專利名稱：多段層式固定床反應器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多段層式固定床反應器，特別是關于苯和乙烯氣相烷基化制乙苯的多段層式固定床反應器。
背景技術：
乙苯是重要的化工原料，是生產苯乙烯不可缺少的關鍵原料，大多數乙苯生產商生產乙苯的目的是用于自己的苯乙烯裝置生產苯乙烯，大約99％以上的乙苯用于生產苯乙烯。苯乙烯是重要的基本有機化工原料，主要用于高分子材料領域制取聚苯乙烯及其共聚物，如ABS、AS、丁苯橡膠及其不飽和聚酯，此外，苯乙烯作為有機反應中間體還廣泛用于制藥、涂料、顏料和紡織工業中。隨著汽車工業、絕緣體工業、包裝工業和日用品工業對苯乙烯單體的日益增長的需求，世界的乙苯生產能力也在不斷增加。
工業上，絕大數乙苯是通過苯與乙烯的烷基化反應合成而得，其生產工藝有傳統AlCl3液相法、改良AlCl3液相法、ZSM-5分子篩氣相法和分子篩液相法。六七十年代我國乙苯的生產大都采用傳統AlCl3法和改良AlCl3法，但普遍存在著規模小、工藝技術落后、催化劑用量大和設備維護費用比較高、環境污染嚴重等問題。隨著人們對保護生態環境的日益重視，在八十年代和九十年代相繼推出了對環境友好的乙苯生產技術，即以固體酸催化劑(主要是ZSM-5沸石催化劑)為核心的分子篩氣相法和分子篩液相法工藝。克服了傳統工藝的缺點，被廣泛應用。兩種烴化方法都已經相當成熟和完善，可謂各有千秋，自八十年代以后基本上壟斷了新增乙苯裝置的市場。
工業上氣相烴化法通常是在ZSM-5分子篩催化劑存在下，將苯與乙烯反應來制造乙苯。反應一般是在350～500℃溫度范圍內和0.5～2MPaG的壓力條件下，在氣相中進行。反應產物絕大部分是乙苯，另外還有很少量的輕組分、丙苯、丁苯、二苯基化合物以及高沸點雜質等等，具體文獻有中國專利ZL97106648.2，ZL02155114，ZL97106448.2。為提高乙苯產量、降低多乙苯的生成量，工業上通常采用將多乙苯進行循環，利用苯和多乙苯的烷基轉移反應來增產乙苯。
在氣相法乙苯生產工藝中，烷基化反應器是最重要的設備。分子篩氣相法制乙苯工藝是以苯和乙烯為原料，在高溫、中壓的氣相中進行烷基化反應，發生一次烷基化反應生成乙苯，生成的乙苯會繼續同乙烯發生多烷基化反應生成多取代乙苯(主要是二乙苯)，反應為強放熱減分子反應，反應產物除乙苯和多取代乙苯外，還包括一些如甲苯、二甲苯、異丙苯、正丙苯、甲乙苯、丁苯等副產物。為提高乙苯收率，減少反應器中副反應的發生，除選擇合適的工藝條件外，一臺合適的烷基化反應器對提高乙苯收率、減少副反應及長期穩定運轉是非常重要的。
目前，國內氣相烷基化法制乙苯裝置的烷基化反應器主要采用六段床層的絕熱固定床反應器，在工業上，多段絕熱固定床反應器具有結構簡單，操作方便，能適應大系統生產的特點，因此在石油化工中獲得了廣泛的應用。但是由于以往裝置規模小，反應器直徑不大，反應器內部流體的均布問題并不突出，沒有引起重視。隨著乙苯裝置的生產能力日趨大型化，反應器的直徑不斷增大，反應器內部的流體均布問題就日益突出，越來越受到重視。當前國內引進的烷基化反應器內均無氣體入口分布器，反應氣體直接進入反應器內催化劑床層造成床層內氣體流動分布不均勻，而如果反應器床層內氣體分布不均，會使催化劑床層中出現死區和短路，致使一部分催化劑超負荷而過早失活，另一部分催化劑卻幾乎不起作用，從而導致反應器內整個反應過程惡化，反應器性能下降。
圖1所示的是典型的分子篩氣相法乙苯裝置烷基化反應器示意圖，該反應器是一個六段層式絕熱固定床反應器，它是自上而下由進口氣體預分布器、均化空間、上部惰性填料層、多段催化劑床層、下部惰性填料層及催化劑床層間的排管式氣體分布器組成。這些區段密切聯系，相互影響，并且都圍繞一個共同的目標——實現反應物氣流均勻分布于催化劑床層的各個部位，使全部催化劑都能獲得充分利用。但在實際操作過程中，往往存在反應物氣流分布不均勻，造成催化劑不能充分利用的問題。
發明內容
本實用新型所要解決的技術問題是以往烷基化反應器中存在的反應物氣流分布不均勻，造成催化劑不能充分利用的問題，提供一種新的多段層式固定床反應器。該反應器具有氣體預分布器壓降小，催化劑床層氣流分布均勻，催化劑利用率高的優點。
為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案如下一種多段層式固定床反應器，反應器殼體內自上而下包括進料口、氣體預分布器、均化空間以及至少兩層催化劑床層，出口氣體收集器和出料口，每個催化劑床層自上而下分別為上部惰性填料層、催化劑層、下部惰性填料層，兩個相鄰的催化劑床層間有均化空間，并設有多孔排管式氣體分布器作為補充原料進料口，其中反應器頂部的氣體預分布器放置于進料口內，伸入均化空間，其結構如下上部為深入均化空間的圓筒形筒體，下部為與圓筒形筒體垂直投影面相等的單級擋板，圓筒形筒體與單級擋板間通過分布于圓筒形筒體內側的垂直拉筋連接，且形成側向環隙，其中側向環隙高度為氣體通過預分布器環隙時保持平均流速為1～7米/秒所需的高度，單級擋板為圓錐形單級擋板，圓錐角為90°～175°。
上述技術方案中，多孔排管式氣體分布器主要結構為中間為總管，兩側為支管，總管及支管上均開設有小孔，小孔的氣體出口速度為3～8米/秒，孔徑為4～10毫米，開孔方向為斜向上與水平成30°～60°。側向環隙高度優選范圍為氣體通過預分布器環隙時保持平均流速為2～5米/秒所需的高度；圓錐形單級擋板的圓錐角優選范圍為120°～150°；氣體預分布器的下部圓錐形單級擋板位于上部惰性填料層的上方、均化空間內，均化空間的高度大于反應器上封頭的高度。
本實用新型的多段層式固定床反應器中，進口氣體預分布器、均化空間、惰性填料層及段間排管式氣體分布器等都是為了實現氣流在催化劑床層中均勻分布這個主要目標而采取的技術措施。若不設置進口氣體預分布器，反應氣體從進口管道以射流狀態進入反應器時，流道面積突然擴大，導致反應器徑向截面上氣流分布極不均勻。高速射流持續沖擊固定床表面，將在固定床表面形成凹坑(空穴)，而如果反應氣體苯和乙烯在催化劑床層內分布不均勻，會造成一部分催化劑超負荷而過早失活，大大增加了乙烯齊聚、乙苯異構化等副反應的發生幾率，影響產品質量，而另一部分催化劑卻幾乎不起作用。通過設置氣體預分布器，就可以對進口氣體實行導流，迫使氣流改變方向，迅速沿徑向分散到反應器的整個徑向截面上，從而大大縮短進口射流擴散到整個徑向截面上所需空間高度，提高反應器容積利用率。在進口氣體預分布器同固定床層之間留出一段空間，系由于進口氣體預分布器造成的初級不穩定流動狀態必須經歷一個緩和均化過程，借助于湍流動量傳遞，才能形成比較穩定的流態和比較均勻的分布，這段空間稱之為均化空間。初裝的包括催化劑床層和惰性填料層在內的固定床層，其上端不宜伸入反應器上封頭中。因為反應器投入運行后，在氣流持續通過固定床層過程中，床層將發生沉降，而且只是垂直方向沉降。如果初裝的固定床層伸入上封頭中，那末床層沉降后，其上端面將是中間高，四周低，造成床層厚度不均勻，不利于氣流均布。因此，均化空間高度應當大于反應器上封頭高度。在催化劑床層的上面鋪蓋一定厚度的惰性填料層(通常采用惰性瓷球)或阻力系數很大的多孔板等是保證氣流在催化劑床層中實現均勻分布的重要措施。反應器的上部瓷球層由大、中、小三層瓷球構成，三者所起作用各不相同。通過計算可知，在相同的表觀氣速和相同的層厚下，它們的壓降相差頗大。小瓷球層的阻力很大，它起到分散氣流的作用，但單個小瓷球重量輕，容易被氣流吹散；單個大瓷球的重量大，把它鋪在最上層，能抵抗氣流沖擊，保持床面平整；中瓷球的體積介于小瓷球和大瓷球之間，把它鋪在中間，起過渡作用。催化劑床層之下鋪墊的下部瓷球層除了起支承作用外，還起到增加阻力的作用，可防止氣流過早向中央出口管集中，而造成催化劑床層下部氣流分布不均勻。換言之，它的作用是使氣體向中央出口管集中所引起的氣流分布不均發生在惰性瓷球層中，而不是催化劑床層下部，從而避免催化劑床層中出現死區，提高催化劑利用率。每段催化劑床層之間均設排管式氣體分布器，保證分段進入的原料乙烯和急冷苯與反應器混合后在反應器床層徑向截面上分布均勻。排管式氣體分布器的設計應保證分布器上的小孔布置均勻、位置對稱、流量分配均勻。
本實用新型的多段層式固定床反應器中，由于采用圓錐形單級擋板，使反應物流能更加流暢地通過氣體預分布器的環隙，沿上封頭壁面平滑地向下流動，避免了氣體預分布器的圓錐形單級擋板四周及靠近反應器上封頭壁面區域出現渦流現象和物流能量損失，降低了氣體流動的壓降，使反應物流氣體能更加均勻地分布于反應器中，從而達到提高反應床層催化劑利用率的目的。經試驗證實圓錐角為120～150°的圓錐形單級擋板的壓降比平板形單級擋板小10～15％，且在此角度范圍內，隨著圓錐角變小，壓降減小更為顯著，取得了較好的技術效果。
圖1是典型的多段層式固定床反應器示意圖。
圖2是無進口氣體預分布器的大直徑多段層式固定床反應器中流體分布不均情況的示意圖。(以第一段催化劑床層為例)圖3是本實用新型具有圓錐形單級擋板的進口氣體預分布器結構圖。
圖4是本實用新型具有圓錐形單級擋板的進口氣體預分布器的垂直投影圖；圖5是本實用新型多段催化劑床層間多孔排管式氣體分布器結構圖。
在圖1中，6為氣體進口管道；7為進口氣體預分布器；8為均化空間；9為上部惰性填料層；10為催化劑床層；11為下部惰性填料層；12為段間急冷苯進口管；13為段間排管式氣體分布器；14為反應器出口管。
在圖2中，15代表氣體的主要流線；16為催化劑床層頂部；17為由于進口氣體射流的沖刷作用，在催化劑床層頂部中央形成的凹坑(空穴)；18指通過氣流很少的部位；19為幾乎沒有氣流通過的“死區”。
在圖3中，1為氣體進口接管；2為單級擋板型進口氣體預分布器；3為懸吊單級擋板的垂直拉筋，其數量為4～8根，按均勻分布方式焊接在進口氣體預分布器筒體內側；4為軸向流固定床反應器的上封頭；5為圓錐形單級擋板。di是進口氣體預分布器筒體內徑；din是反應器進口管內徑；H是進口氣體預分布器側向環隙高度(氣體通過該環隙時改變流動方向，沿反應器徑向擴散開來)；l是進口氣體預分布器環隙上邊緣伸入反應器的長度(它確定了進口氣體預分布器的軸向位置)；α是圓錐形單級擋板的圓錐角。
在圖5中，20為段間排管式氣體分布器進口總管；21為段間排管式氣體分布器支管；22為段間排管式氣體分布器總管及支管上的開孔；23為總管及支管上的開孔與垂直向上方向的夾角；箭頭表示孔方位向下。
下面通過實施例對本實用新型作進一步闡述。
具體實施方式
實施例1某廠1.5萬噸/年乙苯裝置，采用分子篩氣相烷基化工藝，其烷基化反應器為4段層式絕熱固定床反應器，反應器內徑為φ600，進口管內徑din＝200毫米，采用如圖3所示圓錐形單級擋板型進口氣體預分布器，它的筒體內徑di＝170毫米，圓錐角α＝150°，環隙高度H＝50毫米。該反應器內部均化空間高度為1150毫米，催化劑床層高自上而下6段分別為310、345、380、430、480、890毫米，上、下瓷球層采用惰性氧化鋁瓷球，厚度均為180毫米。段間排管式氣體分布器共3個，總管直徑φ50，支管6個，直徑φ20，開孔數32個，3個排管式氣體分布器開孔孔徑自上而下分別為4、4.5、5毫米，孔間角度60°。
在催化劑運行至末期階段，反應原料進入反應器的溫度為388.1℃，反應器排出物流溫度為407℃，反應器進口處壓力為1.37MPa，反應器出口處壓力為1.21MPa。氣體在預分布器筒內平均流速為2.7米/秒，預分布器環隙處平均流速為2.5米/秒。
該具有150°圓錐角的圓錐形單級擋板型進口氣體預分布器的壓降為1.4KPa，催化劑的利用率為99.3％。
實施例2某廠3萬噸/年乙苯裝置，采用分子篩氣相烷基化工藝，其烷基化反應器為6段層式絕熱固定床反應器，反應器內徑為φ700，進口管內徑din＝250毫米，采用如圖3所示圓錐形單級擋板型進口氣體預分布器，它的筒體內徑di＝200毫米，圓錐角α＝120°，環隙高度H＝50毫米。該反應器內部均化空間高度為1650毫米，催化劑床層高自上而下6段分別為360、395、440、490、550、1030毫米，上、下瓷球層采用惰性氧化鋁瓷球，厚度均為150毫米。段間排管式氣體分布器共5個，總管直徑φ70，支管6個，直徑φ40，開孔數50個，5個排管式氣體分布器開孔孔徑自上而下分別為3.5、4、4、4.5、5毫米，孔間角度60°。
在催化劑運行至末期階段，反應原料進入反應器的溫度為388℃，反應器排出物流溫度為403.4℃，反應器進口處壓力為1.6MPa，反應器出口處壓力為1.2MPa。氣體在預分布器筒內平均流速為3.9米/秒，預分布器環隙處平均流速為3.87米/秒。
該具有150°圓錐角的圓錐形單級擋板型進口氣體預分布器的壓降為1.5KPa，催化劑的利用率為99.5％。
實施例3某廠16萬噸/年乙苯裝置，采用分子篩氣相烷基化工藝，其烷基化反應器為6段層式絕熱固定床反應器，反應器內徑為φ1600，進口管內徑din＝500毫米，采用如圖3所示圓錐形單級擋板型進口氣體預分布器，它的筒體內徑di＝470毫米，圓錐角α＝150°，環隙高度H＝120毫米。該反應器內部均化空間高度為2250毫米，催化劑床層高自上而下6段分別為280、310、350、395、440、815毫米，上、下瓷球層采用惰性氧化鋁瓷球，厚度分別為210、170毫米。段間排管式氣體分布器共5個，總管直徑φ150，支管12個，直徑φ50，開孔數196個，5個排管式氣體分布器開孔孔徑自上而下分別為4、4.5、5、5.5、6毫米，孔間角度45°。
在催化劑運行至末期階段，反應原料進入反應器的溫度為388.2℃，反應器排出物流溫度為403℃，反應器進口處壓力為1.7MPa，反應器出口處壓力為1.2MPa。氣體在預分布器筒內平均流速為4.13米/秒，預分布器環隙處平均流速為4.04米/秒。
該具有150°圓錐角的圓錐形單級擋板型進口氣體預分布器的壓降為1.6KPa，催化劑的利用率為99.6％。
比較例1某乙苯裝置烷基化反應器采用4段層式絕熱固定床反應器，工藝條件和結構參數均與實施例1相同，唯一不同之處是反應器內部沒有設單級擋板型進口氣體預分布器。該反應器催化劑的利用率為95％。
比較例2某乙苯裝置烷基化反應器采用6段層式絕熱固定床反應器，工藝條件和結構參數均與實施例2相同，不同之處是反應器采用如圖3所示圓錐形單級擋板型進口氣體預分布器，它的筒體內徑di＝470毫米，圓錐角α＝100°，環隙高度H＝120毫米。該反應器催化劑的利用率為97％。
比較例3某乙苯裝置烷基化反應器采用6段層式絕熱固定床反應器，工藝條件和結構參數均與實施例3相同，不同之處是反應器段間5個排管式氣體分布器開孔孔徑自上而下分別為2、2.5、3、3.5、4毫米，孔間角度90°，開孔數350個，該反應器催化劑的利用率為96％。
權利要求1.一種多段層式固定床反應器，反應器殼體內自上而下包括進料口、氣體預分布器、均化空間以及至少兩層催化劑床層，出口氣體收集器和出料口，每個催化劑床層自上而下分別為上部惰性填料層、催化劑層、下部惰性填料層，兩個相鄰的催化劑床層間有均化空間，并設有多孔排管式氣體分布器作為補充原料進料口，其中反應器頂部的氣體預分布器放置于進料口內，伸入均化空間，其結構如下上部為深入均化空間的圓筒形筒體，下部為與圓筒形筒體垂直投影面相等的單級擋板，圓筒形筒體與單級擋板間通過分布于圓筒形筒體內側的垂直拉筋連接，且形成側向環隙，其特征在于側向環隙高度為氣體通過預分布器環隙時保持平均流速為1～7米/秒所需的高度，單級擋板為圓錐形單級擋板，圓錐角為90°～175°。
2.根據權利要求1所述多段層式固定床反應器，其特征在于多孔排管式氣體分布器主要結構為中間為總管，兩側為支管，總管及支管上均開設有小孔，小孔的氣體出口速度為3～8米/秒，孔徑為4～10毫米，開孔方向為斜向上與垂直方向成30°～60°。
3.根據權利要求1所述多段層式固定床反應器，其特征在于側向環隙高度為氣體通過預分布器環隙時保持平均流速為2～5米/秒所需的高度。
4.根據權利要求1所述多段層式固定床反應器，其特征在于圓錐形單級擋板的圓錐角為120°～150°。
5.根據權利要求1所述多段層式固定床反應器，其特征在于氣體預分布器的下部圓錐形單級擋板位于上部惰性填料層的上方、均化空間內，均化空間的高度大于反應器上封頭的高度。
專利摘要本實用新型涉及一種多段層式固定床反應器，主要解決以往技術中的反應器存在反應氣流分布不均勻、催化劑不能充分利用的問題。本實用新型通過采用反應器頂部設置圓錐形單級擋板氣體預分布器，催化劑床層間設置多孔排管式氣體分布器，反應器頂部的氣體預分布器置于進料口內，伸入均化空間，上部為深入均化空間的圓筒形筒體，下部為與圓筒形筒體垂直投影面相等的單級擋板，圓筒形筒體與單級擋板間通過圓筒形筒體內側的垂直拉筋連接，形成側向環隙，側向環隙高度為氣體通過預分布器環隙時保持平均流速為1～7米/秒所需的高度，單級擋板為圓錐形單級擋板，圓錐角為90°～175°的技術方案較好地解決了該問題，可用于苯氣相烷基化制乙苯的工業生產中。
文檔編號C07C15/073GK2855522SQ20052004428
公開日2007年1月10日 申請日期2005年8月15日 優先權日2005年8月15日
發明者劉文杰, 崔世純, 邵百祥 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院