固定床反应器及其气体分布器的制作方法

本发明涉及石油及化工设备领域，具体地，涉及一种固定床反应器及其气体分布器。

背景技术：

在石油及化工领域中，固定床反应器有三种基本形式，包括：轴向固定床反应器、径向固定床反应器和列管式固定床反应器，这三种反应器各自具有不同的特点和应用场合。

1、轴向固定床反应器：催化剂床层呈水平的饼状布置，流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。该种反应器的结构简单，工艺设计、计算和设备制造比较简便，因此应用的最早，目前应用也最为普遍。但该种反应器也有一些缺点：催化剂床层的床层一般比较厚，反应物流经床层的阻力大，为减小阻力必须使用大颗粒催化剂；因为其压降大，所以对催化剂的强度有较高要求，防止催化剂颗粒受到高速气流冲击而粉化。由于床层较厚，轴向反应器床层内的温降变化梯度大。

2、径向反应器：是一种气体流动方向与设备轴向相垂直的反应器，催化剂床层位于竖向的环形空间内，大都用于气-固催化反应，也时也用于非催化反应，反应流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短，流通截面积较大，流体的压力降较小。在某些应用中，压降是一个控制工艺流程的关键参数，这不仅可以提高产量，还可节省更多能量。径向流反应器的催化剂床层的流通截面不受直径制约，并可使用小颗粒触媒，可提高工艺流体与催化剂床层的接触效率，从而可大幅减小容器的尺寸。例如，在相同的容 器直径下，径向反应器可远大于轴向反应器的流量，用户既可节省容器制造成本又可节省设备操作成本。

但是，径向反应器的结构较轴向反应器在工艺设计和设备制造方面更为复杂。径向反应器对于气体分布装置的性能要求也非常高；由于气体流速随流通截面的变化而改变，如果气体分布器的设计不够理想，则气流分布不均匀，催化剂的利用便不充分。此外，径向反应器需要利用内筒、外筒或者扇形筒之类的结构来形成环形间距，使催化剂限制在环形间距内。这样，内筒、扇形筒的凸面会承受来自催化剂的压力，即承受外压，在外压作用下对内筒、扇形筒的稳定性、刚度要求更高，容易造成失稳。

以上两种形式的反应器都属绝热反应器,适用于反应热效应不大,或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。

3、列管式固定床反应器：由多根反应管并联构成，管内或管间放置催化剂，反应流体沿轴向流经催化剂；载热体流经管间或管内进行加热或冷却。列管式反应器适用于反应热效应较大的过程，如EO反应器、合成气制乙二醇反应器等。

此外，还有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级反应器。例如：当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式反应器,反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。

中国国内近年来自主开发的轴径向反应器，常用于乙苯脱氢、合成气转化制乙二醚等反应中，主要是改变了气体分配锥的形状和位置，从本质上讲仍属于径向反应器。国外卡萨利公司提出的轴径向反应器，常用于合成氨、合成甲醇、耐硫变换等工艺，采用了梯形的床层结构，总体上仍属于轴向反应器。工程实践中还曾应用过一种轴径向反应器，轴向床在上，使进塔气分布均匀，反应速度快，采用大颗粒触媒；径向床在下，使用小颗粒触媒，充分 发挥催化剂活性和保持低压降。这种反应器实际为轴向、径向反应器的组合，并非为一种新型结构。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种固定床反应器的气体分配器，该气体分配器能够将气流更均匀地分配到催化剂床层上。

为了实现上述目的，本发明提供一种固定床反应器的气体分布器，该气体分布器包括进料主管、分布环管和多个分布支管，所述进料主管的上端用于连接固定床反应器的进口管，所述进料主管的下端封闭，所述进料主管的管壁上设置有沿其周向间隔布置的多个出料口，所述分布环管呈围绕所述进料主管的中心轴线设置的圆环形，所述分布环管的管壁上设置有多个进料口，每个分布支管的一端连接于一个出料口，另一端连接于对应的一个进料口，所述分布环管的底部设置有沿其延伸方向间隔布置的多个第一分配管嘴，每个第一分配管嘴朝向所述中心轴线倾斜。

优选地，所述第一分配管嘴的轴线与竖直方向之间的夹角在2°至45°之间。

优选地，所述出料口设置在靠近所述进料主管的封闭端的位置。

优选地，所述进料口的高度与所述出料口的高度平齐，所述分布支管从所述出料口沿所述分布环管的径向延伸至所述进料口。

优选地，所述进料口位于所述出料口的下方，所述分布支管从所述出料口倾斜向下延伸至所述进料口。

优选地，所述分布支管的底部设置有多个竖直向下的第二分配管嘴。

本发明的另一目的是提供一种固定床反应器，该固定床反应器能够实现反应气流在催化剂床层内呈轴径向的二维流动。

为了实现上述目的，本发明提供一种固定床反应器，包括壳体、进口管、 气体分布器、出口管、支撑格栅和压紧格栅，所述进口管设置在所述壳体的顶部，所述气体分布器连接于所述进口管，所述出口管设置在所述壳体的底部，所述支撑格栅和压紧格栅沿竖直方向间隔设置在所述壳体的内部，所述支撑格栅位于所述压紧格栅的下方，在所述支撑格栅和压紧格栅之间填充有催化剂床层，其中，所述气体分布器为根据本发明的气体分布器，所述支撑格栅和压紧格栅呈同轴设置且向上渐缩的两个圆锥筒形或锥台筒形。

优选地，所述壳体的内壁上设置有沿该壳体的圆周方向延伸的两个支撑圈，所述压紧格栅支撑在位于上方的一个支撑圈上，所述支撑格栅支撑在位于下方的一个支撑圈上。

优选地，所述支撑格栅和压紧格栅呈两个圆锥筒形，所述支撑格栅和压紧格栅均由多个扇形的分块格栅拼装而成，每个分块格栅包括丝网、设置在该丝网两侧边缘的侧边框、设置在该丝网下边缘的下边框，相邻两个分块格栅的侧边框通过紧固件连接，每个分块格栅的所述下边框通过紧固件连接于所述支撑圈。

优选地，所述支撑格栅包括中心支撑格栅和周围支撑格栅，所述压紧格栅包括中心压紧格栅和周围压紧格栅，所述周围支撑格栅和周围压紧格栅分别呈向上渐缩的筒形，所述中心支撑格栅的周缘连接于所述周围支撑格栅的小径端口边缘，所述中心压紧格栅的周缘连接于所述周围压紧格栅的小径端口边缘。

优选地，所述中心支撑格栅和中心压紧格栅均包括第一丝网和设置在该第一丝网四周的边框，所述周围支撑格栅和周围压紧格栅均由多个扇面形的分块格栅拼装而成，每个分块格栅包括第二丝网、设置在该第二丝网两侧边缘的侧边框、设置在该第二丝网上下边缘的上边框和下边框，相邻两个分块格栅的侧边框通过紧固件连接，每个分块格栅的上边框通过紧固件连接于所述中心支撑格栅或所述中心压紧格栅的所述边框，每个分块格栅的下边框通 过紧固件连接于所述支撑圈。

优选地，所述支撑格栅的锥面与水平面之间的夹角以及所述压紧格栅的锥面与水平面之间的夹角均在15°至60°之间。

优选地，所述支撑格栅的锥面与水平面之间的夹角和所述压紧格栅的锥面与水平面之间的夹角相等。

优选地，所述支撑格栅的锥面与水平面之间的夹角和所述压紧格栅的锥面与水平面之间的夹角不相等。

在本发明的固定床反应器中，支撑格栅和压紧格栅呈同轴设置且向上渐缩的两个圆锥筒形或锥台筒形，这种结构能够增大催化剂床层的入口流通面积，使反应流体在催化剂床层内建立轴径向的二维流动。在这种反应流体呈轴径向二维流动的反应器中，采用本发明的气体分配器，可以使反应流体沿反应器周边均匀向下喷出，并使喷出的反应流体朝向格栅流动，从而达到更好的流体分配效果，提高反应速率及反应器的生产能力。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的气体分配器的一种实施方式的主视图；

图2是本发明的气体分配器的另一种实施方式的主视图；

图3是本发明的气体分配器的俯视图；

图4是沿图3中的A-A线截取的剖视图；

图5是本发明的固定床反应器的一种实施方式的主视图；

图6是本发明的固定床反应器的另一种实施方式的主视图；

图7是沿图5中的B-B线截取的剖视图；

图8是图7中的分块格栅的示意图；

图9是本发明的固定床反应器的另一种实施方式的主视图；

图10是沿图9中的C-C线截取的剖视图；

图11是图10中的中心支撑格栅或中心压紧格栅的示意图；

图12是图10中的分块格栅的示意图。

各附图中的箭头表示反应流体的流动方向。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1至图3所示，根据本发明的一个方面，提供一种固定床反应器的气体分布器，该气体分布器7包括进料主管71、分布环管73和多个分布支管72，进料主管71的上端用于连接固定床反应器的进口管5，进料主管71的下端封闭，进料主管71的管壁上设置有沿其周向间隔布置的多个出料口711，分布环管73呈围绕进料主管71的中心轴线L设置的圆环形，分布环管73的管壁上设置有多个进料口731，每个分布支管72的一端连接于一个出料口711，另一端连接于对应的一个进料口731，分布环管73的底部设置有沿其延伸方向间隔布置的多个第一分配管嘴74，每个第一分配管嘴74朝向中心轴线L倾斜。

工作时，反应流体由反应器的进口管5进入气体分布器7的进料主管71，然后流入分布支管72，再流入分布环管73，通过分布环管73底部的第一分配管嘴74向下流出。本发明气体分布器呈圆环形，可以使反应流体沿着反应器周边均匀向下喷出，起到良好的分配效果。并且，通过在分布环管73的底部设置倾斜的第一分配管嘴74，使得反应流体从第一分配管嘴74喷出 后朝向反应器的中轴线聚集，利于气流分配。

具体地，第一分配管嘴74的轴线与竖直方向之间的夹角β可以在2°至45°之间。出料口711可以设置在靠近进料主管71的封闭端的位置。分布支管72的两端可以法兰连接于进料口731和出料口111。

如图1所示，作为一种实施方式，进料口731的高度可以与出料口711的高度平齐，分布支管72从出料口711沿分布环管73的径向延伸至进料口731。

如图2所示，作为另一种实施方式，进料口731可以位于出料口711的下方，分布支管72从出料口711倾斜向下延伸至进料口731。以此方式，能够使第一分配管嘴74距离催化剂床层3更近，使反应流体的流向更容易控制。这里所使用的方位词“下方”是在本发明的气体分布器在正常安装状态下定义的。

如图3所示，分布支管72的底部也可以设置有多个竖直向下的第二分配管嘴721。

如图5和图9所示，根据本发明的另一方面，提供一种固定床反应器，包括壳体4、进口管5、出口管6、支撑格栅1、压紧格栅2和根据本发明的气体分布器7，进口管5设置在壳体4的顶部，气体分布器7连接于进口管5，出口管6设置在壳体4的底部，支撑格栅1和压紧格栅2沿竖直方向间隔设置在壳体4的内部，支撑格栅1位于压紧格栅2的下方，支撑格栅1和压紧格栅2呈同轴设置且向上渐缩的两个圆锥筒形或锥台筒形，在支撑格栅1和压紧格栅2之间填充有催化剂床层3。

在本发明的固定床反应器中，支撑格栅1和压紧格栅2呈同轴设置且向上渐缩的两个圆锥筒形或锥台筒形，这种结构能够增大催化剂床层3的入口流通面积，使反应流体在催化剂床层3内建立轴径向的二维流动。在这种反应流体呈轴径向二维流动的反应器中，采用本发明的气体分配器，可以使反 应流体沿反应器周边均匀向下喷出，并使喷出的反应流体朝向格栅流动，从而达到更好的流体分配效果，提高反应速率及反应器的生产能力。

为了便于将两个格栅安装在壳体内部，优选地，壳体4的内壁上设置有沿该壳体4的圆周方向延伸的两个支撑圈8，压紧格栅2支撑在位于上方的一个支撑圈8上，支撑格栅1支撑在位于下方的一个支撑圈8上。

具体地，支撑格栅1的锥面与水平面之间的夹角(即锥面升角)α₁以及压紧格栅2的锥面与水平面之间的夹角α₂可以均在15°至60°之间。

两个格栅的锥面升角可以相等或不等。当两个格栅的锥面升角相等时，两格栅之间的间距为定值，等于颗粒物床层的厚度。当两个格栅的锥面升角不等时，两格栅之间的间距为变值，颗粒物床层的厚度不均匀。

在本发明的固定床反应器中，支撑格栅1和压紧格栅2可以均为圆锥筒形或锥台筒形。应当理解的是，本发明所说的“锥台筒形”是指上底封闭、下底开放的锥台形筒体。

以下分别对这两种形状的格栅做出详细说明。

一、圆锥筒形格栅

参见图5和图6。在这种实施方式中，支撑格栅1和压紧格栅2可以分别形成为一体结构。为了方便加工和安装，优选地，如图7和图8所示，支撑格栅1和压紧格栅2均由多个扇形的分块格栅9拼装而成，每个分块格栅9包括丝网91、设置在该丝网91两侧边缘的侧边框92、设置在该丝网91下边缘的下边框93，相邻两个分块格栅9的侧边框92通过紧固件连接，下边框93通过紧固件连接于支撑圈8。

丝网91可以为任意类型的丝网。作为一种实施方式，丝网91可以为V形丝网，该V形丝网的平面一侧朝向颗粒物床层3。V形丝网的网丝由挤压或轧制而成，网丝的截面呈V形，平整的一面需朝向颗粒物，以对颗粒物形成支撑，防止划伤颗粒物。

二、锥台筒形格栅

参见图9。在这种实施方式中，支撑格栅1和压紧格栅2可以分别形成为一体结构。为了方便加工，优选地，支撑格栅1包括中心支撑格栅11和周围支撑格栅12，压紧格栅2包括中心压紧格栅21和周围压紧格栅22，周围支撑格栅12和周围压紧格栅22分别呈向上渐缩的筒形，中心支撑格栅11的周缘连接于周围支撑格栅12的小径端口边缘，中心压紧格栅21的周缘连接于周围压紧格栅22的小径端口边缘。

周围支撑格栅12和周围压紧格栅22可以分别一体成型。如图10至图12所示，为了方便加工和安装，优选地，周围支撑格栅12和周围压紧格栅22均由多个扇面形的分块格栅90拼装而成，每个分块格栅90包括第二丝网910、设置在该第二丝网910两侧边缘的侧边框920、设置在该第二丝网910上下边缘的上边框930和下边框940，中心支撑格栅11和中心压紧格栅21均包括第一丝网101和设置在该第一丝网101四周的边框102，相邻两个分块格栅90的侧边框920通过紧固件连接，每个分块格栅90的上边框930通过紧固件连接于中心支撑格栅11或中心压紧格栅21的边框102。

第一丝网101和第二丝网910可以为任意类型的丝网。作为一种实施方式，第一丝网101和第二丝网910可以均为V形丝网，并且该V形丝网的平面一侧都朝向颗粒物床层3。V形丝网的网丝由挤压或轧制而成，网丝的截面呈V形，平整的一面需朝向颗粒物，以对颗粒物形成支撑，防止划伤颗粒物。

需要说明的是，本发明所说的“锥台筒形“不仅包括严格意义上的圆锥台筒形，也包括棱锥台筒形。在支撑格栅1和压紧格栅2为棱锥台筒形的情况下，中心支撑格栅11和中心压紧格栅21为正多边形。

根据本发明的优选实施方式的轴径向反应器具有如下效果：

(1)增大催化剂床层的入口流通面积。相对于同等直径的轴向反应器， 本发明中支撑格栅和压紧格栅采用锥筒形结构，格栅表面积得到明显增加。床层的入口流通面积与格栅升角的正割函数成正比。

(2)催化剂床层入口流通面积增加后，反应流体的流速降低，减轻对入口催化剂的冲刷，使之不易粉化。床层入口流速降低后允许采用强度更低、颗粒更小的催化剂，利于提高空速，提高催化剂的利用率，提高了反应器的产能。反应流体的流速降低后，床层的压降变小，节省了能量。相对于传统的轴式反应器，若用同等的催化剂装填量，本发明可以明显降低催化剂床层厚度，使反应物在催化剂床层中的行程缩短；对于存在催化放热反应的情况，降低床层厚度可以降低副反应发生的几率。

(3)相对于传统的轴式反应器，在同等处理量要求下，使用本发明的反应器的直径可明显缩小，缩小的程度与支撑、压紧格栅锥面的升角相关。反应器直径的缩小对于节省设备造价和制造难度具有重要意义。

(4)相对于传统的径向反应器，本发明的结构简单，工艺设计、内件的制造和安装更为简便。此外，整个床层支撑格栅上没有不开孔的无效区、取消了径向流反应器床层顶部的无效密封区域。

(5)本发明中的支撑格栅、压紧格栅属于一种结构新颖的自支撑结构。圆锥形的支撑结构使格栅的受力更为合理，各分块格栅之间相互支撑，力流传递更加科学，这可明显降低格栅的尺寸和材料消耗量。由于力学结构合理，所以本发明中反应器的催化剂格栅不需要支撑梁。

(6)在本发明的反应器中，反应流体可在催化剂床层内建立轴径向的二维流动，床层阻力低，催化剂利用率高，反应速率及反应器的生产能力均得以增加。本发明兼具轴向流反应器和径向流反应器的优点，并在一定程度上克服了传统反应器的缺点，尤其适用于有大处理量、低压力降要求的工艺过程，如催化反应过程。

(7)本发明中的气体分布器呈圆环形，可以使反应流体沿着反应器周 边均匀向下喷出，起到良好的分配效果。分布环管上的分配管嘴朝向锥形格栅的一侧倾斜，使得反应流体从分配管嘴流出后，朝向格栅流动，利于气流分配。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。