专利名称：丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种流化床反应器，尤其是涉及一种丁烯氧化脱氢制丁二烯的流化床反应器。
背景技术：
丁二烯是最简单的共轭二烯烃，其结构式为:CH2=CH-CH=CH2,属于有机化合物。丁二烯是一种重要的石油化工产品，是生产合成橡胶及其他高分子合成材料的重要单体，也是重要的基础化工原料。在工程塑料和有机化工产品的合成以及精细化学品的生产中也有广泛应用。目前，丁二烯的生产方法主要有碳四馏分分离法及合成法(包括催化脱氢和氧化脱氢)。碳四馏分分离法曾经提供了 90%以上的丁二烯供应量，但该工艺存在这样的问题:必须安装新的裂解器，成本较高；裂解反应能耗过大；并非生产丁二烯的独立工艺。随着丁二烯需求的迅猛增加，分离法已不能满足需要。催化脱氢法是一种生产丁二烯的独立工艺，但该法存在诸多问题:反应转化率受到化学平衡限制而较低；能耗高而且蒸汽用量大；裂解和二次反应问题严重；高温下催化剂表面易出现焦炭沉积，这会降低催化剂活性。所以催化脱氢法并不适于丁二烯的商业化生产。与催化脱氢法相比，氧化脱氢法的优势明显:氧化脱氢中丁烯的平衡转化率理论上接近100%，这比催化脱氢有大幅提高；氧化脱氢为放热反应，无需额外的热量供应，减小了能耗；氧化脱氢在较低温度即可获得较高的丁二烯产率，且低温和氧气能有效抑制裂解反应以及催化剂表面焦炭的沉积；氧化脱氢反应生成了水，降低了水耗。丁烯氧化脱氢制丁二烯的反应器主要采用两种床型，即固定床和流化床，固定床又可分为绝热式固定床和恒温列管式固定床两种。绝热固定床进料温度要求高，水蒸气耗量也较大，操作条件苛刻，反应器内局部温度高,导致转化率、收率较低,生产成本过高。恒温列管式固定床设备结构复杂,对材质要求较高，催化剂结炭严重，管子容易堵塞。此外，固定床反应器在工程放大上存在许多困难，均难以实现工业化。丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器操作于鼓泡或湍动流态化状态，有许多优点:结构简单，操作方便；流化稳定，床层空隙率分布均匀，气体返混小；进料温度要求低，工艺简化；气-固传热、传质速率高，反应器内温度分布均匀；床内换热管传热效果很好，换热器金属耗量小；能耗、水耗少，生产成本低；工业放大性能优异，宜于大规模操作；催化剂的装卸补充比较方便。综上可见，丁烯氧化脱氢是制备丁二烯的先进独立工艺，而流化床反应器由于自身的优点又特别适合这样的工艺体系，因此流化床丁烯氧化脱氢制丁二烯技术得到了广泛应用，在丁二烯产业中扮演着重要角色。随着丁二烯需求的增加，其生产设备也向着大型化发展，现有的丁二烯流化床反应器最大直径达3.4m。然而，目前放大后的设备仍然照搬早期小型设备的结构，这给工业生产带来了一些新的问题:首先，小型流化床反应器采用结构简单的平直型气体分布板，然而在大直径流化床反应器中，由于催化剂颗粒的负荷较重，采用平直型分布器容易出现无法预测的受压弯曲，这对床层流化质量以及流化床操作的稳定性均会产生不良影响，最终会导致合成反应的收率降低。其次，丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器工作温度发生波动时会引起设备的热胀冷缩。分布板由于受到流体冲刷而温度较低，与流化床筒体温差可能高达200°c，因此分布板与反应器筒体间连接部位最易发生热应力破坏，这在大尺寸设备中更为严重。平直型气体分布板由于结构所限无法有效吸收热应力，不能提供可靠的热补偿。在大型流化床中采用该结构使得热应力问题更为突出，给设备和人身安全均造成较大隐患。最后，由于氧化脱氢制丁二烯挡板流化床反应器的内构件众多且结构复杂，为了便于检修，已有的小型反应器均采用法兰连接的形式。气体分布板被法兰片夹持固定在反应器筒体上，拆开法兰就能进行反应器内部的检修工作。然而在大型流化床中采用法兰连接会产生诸多问题:法兰片厚度过大，其材料、加工、安装费用大幅提高；大型法兰的装卸工作量很大，操作费时，这会延缓检修工作的进度，影响正常生产。
发明内容本实用新型的目的是提出一种结构简单、造价低、安装检修方便、适用于大规模生产的流化床反应器。为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下:一种丁烯氧化脱氢制丁二烯的流化床反应器，它是由壳体，进气管、气体出口，进料口，卸料口，气体分布板和人孔组成，壳体由下部锥底、中部直段、上部扩大段构成，锥底的中部设有进气管和人孔，锥底的底部有锥底卸料口，锥底和直段之间有下凹式气体分布板，直段下部有直段卸料口、直段中部有换热管和横向挡板，换热管通过换热介质的进口和换热介质的出口与壳体外的进水环管和集汽环管相连，直段上部有人孔和进料口，扩大段内有旋风分离器，扩大段顶部设有气体出口和吊装孔。如上所述的下凹式气体分布板下凹圆弧的弦高为80-500毫米，焊接安装在锥底和直段之间。下凹式气体分布板上开有许多小孔，开孔率为0.5%-5%，孔径为15-40毫米，小孔内装设侧流型风帽，如侧缝式锥形风帽；分布板中心还开设一个卸料孔，孔径为60-200毫米。如上所述的锥底采用倒置圆锥结构，锥底角度为45-60°。如上所述的横向挡板采用百叶窗式多旋导向挡板结构，沿密相区床层高度方向可以布置多层挡板，挡板间距为100-400毫米，所述挡板由许多小的档板单元格拼装而成，单元格尺寸在300 X 300mm2到600 X 600mm2之间，挡板斜片厚度δ为2_6毫米，斜片倾角Θ为45-55°，斜片高度h和斜片间距s为20-60毫米。换热管为套管式换热器,换热管可以单级或者多级布置,其内套管内径为15-50晕米，夕卜套管内径为60-150晕米。如上所述的旋风分离器采用分级串联、多组并联的布置形式。气体分布板采用下凹式孔板结构，其主要作用为支承催化剂层、均匀分配气体以及利用阻力来维持流化床层的稳定；下凹式设计使得中间料层厚，这有助于防止沟流以及提高流化质量；下凹板负重能力强、热补偿性能优，适合于载荷较大、热应力问题较突出的放大规模氧化脱氢流化床反应器；所述下凹式气体分布板的中心(最低)处开设了一个卸料口，以便与筒体上的卸料口配合使用，实现完全卸料；所述气体分布板直接焊接在反应器筒体壁面上，对反应器内部设备的检修工作则借助设置在反应器锥底、直段及扩大段各处的人孔来完成，在大型装置中采用分布板焊接配合多个人孔的方案替代法兰夹持方案既能保证设备正常检修又有效降低了设备的投资、安装费用，更重要的是大大缩减了检修的工作量与耗时。所述换热管位于反应器中部直段的密相区，管子均匀的布满反应床层的横截面以维持床层温度均匀分布；换热器中的冷却介质不断将催化反应放出的多余热量移出，使反应温度维持在最佳状态，换热管可以一级或者多级布置，它们还起到了纵向内构件的作用。所述挡板为百叶窗式多旋导向挡板，挡板层数取决于密相区高度以及挡板间距的大小，挡板的作用是破碎床层中的大气泡、改善气固接触、提高流化质量、减小气体轴向返混，从而增加反应速率并且提高选择性和转化率；挡板与反应器筒体内壁间留有一定的间隙，以促进催化剂颗粒的内部循环(轴向返混)；整个档板由许多小的单元格拼装而成，每个单元格可以进行独立的拆装操作，这使得挡板的安装、检修工作更为灵活和便捷。所述扩大段的作用是降低空塔气速，促成催化剂颗粒的沉降分离，扩大段尺寸还需满足旋风分离器的安装空间要求；所述旋风分离器为漏斗形，它借助离心力实现气固分离，根据实际需要旋风分离器可采用分级串联、多组并联的布置形式；所述人孔作检修用；所述进料、卸料口用于催化剂的装卸与更换；所述吊装孔用来吊装设备。本实用新型的优点在于:1.气体分布板采用下凹式设计使得中间料层厚，这有助于防止沟流以及提高流化质量；下凹板能够承受较大的床层压力且不易出现无法预测的变形，这有助于保证大型反应器的稳定操作以及其中流体的均匀分布。2.下凹式分布板弯曲的弧度能够有效吸收热应力，具有较好热补偿的作用，采用这种分布板提高了设备的健壮性和安全性。3.采用分布板焊接安装、人孔检修的方式在保证检修质量的同时有效缩短了大型流化床反应器的检修工作量和时间。4.分布板采用焊接装配方式，与法兰夹持相比，投资和安装费用均有所降低。
图1为本实用新型横向挡板的主视图。图2为本实用新型横向挡板的俯视图。图3为本实用新型的纵向剖视图。图中:1为锥底；2为进气管；3为下凹式气体分布板；4为侧缝式锥形风帽；5为进水环管；6为集汽环管；7为人孔；8为直段；9为扩大段；10为旋风分离器；11为吊装孔；12为气体出口 ；13为进料口 ；14为换热管内套管；15为换热管外套管；16为横向挡板；17为直段卸料口，18为分布板卸料口，19为锥底卸料口，δ为斜片厚度，Θ为斜片倾角，h为斜片高度，S为斜片间距。
具体实施方式
以下结合附图对本文实用新型作进一步描述。实施例1壳体由下部锥底1、中部直段8、上部扩大段9构成，锥底I的中部设有进气管2和人孔7，锥底I的底部有锥底卸料口 19，锥底I采用倒置圆锥结构，锥底角度为45°。下凹式气体分布板3焊接安装在锥底I和直段8之间，其下凹圆弧的弦高为80毫米，开孔率为
0.5%，其上开有孔径为15毫米的小孔，小孔内装有侧缝式锥形风帽4，其中心开设一个孔径为60毫米的卸料孔18。直段8下部有直段卸料口 17、中部有内套管14和外套管15组成的换热管，内套管内径为15毫米,外套管内径为60毫米，内套管14和外套管15分别通过换热介质进口和换热介质出口与壳体外的进水环管5和集汽环管6相连。直段8中部的横向挡板16采用百叶窗式多旋导向挡板结构，沿密相区床层高度方向可以布置多层挡板，挡板间距为100毫米，挡板16由许多小的档板单元格拼装而成，单元格尺寸为300X300mm2，挡板斜片厚度S为2毫米，斜片倾角Θ为45°，斜片高度h和斜片间距s均为20毫米。直段8上部有人孔7和进料口 13，扩大段9内有旋风分离器10，旋风分离器10采用分级串联的布置形式，扩大段9顶部设有气体出口 12和吊装孔11。丁二烯合成原料气由进气管2进入锥底I中进行气体预分布，之后通过下凹式气体分布板3上的侧缝式锥形风帽4进行气体再分配，均匀分布的气体在密相区使催化剂颗粒达到流态化状态，气固接触进行催化反应，气体在密相床层中继续向上流动，穿过横向挡板16的间隙进入稀相区，随后夹带着催化剂颗粒的气体进入旋风分离器10中进行气固分离，净化后的气体由气体出口 12流出反应器本体并进入下游工序。丁二烯合成反应会释放出很大热量，通过设置在密相区内的换热管14、15可以迅速移出多余的热量，保证脱氢反应处于最佳的温度条件下进行。冷却水经进水环管5分配至内套管14中，再由内套管14的底部开口流入外套管15中，吸收床层放热量并汽化后经外套管15离开反应器并汇集于集汽管6中。循环流动的冷却介质与床层间持续换热，使得床层温度能够维持在最佳的反应条件下。实施例2锥底I采用倒置圆锥结构，锥底角度为55°。气体分布板3下凹圆弧的弦高为300毫米，开孔率为2.5%，其上开有孔径为30毫米的小孔，中心开设一个孔径为150毫米的卸料孔18。换热内套管14内径为30毫米，外套管15内径为100毫米。横向挡板16间距为250毫米，挡板单元格尺寸为450X450mm2，挡板斜片厚度δ为4毫米，斜片倾角Θ为50°，斜片高度h和斜片间距s均为40毫米。其余部分与实施例1相同。实施例3锥底I采用倒置圆锥结构，锥底角度为60°。气体分布板3下凹圆弧的弦高为500毫米，开孔率为5%，其上开有孔径为40毫米的小孔，中心开设一个孔径为200毫米的卸料孔18。换热内套管14内径为50毫米，外套管15内径为150毫米。横向挡板16间距为400毫米，挡板单元格尺寸为600X600_2，挡板斜片厚度δ为6毫米，斜片倾角Θ为55°，斜片高度h和斜片间距s均为60毫米。其余部分与实施例1相同。
权利要求1.一种丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器，它是由壳体，进气管、气体出口，进料口，卸料口，气体分布板和人孔组成，其特征在于壳体由下部锥底(I)、中部直段(8)、上部扩大段(9)构成，锥底(I)的中部设有进气管(2)和人孔(7)，锥底(I)的底部有锥底卸料口(19)，锥底(I)和直段(8)之间有下凹式气体分布板(3)，直段(8)下部有直段卸料口(17)、直段(8)中部有换热管和横向挡板(16),换热管通过换热介质的进口和换热介质的出口与壳体外的进水环管(5)和集汽环管(6)相连，直段(8)上部有人孔(7)和进料口(13)，扩大段(9)内有旋风分离器(10)，扩大段(9)顶部设有气体出口(12)和吊装孔(11)。
2.如权利要求1所述的一种丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器，其特征在于所述的下凹式气体分布板(3)下凹圆弧的弦高为80-500毫米。
3.如权利要求1所述的一种丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器，其特征在于所述的下凹式气体分布板(3)开有小孔，开孔率为0.5%-5%，孔径为15-40毫米。
4.如权利要求1所述的一种丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器，其特征在于所述的下凹式气体分布板(3)小孔装设侧流型风帽，分布板中心开设一个卸料孔，孔径为60-200毫米。
5.如权利要求1所述的一种丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器，其特征在于所述的锥底(I)采用倒置圆锥结构，锥底角度为45-60°。
6.如权利要求1所述的一种丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器，其特征在于所述的横向挡板(16)采用百叶窗式多旋导向挡板结构，由许多小的档板单元格拼装而成，挡板间距为100-400毫米，单元格尺寸在300X 300mm2到600X600mm2之间，挡板斜片厚度δ为2-6毫米，斜片倾角Θ为45-55°，斜片高度h和斜片间距s为20-60毫米。
7.如权利要求1所述的一种丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器，其特征在于所述的换热管为套管式换热器，换热管可以单级或者多级布置，其内套管内径为15-50毫米,外套管内径为60-150晕米。
8.如权利要求1所述的一种丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器，其特征在于所述的旋风分离器(10)采用分级串联、多组并联的布置形式。
专利摘要一种丁烯氧化脱氢制丁二烯流化床反应器是由壳体，进气管、气体出口，进料口，卸料口，气体分布板和人孔组成，壳体由下部锥底(1)、中部直段(8)、上部扩大段(9)构成，锥底(1)的中部设有进气管(2)和人孔(7)，锥底(1)的底部有锥底卸料口(19)，锥底(1)和直段(8)之间有下凹式气体分布板(3)，直段(8)下部有直段卸料口(17)、直段(8)中部有换热管和横向挡板(16)，换热管通过换热介质的进口和换热介质的出口与壳体外的进水环管(5)和集汽环管(6)相连，直段(8)上部有人孔(7)和进料口(13)。本实用新型具有结构简单、造价低、安装检修方便、适用于大规模生产的优点。
文档编号C07C5/48GK202983653SQ20122063259
公开日2013年6月12日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者张磊, 赵建涛, 王洋, 房倚天, 黄戒介, 张永奇, 刘秉伟, 冯浩, 张建民, 王伟 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所