专利名称：一种流化床反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于宽粒径分布流化颗粒体系、强放热和容易结块的气固相流化床反应器。
背景技术：
流化床反应器涉及到很多宽粒径分布的固体原料或者固体颗粒粒径随反应进行逐渐减小的体系，比如工业煤粉燃烧、冶金工业中的矿石培烧、化学工业中的有机硅单体合成等。
对于流化床锅炉，由于燃料(煤粉)粒度的宽粒径分布以及运行风速对鼓泡流化床和循环流化床的工况有较大影响，炉内气固流动过程比较复杂，颗粒相浓度范围从高到低变化很大(达1～1000kg/Nm3)。而且在燃烧过程中，往往遇到的是变质量运动问题，如煤粒在给入流化床后的热破碎、挥发份析出、着火及燃烧反应失重等。
有机硅单体(甲基氯硅烷)通常采用Rochow直接法合成，合成反应中的固体原料为硅粉颗粒，催化剂为铜粉颗粒，氯甲烷及气态反应产物起到流化介质的作用，反应过程为气-固-固反应。未反应的氯甲烷、气态的甲基氯硅烷、气态的副产品、催化剂成分以及微细粉尘离开反应器。硅粉和铜粉的充分接触和有效的撤出反应热对反应有着重要的影响，因此工业上都采用连续流化床反应器来实现甲基氯硅烷单体的生产。为了得到尽可能高的目标产物(二甲基二氯硅烷)的选择性，不仅需要尽可能高的产率(每单位时间及反应体积所形成的硅烷数量)，而且需要尽可能高的硅转化率及整个工厂的可靠和弹性操作。硅粉颗粒本身就具有很宽的粒径分布，并且在生产过程中，硅粉被不断的消耗，粒径发生变化，同时向反应器不断的补充新鲜的硅粉。此外，催化剂铜粉的粒径相对较小，与硅粉粒径有较大差异。因此，在有机硅单体流化床反应器的主要特征是固体颗粒粒径分布宽，含有较多的细粉，需实现不同粒径颗粒的充分混合。关键是需要解决反应的传热问题和宽分布颗粒的流化问题。
直接法合成甲基氯硅烷是强放热反应，为及时排出反应放出的热量，一般都在流化床内设置U型管或指形套管作为换热结构，现在使用的U型管或指形套管有的每根管单独与外管连接，有的以几根管为一组，然后与外管连接。但是，由于反应容易结块，导致流化状态恶化，产品质量下降，反应选择性降低。U型管底部会积灰结块，导致局部过热发烧的问题，而采用指形套管型换热器。但由于其设置在流化床顶部，指形套管很长，造成上下换热不匀，底部换热强度高，而顶部换热强度低。
专利CN2456835Y介绍了两种现有有机硅单体合成流化床反应器，一种为水蒸发取热的半锥床反应器；另一种为单纯油取热的圆柱床反应器。水蒸发取热的半锥床反应器的半锥床底部有适当厚度的无取热面反应层。它是采用间歇(或不均匀)加水至指形管群底部，沸腾水在很短的区域内蒸发，水蒸发区的末端已经把触体(催化剂+硅粉)颗料冷却到反应温度以下。再往上的床层颗粒均低于反应温度，这些触体不发生合成反应。这类反应器生产能力低，床底温度波动频繁，产生的蒸汽流量极不稳定，故很难综合利用这部分热能。
一般流化床的底部区域采用锥形床，提高流化速度使不同粒径的物料都充分流化，而顶部采用放大段，使气速降低，从而使物料易于沉积下来，不易被气体带出，降低其后的分离系统的负荷。但对于反应放热量很大的大型流化床有几十甚至上百根换热管，传热管束的加入，对于均径直筒体流化床，会显著降低床体有效截面积，造成空塔气速过高，从而使粒度小的颗粒容易被吹出去，特别是对于有机硅单体生产过程，由于催化剂铜粉的粒度很小，容易使催化剂被吹出床体，从而影响反应过程。
专利CN1425494A介绍了一种适用于宽筛分流化颗粒的大型流化床反应器，其由主床、锥形床、指形管换热内构件、气体分布器组成，其特征是在锥形床底部的气体分布器上引入上小下大的倒内锥体结构，其半锥角5～13度。在锥形床中引入倒内锥体结构后，在通气量一定的情况下，可以有效的改变流化横截面积，在床层下部的气速就相对的大一些，以利于颗粒的初始流化，从而提高流化质量。引入倒内锥体结构的另一个优点就是有利于该类反应器的放大设计。如果单纯的在设计中只采用锥形床结构，那么如果流化床反应器的规模进一步扩大，为了保证锥形床的半倾角在一定范围内，锥形床部分的高度必然会很大，这样就给整个反应器的合理设计和加工带来困难，甚至不能满足化学工艺条件。通过引入内锥体结构，就可以很好的将锥形床的高度控制在一定范围内。
发明内容
本发明的目的在于提供适用于宽粒径分布流化颗粒体系、强放热和容易结块的一种气固相流化床反应器，尤其适用于固体颗粒的粒度分布较宽，或固体颗粒参加反应，其粒度随着反应过程逐渐变小的气固反应体系。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是本发明包括依次由上部封头、上大下小的上部锥体、筒体、上大下小的下部锥体、气体预分布室和下部封头构成；在下部锥体与气体预分布室间设置气体分布器，气体分布器上对称分布有不同长度的垂直指形套管束，垂直指形套管束顶部末端形成成中间高四周低的圆锥面，垂直指形套管束与装在下部锥体外的换热介质进口和换热介质出口连通，下部锥体外还装有回料加料口和原料固体加料口，气体预分布室外装有原料气进口，上部封头装有不同长度的下垂式指形套管束，下垂式指形套管束下部末端形成中间低四周高的圆锥面，上部锥体开有合成气出口和与下垂式指形套管束连通的指形套管换热介质进口，上部封头上装有指形套管换热介质出口。
所述的气体分布器上对称分布不同长度的垂直指形套管束，垂直指形套管束顶部末端形成中间高四周低的圆锥面，其锥角范围为30～150度。
所述的垂直指形套管束安装在气体分布器上方，呈多层等距或不等距同心圆分布或正三角形均布。
所述的下垂式指形套管束分区布置，按照隔行分区或同心圆分区或角度分区，根据筒体直径和换热管数目分为1～4分区，分区数和指形套管换热介质进口数目相同。
所述的上部封头装有不同长度的下垂式指形套管束，下垂式指形套管束的下部末端形成中间低四周高圆锥面，其锥角范围为30～150度。
所述的反应器的筒体高度为5～15米，筒体直径为0.5～6米，反应器从底部到顶部采用变锥角筒体。上部锥体和下部锥体的锥形角度为5～30度。
该流化床反应器的上部锥体和下部锥体的锥形角度，下垂式指形套管束和垂直指形套管束的长度在轴向的分布，可根据物料粒径分布进行配合变化，使得流化床内底部气速大而顶部气速小。在通气量一定的情况下，可以有效的改变流化床反应器床体的横截面积。在反应器下部锥体的气速相对于圆柱形床和普通锥形床要大，有利于颗粒的初始流化，尤其是粒径宽分布物料中大颗粒的初始流化，从而提高流化质量。而在反应器顶部，采用小锥角的锥形床体，在避免积灰结块的前提下，可以显著提高床体的横截面积，降低空塔气速，使得小颗粒(催化剂或固体反应物)可以尽可能的落下回到筒体和下部锥体，减少流化床反应器的外部旋风分离设备或过滤设备的负荷。使反应所形成的且被反应产物所携出的微细催化剂粉尘和原料粉尘，可以有效地重新加以利用。优点就是有利于延长细反应原料和催化剂粉末在反应器内的停留时间。换热介质可以从流化床反应器顶部进入下垂式悬挂指形套管束，同时可进入流化床底部的气体分布器上的垂直指形套管束，实现对流化床反应器内部的上下分段控温。反应一般集中在气体分布器上方附近区域，此区域放热量大，因此采用反应器底部的垂直指形换热套管束可以有效的撤除反应热量，使反应平稳进行，避免局部过热，产生炭化和结块问题。
下垂式悬挂指形套管束和垂直指形换热套管束两段换热管束均可采用分区加入的设计形式。换热介质从反应器顶部通过几个不同的分区进入指形管换热构件，经换热后排出。分区数目根据流化床筒体直径大小可以为1～4个，换热介质(水蒸气或者换热油)的排出集中在一个出口。通过这样的分区设计，可以将换热介质均匀分布，同时也方便了反应器的放大设计。
通过以上设计和局部调整具体的参数可以达到最优化的操作状态。
本发明具有的有益的效果是流化床的上部锥体和下部锥体的锥度和两段指形换热管的长度在轴向的分布，根据物料粒径分布进行配合变化，使得流化床内底部气速大而顶部气速小，所以本发明流化床反应器可以有效的处理宽粒径分布颗粒的流化，调整流化横截面积，改善流化质量。同时由于换热介质采取分段和分区加入的设计形式进行控温，易于满足工艺要求。本发明流化床反应器适用于宽粒径分布的流化颗粒体系、放热量大和反应物易结块的气固相反应。
图1为本发明的变锥体流化床反应器结构示意图；图2为本发明的气体分布器和底部垂直换热管束分布示意图；图3为本发明的指形套管束换热管分区示意图；图4为本发明流化床反应器和传统半锥直筒床反应器的空塔气速比较图。
图中1、指形套管换热介质出口，2、指形套管换热介质进口，3、下垂式指形套管束，4、半管夹套，5、上部锥体，6、筒体，7、下部锥体，8、回料加料口，9、垂直指形套管束，10、气体分布器，11、换热介质进口，12、气体预分布室，13、下部封头，14、原料气进口，15、换热介质出口，16、原料固体加料口，17、合成气出口，18上部封头。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明依次由上部封头18、上大下小的上部锥体5、筒体6、上大下小的下部锥体7、气体预分布室12和下部封头13构成；在下部锥体7与气体预分布室12间设置气体分布器10，气体分布器10上对称分布有不同长度的垂直指形套管束9，垂直指形套管束9顶部末端形成中间高四周低的圆锥面，垂直指形套管束9与装在下部锥体7外的换热介质进口11和换热介质出口15连通，下部锥体7外还装有回料加料口8和原料固体加料口16，气体预分布室12外装有原料气进口14，上部封头18装有不同长度的下垂式指形套管束3，下垂式指形套管束3下部末端形成中间低四周高的圆锥面，上部锥体5开有合成气出口17和与下垂式指形套管束3连通的指形套管换热介质进口2，上部封头18上装有指形套管换热介质出口1。
所述的气体分布器10上对称分布的不同长度的垂直指形套管束9，垂直指形套管束9顶部末端形成中间高四周低的圆锥面，其锥角范围为30～150度。
如图2所示，所述的垂直指形套管束9安装在气体分布器10上方，呈多层等距或不等距同心圆分布或正三角形均布。
如图3所示，所述的下垂式指形套管束3分区布置，按照隔行分区(如图3a所示)或同心圆分区(如图3b所示)或角度分区(如图3c所示)，根据筒体6直径和换热管数目分为1～4分区，分区数和指形套管换热介质进口2数目相同。
所述的上部封头18装有不同长度的下垂式指形套管束3，下垂式指形套管束3的下部末端形成的中间低四周高圆锥面，其锥角范围为30～150度。
所述的反应器的筒体6高度为5～15米，筒体6直径为0.5～6米，反应器从底部到顶部采用变锥角筒体。上部锥体5和下部锥体7的锥形角度为5～30度。
本发明的工作原理如下原料气经过原料气进口14后在气体预分布室12内向四周分布，然后进入气体分布器10，气体分布更均匀。气体分布器10的开孔率、开孔数目、喷嘴倾斜角度及孔径，结合反应器和垂直指形套管束9的参数和床层压降来优化设计，保证流化床反应器处于最优化的操作状态。
反应物固体原料预先加入反应器，由气体流化后带入下部锥体7和筒体6内发生反应。气相反应产物从合成气出口17排出。在反应中需要补充的原料固体，从原料固体加料口16进入下部锥体7，从反应器外部分离器回收的细颗粒，需要从回料加料口8返回下部锥体7。
所述流化床反应器内部安装有多根竖直排列的下垂式指形套管束3和垂直指形套管束9，用于移出反应热。指形套管束的引入可以使得该流化床反应器特别适用于那些强放热的反应体系。且无横向换热和流化构件，因此可避免积灰和结块。指形套管束的分布方式可采用多层等距或不等距同心圆分布或正三角形均布。换热介质可以采用脱盐水汽化的方式，或者采用导热油换热的方式。可以根据实际换热能力来调整换热构件的数目。设置在床体内的换热结构包括设置在上部锥体5、筒体6和下部锥体7内的均匀分布的下垂式指形套管束3；设置在下部锥体7内，气体分布器10上部的均匀分布的垂直指形套管束9；和在流化床反应器床体外部设置的半管夹套4。本发明采用两段换热管束方式，进行分段控温。上部下垂式指形套管束3由换热介质从指形套管换热介质进口2均匀流入每根指形套管夹套内，经换热后从指形套管中心孔汇入换热介质出口1，再流出流化床；下部换热管束由换热介质进口11均匀流入每根指形套管夹套内，经换热后从指形套管中心孔汇入换热介质出口15，再流出流化床；在本发明中，下垂式指形套管束3可进一步采取分区设计的形式，如图3所示，按照隔行分区(如图3a所示分为2个区)或同心圆分区(如图3b所示分为2个区)或角度分区(如图3c所示分为3个区)，根据筒体6直径和指形换热管数目分为1～4分区，分区数和指形套管换热介质进口2数目相同。此设计可有效的控制反应撤热。
实施例图4为本发明流化床反应器和传统半锥直筒床反应器的空塔气速比较图。图4的横坐标为流化床反应器高度H，图4的纵坐标为空塔气速V。和常用的半锥直筒流化床反应器(直径1.6米)相比，本发明的变锥形床体和指形换热管束配合，形成的横截面积在反应器底部更小，空塔气速V更高，有利于大颗粒的流化；反应器顶部的横截面积相对更大，空塔气速显著降低，有利于小颗粒或催化剂粉末的回落，减轻分离和过滤装置的负荷。反应温度控制更加稳定和方便。
权利要求
1.一种流化床反应器，其特征在于依次由上部封头(18)、上大下小的上部锥体(5)、筒体(6)、上大下小的下部锥体(7)、气体预分布室(12)和下部封头(13)构成；在下部锥体(7)与气体预分布室(12)间设置气体分布器(10)，气体分布器(10)上对称分布有不同长度的垂直指形套管束(9)，垂直指形套管束(9)顶部末端形成成中间高四周低的圆锥面，垂直指形套管束(9)与装在下部锥体(7)外的换热介质进口(11)和换热介质出口(15)连通，下部锥体(7)外还装有回料加料口(8)和原料固体加料口(16)，气体预分布室(12)外装有原料气进口(14)，上部封头(18)装有不同长度的下垂式指形套管束(3)，下垂式指形套管束(3)下部末端形成中间低四周高的圆锥面，上部锥体(5)开有合成气出口(17)和与下垂式指形套管束(3)连通的指形套管换热介质进口(2)，上部封头(18)上装有指形套管换热介质出口(1)。
2.根据权利要求1所述的一种流化床反应器，其特征在于所述的气体分布器(10)上对称分布的不同长度的垂直指形套管束(9)，垂直指形套管束(9)顶部末端形成中间高四周低的圆锥面，其锥角范围为30～150度。
3.根据权利要求1所述的一种流化床反应器，其特征在于所述的垂直指形套管束(9)安装在气体分布器(10)上方，呈多层等距或不等距同心圆分布或正三角形均布。
4.根据权利要求1所述的一种流化床反应器，其特征在于所述的下垂式指形套管束(3)分区布置，按照隔行分区或同心圆分区或角度分区，根据筒体(6)直径和换热管数目分为1～4分区，分区数和指形套管换热介质进口(2)数目相同。
5.根据权利要求1所述的一种流化床反应器，其特征在于所述的上部封头(18)装有不同长度的下垂式指形套管束(3)，下垂式指形套管束(3)的下部末端形成中间低四周高圆锥面，其锥角范围为30～150度。
6.根据权利要求1所述的一种流化床反应器，其特征在于所述的反应器的筒体(6)高度为5～15米，筒体(6)直径为0.5～6米，反应器从底部到顶部采用变锥角筒体；上部锥体(5)和下部锥体(7)的锥形角度为5～30度。
全文摘要
本发明公开了一种流化床反应器。在下部锥体与气体预分布室间设置气体分布器，分布器上对称分布成圆锥面垂直排列的指形套管束，垂直指形套管束与装在下部锥体外的换热介质进口和出口连通，下部锥体外还装有回料和原料固体加料口，气体预分布室外装有原料气进口，上部封头对称分布成圆锥面下垂式指形套管束，上部锥体开有合成气出口和指形套管换热介质进口，上部封头上装有指形套管换热介质出口。上部和下部锥体的锥度和两段指形换热管在轴向的分布，根据物料粒径分布进行配合变化，使反应器内底部气速大而顶部气速小，有效的处理宽粒径分布颗粒的流化，调整流化横截面积，改善流化质量。由于换热介质采取分段和分区加入进行控温，易于满足工艺要求。
文档编号B01J8/24GK1680012SQ20051004923
公开日2005年10月12日 申请日期2005年1月26日 优先权日2005年1月26日
发明者冯连芳, 邵月刚, 王嘉骏, 任不凡, 顾雪萍 申请人:浙江大学, 浙江新安化工集团股份有限公司