一种结构化径向固定床操作单元的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种径向固定床操作单元，特别适用于化工行业的气体净化、分离或催化反应过程。
【背景技术】
[0002]单元操作是流程工业的核心，气体的净化、分离以及催化反应这些单元操作广泛采用气固相相互接触、反应的固定床形式来实现，依据气相主体在床层中的流动方式可将固定床可分为轴向流和径向流两种形式。
[0003]轴向固定床结构简单，但床层压降大，且随着催化剂床层的高度增加，床层压降亦随之增加，增加了操作能耗，与此同时，为了使气相物流均匀通过床层，需要在床层上下装填惰性填料，这样不仅降低了反应器效率，而且增加了床层的装填难度。
[0004]相比于轴向固定床径向固定床气体流通面积大、床层薄、路径短、传统填料床径向流的催化剂床层阻力要比轴向流的催化剂床层阻力低10%_25%，因此可使用效率更高粒径更小的活性组元，提高产能的同时节能降耗。目前，径向床已广泛应用于苯乙烯、催化重整、芳烃异构和歧化等化学工业和石油化工。
[0005]径向固定床中气相轴向均布问题是工业应用中的技术关键。径向固定床的运行操作效率在很大程度上取决于反应物流沿反应器轴向分布的均匀程度。如果流体沿轴向分布不均，不仅影响床层的温度分布、浓度分布、热稳定性等，还会引起催化床局部过热，影响产品质量和生产稳定性。影响径向床中气体轴向均布的主要因素有:气相物流的流动形式、设备自身的几何结构以及床层活性单元的粒径、强度等物理性质。
[0006]径向反应器根据气体沿轴向主流道的流动情况分为Z型和Π型两种，而气体在床层中沿半径方向的流动又有向心和离心之分，所以径向反应器反应物流的流动形式有向心Π型、向心Z型、离心Π型和离心Z型四种形式。不同的流形其流体力学性质不同。
[0007]目前国内外已有多种方法来改进径向床容器中的气流均布。美国专利US 5759242使用了一种锥形外容器壁来产生圆锥形外通道，由此改善气流分布。美国专利us 4541851和US 5827485通过引入圆锥型分布元件以达到类似的效果。国内在乙苯脱氢和催化重整领域发明了高均匀度的导流锥设计技术、双流道优化组合技术、催化剂支承结构技术等。中国专利CN 2751016Y提出了一种多床层轴径向复合床间接换热式节能型氨合成塔，其气体分布器及收集器均为二层结构，其中一层为多孔圆筒，另一层为整体长孔丝网结构。中国专利CN 102091570 A描述了一种径向床催化转化单元，该单元通过在所述单元网篮高度的至少一半以上延伸的相互交叉螺旋线的双网络加固。中国专利CN 202683178 U通过调整和优化分气道、集气道的开孔率和催化剂床层的厚度来控制和调整反应器各内部件的压力降值和分配比例，控制反应器总压降为0.02MPa/ (每米床层)左右，使其不均匀度小于3%。这些专利使用了安装在容器内的复杂的机械设计和/或额外的设备以达到气体的均布，这就意味着复杂的制造工艺以及设备投资的增长。
[0008]除了气体流动形式及设备结构之外，径向床流体流动的非均匀性集中体现在床层填料空隙率的分布上。对于传统的径向床而言，其床层多由条状、球状或者异型的活性组分填充，床层在自身重力作用下由上到下压力逐渐增加，堆积密度逐渐增大，床层空隙率逐渐减小，填料单元所受应力也随之增大，随着高温气相物流的高速冲击，局部催化剂颗粒会发生破碎，导致床层中出现局部位置的空隙率不均，影响局部流体流动、传热、传质、流体压降等。此外对于径向床反应器而言，随着催化剂上反应沉积物的累积，床层空隙率也随时间发生着变化，导致气体均匀度随着操作时间发生变化，装置效率降低，甚至导致停车。由此可见，即使径向固定床操作单元中气相流动形式及设备结构形式合理，其操作效率仍旧受传统活性填料自身物性缺陷所影响。
[0009]结构化技术是将结构化单元按照特定的宏观几何构型有序地放置于操作单元内而加以利用的过程强化技术。以结构化催化剂为例，其主要由活性组分、助催化剂、分散担体和骨架基体等四部分组成。充当骨架基体的是结构化载体，结构化载体是结构化催化剂的材料基础。目前，结构化载体主要有纤维编织体、蜂窝和泡沫三大结构类型，其中，蜂窝和泡沫结构化载体是用于分子筛涂层制作的主要载体。相比于蜂窝结构化载体，泡沫结构化载体具有三维连通网络通道，其形状可根据反应器的形状设计，可开孔或开槽，其压力降与蜂窝结构化载体相近的同时几何面积大大提高，能够实现物料与催化剂的充分接触，径向传热能力强，特别适用于甲醇制丙烯这类副反应较多的强放热反应。镍、铜等金属以及氧化铝、堇青石、玻璃等陶瓷材料都可用来制作泡沫结构化载体，在这些众多的泡沫结构化载体中，Sic导热性能强，化学稳定性高，抗压强度大，性能优异。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是针对现有的径向固定床结构复杂，床层压降高，床层易粉化、压实等问题，提供一种结构化径向固定床操作单元，可用于甲醇制丙烯。
[0011]结构化径向固定床操作单元包括圆柱形壳体、环形结构化床层、中心气体流道、环形流道，圆柱形壳体中心设有环形结构化床层，环形结构化床层上、下表面为密封结构，环形结构化床层内为中心气体流道，中心气体流道一端封闭，中心气体流道另一端与气体进出口相连，环形结构化床层外立面与圆柱形壳体内壁之间为环形流道，气相物流以径向流的方式与结构化床层接触，结构化床层由空隙率均一或者非均一的泡沫结构化模块单元堆砌而成，所述结构化模块单元中一种或多种活性组分以物理吸附或者化学键联的形式负载在泡沫结构化载体上，所述的泡沫结构化载体的空隙率为20%_80%。
[0012]所述的结构化床层内、外立面分别设有内多孔壁、外多孔壁。所述的气相物流的径向流动形式是向心Π型、向心Z型、离心Π型或离心Z型四种形式。所述的结构化床层高度与厚度之比为1-10。所述的泡沫结构化模块单元上负载的活性组分是分子筛、金属单质或者其化合物。所述的泡沫结构化模块单元中的载体材料是镍、铜、氧化铝、堇青石、玻璃或Sic。所述的内多孔壁或外多孔壁是开孔率为10%-90%的冲孔板或者筋条网。
[0013]本发明与现有技术相比具有的有益效果:
1)本发明的一种径向固定床操作单元，所采用的结构化床层空隙率约为传统填料床空隙率的两倍，因此气相流股流通面积增加一倍以上，床层压降显著降低的同时气相物流线速度也大大降低，减少了气相物流对活性组分的冲刷，大大降低了活性组分粉化、流失的程度； 2)本发明的一种径向固定床操作单元，相比于现有的径向固定床操作单元而言，活性组分负载厚度小，缩短了内扩散距离，极大地强化了过程的传质，对于存在副反应的反应体系而言，能够很好地避免副反应的发生。对于结构化催化剂而言，其自身空隙率高，即使随着反应的进行催化剂上发生积炭，积炭自身体积占床层空体积比例小，因此积炭的发生对床层空隙率的变化影响小；
3)本发明的一种径向固定床操作单元，相比于现有的径向固定床操作单元而言，结构化载体多具有很强的导热能力，因此能够快速拉平床层中的温度梯度，对于处于热环境中的活性组分而言能够显著抑制其热失活，该体系特别适合于如甲醇制丙烯这类热效应明显的径转化反应；
4)本发明的一种径向固定床操作单元，相比于现有的径向固定床操作单元而言，结构化载体抗压强度远高于活性组分本体，经负载后活性组分自身不承受床层所叠加的重力，而且随着操作时间的延长，床层厚度不会在重力的作用下发生压缩，轴向孔隙率不随操作时间而变化；
5)本发明的一种径向固定床操作单元，相比于现有的径向固定床操作单元而言，其床层装卸方法简单，模块化的床层堆砌单元按照顺序依次码堆即可，将人工装填技术优劣对床层质量好坏的影响降至最小，使维修更换更方便快捷；
6)本发明的一种径向固定床操作单元，相比于现有的径向固定床操作单元而言，结构化床层的空隙率可以根据需要在轴向进行调整，通过床层自身空隙率的调整来达到气体均布的目的，这样可以大大简化甚至摒弃用于气体均布的内、外多孔壁，大大降低设备制造难度与成本；
7)本发明的一种径向固定床操作单元，相比于现有的径向固定床操作单元而言，床层并非传统填料的自然