一种组合式固定床反应器的制作方法

本实用新型属于化工设备及化工机械设计和制造领域，具体涉及一种组合式固定床反应器。

背景技术：

固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径为2～15mm，堆积成一定高度(或厚度)的床层，床层静止不动，流体通过床层进行反应。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器和烃类蒸汽转化炉等，广泛应用于石油炼制工业、无机化工工业，有机化工工业等领域。

目前，传统的固定床反应器多采用列管式固定床反应器，该反应器传热面积大，传热效率高，且易控制催化剂的床层温度，但列管式反应器加工难度较大，需要的材料较多，成本较高，并且催化剂装填时要求每根管子的差压基本相同，以保证物料在每根管子中的流量和空速相同，来获得较好的反应效果。但实际上，对于大多数反应而言，随着反应的进行，反应物在物料中的浓度逐渐降低，反应速度逐渐减慢，因而反应放出的热量也大幅减少，不需要继续移出反应热，因此在列管中反应热沿轴向的分布也是不均匀的，在轴向上移出热量的需求也是不同的；另外，列管式反应器的壳程体积比管程体积大出很多，因此对于装填相同体积的催化剂，列管式反应器的体积远大于绝热式反应器。

为此，中国专利文献CN 102794138 A公开了一种用于放热反应的反应器，包含列管固定床段和绝热式固定床段，所述绝热式固定床段位于列管固定床段的下游，两段催化剂装填体积比为(0.2～5)：1，上述反应器通过在列管固定床下端设置绝热式固定床段，由此当随着反应进行，反应物浓度降低，反应放出的热量降低时，使物料进入绝热式固定床反应，由此可解决列管式反应器体积大以及列管式反应器中反应程度分布不均和移热需求不同的问题。但上述装置中反应器的设置方式，一方面，当反应物料进入绝热式固定床段并随着反应的不断进行，不可避免的存在绝热式固定床段的绝热温升范围过大，导致绝热式固定床层局部超温而引起催化剂部分失活结块，减少了催化剂的使用寿命；另一方面，随着反应的进行，反应物在物料中的浓度逐渐降低，反应速度逐渐减慢，从而使主反应速度降低和串连副反应速度增加，反应选择性下降，从而导致反应的转化率低。因此，如何对现有的固定床反应器进行改进以克服以上不足，这对于本领域技术人员而言是一个亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

本实用新型解决的是现有的固定床反应器所存在的催化剂易失活、反应转化率低等缺陷，从而提供一种组合式固定床反应器。

本实用新型实现上述目的的技术方案为：

一种组合式固定床反应器，包括：壳体，在所述壳体的顶部设置进料口，在所述壳体的底部设置出料口；

在所述壳体的内部由上向下分隔为顺次相连的等温反应床层、上绝热反应床层和下绝热反应床层，在所述上绝热反应床层和所述下绝热反应床层之间设置有冷激式换热层；

在所述等温反应床层内设置有换热结构，其包括沿轴向贯穿所述等温反应床层且作为冷却介质流通通道的若干换热列管，所述换热列管沿所述等温反应床层的轴向均匀设置，且所述换热列管的上下两端分别设置有上管板与下管板；

所述相邻两个换热列管之间、换热列管与壳体之间均设置有催化剂反应层；

所述冷却介质从冷却介质进口管路进入换热列管内并从冷却介质出口管路排出壳体。

所述等温反应床层、上绝热反应床层和下绝热反应床层的高度比为(0.55～4.1)：1：(0.35～2.0)。

所述等温反应床层、上绝热反应床层和下绝热反应床层的催化剂的装填体积比为(10～35)：(25～55)：(20～40)。

所述等温反应床层的高度为1～6米。

还包括第一气体混合分布器，所述第一气体混合分布器与设置于所述壳体上的物料进口相连通；

所述第一气体混合分布器的周壁上设置有气孔，且所述第一气体混合分布器的开孔率大于50％。

还包括设置于上绝热反应床层的下端部与下绝热反应床层的上下两端部的多孔壁板，且所述多孔壁板的开孔率不大于30％。

所述多孔壁板的气孔的开孔大小为1-10mm。

在所述冷激式换热层一端对应的所述壳体上设置第二进料口。

所述组合式固定床反应器还包括分别设置在所述等温反应床层、上绝热反应床层和下绝热反应床层下端物料出口处的热电偶和在线分析仪。

所述在线分析仪为近红外检测仪。

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：

(1)本实用新型所述的组合式固定床反应器中，所述壳体的内部由上向下分隔为顺次相连的等温反应床层、上绝热反应床层和下绝热反应床层；

其中，等温反应床层中的冷却介质吸收热量，一方面可以保持列管反应器内物料的反应温度维持在固定范围，使催化剂在合理的温度区间使用，从而提高反应效率；另一方面，冷却介质可将反应热转化为蒸汽热，由此可以很容易地将蒸汽热量用于后续反应，从而有利于降低系统能耗，避免能源浪费；此外，大部分的反应热在等温反应床层被移出，从而保证了反应器整体的温度稳定；通过在上绝热反应床层和下绝热反应床层之间设置冷激式换热层，由此当反应物料通过上绝热反应床层，产生一定的绝热温升后进入下绝热反应床层之前，与通过冷激式换热层的冷原料充分混合以降低进入下绝热反应床层的反应物的入口温度，使得催化剂在合理的温度区间使用，避免了催化剂的失活，延长了催化剂的使用寿命；另外，当随着反应的进行，反应物在物料中的浓度逐渐降低时，通过冷激式换热层进入下绝热反应床层中的冷原料可增加反应物浓度，进而提高主反应速度和反应选择性，由此提高整体反应的转化率；再者，等温反应床层中的催化剂设置于相邻两个换热列管之间的间隙处和换热列管与壳体之间的间隙处，由于在列管式反应器中，壳程体积比管程体积大出许多，因此上述催化剂的装填方式可增大催化剂的装填量，由此提高催化剂床层利用率，进而提高反应器的生产能力和原料转化率。

综上，本实用新型中的组合式固定床反应器通过将等温反应床层、上绝热反应床层和下绝热反应床层有效的组合，具有反应器尺寸小、移热效果佳、催化剂使用寿命长、反应转化率高等优势。

(2)本实用新型所述的组合式固定床反应器中，通过将等温反应床层、上绝热反应床层和下绝热反应床层的高度比维持在(0.55～4.1)：1：(0.35～2.0) 的范围之内，同时将等温反应床层、上绝热反应床层和下绝热反应床层的催化剂装填体积比控制在(10～35)：(25～55)：(20～40)的范围之内，由此使得物料分别通过等温反应床层、上绝热反应床层和下绝热反应床层时的转化率达到最高，提高了反应器的生产能力，同时最大限度地减少了反应器的尺寸。

(3)本实用新型所述的组合式固定床反应器中，第一气体混合分布器与设置于壳体上的物料进口相连通，且第一气体混合分布器的周壁上设置有气孔，这样可使反应气体均匀分布，防止气体偏流，保证反应器内轴向各处催化剂床层的负荷一致。

(4)本实用新型所述的组合式固定床反应器中，在上绝热反应床层下端部与下绝热反应床层的上下两端部分别设置有多孔壁板，且多孔壁板的开孔率不大于30％，这样可使反应气与催化剂有充足的接触时间，提高催化效率。

附图说明

图1为实施例1提供的组合式固定床反应器的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

其中，附图标记如下所示：

1-壳体；2-进料口；3-出料口；4-等温反应床层；5-上绝热反应床层；6- 下绝热反应床层；7-冷激式换热层；8-换热列管；9-上管板；10-下管板；11- 第一气体混合分布器；12-多孔壁板；13-第二进料口；14-冷却介质进口管路； 15-冷却介质出口管路。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本实施例所述的组合式固定床反应器包括：

壳体1，在所述壳体1的顶部设置进料口2，在所述壳体1的底部设置出料口3；在所述壳体1的内部由上向下分隔为顺次相连的等温反应床层4、上绝热反应床层5和下绝热反应床层6，在所述等温反应床层4内设置有换热结构，其包括沿轴向贯穿所述等温反应床层4且作为冷却介质流通通道的若干换热列管8，冷却介质从冷却介质进口管路14进入换热列管8内并从冷却介质出口管路15排出壳体1。所述换热列管8沿所述等温反应床层4的轴向均匀设置，且所述换热列管8的上下两端分别设置有上管板9与下管板10，物料由进料口2进入等温反应床层4中的相邻两个换热列管8之间和换热列管8与壳体1之间的间隙处进行催化反应，然后由换热列管8的下部排出且进入上绝热反应床层5进行绝热催化反应，由于在等温列管式反应器中，壳程体积比管程体积大出许多，因此相同体积的等温列管式反应器中，与催化剂装填在换热列管8之内相比，将催化剂装填在换热列管8之间的间隙处和换热列管8与壳体1之间的间隙处可明显提高催化剂的装填量，由此提高催化剂床层利用率，进而提高反应器的生产能力和原料转化率；此外，等温反应床层4中的冷却介质吸收热量，一方面可以保持列管反应器内物料的反应温度维持在固定范围，使催化剂在合理的温度区间使用，从而提高反应效率；另一方面，冷却介质可将催化反应的反应热转化为蒸汽热，由此可以很容易地将蒸汽热量用于后续反应，从而有利于降低系统能耗，避免能源浪费，此外，大部分的反应热在等温反应床层被移出，从而保证了反应器整体的温度稳定，在本实施例中的冷却介质为饱和水。

本实施例在上绝热反应床层5和下绝热反应床层6之间设置有冷激式换热层7，这样当反应物料通过上绝热反应床层5，产生一定的绝热温升后进入下绝热反应床层6之前，与从壳体1的第二进料口13进入冷激式换热层7 的冷原料充分混合以降低进入下绝热反应床层6的反应物的入口温度，使得催化剂在合理的温度区间使用，避免了催化剂的失活，延长了催化剂的使用寿命；另外，当随着反应的进行，反应物在物料中的浓度逐渐降低时，通过第二进料口13进入冷激式换热层7，进而进入下绝热反应床层6中的冷原料可增加反应物浓度，进而提高主反应速度和反应选择性，由此提高整体反应的转化率。

进一步地，本实施例所述的组合式固定床反应器中，等温反应床层4、上绝热反应床层5和下绝热反应床层6的高度比为2：1：0.5，在其他实施例中，等温反应床层4、上绝热反应床层5和下绝热反应床层6的高度比可为(0.55～4.1)：1：(0.35～2.0)范围之内的任意数值；同时在本实施例中，等温反应床层4、上绝热反应床层5和下绝热反应床层6的催化剂的装填体积比为25：35：30，在其他实施例中，等温反应床层4、上绝热反应床层5 和下绝热反应床层6的催化剂的装填体积比可为(10～35)：(25～55)：(20～40) 范围之内的任意数值；本实施例中等温反应床层的高度为3米，在其他实施例中，等温反应床层的高度可为1～5米之间的任意数值，本实施例通过控制反应器各床层的高度比与催化剂装填体积比，使得物料分别通过等温反应床层4、上绝热反应床层5和下绝热反应床层6时的转化率达到最高，由此提高了反应器的生产能力，同时最大限度地减少了反应器的尺寸。

与此同时，本实施例中的固定床反应器还包括第一气体混合分布器11，该第一气体混合分布器11与设置于壳体1上的物料进口相连通，且其周壁上设置有气孔，在本实施例中，第一气体混合分布器11的周壁气孔的开孔率为70％，在其他实施例中，第一气体混合分布器11的周壁气孔的开孔率可为大于50％的任意数值，由此可使反应气体均匀分布，防止气体偏流，保证反应器内轴向各处催化剂床层的负荷一致。

进一步地，本实施例还包括设置于上绝热反应床层5的下端部与下绝热反应床层6的上下两端部的多孔壁板12，该多孔壁板12可用于固定上绝热反应床层5和下绝热反应床层6内的催化剂，在本实施例中，多孔壁板12 的开孔率为20％，在其他实施例中，多孔壁板12的开孔率可为不大于30％的任意数值；且多孔壁板12的气孔的开孔大小为5mm，在其他实施例中，多孔壁板12的气孔的开孔大小可为1-10mm之间的任意数值，这样可使反应气与催化剂有充足的接触时间，提高催化效率。

本实施例提供的反应器还包括分别设置在等温反应床层4、上绝热反应床层5和下绝热反应床层6下端物料出口处的热电偶和在线分析仪，在本实施例中，在线分析仪具体为近红外检测仪，由此可随时监测各反应床层的温度和物料转化率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。