CN215540730U - 一种多级串联浅层流化床反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多级串联浅层流化床反应器，用于气‑液或气‑液‑固多相反应的新型反应器型式，包括多级串联的流化床，各级流化床的顶部均设有催化剂过滤器，催化剂过滤器的上方均设有溢流堰，其中，第二级至最后一级流化床内设有与溢流堰相连的液体引流管，液体引流管用于将越过溢流堰的液体引流至下一级流化床的底部。本实用新型的多级串联浅层流化床反应器具有结构简单，操作灵活、停留时间分布窄、液相返混较小、反应器效率高等优势，可广泛应用于气‑液、气‑液‑固多相反应过程中，特别是在对液体返混程度、停留时间分布要求严格以及反应热效应明显的反应过程中优势明显。

Description

一种多级串联浅层流化床反应器

技术领域

本实用新型涉及一种气-液或者气-液-固多相反应器，特别是多级串联的流化床反应器，属于化工产品生产中新型反应器形式。

背景技术

多相反应器广泛应用于石油化工、能源、环境保护以及生物化工等各个领域，其中以气-液和气-液-固两类反应体系应用最为广泛。在多相反应器中常采用搅拌釜、鼓泡床和环流浆态床反应器，其中搅拌釜应用最为广泛，在搅拌釜反应器中安装了高速旋转的搅拌桨，使反应器内气泡小且均匀，反应器内混合均匀，相间传质效率高，但是由于搅拌桨属于外加的机械设备，需要特殊密封处理，对于高压体系不适用。另外，在反应器内增加搅拌设备之后，减少了换热内构件的放置空间，对于化工过程的放大产生一定的影响。而鼓泡床反应器具有反应器结构简单，无机械搅拌适合高压体系，气泡在反应器内不仅增加了气-液两相之间的接触面积，同时还增加了反应器内湍动程度，提高了传热传质效率。但在鼓泡床中表观液速一般接近于零，需要增加专用的传输、分离和过滤设备，无形中增加了设备投资成本。而环流浆态反应器则综合了搅拌釜和传统浆态床的优势，具有结构简单，无机械传动设备，催化剂分布均匀，相间接触面积大，传热传质效率高，可实现液相和固相的循环操作等优异的性能。在工业过程中得到了广泛的应用，其中最为代表性的过程有：重油催化加氢、烃类加氢、烃类氧化、工业废气废水处理、费托合成等工业过程。

虽然搅拌釜、鼓泡床和环流浆态反应器在各类工业工程中均有所应用，但上述反应器其液相返混很大，其中搅拌釜反应器中的液相是典型的全混流，反应器内各个部分的液相浓度和组成均相同。鼓泡床反应器内中心区域的液相向上运动，而边壁区域的液相向下运动，也存在较明显的返混现象。而环流浆态床反应器内由于反应器内液相循环速率远高于液相的进料速度，故反应器内也可以认为是全混流。根据反应工程原理可知，对于大部分反应而言，返混程度越高，达到预期转化率条件下所需要的反应器体积越大，无形中增加了设备投资成本，同时较大体积的反应器对物料停留时间的控制和工程放大都带来较大的难度。多釜串联的操作模式可以实现降低气-液和气-液-固内液相返混程度的目的，但多个反应器串联增加了设备投资，而且操作比较复杂，特别是在高温高压过程。

为了提高多相反应器的性能，本实用新型提出了一种多级串联浅层流化床反应器，解决上述传统多相反应器返混严重的问题，该实用新型具有结构简单，相间接触效率高，换热能力强，返混小，反应器性能优等特点，具有巨大的工业应用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种气-液或者气-液-固多相反应器，该反应器通过级间构件实现多个流化床反应器的多级串联操作，该反应器结构简单，相间接触效率高，液相返混小，反应转化率高，换热能力强，操作灵活，性能优异等特点。

本实用新型的上述目的是通过如下技术方案实现的：

一种新型多级串联浅层流化床反应器，包括反应器主体，反应器主体的底端设有气体进口，顶端设有气体出口，反应器主体包括N级串联的流化床，N≥2，N取整数，从下至上依次为第一级流化床至第N级流化床；第一级流化床的底部设有气体分布器，第二级流化床至第N级流化床的底部均设有级间构件，所述级间构件包括级间构件板和分布在其中的气体流通通道，所述气体流动通道的总截面积占级间构件板总面积的0.05-30％；

各级流化床的顶部均设有催化剂过滤器，所述催化剂过滤器的上方均设有溢流堰，其中，第二级至第N级流化床内均设有与所述溢流堰相连的液体引流管，所述液体引流管用于将越过溢流堰的液体引流至下一级流化床的底部。相邻两级流化床溢流堰和引流管设置在反应器主体的对侧，即溢流堰与引流管错位设置，延长液体在每级流化床内的停留时间。

第一级流化床中溢流堰的一侧设有液体出口，第N级流化床中级间构件的上方设有液体进口。

基于上述方案，优选地，本实用新型中所述的级间构件气体流动通道为微孔型、错叠多孔型、风帽型中的一种或者多种组合型式。

作为上述方案的进一步优选，微孔型流动通道包括微孔板分布器，所述微孔板分布器位于气体流通通道的顶部；错叠多孔型流动通道包括多层多孔板，各层多孔板的孔眼不在同一轴向，多孔板的层数在2-10之间；风帽型流动通道中气体流通通道的上方设有风帽，风帽的开孔为水平方向。

基于上述方案，优选地，所述每级流化床反应器顶部液体溢流堰的下方安装有10-500目的催化剂过滤器，溢流堰高于催化剂过滤器水平面5-400mm。

基于上述方案，优选地，本实用新型所述反应器中每级浆态床的高度为50-1500mm，当有催化剂存在时，每级反应器内催化剂的静床高度为5-500mm。较小的床层高度，可以有效控制气泡在床内的聚并增大，保持较高的气液接触面积。

基于上述方案，优选地，第一级流化床内气体分布器的上方设有催化剂出口，第N级流化床内级间构件的上方设有催化剂进口；第二级至第N-1级流化床内级间构件的上方设有级间催化剂更换口。

基于上述方案，优选地，第二级至第N-1级流化床内催化剂过滤器的上方设有级间液体出入口，用于液体的移出或者更换。

基于上述方案，优选地，第一级至第N-1级流化床内溢流堰的上方设有级间气体出口和级间气体入口，根据需要排出各级流化床反应后的气体或补充新的气体成分。

基于上述方案，优选地，本实用新型中所述的每级浆态床反应器内安装有换热内构件，用于反应过程中热量的移出或者导入。

本实用新型中所述的各级反应器可以在气-液鼓泡床和气-液-固三相浆态床型式下操作。

作为本实用新型的另一优选，当反应体系为气-液或气-液-固体系操作时，每级反应器处于鼓泡流态化域内操作，所述的级间构件中的气体通道均匀分布于级间构件板上。

本实用新型中所述的反应器气体由反应器底部的气体进口进入经级间构件通道和各层流化床床体至反应器顶部并由气体出口排出，液体则由反应器顶部液体进口进入经各层溢流堰至最底层流化床后由液体出口排出。在反应器内气体与液体逆流接触，接触效率明显提升。

本实用新型中设置的级间液体出入口、气体出入口和催化剂出入口可以在每层流化床内进行气体、液体和催化剂的移出或者更换，增加了装置操作的灵活性。

有益效果

(1)本实用新型的技术方案中，只需要在现有的流化床反应器内进行改进就可以实现多级浅层流化床；相对于多釜串联反应器的性能，本实用新型的多级串联浅层流化床反应器具有结构简单，操作简便灵活等特点。

(2)本实用新型所述的多级反应器通过设置合理的级间构件，液相从顶部逐级流到下一级流化床反应器直至最下面一级流化床的液相出口，而气相则通过级间构件上的气体通道形成均匀的小气泡，增加气-液相间接触面积，提高传质速率，提升反应器效率。

(3)本实用新型所述的多级串联流化床反应器实现了多个釜式反应器串联的效果，可以在相同体积的反应器内实现较高的转化率，或者在较小的反应器内实现所期望转化率，提升了反应器效率。

(4)本实用新型所述的多级串联反应器中每级反应器均采用浅床操作，床内气泡尺寸较小且均匀，气泡的分布通过级间构件上的气体通道控制，由于床层较小气泡聚并不明显，增加了气-液接触面积，提高了气-液两相之间的传递效率，提升了反应器的性能。

(5)本实用新型所述的多级串联反应器每级反应器之间增加了气体和催化剂的移出和补充口，可以有效控制每流化床内气相浓度和催化剂活性，提升反应器的效率，同时还增加了装置操作的灵活性。

(6)本实用新型所述的多级串联反应器每级流化床内均安装有换热管，可以有效控制每个床层的温度，根据每级反应器内反应进行的程度调控不同的温度范围，使反应效果达到最优，实现反应器在最优条件下操作。

附图说明

图1多级串联浅层流化床反应器整体结构示意图；

图2多级串联浅层流化床反应器内级间构件板及其气体通道分布图；

图3级间构件板上微孔型流动通道结构示意图；

图4级间构件板上错叠多孔型流动通道结构示意图；

图5级间构件板上风帽型流动通道结构示意图；

图中：1-气体进口；2-气体分布器；3-催化剂出口；4-换热器；5-催化剂过滤器；6-液体出口；7-级间气体出口；8-级间气体入口；9-液体引流管；10-级间构件；11-溢流堰；12-反应器主体；13-催化剂进口；14-液体进口；15-气体出口；16-级间液体出入口；17-级间催化剂更换口；18-级间构件板；19-构件板上气体通道；20-微孔板分布器；21-进气管；22-风帽。

具体实施方式

下面结合附图详细描述根据本实用新型实施例的多级串联流化床反应器的具体结构和实施方式。

图1为多级串联浅层流化床反应器实施例结构示意图。在该实施例中，图中显示了三级串联型式，反应器主要包括反应器主体12，反应器主体12的底端设有气体进口1，顶端设有气体出口15，第一级流化床的底部设有气体分布器2，第二级和第三级流化床的底部均设有级间构件10，级间构件10包括级间构件板18和分布在其中的气体流通通道19，所述气体流动通道19的总截面积占级间构件板18总面积的0.05-30％。

各级流化床的顶部均设有催化剂过滤器5，催化剂过滤器5的上方均设有溢流堰11，溢流堰11高于催化剂过滤器5水平面5-400mm。其中，第二级和第三级流化床内均设有与溢流堰11相连的液体引流管9，液体引流管9用于将越过溢流堰11的液体引流至下一级流化床的底部；相邻两级流化床的溢流堰11和液体引流管9设置在反应器主体12的对侧。第一级流化床中溢流堰11的一侧设有液体出口6，第三级流化床内级间构件10上方设有液体进口14。

第一级流化床内气体分布器2的上方设有催化剂出口3，第三级流化床内级间构件10的上方设有催化剂进口13；第二级流化床内级间构件10的上方设有级间催化剂更换口17。第一级和第二级流化床内溢流堰11的上方设有级间气体出口7和级间气体入口8，根据需要排出各级流化床反应后的气体或补充新的气体成分。第二级流化床内催化剂过滤器5的上方设有级间液体出入口16，用于液体的移出或者更换。每级流化床内安装有换热器，用于反应过程中热量的移出或者导入。

每个流化床的床高控制在50-1500mm，当有固体催化剂存在时，每级流化床内固体催化剂的静床高度为5-500mm。在每级流化床内气泡的尺寸和大小主要由气体分布器2以及级间构件上的气体通道19所控制，浅床操作的优势在于在流化床内气泡聚并程度弱，床内气泡保持较小尺寸，气-液间接触面积大，有利于气-液之间的接触和传质，极大地提升了反应器效率。液相逐级参与反应，减弱了反应器内的液相返混程度，进一步提升了反应器的性能。

在该实施方式中，反应器每级为气-液或气-液-固流化床操作，气体通过均匀分布在级间构件18上的气体通道19对气体进行再次分布，如图2所示。流动床内级间构件10的气体流动通道19为微孔型、错叠多孔型、风帽型中的一种或者多种的组合型式。

图3所示的微孔型构件通道，包括级间构件板18和气体通道19以及在其顶部的微孔板分布器20，其可以使用微孔板、筛网、多孔结构的砂芯、纤维织物、微孔陶瓷、烧结金属板等构成，将较大的微孔板分解成多个小尺寸的圆形、圆环形或者方形结构，其目的在于增加微孔板的机械强度，防止在工业装置中由于大量催化剂堆积造成微孔板发生形变。

图4所示为错叠多孔型流动通道，由多层多孔板组成，各层多孔板的孔眼不在同一轴向上，这样增加了气体经过该错叠型多孔板的湍动程度，使得气体分布更均匀，同时这种错叠型的多孔结构还可以防止催化剂颗粒由上层漏到下层，特别是在开停工过程中。一般情况多孔板的层数在2-10之间。

图5所示的风帽型气体分布器，包括进气管21和风帽22。本实施例中的风帽结构的开孔为水平方向，风帽作用区较大，在较小的进气管距离的情况下，可以减小床层的死区，而且该结构加工相对简单。

上述多级串联浅层流化床反应器的工作过程如下：

气体由气体进口1进入反应器内，经气体分布器2将气体均匀分布到整个反应器截面并以气泡形式进入到最下面一级流化床内，在流化床内气-液或气-液-固之间充分接触混合并发生反应，同时与换热器4进行热交换，维持反应所需温度，多相体系再经过级间流化床顶部的催化剂颗粒过滤器后进行液-固分离，气相与液相继续向上流动，当两相达到溢流堰上缘时流至液体出口6由此排出，气相继续向上流动，经过级间气体出口7可以按照一定量对反应后的气体排出，同时也可以由级间气体入口8补充新的气体成分，与经第一级流化床反应之后剩余的气体混合后通过均匀分布于级间构件10上的气体通道19再次以小气泡的形式进入到第二级流化床，再次混合接触进行反应和换热，多相体系经过液固分离器后，气相和液相继续向上流动当达到溢流堰11高度时，液相越过溢流堰11经由液体引流管9进入到第一级反应器底部再次与气相和固相混合接触进行反应，以此通过各级流化床反应器，最终气相由反应器顶部的气体出口15排出到反应器外。在整个反应体系中液相由最顶部一级的流化床底部加入，从整个反应器层面液相向下流动，与气相和固相逆流接触混合和反应，而从每级流化床反应器的层面液相向上流动，与气相和固相混合接触并反应。另外，在两级流化床反应器之间均设置有气相和颗粒相的排出和补充通道，可以随时更新反应过程中的物料的组成，实现物料的接力操作，增加装置的操作的灵活性，提升反应器内传质推动力。

本实用新型涉及的多级串联浆态床反应器适用于气-液或者气-液-固多相反应器，如重油催化加氢、烃类加氢、烯烃氧化以及氧化酯化等反应过程，具有巨大的工业应用价值。

Claims (10)

1.一种多级串联浅层流化床反应器，所述流化床反应器包括反应器主体(12)，所述反应器主体(12)的底端设有气体进口(1)，顶端设有气体出口(15)，其特征在于：所述反应器主体(12)包括N级串联的流化床，N≥2，N取整数，从下至上依次为第一级流化床至第N级流化床；

所述第一级流化床的底部设有气体分布器(2)，第二级流化床至第N级流化床的底部均设有级间构件(10)，所述级间构件(10)包括级间构件板(18)和分布在其中的气体流通通道(19)，所述气体流动通道(19)的总截面积占级间构件板(18)总面积的0.05-30％；

各级流化床的顶部均设有催化剂过滤器(5)，所述催化剂过滤器(5)的上方均设有溢流堰(11)，其中，第二级至第N级流化床内均设有与所述溢流堰(11)相连的液体引流管(9)，所述液体引流管(9)用于将越过溢流堰(11)的液体引流至下一级流化床的底部；

第一级流化床中溢流堰(11)的一侧设有液体出口(6)，第N级流化床中级间构件(10)上方设有液体进口(14)。

2.按照权利要求1所述的多级串联浅层流化床反应器，其特征在于：相邻两级流化床的溢流堰(11)和液体引流管(9)设置在反应器主体(12)的对侧。

3.按照权利要求1所述的多级串联浅层流化床反应器，其特征在于：所述级间构件(10)的气体流动通道(19)为微孔型、错叠多孔型、风帽型中的一种或者多种的组合型式。

4.按照权利要求3所述的多级串联浅层流化床反应器，其特征在于：微孔型流动通道包括微孔板分布器(20)，所述微孔板分布器(20)位于气体流通通道(19)的顶部；错叠多孔型流动通道包括多层多孔板，各层多孔板的孔眼不在同一轴向，多孔板的层数在2-10之间；风帽型流动通道中气体流通通道(19)的上方设有风帽(22)，风帽的开孔为水平方向。

5.按照权利要求1所述的多级串联浅层流化床反应器，其特征在于：每级流化床的高度为50-1500mm，当有固体催化剂存在时，每级流化床内固体催化剂的静床高度为5-500mm。

6.按照权利要求1所述的多级串联浅层流化床反应器，其特征在于：所述溢流堰(11)高于催化剂过滤器(5)水平面5-400mm。

7.按照权利要求1所述的多级串联浅层流化床反应器，其特征在于：第一级流化床内气体分布器(2)的上方设有催化剂出口(3)，第N级流化床内级间构件(10)的上方设有催化剂进口(13)；第二级至第N-1级流化床内级间构件(10)的上方设有级间催化剂更换口(17)。

8.按照权利要求1所述的多级串联浅层流化床反应器，其特征在于：第二级至第N-1级流化床内催化剂过滤器(5)的上方设有级间液体出入口(16)，用于液体的移出或者更换。

9.按照权利要求1所述的多级串联浅层流化床反应器，其特征在于：第一级至第N-1级流化床内溢流堰(11)的上方设有级间气体出口(7)和级间气体入口(8)，根据需要排出各级流化床反应后的气体或补充新的气体成分。

10.按照权利要求1所述的多级串联浅层流化床反应器，其特征在于：每级流化床内安装有换热内构件，用于反应过程中热量的移出或者导入。

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