CN112295510A - 一种反应器及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反应器及应用。所述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器，所述氢气分布器是以筒体轴为球心，平面朝上曲面朝下的半球状；所述的氢气分布器半球的曲面上均匀设置多个氢气出口；层间空隙区的下部设置二次气液分配盘。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和气液分配盘，在反应器中部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

一种反应器及应用
技术领域
本发明涉及石油化工领域，具体是涉及一种反应器，更具体地说，涉及一种采用反应器中部二次配氢和气液再分配设计，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
为解决现有技术中出现的问题提高固定床加氢反应器的反应效果，本发明提供了一种反应器及应用。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和气液分配盘，在反应器中部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。
本发明的目的是提供一种反应器。
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器，所述氢气分布器是以筒体轴为球心，平面朝上曲面朝下的半球状；所述的氢气分布器半球的曲面上均匀设置多个氢气出口；
层间空隙区的下部设置二次气液分配盘。
其中，
所述氢气出口呈放射状均匀分布在半球曲面上，氢气出口数量大于等于20个。
所述氢气分布器的直径为反应器筒体内径的5-30％，优选为10-20％。
所述氢气分布器连接外配氢管线，外部氢管线由反应器外直通引入至层间空隙区中轴位置，与氢气分布器上部中心相连通。
所述层间空隙区与催化剂上部床层和催化剂下部床层的总高度的比例为1:(2～8)，优选为1:(2.5～5)。
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)；
催化剂上部床层与催化剂下部床层的总高度0.8-5.0米；
催化剂床层直径与总高度比为1:0.5-1:4。
本发明的目的之二是提供一种所述的反应器在碳三馏分液相选择加氢中的应用。
包括：
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器配入的氢气再进行混合后，经二次气液分配盘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，
所述加氢反应的温度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，氢气分布器6，二次气液分配盘7、催化剂下部床层8和设置在所述筒体1底部的出口聚集器9；在所述层间空隙区5的上部设有氢气分布器6，所述氢气分布器6是以层间空隙区5中轴为球心，向下呈半球状；在所述的氢气分布器6均匀设有若干氢气出口；在所述层间空隙区5的下部设有二次气液分配盘7。
在具体实施时，所述氢气分布器6是以层间空隙区5中轴为球心，平面朝上曲面朝下的半球状，所述氢气分布器6上的氢气出口呈放射状均匀分布分布半球上，氢气出口数量大于等于20个；所述的氢气分布器6是与反应器外配氢管线相连。所述氢气分布器6直径为反应器筒体内径的5-30％，优选为10-20％。
在具体实施时，所述氢气分布器6是连接外配氢管线，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，与氢气分布器6上部中心相连通。
在具体实施时，所述层间空隙区5与催化剂上部床层4和催化剂下部床层8总高度的比例为1:2至1:8，优选为1:2.5至1:5。
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。
本发明的反应器的应用方法是这样实现的：
采用所述加氢反应器，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，经所述二次气液分配盘7进入所述催化剂下部床层8进行加氢反应，反应产物由所述出口聚集器9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1.0-3.5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20-120h-1，更优选为40-100h-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和气液分配盘，在反应器中部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。反应器中部引入带有氢气分布器和气液分配盘的层间空隙区显著改善了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，7-二次气液分配盘，8-催化剂下部床层，9-出口聚集器，10-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1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9；
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8，催化剂上部床层4和催化剂下部床层8之间设置层间空隙区5；
在所述层间空隙区5的上部设有氢气分布器6，所述氢气分布6是以筒体轴为球心，平面朝上曲面朝下的半球状；球体半径为0.15米；氢气分布器6半球曲面上呈放射状均匀分布30个氢气出口，外配氢气从氢气分布器6进入层间空隙区，与氢气分布器上部中心相连通；层间空隙区5的下部设有二次气液分配盘7。
反应器筒体内径1.8米，催化剂床层总高度2.0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1.2米，层间空隙区5高度0.4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50h-1、压力2.05MPa；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3.54％(mol)；反应器入口配氢气量按氢气与MAPD的摩尔比为0.58计算，反应器中部氢气分布器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40℃，出口温度51℃；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121ppm，氢气为3247ppm。丙烯选择性为68％。
实施例2
一种反应器，同实施例1，区别仅在于：
在所述层间空隙区5的上部设有氢气分布器6，所述氢气分布6是以筒体轴为球心，平面朝上曲面朝下的半球状；球体半径为0.08米；氢气分布器6半球曲面上呈放射状均匀分布20个氢气出口，外配氢气从氢气分布器6进入层间空隙区；与氢气分布器上部中心相连通；层间空隙区5的下部设有二次气液分配盘7。
反应器筒体内径1.2米，催化剂床层总高度1.8米，催化剂上部床层4高度为0.9米，催化剂下部床层7高度0.9米，层间空隙区5高度0.3米。
对比例
加氢反应器如图2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1085ppm，氢气含量4153ppm，丙烯选择性42％。
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器和气液分配盘，获得更加合理气液物料与氢气分布进入催化剂床层中下部。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能力显著增强，丙烯选择性更高。

Claims (10)

1.一种反应器，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器，所述氢气分布器是以筒体轴为球心，平面朝上曲面朝下的半球状；所述的氢气分布器半球的曲面上均匀设置多个氢气出口；
层间空隙区的下部设置二次气液分配盘。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：
所述氢气出口呈放射状均匀分布在半球曲面上，氢气出口数量大于等于20个。
3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：
所述氢气分布器的直径为反应器筒体内径的5-30％，优选为10-20％。
4.如权利要求3所述的反应器，其特征在于：
所述氢气分布器连接外配氢管线，外部氢管线由反应器外直通引入至层间空隙区中轴位置，与氢气分布器上部中心相连通。
5.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：
所述层间空隙区与催化剂上部床层和催化剂下部床层的总高度的比例为1:(2～8)，优选为1:(2.5～5)。
6.如权利要求1所述的反应器，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)。
7.如权利要求1所述的反应器，其特征在于：
催化剂上部床层与催化剂下部床层的总高度0.8-5.0米；
催化剂床层直径与总高度比为1:0.5-1:4。
8.一种如权利要求1～7之一所述的反应器在碳三馏分液相选择加氢中的应用。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于：
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器配入的氢气再进行混合后，经二次气液分配盘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所述的应用，其特征在于：
所述加氢反应的温度0-500℃，压力0.1-3.0Mpa，液相空速10-280h-1。
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