一种固定床反应器的制作方法

本发明涉及一种固定床反应器。

背景技术：

费托反应将合成气(co、h2和co2的混合物)通过固体催化剂转化为烃。费托反应放热量非常大。费托反应是不寻常的，因为产生许多生成物，包括烷烃、烯烃和醇，以及这些烃的大量碳数。该生成物的分布描述为舒尔茨-弗洛里分布，或是其变形，包含2个α模型。根据工作温度，生成物主要包括气相生成物(t>300℃)或蒸气和液体生成物(t<250℃)的混合物。

生成物的链长包括甲烷(c1)，范围至油和蜡(c>100)。因此，该生成物覆盖了许多各种不同的沸点。特别是某些生成物，如甲烷，主要是气相，而较重的生成物(蜡)主要是液相。

反应通常在固定床反应器中进行。在许多情况下，催化剂被置于管侧。管中的流动、温度分布和热传递非常复杂。特别是包括固体(催化剂)、液体(重烃)和蒸汽/气体(轻烃和合成气)的三相流动。

管中的温度分布限制了在反应器中可以获得的反应速率。而且，这限制了管的生产率，从而限制了固定床反应器的生产率。最高温度通常出现在靠近管的入口，并且设定工作温度(通常由壳体中蒸汽的温度决定)以确保该最高温度在一定范围内。

如果反应器温度升高，则首先导致更轻(不需要的)组分的生成物增加，特别是甲烷和co2的增加，并且甚至在更高的温度下，催化剂失活。

此外，局部反应速率随平均径向温度和反应物浓度的降低而降低。这导致催化剂床和反应器中的平均生产率降低。

发明人熟知固定床反应器设计。现有的反应器设计采用外壳作为主要的热量去除机构，其中多个管纵向设置在反应器内以提高反应物与固定床之间的热交换。

在管中产生的热量被传导到固定床，然后通过反应器的外壳将热量从固定床中去除。

然而，通常反应器的热交换设计是复杂的，因为仅仅从反应器的壳体将热量去除。将导致反应器内的热点。各种设计一直注重于针对反应器的外壳的径向方向上的热量的有效传导，然而有效的热传导在许多反应器中仍然存在缺陷。

本发明旨在解决固定床反应器内的热集中问题。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种反应器，其包括：

反应器主体和密封反应器主体端部的两个反应器端部；

多个反应器管，其于反应器主体内至少部分地在反应器端部之间延伸；以及

至少一个热管，其设置在至少一个反应管内。

反应器可以为固定床反应器。

反应器主体可以定向为直立状态，并且反应器管可以在反应器主体内垂直延伸。

反应器主体可以是管状的并且由管状壳体限定。

反应器端部中的至少一个可以为圆顶形。

管状壳体可以为其中设置有第一除热介质(fhrm)的壁壳。

固定床反应器可包括冷却装置，该冷却装置被设置为冷却第一除热介质，该第一除热介质在双壁壳体和冷却装置中循环。

至少一个热管可包括：

金属细长密封管；

设置在管内的双相冷凝工作流体，该工作流体限定第二除热介质(shrm)。

热管可以具有热接收部分，其设置在反应器主体的待去热的部分中。

至少一个热管可以突出超过至少一个反应器管。特别地，至少一个热管可以突出超过至少一个反应器管的顶端。

热管可以具有沿热管长度的散热部分，其设置在反应器主体的可以散热的部分中。

热管可包括布置在热管周围的翅片。

至少一个热管可以仅部分地沿至少一个反应器管的长度延伸。特别地，至少一个热管可以仅部分地朝至少一个反应器管的底端延伸。

双相冷凝工作流体可包括单一组分或多组分混合物。

液体的多组分混合物可包括费-托生成物的混合物，其中通过组分的适当混合可以获得混合物的可变沸点和冷凝点。

可以设计多组分混合物的组成，以便控制管内的温度分布，以实现较高的平均反应速率，并延长在费-托反应器中的催化剂寿命。

参照下面附图，现将仅通过非限制性实例来对本发明进行说明。

附图说明

在附图中：

图1示出了根据本发明的一个方面的反应器的侧部；以及

图2示出了图1反应器的顶部；

图3示出了费-托反应过程中标准热管中径向热通量的示意图；

图4示出了在图1的固定床费-托反应器的热管中的热通量的示意图；

图5示出了碳数为9、12和15的正构烷烃的三元混合物的剩余曲线；

图6示出了ft油的组成，示出了碳数与每粒级的质量百分比的关系；

图7示出了图6中油的沸点曲线，示出了在大气压下温度(℃)与气化质量(％)的关系；

图8示出了丙酮/苯系统在不同总压力下的温度组成曲线；以及

图9示出了图1的固定床反应器相对于常规固定床反应器的反应器温度与长度的关系。

具体实施方式

在图1中，示出了根据本发明的一个方面的固定床反应器10。

固定床反应器10包括立式管状反应器主体，该立式管状反应器主体由管状壳体壁12、在管状壳体端部处的两个圆顶端部(反应器顶部)14和(反应器底部)16限定。可以看出，壳体12被定位成基本上直立的方向。

固定床反应器10包括多个反应器管18(仅示出其中一个)，其在反应器主体内圆顶端部14、16之间垂直延伸。反应器包括安装反应器管18的两个挡板20、22。

多个密封的热管24(仅示出一个)设置在多个反应器管18中的至少一部分内，每个反应器管有一个热管。热管24包括径向布置纵向延伸的翅片24.1。

如图1所示，热管24突出超过反应器管18的顶端，并仅部分地朝反应器管18的底端延伸。

在该实例中的管状壳体12是一个双壁壳体，其中设置有第一除热介质(未示出)。固定床反应器包括冷却装置(未示出)，该冷却装置被设置为当第一除热介质在双壁壳体和冷却装置中循环时，冷却第一除热介质。

热管24包括第二除热介质。

在使用中，反应器设计用于高放热反应，如费-托反应。

反应器管18装有催化剂，以将气相反应物转化为生成物。热量由催化剂床中的一个或多个反应产生。每个热管24可划分为两部分，即冷却区24.2和加热区24.3。并入催化剂床(反应器管18内)的部分称为冷却区24.2，从反应器管18伸出的部分称为加热区24.3。热管24具有沿热管的长度纵向分布的径向延伸的散热翅片。

在使用中，气相反应物在低温(25℃至40℃之间的温度范围)下从反应器顶部(图中为26)馈送，并由热管24的加热区24.3加热至反应温度。加热气体进入反应器管中的催化剂床开始反应。当在催化剂床中发生反应时，反应产生的热量通过两个路径去除，即从催化剂床到壳中的第一除热介质，以及从催化剂床到热管中的第二除热介质。第一除热介质(fhrm)在壳体中被加热和蒸发。fhrm的气相从壳体的顶侧28排出以进行热回收。fhrm在热回收后由冷却装置进行冷凝，并从反应器壳体的底侧30送回反应器。热管冷却区中的第二除热介质(shrm)通过反应的热量被蒸发并上升至热管的加热区。通过向反应器10的顶部24.3中的反应气体加热来冷凝shrm的气相。冷凝的shrm向下流至热管的冷却区24.2，然后通过反应的热量再次蒸发。由费-托反应产生的生成物以及未转化的反应物在32处从反应器的底部排出。

在图3中，示出了在费-托反应过程中标准热管50中径向热通量的示意图。如箭头52所示，由反应产生的热量仅通过反应器管壁转移。

在图4中，示出了根据本发明的固定床费-托反应器的热管60中的热通量的示意图。其产生了额外的热传递路线，允许反应产生的热量如箭头62所示通过反应器管壁以及如箭头64所示通过热管转移，使得催化剂床中的温升可以得到有效的抑制。

图5示出了碳数为9、12和15的正构烷烃的三元混合物的剩余曲线。shrm的目的是使热管温度调节为匹配或接近催化剂床的要求工作温度范围。例如：单组分可以是但不限于水，在压力1.254至3.973mpa下的工作温度范围为190至250℃；三元混合物可以由但不限于碳数为9、12和15的正构烷烃制成，在大气压下温度范围为150至270℃。有许多其它可能性物质，可以用作shrm，以满足使用者的特定需求。如图5所示，通过调节这三种组分的组成，热管的温度可在150至270℃的温度范围内调节。

在图7中可以容易地看出，沸点曲线的较陡部分发生在材料数量较少的地方；即在曲线的开始和结束处。因此，可以通过改变混合物的组成来改变曲线的形状。例如，如果该沸点范围被认为太大，即60-300℃，则可通过切出合适量的低沸点和高沸点馏分将其范围缩小至150-250℃。而且，可以通过改变不同馏分的相对比例来改变曲线的形状。

反应器中每个点吸收热量的速率与在该点处反应器内容物和热管之间的温差成比例。这样，我们可以设计热管中的温度分布，从最需要的反应器中取出热量。这样，可以使用本专利中描述的多组分热管来更好地控制反应器温度。

另一个可以用于控制此过程的变量是压力。热管工作的压力可以通过管的填充来控制；即通过热管内部体积的液体的相对量来控制。热管中流体越多，总压力越高。因此，在图8中可以看出，压力对工作温度范围的影响。因此，具有丙酮和苯的混合物的热管在8巴压力下可在135-165℃的范围内工作。

在图9中可以看出，在反应器中的热管，催化剂床中的温度分布如何平坦化，使得可以降低催化剂床中的最高温度，从而延长催化剂的使用寿命，同时增加平均温度，从而提高平均反应速率，这将提高整体的生产率。

液体的多组分混合物可包括费-托生成物的混合物，其中通过组分的适当混合可以获得混合物的可变沸点和冷凝点。例如，合成的ft油具有图5所示的组成，其沸点曲线如图6所示。

发明人认为，如上所述，本发明提供了新的固定床反应器，其将尤其适用在易于积热的有效热交换反应器中。