專利名稱：一種適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化工設(shè)備，尤其涉及一種適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
工業(yè)上的一些強(qiáng)放熱反應(yīng)，如甲苯氧化合成苯甲酸、甲苯氨氧化合成苯甲腈、鄰二甲苯氧化合成鄰苯二酸酐、丙烷氧化制順酐等，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，不斷放出的大量反應(yīng)熱如不能及時(shí)移走，會(huì)使催化劑床層溫度不斷上升，如果工藝操作不當(dāng)，就會(huì)造成床層局部“熱點(diǎn)”和軸徑向溫差過大，從而導(dǎo)致完全氧化，降低產(chǎn)率，其次催化劑顆粒長(zhǎng)期處于高溫下操作，會(huì)導(dǎo)致其燒結(jié)而失活。因此為提高反應(yīng)效率，需要把產(chǎn)生的熱量不斷移出，以保持催化劑床層溫度的穩(wěn)定。在工業(yè)上對(duì)于此類強(qiáng)放熱反應(yīng)，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多型式的反應(yīng)器，以滿足上述要求?？删唧w歸納如下(1)采用流化床反應(yīng)器，這種反應(yīng)裝置可以把產(chǎn)生的熱量通過物料氣流而帶走，基本消除了床層的溫差和局部“熱點(diǎn)”，如中國(guó)專利CN1214959設(shè)計(jì)的密相循環(huán)流化床反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣固強(qiáng)放熱反應(yīng)過程的反應(yīng)速率和反應(yīng)溫度有效的控制，避免了反應(yīng)溫度波動(dòng)及“飛溫”現(xiàn)象，很好解決了反應(yīng)選材、防腐、防爆等問題。但是此反應(yīng)器要求催化劑機(jī)械強(qiáng)度較高，過渡金屬氧化物(如V2O5，Mo-Bi-O等)催化劑在這個(gè)系統(tǒng)中易破碎，活性物種易流失。
(2)采用列管式固定床反應(yīng)器，為消除“熱點(diǎn)”最簡(jiǎn)單的方法是減小列管管徑，提高熱交換效率，但這種方法增加了反應(yīng)器床層壓降，提高了操作成本；另外如專利US3801634、JP53-30688B，JP85485所述，在催化劑床層用惰性顆粒分段稀釋催化劑(采用不同稀釋比)，以此控制催化劑活性，消除“熱點(diǎn)”。但通常這種方法增加了催化劑床層高度，減少了整個(gè)裝置的產(chǎn)能；為增加管壁的傳熱系數(shù)，中國(guó)專利CN2415831提出在催化劑床層內(nèi)添加超導(dǎo)熱翅片，熱量可以迅速通過超導(dǎo)熱翅片導(dǎo)出到反應(yīng)管外的移熱介質(zhì)，換熱能力高出列管式反應(yīng)器5倍。但由于導(dǎo)熱片只移走了其周圍部分熱量，還是無法解決床層的局部“熱點(diǎn)”和軸向溫差。
(3)殼程熔鹽外循環(huán)熱交換系統(tǒng)的固定床反應(yīng)器是目前工業(yè)上最常用的方法，它通過熔鹽流動(dòng)來帶走管程內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱。為增加熔鹽的傳熱系數(shù)，專利US4256783和US3147084通過在反應(yīng)管周圍設(shè)置許多折流板和擋板，對(duì)管外熔鹽的流道進(jìn)行了分布設(shè)計(jì)，這個(gè)反應(yīng)器基本可以消除床層軸徑向溫差，但是對(duì)于大型設(shè)備來說，反應(yīng)器操作非常復(fù)雜，反應(yīng)影響因素多。US4256783發(fā)明的反應(yīng)器為分段熔鹽循環(huán)，設(shè)置多個(gè)懸掛式熔鹽泵，因此為保持熔鹽良好的循環(huán)，對(duì)熔鹽泵及流道的設(shè)計(jì)提出很高的要求。熔鹽泵良好的機(jī)械設(shè)計(jì)，是其長(zhǎng)期而平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)的根本前提，小裝置熔鹽泵通常采用底軸承結(jié)構(gòu)，軸的受力較好，軸徑且細(xì)，但底端磨損大，不時(shí)需要檢修。大裝置熔鹽泵采用懸掛式結(jié)構(gòu)，因不設(shè)底軸承，勿須經(jīng)常檢修并可長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，但價(jià)格和運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)費(fèi)較為昂貴。不管是小裝置熔鹽泵還是大裝置熔鹽泵都對(duì)外界條件的要求都十分苛刻，熔鹽溫度的變化及循環(huán)過程中帶來的雜質(zhì)都會(huì)給熔鹽泵的運(yùn)轉(zhuǎn)帶來麻煩，為了適應(yīng)熔鹽泵的運(yùn)轉(zhuǎn)要求，就需要經(jīng)常更換。國(guó)內(nèi)廠家長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，始終沒有掌握此類反應(yīng)器的關(guān)鍵技術(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)和操作中非常被動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)中采用熔鹽循環(huán)移走在固定床反應(yīng)器中進(jìn)行的強(qiáng)放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量時(shí)須使用運(yùn)轉(zhuǎn)條件苛刻的熔鹽泵的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、熔鹽不外循環(huán)、操作安全、投資省的適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案是一種適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器，包括主反應(yīng)筒，所述的主反應(yīng)筒內(nèi)具有垂直布置的反應(yīng)列管，反應(yīng)列管外圍為熔鹽腔，所述的熔鹽腔水平布置有折流板，所述的反應(yīng)列管穿越所述的折流板，所述的反應(yīng)列管下端安裝有支撐板，所述的主反應(yīng)筒上部具有上導(dǎo)管，下部具有下導(dǎo)管，所述主反應(yīng)筒的熔鹽腔通過所述的上、下導(dǎo)管與熔鹽循環(huán)換熱筒連通，所述熔鹽循環(huán)換熱筒上端開有熱氣出氣口，下端開有熔鹽卸料口，所述的熔鹽換熱筒具有足以使熱氣平穩(wěn)排放的高于上導(dǎo)管的延伸段；所述的熔鹽循環(huán)換熱筒內(nèi)上部安裝有熔鹽冷卻盤管，下部安裝有加熱管，在下導(dǎo)管部位設(shè)有惰性氣體噴嘴，所述惰性氣體噴嘴的噴嘴口伸入所述的下導(dǎo)管中。
進(jìn)一步，所述的加熱管位于所述的循環(huán)換熱筒下方。
所述的惰性氣體噴嘴經(jīng)過熔鹽預(yù)熱，具體的做法可以是所述的惰性氣體噴嘴具有導(dǎo)入段，所述的導(dǎo)入段緊貼所述的熔鹽循環(huán)換熱筒外壁且與之固接，所述的惰性氣體預(yù)熱裝置為熔鹽循環(huán)換熱筒。
進(jìn)一步，所述的折流板上開設(shè)有小孔，開孔率為10％~70％。
進(jìn)一步，在反應(yīng)列管穿越折流板的穿越處，兩者之間留有0.5~5mm的空隙。
進(jìn)一步，所述的熔鹽循環(huán)換熱筒有多個(gè)，各個(gè)熔鹽循環(huán)換熱筒與所述的主反應(yīng)筒配合。
更進(jìn)一步，所述的加熱管是電加熱管。
本發(fā)明的工作過程是先將已溶解的熔鹽加入到熔鹽循環(huán)換熱筒中，并且使得熔鹽的高度高于上導(dǎo)管所在位置，此時(shí)主反應(yīng)筒中也充滿了熔鹽。然后啟動(dòng)加熱管再對(duì)熔鹽進(jìn)行加熱，使熔鹽溫度大致等于反應(yīng)列管中所需的反應(yīng)溫度。啟動(dòng)惰性氣體噴射開關(guān)，噴嘴高速噴出惰性氣體(所述的惰性氣體是針對(duì)熔鹽來說的，即該氣體不會(huì)與熔鹽發(fā)生反應(yīng))，沖向反應(yīng)管底部，從而帶動(dòng)周邊熔鹽向主反應(yīng)室筒內(nèi)流動(dòng)，并形成大量氣泡，使熔鹽劇烈湍動(dòng)。夾雜氣泡的熔鹽經(jīng)折流板，以S形向上流動(dòng)，消除了反應(yīng)管外流動(dòng)死區(qū)，同時(shí)少量的夾雜氣泡的熔鹽會(huì)通過折流板小孔和折流板截面與反應(yīng)列管外壁的間隙流動(dòng)。大量高速湍動(dòng)的氣液流化熔鹽流動(dòng)到主反應(yīng)室的項(xiàng)部，通過上部導(dǎo)通管，進(jìn)入熔鹽循環(huán)移熱筒體，此時(shí)氣液分離，氣泡通過熱氣出氣口排放，熔鹽經(jīng)水蒸汽冷卻盤管換熱后向下流動(dòng)，經(jīng)底部導(dǎo)通管重新進(jìn)入主反應(yīng)室筒體。在惰性氣體噴嘴所噴射出來的氣流的帶動(dòng)下，熔鹽不斷地進(jìn)行循環(huán)。
本發(fā)明的有益效果在于1.通過惰性氣體噴射動(dòng)力，省缺了工業(yè)上常用的熔鹽泵，減少了因熔鹽腐蝕和泄漏而帶來的不安全因素，也大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。2.由于設(shè)備對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)條件并無特殊苛刻要求，故熔鹽無須更換。3.可以通過調(diào)節(jié)惰性氣體噴射流量來調(diào)節(jié)管外熔鹽流化狀態(tài)，提高管外熔鹽對(duì)流傳熱效果，同時(shí)惰性氣體氣泡也可以帶走部分熱量。4.可以通過調(diào)節(jié)熔鹽換熱筒體內(nèi)的冷卻盤和加熱管，隨時(shí)調(diào)節(jié)熔鹽溫度，以適應(yīng)不同溫度的反應(yīng)。


圖1是本發(fā)明適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是折流板與反應(yīng)列管設(shè)置示意圖。
圖3是側(cè)視的折流板與反應(yīng)列管設(shè)置示意圖。
圖4是惰性氣體噴嘴側(cè)面視圖。
圖5是惰性氣體噴嘴主視圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例一參照?qǐng)D1、2、3、4、5，一種適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器，包括主反應(yīng)筒1，主反應(yīng)筒1的尺寸為Φ15cm×150cm，熔鹽循環(huán)換熱筒2的尺寸為Φ10cm×200cm，在主反應(yīng)筒1內(nèi)垂直布置有5根反應(yīng)列管3。反應(yīng)列管3外圍為熔鹽腔，熔鹽腔內(nèi)水平布置有5塊折流板4，所述的反應(yīng)列管3穿越所述的折流板4。所述的反應(yīng)列管下端安裝有支撐板5，用于支承主反應(yīng)筒1中的熔鹽。主反應(yīng)筒1的上部具有上導(dǎo)管6，下部具有下導(dǎo)管7，主反應(yīng)筒1的熔鹽腔通過所述的上、下導(dǎo)管與熔鹽循環(huán)換熱筒2連通，所述熔鹽循環(huán)換熱筒上端開有熱氣出氣口8，下端開有熔鹽卸料口9，所述的熔鹽循環(huán)換熱筒2具有足以使熱氣平穩(wěn)排放的高于上導(dǎo)管的延伸段；所述的熔鹽循環(huán)換熱筒2內(nèi)上部安裝有熔鹽冷卻盤管10，下部安裝有電加熱管11，在下導(dǎo)管部位設(shè)有噴嘴口直徑為2mm的惰性氣體噴嘴12，該惰性氣體噴嘴12的尺寸與主反應(yīng)筒及熔鹽循環(huán)換熱筒的尺寸相適應(yīng)，隨反應(yīng)筒及熔鹽循環(huán)換熱筒相應(yīng)放大或縮小，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)進(jìn)行調(diào)整。該惰性氣體噴嘴12的噴嘴口伸入所述的下導(dǎo)管中且由惰性氣體噴嘴支撐環(huán)13支撐，所述的電加熱管11位于所述的惰性氣體噴嘴12下方。當(dāng)然這里的電加熱管也可以是其他形式的加熱管。
以上反應(yīng)器可以使用在甲苯氨氧化合成苯甲腈催化反應(yīng)中。反應(yīng)管內(nèi)填裝VPO催化劑，惰性氣體為氮?dú)?。反?yīng)原料氣組成為甲苯/氨氣/空氣＝1/4/25(mol)，反應(yīng)結(jié)果見表1。
表1
以上反應(yīng)器可以使用在3-甲基吡啶氨氧化合成煙腈催化反應(yīng)中。反應(yīng)管內(nèi)填裝VPO催化劑，惰性氣體為氮?dú)狻７磻?yīng)原料氣組成為3-甲基吡啶/氨氣/空氣＝1/4/25(mol)，反應(yīng)結(jié)果見表2。
表2
從以上表數(shù)據(jù)中可以看出，本發(fā)明的固定床反應(yīng)器，當(dāng)噴嘴開始噴射氮?dú)夂螅埯}開始流化循環(huán)，整個(gè)反應(yīng)筒熔鹽腔內(nèi)的熔鹽溫度迅速趨向一致，可以明顯降低并消除催化劑床層“熱點(diǎn)”，并改善床層軸向溫差，提高強(qiáng)放熱氧化反應(yīng)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率。
實(shí)施例二如實(shí)施例一所述的反應(yīng)器，所述的惰性氣體噴嘴具有導(dǎo)入段，所述的導(dǎo)入段緊貼所述的熔鹽循環(huán)換熱筒外壁且與之固接，熔鹽循環(huán)換熱筒的筒壁是惰性氣體噴嘴的預(yù)熱裝置，用于對(duì)惰性氣體預(yù)熱，使惰性氣體噴嘴所噴射出的氣體與熔鹽的溫度不至于相差太大。
實(shí)施例三如實(shí)施例1所述的反應(yīng)器，所述的折流板上還開設(shè)有小孔，開孔率為10％。在折流板上開設(shè)小孔后熔鹽還可以通過小孔產(chǎn)生流動(dòng)，促進(jìn)換熱。其余結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式與實(shí)施例一相同。
實(shí)施例四如實(shí)施例1所述的反應(yīng)器，所述的折流板上還開設(shè)有小孔，開孔率為30％，在反應(yīng)列管穿越折流板的穿越處，反應(yīng)列管外壁與折流板截面之間留有0.5mm的空隙，該空隙的存在同樣可以促進(jìn)熔鹽的流動(dòng)，從而促進(jìn)換熱其余結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式與實(shí)施例一相同。
實(shí)施例五如實(shí)施例1所述的反應(yīng)器，所述的折流板上還開設(shè)有小孔，開孔率為45％，在反應(yīng)列管穿越折流板的穿越處，反應(yīng)列管外壁與折流板截面之間留有1mm的空隙。其余結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式與實(shí)施例一相同。
實(shí)施例六如實(shí)施例1所述的反應(yīng)器，所述的折流板上還開設(shè)有小孔，開孔率為60％，在反應(yīng)列管穿越折流板的穿越處，反應(yīng)列管外壁與折流板截面之間留有2.5mm的空隙。其余結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式與實(shí)施例一相同。
實(shí)施例七主反應(yīng)筒的尺寸為Φ40cm×400cm，熔鹽循環(huán)換熱筒的尺寸為Φ30cm×400cm，惰性氣體噴嘴的噴嘴口直徑為7mm，主反應(yīng)筒內(nèi)布置有67根反應(yīng)列管、15塊折流板，所述的折流板上還開設(shè)有小孔，開孔率為70％，在反應(yīng)列管穿越折流板的穿越處，反應(yīng)列管外壁與折流板截面之間留有4mm的空隙。所述的熔鹽循環(huán)換熱筒有兩個(gè)，對(duì)稱地分布與主反應(yīng)筒的兩側(cè)，各個(gè)熔鹽循環(huán)換熱筒與所述的主反應(yīng)筒配合。對(duì)于大尺寸的主反應(yīng)筒來說，增加熔鹽循環(huán)換熱筒的個(gè)數(shù)能取得更好的換熱效果。其余結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式與實(shí)施例一相同。
實(shí)施例八主反應(yīng)筒的尺寸為Φ50cm×500cm，熔鹽循環(huán)換熱筒的尺寸為Φ40cm×570cm，惰性氣體噴嘴的噴嘴口直徑為10mm，主反應(yīng)筒內(nèi)布置有81根反應(yīng)列管、19塊折流板，所述的折流板上還開設(shè)有小孔，開孔率為70％，在反應(yīng)列管穿越折流板的穿越處，反應(yīng)列管外壁與折流板截面之間留有5mm的空隙。所述的熔鹽循環(huán)換熱筒有三個(gè)，均勻分布在主反應(yīng)筒四周，各個(gè)熔鹽循環(huán)換熱筒與所述的主反應(yīng)筒配合。對(duì)于大尺寸的主反應(yīng)筒來說，增加熔鹽循環(huán)換熱筒的個(gè)數(shù)能取得更好的換熱效果。其余結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式與實(shí)施例一相同。
實(shí)施例九如實(shí)施例八所述的反應(yīng)器，所述的熔鹽換熱筒有四個(gè)，均勻分布在主反應(yīng)筒四周，各個(gè)熔鹽循環(huán)換熱筒與所述的主反應(yīng)筒配合。其余結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式與實(shí)施例八相同。
權(quán)利要求
1.一種適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器，包括主反應(yīng)筒，所述的主反應(yīng)筒內(nèi)具有垂直布置的反應(yīng)列管，反應(yīng)列管外圍為熔鹽腔，所述的熔鹽腔水平布置有折流板，所述的反應(yīng)列管穿越所述的折流板，所述的反應(yīng)列管下端安裝有支撐板，其特征在于所述的主反應(yīng)筒上部具有上導(dǎo)管，下部具有下導(dǎo)管，所述主反應(yīng)筒的熔鹽腔通過所述的上、下導(dǎo)管與熔鹽循環(huán)換熱筒連通，所述熔鹽循環(huán)換熱筒上端開有熱氣出氣口，下端開有熔鹽卸料口，所述的熔鹽換熱筒具有足以使熱氣平穩(wěn)排放的高于上導(dǎo)管的延伸段；所述的熔鹽循環(huán)換熱筒內(nèi)上部安裝有熔鹽冷卻盤管，下部安裝有加熱管，在下導(dǎo)管部位設(shè)有惰性氣體噴嘴，所述惰性氣體噴嘴的噴嘴口伸入所述的下導(dǎo)管中。
2.如權(quán)利要求1所述的適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器，其特征在于所述的加熱管位于所述的惰性氣體噴嘴下方。
3.如權(quán)利要求1所述的適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器，其特征在于所述的惰性氣體噴嘴具有預(yù)熱裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器，其特征在于所述的惰性氣體噴嘴具有導(dǎo)入段，所述的導(dǎo)入段緊貼所述的熔鹽循環(huán)換熱筒外壁且與之固接，所述的噴嘴預(yù)熱裝置為熔鹽循環(huán)換熱筒。
5.如權(quán)利要求4之一所述的適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器，其特征在于所述的折流板上還開設(shè)有小孔，開孔率為10％～70％。
6.如權(quán)利要求5所述的適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器，其特征在于在反應(yīng)列管穿越折流板的穿越處，反應(yīng)列管外壁與折流板截面之間留有0.5～5mm的空隙。
7.如權(quán)利要求6所述的適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器，其特征在于所述的熔鹽循環(huán)換熱筒有多個(gè)，各個(gè)熔鹽循環(huán)換熱筒與所述的主反應(yīng)筒配合。
8.如權(quán)利要求7所述的適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器，其特征在于所述的加熱管是電加熱管。
全文摘要
一種適用于強(qiáng)放熱反應(yīng)的固定床反應(yīng)器，包括主反應(yīng)筒，主反應(yīng)筒內(nèi)有反應(yīng)列管和折流板，反應(yīng)列管外圍為熔鹽腔，所述的反應(yīng)列管穿越所述的折流板，所述的主反應(yīng)筒上、下部具有分別有上、下導(dǎo)管，主反應(yīng)筒的熔鹽腔通過所述的上、下導(dǎo)管與熔鹽循環(huán)換熱筒連通，所述的熔鹽換熱筒具有足以使熱氣平穩(wěn)排放的高于上導(dǎo)管的延伸段；所述的熔鹽循環(huán)換熱筒內(nèi)上部安裝有熔鹽冷卻盤管，下部安裝有加熱管，在下導(dǎo)管部位設(shè)有惰性氣體噴嘴，所述惰性氣體噴嘴的噴嘴口伸入所述的下導(dǎo)管中。本發(fā)明通過惰性氣體噴射動(dòng)力，省缺了工業(yè)上常用的熔鹽泵，減少了因熔鹽腐蝕和泄漏而帶來的不安全因素，也大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)B01J8/02GK1853766SQ20051004969
公開日2006年11月1日 申請(qǐng)日期2005年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月28日
發(fā)明者陳銀飛, 盧晗鋒, 黃海鳳, 劉華彥, 張博 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)