CN207756118U - 一种适用于强放热反应的列管式固定床反应器 - Google Patents

Abstract

一种适用于强放热反应的列管式固定床反应器包括反应器壳体（7）、上封头（2）、下封头（12）、上管板（3）、下管板（11）、进料口（1）、出料口（13）、冷却介质入口（14）、冷却介质出口（4）、固定在上下管板之间若干根反应列管，每根反应列管由上段列管（5）、中段列管（8）、下段列管（10）三段组成，三段列管的直径由上至下逐渐增大。本实用新型具有管程与壳程的传热效果好，反应器径向和轴向温度梯度小，床层利用率高，产能得到大幅提高的优点。

Description

一种适用于强放热反应的列管式固定床反应器

技术领域

本实用新型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

固定床反应器在化学工业以及石油工业中有着广泛的应用。甲醇制汽油、甲醇制丙稀、蒸汽重整、甲醇合成、费托合成等反应过程通常都在固定床反应器中进行。这些过程都是强放热过程，控制反应温度是维持较高反应转化率以及选择性的关键，反应过程中生成的热量需要及时从床层中移除，因而反应器选型、设计以及监控对这些过程至关重要。

列管式固定床反应器通过多根反应管并联，在管内装填催化剂进行反应，冷却介质在管外流动进行移热，列管式固定床反应器相对于普通固定床反应器传热面积更大，更加适合放热量大的反应过程。然而，一些放热量大的化学反应在不适当工艺操作条件下，仍容易产生温度失控现象（“飞温”），其后果往往是灾难性的。

设计和操作在列管反应器内进行强放热反应时，避免“飞温”现象发生是需要考虑的关键问题之一。反应器的速率和效率将受到严格限制，反应工艺条件必须控制在防止出现“热点”温度、产生飞温、影响催化剂的活性和寿命的范围内，特别是在反应器筒体直径较大情况下，反应器热点径向温差会迅速增大。因此设计新型高效换热列管反应器，降低床层“热点”，拓宽反应稳定温区，对提高列管式固定床反应器的生产能力、反应效率，进一步节约能源，提高经济效益有着重要意义。

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，因此如何保证管间充分均匀的热传递，解决冷却介质在列管式固定床反应器管间流动不均引起的换热问题，是列管式固定床反应器需要解决的关键技术。

专利CN 1736574A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。这种方法通过增加管束来增加传热面积确实能够强化传热效果，但是会带来加工方面的困难，且大大影响催化剂的有效装填量。

专利US 3801634、JP53-30688B及JP在催化剂床层用惰性颗粒分段稀释催化剂（采用不同稀释比例），以控制催化活性和反应速率，消除热点。这种方法一方面增加了催化剂床层高度，减少了整个装置的产能，另一方面造成整个催化剂床层在物理结构和化学性质的不一样，使得传质传热出现明显的不连续和不稳定现象。

发明内容

本实用新型目的是提供一种能克服床层温度的不均匀分布的适用于强放热反应的列管式固定床反应器。

本实用新型是基于化学反应的放热与床层温度的关系是非线性的，而应用于移热过程的冷却规律是线性的，两者结合使得固定床反应器中的床层温度呈现非线性分布，具体表现为床层中上段容易出现“热点”温度和多态行为。根据放热反应特性，通过不同段反应器催化剂装填量不同，并保持催化剂床层物理结构、化学性质的一致性，使得列管反应器中的反应放热与床层温度呈非线性分布，最终实现床温温度的均一性。

本实用新型的适用于强放热反应的列管式固定床反应器，它包括反应器壳体、上封头、下封头、上管板、下管板、进料口、出料口、冷却介质入口、冷却介质出口、固定在上管板和下管板之间若干根列管，其特征在于每根反应列管由上段列管、中段列管、下段列管三段组成，三段列管的直径由上至下逐渐增大，中段列管与上段列管由第一变径接头连接，中段列管与下段列管由第二变径接头连接，在反应器壳体设上段测温孔、中段测温孔、下段测温孔，上段测温孔对应测量上段列管的温度，设中段测温孔对应测量中段列管的温度、下段测温孔对应测量下段列管的温度。

如上所述，下段列管的直径为φ38-48mm，上段列管、中段列管、下段列管三者直径的比例为D_上：D_中：D_下=（0.5-0.75）：（0.75-1）：1。

如上所述，下段列管的长度为1.0-3.0m，上段列管、中段列管、下段列管三者的长度比例为L_上：L_中：L_下=（0.5-2）：（0.5-2）：1。

如上所述，反应器壳体内径为1.5-4.8m。

如上所述，反应器壳体内设有500-10000根列管。

如上所述，冷却介质可以选择风冷、油冷、水冷等的一种。

如上所述反应器应用于费托合成、甲醇制汽油、甲醇制丙稀、蒸汽重整、甲醇合成、苯氧制顺酐等反应。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：管程与壳程的传热效果好，反应器径向和轴向温度梯度小，床层利用率高，产能得到大幅提高，主要适用于强放热反应体系，尤其适用于费-托合成反应。

附图说明

图1是本实用新型列管式固定床反应器结构示意图。

如图所示：1-进料口、2-上封头、3-上管板、4-冷却介质出口、5-上段列管、6-第一变径接头、7-反应器壳体、8-中段列管、9-第二变径接头、10-下段列管、11-下管板、12-下封头、13-出料口、14-冷却介质入口。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型反应器予以具体说明，但并不限于本实施例。

下面以强放热反应费托合成反应为例，对本实用新型反应器予以具体说明。

实施例1

本实用新型为适用于强放热反应的列管式固定床反应器，它包括反应器壳体7、上封头2、下封头12、上管板3、下管板11、进料口1、出料口13、冷却介质入口14、冷却介质出口4、固定在上管板3和下管板11之间的列管，其特征在于每根反应列管由上段列管5、中段列管8、下段列管10三段组成，三段列管的直径由上至下逐渐增大，中段列管8与上段列管5由第一变径接头6连接，中段列管8与下段列管10由第二变径接头9连接，在反应器壳体7设上段测温孔17、中段测温孔16、下段测温孔15，上段测温孔17对应测量上段列管5的温度，设中段测温孔16对应测量中段列管8的温度、下段测温孔15对应测量下段列管10的温度。

所述反应器壳体7内径为3.4m，上下管板设有4800根列管，下段列管10的直径为φ38mm，上段列管5、中段列管8、下段列管10三者直径的比例为D_上：D_中：D_下=0.6：0.8：1。下段列管10的长度为3.0m，上段列管5、中段列管8、下段列管10三者的长度比例为L_上：L_中：L_下=1：1：1。

采用本实用新型反应器进行费托合成反应，催化剂活化后，新鲜合成气与循环气混合后从进料口1进入反应器壳体7内，经过上管板3进入装有催化剂的上段列管5、中段列管8、下段列管10，进行费托合成反应；冷却介质（水冷）从冷却入口14进入，从冷却出口4排出；所有反应产物，包括循环介质和未反应完的气体，经由反应器的出料口13排出，经过油气水分离器分离出去反应产生的合成水，其余产物通过精馏塔精馏切割分离，分别得到轻质组分、中间馏和重质组分，剩余一部分不凝气体作为驰放气排出界外，另一部分不凝气体作为循环气重新进入反应器。

所述反应器三段列管一次性连续装填钴基费托合成催化剂（按照专利CN102962066A的方法制备），还原条件为，500℃，1.2 MPa，2500h^-1(v/v)，恒温12 h；反应条件为：220℃，2.4MPa，1200h^-1(v/v)，H₂/CO(mol) = 1.7。反应器的主要温度参数和催化剂性能见表1。

实施例2

如实施例1所述的反应器及反应工艺流程，所述反应器壳体7内径为3.6m，上下管板设有4000根列管，下段列管10的直径为φ34mm，上段列管5、中段列管8、下段列管10三者直径的比例为D_上：D_中：D_下=0.5：0.75：1。下段列管10的长度为2.0m，上段列管5、中段列管8、下段列管10三者的长度比例为L_上：L_中：L_下=1：1.5：1。

所述反应器三段列管一次性连续装填钴基费托合成催化剂（按照专利CN102962077B的方法制备），还原条件为：450℃，1.0 MPa， 1000h^-1(v/v)，恒温10 h；反应条件为：210℃，2.5MPa，1100h^-1(v/v)，H₂/CO(mol) = 1.8。反应器的主要温度参数和催化剂性能见表1。

实施例3

如实施例1所述的反应器及反应工艺流程，所述反应器壳体7内径为1.5m，上下管板设有500根列管，下段列管10的直径为φ48mm，上段列管5、中段列管8、下段列管10三者直径的比例为D_上：D_中：D_下=0.7：0.75：1。下段列管10的长度为2.5m，上段列管5、中段列管8、下段列管10三者的长度比例为L_上：L_中：L_下=0.8：1：1。

所述反应器三段列管一次性连续装填钴基费托合成催化剂（按照专利CN105032425A的方法制备），还原条件为：350℃，0.1MPa，恒温10h，1500h^-1(v/v)，采用氮中氢，H₂含量为15% (v/v)。反应条件为：230℃，3.0MPa，2500h^-1(v/v)，H₂/CO(mol)=2.2。反应器的主要温度参数和催化剂性能见表1。

实施例4

如实施例1所述的反应器及反应工艺流程，所述反应器壳体7内径为4.0m，上下管板设有5000根列管，下段列管10的直径为φ42mm，上段列管5、中段列管8、下段列管10三者直径的比例为D_上：D_中：D_下=0.6：0.8：1。下段列管10的长度为1.5m，上段列管5、中段列管8、下段列管10三者的长度比例为L_上：L_中：L_下=0.8：2：1。

所述反应器三段列管一次性连续装填钴基费托合成催化剂（按照专利CN105032425A的方法制备），还原条件为：450℃，0.2MPa，恒温12h，5000h^-1(v/v)，采用氮中氢，H₂含量为80％ (v/v)；反应条件为：220℃，2.0MPa，2000h^-1(v/v)，H₂/CO(mol)=2.0。反应器的主要温度参数和催化剂性能见表1。

实施例5

如实施例1所述的反应器及反应工艺流程，所述反应器壳体7内径为0.4m，上下管板设有2000根列管，下段列管10的直径为φ40mm，上段列管5、中段列管8、下段列管10三者直径的比例为D_上：D_中：D_下=0.5：0.75：1。下段列管10的长度为1.0m，上段列管5、中段列管8、下段列管10三者的长度比例为L_上：L_中：L_下=2：2：1。

所述反应器三段列管一次性连续装填钴基费托合成催化剂（按照专利CN104841434B的方法制备），还原条件为：400℃，1.0MPa，GHSV=1500h^-1，恒温8h，采用氮中氢还原气，H₂含量为5%(v/v)；反应条件为：235℃，2.0Mpa，GHSV=2500h^-1，H₂/CO(v/v)=1.8。反应器的主要温度参数和催化剂性能见表1。

表1

检测参数	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						上段测温点/℃	222.2	210.5	230.5	224.3	233.5
中段测温点/℃	220.4	214.3	230.2	219.5	235.1
						下端测温点/℃	218.9	211.1	227.1	220.9	236.3
轴向最大温差/℃	6.3	5.7	4.8	3.9	3.6
						径向最大温差/℃	4.9	6.3	8.1	5.8	7.2
CO转化率/%	85.2	82.1	62.3	71.5	75.0
						甲烷选择性/%	4.7	6.8	8.8	7.2	5.8

Claims (7)

1.一种适用于强放热反应的列管式固定床反应器，它包括反应器壳体（7）、上封头（2）、下封头（12）、上管板（3）、下管板（11）、进料口（1）、出料口（13）、冷却介质入口（14）、冷却介质出口（4）、固定在上管板（3）和下管板（11）之间的若干根反应列管，其特征在于每根反应列管由上段列管（5）、中段列管（8）、下段列管（10）三段组成，三段列管的直径由上至下逐渐增大，中段列管(8)与上段列管(5)由第一变径接头（6）连接，中段列管(8)与下段列管(10)由第二变径接头（9）连接，在反应器壳体（7）设上段测温孔(17)、中段测温孔(16)、下段测温孔(15)，上段测温孔(17)对应测量上段列管(5)的温度，设中段测温孔(16)对应测量中段列管(8)的温度、下段测温孔(15)对应测量下段列管(10)的温度。

2.如权利要求1所述的一种适用于强放热反应的列管式固定床反应器，其特征在于所述上段列管(5)、中段列管(8)、下段列管(10)三者直径的比例为D_上：D_中：D_下=（0.5-0.75）：（0.75-1）：1。

3.如权利要求1所述的一种适用于强放热反应的列管式固定床反应器，其特征在于所述下段列管(10)的直径为φ38-48mm。

4.如权利要求1所述的一种适用于强放热反应的列管式固定床反应器，其特征在于所述上段列管(5)、中段列管(8)、下段列管(10)三者的长度比例为L_上：L_中：L_下=（0.5-2）：（0.5-2）：1。

5.如权利要求1所述的一种适用于强放热反应的列管式固定床反应器，其特征在于所述下段列管(10)的长度为1.0-3.0m。

6.如权利要求1所述的一种适用于强放热反应的列管式固定床反应器，其特征在于所述反应器壳体（7）内径为1.5-4.8m。

7.如权利要求1所述的一种适用于强放热反应的列管式固定床反应器，其特征在于所述反应列管为500-10000根。