CN103990420A - 列管式固定床反应器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种列管式固定床反应器，所述反应器包括至少一根装有催化剂的反应管，所述反应管沿与所述反应器轴向平行的纵向延伸，所述反应管的高度与其横截面的水力学直径的比为1-2000，优选为10-1000，和更优选为50-500，其中所述反应管包括：一个或多个催化剂腔，用于装填催化剂形成催化剂固定床；一个或多个入口分配腔，用于引导反应物流进入反应管并分配进入催化剂固定床；和一个或多个出口收集腔，用于收集反应物流并引导所述反应物流离开反应管；其中设置所述入口分配腔和所述出口收集腔使得所述反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂固定床层，由此与催化剂接触并发生反应。本发明还涉及所述列管式固定床反应器在化学反应如吸热或放热反应中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型列管式固定床反应器以及所述列管式固定床反应器在化学反应如吸热或放热反应中的应用。
背景技术
列管式固定床反应器是化工领域中常用的一种反应器，一般用于固体催化剂催化气相或液相反应的过程，其中催化剂形成固定床，反应物流通过所述固定床层进行反应。
列管式固定床反应器一般由多根反应管并联构成，一般在所述反应管内设置有催化剂固定床，气体和/或液体反应物流沿所述反应管轴向通过所述催化剂固定床层，在其中与催化剂接触并发生反应，而热载体则流经所述反应管之间进行加热或冷却。因此，列管式固定床反应器通常适用于反应热效应较大的反应。
列管式固定床反应器的局限性是传热较差，通常会产生热点，并由此导致反应温度不均匀、催化剂使用寿命缩短和使用效率低等；另外，考虑到反应流体通过催化剂固定床时的压降，反应器负荷一般较低，致使单台反应器生产能力有限。这些缺点使列管式固定床反应器的应用受到一定限制。
现有技术中，人们一直尝试获得更好的列管式固定床反应器，来解决列管式固定床反应器的传热、压降和效率以及制造成本问题。
针对现有技术的现状，本发明人提出了一种新的列管式固定床反应器，其中进一步使反应物流降低流速和缩短流程，由此降低了反应管压降；另外，进一步提高了反应管的传热效率，由此减少甚至消除了热点。
发明内容
因此，本发明提供了一种新的用于催化反应的列管式固定床反应器，该列管式固定床反应器进一步提高了反应器的传热效率和催化剂的利用效率，大幅度降低了反应器压降，并且更容易实现反应系统大型化。
具体地，本发明提供了一种列管式固定床反应器，所述反应器包括至少一根装有催化剂的反应管，所述反应管沿与所述反应器轴向平行的纵向延伸，所述反应管的高度与其横截面的水力学直径的比为1-2000，优选为10-1000，和更优选为50-500，其中所述反应管包括：
一个或多个催化剂腔，用于装填催化剂形成催化剂固定床；
一个或多个入口分配腔，用于引导反应物流进入反应管并分配进入催化剂固定床；和
一个或多个出口收集腔，用于收集反应物流并引导所述反应物流离开反应管；
其中设置所述入口分配腔和所述出口收集腔使得所述反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂固定床层，由此与催化剂接触并发生反应。
按照本发明，在所述列管式固定床反应器中，所述反应管的横截面可以为任意合适的形状，例如可以为规则形状如圆形、矩形、椭圆形、蛋形或对应这些形状的环形，也可以为其它形状如多边形或辐射形状如星形，具体如五角形和六角形等。
在此，以化工领域通常采用的管道水力学直径来表征所述反应管横截面的大小，所述水力学直径为四倍的管道流通截面积除以润湿周边后得到的结果。
按照本发明，在所述列管式固定床反应器中，所述反应管的材质可以为本领域常用的任何合适材质，只要导热效果足够好即可，例如可以为金属、不锈钢、碳钢、合金钢等。
按照本发明，在所述列管式固定床反应器中，所述入口分配腔和所述出口收集腔可以以各种方式适当设置，只要能够使反应物流横向流过催化剂固定床层并与催化剂充分接触即可。
具体地，在本发明的列管式固定床反应器中，所述入口分配腔和所述出口收集腔可以分别设置在所述反应管内横截面上距离最远的相对周边处，如图2-7和9中的设置方式，使得反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂固定床层。
替代地，在本发明的列管式固定床反应器中，所述入口分配腔可以设置在所述反应管内横截面的中心处和所述出口收集腔可以设置在所述反应管内横截面的周边处，如图11中的设置方式，使得反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂固定床层。
替代地，在本发明的列管式固定床反应器中，所述入口分配腔可以设置在所述反应管内横截面的周边处和所述出口收集腔可以设置在所述反应管内横截面的中心处，如图12中的设置方式，使得反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂固定床层。
替代地，在本发明的列管式固定床反应器中，所述入口分配腔和所述出口收集腔可以均设置在所述反应管内横截面的中心处，如图8和10中的设置方式，使得反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂固定床层。
按照本发明，在所述列管式固定床反应器中，所述入口分配腔和所述出口收集腔可以分别为本领域常用的合适形式，例如可以包括多孔管、多孔板、烧结管或烧结板，和材质可以分别为本领域常用的合适材质，例如可以为金属、合金、陶瓷或玻璃等。例如，所述入口分配腔和所述出口收集腔可以为各种合适的管状形式如圆形管、半圆形管、月牙形管或矩形管等(参见图2-12)。
按照本发明，在所述列管式固定床反应器中，在所述反应管外部的反应器腔室内可以存在导热介质，由此为反应管内的反应移除或供应反应热，从而可以使具有热效应的反应顺利进行并相应提高所述反应的转化率。
按照这种方式，在所述列管式固定床反应器的筒体上可以设置有导热介质入口和导热介质出口以引入或导出导热介质，其中导热介质可以在反应器的壳程内循环流通，由此在反应管壁外实现反应热量的移除或供应，或者其中导热介质可以在反应器的壳程内储存和在反应器壳程内设置换热管，利用导热介质实现反应管与换热管之间的热量交换。
在此，所使用的导热介质可以为本领域常用的任何合适导热介质，例如可以为流体或可流化固体颗粒，其中所述流体导热介质通常可以选自空气、水、油和熔融盐等，在适当情况下也可以为反应物流本身。
另外，按照本发明，在所述列管式固定床反应器中，也可以以热辐射或微波加热所述反应管，也可以在所述反应管外部的反应器腔室内燃烧燃料，由此为反应管内的反应供应反应热，从而可以使反应管内的吸热反应顺利进行并相应提高反应的转化率。
当在所述反应管外部的反应器腔室内燃烧燃料进行供热时，可以在所述反应管外部的反应器腔室内设置有耐火层，和其中还可以设置有燃烧喷嘴，用于在助燃气体存在下燃烧燃料，在此，所述燃料可以为天然气和适当沸程内的烃混合物如汽油、柴油等，所述助燃气体可以为空气、富氧空气或纯氧。
相应地，本发明还提供了所述列管式固定床反应器用于进行吸热或放热反应的用途。
具体地，所述吸热反应可以为烃类裂解反应如乙烷蒸汽裂解、石脑油蒸汽裂解，也可以为烷烃脱氢反应如丙烷脱氢反应；所述放热反应可以为含氧化合物裂解反应如甲醇等制烯烃、制油和制芳烃，可以为烯烃或烷烃氧化裂解反应如丁烯或丁烷氧化脱氢，也可以为烯烃或炔烃加成(合成)反应如乙炔和氯化氢加成制氯乙烯等。
按照本发明，在所述列管式固定床反应器中，反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂固定床层，从而大幅度增加了反应物流流经的截面，进而降低了反应物流的流速，而且通过催化剂固定床层的距离缩短，因此，反应物流的压降损失可以非常小；另外，由于流经截面增大，使得反应管的有效传热面积增大，因此，可大幅度减少、甚至消除反应管内的反应热点；最后，由于反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向低速经过催化剂固定床层，使得催化剂的利用率大幅度提升。
按照本发明，由于压降损失小，反应热点基本消除，催化剂的利用率大幅度提升，使得所述反应器的操作弹性和稳定性都得到提高，另外，由于反应管的长度几乎不受限制，也可大幅度提高单台反应器的反应能力；最后，在本发明的列管式固定床反应器中，所述反应管的型号和排列方式均可以适当选择，因此，所述反应器的设计非常灵活。
附图说明
下面参照附图进一步描述本发明，其中：
图1是本发明的列管式固定床反应器的反应管示意图，右图是主视图和左图是沿反应管的A-A截面的俯视图；
图2-12的示意图分别给出了本发明的列管式固定床反应器中反应管的不同形式及其中入口分配腔和出口收集腔的形式和排布方式；
图13是本发明的列管式固定床反应器的一种实施方式，其中在反应器壳程内存在导热介质，该导热介质在反应器壳程内循环流通；
图14是图13的反应器沿B-B截面的仰视图及单个反应管的放大视图，其中采用图5中所示的反应管形式及入口分配腔和出口收集腔形式和排布方式；
图15是本发明的列管式固定床反应器的另一种实施方式，其中在反应器壳体内铺有耐火层和设有燃烧喷嘴，所述燃烧喷嘴在助燃气体存在下燃烧燃料；和
图16是图15的反应器沿C-C截面的仰视图及单个反应管的放大视图，其中采用图3中所示的反应管形式及入口分配腔和出口收集腔形式和排布方式。
具体实施方式
参照图1，其中给出的是本发明的列管式固定床反应器中反应管1的示意图，右图是主视图和左图是沿反应管1的A-A截面的俯视图。具体地，反应物流通过反应管1的物流入口2进入入口分配腔3，然后进入催化剂腔6，横向通过催化剂固定床层，在其中与催化剂接触并发生反应，反应后的流体通过出口收集腔4收集，然后经物流出口5流出反应管。
参照图2-12，其中例举了本发明的列管式固定床反应器中反应管的不同形式及其中入口分配腔和出口收集腔的形式和排布方式。
具体地，图2中的反应管为矩形管，入口分配腔3和出口收集腔4亦为矩形管，二者分别连接在所述反应管矩形截面的两个宽边处；
图3中的反应管为椭圆形管，入口分配腔3和出口收集腔4为圆形管，二者分别设置在所述反应管椭圆形截面长轴的两端处；
图4中的反应管为矩形管，入口分配腔3和出口收集腔4为圆形管，二者分别连接在所述反应管矩形截面的两个宽边处；
图5中的反应管为带有弧形两端的矩形管，入口分配腔3和出口收集腔4为月牙形管，二者分别连接在所述反应管矩形截面的弧形两端处；
图6中的反应管为带有弧形两端的矩形管，入口分配腔3和出口收集腔4为圆形管，二者分别设置在所述反应管矩形截面的弧形两端处；
图7中的反应管为带有倒角的矩形管，入口分配腔3和出口收集腔4为圆形管，二者分别设置在所述反应管矩形截面的两个带有倒角的宽边处；
图8中的反应管为圆环形管，入口分配腔3和出口收集腔4为半圆形管，二者均设置在所述反应管圆环形截面的中心圆内；
图9中的反应管为圆环形管，入口分配腔3和出口收集腔4为圆形管，二者分别设置在所述反应管圆环形截面直径的两端；
图10中的反应管为正方形管，入口分配腔3和出口收集腔4为矩形管，二者均设置在所述反应管正方形截面中心的小正方形内；
图11中的反应管为五角形管，入口分配腔3和出口收集腔4为圆形管，入口分配腔3设置在所述五角形的中心处，和出口收集腔4分别设置在所述五角形各只角的终端处，在此，所述入口分配腔和出口收集腔也可以对调设置，即前者设置在所述五角形各只角的终端处，和后者设置在所述五角形的中心处；和
图12中的反应管为六角形管，入口分配腔3和出口收集腔4为圆形管，各入口分配腔3分别设置在所述六角形各只角的终端处，和出口收集腔4设置在所述六角形的中心处，在此，所述入口分配腔和出口收集腔也可以对调设置，即前者设置在所述六角形的中心处，和后者设置在所述六角形各只角的终端处。
由图2-12中的这些示意图可知，按照本发明，所述反应管的形式及其中入口分配腔和出口收集腔形式和排布方式可以有多种选择。
参照图13和14，其中给出的是本发明的列管式固定床反应器的一种实施方式，其中在反应器壳程内存在导热介质。具体地，所述列管式固定床反应器包括反应器壳体7和多根反应管1，催化剂固定床层位于催化剂腔6内，反应器壳体7的底部填充有惰性物质14，在此该惰性物质可以为本领域常用的任何惰性物质,如陶瓷小球等；原料从反应器的原料入口9进入，然后由各反应管的物流入口2进入入口分配腔3，然后进入催化剂腔6，横向通过催化剂固定床层，经出口收集腔4收集后由物流出口5流出，最后从产品出口12流出反应器；导热介质由导热介质入口13进入反应器壳程，通过反应管壁换热，和由导热介质出口10流出反应器。按照本发明的这种实施方式，所述反应器非常适合实施具有热效应的反应如甲醇制烯烃反应。
图15和16是本发明的列管式固定床反应器的另一种实施方式，其中在反应器壳体内铺有耐火层和设有燃烧喷嘴，所述燃烧喷嘴在助燃气体存在下燃烧燃料。具体地，所述反应器包括反应器壳体7和多根反应管1，反应器壳体7内铺有耐火层18，催化剂固定床层位于催化剂腔6内；原料从原料入口9进入，然后由各个反应管的物流入口2进入入口分配腔3，然后进入催化剂腔6内，横向通过催化剂固定床层，经出口收集腔4收集后由物流出口5流出，最后从产品出口12流出反应器；燃料和助燃气体分别经燃料入口15和助燃气体入口16进入，经各燃烧喷嘴17混合后喷入反应器室内燃烧以供应反应热，燃烧后的烟气经烟气出口19流出反应器。按照本发明的这种实施方式，所述反应器非常适合实施吸热类化学反应。
实施例
下面参照具体实施例描述本发明，所述实施例仅用于描述本发明，而不用于限制本发明。
实施例1
在该实施例中，采用的反应器为单管反应器，其中的反应管如图1所示，反应管材质为302不锈钢，截面为矩形，所形成的催化剂腔的内部尺寸为长0.05m和宽0.02m，反应管高度为0.5m，反应管外部用电炉丝加热并用保温棉保温。
所述反应管的催化剂腔内装填有10-40目的ZSM-5型MTP催化剂，催化剂装填量为300g，原料为甲醇:水质量比为1:1的甲醇水溶液，原料入口温度为200℃，出口收集腔压力为常压，反应管外部控温460℃时，反应管内部最高温度为470℃，反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂床层，和床层压降<100Pa。
出口收集腔气体通过气相色谱检测，结果表明平均的丙烯选择性和乙烯选择性分别为42%和8%，另外催化剂的单程寿命为860h。
对比例1
在该实施例中，采用的反应器亦为单管反应器，但其中的反应管为圆形截面的轴向反应管，反应管材质为302不锈钢，管内径为0.0357m，反应管高度为0.5m，反应管外部用电炉丝加热并用保温棉保温。
在所述轴向反应管内装填10-40目的ZSM-5型MTP催化剂，催化剂装填量为300g，原料为甲醇:水质量比为1:1的甲醇水溶液，原料入口温度为200℃，出口收集腔压力为常压，反应管外部控温440℃时，反应管内部最高温度为550℃，反应物流沿与所述反应器轴向平行的纵向通过催化剂床层，和床层压降为2-3kPa。
出口收集腔气体通过气相色谱检测，结果表明平均的丙烯选择性和乙烯选择性分别为37%和9%，另外催化剂单程寿命为350h。
由上述实施例和对比例可以看出，在反应管的截面积几乎相等的情况下，按照本发明反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过反应管可以更好地控制反应器的床层温度，同时降低了床层压降和消除了反应热点，并且大幅度延长了催化剂的寿命。
Claims (15)
1.一种列管式固定床反应器，所述反应器包括至少一根装有催化剂的反应管，所述反应管沿与所述反应器轴向平行的纵向延伸，所述反应管的高度与其横截面的水力学直径的比为1-2000，优选为10-1000，和更优选为50-500，其中所述反应管包括：
一个或多个催化剂腔，用于装填催化剂形成催化剂固定床；
一个或多个入口分配腔，用于引导反应物流进入反应管并分配进入催化剂固定床；和
一个或多个出口收集腔，用于收集反应物流并引导所述反应物流离开反应管；
其中设置所述入口分配腔和所述出口收集腔使得所述反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂固定床层，由此与催化剂接触并发生反应。
2.权利要求1的列管式固定床反应器，其中所述入口分配腔和所述出口收集腔分别设置在所述反应管内横截面上距离最远的相对周边处，使得反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂固定床层。
3.权利要求1的列管式固定床反应器，其中所述入口分配腔设置在所述反应管内横截面的中心处和所述出口收集腔设置在所述反应管内横截面的周边处，使得反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂固定床层。
4.权利要求1的列管式固定床反应器，其中所述入口分配腔设置在所述反应管内横截面的周边处和所述出口收集腔设置在所述反应管内横截面的中心处，使得反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂固定床层。
5.权利要求1的列管式固定床反应器，其中所述入口分配腔和所述出口收集腔均设置在所述反应管内横截面的中心处，使得反应物流沿与所述反应器轴向垂直的横向通过催化剂固定床层。
6.权利要求1-5任一项的列管式固定床反应器，其中所述反应管横截面为圆形、矩形、椭圆形、蛋形或对应这些形状的环形，或者为辐射形状如五角形或六角形。
7.权利要求1-6任一项的列管式固定床反应器，其中所述入口分配腔和所述出口收集腔各自独立地包括多孔管、多孔板、烧结管或烧结板，和材质各自独立地为金属、合金、陶瓷或玻璃。
8.权利要求1-7任一项的列管式固定床反应器，其中在所述反应器的筒体上设置有导热介质入口和导热介质出口以引入或导出导热介质，其中导热介质在反应器的壳程内循环流通，由此在反应管壁外实现反应热量的移除或供应，或者其中导热介质在反应器的壳程内储存和在反应器壳程内设置换热管，利用导热介质实现反应管与换热管之间的热量交换。
9.权利要求8的列管式固定床反应器，其中所述导热介质为流体或可流化固体颗粒，和其中流体导热介质选自空气、水、油、熔融盐和反应物流。
10.权利要求1-7任一项的列管式固定床反应器，其中以热辐射或微波加热所述反应管，由此为反应管内的反应供应反应热。
11.权利要求8的列管式固定床反应器，其中在所述反应管外部的反应器腔室内燃烧燃料，由此为反应管内的反应供应反应热。
12.权利要求11的列管式固定床反应器，其中在所述反应管外部的反应器腔室内设置有耐火层，和其中还设置有燃烧喷嘴，用于在助燃气体存在下燃烧燃料，由此为反应管内的反应供应反应热。
13.权利要求1-12任一项的反应器用于进行吸热或放热反应的用途。
14.权利要求13的用途，其中所述吸热反应为烃类转化和裂解反应如甲烷蒸汽转化、乙烷蒸汽裂解、石脑油蒸汽裂解，或者为烷烃脱氢反应如丙烷脱氢反应；所述放热反应为含氧化合物裂解反应如甲醇等制烯烃、制油和制芳烃，或者为烯烃或烷烃氧化裂解反应如丁烯或丁烷氧化脱氢，或者为烯烃或炔烃加成(合成)反应如乙炔和氯化氢加成制氯乙烯、一氧化碳和氢气合成制甲醇。
15.权利要求13或14的用途，其中所述反应为甲醇制烯烃反应。
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