CN112295509A - 一种绝热固定床反应器及反应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绝热固定床反应器及反应方法。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，所述氢气分布管包括一根主管和多根支管，支管垂直于主管设置，支管与主管相通；所述支管的向下或向斜下方向的管壁上均匀设置氢气出口，所述主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加入氢气分布器补配氢气，氢气分布器的配氢点采用水平径向内平行排列分布，有效地将气液物料与氢气二次混合，提升反应器中下部催化剂加氢效率。

Description

一种绝热固定床反应器及反应方法
技术领域
本发明涉及反应器技术领域，具体是涉及一种采用双层催化剂和反应器中部二次配氢设计，节约氢总用量和提升选择性的固定床加氢反应器及应用。
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，气液难以在催化剂床层中部到下部也形成均匀分布，靠近中心区域物料气化率高，催化剂颗粒表面以气-固反应为主，吸脱附速率远快于周边区域，碳三反应中丙烯加氢速率大大高于MAPD，相比而言，中心区域的选择性要低于周边。考虑到碳三液相加氢为精制反应，MAPD需脱除至ppm级，为了保证周边区域MAPD加氢合格，会大大损失中心区域的丙烯选择性，因此在工业实际运行中，所得到的丙烯选择性都远低于催化剂设计的预期。
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，本发明提供了一种绝热固定床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加入氢气分布器补配氢气，氢气分布器的配氢点采用水平径向内平行排列分布，有效地将气液物料与氢气二次混合，提升反应器中下部催化剂加氢效率。
本发明的目的之一是提供一种绝热固定床反应器。
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；绝热固定床反应器内部，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，所述氢气分布管包括一根主管和多根支管，支管垂直于主管设置，支管与主管相通；所述支管的向下或向斜下方向的管壁上均匀设置氢气出口，所述主管与反应器外配氢管线相连。
其中，
所述氢气分布管的主管沿水平径向通过筒体中轴，两端与反应器壁相接；主管与支管设置在垂直于筒体轴向的平面上。
每个相邻支管之间距离相等，支管数量为4-12根，优选为5-8根。
所述氢气分布管中各支管的两端顶部封闭，各支管与反应器内壁的间隙相等，间隙为反应器筒体内径的2-10％，优选为4-6％。
所述氢气出口位置以氢气分布管的各支管长度等分设置，支管上相邻的氢气出口间距为支管长度的5-25％，优选为10-15％。
所述氢气出口设置在氢气分布管的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采用所述的绝热固定床反应器的反应方法。包括：
采用所述加氢反应器，液相馏分物料与氢气混合后,由筒体顶部的入口进入，经预分配器、气液分配盘均匀分配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，进入催化剂下部床层进行加氢反应，反应产物由出口聚集器排出反应器。
其中，优选：
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：
一种绝热固定床反应器，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器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采用一根主管与多根支管相连接并在水平径向内垂直排列，各支管为平行排列分布；所述的氢气分布管6支管在向下或向斜下方向均匀设有若干氢气出口，所述的氢气分布管6主管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主管沿水平径向通过层间空隙区5中轴，两端与反应器壁相接；所述氢气分布管6各支管均与氢气分布管6主管相连接，所述氢气分布管6各支管均与主管呈水平径向垂直排列；所述氢气分布管6各支管均为平行排列，每个相邻支管之间垂直距离等长，支管数量为4-12根，优选为5-8根；所述氢气分布管6中各支管的两端顶部均封死，且与反应器壁的间隙为等长，间隙为反应器筒体1内径的2-10％，优选为4-6％；所述氢气分布管6各支管管壁向下或向斜下方向均匀设有若干氢气出口；所述氢气出口位置是以氢气分布管6的各支管长度等分设置，支管上相邻的氢气出口间距为支管长度的5-25％，优选为10-15％；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。
本发明的一种绝热固定床反应器的应用方法是这样实现的：
采用所述绝热固定床反应器，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，所述加氢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1.0-3.5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加入氢气分布器补配氢气，氢气分布器的配氢点采用水平径向内平行排列分布，有效地将气液物料与氢气二次混合，提升反应器中下部催化剂加氢效率。
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，更有效地提升氢气利用率，与传统固定床相比，可降低氢炔比，提升了碳三液相反应的丙烯选择性。
附图说明
图1为本发明固定床加氢反应器示意图；
图2为本发明的氢气分布器俯视图；
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-氢气分布器，7-催化剂下部床层，8-出口聚集器，9-催化剂床层。
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，一种绝热固定床反应器，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；绝热固定床反应器内部，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主管是通过反应器筒体中轴且两端与反应器器壁相接，其中一端与外部配氢管线相连，氢气分布管6的支管共有5根，全部与主管在水平径向内垂直相接，且内部连通。氢气分布管6支管的排布顺序为，主管中心位置设置一根支管，再分别向主管两侧每间隔0.2米设置一根支管，共计设置5根支管。氢气分布管6的支管长度分别设置为1.15米、1.08米和0.83米三种规格，氢气分布管6的所有支管共设置40个氢气出口，每根支管均匀分布8个氢气出口，每个氢气出口均位于支管下部，且开口垂直向下。支管距离筒体内壁的间隙是在5厘米。
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。
上述加氢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70h-1、压力2.45MPa；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3.237％(mol)；反应器入口配氢气量按氢气与MAPD的摩尔比为0.68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0.66计算，按反应器入口温度40℃，出口温度58℃；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98ppm，氢气为2284ppm。丙烯选择性为79％。
实施例2
一种绝热固定床反应器，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主管是通过反应器筒体中轴且两端与反应器器壁相接，其中一端与外部配氢管线相连，氢气分布管6的支管共有7根，全部与主管在水平径向内垂直相接，且内部连通。氢气分布管6支管的排布顺序为，主管中心位置设置一根支管，再分别向主管两侧每间隔0.25米设置一根支管，共计设置7根支管。氢气分布管6的支管长度分别设置为1.80米、1.73米、1.50和1.00米四种规格，氢气分布管6的所有支管共设置70个氢气出口，每根支管均匀分布10个氢气出口，每个氢气出口均位于支管下部，且开口垂直向下。
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0.7米，催化剂下部床层7高度1.5米，层间空隙区5高度0.7米。
对比例
加氢反应器如图3所示，与实施例加氢反应器相比，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541ppm，氢气含量3816ppm，丙烯选择性38％。
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氢气分布管，在反应器中下部更合理分布气液物料与氢气。相同配氢量的条件下，与传统固定床反应器相比，新型反应器控制出口MAPD能力更强，丙烯选择性更高。

Claims (10)

1.一种绝热固定床反应器，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；绝热固定床反应器内部，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，所述氢气分布管包括一根主管和多根支管，支管垂直于主管设置，支管与主管相通；所述支管的向下或向斜下方向的管壁上均匀设置氢气出口，所述主管与反应器外配氢管线相连。
2.如权利要求1所述的绝热固定床反应器，其特征在于：
所述氢气分布管的主管沿水平径向通过筒体中轴，两端与反应器壁相接；主管与支管所在平面垂直于筒体轴向。
3.如权利要求1所述的绝热固定床反应器，其特征在于：
每个相邻支管之间距离相等，支管数量为4-12根，优选为5-8根。
4.如权利要求3所述的绝热固定床反应器，其特征在于：
所述氢气分布管中各支管的两端顶部封闭，各支管与反应器内壁的间隙相等，间隙为反应器筒体内径的2-10％，优选为4-6％。
5.如权利要求1所述的绝热固定床反应器，其特征在于：
所述氢气出口位置以氢气分布管的各支管长度等分设置，支管上相邻的氢气出口间距为支管长度的5-25％，优选为10-15％。
6.如权利要求1所述的绝热固定床反应器，其特征在于：
所述氢气出口设置在氢气分布管的管壁纵切面的下半圆任意位置。
7.如权利要求1所述的绝热固定床反应器，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)。
8.如权利要求1所述的绝热固定床反应器，其特征在于：
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)。
9.一种采用如权利要求1～8之一所述的绝热固定床反应器的反应方法，其特征在于所述方法包括：
采用所述加氢反应器，液相馏分物料与氢气混合后,由筒体顶部的入口进入，经预分配器、气液分配盘均匀分配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，进入催化剂下部床层进行加氢反应，反应产物由出口聚集器排出反应器。
10.如权利要求9所述的反应方法，其特征在于：
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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