專利名稱：丁烯氧化脫氫制丁二烯流化床反應器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于一種流化床反應器，尤其是涉及一種丁烯氧化脫氫制丁二烯的流化床反應器。
背景技術：
丁二烯是最簡單的共軛二烯烴，其結構式為:CH2=CH-CH=CH2,屬于有機化合物。丁二烯是一種重要的石油化工產品，是生產合成橡膠及其他高分子合成材料的重要單體，也是重要的基礎化工原料。在工程塑料和有機化工產品的合成以及精細化學品的生產中也有廣泛應用。目前，丁二烯的生產方法主要有碳四餾分分離法及合成法(包括催化脫氫和氧化脫氫)。碳四餾分分離法曾經提供了 90%以上的丁二烯供應量，但該工藝存在這樣的問題:必須安裝新的裂解器，成本較高；裂解反應能耗過大；并非生產丁二烯的獨立工藝。隨著丁二烯需求的迅猛增加，分離法已不能滿足需要。催化脫氫法是一種生產丁二烯的獨立工藝，但該法存在諸多問題:反應轉化率受到化學平衡限制而較低；能耗高而且蒸汽用量大；裂解和二次反應問題嚴重；高溫下催化劑表面易出現焦炭沉積，這會降低催化劑活性。所以催化脫氫法并不適于丁二烯的商業化生產。與催化脫氫法相比，氧化脫氫法的優勢明顯:氧化脫氫中丁烯的平衡轉化率理論上接近100%，這比催化脫氫有大幅提高；氧化脫氫為放熱反應，無需額外的熱量供應，減小了能耗；氧化脫氫在較低溫度即可獲得較高的丁二烯產率，且低溫和氧氣能有效抑制裂解反應以及催化劑表面焦炭的沉積；氧化脫氫反應生成了水，降低了水耗。丁烯氧化脫氫制丁二烯的反應器主要采用兩種床型，即固定床和流化床，固定床又可分為絕熱式固定床和恒溫列管式固定床兩種。絕熱固定床進料溫度要求高，水蒸氣耗量也較大，操作條件苛刻，反應器內局部溫度高,導致轉化率、收率較低,生產成本過高。恒溫列管式固定床設備結構復雜,對材質要求較高，催化劑結炭嚴重，管子容易堵塞。此外，固定床反應器在工程放大上存在許多困難，均難以實現工業化。丁烯氧化脫氫制丁二烯流化床反應器操作于鼓泡或湍動流態化狀態，有許多優點:結構簡單，操作方便；流化穩定，床層空隙率分布均勻，氣體返混小；進料溫度要求低，工藝簡化；氣-固傳熱、傳質速率高，反應器內溫度分布均勻；床內換熱管傳熱效果很好，換熱器金屬耗量小；能耗、水耗少，生產成本低；工業放大性能優異，宜于大規模操作；催化劑的裝卸補充比較方便。綜上可見，丁烯氧化脫氫是制備丁二烯的先進獨立工藝，而流化床反應器由于自身的優點又特別適合這樣的工藝體系，因此流化床丁烯氧化脫氫制丁二烯技術得到了廣泛應用，在丁二烯產業中扮演著重要角色。隨著丁二烯需求的增加，其生產設備也向著大型化發展，現有的丁二烯流化床反應器最大直徑達3.4m。然而，目前放大后的設備仍然照搬早期小型設備的結構，這給工業生產帶來了一些新的問題:首先，小型流化床反應器采用結構簡單的平直型氣體分布板，然而在大直徑流化床反應器中，由于催化劑顆粒的負荷較重，采用平直型分布器容易出現無法預測的受壓彎曲，這對床層流化質量以及流化床操作的穩定性均會產生不良影響，最終會導致合成反應的收率降低。其次，丁烯氧化脫氫制丁二烯流化床反應器工作溫度發生波動時會引起設備的熱脹冷縮。分布板由于受到流體沖刷而溫度較低，與流化床筒體溫差可能高達200°c，因此分布板與反應器筒體間連接部位最易發生熱應力破壞，這在大尺寸設備中更為嚴重。平直型氣體分布板由于結構所限無法有效吸收熱應力，不能提供可靠的熱補償。在大型流化床中采用該結構使得熱應力問題更為突出，給設備和人身安全均造成較大隱患。最后，由于氧化脫氫制丁二烯擋板流化床反應器的內構件眾多且結構復雜，為了便于檢修，已有的小型反應器均采用法蘭連接的形式。氣體分布板被法蘭片夾持固定在反應器筒體上，拆開法蘭就能進行反應器內部的檢修工作。然而在大型流化床中采用法蘭連接會產生諸多問題:法蘭片厚度過大，其材料、加工、安裝費用大幅提高；大型法蘭的裝卸工作量很大，操作費時，這會延緩檢修工作的進度，影響正常生產。
發明內容本實用新型的目的是提出一種結構簡單、造價低、安裝檢修方便、適用于大規模生產的流化床反應器。為了解決上述問題，本實用新型采用的技術方案如下:一種丁烯氧化脫氫制丁二烯的流化床反應器，它是由殼體，進氣管、氣體出口，進料口，卸料口，氣體分布板和人孔組成，殼體由下部錐底、中部直段、上部擴大段構成，錐底的中部設有進氣管和人孔，錐底的底部有錐底卸料口，錐底和直段之間有下凹式氣體分布板，直段下部有直段卸料口、直段中部有換熱管和橫向擋板，換熱管通過換熱介質的進口和換熱介質的出口與殼體外的進水環管和集汽環管相連，直段上部有人孔和進料口，擴大段內有旋風分離器，擴大段頂部設有氣體出口和吊裝孔。如上所述的下凹式氣體分布板下凹圓弧的弦高為80-500毫米，焊接安裝在錐底和直段之間。下凹式氣體分布板上開有許多小孔，開孔率為0.5%-5%，孔徑為15-40毫米，小孔內裝設側流型風帽，如側縫式錐形風帽；分布板中心還開設一個卸料孔，孔徑為60-200毫米。如上所述的錐底采用倒置圓錐結構，錐底角度為45-60°。如上所述的橫向擋板采用百葉窗式多旋導向擋板結構，沿密相區床層高度方向可以布置多層擋板，擋板間距為100-400毫米，所述擋板由許多小的檔板單元格拼裝而成，單元格尺寸在300 X 300mm2到600 X 600mm2之間，擋板斜片厚度δ為2_6毫米，斜片傾角Θ為45-55°，斜片高度h和斜片間距s為20-60毫米。換熱管為套管式換熱器,換熱管可以單級或者多級布置,其內套管內徑為15-50暈米，夕卜套管內徑為60-150暈米。如上所述的旋風分離器采用分級串聯、多組并聯的布置形式。氣體分布板采用下凹式孔板結構，其主要作用為支承催化劑層、均勻分配氣體以及利用阻力來維持流化床層的穩定；下凹式設計使得中間料層厚，這有助于防止溝流以及提高流化質量；下凹板負重能力強、熱補償性能優，適合于載荷較大、熱應力問題較突出的放大規模氧化脫氫流化床反應器；所述下凹式氣體分布板的中心(最低)處開設了一個卸料口，以便與筒體上的卸料口配合使用，實現完全卸料；所述氣體分布板直接焊接在反應器筒體壁面上，對反應器內部設備的檢修工作則借助設置在反應器錐底、直段及擴大段各處的人孔來完成，在大型裝置中采用分布板焊接配合多個人孔的方案替代法蘭夾持方案既能保證設備正常檢修又有效降低了設備的投資、安裝費用，更重要的是大大縮減了檢修的工作量與耗時。所述換熱管位于反應器中部直段的密相區，管子均勻的布滿反應床層的橫截面以維持床層溫度均勻分布；換熱器中的冷卻介質不斷將催化反應放出的多余熱量移出，使反應溫度維持在最佳狀態，換熱管可以一級或者多級布置，它們還起到了縱向內構件的作用。所述擋板為百葉窗式多旋導向擋板，擋板層數取決于密相區高度以及擋板間距的大小，擋板的作用是破碎床層中的大氣泡、改善氣固接觸、提高流化質量、減小氣體軸向返混，從而增加反應速率并且提高選擇性和轉化率；擋板與反應器筒體內壁間留有一定的間隙，以促進催化劑顆粒的內部循環(軸向返混)；整個檔板由許多小的單元格拼裝而成，每個單元格可以進行獨立的拆裝操作，這使得擋板的安裝、檢修工作更為靈活和便捷。所述擴大段的作用是降低空塔氣速，促成催化劑顆粒的沉降分離，擴大段尺寸還需滿足旋風分離器的安裝空間要求；所述旋風分離器為漏斗形，它借助離心力實現氣固分離，根據實際需要旋風分離器可采用分級串聯、多組并聯的布置形式；所述人孔作檢修用；所述進料、卸料口用于催化劑的裝卸與更換；所述吊裝孔用來吊裝設備。本實用新型的優點在于:1.氣體分布板采用下凹式設計使得中間料層厚，這有助于防止溝流以及提高流化質量；下凹板能夠承受較大的床層壓力且不易出現無法預測的變形，這有助于保證大型反應器的穩定操作以及其中流體的均勻分布。2.下凹式分布板彎曲的弧度能夠有效吸收熱應力，具有較好熱補償的作用，采用這種分布板提高了設備的健壯性和安全性。3.采用分布板焊接安裝、人孔檢修的方式在保證檢修質量的同時有效縮短了大型流化床反應器的檢修工作量和時間。4.分布板采用焊接裝配方式，與法蘭夾持相比，投資和安裝費用均有所降低。
圖1為本實用新型橫向擋板的主視圖。圖2為本實用新型橫向擋板的俯視圖。圖3為本實用新型的縱向剖視圖。圖中:1為錐底；2為進氣管；3為下凹式氣體分布板；4為側縫式錐形風帽；5為進水環管；6為集汽環管；7為人孔；8為直段；9為擴大段；10為旋風分離器；11為吊裝孔；12為氣體出口 ；13為進料口 ；14為換熱管內套管；15為換熱管外套管；16為橫向擋板；17為直段卸料口，18為分布板卸料口，19為錐底卸料口，δ為斜片厚度，Θ為斜片傾角，h為斜片高度，S為斜片間距。
具體實施方式
以下結合附圖對本文實用新型作進一步描述。實施例1殼體由下部錐底1、中部直段8、上部擴大段9構成，錐底I的中部設有進氣管2和人孔7，錐底I的底部有錐底卸料口 19，錐底I采用倒置圓錐結構，錐底角度為45°。下凹式氣體分布板3焊接安裝在錐底I和直段8之間，其下凹圓弧的弦高為80毫米，開孔率為
0.5%，其上開有孔徑為15毫米的小孔，小孔內裝有側縫式錐形風帽4，其中心開設一個孔徑為60毫米的卸料孔18。直段8下部有直段卸料口 17、中部有內套管14和外套管15組成的換熱管，內套管內徑為15毫米,外套管內徑為60毫米，內套管14和外套管15分別通過換熱介質進口和換熱介質出口與殼體外的進水環管5和集汽環管6相連。直段8中部的橫向擋板16采用百葉窗式多旋導向擋板結構，沿密相區床層高度方向可以布置多層擋板，擋板間距為100毫米，擋板16由許多小的檔板單元格拼裝而成，單元格尺寸為300X300mm2，擋板斜片厚度S為2毫米，斜片傾角Θ為45°，斜片高度h和斜片間距s均為20毫米。直段8上部有人孔7和進料口 13，擴大段9內有旋風分離器10，旋風分離器10采用分級串聯的布置形式，擴大段9頂部設有氣體出口 12和吊裝孔11。丁二烯合成原料氣由進氣管2進入錐底I中進行氣體預分布，之后通過下凹式氣體分布板3上的側縫式錐形風帽4進行氣體再分配，均勻分布的氣體在密相區使催化劑顆粒達到流態化狀態，氣固接觸進行催化反應，氣體在密相床層中繼續向上流動，穿過橫向擋板16的間隙進入稀相區，隨后夾帶著催化劑顆粒的氣體進入旋風分離器10中進行氣固分離，凈化后的氣體由氣體出口 12流出反應器本體并進入下游工序。丁二烯合成反應會釋放出很大熱量，通過設置在密相區內的換熱管14、15可以迅速移出多余的熱量，保證脫氫反應處于最佳的溫度條件下進行。冷卻水經進水環管5分配至內套管14中，再由內套管14的底部開口流入外套管15中，吸收床層放熱量并汽化后經外套管15離開反應器并匯集于集汽管6中。循環流動的冷卻介質與床層間持續換熱，使得床層溫度能夠維持在最佳的反應條件下。實施例2錐底I采用倒置圓錐結構，錐底角度為55°。氣體分布板3下凹圓弧的弦高為300毫米，開孔率為2.5%，其上開有孔徑為30毫米的小孔，中心開設一個孔徑為150毫米的卸料孔18。換熱內套管14內徑為30毫米，外套管15內徑為100毫米。橫向擋板16間距為250毫米，擋板單元格尺寸為450X450mm2，擋板斜片厚度δ為4毫米，斜片傾角Θ為50°，斜片高度h和斜片間距s均為40毫米。其余部分與實施例1相同。實施例3錐底I采用倒置圓錐結構，錐底角度為60°。氣體分布板3下凹圓弧的弦高為500毫米，開孔率為5%，其上開有孔徑為40毫米的小孔，中心開設一個孔徑為200毫米的卸料孔18。換熱內套管14內徑為50毫米，外套管15內徑為150毫米。橫向擋板16間距為400毫米，擋板單元格尺寸為600X600_2，擋板斜片厚度δ為6毫米，斜片傾角Θ為55°，斜片高度h和斜片間距s均為60毫米。其余部分與實施例1相同。
權利要求1.一種丁烯氧化脫氫制丁二烯流化床反應器，它是由殼體，進氣管、氣體出口，進料口，卸料口，氣體分布板和人孔組成，其特征在于殼體由下部錐底(I)、中部直段(8)、上部擴大段(9)構成，錐底(I)的中部設有進氣管(2)和人孔(7)，錐底(I)的底部有錐底卸料口(19)，錐底(I)和直段(8)之間有下凹式氣體分布板(3)，直段(8)下部有直段卸料口(17)、直段(8)中部有換熱管和橫向擋板(16),換熱管通過換熱介質的進口和換熱介質的出口與殼體外的進水環管(5)和集汽環管(6)相連，直段(8)上部有人孔(7)和進料口(13)，擴大段(9)內有旋風分離器(10)，擴大段(9)頂部設有氣體出口(12)和吊裝孔(11)。
2.如權利要求1所述的一種丁烯氧化脫氫制丁二烯流化床反應器，其特征在于所述的下凹式氣體分布板(3)下凹圓弧的弦高為80-500毫米。
3.如權利要求1所述的一種丁烯氧化脫氫制丁二烯流化床反應器，其特征在于所述的下凹式氣體分布板(3)開有小孔，開孔率為0.5%-5%，孔徑為15-40毫米。
4.如權利要求1所述的一種丁烯氧化脫氫制丁二烯流化床反應器，其特征在于所述的下凹式氣體分布板(3)小孔裝設側流型風帽，分布板中心開設一個卸料孔，孔徑為60-200毫米。
5.如權利要求1所述的一種丁烯氧化脫氫制丁二烯流化床反應器，其特征在于所述的錐底(I)采用倒置圓錐結構，錐底角度為45-60°。
6.如權利要求1所述的一種丁烯氧化脫氫制丁二烯流化床反應器，其特征在于所述的橫向擋板(16)采用百葉窗式多旋導向擋板結構，由許多小的檔板單元格拼裝而成，擋板間距為100-400毫米，單元格尺寸在300X 300mm2到600X600mm2之間，擋板斜片厚度δ為2-6毫米，斜片傾角Θ為45-55°，斜片高度h和斜片間距s為20-60毫米。
7.如權利要求1所述的一種丁烯氧化脫氫制丁二烯流化床反應器，其特征在于所述的換熱管為套管式換熱器，換熱管可以單級或者多級布置，其內套管內徑為15-50毫米,外套管內徑為60-150暈米。
8.如權利要求1所述的一種丁烯氧化脫氫制丁二烯流化床反應器，其特征在于所述的旋風分離器(10)采用分級串聯、多組并聯的布置形式。
專利摘要一種丁烯氧化脫氫制丁二烯流化床反應器是由殼體，進氣管、氣體出口，進料口，卸料口，氣體分布板和人孔組成，殼體由下部錐底(1)、中部直段(8)、上部擴大段(9)構成，錐底(1)的中部設有進氣管(2)和人孔(7)，錐底(1)的底部有錐底卸料口(19)，錐底(1)和直段(8)之間有下凹式氣體分布板(3)，直段(8)下部有直段卸料口(17)、直段(8)中部有換熱管和橫向擋板(16)，換熱管通過換熱介質的進口和換熱介質的出口與殼體外的進水環管(5)和集汽環管(6)相連，直段(8)上部有人孔(7)和進料口(13)。本實用新型具有結構簡單、造價低、安裝檢修方便、適用于大規模生產的優點。
文檔編號C07C5/48GK202983653SQ20122063259
公開日2013年6月12日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者張磊, 趙建濤, 王洋, 房倚天, 黃戒介, 張永奇, 劉秉偉, 馮浩, 張建民, 王偉 申請人:中國科學院山西煤炭化學研究所