预分配器2、气液分配盘3均匀分配所述物料和氢气中的气液两相，通过所述催化剂上部床层4进行加氢反应，然后在所述层间空隙区5内与通过氢气分布管6配入的氢气再进行混合后，进入所述催化剂下部床层7进行加氢反应，反应产物由所述出口聚集器8排出反应器。
在具体实施时，所述反应器用于碳三馏分液相选择加氢脱除甲基乙炔和丙二烯；所述加氢反应器中催化剂主活性组分为Pd、Ni、Co、Ru、Rh、Pt、Au中的至少一种，优选Pd、Ni、Ru中的至少一种，更优选为Pd。所述催化剂床层总高度0.8-5.0米，优选为1.0-2.5米，催化剂床层径高比1:0.5-1:4，优选为1:1-1:2。所述加氢反应的温度0-500℃，压力0.1-3.0Mpa，液相空速10-280h-1，优选为50-150h-1，更优选为70-120h-1。
本发明通过在反应器催化剂上下床层之间的层间空隙区以圆心放射状分布的氢气分布器补配氢气，有效地均衡反应器中下部的MAPD和氢气浓度，显著消除壁流和气液分布不均所造成的出口MAPD超标。
碳三液相加氢反应，脱除MAPD要求在200ppm以下，有的装置甚至要求在10ppm以下。新型氢气分布器的引入改善氢气与物料的气液分布，提高加氢精制反应效率，在保证总配氢量不变的基础上提升了碳三液相反应的催MAPD转化率和丙烯选择性。
附图说明
图1为本发明的带氢气分布管的反应器示意图；
图2为本发明的氢气分布管俯视图；
图3为传统固定床反应器示意图；
其中：1-反应器筒体，2-预分配器，3-气液分配盘，4-催化剂上部床层，5-层间空隙区，6-氢气分布管，7-催化剂下部床层，8-出口聚集器。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
实施例1
如图1所示，一种带氢气分布管的固定床反应器，包括筒体1、预分配器2、气液分配盘3、催化器床层、出口聚集器8；筒体1的顶部设置有进口；反应器内部，沿筒体的轴向从上至下依次设置预分配器2、气液分配盘3、催化剂床层和出口聚集器8；所述催化剂床层设置为两部分，催化剂上部床层4和催化剂下部床层7，催化剂上部床层4和催化剂下部床层7之间设置层间空隙区5；
空隙区5的上部设有氢气分布管6。氢气分布管6是以反应器筒体中轴为圆心，沿圆心水平径向设置的呈放射状分布的6根相交直管，相邻直管夹角为60°，长度为0.60米；每根直管分布6个氢气出口，各个氢气出口按
Figure BDA0002142629020000071
(详见表1)；每个氢气出口均位于直管6下部，且开口垂直向下；外配氢气从氢气分布器6的中心进入。
反应器筒体内径1.25米，催化剂床层总高度2.5米，催化剂上部床层4高度为1.0米，催化剂下部床层7高度1.5米，层间空隙区5高度1米。
表1直管中各氢气出口距氢气分布管中心点距离
Figure BDA0002142629020000072
上述反应器用于碳三馏分液相选择加氢脱除甲基乙炔和丙二烯；加氢反应的空速在120h-1、压力2.5MPa；反应器入口的碳三物料组成中有丙烷和大量的丙烯，其中MAPD含量为3.537％(mol)；反应器入口配氢气量按氢气与MAPD的摩尔比为0.55计算，反应器中部氢气分布管配入氢气量按氢气与MAPD的摩尔比为0.83计算，按反应器入口温度38℃，出口温度60℃；催化剂采用BC-L-83催化剂(中石化北京化工研究院提供)；进行选择加氢反应后，反应器底部出料主要含有丙烯、丙烷，其中MAPD含量57ppm，氢气为2513ppm。丙烯选择性为76％。
实施例2
带氢气分布管的反应器同实施例1，区别仅在于：
空隙区5的上部设有氢气分布管6。氢气分布管6是以反应器筒体中轴为圆心，沿圆心水平径向设置的呈放射状分布的10根相交直管，相邻直管夹角为36°，长度为0.90米；每根直管分布12个氢气出口，各个氢气出口按
Figure BDA0002142629020000081
(详见表2)；每个氢气出口均位于直管6下部，且开口垂直向下；外配氢气从氢气分布器6的中心进入。
反应器筒体内径2.0米，催化剂床层总高度2.2米，催化剂上部床层4高度为0.8米，催化剂下部床层7高度1.4米，层间空隙区5高度0.6米。
表2直管中各氢气出口距氢气分布管中心点距离
Figure BDA0002142629020000082
对比例
加氢反应器如图3所示，与实施例反应器相比，没有催化剂床层分层，没有设置层间空隙区和氢气分布管，加氢反应产物由加氢反应器底部排出。
其他反应器参数(反应器直径和催化剂总装填量)、碳三馏分液相选择加氢脱除甲基乙炔和丙二烯的反应条件与实施例1相同。
进行选择加氢反应后，反应器底部出料气液混合物料中MAPD含量763ppm，氢气含量4254ppm，丙烯选择性45％。
对比结果显示：本发明反应器的催化剂床层进行了分层，并在层间空隙区设置有新型氢气分布管，有效地改善了反应器中下部中心到器壁的氢气浓度分布，消除了壁流所造成的出口MAPD含量高的问题，提升了加氢精制反应效率和丙烯选择性。

Claims (10)

1.一种带氢气分布管的反应器，包括筒体、预分配器、气液分配盘、催化器床层、出口聚集器；筒体的顶部设置有进口；反应器内部，沿筒体的轴向从上至下依次设置预分配器、气液分配盘、催化剂床层和出口聚集器；其特征在于：
所述催化剂床层设置为两部分，催化剂上部床层和催化剂下部床层，催化剂上部床层和催化剂下部床层之间设置层间空隙区；
在所述层间空隙区的上部设有氢气分布管，所述氢气分布管是以筒体中轴为圆心，沿圆心水平径向设置的呈放射状分布的直管；所述氢气分布管的向下或向斜下方向均匀设有氢气出口，所述氢气分布管与反应器外配氢管线相连。
2.如权利要求1所述的带氢气分布管的反应器，其特征在于：
所述直管均在氢气分布管圆心相互连通，每个相邻直管之间夹角均相同。
3.如权利要求2所述的带氢气分布管的反应器，其特征在于：
所述直管数量为3-20根，优选为6-12根。
4.如权利要求1所述的带氢气分布管的反应器，其特征在于：
每根直管等长，长度为反应器筒体半径的90-98％，优选为92-96％。
5.如权利要求1所述的带氢气分布管的反应器，其特征在于：
所述氢气出口位置符合公式
Figure FDA0002142629010000011
其中Yn为直管上的第n个氢气出口距离氢气分布管中心长度；
Xn为直管上第n个氢气出口，Xn为整数且符合(1≤Xn≤N))；
N为每根直管上的氢气出口个数；L为直管长度；4≤N≤15,
m为设定系数，1＜m≤10。
6.如权利要求1所述的带氢气分布管的反应器，其特征在于：
所述外部氢管线由反应器外引入至层间空隙区中轴位置，与氢气分布管中心位置相连通。
7.如权利要求5所述的带氢气分布管的反应器，其特征在于：
6≤N≤10；1.5≤m≤5。
8.如权利要求5所述的带氢气分布管的反应器，其特征在于：
所述氢气出口是设置在氢气分布管管壁纵切面的下半圆任意位置。
9.如权利要求1所述的带氢气分布管的反应器，其特征在于：
所述催化剂上部床层与催化剂下部床层体积比为1:(0.5～4)，优选为1:(1～2)；
所述催化剂床层总高度0.8-5.0米，催化剂床层直径与总高度比1:(0.5～4)。
10.一种如权利要求1～9之一所述的带氢气分布管的反应器的应用方法，其特征在于所述方法包括：
采用所述带氢气分布管的反应器，液相馏分物料与氢气混合后，由筒体上部的入口进入，经预分配器、气液分配盘均匀分配所述物料和氢气中的气液两相，通过催化剂上部床层进行加氢反应，然后在层间空隙区内与通过氢气分布管配入的氢气再进行混合后，进入所述催化剂下部床层进行加氢反应，反应产物由所述出口聚集器排出反应器；
加氢反应的温度0-500℃，压力0.1-3.0Mpa，液相空速10-280h-1。
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