一種固定床反應器的制造方法
【專利摘要】一種固定床反應器，所述的反應器包括反應器殼體、反應器上下管板（4、8）、反應管（5）、折流板（7），所述的反應管（5）分別由反應器上管板（4）和反應器下管板（8）固定排列在反應器筒體（6）內，所述的反應管（5）的內表面光滑，外表面具有凹槽。由于采用了凹槽表面反應管，管程-殼程傳熱得到了強化，反應器結構簡單容易實現(xiàn)；采用本發(fā)明后可以解決現(xiàn)有反應器軸向、徑向溫度梯度大的問題，降低反應器熱點溫度，避免局部過熱導致的催化劑失活和結焦，明顯提高反應選擇性，使工藝操作具有更好的安全性和經(jīng)濟性。
【專利說明】一種固定床反應器
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種固定床反應器，具體地說，是一種適用于強放熱反應的列管式固定床反應器，屬于化工設備【技術領域】。
【背景技術】
[0002]列管式固定床反應器是化工常用反應器形式，反應器的管程和殼程可以分別作為反應或導熱的場所。目前工業(yè)上采用的列管式反應器采用殼層外循環(huán)換熱的方式，催化劑裝填在管束中，反應原料與催化劑接觸發(fā)生反應，冷卻介質從反應器殼層通過，在反應管壁進行換熱將反應熱導出。這種形式只適用于放熱量小的反應，如果反應放熱劇烈，熱量的導出會受到反應管傳熱的限制，從而在反應管軸向和徑向內形成較大的溫度梯度，有可能使催化劑因局部過熱結焦、副反應增多、催化劑利用率下降。例如采用固定床反應器的費托合成反應，因反應放熱產(chǎn)生的反應管軸向和徑向溫差分別達到20°C和10°C以上，使部分催化劑處于高溫、副反應嚴重的狀態(tài)，而部分催化劑處于較低溫度無法發(fā)揮正常性能的狀態(tài)。因此，對于費托合成來說，能夠采用強化傳熱或者低溫度梯度的反應器，將對改善反應行為和提高催化性能有十分直接的作用，進而提高該技術的先進性和經(jīng)濟性。
[0003]Q=K*A* Δ T(I)
[0004]從傳熱方程(I)可知，熱量傳遞的能力Q，主要與傳熱系數(shù)K、換熱面積A以及傳熱面溫度差ΛΤ相關聯(lián)。在常規(guī)換熱器設計中，為了達到強化傳熱的目的，可以更換換熱器介質改善傳熱系數(shù)，采用小尺寸管或其它措施增加換熱面積，也可以增加傳熱溫差提高熱通量。例如CN201269705Y公開了一種增加內外翅片強化傳熱的換熱器。在管內外增加翅片可以增加換熱面積強化傳熱。
[0005]研究人員借鑒換熱器進行了較多強化換熱器傳熱的研究，主要通過提高介質流速、采用橫流、增加流體的擾動和混合、增加換熱面表面等方法可以得到不同程度的強化傳熱效果。
[0006]CN101186550A采用尾氣循環(huán)的方法，將通過反應管后未反應的原料氣和部分氣相產(chǎn)品，由壓縮機循環(huán)至反應器入口，這樣做提高了反應管內流體的流速，增加了反應管內擾動和混合，可以改善反應管內外的傳熱。
[0007]CNlO 120940IA公開了一種殼程多腔式固定床反應器。該發(fā)明的殼體內在上管板和下管板之間沿殼體軸向設置兩個殼程擋板，殼程擋板將殼體分為三個腔體，其兩側的腔體內設置反應管，兩側的腔體內設置由半圓形的三塊折流板，因而管間熱交換介質的流動形式為錯流兼平行流。
[0008]CN1736574A公開了一種無熱點列管式固定床反應器。其技術特點式反應器列管中的每只管采用套管結構，內管兩端封閉，在套管間隙中裝填催化劑形成催化劑床層，冷卻介質同時流過內管管程和反應器殼程。該發(fā)明在無需增加列管數(shù)量的條件下，可大幅度增加列管式固定床反應的換熱面積，同時縮短傳熱路徑。
[0009]但是，列管式反應器與換熱器具有較大的差別，首先是換熱器多采用直徑小、壁薄換熱管，一般為直徑16mm、19mm或者25mm三個型號，管壁厚度一般為1mm、1.5mm>2mm以及
2.5mm、內外物料流速大，多為氣相或液相物料，而反應管一般為25~50mm管徑，壁厚在2mm以上，由于管內有催化劑，內部物料流速小，內部的固定的催化劑顆粒對傳熱影響較大。其次，換熱器表面過熱度大，一般超過5°C，管內外溫差可以達到50°C，而費托合成反應管表面過熱度要求越低越好，特別是對溫度敏感的反應。另外換熱管內外沒有化學反應，換熱處于穩(wěn)定狀態(tài)，而反應管內熱量與反應狀態(tài)有關，隨多種因素變化，對熱量傳導要求更高。第三，換熱器換熱熱流密度較大，通常在20~100KW/m2，而用于費托合成的反應器熱流密度不超過20KW/m2，用換熱器的強化傳熱方法，例如增加沸騰核心、降低表面濕潤性等，對于反應器傳熱的強化效果不明顯。

【發(fā)明內容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供一種適用于固定床費托合成的列管式固定床反應器，通過強化管程-殼程的傳熱過程，解決現(xiàn)有反應器軸向、徑向溫度梯度大的問題。
[0011]本發(fā)明所述的反應器包括反應器殼體、反應器上下管板(4、8)、反應管5、折流板7，所述的反應管5分別由反應器上管板4和反應器下管板8固定排列在反應器筒體6內，所述的反應管5的內表面光滑，外表面具有凹槽。
[0012]所述的反應管5為碳素結構鋼或奧氏體不銹鋼，內表面光滑，外表面經(jīng)過冷、熱機械加工形成有一定規(guī)律的螺旋型凹槽。催化劑裝填在反應管5內，冷卻介質流過反應器殼程，即與反應管的外表面接觸，將反應產(chǎn)生的熱量帶出反應器，折流板按照一定間距分布在反應器中間。
[0013]所述反應管5外表面凹槽的特征參數(shù)為:每米有200~2000個槽，槽深0.5~
1.5mm,槽寬0.2~1.0mm。優(yōu)選，每米有300~800個槽，槽深1.0~1.2mm,槽寬0.5~
0.8mm，螺旋升角為:1~5°。凹槽截面可以為T形、矩形、梯形、三角形、鋸齒形。
[0014]所述反應管5的上下兩端具有200~500mm的光管部分。
[0015]反應器上下管板(4、8)與反應管5的上下兩端的光管部分連接。
[0016]所述的反應器中排列有100~10000根反應管。每根反應管的內直徑為20~60mm,優(yōu)選內直徑為25~50mm,長度為4~15m,優(yōu)選為6~12m。所述的反應管的管壁厚度為I~8mm。
[0017]所述的反應器殼體由反應器上封頭3、反應器筒體6、反應器下封頭9組成，反應器上封頭3上設置反應器進料口 I和進料分布器2，反應器下封頭9上設置反應器出料口 10，在反應器筒體的上部設置冷卻介質出口 12，在反應器筒體的下部設置冷卻介質入口 11。
[0018]所述的列管式固定床反應器，采用的冷卻介質可以是純凈水、油、融鹽、水蒸汽、常規(guī)氣體等。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點:由于采用了凹槽表面反應管，管程-殼程傳熱得到了強化，反應器結構簡單容易實現(xiàn)；采用本發(fā)明后可以解決現(xiàn)有反應器軸向、徑向溫度梯度大的問題，降低反應器熱點溫度，避免局部過熱導致的催化劑失活和結焦，明顯提高反應選擇性，使工藝操作具有更好的安全性和經(jīng)濟性。
【專利附圖】

【附圖說明】[0020]圖1是本發(fā)明提供的固定床反應器結構示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明提供的固定床反應器的反應管剖面示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明提供的固定床反應器在費托合成反應中使用的流程示意圖。
[0023]圖1中:I一反應器進料口 ；2—進料分布器；3 —反應器上封頭；4一上管板；5—反應管；6—反應器筒體；7—折流板；8—下管板；9一反應器下封頭；10—反應器出料口 ；11一冷卻介質入口 ； 12—冷卻介質出口。
[0024]圖3中:1 一合成氣；2—循環(huán)氣；3 —反應器；4一熱高壓分離器；5—熱低壓分離器；6—冷高壓分離器；7—冷低壓分離器；8—循環(huán)壓縮機；9一汽包；10—循環(huán)水泵；11 一合成重質烴；12—合成廢水；13—合成輕油；14一瓦斯氣；15—尾氣排放；16—汽包蒸汽排放。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發(fā)明所提供的方法予以進一步的說明，但本發(fā)明并不因此受到任何限制。
[0026]圖1是本發(fā)明提供的固定床反應器結構示意圖。如圖1所示，反應器包括反應器殼體、反應器上下管板(4、8 )、反應管5、折流板7，所述的反應管5分別由反應器上管板4和反應器下管板8固定排列在反應器筒體6內，所述的反應管5的內表面光滑，外表面具有凹槽。所述的反應器殼體由反應器上封頭3、反應器筒體6、反應器下封頭9組成，反應器上封頭3上設置反應器進料口 I和進料分布器2，反應器下封頭9上設置反應器出料口 10，在反應器筒體的上部設置冷卻介質出口 12，在反應器筒體的下部設置冷卻介質入口 11。
[0027]反應物料從反應器進料口 I引入，經(jīng)過進料分布器2后，進入裝有催化劑的反應管5中，反應原料與催化劑接觸后發(fā)生反應，未消耗完的反應原料與反應產(chǎn)物從反應管5下端流出，經(jīng)反應器出料口 10導出。冷卻介質從冷卻介質入口 11進入反應器殼程，在折流板7的限制下形成橫向和縱向的流動，反應產(chǎn)生的熱量經(jīng)過反應管5管壁傳遞給冷卻介質，吸熱后的冷卻介質從冷卻介質出口 12導出反應器。
[0028]圖2是反應管的剖面示意圖，D為反應管外徑，d為反應管內徑,外表面螺旋狀凹槽。
[0029]圖3是采用本發(fā)明反應器在費托合成反應中應用的流程示意圖。圖中省略了許多設備，如換熱器、控制閥等，但這對本領域普通技術人員是公知的。經(jīng)過凈化的氫氣和一氧化碳(合成氣)原料氣I與循環(huán)氣2混合后從反應器3上部導入，進入裝有催化劑的反應管中，與催化劑接觸后發(fā)生費托合成反應。未消耗完的合成氣與反應產(chǎn)物從反應器下部導出反應器，經(jīng)過換熱后進入熱高壓分離器4進行氣液分離。重質合成油從熱高壓分離器4底部導出，進入熱低壓分離器5，在熱低壓分離器分離出的重質合成油經(jīng)管線11導出，瓦斯氣進入瓦斯管線14。未反應的合成氣、和未液化的產(chǎn)物從熱高壓分離器4的上部導出，經(jīng)過換熱后進入冷高壓分離器6進行氣液分離。分離出的未反應的合成氣與氣相烴類從冷高壓分離器6上部導出后分為兩部分，一部分15抽出裝置，另一部分經(jīng)由壓縮機8增壓作為循環(huán)氣返回反應器3入口。冷高壓分離器6分離出的輕質合成油進入冷低壓分離器7中進行油水分離，所得的輕質合成油13導出系統(tǒng)，分離出的水和冷高壓分離器6分離出的水匯合12導出系統(tǒng)，瓦斯氣進入瓦斯管線14。鍋爐水由水泵10泵入反應器殼程，在折流板的限制下形成橫向和縱向的流動，反應產(chǎn)生的熱量經(jīng)過反應管管壁傳遞給鍋爐水，水部分氣化后氣液兩相流從上出口導出反應器，進入汽包9，通過控制汽包壓力控制水的沸點溫度，汽包9所得蒸汽16抽出系統(tǒng)。
[0030]下面結合實施例對本發(fā)明的方法予以進一步地說明，但并不因此而限制本發(fā)明。
[0031]實施例
[0032]本實施例采用附圖1、2、3所示裝置和流程進行費托合成反應。列管式固定床費托合成反應器中設置300個反應管，反應管采用外徑38_、壁厚3_奧氏體不銹鋼管材，外表面采用冷加工形成凹槽結構，每米管長包含500個凹槽，槽深1.2mm，槽平均寬度0.6mm，螺旋升角4.0°。
[0033]反應管中裝填CoAl2O3催化劑。所用的催化劑的制備過程如下:取氧化鋁粉，滴加蒸餾水至初潤濕，記下消耗水的體積，然后按鈷含量(氧化物計)27重量％計算，配制出硝酸鈷浸潰液。接著以此溶液浸潰氧化鋁至初潤濕，靜置8小時，然后于120°C干燥4小時，在馬福爐內450°C焙燒4小時制得催化劑。所得鈷基費托合成催化劑的粒度范圍0.5~1mm。
[0034]在工藝條件為:合成氣體積空速500'氫氣和一氧化碳摩爾比為2.0，反應壓力
3.0MPa，循環(huán)氣體積空速2000'反應器主要溫度參數(shù)和費托合成效果見表1。
[0035]表1
[0036]
【權利要求】
1.一種固定床反應器，其特征在于，所述的反應器包括反應器殼體、反應器上下管板(4、8)、反應管(5)、折流板(7)，所述的反應管(5)分別由反應器上管板(4)和反應器下管板(8)固定排列在反應器筒體(6)內，所述的反應管(5)的內表面光滑，外表面具有凹槽。
2.按照權利要求1所述的反應器，其特征在于，所述反應管(5)外表面凹槽的特征參數(shù)為:每米有200?2000個槽，槽深0.5?1.5mm，槽寬0.2?1.0mm，螺旋升角為3?5°。
3.按照權利要求2所述的反應器，其特征在于，所述反應管(5)外表面凹槽的特征參數(shù)為:每米有300?800個槽，槽深1.0?1.2mm，槽寬0.5?0.8mm。
4.按照權利要求1所述的反應器，其特征在于，所述反應管(5)的上下兩端具有200?500mm的光管部分。
5.按照權利要求4所述的反應器，其特征在于，反應器上下管板(4、8)與反應管(5)的上下兩端的光管部分連接。
6.按照權利要求1所述的反應器，其特征在于，所述的反應管(5)管壁厚度為廣8_。
7.按照權利要求1所述的反應器，其特征在于，所述的反應器中排列有100?10000根反應管。
8.按照權利要求1所述的反應器，其特征在于反應管的內直徑為20?60mm，長度為4?15m。
9.按照權利要求8所述的反應器，其特征在于，所述的反應管的內直徑為25?50mm，長度為6?12m。
10.按照權利要求1或2所述的反應器，其特征在于，反應器殼體由反應器上封頭(3)、反應器筒體(6 )、反應器下封頭(9 )組成，反應器上封頭(3 )上設置反應器進料口( I)和進料分布器(2)，反應器下封頭(9)上設置反應器出料口(10)，在反應器筒體的上部設置冷卻介質出口(12)，在反應器筒體的下部設置冷卻介質入口(11)。
【文檔編號】C10G2/00GK103962063SQ201310046856
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年2月6日 優(yōu)先權日:2013年2月6日
【發(fā)明者】徐潤, 胡志海, 聶紅, 吳昊, 李猛, 田鵬程 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石油化工科學研究院