一種固定床反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】一種固定床反應(yīng)器，所述的反應(yīng)器包括反應(yīng)器殼體、反應(yīng)器上下管板（4、8）、反應(yīng)管（5）、折流板（7），所述的反應(yīng)管（5）分別由反應(yīng)器上管板（4）和反應(yīng)器下管板（8）固定排列在反應(yīng)器筒體（6）內(nèi)，所述的反應(yīng)管（5）的內(nèi)表面光滑，外表面具有凹槽。由于采用了凹槽表面反應(yīng)管，管程-殼程傳熱得到了強(qiáng)化，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)；采用本發(fā)明后可以解決現(xiàn)有反應(yīng)器軸向、徑向溫度梯度大的問題，降低反應(yīng)器熱點(diǎn)溫度，避免局部過熱導(dǎo)致的催化劑失活和結(jié)焦，明顯提高反應(yīng)選擇性，使工藝操作具有更好的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
【專利說明】一種固定床反應(yīng)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種固定床反應(yīng)器，具體地說，是一種適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的列管式固定床反應(yīng)器，屬于化工設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]列管式固定床反應(yīng)器是化工常用反應(yīng)器形式，反應(yīng)器的管程和殼程可以分別作為反應(yīng)或?qū)岬膱?chǎng)所。目前工業(yè)上采用的列管式反應(yīng)器采用殼層外循環(huán)換熱的方式，催化劑裝填在管束中，反應(yīng)原料與催化劑接觸發(fā)生反應(yīng)，冷卻介質(zhì)從反應(yīng)器殼層通過，在反應(yīng)管壁進(jìn)行換熱將反應(yīng)熱導(dǎo)出。這種形式只適用于放熱量小的反應(yīng)，如果反應(yīng)放熱劇烈，熱量的導(dǎo)出會(huì)受到反應(yīng)管傳熱的限制，從而在反應(yīng)管軸向和徑向內(nèi)形成較大的溫度梯度，有可能使催化劑因局部過熱結(jié)焦、副反應(yīng)增多、催化劑利用率下降。例如采用固定床反應(yīng)器的費(fèi)托合成反應(yīng)，因反應(yīng)放熱產(chǎn)生的反應(yīng)管軸向和徑向溫差分別達(dá)到20°C和10°C以上，使部分催化劑處于高溫、副反應(yīng)嚴(yán)重的狀態(tài)，而部分催化劑處于較低溫度無法發(fā)揮正常性能的狀態(tài)。因此，對(duì)于費(fèi)托合成來說，能夠采用強(qiáng)化傳熱或者低溫度梯度的反應(yīng)器，將對(duì)改善反應(yīng)行為和提高催化性能有十分直接的作用，進(jìn)而提高該技術(shù)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。
[0003]Q=K*A* Δ T(I)
[0004]從傳熱方程(I)可知，熱量傳遞的能力Q，主要與傳熱系數(shù)K、換熱面積A以及傳熱面溫度差ΛΤ相關(guān)聯(lián)。在常規(guī)換熱器設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，可以更換換熱器介質(zhì)改善傳熱系數(shù)，采用小尺寸管或其它措施增加換熱面積，也可以增加傳熱溫差提高熱通量。例如CN201269705Y公開了一種增加內(nèi)外翅片強(qiáng)化傳熱的換熱器。在管內(nèi)外增加翅片可以增加換熱面積強(qiáng)化傳熱。
[0005]研究人員借鑒換熱器進(jìn)行了較多強(qiáng)化換熱器傳熱的研究，主要通過提高介質(zhì)流速、采用橫流、增加流體的擾動(dòng)和混合、增加換熱面表面等方法可以得到不同程度的強(qiáng)化傳熱效果。
[0006]CN101186550A采用尾氣循環(huán)的方法，將通過反應(yīng)管后未反應(yīng)的原料氣和部分氣相產(chǎn)品，由壓縮機(jī)循環(huán)至反應(yīng)器入口，這樣做提高了反應(yīng)管內(nèi)流體的流速，增加了反應(yīng)管內(nèi)擾動(dòng)和混合，可以改善反應(yīng)管內(nèi)外的傳熱。
[0007]CNlO 120940IA公開了一種殼程多腔式固定床反應(yīng)器。該發(fā)明的殼體內(nèi)在上管板和下管板之間沿殼體軸向設(shè)置兩個(gè)殼程擋板，殼程擋板將殼體分為三個(gè)腔體，其兩側(cè)的腔體內(nèi)設(shè)置反應(yīng)管，兩側(cè)的腔體內(nèi)設(shè)置由半圓形的三塊折流板，因而管間熱交換介質(zhì)的流動(dòng)形式為錯(cuò)流兼平行流。
[0008]CN1736574A公開了一種無熱點(diǎn)列管式固定床反應(yīng)器。其技術(shù)特點(diǎn)式反應(yīng)器列管中的每只管采用套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)管兩端封閉，在套管間隙中裝填催化劑形成催化劑床層，冷卻介質(zhì)同時(shí)流過內(nèi)管管程和反應(yīng)器殼程。該發(fā)明在無需增加列管數(shù)量的條件下，可大幅度增加列管式固定床反應(yīng)的換熱面積，同時(shí)縮短傳熱路徑。
[0009]但是，列管式反應(yīng)器與換熱器具有較大的差別，首先是換熱器多采用直徑小、壁薄換熱管，一般為直徑16mm、19mm或者25mm三個(gè)型號(hào)，管壁厚度一般為1mm、1.5mm>2mm以及
2.5mm、內(nèi)外物料流速大，多為氣相或液相物料，而反應(yīng)管一般為25~50mm管徑，壁厚在2mm以上，由于管內(nèi)有催化劑，內(nèi)部物料流速小，內(nèi)部的固定的催化劑顆粒對(duì)傳熱影響較大。其次，換熱器表面過熱度大，一般超過5°C，管內(nèi)外溫差可以達(dá)到50°C，而費(fèi)托合成反應(yīng)管表面過熱度要求越低越好，特別是對(duì)溫度敏感的反應(yīng)。另外換熱管內(nèi)外沒有化學(xué)反應(yīng)，換熱處于穩(wěn)定狀態(tài)，而反應(yīng)管內(nèi)熱量與反應(yīng)狀態(tài)有關(guān)，隨多種因素變化，對(duì)熱量傳導(dǎo)要求更高。第三，換熱器換熱熱流密度較大，通常在20~100KW/m2，而用于費(fèi)托合成的反應(yīng)器熱流密度不超過20KW/m2，用換熱器的強(qiáng)化傳熱方法，例如增加沸騰核心、降低表面濕潤(rùn)性等，對(duì)于反應(yīng)器傳熱的強(qiáng)化效果不明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是提供一種適用于固定床費(fèi)托合成的列管式固定床反應(yīng)器，通過強(qiáng)化管程-殼程的傳熱過程，解決現(xiàn)有反應(yīng)器軸向、徑向溫度梯度大的問題。
[0011]本發(fā)明所述的反應(yīng)器包括反應(yīng)器殼體、反應(yīng)器上下管板(4、8)、反應(yīng)管5、折流板7，所述的反應(yīng)管5分別由反應(yīng)器上管板4和反應(yīng)器下管板8固定排列在反應(yīng)器筒體6內(nèi)，所述的反應(yīng)管5的內(nèi)表面光滑，外表面具有凹槽。
[0012]所述的反應(yīng)管5為碳素結(jié)構(gòu)鋼或奧氏體不銹鋼，內(nèi)表面光滑，外表面經(jīng)過冷、熱機(jī)械加工形成有一定規(guī)律的螺旋型凹槽。催化劑裝填在反應(yīng)管5內(nèi)，冷卻介質(zhì)流過反應(yīng)器殼程，即與反應(yīng)管的外表面接觸，將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶出反應(yīng)器，折流板按照一定間距分布在反應(yīng)器中間。
[0013]所述反應(yīng)管5外表面凹槽的特征參數(shù)為:每米有200~2000個(gè)槽，槽深0.5~
1.5mm,槽寬0.2~1.0mm。優(yōu)選，每米有300~800個(gè)槽，槽深1.0~1.2mm,槽寬0.5~
0.8mm，螺旋升角為:1~5°。凹槽截面可以為T形、矩形、梯形、三角形、鋸齒形。
[0014]所述反應(yīng)管5的上下兩端具有200~500mm的光管部分。
[0015]反應(yīng)器上下管板(4、8)與反應(yīng)管5的上下兩端的光管部分連接。
[0016]所述的反應(yīng)器中排列有100~10000根反應(yīng)管。每根反應(yīng)管的內(nèi)直徑為20~60mm,優(yōu)選內(nèi)直徑為25~50mm,長(zhǎng)度為4~15m,優(yōu)選為6~12m。所述的反應(yīng)管的管壁厚度為I~8mm。
[0017]所述的反應(yīng)器殼體由反應(yīng)器上封頭3、反應(yīng)器筒體6、反應(yīng)器下封頭9組成，反應(yīng)器上封頭3上設(shè)置反應(yīng)器進(jìn)料口 I和進(jìn)料分布器2，反應(yīng)器下封頭9上設(shè)置反應(yīng)器出料口 10，在反應(yīng)器筒體的上部設(shè)置冷卻介質(zhì)出口 12，在反應(yīng)器筒體的下部設(shè)置冷卻介質(zhì)入口 11。
[0018]所述的列管式固定床反應(yīng)器，采用的冷卻介質(zhì)可以是純凈水、油、融鹽、水蒸汽、常規(guī)氣體等。
[0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):由于采用了凹槽表面反應(yīng)管，管程-殼程傳熱得到了強(qiáng)化，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)；采用本發(fā)明后可以解決現(xiàn)有反應(yīng)器軸向、徑向溫度梯度大的問題，降低反應(yīng)器熱點(diǎn)溫度，避免局部過熱導(dǎo)致的催化劑失活和結(jié)焦，明顯提高反應(yīng)選擇性，使工藝操作具有更好的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
【專利附圖】

【附圖說明】[0020]圖1是本發(fā)明提供的固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明提供的固定床反應(yīng)器的反應(yīng)管剖面示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明提供的固定床反應(yīng)器在費(fèi)托合成反應(yīng)中使用的流程示意圖。
[0023]圖1中:I一反應(yīng)器進(jìn)料口 ；2—進(jìn)料分布器；3 —反應(yīng)器上封頭；4一上管板；5—反應(yīng)管；6—反應(yīng)器筒體；7—折流板；8—下管板；9一反應(yīng)器下封頭；10—反應(yīng)器出料口 ；11一冷卻介質(zhì)入口 ； 12—冷卻介質(zhì)出口。
[0024]圖3中:1 一合成氣；2—循環(huán)氣；3 —反應(yīng)器；4一熱高壓分離器；5—熱低壓分離器；6—冷高壓分離器；7—冷低壓分離器；8—循環(huán)壓縮機(jī)；9一汽包；10—循環(huán)水泵；11 一合成重質(zhì)烴；12—合成廢水；13—合成輕油；14一瓦斯氣；15—尾氣排放；16—汽包蒸汽排放。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所提供的方法予以進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明并不因此受到任何限制。
[0026]圖1是本發(fā)明提供的固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，反應(yīng)器包括反應(yīng)器殼體、反應(yīng)器上下管板(4、8 )、反應(yīng)管5、折流板7，所述的反應(yīng)管5分別由反應(yīng)器上管板4和反應(yīng)器下管板8固定排列在反應(yīng)器筒體6內(nèi)，所述的反應(yīng)管5的內(nèi)表面光滑，外表面具有凹槽。所述的反應(yīng)器殼體由反應(yīng)器上封頭3、反應(yīng)器筒體6、反應(yīng)器下封頭9組成，反應(yīng)器上封頭3上設(shè)置反應(yīng)器進(jìn)料口 I和進(jìn)料分布器2，反應(yīng)器下封頭9上設(shè)置反應(yīng)器出料口 10，在反應(yīng)器筒體的上部設(shè)置冷卻介質(zhì)出口 12，在反應(yīng)器筒體的下部設(shè)置冷卻介質(zhì)入口 11。
[0027]反應(yīng)物料從反應(yīng)器進(jìn)料口 I引入，經(jīng)過進(jìn)料分布器2后，進(jìn)入裝有催化劑的反應(yīng)管5中，反應(yīng)原料與催化劑接觸后發(fā)生反應(yīng)，未消耗完的反應(yīng)原料與反應(yīng)產(chǎn)物從反應(yīng)管5下端流出，經(jīng)反應(yīng)器出料口 10導(dǎo)出。冷卻介質(zhì)從冷卻介質(zhì)入口 11進(jìn)入反應(yīng)器殼程，在折流板7的限制下形成橫向和縱向的流動(dòng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量經(jīng)過反應(yīng)管5管壁傳遞給冷卻介質(zhì)，吸熱后的冷卻介質(zhì)從冷卻介質(zhì)出口 12導(dǎo)出反應(yīng)器。
[0028]圖2是反應(yīng)管的剖面示意圖，D為反應(yīng)管外徑，d為反應(yīng)管內(nèi)徑,外表面螺旋狀凹槽。
[0029]圖3是采用本發(fā)明反應(yīng)器在費(fèi)托合成反應(yīng)中應(yīng)用的流程示意圖。圖中省略了許多設(shè)備，如換熱器、控制閥等，但這對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是公知的。經(jīng)過凈化的氫氣和一氧化碳(合成氣)原料氣I與循環(huán)氣2混合后從反應(yīng)器3上部導(dǎo)入，進(jìn)入裝有催化劑的反應(yīng)管中，與催化劑接觸后發(fā)生費(fèi)托合成反應(yīng)。未消耗完的合成氣與反應(yīng)產(chǎn)物從反應(yīng)器下部導(dǎo)出反應(yīng)器，經(jīng)過換熱后進(jìn)入熱高壓分離器4進(jìn)行氣液分離。重質(zhì)合成油從熱高壓分離器4底部導(dǎo)出，進(jìn)入熱低壓分離器5，在熱低壓分離器分離出的重質(zhì)合成油經(jīng)管線11導(dǎo)出，瓦斯氣進(jìn)入瓦斯管線14。未反應(yīng)的合成氣、和未液化的產(chǎn)物從熱高壓分離器4的上部導(dǎo)出，經(jīng)過換熱后進(jìn)入冷高壓分離器6進(jìn)行氣液分離。分離出的未反應(yīng)的合成氣與氣相烴類從冷高壓分離器6上部導(dǎo)出后分為兩部分，一部分15抽出裝置，另一部分經(jīng)由壓縮機(jī)8增壓作為循環(huán)氣返回反應(yīng)器3入口。冷高壓分離器6分離出的輕質(zhì)合成油進(jìn)入冷低壓分離器7中進(jìn)行油水分離，所得的輕質(zhì)合成油13導(dǎo)出系統(tǒng)，分離出的水和冷高壓分離器6分離出的水匯合12導(dǎo)出系統(tǒng)，瓦斯氣進(jìn)入瓦斯管線14。鍋爐水由水泵10泵入反應(yīng)器殼程，在折流板的限制下形成橫向和縱向的流動(dòng)，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量經(jīng)過反應(yīng)管管壁傳遞給鍋爐水，水部分氣化后氣液兩相流從上出口導(dǎo)出反應(yīng)器，進(jìn)入汽包9，通過控制汽包壓力控制水的沸點(diǎn)溫度，汽包9所得蒸汽16抽出系統(tǒng)。
[0030]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的方法予以進(jìn)一步地說明，但并不因此而限制本發(fā)明。
[0031]實(shí)施例
[0032]本實(shí)施例采用附圖1、2、3所示裝置和流程進(jìn)行費(fèi)托合成反應(yīng)。列管式固定床費(fèi)托合成反應(yīng)器中設(shè)置300個(gè)反應(yīng)管，反應(yīng)管采用外徑38_、壁厚3_奧氏體不銹鋼管材，外表面采用冷加工形成凹槽結(jié)構(gòu)，每米管長(zhǎng)包含500個(gè)凹槽，槽深1.2mm，槽平均寬度0.6mm，螺旋升角4.0°。
[0033]反應(yīng)管中裝填CoAl2O3催化劑。所用的催化劑的制備過程如下:取氧化鋁粉，滴加蒸餾水至初潤(rùn)濕，記下消耗水的體積，然后按鈷含量(氧化物計(jì))27重量％計(jì)算，配制出硝酸鈷浸潰液。接著以此溶液浸潰氧化鋁至初潤(rùn)濕，靜置8小時(shí)，然后于120°C干燥4小時(shí)，在馬福爐內(nèi)450°C焙燒4小時(shí)制得催化劑。所得鈷基費(fèi)托合成催化劑的粒度范圍0.5~1mm。
[0034]在工藝條件為:合成氣體積空速500'氫氣和一氧化碳摩爾比為2.0，反應(yīng)壓力
3.0MPa，循環(huán)氣體積空速2000'反應(yīng)器主要溫度參數(shù)和費(fèi)托合成效果見表1。
[0035]表1
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種固定床反應(yīng)器，其特征在于，所述的反應(yīng)器包括反應(yīng)器殼體、反應(yīng)器上下管板(4、8)、反應(yīng)管(5)、折流板(7)，所述的反應(yīng)管(5)分別由反應(yīng)器上管板(4)和反應(yīng)器下管板(8)固定排列在反應(yīng)器筒體(6)內(nèi)，所述的反應(yīng)管(5)的內(nèi)表面光滑，外表面具有凹槽。
2.按照權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述反應(yīng)管(5)外表面凹槽的特征參數(shù)為:每米有200?2000個(gè)槽，槽深0.5?1.5mm，槽寬0.2?1.0mm，螺旋升角為3?5°。
3.按照權(quán)利要求2所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述反應(yīng)管(5)外表面凹槽的特征參數(shù)為:每米有300?800個(gè)槽，槽深1.0?1.2mm，槽寬0.5?0.8mm。
4.按照權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述反應(yīng)管(5)的上下兩端具有200?500mm的光管部分。
5.按照權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其特征在于，反應(yīng)器上下管板(4、8)與反應(yīng)管(5)的上下兩端的光管部分連接。
6.按照權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的反應(yīng)管(5)管壁厚度為廣8_。
7.按照權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的反應(yīng)器中排列有100?10000根反應(yīng)管。
8.按照權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于反應(yīng)管的內(nèi)直徑為20?60mm，長(zhǎng)度為4?15m。
9.按照權(quán)利要求8所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述的反應(yīng)管的內(nèi)直徑為25?50mm，長(zhǎng)度為6?12m。
10.按照權(quán)利要求1或2所述的反應(yīng)器，其特征在于，反應(yīng)器殼體由反應(yīng)器上封頭(3)、反應(yīng)器筒體(6 )、反應(yīng)器下封頭(9 )組成，反應(yīng)器上封頭(3 )上設(shè)置反應(yīng)器進(jìn)料口( I)和進(jìn)料分布器(2)，反應(yīng)器下封頭(9)上設(shè)置反應(yīng)器出料口(10)，在反應(yīng)器筒體的上部設(shè)置冷卻介質(zhì)出口(12)，在反應(yīng)器筒體的下部設(shè)置冷卻介質(zhì)入口(11)。
【文檔編號(hào)】C10G2/00GK103962063SQ201310046856
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月6日
【發(fā)明者】徐潤(rùn), 胡志海, 聶紅, 吳昊, 李猛, 田鵬程 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院