CN114225850B - 一种有机硅单体合成流化床反应器中防结碳的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种有机硅单体合成流化床反应器中防结碳的方法和装置。该有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置包括：罐体；至少一U形换热管，设于所述罐体内；所述U形换热管包括弯头部，所述U形换热管竖直设置且所述弯头部位于下方；以及至少一上导流块，对应设置在所述弯头部的上表面；所述上导流块的宽度值从连接所述弯头部的位置至远离所述弯头部的位置逐渐减小。通过在U形换热管的弯头部上方设置上导流块，避免在弯头部位置形成流动死区、颗粒聚集导致局部过热现象的发生。进一步在弯头部的下表面设置下导流块，使得与上导流块结合形成弧形导流面，共同避免在弯头部位置形成流动死区、颗粒聚集导致局部过热现象的发生。
Description
技术领域
本发明涉及化工设备装置技术领域，尤其涉及一种有机硅单体合成流化床反应器中防结碳的方法和装置。
背景技术
有机硅材料是一类含有Si-C键，在Si原子上直接连接有机基团的聚合物，它兼具有 “有机基团”和“无机结构”的特点，具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性，广泛用于航空航天、电子电器、汽车、医疗卫生等领域。有机硅单体的合成制备是有机硅材料和工业的基础。占到所有单体产量90%以上的二甲基二氯硅烷（Dimethyldichlorosilane, M2）主要通过硅粉颗粒和氯甲烷气体在流化床反应器中由Cu基催化剂一步直接催化反应合成，它是一个伴随多种副反应发生的多相催化反应体系，通过内部热交换构件及时将放热反应的反应热带出，以期实现反应温度恒定，是提高M2选择性的重要技术手段。目前常采用指形管或U形换热管作为换热内件，当采用U形换热管作为换热内件时，由于流化床反应器在筒体与椎体链接处横截面几何变化、U形换热管弯头、气体分布不均等因素导致反应器底部气固流态化状态恶化，存在流动死区、局部过热现象，从而引起结炭、M2选择性降低，甚至造成设备堵塞、被迫停车等事件的发生。严重影响了过程的生产能力和效率，导致极大的物耗和能耗。
专利申请号CN202010438987.0公开了一种用于有机硅流化床的气体分布器，该气体分布器包括中心区和边壁区，在外围边壁区安装颗粒导流装置用于吸入沉积在边壁区的颗粒并将其以水平方向或大致呈水平方向喷射至气体分布板中心区上方，以期消除边壁区的堆积死区。但颗粒导流装置不可避免地存在对气流、颗粒的阻碍，不利于颗粒流态化运动，而且气体分布器上方的颗粒速度较大，颗粒对导流装置的冲刷作用明显，其可靠性极大降低。
专利申请号CN 201320397963.0、CN201320431357.6 和CN201610350683.2公开了在反应器筒体上安装一定数量的气体喷射管，气体喷射管连接在环绕筒体的气体总管上，气体喷射管与筒体安装点的切线形成一定的角度。与专利申请号CN202010438987.0相似，该气体喷射管不可避免地导致其对气流、颗粒运动产生阻碍作用，恶化颗粒流态化，而且颗粒对气体喷射管的冲刷作用明显等，其可靠性极大降低。同时，气体喷射还可能加剧颗粒对内部换热管的冲刷。
专利申请号CN 201620189126.2公开了一种有机硅流化床反应器气体分布装置，该转置在气体分布板上分布安装有多根氯甲烷进气管，在每根氯甲烷进气管的上端部均安装有一个风帽，以避免颗粒堵塞气体分布管。但该装置对避免由于流化床反应器横截面几何变化、U形换热管弯头导致的反应器底部流动死区、局部过热的作用不大。
专利申请号CN101139353和CN200720176241.7公开了一种均热直回式有机硅单体合成流化床反应器。该反应器利用双锥导流式进气分布器。避免气体偏流、流动死区、局部过热。但是该结构仅适用于指形管换热，而无法避免由于U形换热管弯头导致的局部流动死区导致的颗粒聚集。
因此，研究抑制由于流化床反应器横截面几何变化、U形换热管弯头、气体分布不均等因素导致的流动死区、局部过热的方法，提高M2（二甲基二氯硅烷）的选择性，仍然是现阶段本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
发明的目的在于，提供一种控制有机硅单体合成反应器中结炭的控制方法和装置，用以解决由于流化床反应器横截面几何变化、U形换热管弯头、气体分布不均等因素导致的流动死区、局部过热，从而引起结炭等问题。
为了实现上述目的，本发明其中一实施例中提供一种有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置，包括：罐体；至少一U形换热管，设于所述罐体内；所述U形换热管包括弯头部，所述U形换热管竖直设置且所述弯头部位于下方；以及至少一上导流块，对应设置在所述弯头部的上表面；所述上导流块的宽度值从连接所述弯头部的位置至远离所述弯头部的位置逐渐减小。
进一步地，所述上导流块包括连接部以及导流部，所述连接部与所述弯头部的上表面连接，所述导流部设置在所述连接部上远离所述弯头部的一侧。
进一步地，所述导流部的横截面形状为椭圆形、三角形或圆弧形中的至少一种。
进一步地，所述连接部为凹设于所述导流部的圆弧面；或者所述连接部的横截面形状为四边形，且该四边形的底边为凹设于所述四边形的圆弧面。
进一步地，所述连接部的宽度值等于所述U形换热管的宽度值的100%-150%；所述上导流块的高度值等于所述弯头部的高度值的50%-200%。
进一步地，所述有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置还包括下导流块，设置在所述弯头部的下表面；所述下导流块与所述上导流块以所述弯头部的最低直径圆心点所在水平面为对称面互为镜像设置。
进一步地，在所述罐体的外表面还设有气固流动主动调控转置，所述气固流动主动调控转置对应设置在所述弯头部的下方。
进一步地，所述罐体在所述弯头部的下方位置包括倒圆锥筒体，所述气固流动主动调控转置分为多层，每层高度为所述倒圆锥筒体的5%-20%；所述气固流动主动调控转置均分分布在所述倒圆锥筒体上。
进一步地，所述有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置还包括进气分布器，设置在所述弯头部的下方；所述进气分布器呈V形连接至所述罐体的内侧壁，所述进气分布器上设有多个气体分布孔。
本申请还提供一种有机硅单体合成流化床反应器中防结碳方法，包括：提供一前文所述的有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置，氯甲烷气体经过气体分布器进入罐体内的单体合成流化床反应器后，在催化剂的作用下与固体硅颗粒反应；反应热由U形换热管换热管带出，同时在U形换热管的弯头部设置的上导流块用以减少颗粒聚集。
本发明的有益效果在于，提供一种有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置，通过在U形换热管的弯头部上方设置上导流块，避免在弯头部位置形成流动死区、颗粒聚集导致局部过热现象的发生。进一步在弯头部的下表面设置下导流块，使得与上导流块结合形成弧形导流面，共同避免在弯头部位置形成流动死区、颗粒聚集导致局部过热现象的发生。进一步设置气固流动主动调控转置，与气固流动被动导流功能的上导流块结合，利用主动和被动两种方法对流化床反应器中的气固流动进行调控，完全消除了由于流化床反应器横截面几何变化、U形换热管弯头、气体分布不均等因素导致的流动死区、局部过热现象的发生。根据流化床反应器中气固流动的特征，在相应的流动死区，设置气体分布装置，进一步避免颗粒聚集，特别是避免反应器壁面附近的颗粒聚集。因此，通过本发明的方法，可以彻底消除U形管单体合成流化床反应器中由于反应器筒体与锥体连接处横截面几何变化、U形换热管弯头、气体分布不均等因素导致的流动死区、局部过热，从而提高反应器中M2（二甲基二氯硅烷）的选择性和产率。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，呈现本申请的技术方案及其它有益效果。
图1为本申请实施例提供的有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置的结构示意图。
图2为本申请实施例提供的在倒圆锥筒体上设置多层气固流动主动调控转置的结构示意图。
图3为本申请实施例提供的在U形换热管上设置上导流块、下导流块的结构示意图。
图4为图3中A-A部位的截面图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
具体的，请参阅图1至图4，本申请实施例提供一种有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置10，包括罐体、至少一U形换热管2以及至少一上导流块4。罐体作为反应器分为三段，从上至下依次包括圆柱扩大段筒体1、圆柱反应区主筒体3和倒圆锥筒体6；U形换热管2设于所述罐体内；所述U形换热管2包括弯头部，弯头部即为U形弧形弯折位置，所述U形换热管2竖直设置且所述弯头部位于下方；上导流块4对应设置在所述弯头部的上表面；所述上导流块4的宽度值从连接所述弯头部的位置至远离所述弯头部的位置逐渐减小。
如图3所示，U形换热管2并排设置，上导流块4在图3中用4-1、4-2表示。
如图4所示，所述上导流块4包括连接部41以及导流部42，所述连接部41与所述弯头部的上表面连接，所述导流部42设置在所述连接部41上远离所述弯头部的一侧。所述上导流块4的连接部41优选与所述U形换热管2焊接连接。
如图4所示，所述导流部42的横截面形状为椭圆形、三角形或圆弧形中的至少一种。所述连接部41为凹设于所述导流部42的圆弧面；或者所述连接部41的横截面形状为四边形，且该四边形的底边为凹设于所述四边形的圆弧面。
进一步地，所述连接部41的宽度值等于所述U形换热管2的宽度值的100%-150%；亦即所述连接部41的厚度值等于所述U形换热管2的直径值的100%-150%；所述上导流块4的高度值等于所述弯头部的高度值的50%-200%。
如图4所示，所述有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置10还包括下导流块4’，设置在所述弯头部的下表面；所述下导流块4’与所述上导流块4以所述弯头部的最低直径圆心点所在水平面为对称面互为镜像设置。
进一步地，在所述罐体的外表面还设有气固流动主动调控转置5，所述气固流动主动调控转置5对应设置在所述弯头部的下方。根据气固流动在反应器底部存在流动死区的特征，在罐体底部相应的区域设置气固流动主动调控转置5，通过引入不同方向、不同流量的气流，增强气固循环流动，避免颗粒聚集。
进一步地，所述罐体在所述弯头部的下方位置为倒圆锥筒体6，所述气固流动主动调控转置5分为多层，优选为1-5层，图2中用5-1、5-2、5-3对应表示三层气固流动主动调控转置5；每层高度为所述倒圆锥筒体6的5%-20%；所述气固流动主动调控转置5均分分布在所述倒圆锥筒体6上。
进一步地，所述有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置10还包括进气分布器7，设置在所述弯头部的下方；所述进气分布器7呈V形连接至所述罐体的内侧壁，所述进气分布器7上设有多个气体分布孔。
总之，所述圆柱扩大段筒体1、所述U形换热管2、所述圆柱反应区主筒体3、所述倒圆锥筒体6和所述进气分布器7构成流化床反应器主体；所述圆柱扩大段筒体1、所述圆柱反应区主筒体3、所述倒圆锥筒体6和所述进气分布器7依次连接。
本申请还提供一种有机硅单体合成流化床反应器中防结碳方法，包括：提供一前文所述的有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置10，氯甲烷气体经过气体分布器进入罐体内的单体合成流化床反应器后，在催化剂的作用下与固体硅颗粒反应；反应热由U形换热管2换热带出，同时在U形换热管2的弯头部设置的上导流块4用以减少颗粒聚集。进一步地，根据气固流动在反应器底部存在流动死区的特征，在反应器底部相应的区域设置气固流动主动调控转置5，通过引入不同方向、不同流量的气流，增强气固循环流动，避免颗粒聚集。
现有技术中，颗粒导流装置、气体喷射管等对消除流动死区、局部过热现象的能力有限，而且可能导致新的流动死区，带来结构自身的磨损等问题；进气管安装风帽、双锥气体分布器虽然可以在指形换热管中获得较为均匀的气固分布，但是对U形换热管反应器中颗粒流动死区的抑制作用不明显。
与现有技术相比，本发明提出的有机硅单体合成流化床反应器中防结碳的方法和装置为抑制流化床反应器中颗粒流动死区，提供了两种措施：其一为，在U形管弯头处设置导流转置功能的上导流块4和/或下导流块4’，避免由于颗粒在此处的聚集而导致的局部过热和结炭的发生；其二为，根据流化床反应器中气固流动的特征，在相应的流动死区，设置气体分布装置，进一步避免颗粒聚集，特别是避免反应器壁面附近的颗粒聚集。因此，通过本发明的方法，可以彻底消除U形管单体合成流化床反应器中由于反应器筒体与锥体连接处横截面几何变化、U形换热管2弯头部、气体分布不均等因素导致的流动死区、局部过热，从而提高反应器中M2（二甲基二氯硅烷）的选择性和产率。
本发明的主要特点包括：利用主动和被动两种方法对流化床反应器中的气固流动进行调控，完全消除了由于流化床反应器横截面几何变化、U形换热管2弯头部、气体分布不均等因素导致的流动死区、局部过热现象的发生。与传统技术相比，本发明提出的装置和方法在有效控制气固流动死区、减少局部过热现象的同时，还有效降低流化床反应器底部高速颗粒对换热管的冲刷、磨损。由上述特点可知，一种控制有机硅单体合成流化床反应器中结碳的方法和装置可以显著提高M2的选择性、提高反应器的生产能力、提高反应器的生成周期和使用寿命。
本发明的有益效果在于，提供一种有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置，通过在U形换热管的弯头部上方设置上导流块，避免在弯头部位置形成流动死区、颗粒聚集导致局部过热现象的发生。进一步在弯头部的下表面设置下导流块，使得与上导流块结合形成弧形导流面，共同避免在弯头部位置形成流动死区、颗粒聚集导致局部过热现象的发生。进一步设置气固流动主动调控转置，与气固流动被动导流功能的上导流块结合，利用主动和被动两种方法对流化床反应器中的气固流动进行调控，完全消除了由于流化床反应器横截面几何变化、U形换热管弯头、气体分布不均等因素导致的流动死区、局部过热现象的发生。根据流化床反应器中气固流动的特征，在相应的流动死区，设置气体分布装置，进一步避免颗粒聚集，特别是避免反应器壁面附近的颗粒聚集。因此，通过本发明的方法，可以彻底消除U形管单体合成流化床反应器中由于反应器筒体与锥体连接处横截面几何变化、U形换热管弯头、气体分布不均等因素导致的流动死区、局部过热，从而提高反应器中M2（二甲基二氯硅烷）的选择性和产率。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置，其特征在于，包括：
罐体；
至少一U形换热管，设于所述罐体内；所述U形换热管包括弯头部，所述U形换热管竖直设置且所述弯头部位于下方；
至少一上导流块，对应设置在所述弯头部的上表面；所述上导流块的宽度值从连接所述弯头部的位置至远离所述弯头部的位置逐渐减小；所述上导流块包括连接部以及导流部，所述连接部与所述弯头部的上表面连接，所述导流部设置在所述连接部上远离所述弯头部的一侧；所述导流部的横截面形状为椭圆形、三角形或圆弧形中的至少一种；所述连接部为凹设于所述导流部的圆弧面；或者所述连接部的横截面形状为四边形，且该四边形的底边为凹设于所述四边形的圆弧面；以及
至少一下导流块，设置在所述弯头部的下表面；所述下导流块与所述上导流块以所述弯头部的最低直径圆心点所在水平面为对称面互为镜像设置。
2.根据权利要求1所述的有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置，其特征在于，所述连接部的宽度值等于所述U形换热管的宽度值的100%-150%；所述上导流块的高度值等于所述弯头部的高度值的50%-200%。
3.根据权利要求1所述的有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置，其特征在于，在所述罐体的外表面还设有气固流动主动调控转置，所述气固流动主动调控转置对应设置在所述弯头部的下方。
4.根据权利要求3所述的有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置，其特征在于，所述罐体在所述弯头部的下方位置包括倒圆锥筒体，所述气固流动主动调控转置分为多层，每层高度为所述倒圆锥筒体的5%-20%；所述气固流动主动调控转置均分分布在所述倒圆锥筒体上。
5.根据权利要求1所述的有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置，其特征在于，还包括进气分布器，设置在所述弯头部的下方；所述进气分布器呈V形连接至所述罐体的内侧壁，所述进气分布器上设有多个气体分布孔。
6.一种有机硅单体合成流化床反应器中防结碳方法，其特征在于，包括：
提供一权利要求1至5任一项所述的有机硅单体合成流化床反应器中防结碳装置，氯甲烷气体经过气体分布器进入罐体内的单体合成流化床反应器后，在催化剂的作用下与固体硅颗粒反应；反应热由U形换热管带出，同时在U形换热管的弯头部设置的上导流块用以减少颗粒聚集。
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