CN209049365U - 固定床回热循环反应器 - Google Patents

Abstract

提供了一种固定床回热循环反应器。该固定床回热循环反应器包括沿着反应物流动方向依次设置的预热段、反应段和回热段，预热段包括设置在壳体上的反应物进口、第一传热介质进口和第一传热介质出口，以及与反应物进口连通的预热管组；反应段包括设置在内腔中的上管板、下管板、反应单元以及设置在壳体上的第二传热介质进出口，反应单元设置在上管板与下管板之间；回热段包括设置在壳体上的反应产物出口、第三传热介质进口和第三传热介质出口，以及设置在内腔中并与第三传热介质进出口连通的回热管组；第一传热介质进口与第二传热介质出口和/或第三传热介质出口连通，第一传热介质出口与第二传热介质进口和/或第三传热介质进口连通。

Description

固定床回热循环反应器

技术领域

本实用新型涉及化工反应器技术领域，特别涉及管式固定床反应器。

背景技术

固定床反应器是常用的化工反应器形式，其是指在反应器内装填颗粒状固体催化剂或固体反应物，形成一定高度的堆积床层，气体或液体物料通过颗粒间隙流过静止固定床层的同时，实现非均相反应过程。这类反应器的特点是充填在设备内的固体颗粒固定不动，有别于固体物料在设备内发生运动的移动床和流化床，又称填充床反应器。固定床反应器广泛用于气-固相反应和液-固相反应过程，例如，合成氨工业中的固定半水煤气发生炉，水处理中的固定床离子交换柱等。

现有固定床反应器存在以下亟需解决的问题：催化剂用量大、利用率低、成本高；反应热量难回收，综合能效低；反应管轴向与径向形成较大反应温度梯度，催化剂床层出现局部过热结焦，降低催化剂利用率；反应放大困难，需逐级放大和循环试验，生产扩能不易实现等。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本实用新型的目的之一在于提供循环回收利用反应热量的固定床回热循环反应器。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种固定床回热循环反应器(或称为固定床反应器)，包括壳体和由壳体围成的内腔，固定床反应器包括沿着反应物流动方向依次设置的预热段、反应段和回热段，预热段包括设置在壳体上的反应物进口、第一传热介质进口和第一传热介质出口，以及与反应物进口连通以将反应物送至反应段的预热管组；反应段包括设置在内腔中的上管板、下管板、反应单元以及设置在壳体上的第二传热介质进口和第二传热介质出口，反应单元设置在上管板与下管板之间；回热段包括设置在壳体上的反应产物出口、第三传热介质进口和第三传热介质出口，以及设置在内腔中并与第三传热介质进口和第三传热介质出口连通的回热管组；第一传热介质进口与第二传热介质出口和/或第三传热介质出口连通，第一传热介质出口与第二传热介质进口和/或第三传热介质进口连通。

根据本实用新型的示例性实施例，所述第一传热介质进口靠近所述上管板，所述第一传热介质出口靠近所述反应物进口；所述第二传热介质进口靠近所述下管板，所述第二传热介质出口靠近所述上管板；所述第三传热介质进口靠近所述反应产物出口，所述第三传热介质出口靠近所述下管板。

根据本实用新型的示例性实施例，所述反应单元包括多根反应管以及填充在所述多根反应管中的催化剂；所述上管板包括与壳体的内壁密封接合的上板体以及形成在所述上板体上并供所述多根反应管穿过的多个第一通孔；所述下管板包括与壳体的内壁密封接合的下板体以及形成在所述下板体上并供所述多根反应管穿过的多个第二通孔。

根据本实用新型的示例性实施例，预热管组可以包括多根预热绕管，预热段还可以包括设置在内腔中的分布器和第一集箱，其中，分布器与反应物进口连通，并可以包括多个反应物出口；第一集箱可以包括盖板和凸起部，盖板的外边缘可以与壳体的内壁密封接合，凸起部可以从盖板的中部凸起；多个预热绕管中的一端可以分别与多个反应物出口连通，多个预热绕管中的另一端可以分别与凸起部连通。

根据本实用新型的示例性实施例，回热管组可以包括多个回热盘管，回热段还包括第二集箱和第三集箱，第二集箱设置在第三传热介质出口与多个回热盘管的一端之间，第三集箱设置在第三传热介质进口与多个回热盘管的另一端之间。

根据本实用新型的示例性实施例，反应单元还可以包括设置在第二传热介质进口和第二传热介质出口之间的折流板。

根据本实用新型的示例性实施例，折流板可以包括折流板体和形成在折流板体上用于反应管穿过的第三通孔，折流板体的一部分与壳体之间形成供传热介质通过的开口，折流板体的其余部分与壳体密封接合。

根据本实用新型的示例性实施例，多个折流板中相邻的两个折流板的供传热介质通过的开口可以相互错开，优选相互对称。

根据本实用新型的示例性实施例，反应管的数量可以为20～100000，反应管的内径可以为15～20mm，长度可以为200～2000mm，催化剂在反应管中的填充高度可以为60～1500mm。

根据本实用新型的示例性实施例，反应单元还可以包括填充在反应管中的催化剂的上方和下方的惰性石英砂颗粒。

根据本实用新型的示例性实施例，惰性石英砂颗粒的填充高度可以为70～500mm。

根据本实用新型的示例性实施例，固定床回热循环反应器还可以包括设置在第一传热介质进口与第二传热介质出口和/或第三传热介质出口之间的反应启动热源旁路。

根据本实用新型的示例性实施例，固定床回热循环反应器可以用作CO₂加氢制备烯烃的反应器。反应物可以为气相反应物或液相反应物。

根据本实用新型的示例性实施例，传热介质(冷却/加热介质)可以为蒸馏水或无机硅油。

与现有技术相比，本申请的有益技术效果包括：避免CO₂加氢反应从实验室到工业生产规模的放大效应，易于生产扩能；反应器内温度均匀、能耗低；明显提高CO₂转化率及烯烃选择性，具有更好的经济性；有效回收并利用反应所产生的热量，节能效果好；易于拆装更换失效的反应单元，维护成本低。

附图说明

通过下面结合附图对示例性实施例的描述，这些和/或其它方面将变得清楚和更容易理解，在附图中：

图1为是根据本实用新型的示例性实施例的固定床回热循环反应器的示意图；

图2为图1所示的根据本实用新型的示例性实施例的固定床回热循环反应器的内部结构图；

图3为图2中的上管板/下管板的示意图；以及

图4为图2中的折流板的示意图。

附图标记说明：

10-预热段、11-反应气体进口、12-第一传热介质进口、13-第一传热介质出口、14-预热管组、15-分布器、16-第一集箱、16a-盖板、16b-凸起部、20-反应段、21-上管板、22-下管板、23-反应单元、24-第二传热介质进口、25-第二传热介质出口、26-折流板、30-回热段、31-反应产物出口、32-第三传热介质进口、33-第三传热介质出口、34-回热盘管、35-第二集箱、36-第三集箱、以及40-反应启动热源旁路。

具体实施方式

现在将参照附图更充分地描述本实用新型的实施例，在附图中示出了本实用新型的示例性实施例。然而，本实用新型可以以许多不同的形式实施，而不应被解释为局限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并且这些实施例将向本领域的普通技术人员充分地传达本实用新型的实施例的构思。

在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节，以提供对各种示例性实施例的彻底理解。然而，明显的是，可以在没有这些具体细节或者在一个或更多个等同布置的情况下实施各种示例性实施例。

此外，在这里可以使用诸如“下”或“底”以及“上”或“顶”等的相对术语来描述如附图中所示的一个元件与另一(其它)元件的关系。将理解的是，相对术语意图包含装置的除了附图中描绘的方位之外的不同方位。例如，如果附图之一中的装置被翻转，则被描述为在其它元件的“下”侧上的元件随后将被定向为在所述其它元件的“上”侧上。因此，根据附图的特定方位，示例性术语“下”可以包含“下”和“上”两种方位。同样地，如果附图之一中的装置被翻转，则被描述为“在”其它元件“下方”或“之下”的元件随后将被定向为“在”所述其它元件“上方”。因此，示例性术语“在……下方”或“在……之下”可以包含上方和下方两种方位。

CO₂直接加氢制备低碳烯烃是减少CO₂排放以及CO₂资源化的重要途径之一。CO₂加氢直接制取烯烃反应器需满足催化剂稳定高效运行的各项基本条件。例如，需要提供热量达到反应的启动温度，同时还需及时移走反应放出的热量，从而使反应始终处于最佳温度范围内运行，降低生产能耗，提高CO₂直接加氢制备低碳烯烃催化剂的催化效果和使用寿命，从而获得稳定、高效的烯烃产量。

在实际生产操作中，为了及时移走反应放出热量，设计了各种合成塔内件，如布置冷激气直接冷却或布置冷却管间接冷却，或设计不同催化剂床层装填方式改变反应气流方向等，如轴向流动、径向流动、轴-径向流动等。但是，现有固定床反应器用于CO₂加氢制取烯烃仍存在反应热量难回收，综合能效低等问题，另外CO₂加氢制取烯烃仍然处于实验室研究阶段，针对CO₂加氢制取烯烃的工业反应器尚未见报道，由于工业反应放大困难，需逐级放大和循环试验，生产扩能不易实现。

本公开的示例性实施例公开一种列管式固定床盘管回热循环反应器，用于CO₂与H₂一步法直接合成制烯烃反应。该反应器包含管式固定床反应管单元、上下管板、预热绕管、集箱、反应启动热源进出口等。管式固定床反应管单元装填有反应所需催化剂，为实验室小试条件下的最大反应器单元，可由多根此类反应器单元阵列组合成工业生产所需容量的反应器；采用分段回热、预热循环方式利用反应产生的热量来预热反应介质以达到反应最佳温度。

在下文中，将参照附图描述实用新型的实施例。

图1为是根据本实用新型的示例性实施例的固定床回热循环反应器的示意图。图2为图1所示的根据本实用新型的示例性实施例的固定床回热循环反应器的内部结构图。

参照图1和图2，以CO₂加氢直接制取烯烃的固定床反应器为例，其包括壳体和由壳体围成的内腔。固定床回热循环反应器可以包括沿着反应气体流动方向依次设置的预热段10、反应段20和回热段30。

在实施例中，预热段10可以包括设置在壳体上的反应物进口(例如，反应气体进口)11、第一传热介质进口12和第一传热介质出口13，以及与反应气体进口11连通以将反应气体送至反应段20的预热管组14。

其中，预热管组14可以包括一根或多根预热绕管。在图2中，仅示出了两根预热绕管，但公开不限于此，预热绕管的数量可以为两根或两根以上。每根预热绕管可以呈螺旋型布置在预热段内，以强化预热绕管与壳程流体之间换热过程。

在可选实施例中，当预热绕管的数量为多根时，预热段10还可以包括设置在内腔中的分布器15和第一集箱16。

其中，分布器15可以设置在反应气体进口11与预热管组14之间，并且分布器15与反应气体进口11连通，并包括多个反应气体出口，即具有“一进多出”的结构，以将从反应气体进口11送入的反应气体分配至多根预热绕管中。

由于从每根预热管流出的气体的温度可能不一样，因此，需要对各个预热管流出的气体进行再次混合。在可选实施例中，可以在预热管组14与反应段20之间设置具有“汇流”的结构的第一集箱16，以汇集多根预热绕管中的反应气体并送至反应段20。在实施例中，如图2所示，第一集箱16可以具有盖板16a和凸起部16b，盖板16a的外边缘与壳体的内壁密封接合，凸起部16b从盖板16a的中部向上突出形成凸起。

预热绕管的一端与分布器15的反应气体出口连通，预热绕管的另一端与第一集箱16的凸起部16b连通。

在实施例中，反应段20可以包括设置在内腔中的上管板21、下管板22、反应单元23以及设置在壳体上的第二传热介质进口24和第二传热介质出口25。

其中，反应单元23(即管式固定床反应管单元)，设置在上管板21与下管板22之间。反应单元23包括一根或多根反应管以及填充在反应管中的催化剂。

如图3所示，上管板21可以包括与壳体的内壁密封接合的上板体以及形成在上板体上并供反应管穿过的多个第一通孔。下管板22可以包括与壳体的内壁密封接合的下板体以及形成在下板体上并与多个第一通孔对应的供反应管穿过的多个第二通孔。在本实施例中，固定反应器为圆筒状，因此，上管板21和下管板22的截面形状为圆形，但公开不限于此，上管板21和下管板22的形状可以根据固定反应器的内腔形状变化，即，上管板21和下管板22可以具有与固定反应器的内腔形状匹配的其它形状。

多根反应管分别穿过多个第一通孔和多个第二通孔，从而固定上管板21和下管板22之间。在实施例中，多根反应管的每根的一端穿过多个第一通孔中的一个并与上板体密封接合，另一端穿过多个第二通孔中的与被所述一端穿过的所述一个第一通孔对应的第二通孔并与下板体密封接合。

反应单元23中的每根反应管填充反应所用催化剂之后直接作为反应最小单元，即，每根反应管可以作为实验室小试的最大反应器。当需逐级放大和循环试验，为实现生产扩能，可以采用多根反应管并联叠加，即多根反应管阵列排列，组成所需容量的反应器。采用阵列管式的反应单元便于拆装更换，且避免了由实验室到中试过程中产生的放大效应，可以实现由实验室直接过渡到工业生产阶段。反应管可以制作为标准件，方便反应扩容、检修、更换等。

在图2中的截面仅示出了14根反应管，但反应管的数量不限于此，例如阵列管式的反应单元中可以排列有20～100000根反应管，每根反应管的内径可以为15～20mm，长度可以为200～2000mm，可以实现烯烃产量0.01～100千吨/年。催化剂在反应管中的填充高度可以为60～1500mm，催化剂的上方和下方还可以填充有70～500mm的惰性石英砂颗粒，以固定催化剂床层位置。即在反应管的中部填充催化剂，在反应管的两端部填充用于固定催化剂位置的惰性石英砂颗粒。

在可选实施例中，反应段20还可以包括在第二传热介质进口24和第二传热介质出口25之间的折流板26。如图4所示，折流板26包括折流板体和形成在折流板体上并供多根反应管穿过的多个第三通孔，折流板体的一部分与壳体之间形成供传热介质通过的开口，折流板体的其余部分与壳体密封接合。在本实施例中，固定反应器为圆筒状，因此，折流板26的截面形状为带有缺口的圆形，但公开不限于此，折流板26的形状可以根据固定反应器的内腔形状变化。在图2中，示出了四个折流板26，但本公开不限于此，可以根据实际需要选择折流板26的数量。其中，多个折流板中相邻的两块折流板的供传热介质通过的开口错开，优选为相互对称。例如如图4所示，折流板26的供传热介质通过的开口设置在左侧，与其相邻的上、下两块折流板的供传热介质通过的开口可以设置在右侧。

回热段30包括设置在壳体上的反应产物出口31、第三传热介质进口32和第三传热介质出口33，以及设置在内腔中并与第三传热介质进口和第三传热介质出口连通的回热管组。

回热管组包括一根或多根回热盘管34。回热盘管可以采用蛇形盘管，以增加回热段30内的管程，强化回热盘管与壳程流体之间换热过程，但公开不限于此。

在可选实施例中，当回热管组包括多根回热盘管34时，还可以设置第二集箱和第三集箱。第二集箱35设置在第三传热介质出口33与多个回热盘管34的一端之间，以汇集从多根回热盘管流出的气体。第三集箱36设置在第三传热介质进口32与多个回热盘管34的另一端之间，以将从第三冷却/加热介质进口32通入的传热介质分流输送至多根回热盘管34中。

如图1和图2所示，为了实现回收利用反应放热，保持催化剂床层处于最佳运行温度，第一冷却/加热介质进口12可以与第二冷却/加热介质出口25和/或第三冷却/加热介质出口33连通，第一冷却/加热介质出口13可以与第二冷却/加热介质进口24和/或第三冷却/加热介质进口32连通。固定床反应器还可以包括设置在第一冷却/加热介质出口13与第二冷却/加热介质进口24和/或第三冷却/加热介质进口32之间的循环泵50。

为提高换热效果，在实施例中，第二传热介质进口24靠近下管板22，第二传热介质出口25靠近上管板21。第一传热介质进口12靠近上管板21，第一传热介质出口13靠近反应气体进口11。第三传热介质进口32靠近反应产物出口31，第三传热介质出口33靠近下管板22。

另外，固定床反应器还可以包括设置在第一传热介质进口12与第二传热介质出口25和/或第一传热介质进口12与第三传热介质出口33之间的反应启动热源旁路40，用于在固定床反应器的启动过程中提供热量。反应启动热源旁路40可以包括蒸汽锅炉，热水锅炉等热源设备。

以下结合附图说明根据公开的实施例的固定反应器的使用过程：

在预热段10中，从反应气体进口11通入的反应气体经由分布器15、预热管组14和第一集箱16流过，吸收加热介质的热量以达到反应启动温度，然后进入反应段20。其中，加热介质由第一传热介质进口12从预热段10的底部进入，流经预热绕管与壳体之间的区域，然后从第一传热介质出口13流出。

在反应段20中，反应气体从上至下经由管式反应单元23，流经反应管内的催化剂床层参与反应。其中，冷却介质从第二传热介质进口24进入，流经反应管与反应段20的壳体之间的区域，将反应产生的热量带出阵列管式反应单元23，然后经第二传热介质出口25流出。

在回热段30中，反应产物和部分未反应的反应物由反应管流出，自上而下经由回热管组外壁后从反应产物出口流出反应器。其中，冷却介质经由第三传热介质进口32、第三集箱36、回热盘管34、第二集箱35、第三传热介质出口33将反应放热回收后带出反应器。

在本实施例中，从第一冷却/加热介质出口13流出的加热介质用作反应段20和回热段30的冷却介质。而从第二冷却/加热介质出口25和第三冷却/加热介质出口33流出的冷却直接返回用作预热段10的加热介质，有效回收并利用反应所产生的热量，保持催化剂床层处于最佳运行温度。

传热介质又可以称为冷却/加热介质或换热介质，其可以包括蒸馏水(6.5～9.4MPa)、无机硅油等。

根据实施例的固定床反应器：1)采用多根反应管进行并联叠加。其中所用单元管(反应管23)，填充好反应所用催化剂后直接作为反应最小单元，实际生产时，便于拆装更换，且避免了由实验室到中试过程中产生的放大效应，即实现由实验室直接过渡到工业生产阶段；2)实现热量回流，节能高效；3)反应器上下部分换热管程采用绕流管(例如螺旋型管、蛇形管等)，强化了反应管与壳程流体之间换热过程。

下面将结合具体示例来对公开的固定床反应器作进一步的说明。

在本示例中，为进行CO₂加氢制取低碳烯烃反应，设计制作年产吨级烯烃的列管式固定床盘管回热循环反应器(即固定床反应器)，反应段中设置20个管式固定床反应管单元，单元管均使用与实验室单管实验条件下相同的反应管尺寸，内径为18mm，催化剂床层高度为60mm，催化剂床层上下两端分别填充100mm厚惰性石英砂(0.4～4mm粒径)。管式固定床反应管单元内填充的催化剂为9克铁锌氧化物催化剂(摩尔比为2:1)。反应段、回热段、预热段所采用的传热介质选择为7.44MPa的蒸馏水(蒸发温度为290℃)。

在工艺条件为：气体体积空速30000h^-1、CO₂和H₂摩尔比为1：3，反应压力为1.5MPa。CO₂加氢制取低碳烯烃效果见表1。

表1实验室单管与年产吨级烯烃的固定床反应器的效果比较

可以看出，公开实现了CO₂加氢制取烯烃的工业反应器，在保持CO₂转化率及烯烃选择性的基础上，提高了烯烃年产量，例如将烯烃年产量由55公斤左右提高到2.50吨。综上，本公开将实验室小试规模管式反应器阵列排列组成适用于工业生产所需容量的反应器，解决CO₂加氢从实验室到工业生产的放大效应；采用分段回热-预热，回收利用反应放热，保持催化剂床层处于最佳运行温度。但本公开不限于此，还可以用作其他气-固反应、液-固反应的反应器。采用本公开的固定床反应器后可以避免CO₂加氢反应从实验室到工业生产规模的放大效应，易于生产扩能；反应器内温度均匀，易于控制催化剂温度飞升；有效回收并利用反应所产生的热量，维持反应所需温度，节能效果好；易于拆装更换失效的反应单元，维护成本低。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本实用新型，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本实用新型的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (9)

1.一种固定床回热循环反应器，包括壳体和由壳体围成的内腔，其特征在于，所述固定床回热循环反应器包括沿着反应物流动方向依次设置的预热段、反应段和回热段，其中，

所述预热段包括设置在所述壳体上的反应物进口、第一传热介质进口和第一传热介质出口，以及与所述反应物进口连通以将反应物送至所述反应段的预热管组；

所述反应段包括设置在所述内腔中的上管板、下管板、反应单元以及设置在所述壳体上的第二传热介质进口和第二传热介质出口，所述反应单元设置在所述上管板与所述下管板之间；

所述回热段包括设置在所述壳体上的反应产物出口、第三传热介质进口和第三传热介质出口，以及设置在所述内腔中并与第三传热介质进口和第三传热介质出口连通的回热管组；

所述第一传热介质进口与所述第二传热介质出口和/或所述第三传热介质出口连通，所述第一传热介质出口与所述第二传热介质进口和/或所述第三传热介质进口连通。

2.根据权利要求1所述的固定床回热循环反应器，其特征在于，所述第一传热介质进口靠近所述上管板，所述第一传热介质出口靠近所述反应物进口；所述第二传热介质进口靠近所述下管板，所述第二传热介质出口靠近所述上管板；所述第三传热介质进口靠近所述反应产物出口，所述第三传热介质出口靠近所述下管板。

3.根据权利要求1所述的固定床回热循环反应器，其特征在于，所述反应单元包括多根反应管以及填充在所述多根反应管中的催化剂；

所述上管板包括与壳体的内壁密封接合的上板体以及形成在所述上板体上并供所述多根反应管穿过的多个第一通孔；

所述下管板包括与壳体的内壁密封接合的下板体以及形成在所述下板体上并供所述多根反应管穿过的多个第二通孔。

4.根据权利要求1所述的固定床回热循环反应器，其特征在于，所述预热管组包括多根预热绕管，所述预热段还包括设置在所述内腔中的分布器和第一集箱，其中，

所述分布器与所述反应物进口连通，并包括多个反应物出口；

所述第一集箱包括盖板和凸起部，盖板的外边缘与所述壳体的内壁密封接合，凸起部从盖板的中部凸起；

所述多根预热绕管中的一端分别与所述多个反应物出口连通，所述多根预热绕管中的另一端分别与所述凸起部连通。

5.根据权利要求1所述的固定床回热循环反应器，其特征在于，所述回热管组包括多根回热盘管，

所述回热段还包括第二集箱和第三集箱，所述第二集箱设置在所述第三传热介质出口与所述多根回热盘管的一端之间，所述第三集箱设置在所述第三传热介质进口与所述多根回热盘管的另一端之间。

6.根据权利要求1所述的固定床回热循环反应器，其特征在于，所述反应单元还包括设置在所述第二传热介质进口和所述第二传热介质出口之间的折流板。

7.根据权利要求3所述的固定床回热循环反应器，其特征在于，所述反应管的数量为20～100000，所述反应管的内径为15～20mm，长度为200～2000mm，所述催化剂在所述反应管中的填充高度为60～1500mm。

8.根据权利要求1所述的固定床回热循环反应器，其特征在于，所述固定床回热循环反应器还包括设置在所述第一传热介质进口与所述第二传热介质出口和/或所述第三传热介质出口之间的反应启动热源旁路。

9.根据权利要求1至8中任意一项所述的固定床回热循环反应器，其特征在于，所述固定床回热循环反应器用作CO₂加氢制备烯烃的反应器。