CN206793615U - 用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统，包括：反应器，从上到下分为第一、二、三腔体；多个流体分配器，设置在第二腔体中，与第一腔体连通，包括直管和分配管，分配管包括缩口段、喉口端、扩口段；多个催化列管，位于流体分配器下方，与第三腔体连通；液体输送管道、气体输送管道，向第一腔体中输送液体和气体；对液体进行预热的预热器；降温催化列管的导热介质；导流导热介质的折流板；冷却换热介质的循环换热器；对反应器的产物进行冷却的冷却器；与冷却器连通的气液分离罐。本实用新型的列管式反应系统可以使气液混合均匀，避免催化剂床层内部局部高温，提高反应的转化率和选择性，避免催化剂被烧坏。

Description

用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统

技术领域

本实用新型涉及三相高放热反应装备的结构设计技术领域，尤指一种用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统。

背景技术

气固液三相催化加氢反应，尤其是反应放热量大，且催化剂不耐高温或高温易失活(贵金属催化剂)的固定床式三相反应，这类反应的工业化实现一直是行业的技术难点。传统的固定床反应器由于移热速率慢，床层温升超过催化剂的承受范围而无法采用；列管式反应系统又无法解决气液均匀混合雾化后在各列管间的均布问题。不仅会影响气液间的传质和传热，也会引起反应物在催化剂床层间的不均匀分布，导致不同床层间不同的气体和液体空速分布，部分物料过度反应，部分物料不完全反应，反应收率降低，且经常存在床层催化剂局部过热结焦失活或烧毁。

专利CN2430213Y描述一种列管式反应系统的液体分布器，用于向反应器的各个列管均匀分配液体，但该分布器无法实现气液的雾化均匀混合，气液的不均匀混合仍然无法避免催化剂结焦失活。

因此，本申请人致力于提供一种新型的用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统，其可以使气体和液体混合均匀，提高反应速率，避免催化剂层内部局部高温，导致催化剂被烧坏。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统，包括：反应器，所述反应器从上到下依次分为第一腔体、第二腔体和第三腔体；多个流体分配器，设置在所述第二腔体中，其入口与所述第一腔体连通，所述流体分配器包括连通的直管和分配管，所述分配管包括依次连通的缩口段、喉口端和扩口段，所述缩口段与所述直管连接；多个催化列管，设置在所述第二腔体中，且位于所述流体分配器的下方，且所述催化列管与所述流体分配器一一对应，所述催化列管的出口与所述第三腔体连通；液体输送管道，与所述反应器的第一腔体连通，用于向所述第一腔体中输送液体；气体输送管道，与所述反应器的第一腔体连通，用于向所述第一腔体中输送气体；预热器，设置在所述液体输送管道上，用于对液体进行预热；导热介质，设置在所述反应器的第二腔体中，且位于所述催化列管的外部；折流板，设置在所述反应器的第二腔体中，且位于所述催化列管外部，用于导流所述导热介质；循环换热器，设置在所述反应器外部，其进出口分别于所述第二腔体连通，用于对所述第二腔体中的换热介质进行冷却降温；冷却器，与所述反应器的第三腔体的出口连接，用于对所述反应器的出口处的物料进行冷却处理；气液分离罐，与所述冷却器连通，用于分离冷却后的物料中的气体和液体。

优选地，所述液体输送管道与所述反应器的第一腔体的顶部连通，用于使液体自上而下进入到所述第一腔体中；所述气体输送管道与所述反应器的第一腔体的下部连通，用于使气体自下而上进入到所述第一腔体中。

优选地，所述直管的管径是所述催化列管的管径的1/5～1/3；所述分配管的喉管的管径为所述直管的管径的1/5～1/3；所述分配管的扩口段的扩张角度为6～15°；所述分配管的扩口段的最大管径为所述催化列管的管径的1/3～3/5。

优选地，所述催化列管的长度为6～15m，管径为20～30mm；任意相邻的三个所述催化列管呈正三角形排列，且相邻所述催化列管的外管壁之间的距离为8～16mm；所述催化列管内从上到下依次设有第一填料层、催化层和第二填料层，所述第一填料层的高度为20～100mm，所述第一填料层的上端距所述催化列管的出口的距离为200～400mm，所述第一填料层的上端距所述流体分配器的出口的距离为100～200mm。

优选地，所述折流板包括多个子折流板，多个子折流板依次连接形成螺旋状结构，所述子折流板与水平面的夹角为25°～45°，相邻所述子折流板之间的最大间距为300～600mm。

优选地，所述气液分离罐上设有第一气体出口和第二气体出口，所述第一气体出口与所述气体输送管道连通，所述第二气体出口与外部环境连通。

优选地，在所述催化列管中，液体的体积空速范围为1～5h^-1，气体的体积空速范围为200～800h^-1。

优选地，所述换热介质的流速为0.7～1.5m/s。

本实用新型的用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统可以实现以下至少一种有益效果。

1、气体和预热后液体分别通过输送管道进入到反应器的第一腔体中，二者经过流体分配器进行充分均匀混合后进入到催化剂列管中进行反应，反应后的产物经过冷却器进行降温处理，降温后的产物再经过气液分离罐进行气液分离，从而完成反应，另外，在反应过程中，导热介质对催化列管中的催化剂和反应物料进行降温处理，避免了催化剂温度过高而烧坏，流体分配器的设置可以使气体和液体充分混合均匀，从而在催化剂列管中快速接触反应，且产物可以从催化剂上的快速剥离，避免过度反应，减少催化剂结焦。

2、通过使气体从下到上进入到第一腔体，液体从上到下进入到第二腔体，从而使气体和液体在第一腔体中进行初步混合，混合后的气体和液体再通过流体分配器进行再次混合，进一步使气体和液体混合更为均匀。

3、通过将折流板设为螺旋折流板，螺旋折流板可以对导热介质的流动产生一定的扰动，从而有效提高导热介质的导热系数，避免催化列管局部温度过高，烧坏催化剂。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

图1是本实用新型的用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统的一种具体实施例的结构示意图；

图2是图1中所示的流体分配器和催化列管的结构示意图；

图3是图1中所示的多个催化列管的排布结构示意图。

附图标号说明：

反应器1，流体分配器2，直管21，分配管22，催化列管3，液体输送管道4，气体输送管道5，预热器6，折流板7，循环换热器8，冷却器9，气液分离罐10，第一气体出口11，第二气体出口12，液体出口13。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本实施例一种用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统，包括：反应器1，反应器1从上到下依次分为第一腔体、第二腔体和第三腔体；多个流体分配器2，设置在第二腔体中，其入口与第一腔体连通，流体分配器2包括连通的直管21和分配管22，分配管22包括依次连通的缩口段、喉口端和扩口段，缩口段与所述直管21连接；多个催化列管3，设置在第二腔体中，且位于流体分配器2的下方，且催化列管3与流体分配器2一一对应，催化列管3的出口与第三腔体连通；液体输送管道4，与反应器1的第一腔体连通，用于向第一腔体中输送液体；气体输送管道5，与反应器1的第一腔体连通，用于向第一腔体中输送气体。具体的，气体输送管道5和液体输送管道4在反应器1外先连通后再通入到第一腔体中。

本实施例中的列管式反应系统还包括：预热器6，设置在液体输送管道4上，用于对液体进行预热；导热介质，设置在反应器1的第二腔体中，且位于催化列管3的外部；折流板7，设置在反应器1的第二腔体中，且位于催化列管3外部，用于导流导热介质；循环换热器8，设置在反应器1外部，其进出口分别于第二腔体连通，用于对第二腔体中的换热介质进行冷却降温；冷却器9，与反应器1的第三腔体的出口连接，用于对反应器1的出口处的物料进行冷却处理；气液分离罐10，与冷却器9连通，用于分离冷却后的物料中的气体和液体。

如图2所示，直管21的管径D2是催化列管3的管径D1的1/5～1/3，例如，1/5、4/15、1/3；分配管22的喉管的管径D3为直管21的管径D2的1/5～1/3，例如，1/5、4/15、1/3；分配管22的扩口段的扩张角度α为6～15°，例如，7°、8°、11°、12°、14°；分配管22的扩口段的最大管径为催化列管3的管径D1的1/3～3/5，例如，1/3、2/5、7/15、8/15。

具体的，催化列管3的长度L为6～15m，例如，7m、8m、10m、12m、13m、14m、经过多次试验表明，若催化列管3的长度太小，则物料在列管中的停留时间短，反应转化率低，若长度太长，则不仅压差大，而且物料停留时间太长，容易造成催化剂结焦。

具体的，催化列管3的管径D1为20～30mm，例如，22mm、23mm、25mm、26mm、28mm、29mm，催化列管3的管径需要大于15倍的催化剂粒径，经过多次试验表明，若催化列管3直径太小，催化剂的边界效应大，不利于物料在催化剂表面的均匀分布，若催化列管3直径太大，不利于反应热的及时移出。

如图3所示，任意相邻的三个催化列管3呈正三角形排列，且相邻催化列管3的外管壁之间的距离为8～16mm，例如，9mm、11mm、12mm、14mm、15mm，经过多次试验表明，若此间距太小，则导热介质和催化列管3之间的阻力太大，若间距太大，列管外壁的粘滞层流体无法快速流动，管外热阻变大，传热系数降低，催化列管3中的反应热无法及时散发。

催化列管3内从上到下依次设有第一填料层、催化层和第二填料层，所述第一填料层的高度d2为20～100mm，例如，30mm、40mm、50mm、60mm、65mm、70mm、80mm、85mm、90mm，第一填料层的上端距催化列管3的出口的距离d1为200～400mm，例如，230mm、250mm、270mm、300mm、350mm、380mm，第一填料层的上端距所述流体分配器2的出口的距离d3为100～200mm，例如，110mm、130mm、140mm、150mm、170mm、180mm、190mm。

具体的，折流板7包括多个子折流板7，多个子折流板7依次连接形成螺旋状结构，子折流板7与水平面的夹角为25°～45°，例如，27°、28°、30°、32°、33°、34°，相邻子折流板7之间的最大间距为300～600mm，例如，400mm、450mm、480mm、500mm、530mm、570mm，多次试验表明，若子折流板7之间的最大间距太小，则壳层阻力大，最大间距太大，则会减小流体对列管外表面粘滞层的剪切，减小传质系数。

具体的，气液分离罐10上设有第一气体出口11和第二气体出口12，第一气体出口11与气体输送管道5连通，第二气体出口12与外部环境连通。

具体的，在催化列管3中，液体的体积空速范围为1～5h^-1，例如，1.6h^-1、2.0h^-1、2.5h^-1、3.0h^-1、3.5h^-1、4.0h^-1、4.5h^-1，气体的体积空速范围为200～800h^-1，例如，300h^-1、400h^-1、500h^-1、600h^-1、700h^-1，在此两相空速下，气液两相原料与催化剂可以达到均匀快速吸附接触反应，并且反应物可以从催化剂上的快速剥离，避免过度反应，提高反应选择性，减少催化剂结焦，还可以提高传热系数，避免局部超温，烧坏催化剂。多次试验表明，若空速太低，不利于传热与传质，若空速太高，不仅传质与传热提高不明显，而且容易增加催化剂的破碎率。

具体的，换热介质的流速为0.7～1.5m/s，例如，0.8m/s、1.0m/s、1.2m/s、1.3m/s、1.4m/s，多次试验表明，若该流速太低，换热效果差，若太高，则阻力太大。

另外，在其他具体实施例中，液体输送管道还可以与反应器的第一腔体的顶部连通，用于使液体自上而下进入到第一腔体中，气体输送管道与反应器的第一腔体的下部连通，用于使气体自下而上进入到第一腔体中。

以下是两种高放热反应的中现有列管式反应系统和本实施例中的列管式反应系统的对比试验及其结果。

第一种反应：合成甲基异丁基酮反应

该以丙酮和氢为原料合成甲基异丁基酮，共发生以下3步反应：

第一步：两分子丙酮在碱性催化剂作用下缩合，生成一个分子的双丙酮醇。

2CH₃COCH₃→(CH₃)₂COHCH₂COCH₃ (1)

第二步：双丙酮醇在酸性催化剂作用下脱水，生成异丙叉丙酮。

(CH₃)₂COHCH₂COCH₃→(CH₃)₂C＝CHCOCH₃+H₂O (2)

第三步：异丙叉丙酮在加氢催化剂作用下加氢，生成MIBK。

(CH₃)₂C＝CHCOCH₃+H₂→(CH₃)₂CHCH₂COCH₃ (3)

在树脂型负载贵金属催化剂的作用下，上述三步反应可以依次在同一个催化剂床层内完成，该反应折合为物流重量的反应热约为1450KJ/Kg，放热量大，目前的列管反应技术由于气液分布不均以及传热速率慢，造成床层气液空速不均匀，存在床层温差大，温度控制困难，导致产品选择性偏低，催化剂床层容易飞温失活。

1、采用常规传统的列管式反应系统

液体用分布管(包括腔体加直管段)分配到每一个列管内催化剂床层中，气体原料则直接进入管程腔体，采用床层压差在列管内自然分布，壳体内安装常规的缺口为25％常规圆缺折流板，折流板间距400mm。

反应条件为：反应器入口温度：90℃，压力：2.9MPa，液体空速：1.5h-¹，气体空速：300h-¹。

反应结果为：反应器最高温度：150℃，MIBK(methyl isobutyl ketone，无色透明液体)选择性：94％，丙酮单程转化率：30％。

2、采用本实用新型的列管式反应系统

采用图1所示的专利流程和图2所示的流体分布器，气体(氢气)与液体(丙酮)混合后进入反应器的流体分配腔体，通过流体分配器自身的雾化效果，将流体充分雾化，均匀分布于各个列管床层。

以下是三次试验的条件和结果：

2.1.反应条件为：反应器入口温度：100℃，压力：2.9MPa，液体空速：1.5h^-1，气体空速：300h^-1；

反应结果为：反应器内最高温度：130℃，MIBK选择性：95％，丙酮单程转化率：35％。

2.2.反应条件为：反应器入口温度：95℃，压力：3.0MPa，液体空速：2.0h^-1，气体空速：400h^-1。

反应结果为：反应器内最高温度：135℃，MIBK选择性：95％，丙酮单程转化率：34％。

2.3.反应条件为：反应器入口温度：100℃，压力：3.0MPa，液体空速：2.4h^-1，气体空速：500h^-1。

反应结果为：反应器内最高温度：130℃，MIBK选择性：95.1％，丙酮单程转化率：33％。

对比传统反应器的一次试验和本实用新型反应器的三次试验可知，关于反应器入口温度，传统反应器的一次试验要小于实用新型反应器的三次试验，但是，对于反应器内最高温度，传统反应器的一次试验的却大于本实用新型反应器的三次试验，由此可知，相比传统反应器，本实用新型的反应器具有良好的散热效果，可以有效避免反应器内温度过高，造成催化剂烧焦失活。

另外，相比于传统反应器，本实用新型的反应器通过调节压力、气体空速、液体空速从而有效提高了产品的选择性以及液相物质的转化率。

第二种反应：2,3,5-三甲基苯醌加氢合成2,3,5-三甲基对苯二酚

该反应说明：在活性炭负载贵金属催化剂的作用下，2,3,5-三甲基苯醌与氢反应合成2,3,5-三甲基对苯二酚，该反应为强放热反应，折合为物料重量的反应热为1100KJ/Kg，在反应条件下，苯醌为液相，氢气为气相，反应为气液固三相反应，又由于活性炭的强度问题，只能采用固定床技术。

1、采用常规传统的列管式反应系统

液体用分布管(包括腔体加直管段)分配到每一个列管内催化剂床层中，气体原料则直接进入管程腔体，采用床层压差在列管内自然分布，壳体内安装常规的缺口为25％常规圆缺折流板，折流板间距400mm。

反应条件为：反应器入口温度：80℃；压力：3.9MPa；液体空速：2.0h^-1，气体空速：400h^-1。

反应结果为：反应器最高温度：140℃；产品选择性，99.2％；原料转化率：99.1％。

2、采用本实用新型的列管式反应系统

采用图1所示的专利流程和图2所示的流体分布器，气体(氢气)与液体(2,3,5-三甲基苯醌)混合后进入反应器的流体分配腔体，通过流体分配器的雾化作用，将流体充分雾化，均匀分布于各个列管床层。

以下是三次试验的条件和结果

2.1反应条件为：反应器入口温度：90℃，压力：3.9MPa，液体空速：2.0h^-1，气体空速：500h^-1。

反应结果为：反应器最高温度：130℃，产品选择性：99.5％，原料转化率：99.8％。

2.2反应条件为：反应器入口温度：90℃，压力：3.9MPa，液体空速：3.5h^-1，气体空速：800h^-1。

反应结果为：反应器最高温度：130℃，产品选择性：99.7％，原料转化率：99.6％。

对比传统反应器的一次试验和本实用新型反应器的三次试验可知，关于反应器入口温度，传统反应器的一次试验要小于实用新型反应器的三次试验，但是，对于反应器内最高温度，传统反应器的一次试验的却大于本实用新型反应器的三次试验，由此可知，相比传统反应器，本实用新型的反应器具有良好的散热效果，可以有效避免反应器内温度过高，造成催化剂烧焦失活。

另外，相比于传统反应器，本实用新型的反应器通过调节压力、气体空速、液体空速从而有效提高了产品的选择性以及液相物质的转化率。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统，其特征在于，包括：

反应器，所述反应器从上到下依次分为第一腔体、第二腔体和第三腔体；多个流体分配器，设置在所述第二腔体中，其入口与所述第一腔体连通，所述流体分配器包括连通的直管和分配管，所述分配管包括依次连通的缩口段、喉口端和扩口段，所述缩口段与所述直管连接；

多个催化列管，设置在所述第二腔体中，且位于所述流体分配器的下方，且所述催化列管与所述流体分配器一一对应，所述催化列管的出口与所述第三腔体连通；

液体输送管道，与所述反应器的第一腔体连通，用于向所述第一腔体中输送液体；

气体输送管道，与所述反应器的第一腔体连通，用于向所述第一腔体中输送气体；

预热器，设置在所述液体输送管道上，用于对液体进行预热；

导热介质，设置在所述反应器的第二腔体中，且位于所述催化列管的外部；

折流板，设置在所述反应器的第二腔体中，且位于所述催化列管外部，用于导流所述导热介质；

循环换热器，设置在所述反应器外部，其进出口分别于所述第二腔体连通，用于对所述第二腔体中的换热介质进行冷却降温；

冷却器，与所述反应器的第三腔体的出口连接，用于对所述反应器的出口处的物料进行冷却处理；

气液分离罐，与所述冷却器连通，用于分离冷却后的物料中的气体和液体。

2.如权利要求1所述的用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统，其特征在于：

所述液体输送管道与所述反应器的第一腔体的顶部连通，用于使液体自上而下进入到所述第一腔体中；

所述气体输送管道与所述反应器的第一腔体的下部连通，用于使气体自下而上进入到所述第一腔体中。

3.如权利要求1所述的用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统，其特征在于：

所述直管的管径是所述催化列管的管径的1/5～1/3；

所述分配管的喉管的管径为所述直管的管径的1/5～1/3；

所述分配管的扩口段的扩张角度为6～15°；

所述分配管的扩口段的最大管径为所述催化列管的管径的1/3～3/5。

4.如权利要求1所述的用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统，其特征在于：

所述催化列管的长度为6～15m，管径为20～30mm；

任意相邻的三个所述催化列管呈正三角形排列，且相邻所述催化列管的外管壁之间的距离为8～16mm；

所述催化列管内从上到下依次设有第一填料层、催化层和第二填料层，

所述第一填料层的高度为20～100mm，所述第一填料层的上端距所述催化列管的出口的距离为200～400mm，所述第一填料层的上端距所述流体分配器的出口的距离为100～200mm。

5.如权利要求1所述的用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统，其特征在于：

所述折流板包括多个子折流板，多个子折流板依次连接形成螺旋状结构，所述子折流板与水平面的夹角为25°～45°，相邻所述子折流板之间的最大间距为300～600mm。

6.如权利要求1所述的用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统，其特征在于：

所述气液分离罐上设有第一气体出口和第二气体出口，所述第一气体出口与所述气体输送管道连通，所述第二气体出口与外部环境连通。

7.如权利要求1所述的用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统，其特征在于：

在所述催化列管中，液体的体积空速范围为1～5h^-1，气体的体积空速范围为200～800h^-1。

8.如权利要求1所述的用于气固液三相高放热反应的列管式反应系统，其特征在于：

所述换热介质的流速为0.7～1.5m/s。