專利名稱：流化床反應器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種適用于寬粒徑分布流化顆粒體系、強放熱和容易結塊的氣固相流化床反應器。
背景技術：
流化床反應器涉及到很多寬粒徑分布的固體原料或者固體顆粒粒徑隨反應進行逐漸減小的體系，比如工業煤粉燃燒、冶金工業中的礦石培燒、化學工業中的有機硅單體合成等。
對于流化床鍋爐，由于燃料(煤粉)粒度的寬粒徑分布以及運行風速對鼓泡流化床和循環流化床的工況有較大影響，爐內氣固流動過程比較復雜，顆粒相濃度范圍從高到低變化很大(達1～1000kg/Nm3)。而且在燃燒過程中，往往遇到的是變質量運動問題，如煤粒在給入流化床后的熱破碎、揮發份析出、著火及燃燒反應失重等。
有機硅單體(甲基氯硅烷)通常采用Rochow直接法合成，合成反應中的固體原料為硅粉顆粒，催化劑為銅粉顆粒，氯甲烷及氣態反應產物起到流化介質的作用，反應過程為氣—固—固反應。未反應的氯甲烷、氣態的甲基氯硅烷、氣態的副產品、催化劑成分以及微細粉塵離開反應器。硅粉和銅粉的充分接觸和有效的撤出反應熱對反應有著重要的影響，因此工業上都采用連續流化床反應器來實現甲基氯硅烷單體的生產。為了得到盡可能高的目標產物(二甲基二氯硅烷)的選擇性，不僅需要盡可能高的產率(每單位時間及反應體積所形成的硅烷數量)，而且需要盡可能高的硅轉化率及整個工廠的可靠和彈性操作。硅粉顆粒本身就具有很寬的粒徑分布，并且在生產過程中，硅粉被不斷的消耗，粒徑發生變化，同時向反應器不斷的補充新鮮的硅粉。此外，催化劑銅粉的粒徑相對較小，與硅粉粒徑有較大差異。因此，在有機硅單體流化床反應器的主要特征是固體顆粒粒徑分布寬，含有較多的細粉，需實現不同粒徑顆粒的充分混合。關鍵是需要解決反應的傳熱問題和寬分布顆粒的流化問題。
直接法合成甲基氯硅烷是強放熱反應，為及時排出反應放出的熱量，一般都在流化床內設置U型管或指形套管作為換熱結構，現在使用的U型管或指形套管有的每根管單獨與外管連接，有的以幾根管為一組，然后與外管連接。但是，由于反應容易結塊，導致流化狀態惡化，產品質量下降，反應選擇性降低。U型管底部會積灰結塊，導致局部過熱發燒的問題，而采用指形套管型換熱器。但由于其設置在流化床頂部，指形套管很長，造成上下換熱不勻，底部換熱強度高，而頂部換熱強度低。
專利CN 2456835Y介紹了兩種現有有機硅單體合成流化床反應器，一種為水蒸發取熱的半錐床反應器；另一種為單純油取熱的圓柱床反應器。水蒸發取熱的半錐床反應器的半錐床底部有適當厚度的無取熱面反應層。它是采用間歇(或不均勻)加水至指形管群底部，沸騰水在很短的區域內蒸發，水蒸發區的末端已經把觸體(催化劑+硅粉)顆料冷卻到反應溫度以下。再往上的床層顆粒均低于反應溫度，這些觸體不發生合成反應。這類反應器生產能力低，床底溫度波動頻繁，產生的蒸汽流量極不穩定，故很難綜合利用這部分熱能。
一般流化床的底部區域采用錐形床，提高流化速度使不同粒徑的物料都充分流化，而頂部采用放大段，使氣速降低，從而使物料易于沉積下來，不易被氣體帶出，降低其后的分離系統的負荷。但對于反應放熱量很大的大型流化床有幾十甚至上百根換熱管，傳熱管束的加入，對于均徑直筒體流化床，會顯著降低床體有效截面積，造成空塔氣速過高，從而使粒度小的顆粒容易被吹出去，特別是對于有機硅單體生產過程，由于催化劑銅粉的粒度很小，容易使催化劑被吹出床體，從而影響反應過程。
專利CN 1425494A介紹了一種適用于寬篩分流化顆粒的大型流化床反應器，其由主床、錐形床、指形管換熱內構件、氣體分布器組成，其特征是在錐形床底部的氣體分布器上引入上小下大的倒內錐體結構，其半錐角5～13度。在錐形床中引入倒內錐體結構后，在通氣量一定的情況下，可以有效的改變流化橫截面積，在床層下部的氣速就相對的大一些，以利于顆粒的初始流化，從而提高流化質量。引入倒內錐體結構的另一個優點就是有利于該類反應器的放大設計。如果單純的在設計中只采用錐形床結構，那么如果流化床反應器的規模進一步擴大，為了保證錐形床的半傾角在一定范圍內，錐形床部分的高度必然會很大，這樣就給整個反應器的合理設計和加工帶來困難，甚至不能滿足化學工藝條件。通過引入內錐體結構，就可以很好的將錐形床的高度控制在一定范圍內。
發明內容
本實用新型的目的在于提供適用于寬粒徑分布流化顆粒體系、強放熱和容易結塊的一種氣固相流化床反應器，尤其適用于固體顆粒的粒度分布較寬，或固體顆粒參加反應，其粒度隨著反應過程逐漸變小的氣固反應體系。
本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是本實用新型包括依次由上部封頭、上大下小的上部錐體、筒體、上大下小的下部錐體、氣體預分布室和下部封頭構成；在下部錐體與氣體預分布室間設置氣體分布器，氣體分布器上對稱分布有不同長度的垂直指形套管束，垂直指形套管束頂部末端形成成中間高四周低的圓錐面，垂直指形套管束與裝在下部錐體外的換熱介質進口和換熱介質出口連通，下部錐體外還裝有回料加料口和原料固體加料口，氣體預分布室外裝有原料氣進口，上部封頭裝有不同長度的下垂式指形套管束，下垂式指形套管束下部末端形成中間低四周高的圓錐面，上部錐體開有合成氣出口和與下垂式指形套管束連通的指形套管換熱介質進口，上部封頭上裝有指形套管換熱介質出口。
所述的氣體分布器上對稱分布不同長度的垂直指形套管束，垂直指形套管束頂部末端形成中間高四周低的圓錐面，其錐角范圍為30～150度。
所述的垂直指形套管束安裝在氣體分布器上方，呈多層等距或不等距同心圓分布或正三角形均布。
所述的下垂式指形套管束分區布置，按照隔行分區或同心圓分區或角度分區，根據筒體直徑和換熱管數目分為1～4分區，分區數和指形套管換熱介質進口數目相同。
所述的上部封頭裝有不同長度的下垂式指形套管束，下垂式指形套管束的下部末端形成中間低四周高圓錐面，其錐角范圍為30～150度。
所述的反應器的筒體高度為5～15米，筒體直徑為0.5～6米，反應器從底部到頂部采用變錐角筒體。上部錐體和下部錐體的錐形角度為5～30度。
該流化床反應器的上部錐體和下部錐體的錐形角度，下垂式指形套管束和垂直指形套管束的長度在軸向的分布，可根據物料粒徑分布進行配合變化，使得流化床內底部氣速大而頂部氣速小。在通氣量一定的情況下，可以有效的改變流化床反應器床體的橫截面積。在反應器下部錐體的氣速相對于圓柱形床和普通錐形床要大，有利于顆粒的初始流化，尤其是粒徑寬分布物料中大顆粒的初始流化，從而提高流化質量。而在反應器頂部，采用小錐角的錐形床體，在避免積灰結塊的前提下，可以顯著提高床體的橫截面積，降低空塔氣速，使得小顆粒(催化劑或固體反應物)可以盡可能的落下回到筒體和下部錐體，減少流化床反應器的外部旋風分離設備或過濾設備的負荷。使反應所形成的且被反應產物所攜出的微細催化劑粉塵和原料粉塵，可以有效地重新加以利用。優點就是有利于延長細反應原料和催化劑粉末在反應器內的停留時間。換熱介質可以從流化床反應器頂部進入下垂式懸掛指形套管束，同時可進入流化床底部的氣體分布器上的垂直指形套管束，實現對流化床反應器內部的上下分段控溫。反應一般集中在氣體分布器上方附近區域，此區域放熱量大，因此采用反應器底部的垂直指形換熱套管束可以有效的撤除反應熱量，使反應平穩進行，避免局部過熱，產生炭化和結塊問題。
下垂式懸掛指形套管束和垂直指形換熱套管束兩段換熱管束均可采用分區加入的設計形式。換熱介質從反應器頂部通過幾個不同的分區進入指形管換熱構件，經換熱后排出。分區數目根據流化床筒體直徑大小可以為1～4個，換熱介質(水蒸氣或者換熱油)的排出集中在一個出口。通過這樣的分區設計，可以將換熱介質均勻分布，同時也方便了反應器的放大設計。
通過以上設計和局部調整具體的參數可以達到最優化的操作狀態。
本實用新型具有的有益的效果是流化床的上部錐體和下部錐體的錐度和兩段指形換熱管的長度在軸向的分布，根據物料粒徑分布進行配合變化，使得流化床內底部氣速大而頂部氣速小，所以本實用新型流化床反應器可以有效的處理寬粒徑分布顆粒的流化，調整流化橫截面積，改善流化質量。同時由于換熱介質采取分段和分區加入的設計形式進行控溫，易于滿足工藝要求。本實用新型流化床反應器適用于寬粒徑分布的流化顆粒體系、放熱量大和反應物易結塊的氣固相反應。
圖1為本實用新型的變錐體流化床反應器結構示意圖；圖2為本實用新型的氣體分布器和底部垂直換熱管束分布示意圖；圖3為本實用新型的指形套管束換熱管分區示意圖；圖4為本實用新型流化床反應器和傳統半錐直筒床反應器的空塔氣速比較圖。
圖中1、指形套管換熱介質出口，2、指形套管換熱介質進口，3、下垂式指形套管束，4、半管夾套，5、上部錐體，6、筒體，7、下部錐體，8、回料加料口，9、垂直指形套管束，10、氣體分布器，11、換熱介質進口，12、氣體預分布室，13、下部封頭，14、原料氣進口，15、換熱介質出口，16、原料固體加料口，17、合成氣出口，18上部封頭。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
如圖1所示，本實用新型依次由上部封頭18、上大下小的上部錐體5、筒體6、上大下小的下部錐體7、氣體預分布室12和下部封頭13構成；在下部錐體7與氣體預分布室12間設置氣體分布器10，氣體分布器10上對稱分布有不同長度的垂直指形套管束9，垂直指形套管束9頂部末端形成中間高四周低的圓錐面，垂直指形套管束9與裝在下部錐體7外的換熱介質進口11和換熱介質出口15連通，下部錐體7外還裝有回料加料口8和原料固體加料口16，氣體預分布室12外裝有原料氣進口14，上部封頭18裝有不同長度的下垂式指形套管束3，下垂式指形套管束3下部末端形成中間低四周高的圓錐面，上部錐體5開有合成氣出口17和與下垂式指形套管束3連通的指形套管換熱介質進口2，上部封頭18上裝有指形套管換熱介質出口1。
所述的氣體分布器10上對稱分布的不同長度的垂直指形套管束9，垂直指形套管束9頂部末端形成中間高四周低的圓錐面，其錐角范圍為30～150度。
如圖2所示，所述的垂直指形套管束9安裝在氣體分布器10上方，呈多層等距或不等距同心圓分布或正三角形均布。
如圖3所示，所述的下垂式指形套管束3分區布置，按照隔行分區(如圖3a所示)或同心圓分區(如圖3b所示)或角度分區(如圖3c所示)，根據筒體6直徑和換熱管數目分為1～4分區，分區數和指形套管換熱介質進口2數目相同。
所述的上部封頭18裝有不同長度的下垂式指形套管束3，下垂式指形套管束3的下部末端形成的中間低四周高圓錐面，其錐角范圍為30～150度。
所述的反應器的筒體6高度為5～15米，筒體6直徑為0.5～6米，反應器從底部到頂部采用變錐角筒體。上部錐體5和下部錐體7的錐形角度為5～30度。
本實用新型的工作原理如下原料氣經過原料氣進口14后在氣體預分布室12內向四周分布，然后進入氣體分布器10，氣體分布更均勻。氣體分布器10的開孔率、開孔數目、噴嘴傾斜角度及孔徑，結合反應器和垂直指形套管束9的參數和床層壓降來優化設計，保證流化床反應器處于最優化的操作狀態。
反應物固體原料預先加入反應器，由氣體流化后帶入下部錐體7和筒體6內發生反應。氣相反應產物從合成氣出口17排出。在反應中需要補充的原料固體，從原料固體加料口16進入下部錐體7，從反應器外部分離器回收的細顆粒，需要從回料加料口8返回下部錐體7。
所述流化床反應器內部安裝有多根豎直排列的下垂式指形套管束3和垂直指形套管束9，用于移出反應熱。指形套管束的引入可以使得該流化床反應器特別適用于那些強放熱的反應體系。且無橫向換熱和流化構件，因此可避免積灰和結塊。指形套管束的分布方式可采用多層等距或不等距同心圓分布或正三角形均布。換熱介質可以采用脫鹽水汽化的方式，或者采用導熱油換熱的方式。可以根據實際換熱能力來調整換熱構件的數目。設置在床體內的換熱結構包括設置在上部錐體5、筒體6和下部錐體7內的均勻分布的下垂式指形套管束3；設置在下部錐體7內，氣體分布器10上部的均勻分布的垂直指形套管束9；和在流化床反應器床體外部設置的半管夾套4。本實用新型采用兩段換熱管束方式，進行分段控溫。上部下垂式指形套管束3由換熱介質從指形套管換熱介質進口2均勻流入每根指形套管夾套內，經換熱后從指形套管中心孔匯入換熱介質出口1，再流出流化床；下部換熱管束由換熱介質進口11均勻流入每根指形套管夾套內，經換熱后從指形套管中心孔匯入換熱介質出口15，再流出流化床；在本實用新型中，下垂式指形套管束3可進一步采取分區設計的形式，如圖3所示，按照隔行分區(如圖3a所示分為2個區)或同心圓分區(如圖3b所示分為2個區)或角度分區(如圖3c所示分為3個區)，根據筒體6直徑和指形換熱管數目分為1～4分區，分區數和指形套管換熱介質進口2數目相同。此設計可有效的控制反應撤熱。
實施例圖4為本實用新型流化床反應器和傳統半錐直筒床反應器的空塔氣速比較圖。圖4的橫坐標為流化床反應器高度H，圖4的縱坐標為空塔氣速V。和常用的半錐直筒流化床反應器(直徑1.6米)相比，本實用新型的變錐形床體和指形換熱管束配合，形成的橫截面積在反應器底部更小，空塔氣速V更高，有利于大顆粒的流化；反應器頂部的橫截面積相對更大，空塔氣速顯著降低，有利于小顆粒或催化劑粉末的回落，減輕分離和過濾裝置的負荷。反應溫度控制更加穩定和方便。
權利要求1.流化床反應器，其特征在于依次由上部封頭(18)、上大下小的上部錐體(5)、筒體(6)、上大下小的下部錐體(7)、氣體預分布室(12)和下部封頭(13)構成；在下部錐體(7)與氣體預分布室(12)間設置氣體分布器(10)，氣體分布器(10)上對稱分布有不同長度的垂直指形套管束(9)，垂直指形套管束(9)頂部末端形成成中間高四周低的圓錐面，垂直指形套管束(9)與裝在下部錐體(7)外的換熱介質進口(11)和換熱介質出口(15)連通，下部錐體(7)外還裝有回料加料口(8)和原料固體加料口(16)，氣體預分布室(12)外裝有原料氣進口(14)，上部封頭(18)裝有不同長度的下垂式指形套管束(3)，下垂式指形套管束(3)下部末端形成中間低四周高的圓錐面，上部錐體(5)開有合成氣出口(17)和與下垂式指形套管束(3)連通的指形套管換熱介質進口(2)，上部封頭(18)上裝有指形套管換熱介質出口(1)。
2.根據權利要求1所述的流化床反應器，其特征在于所述的氣體分布器(10)上對稱分布的不同長度的垂直指形套管束(9)，垂直指形套管束(9)頂部末端形成中間高四周低的圓錐面，其錐角范圍為30～150度。
3.根據權利要求1所述的流化床反應器，其特征在于所述的垂直指形套管束(9)安裝在氣體分布器(10)上方，呈多層等距或不等距同心圓分布或正三角形均布。
4.根據權利要求1所述的流化床反應器，其特征在于所述的下垂式指形套管束(3)分區布置，按照隔行分區或同心圓分區或角度分區，根據筒體(6)直徑和換熱管數目分為1～4分區，分區數和指形套管換熱介質進口(2)數目相同。
5.根據權利要求1所述的流化床反應器，其特征在于所述的上部封頭(18)裝有不同長度的下垂式指形套管束(3)，下垂式指形套管束(3)的下部末端形成中間低四周高圓錐面，其錐角范圍為30～150度。
6.根據權利要求1所述的流化床反應器，其特征在于所述的反應器的筒體(6)高度為5～15米，筒體(6)直徑為0.5～6米，反應器從底部到頂部采用變錐角筒體；上部錐體(5)和下部錐體(7)的錐形角度為5～30度。
專利摘要本實用新型公開了一種流化床反應器。在下部錐體與氣體預分布室間設置氣體分布器，分布器上對稱分布成圓錐面垂直排列的指形套管束，垂直指形套管束與裝在下部錐體外的換熱介質進口和出口連通，下部錐體外還裝有回料和原料固體加料口，氣體預分布室外裝有原料氣進口，上部封頭對稱分布成圓錐面下垂式指形套管束，上部錐體開有合成氣出口和指形套管換熱介質進口，上部封頭上裝有指形套管換熱介質出口。上部和下部錐體的錐度和兩段指形換熱管在軸向的分布，根據物料粒徑分布進行配合變化，使反應器內底部氣速大而頂部氣速小，有效的處理寬粒徑分布顆粒的流化，調整流化橫截面積，改善流化質量。由于換熱介質采取分段和分區加入進行控溫，易于滿足工藝要求。
文檔編號B01J8/24GK2766949SQ20052010032
公開日2006年3月29日 申請日期2005年1月26日 優先權日2005年1月26日
發明者馮連芳, 邵月剛, 王嘉駿, 任不凡, 顧雪萍 申請人:浙江大學, 浙江新安化工集團股份有限公司