本發(fā)明屬化工反應器領域，涉及一種油料低壓氣化移熱的垂直軸向流易調自限溫反應器。

現(xiàn)有技術

工業(yè)上經(jīng)常使用水冷、氣冷的反應器，用于某些強放熱反應，以便控制催化劑床層溫度。

控制反應器不超溫的主要目的，一是有些反應是可逆反應，溫度過高會降低反應物的轉化率和目標產(chǎn)物的收率，二是減少高溫時的副反應，提高目標產(chǎn)物的選擇性，三是延緩催化劑的使用壽命或再生周期。

在實際生產(chǎn)中，為避免催化劑床層超溫和幫助移出熱量，催化劑床層入口的溫度條件，經(jīng)常被設定為或控制到明顯低于催化劑床層主控溫度的較低溫度，利用反應初期的放熱使物料流逐漸升溫到主控溫度，同時期望避免反應初期因反應物濃度較高而導致超溫、飛溫的可能。這種思路有時會產(chǎn)生如下影響或問題：

a）催化劑床層的物料入口段不設或少設降溫構件，這在催化劑使用初期活性較高的階段，或物料入口溫度超標時，可能造成催化劑床層入口段超溫，乃至飛溫；

b）催化劑床層的物料入口段不設加熱構件，這在反應器經(jīng)過長期運轉、催化劑床層入口段活性降低后，非經(jīng)提高物料入口溫度，不易發(fā)揮該催化劑床層入口段的反應能力，從而可能造成反應器處理能力不足。

cn201510698217.9公開了一種水冷徑向反應器，包括外筒、裝填催化劑的徑向反應筐、水冷系統(tǒng)、中心管、水室、汽室和裝卸料結構，徑向反應筐位于外筒內(nèi)且和外筒之間形成間隙，所述水冷系統(tǒng)包括伸入徑向反應筐的水冷管，水冷管分別與水室和汽室連通，中心管伸入徑向反應筐內(nèi)，且部分穿過徑向反應筐并伸出外筒外；所述水冷反應器還包括間隔設置于外筒內(nèi)的下管板和上管板，上管板與外筒的一端間隔一定距離，并在外筒一端與上管板之間形成水室和汽室之一，下管板和上管板之間形成水室和汽室之另一，下管板為弧形管板。

上述水冷徑向反應器，用于反應溫度不太高如200℃左右或以下時，可較好的控制催化劑床層的溫度條件，均溫段床層的溫差較小，當催化劑床層之下裝填瓷球時，催化劑更換時較易卸出；但沒有特別提到在徑向反應筐內(nèi)外緣內(nèi)側，即催化劑床層的反應氣入口段，垂直水冷管的設置和分布情況，這在催化劑使用初期活性較高的階段，或物料入口溫度超過規(guī)定上限時，可能造成催化劑床層入口段超溫，乃至飛溫；徑向反應筐內(nèi)外緣內(nèi)側也沒有設置加熱構件，這在反應器經(jīng)過長期運轉、催化劑床層入口段活性降低后，非經(jīng)提高物料入口溫度，該催化劑床層入口段反應能力不易發(fā)揮。

另一方面，上述水冷徑向反應器，受水蒸汽壓力的限制，用于反應溫度200℃以上時，水冷系統(tǒng)及水室、汽室的蒸氣壓力就太高，導致反應器的壓力等級、制造成本過高，有些用途時的安全性也存在較大風險，限制了其應用。

下表1是150-340℃主要溫度時水的飽和蒸氣壓情況。

表1

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技術實現(xiàn)要素：

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種油料低壓氣化移熱的垂直軸向流易調自限溫反應器，包括反應器主體、位于反應器主體上部的油汽化移熱系統(tǒng)，反應器主體和油汽化移熱系統(tǒng)不連通；

反應器主體包括殼體、垂直軸向流催化劑反應床層、進出料接口及管路、催化劑裝卸結構；

油氣化移熱系統(tǒng)包括油氣室、足夠數(shù)量和換熱面積的換熱套管，換熱套管由內(nèi)管和外管嵌套而成，外管向上開口于油氣室底板，向下延伸到催化劑床層底部或之下位置并在下端封口，運轉過程中油氣室的油液面高于內(nèi)管上端口；內(nèi)管下端延伸至外管底部并開口，上端延伸至外管上端口之外；內(nèi)管向下流油，外管向上流油氣混合物；套管上端口具有能夠保證內(nèi)管只進油、流入油而基本不進氣的結構，受本套管的外管或其它外管所排出油氣混合物的影響較小或不受其影響；

油料氣化移熱系統(tǒng)采用的所述油料，其常壓、低正壓或負壓時的沸點或沸程，略低于催化劑床層所需控制的溫度上限；油氣室的油氣溫度、壓力通過設在油氣室內(nèi)頂部和/或反應器外的冷凝、冷卻器控制。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，所述氣化移熱系統(tǒng)的油料，其品種、組成、沸點或沸程根據(jù)溫度情況、控溫要求確定，包括純的有機物或混合物如飽和烴，比如催化劑床層所需控制的溫度上限為150℃時，可采用沸點或沸程140-148℃的純有機物或混合物如飽和烴；催化劑床層所需控制的溫度上限為250℃時，可采用沸點或沸程240-248℃的純的有機物或混合物如飽和烴。表2列舉了c11-c20正構烷烴的常壓沸點情況，僅用于說明選擇方法與思路，這些正構烷烴的熱穩(wěn)定性可能達不到要求，通常也沒有廉價商品供應。

表2c11-c20正構烷烴的常壓沸點

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在現(xiàn)實條件下，無法低成本地獲得上述純物質或純正構烷烴大量應用，這些正構烷烴的熱穩(wěn)定性也可能達不到要求，但可以通過將某些合適的飽和烴混合物商品進行蒸餾切割，分離出合適沸程范圍的組分使用，其中沸程窄一點有利于提高控溫效果，沸程范圍5℃以內(nèi)更好。具體地，可以從工業(yè)白油進一步切割出所需沸程范圍的組分使用。

白油，通常是由石蠟基基礎油經(jīng)深度加氫，或由加氫裂化產(chǎn)物分離，再進一步精制而得，無色、無味、化學惰性、光安定性好，基本組成為飽和烴，幾乎不含芳香烴，氮、氧、硫含量極低，具有低揮發(fā)性、低傾點、良好的防銹性、耐熱性，不含水溶性酸堿，無腐蝕性，還具有極好的顏色穩(wěn)定性和可生物降解性，通常以粘度劃分牌號，基本的沸程情況列舉如表3所列。

表3白油的沸程情況

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白油的產(chǎn)銷量很大，牌號齊全，價格不高，也容易買到優(yōu)質產(chǎn)品，也可買到通過蒸餾、減壓蒸餾切割所得的所需沸程范圍的組分，作為本發(fā)明自限溫反應器的氣化移熱油料，是可行的。實際應用中，還可以配入適量抗氧化劑、緩蝕劑、消泡劑等成分，增強使用效果。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，所述油料還可從常用的導熱油中選擇。導熱油具有抗熱裂化和化學氧化的性能，傳熱效率好，散熱快，熱穩(wěn)定性很好，在幾乎常壓的條件下，可以采用較高的操作溫度，與水蒸汽系統(tǒng)相比有其特點，總的操作安全性可高于水和蒸汽系統(tǒng)。導熱油的牌號和品種很多，應用廣泛且經(jīng)驗豐富，容易采購到所需性能的產(chǎn)品，通常還復配了緩蝕劑、抗氧劑等成分，效果更好更穩(wěn)定。可選用的導熱油包括以下類型，沸程略寬的也可蒸餾切割出所需沸程范圍的組分使用，其中沸程10℃以內(nèi)較好：

1）烷基苯型（苯環(huán)型）導熱油，為苯環(huán)附有鏈烷烴支鏈類型的化合物，屬于短支鏈烷烴基（包括甲基、乙基、異丙基）與苯環(huán)結合的產(chǎn)物，其沸點在170-180℃，凝點低于-80℃以下，以帶有異丙基附鏈的化合物尤佳；

2）烷基萘型導熱油，結構為苯環(huán)上連接烷烴支鏈的化合物，所附加的側鏈一般有甲基、二甲基、異丙基等，其附加側鏈的種類及數(shù)量決定化合物的性質；側鏈單于甲基相連的烷基萘，可應用于240-280℃范圍的氣相移熱/加熱系統(tǒng)；

3）烷基聯(lián)苯型導熱油，為聯(lián)苯基環(huán)上連接烷基支鏈一類的化合物，由短鏈的烷基（乙基、異丙基）與聯(lián)苯環(huán)相結合構成，烷基的種類和數(shù)量決定其性質，烷烴基數(shù)量越多，其熱穩(wěn)定性越差；其中，由異丙基的間位體、對位體（同分異構體）與聯(lián)苯合成的導熱油品質最好，沸點>330℃，熱穩(wěn)定性好，在300-340℃范圍內(nèi)使用效果較好；

4）聯(lián)苯和聯(lián)苯醚低熔混合物型導熱油，為聯(lián)苯和聯(lián)苯醚低熔混合物；其中含26.5%聯(lián)苯和73.5%聯(lián)苯醚的導熱油，熔點12℃，熱穩(wěn)定性極好，使用溫度可高至400℃。因為苯環(huán)上沒有烷烴基側鏈連接，在有機熱載體中耐熱性最佳；在常壓下，沸騰溫度在256-258℃范圍內(nèi)使用比較經(jīng)濟，蒸發(fā)過程中氣相、液相維持上述組成不變；但在高溫下如350℃以上長時間使用時聯(lián)苯醚會裂解產(chǎn)生具有低腐蝕性的酚類物質。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，油氣室壓力可以控制為常壓、正壓或負壓，結合油液性能和工藝情況靈活控制、調整以獲得所需的氣化溫度，其中正壓會提高油液的沸點、沸程，負壓會降低油液的沸點、沸程。本發(fā)明采用油料氣化移熱的自限溫反應器中，所述油料的沸程窄一點控溫效果更好，最好是10℃以內(nèi)。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，油氣室中油氣的壓力和溫度，可通過設置在反應器外的高位冷凝、冷卻器進行控制；也可以通過設置在油氣室內(nèi)的冷凝、冷卻部件進行控制，優(yōu)選將冷卻部件設置在油氣室的上部氣相空間中；所述反應器外的高位冷凝器和設置在油氣室內(nèi)的冷凝、冷卻部件，可以預熱反應原料，也可以用循環(huán)水進行換熱冷凝油氣，還可以采用略低于油氣室溫度的帶壓沸水冷凝油氣，用帶壓沸水冷凝的優(yōu)點，除了可以副產(chǎn)帶有壓力的蒸汽，還可以通過控制蒸汽壓力較好地控制油氣室油氣的溫度和壓力，間接控制油氣移熱套管和催化劑床層的溫度條件，使其在催化劑床層的原料流量和濃度、溫度等條件發(fā)生波動時也能基本保持恒定。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，其中套管內(nèi)油液在不同高度時的壓力差別有時會造成氣化溫度的差別，必要時可通過設計采用較小的催化劑床層高度和略大的氣化壓力彌補，還可通過控制油液組成降低因油液自身壓力所造成不同高度時的油-氣沸點差別進行彌補，如采用包含輕重組分或略寬沸程的油料縮小不同高度即不同壓力時的氣液平衡溫度或沸點差別，利用的是隨氣化進行，氣液相中輕重組分的組成情況會發(fā)生改變，從而降低了高度壓差對沸點的影響，其中輕組分在套管下部的壓力略高處氣化的比例高，在中上部壓力略低處氣化的比例降低，從而可能抵消油液自身壓力所造成不同高度時的沸點差別，以降低催化劑床層高度方向的溫差。應根據(jù)催化劑床層高度和控溫溫差的要求設計油料的組分情況及配比，采用包含輕重組分或略寬沸程的油料，如合適的白油、導熱油或其切割組分。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，催化劑床層的高度0.5-10m；油氣化移熱系統(tǒng)換熱套管的間距0.02-0.15m，換熱面積5-100m²/m³催化劑。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，油氣化移熱系統(tǒng)換熱套管的上端結構，要能夠保證內(nèi)管向下流油，外管向上流油氣混合物，可以是內(nèi)管向上延伸開口而外管向側面開口或向側上方延伸開口，或者外管向上延伸開口，內(nèi)管側向彎曲穿過外管壁向側面開口或向側下方延伸開口，或者內(nèi)管從外管上開口向側下彎曲。應適當控制油氣室的油液位，以保證內(nèi)管供油充足。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，油氣化移熱系統(tǒng)換熱套管的上端結構，還可以是內(nèi)管上端口延伸至高于外管上端口之處，內(nèi)管上口和外管上口的高度差，可為外管內(nèi)徑的1-3倍；外管上端還可具有內(nèi)徑擴大段或喇叭口段，內(nèi)徑擴大段長度可為外管內(nèi)徑的1-2倍，內(nèi)徑可為外管外徑的0.9-1.1倍，喇叭口段喇叭角10-20度，雖然內(nèi)管向下的流油會吸入少量蒸氣泡，但內(nèi)外管中油氣的流向不會改變，移熱能力降幅不大，效果同樣可靠。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，可以在油氣室之上設油室，換熱套管的內(nèi)管向上延伸并開口在油室底板，適當控制油室液位，可提高套管內(nèi)外管間的壓差，增大內(nèi)管向下油流的流量，可達到更好的移熱均溫效果，此時可設置油泵將油氣室的油以適當流量輸送至油室并形成循環(huán)；還可由油氣室設通管連接油室，油氣室的油氣混合物全部進入油室，從油室中油液的上層排出，除了通過油氣混合提高油室油溫，還能提高套管內(nèi)外管上口間的壓差，提高油、油氣在換熱套管中的流速和移熱、均熱能力，以獲得更小的催化劑床層溫差，原因是油氣混合物的密度低于油液的密度。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，催化劑床層的底部，可用孔板篩網(wǎng)層疊支撐，也可以裝填惰性瓷球進行支撐，其中后一結構便于催化劑更換時的卸出。優(yōu)選惰性瓷球裝填的上平面高于套管的下端平面，以防止催化劑床層下部發(fā)生超溫、飛溫，以及隨溫度、壓力的變動套管長度發(fā)生變化時避免套管下端壓碎催化劑或致使套管受損，因為瓷球表面光滑、強度高，在緊密堆積時仍具有遠優(yōu)于球形、條形及異形催化劑的移動能力，可為套管的向下伸長提供空間。套管下端的封頭為球形、橢球型或錐形較好。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，催化劑裝填管的位置分布、直徑尺寸以及與換熱套管的相對位置應適當設置，避免影響臨近換熱管的間距，保證催化劑裝填管下方的催化劑床層溫度符合要求。催化劑裝填管上端可延伸到移熱介質分布室的底板之上或頂壁之上，或催化劑床層側上部的反應器外壁。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，催化劑床層中的反應料流向，可以是由上而下的向下流向，也可以是由下而上的向上流向；在反應器的正常運轉過程中，反應料入口段通常為升溫段，每一根垂直套管都起到加熱反應料的作用，其它位置為自限溫段或恒溫段，每一根垂直套管都起到移熱限溫作用，隨反應料入口組成、入口溫度的變動及催化劑活性的變化、油氣室溫度、壓力的調整，催化劑床層中升溫段、自限溫段或恒溫段的相對位置也會發(fā)生變動。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，所述垂直移熱套管催化反應器主體，經(jīng)過長期運轉發(fā)現(xiàn)套管泄漏后，可在停車檢修期間將發(fā)生泄漏的套管注入耐溫堵漏劑堵死或將泄漏量降到很低的程度。由于套管數(shù)量很多，通常幾百根以上，且互不影響，封堵少數(shù)幾根對控溫效果的影響不大。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器，用于放熱反應尤其是強放熱反應時，油氣化移熱系統(tǒng)換熱套管的內(nèi)管油向下流、外管油氣向上流的動力，來源于外管之間的垂直氣化空間中存在油氣混合物，其密度低于液態(tài)油，這個特點使該移熱系統(tǒng)具有了較強的自動雙向調溫能力—該自動雙向調溫能力在垂直套管較長時更加明顯，從而使催化劑床層溫度基本保持不變，減小了催化劑床層溫度的波動幅度和不同床層位置間的溫差：若套管外的床層溫度升高，則套管內(nèi)外管之間的氣化加劇，油氣混合物的密度進一步降低，油/油氣流動的推動力增大，進入套管的油量增大，氣化量即冷卻能力提高，從而限制了催化劑床層溫度的升幅；相反地，若套管外的床層溫度略有降低，則套管內(nèi)外管之間的氣化減弱，油氣混合物的密度會有所提高，油/油氣流動的推動力減小，進入套管的油量減小，氣化量即移熱能力降低，從而限制了催化劑床層溫度的降幅；這種穩(wěn)定催化劑床層溫度的自動雙向調節(jié)能力既存在于一根套管的不同高度位置，也存在于每一根套管中。因而該移熱方式可使催化劑床層均溫段的溫度較為恒定，即溫度波動較小、上下左右不同部位溫差較小。這種套管結構，其垂直使用方式帶來的額外的自動雙向調溫能力，在其改為水平方向設置和使用時不再具有，也是大多數(shù)水平方向設置和使用的冷卻構件所不容易達到和具有的。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，通過沸油氣化移熱的效率很高，只要油氣化移熱系統(tǒng)的移熱面積足夠大且設置、分布合理，則催化劑床層溫度主要取決于油液的溫度和蒸氣的壓力，通過選取或更換適當沸點、沸程的油液，和/或控制或調整蒸氣壓力即可保證或調整催化劑床層溫度，而且床層各部位溫差較小，受催化劑床層入口進料條件波動的影響不大，控制好主控點溫度即可較好地控制催化劑床層自限溫段或恒溫段的整體溫度水平。

本發(fā)明的垂直軸向流易調自限溫反應器中，油氣化移熱系統(tǒng)啟運前或啟運時即排凈惰性氣，以免影響蒸氣壓力控制的穩(wěn)定性、準確性。

本發(fā)明油料低壓氣化移熱的垂直軸向流易調自限溫反應器，油氣化移熱系統(tǒng)壓力較低，安全性較高，成本較低；由于較好地控制了催化劑床層溫度，包括有效提高了催化劑床層入口段的溫度和反應能力，可采用較大的催化劑反應負荷，同樣的加工量時，催化劑用量降低，床層體積小，反應器體積?。徊怀瑴?，不飛溫，不易結碳，催化劑使用壽命或周期較長，催化劑更換時容易卸出。

本發(fā)明油料低壓氣化移熱的垂直軸向流易調自限溫反應器，由于催化劑床層控溫較好，用于某些受溫度影響較大的可逆反應以及高溫副反應較多的過程，如由煤層氣脫氧、合成氣制備甲醇的反應、由中間濃度h2s酸性氣硫磺回收工藝的直接氧化反應時，反應物的轉化率和目標產(chǎn)物的收率都比較高，高溫副反應產(chǎn)物減少，目標產(chǎn)物的選擇性較高，同樣產(chǎn)能時催化劑用量及反應器體積可減少30%，使用壽命可延長一年以上。

附圖說明

圖1，一種油料低壓氣化移熱的垂直軸向流易調自限溫反應器結構示意圖。

圖2，另一種油料低壓氣化移熱的垂直軸向流易調自限溫反應器結構示意圖。

圖3-8，低壓介質控溫的垂直軸向流易調自限溫反應器的幾種換熱套管上端結構。

圖例：1反應器殼體，2垂直軸向流催化劑反應床層，3催化劑裝填管，4油氣室，5移熱套管內(nèi)管，6移熱套管外管，7油氣室底板，10垂直移熱套管，11支撐瓷球，12油氣室蒸氣出口，13油氣室油入口，14催化劑卸劑口，15進出料口，16油室。

具體實施方式

實施例

一種油料低壓氣化移熱的下流式易調自限溫反應器，如附圖1所示，包括反應器主體、油氣化移熱系統(tǒng)，反應器主體和油氣化移熱系統(tǒng)不連通；

反應器主體包括殼體1、下流式催化劑反應床層2、進出料口15、催化劑裝填管3、催化劑卸劑口14；催化劑床層底部由瓷球11支撐；

油氣化移熱系統(tǒng)包括油氣室4、垂直移熱套管10，移熱套管由內(nèi)管5和外管6嵌套而成，外管向上開口于油氣室底板，向下延伸到催化劑床層之下位置并在下端封口；內(nèi)管下端延伸至外管底部，上端延伸至外管上端口之外；套管上端的內(nèi)管從外管上開口向側下彎曲；

催化劑床層的高度3.7m；移熱套管的間距56mm，套管內(nèi)管φ19x2mm，外管φ38x3mm，套管根數(shù)550，換熱面積250m³；反應器直徑φ2600mm，總高6800mm；裝填催化劑13m³，底部支撐瓷球1m³。反應器裝填某a988氧化鈦基硫磺回收催化劑13m³，油氣室充裝由某2#白油精餾切割所得常壓沸程210-215℃組分并配入抗氧化劑、緩蝕劑、消泡劑各1%（質量）作為控溫油料；油氣室的油氣溫度和壓力通過設在反應器外的換熱器控制，該換熱器同時將原料氣進行初步預熱。

反應原料氣主要成分（質量百分數(shù)）h2s3.2%，o21.7%，h2o1.4%，余為ch4、co2；氣量11000nm³/h；控制反應器入口溫度180℃、油氣室壓力為常壓、溫度212-213℃時，催化劑床層主控溫度225℃，不同高度和直徑關鍵位置的溫差8℃。

該反應器在過去半年多的運轉過程中，h2s轉化率≥96%，單質硫選擇性≥99.8%，所制得單質硫產(chǎn)品純度≥99.5%，達到工業(yè)一級的要求。運轉過程中進行調溫調壓試驗一次，原料氣量13000nm³/h，控制油氣室壓力為0.015mpa（表壓）、溫度222-224℃時，催化劑床層主控溫度235℃，不同高度和直徑關鍵位置的溫差10℃，h2s轉化率≥96%，單質硫選擇性≥99.8%，所制得單質硫產(chǎn)品純度≥99.5%。運轉期間多次檢查反應器控溫油料的質量情況，其顏色、氣味、透光情況變化不明顯，油料總量損失低于2%，說明該油料在本應用過程中質量穩(wěn)定，基本沒有發(fā)生降解、結碳、變質等問題。

本實施例的垂直軸向流易調自限溫反應器中，通過沸油氣化移熱的效率很高，催化劑床層溫度主要取決于油氣室的溫度和蒸氣壓力，通過控制或調整蒸氣壓力即可保證或調整催化劑床層溫度，而且床層各部位溫差較小，受催化劑床層入口進料條件波動的影響不大，控制好主控點溫度即可較好地控制催化劑床層的整體溫度水平，不超溫，不飛溫，不易結碳，催化劑使用壽命或周期較長。