CN206435170U - 一种用于强放热反应的固定床反应器 - Google Patents

Abstract

一种用于强放热反应的固定床反应器包括反应器壳体、上管板(10)、下管板(11)、反应管(6)、进料口(1)，出料口(3)，冷却介质入口(4)，冷却介质出口(5)，在上封头(8)顶端有进料口(1)，上封头(8)的下方有分布器(2)，下封头(9)底端有出料口(3)，冷却介质入口(4)位于反应器筒体(12)下部，冷却介质出口(5)位于反应器筒体(12)上部，反应管(6)分别由上管板(10)和下管板(11)固定排列在反应器壳体筒体(12)内，折流板(7)固定在反应器筒体(12)的内壁上。本实用新型具有管程与壳程的传热效果好，反应器轴向和径向温度梯度小的优点。

Description

一种用于强放热反应的固定床反应器

技术领域

本实用新型涉及到一种固定床反应器，具体地说涉及一种适用于强放热反应的列管式固定床反应器。

背景技术

列管式固定床反应器是化工领域常用的反应器类型，广泛应用于多相催化反应过程。列管式反应器一般采用壳层外循环换热的方式，催化剂装填在管束中与原料接触反应，冷却介质从反应器壳层通过，在反应管壁进行换热将反应热导出。对于放热量小的反应，列管式反应器的轴向和径向的温度梯度较小，也没有明显的热点产生。但是对于强放热反应过程，例如费托合成反应，热量的导出会受到反应管传热的限制，从而在反应管轴向和径向上形成较大的温度梯度，并且容易形成热点，导致催化剂局部过热、副反应增多，反应过程难以控制，甚至出现“飞温”现象。因此，必须采取有效的手段，将列管反应器中产生的热量及时地移出，达到有效控制温度的目的。

有效控制反应温度的目的是降低反应器截面温度的不均匀性，快速移出反应放热，并防止发生不希望的高热点。研究人员主要通过增加传热面积、提高介质流速、采用横流、增加流体的扰动和混合等方法可以得到不同程度的强化传热效果。

CN101209401A采取设置壳程挡板的方式，将壳体分为三个腔体，其两侧的腔体内设置反应管，两侧的腔体内设置由半圆形的三块折流板，导致管间热交换介质的流动形式为错流兼平行流，增强了传热效果。

CN101186550A采用尾气循环的方法，将反应尾气和原料气导入反应管中，提高了反应管内流体的流速，增加了反应管内扰动和混合，将反应热及时移出反应器，改善了反应管内外的传热。

CN1736574A将每只反应管采用套管结构，在套管间隙中装填催化剂形成催化剂床层，冷却介质同时流过内管管程和反应器壳程，增加列管式固定床反应的换热面积，同时缩短传热路径，使得反应温度轴径向均匀。

通过增加管束来增加传热面积能够强化传热效果，但是会带来加工方面的困难，且管束中心温度仍会较高，对反应不利。列管式固定床反应器管束之间的温度控制取决于管间流动的热载体的分布均匀度。这是一个与热载体及反应器流体力学密切相关的问题，如何保证管间充分均匀的热传递，也是列管式固定床反应器需要解决的关键技术。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种管程与壳程的传热效果好，反应器轴向和径向温度梯度小的适用于强放热反应的列管式固定床反应器。

本实用新型的反应器，包括反应器壳体、上管板、下管板、反应管、进料口，出料口，冷却介质入口，冷却介质出口，其特征在于反应器壳体由上封头，下封头和反应器筒体组成，在上封头顶端有进料口，上封头的下方有分布器，下封头底端有出料口，冷却介质入口位于反应器筒体下部，冷却介质出口位于反应器筒体上部，反应管分别由上管板和下管板固定排列在反应器壳体筒体内，折流板固定在反应器筒体的内壁，与上管板平面的夹角为10-80°，折流板之间相互平行。

所述的反应管为碳素结构钢或奥氏体不锈钢，外表面经过机械加工固定有散热片。催化剂装填在反应管内，冷却介质流过反应器壳程，即与反应管的外表面接触，将反应产生的热量带出反应器。

如上所述的反应管外表面分布有散热片，所述散热片高度为5-40mm；每个散热片与反应管轴中心线的夹角为30-90°；散热片间平行分布，相邻散热片间的间距为10-50mm，最佳为20-40mm。

所述的列管式固定床反应器，采用的冷却介质可以是锅炉水、导热油、常规气体等。

所述的列管式固定床反应器含有反应管为1000-20000根。反应管的内径为 10-90mm，长度为3-25m，优选反应管的内径为20-70mm，长度为5-20m，壁厚为1-10cm。

所述折流板有4-10块，平均分布在反应器筒体内壁上，与上管板平面的夹角为10-80°，折流板7之间相互平行。折流板(7)的一端固定在反应器筒体(12) 的内壁上，另一端为自由端。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

由于反应管表面采用了散热片，增加了换热面积，并且采用定向排列的折流板，增加冷却介质的扰动和混合，强化了管程-壳程的传热；采用本实用新型后可以解决现有反应器轴向、径向温度梯度大的问题，降低反应器热点温度，避免局部过热产生热点，明显提高反应选择性，使工艺操作具有更好的安全性和经济性。

附图说明

图1是本实用新型提供的固定床反应器结构示意图。

图2是本实用新型提供的固定床反应器的反应管轴向剖面示意图。

图3是本实用新型提供的固定床反应器在费托合成反应中使用的流程示意图。

如图所示：1-进料口，2-分布器2，3-出料口，4-冷却介质入口，5-冷却介质出口，6-反应管，7-折流板，8-上封头，9-下封头，10-上管板，11-下管板，12- 反应器筒体，13-散热片，14-反应器，15-汽包，16-循环泵，17-循环压缩机，18- 气液分离器，19-合成气，20-反应产物，21-液体产品，22-不凝气，23-循环气， 24-汽化后的冷却介质，25-蒸汽，26-液体冷却介质，27-轴向测温点1，28-轴向测温点2，29-轴向测温点3，30-轴向测温点4，31-轴向测温点5，32-轴向测温点6。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的方法予以进一步地说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1

本实用新型的反应器包括反应器壳体、上管板10、下管板11、反应管6、进料口1，出料口3，冷却介质入口4，冷却介质出口5，其特征在于反应器壳体由上封头8，下封头9和反应器筒体12组成，在上封头8顶端有进料口1，上封头8的下方有分布器2，下封头9底端有出料口3，冷却介质入口4位于反应器筒体12下部，冷却介质出口5位于反应器筒体12上部，反应管6分别由反应器的上管板10和下管板11固定排列在反应器壳体筒体12内。

所述折流板7固定在反应器筒体12的内壁，与上管板平面的夹角为20°，块折流板7之间相互平行。折流板(7)的一端固定在反应器筒体(12)的内壁上，另一端为自由端。

所述的反应管6为奥氏体不锈钢管材，外表面经过机械加工固定有散热片 13。催化剂装填在反应管内，冷却介质流过反应器壳程，即与反应管的外表面接触，将反应产生的热量带出反应器。

所述的反应管6外表面分布有散热片13，所述散热片13高度为20mm，每个散热片13与反应管6轴中心线的夹角为50°，散热片13之间平行分布，相邻散热片13间的间距为28mm。

所述的列管式固定床反应器中采用的冷却介质是锅炉水。

所述反应管6的内径为38mm，长度为6m，壁厚为4mm，所述反应管6为 5000根。

采用本发明反应器在费托合成反应中应用的流程示意图3。图中省略了许多设备，如换热器、控制阀等，但这对本领域普通技术人员是公知的。经过净化后的合成气(H₂和CO的混合气)19与循环气23混合后进入反应器14装有催化剂的反应管6中，与催化剂接触后发生费托合成反应。反应产物20与未转化的合成气从反应器14下部流出，经过气液分离器18进行气液分离。液体产品 21从气液分离器18底部导出。不凝气22和未转化的合成气从分离器18的上部导出，经过循环压缩机17回到反应器14入口。液体冷却介质26由循环泵16 导入反应器壳程，在折流板7的限制下形成规则的流动，并部分发生汽化，将反应产生的热量带走，汽化后的冷却介质24与未汽化的介质从冷却介质出口5 导出，进入汽包15，蒸汽25由汽包15排气口放出，液体冷却介质26继续通过循环泵16进入反应器14壳层。

反应管6中填装按照中国发明CN101327430A的方法制备的Co/ZrO₂催化剂，其中Co含量为15wt％。

工艺条件为：合成气体积空速500^-1、合成气的H₂/CO₂摩尔比为2.0，反应压力3.0MPa，循环气体积空速2000^-1。反应器主要温度参数和催化剂的性能见表1(其中从反应管的顶部到底部依次设置6个轴向测温点，测温点之间的间距相等)。

对比例

对比例采用图3所示流程进行费托合成反应，采用外径38mm、壁厚4mm 奥氏体不锈钢管材作为反应管，反应管外表面无散热片，并且反应器中也没有折流板。

反应管中填装按照中国发明CN101327430A的方法制备的Co/ZrO₂催化剂，其中Co含量为15wt％。

工艺条件为：合成气体积空速500^-1、合成气中H₂/CO₂摩尔比为2.0，反应压力3.0MPa，循环气体积空速2000^-1。反应器主要温度参数和费托合成效果见表1。

从实施例和对比例的数据可以看出，采用相同催化剂在达到相近反应活性的前提下，采用本专利提供的反应器，反应器管程-壳程传热得到了强化，明显降低了反应器轴向和纵向温度梯度，降低反应器热点温度，轴向温度差由对比例的7.1℃降低为3.4℃，径向温差由对比例的12℃降低为6℃；由于避免了局部过热，使得相同催化剂的反应性能具有较大的差别，CO转化率由对比例的 86.7％提高到91％，甲烷的选择性由8.4％降低到5.7％，C₅ ⁺选择性由85.2％提高到91％。

实施例2

本实施例采用的反应器含反应管6为1000根。所述反应管6的内径为 25mm，长度为4m，壁厚为3mm。所述反应管6为碳素结构钢，散热片13高度为8mm，每个散热片与反应管轴中心线的夹角为30°，相邻散热片13间的间距为15mm。

所述折流板7共有4块，平均分布在反应器筒体12内，所述折流板7与上管板平面的夹角为12°。

采用的冷却介质导热油。

采用本发明反应器在费托合成反应中应用的流程示意图3，具体的工艺流程与实施例1相同。

所述反应管6中填装按照中国发CN102962077B的方法制备的Co/Al₂O₃催化剂，其中Co含量为15wt％。

工艺条件为：合成气体积空速500^-1、合成气中H₂/CO₂摩尔比为2.0，反应压力3.0MPa，循环气体积空速2000^-1。反应器主要温度参数和催化剂的性能见表1。其余同实施例1。

实施例3

本实施例采用的反应器内含反应管6为12000根。所述反应管6的内径为 50mm，长度为12m，壁厚为6mm。所述反应管6为碳素结构钢，散热片13高度为32mm，每个散热片13与反应管6轴中心线的夹角为70°，相邻散热片13 间的间距为35mm。

所述折流板7有8块，平均分布在反应器筒体12内，所述折流板7与上管板平面的夹角为30°。

采用的冷却介质为锅炉水。

采用本发明反应器在费托合成反应中应用的流程示意图3，具体的工艺流程与实施例1相同。

所述反应管6中填装按照中国发明CN102671673B的方法制备的Co/Al₂O₃催化剂，其中Co含量为15wt％。

工艺条件为：合成气体积空速500^-1、合成气的H₂/CO₂摩尔比为2.0，反应压力3.0MPa，循环气体积空速2000^-1。反应器主要温度参数和催化剂的性能见表1。其余同实施例1。

实施例4

本实施例采用的反应管6为18000根。所述反应管6为碳素结构钢，内径为62mm，长度为18m，壁厚为8mm。散热片13高度为40mm，每个散热片13 与反应管轴中心线的夹角为90°，相邻散热片13间的间距为40mm。

所述折流板7有10块，平均分布在反应器筒体12内，所述折流板7与上管板平面的夹角为60°。

采用的冷却介质为锅炉水。

采用本发明反应器在费托合成反应中应用的流程示意图3，具体的工艺流程与实施例1相同。

所述反应管6中填装按照中国发明CN102962066的方法制备的Co/Al₂O₃催化剂，其中Co含量为15wt％。

工艺条件为：合成气体积空速500^-1、合成气中H₂/CO₂摩尔比为2.0，反应压力3.0MPa，循环气体积空速2000^-1。反应器主要温度参数和催化剂的性能见表1。其余同实施例1。

表1

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Claims (7)

1.一种用于强放热反应的固定床反应器，包括反应器壳体、上管板(10)、下管板(11)、反应管(6)、进料口(1)，出料口(3)，冷却介质入口(4)，冷却介质出口(5)，其特征在于反应器壳体由上封头(8)，下封头(9)和反应器筒体(12)组成，在上封头(8)顶端有进料口(1)，上封头(8)的下方有分布器(2)，下封头(9)底端有出料口(3)，冷却介质入口(4)位于反应器筒体(12)下部，冷却介质出口(5)位于反应器筒体(12)上部，反应管(6)分别由上管板(10)和下管板(11)固定排列在反应器壳体筒体(12)内，折流板(7)固定在反应器筒体(12)的内壁上，与上管板(10)平面的夹角为10-80°，折流板(7)之间相互平行；

所述的反应管(6) 的外表面分布有散热片(13)；

所述的散热片(13)高度为5-40mm；每个散热片(13)与反应管(6)轴中心线的夹角为30-90°；散热片间平行分布，相邻散热片(13)之间的间距为10-50mm。

2.如权利要求1所述的一种用于强放热反应的固定床反应器，其特征在于所述的相邻散热片(13) 之间的间距为20-40mm。

3.如权利要求1所述的一种用于强放热反应的固定床反应器，其特征在于所述的反应管(6)为1000-20000根。

4.如权利要求1所述的一种用于强放热反应的固定床反应器，其特征在于反应管(6)的内径为10-90mm，长度为3-25m，壁厚为1-10cm。

5.如权利要求1所述的一种用于强放热反应的固定床反应器，其特征在于反应管(6)的内径为20-70mm，长度为5-20m。

6.如权利要求1所述的一种用于强放热反应的固定床反应器，其特征在于所述折流板(7)有4-10块。

7.如权利要求1所述的一种用于强放热反应的固定床反应器，其特征在于所述折流板(7)平均分布在反应器筒体12内壁上，折流板(7)的一端固定在反应器筒体(12)的内壁上，另一端为自由端。