專利名稱：軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器，特別是關(guān)于一種可用于甲苯和碳九芳烴的歧化和烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)(簡稱甲苯歧化)的軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
眾所周知，工業(yè)化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)包含對其內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和流體流動兩個(gè)方面的認(rèn)識。前者是化學(xué)問題，后者則屬于工程問題。這兩個(gè)方面密切聯(lián)系，相互影響。良好的流體流動是化學(xué)反應(yīng)得以順利進(jìn)行的保證。
軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器是常見的工業(yè)氣/固催化反應(yīng)器型式之一。它沿軸向通常由進(jìn)口氣體預(yù)分布器、均化空間、固定床層(包括催化劑床層和惰性填料層)及出口氣體收集器等區(qū)段組成。
軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器性能優(yōu)劣的重要標(biāo)志之一，是催化劑床層中各部位的催化劑能否獲得均勻利用。一臺設(shè)計(jì)不良的軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器，會由于氣流分布不均勻，使催化劑床層中出現(xiàn)死區(qū)和短路，致使一部分催化劑超負(fù)荷而過早失活，另一部分催化劑卻幾乎不起作用，從而導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)整個(gè)反應(yīng)過程惡化，反應(yīng)器性能下降。
多年來，工業(yè)固定床氣/固催化反應(yīng)器的流體力學(xué)行為一直受到化學(xué)工程師的重視。早期，由于工廠規(guī)模較小，反應(yīng)器直徑不大，流體均布問題并不突出，人們的注意力集中于牽涉到風(fēng)機(jī)選型和動力消耗的固定床層壓力降之估算。近年，工廠單線生產(chǎn)能力日趨大型化，大直徑軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器的氣流均布問題日顯突出，并受到重視。國內(nèi)外研究者對軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器的進(jìn)口氣體預(yù)分布器和惰性填料層等的均布作用進(jìn)行了研究，提出各種型式的進(jìn)口氣體預(yù)分布器。美國Howard F.Rase所著《化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)》(中譯本，化學(xué)工業(yè)出版社，1982年12月)第一卷(原理與方法)第190頁表7-2羅列了若干進(jìn)口氣體預(yù)分布器型式，諸如平板形單級擋板、多級擋板(包括盤-環(huán)式、同心圓錐式等)、徑向擴(kuò)散器(包括平板擴(kuò)散器、葉片擴(kuò)散器及錐形百葉窗等)、篩網(wǎng)、多孔板、條形銳邊篩板及惰性填料層等。這些用來改善進(jìn)口氣流分布狀況的反應(yīng)器內(nèi)置構(gòu)件在各自的特定條件下是有效的，起到了把進(jìn)口氣體流束沿反應(yīng)器徑向分散開來的作用，克服了流入反應(yīng)器進(jìn)料口的高速噴射氣流束直接沖擊催化劑床層，使催化劑床層中央形成凹坑(空穴)的弊病，在反應(yīng)器內(nèi)沿徑向截面形成不同均勻程度的軸向速度分布。在反應(yīng)器內(nèi)置構(gòu)件中，最重要的是進(jìn)口氣體預(yù)分布器。
雖然每種型式的進(jìn)口氣體預(yù)分布器一般都曾有人對其進(jìn)行過專門的測試研究，但這類研究大多是針對進(jìn)口氣體預(yù)分布器構(gòu)件本身進(jìn)行的，而結(jié)合整個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行的測試研究則很少。即使結(jié)合某一具體反應(yīng)器進(jìn)行的研究，因條件不同，它所總結(jié)的規(guī)律也難以推廣應(yīng)用于其它反應(yīng)器。
圖1所示的是典型軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器，它內(nèi)部自上而下由進(jìn)口氣體預(yù)分布器、均化空間、上部惰性填料層、催化劑床層、下部惰性填料層及出口氣體收集器等區(qū)段組成。這些區(qū)段密切聯(lián)系，相互影響，并且都圍繞一個(gè)共同的目標(biāo)——實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物氣流均勻分布于催化劑床層的各個(gè)部位，使全部催化劑都能獲得均勻而充分的利用。但在實(shí)際操作過程中，往往存在反應(yīng)物氣流分布不均勻，催化劑不能均勻而充分地被利用，以及氣體預(yù)分布器壓降大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是以往技術(shù)中存在的由于反應(yīng)物氣流在軸向流固定床反應(yīng)器的催化劑床層中分布不均勻，使催化劑不能均勻而充分地被利用，而且氣體預(yù)分布器壓降較大的問題，提供一種新的軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器。該反應(yīng)器具有其氣體預(yù)分布器壓降小、分散氣流效果好、催化劑利用率高的特點(diǎn)。
為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下一種軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器，反應(yīng)器殼體內(nèi)自上而下包括進(jìn)料口、氣體預(yù)分布器、均化空間、上部惰性填料層、催化劑床層、下部惰性填料層、出口氣體收集器和出料口，其中氣體預(yù)分布器放置在進(jìn)料口內(nèi)，伸入均化空間，出口氣體收集器位于反應(yīng)器底部，下端伸入出料口內(nèi)；進(jìn)口氣體預(yù)分布器的結(jié)構(gòu)如下上部為插在進(jìn)料口中、并部分伸入均化空間的圓筒形筒體，下部為與圓筒形筒體垂直投影面積相等的單級擋板，圓筒形筒體與單級擋板間通過分布于圓筒形筒體內(nèi)側(cè)的垂直拉筋連接，且形成側(cè)向環(huán)隙，側(cè)向環(huán)隙高度為氣體通過預(yù)分布器環(huán)隙時(shí)保持平均流速為5～12米/秒所需的高度，單級擋板為圓錐形單級擋板，其圓錐角為90～175°。
上述技術(shù)方案中，側(cè)向環(huán)隙高度優(yōu)選范圍為氣體通過預(yù)分布器環(huán)隙時(shí)保持平均流速為6～10米/秒所需的高度。圓錐形單級擋板的圓錐角優(yōu)選范圍為120～150°。氣體預(yù)分布器的下部圓錐形單級擋板的位置優(yōu)選方案為位于上部惰性填料層的上方、均化空間內(nèi)，均化空間的高度大于反應(yīng)器上封頭的高度。出口氣體收集器采用鼠籠型，其平均開孔率為20～30％，頂蓋開孔率為側(cè)面開孔率的0.5～0.6倍，篩孔中氣速的平均值為5～9米/秒。
本實(shí)用新型的軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器中，進(jìn)口氣體預(yù)分布器、均化空間、惰性填料層及出口氣體收集器等都是為了實(shí)現(xiàn)氣流在催化劑床層中均勻分布這個(gè)主要目標(biāo)而采取的技術(shù)措施。若不設(shè)置進(jìn)口氣體預(yù)分布器，氣體從進(jìn)口管道以射流狀態(tài)進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，流道面積突然擴(kuò)大，導(dǎo)致反應(yīng)器徑向截面上氣流分布極不均勻。高速射流持續(xù)沖擊固定床表面，將在固定床表面形成凹坑(空穴)，嚴(yán)重惡化催化劑床層中氣流分布。通過設(shè)置氣體預(yù)分布器，對進(jìn)口氣體實(shí)行導(dǎo)流，迫使氣流改變方向，迅速沿徑向分散到反應(yīng)器的整個(gè)徑向截面上，從而大大縮短進(jìn)口射流擴(kuò)散到整個(gè)徑向截面上所需空間高度，提高反應(yīng)器容積利用率。在進(jìn)口氣體預(yù)分布器同固定床層之間留出一段空間，系由于進(jìn)口氣體預(yù)分布器造成的初級不穩(wěn)定流動狀態(tài)必須經(jīng)歷一個(gè)緩和均化過程，借助于湍流動量傳遞，才能形成比較穩(wěn)定的流態(tài)和比較均勻的分布。因此，這段空間稱之為均化空間。初裝的包括催化劑床層和惰性填料層在內(nèi)的固定床層，其上端不宜伸入反應(yīng)器上封頭中。因?yàn)榉磻?yīng)器投入運(yùn)行后，在氣流持續(xù)通過固定床層過程中，床層將發(fā)生沉降，而且只是垂直方向沉降。如果初裝的固定床層伸入上封頭中，那末床層沉降后，其上端面將是中間高，周圍低，造成床層厚度不均勻，不利于氣流均布。因此，均化空間高度應(yīng)當(dāng)大于反應(yīng)器上封頭高度。在催化劑床層的上面鋪蓋一定厚度的惰性填料層(通常采用惰性瓷球)或阻力系數(shù)很大的多孔板等是保證氣流在催化劑床層中實(shí)現(xiàn)均勻分布的重要措施。反應(yīng)器的上部瓷球?qū)佑纱蟆⒅?、小三層瓷球?gòu)成，三者所起作用各不相同。通過計(jì)算可知，在相同的表觀氣速和相同的層厚下，它們的壓降相差頗大。小瓷球?qū)拥淖枇艽?，它起到分散氣流的作用，但單個(gè)小瓷球重量輕，容易被氣流吹散；單個(gè)大瓷球的重量大，把它鋪在最上層，能抵抗氣流沖擊，保持床面平整；中瓷球的體積介于小瓷球和大瓷球之間，把它鋪在中間，起過渡作用。催化劑床層之下鋪墊的下部瓷球?qū)映似鹬С凶饔猛?，還起到增加阻力的作用，可防止氣流過早向中央出口管集中，而造成催化劑床層下部氣流分布不均勻。換言之，它的作用是使氣體向中央出口管集中所引起的氣流分布不均發(fā)生在惰性瓷球?qū)又?，而不是催化劑床層下部，從而避免催化劑床層中出現(xiàn)死區(qū)，提高催化劑利用率。出口氣體收集器一是起支承作用，二是增加出口氣體的徑向流道面積，避免出口氣體過快向中央出口管道集中而造成催化劑床層內(nèi)氣流分布不均勻。因此，出口氣體收集器的直徑大些為好，其頂部開孔率比側(cè)面開孔率小些為好。
本實(shí)用新型的軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器中，由于采用圓錐形單級擋板，使反應(yīng)物流能更加流暢地通過氣體預(yù)分布器的環(huán)隙和均化空間，避免了氣體預(yù)分布器的圓錐形單級擋板周圍及靠近反應(yīng)器上封頭壁面區(qū)域出現(xiàn)渦流現(xiàn)象和能量損失，降低了氣體流動的壓降，使反應(yīng)物流氣體能更加均勻地分布于反應(yīng)器的催化劑床層中，從而達(dá)到提高催化劑利用率的目的。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)圓錐角為120～150°的圓錐形單級擋板的壓降比平板形單級擋板小10～15％，且在此角度范圍內(nèi)，隨著圓錐角變小，壓降減小更為顯著，取得了較好的技術(shù)效果。


圖1是典型的軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器示意圖。
圖2是分布不良的大直徑軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器示意圖。
圖3是本實(shí)用新型具有圓錐形單級擋板的進(jìn)口氣體預(yù)分布器結(jié)構(gòu)圖。
圖4是本實(shí)用新型具有圓錐形單級擋板的進(jìn)口氣體預(yù)分布器的俯視圖。
在圖1中，1為進(jìn)料口；2為進(jìn)口氣體預(yù)分布器；3為均化空間；4為上部惰性填料層；5為催化劑床層；6為下部惰性填料層；7為出口氣體收集器；8為出料口。
在圖2中，1代表氣體的主要流線；2為催化劑床層頂部；3為由于進(jìn)口氣體射流的沖刷作用，在催化劑床層頂部中央形成的凹坑(空穴)；4指通過氣流很少的部位；5為幾乎沒有氣流通過的“死區(qū)”。
在圖3中，1為進(jìn)料口；2為圓錐形單級擋板型進(jìn)口氣體預(yù)分布器；3為懸吊單級擋板的垂直拉筋，其數(shù)量為4～8根，按均勻分布方式焊接在進(jìn)口氣體預(yù)分布器筒體內(nèi)側(cè)；4為軸向流固定床反應(yīng)器的上封頭；5為圓錐形單級擋板。di是進(jìn)口氣體預(yù)分布器筒體內(nèi)徑；din是反應(yīng)器進(jìn)料口內(nèi)徑；H是進(jìn)口氣體預(yù)分布器側(cè)向環(huán)隙高度(氣體通過該環(huán)隙時(shí)改變流動方向，沿反應(yīng)器徑向擴(kuò)散開來)；1是進(jìn)口氣體預(yù)分布器環(huán)隙上邊緣伸入反應(yīng)器的長度(它確定了進(jìn)口氣體預(yù)分布器的軸向位置)；α是圓錐形單級擋板的圓錐角。
下面通過實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1某芳烴原料處理量為87萬噸/年甲苯歧化裝置，其軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器內(nèi)徑為4.2米，進(jìn)料口內(nèi)徑din＝700毫米，采用如圖3所示圓錐形單級擋板型進(jìn)口氣體預(yù)分布器，它的筒體內(nèi)徑di＝660毫米，圓錐角α＝135°，環(huán)隙高度H＝250毫米。該反應(yīng)器內(nèi)部均化空間高度為2.7米，絲光沸石催化劑床層厚度為8米，上、下瓷球?qū)雍穸染鶠?.45米，其中φ3、φ9和φ25三種瓷球各占1/3。出口氣體收集器開孔率為26％。
在催化劑運(yùn)行至末期階段，反應(yīng)原料進(jìn)入反應(yīng)器的溫度為470℃，反應(yīng)器排出物流溫度為483℃，反應(yīng)器進(jìn)口處壓力為3.36MPaA.。氣體在預(yù)分布器筒內(nèi)平均流速為13米/秒，其環(huán)隙處平均流速為8米/秒，氣體通過固定床層的平均表觀線速為0.34米/秒，氣體通過出口氣體收集器篩孔處平均流速為8.8米/秒，集氣管內(nèi)平均氣速為14米/秒。
該具有135°圓錐角的圓錐形單級擋板型進(jìn)口氣體預(yù)分布器的壓降為1.22KPa，催化劑的利用率為99.5％。
實(shí)施例2某芳烴原料處理量為40萬噸/年甲苯歧化裝置，其軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器內(nèi)徑為3.4米，進(jìn)料口內(nèi)徑din＝600毫米，采用如圖3所示圓錐形單級擋板型進(jìn)口氣體預(yù)分布器，它的筒體內(nèi)徑di＝500毫米，圓錐角α＝135°，環(huán)隙高度H＝180毫米。該反應(yīng)器內(nèi)部均化空間高度為2.3米，絲光沸石催化劑床層厚度為6米，上、下瓷球?qū)雍穸染鶠?.45米，其中φ3、φ9和φ25三種瓷球各占1/3。出口氣體收集器開孔率為23％。
在催化劑運(yùn)行至末期階段，反應(yīng)原料進(jìn)入反應(yīng)器的溫度為482℃，反應(yīng)器排出物流溫度為495℃，反應(yīng)器進(jìn)口處壓力為3.05MPaA.。氣體在預(yù)分布器筒內(nèi)平均流速為15米/秒，其環(huán)隙處平均流速為9.5米/秒，氣體通過固定床層的平均表觀線速為0.34米/秒，氣體通過出口氣體收集器篩孔處平均流速為11米/秒，集氣管內(nèi)平均氣速為21米/秒。
在以上工藝條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)下，該具有135°圓錐角的圓錐形單級擋板型進(jìn)口氣體預(yù)分布器的壓降為1.90KPa，催化劑的利用率為99.2％。
比較例1某甲苯歧化軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器的工藝條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)均與實(shí)施例1相同，唯一不同之處是它采用平板形單級擋板型進(jìn)口氣體預(yù)分布器。該平板形單級擋板型進(jìn)口氣體預(yù)分布器的壓降為1.38KPa，催化劑的利用率為90.3％。實(shí)施例1的此壓降比本比較例小11.7％。
比較例2實(shí)施例2的甲苯歧化軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器之進(jìn)口氣體預(yù)分布器的圓錐形單級擋板改成平板形單級擋板，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均不變。在所有工況條件均與實(shí)施例2相同的條件下，替換后的平板形單級擋板型進(jìn)口氣體預(yù)分布器的壓降為2.12KPa，催化劑利用率為89.9％。實(shí)施例2的此壓降比本比較例小10.7％。
權(quán)利要求1.一種軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器，反應(yīng)器殼體內(nèi)自上而下包括進(jìn)料口、氣體預(yù)分布器、均化空間、上部惰性填料層、催化劑床層、下部惰性填料層、出口氣體收集器和出料口，其中氣體預(yù)分布器插在進(jìn)料口內(nèi)，并部分伸入均化空間，出口氣體收集器位于反應(yīng)器底部，其下端插入出料口內(nèi)；進(jìn)口氣體預(yù)分布器的結(jié)構(gòu)如下上部為伸入均化空間的圓筒形筒體，下部為與圓筒形筒體垂直投影面積相等的單級擋板，圓筒形筒體與單級擋板間通過分布于圓筒形筒體內(nèi)側(cè)的垂直拉筋連接，且形成側(cè)向環(huán)隙，其特征在于側(cè)向環(huán)隙高度為氣體通過預(yù)分布器環(huán)隙時(shí)保持平均流速為5～12米/秒所需的高度，單級擋板為圓錐形單級擋板，其圓錐角為90～175°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器，其特征在于側(cè)向環(huán)隙高度為氣體通過預(yù)分布器環(huán)隙時(shí)保持平均流速為6～10米/秒所需的高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器，其特征在于圓錐形單級擋板的圓錐角為120～150°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器，其特征在于氣體預(yù)分布器的下部圓錐形單級擋板位于上部惰性填料層的上方、均化空間內(nèi)，均化空間的高度大于反應(yīng)器上封頭的高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器，其特征在于出口氣體收集器采用鼠籠型，其平均開孔率為20～30％，頂蓋開孔率為側(cè)面開孔率的0.5～0.6倍，篩孔中氣速的平均值為5～9米/秒。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種軸向流固定床氣固催化反應(yīng)器，主要解決以往技術(shù)中存在的反應(yīng)物氣流通過反應(yīng)器催化劑床層分布不均勻，催化劑不能均勻而充分地被利用，而且氣體預(yù)分布器壓降較大的問題。本實(shí)用新型通過采用具有圓錐形單級擋板進(jìn)口氣體預(yù)分布器的軸向流固定床反應(yīng)器，其進(jìn)口氣體預(yù)分布器側(cè)向環(huán)隙高度為氣體通過該環(huán)隙時(shí)保持平均流速為5～12米/秒所需的高度，單級擋板為圓錐形單級擋板，其圓錐角為90～175°的技術(shù)方案，較好地解決了該問題，可用于氣固相催化反應(yīng)。
文檔編號B01J8/02GK2675241SQ0325538
公開日2005年2月2日 申請日期2003年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月9日
發(fā)明者崔世純, 程文才, 李向勇, 陳慶齡 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院