一種結構化徑向固定床操作單元的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種徑向固定床操作單元，特別適用于化工行業的氣體凈化、分離或催化反應過程。
【背景技術】
[0002]單元操作是流程工業的核心，氣體的凈化、分離以及催化反應這些單元操作廣泛采用氣固相相互接觸、反應的固定床形式來實現，依據氣相主體在床層中的流動方式可將固定床可分為軸向流和徑向流兩種形式。
[0003]軸向固定床結構簡單，但床層壓降大，且隨著催化劑床層的高度增加，床層壓降亦隨之增加，增加了操作能耗，與此同時，為了使氣相物流均勻通過床層，需要在床層上下裝填惰性填料，這樣不僅降低了反應器效率，而且增加了床層的裝填難度。
[0004]相比于軸向固定床徑向固定床氣體流通面積大、床層薄、路徑短、傳統填料床徑向流的催化劑床層阻力要比軸向流的催化劑床層阻力低10%_25%，因此可使用效率更高粒徑更小的活性組元，提高產能的同時節能降耗。目前，徑向床已廣泛應用于苯乙烯、催化重整、芳烴異構和歧化等化學工業和石油化工。
[0005]徑向固定床中氣相軸向均布問題是工業應用中的技術關鍵。徑向固定床的運行操作效率在很大程度上取決于反應物流沿反應器軸向分布的均勻程度。如果流體沿軸向分布不均，不僅影響床層的溫度分布、濃度分布、熱穩定性等，還會引起催化床局部過熱，影響產品質量和生產穩定性。影響徑向床中氣體軸向均布的主要因素有:氣相物流的流動形式、設備自身的幾何結構以及床層活性單元的粒徑、強度等物理性質。
[0006]徑向反應器根據氣體沿軸向主流道的流動情況分為Z型和Π型兩種，而氣體在床層中沿半徑方向的流動又有向心和離心之分，所以徑向反應器反應物流的流動形式有向心Π型、向心Z型、離心Π型和離心Z型四種形式。不同的流形其流體力學性質不同。
[0007]目前國內外已有多種方法來改進徑向床容器中的氣流均布。美國專利US 5759242使用了一種錐形外容器壁來產生圓錐形外通道，由此改善氣流分布。美國專利us 4541851和US 5827485通過引入圓錐型分布元件以達到類似的效果。國內在乙苯脫氫和催化重整領域發明了高均勻度的導流錐設計技術、雙流道優化組合技術、催化劑支承結構技術等。中國專利CN 2751016Y提出了一種多床層軸徑向復合床間接換熱式節能型氨合成塔，其氣體分布器及收集器均為二層結構，其中一層為多孔圓筒，另一層為整體長孔絲網結構。中國專利CN 102091570 A描述了一種徑向床催化轉化單元，該單元通過在所述單元網籃高度的至少一半以上延伸的相互交叉螺旋線的雙網絡加固。中國專利CN 202683178 U通過調整和優化分氣道、集氣道的開孔率和催化劑床層的厚度來控制和調整反應器各內部件的壓力降值和分配比例，控制反應器總壓降為0.02MPa/ (每米床層)左右，使其不均勻度小于3%。這些專利使用了安裝在容器內的復雜的機械設計和/或額外的設備以達到氣體的均布，這就意味著復雜的制造工藝以及設備投資的增長。
[0008]除了氣體流動形式及設備結構之外，徑向床流體流動的非均勻性集中體現在床層填料空隙率的分布上。對于傳統的徑向床而言，其床層多由條狀、球狀或者異型的活性組分填充，床層在自身重力作用下由上到下壓力逐漸增加，堆積密度逐漸增大，床層空隙率逐漸減小，填料單元所受應力也隨之增大，隨著高溫氣相物流的高速沖擊，局部催化劑顆粒會發生破碎，導致床層中出現局部位置的空隙率不均，影響局部流體流動、傳熱、傳質、流體壓降等。此外對于徑向床反應器而言，隨著催化劑上反應沉積物的累積，床層空隙率也隨時間發生著變化，導致氣體均勻度隨著操作時間發生變化，裝置效率降低，甚至導致停車。由此可見，即使徑向固定床操作單元中氣相流動形式及設備結構形式合理，其操作效率仍舊受傳統活性填料自身物性缺陷所影響。
[0009]結構化技術是將結構化單元按照特定的宏觀幾何構型有序地放置于操作單元內而加以利用的過程強化技術。以結構化催化劑為例，其主要由活性組分、助催化劑、分散擔體和骨架基體等四部分組成。充當骨架基體的是結構化載體，結構化載體是結構化催化劑的材料基礎。目前，結構化載體主要有纖維編織體、蜂窩和泡沫三大結構類型，其中，蜂窩和泡沫結構化載體是用于分子篩涂層制作的主要載體。相比于蜂窩結構化載體，泡沫結構化載體具有三維連通網絡通道，其形狀可根據反應器的形狀設計，可開孔或開槽，其壓力降與蜂窩結構化載體相近的同時幾何面積大大提高，能夠實現物料與催化劑的充分接觸，徑向傳熱能力強，特別適用于甲醇制丙烯這類副反應較多的強放熱反應。鎳、銅等金屬以及氧化鋁、堇青石、玻璃等陶瓷材料都可用來制作泡沫結構化載體，在這些眾多的泡沫結構化載體中，Sic導熱性能強，化學穩定性高，抗壓強度大，性能優異。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是針對現有的徑向固定床結構復雜，床層壓降高，床層易粉化、壓實等問題，提供一種結構化徑向固定床操作單元，可用于甲醇制丙烯。
[0011]結構化徑向固定床操作單元包括圓柱形殼體、環形結構化床層、中心氣體流道、環形流道，圓柱形殼體中心設有環形結構化床層，環形結構化床層上、下表面為密封結構，環形結構化床層內為中心氣體流道，中心氣體流道一端封閉，中心氣體流道另一端與氣體進出口相連，環形結構化床層外立面與圓柱形殼體內壁之間為環形流道，氣相物流以徑向流的方式與結構化床層接觸，結構化床層由空隙率均一或者非均一的泡沫結構化模塊單元堆砌而成，所述結構化模塊單元中一種或多種活性組分以物理吸附或者化學鍵聯的形式負載在泡沫結構化載體上，所述的泡沫結構化載體的空隙率為20%_80%。
[0012]所述的結構化床層內、外立面分別設有內多孔壁、外多孔壁。所述的氣相物流的徑向流動形式是向心Π型、向心Z型、離心Π型或離心Z型四種形式。所述的結構化床層高度與厚度之比為1-10。所述的泡沫結構化模塊單元上負載的活性組分是分子篩、金屬單質或者其化合物。所述的泡沫結構化模塊單元中的載體材料是鎳、銅、氧化鋁、堇青石、玻璃或Sic。所述的內多孔壁或外多孔壁是開孔率為10%-90%的沖孔板或者筋條網。
[0013]本發明與現有技術相比具有的有益效果:
1)本發明的一種徑向固定床操作單元，所采用的結構化床層空隙率約為傳統填料床空隙率的兩倍，因此氣相流股流通面積增加一倍以上，床層壓降顯著降低的同時氣相物流線速度也大大降低，減少了氣相物流對活性組分的沖刷，大大降低了活性組分粉化、流失的程度； 2)本發明的一種徑向固定床操作單元，相比于現有的徑向固定床操作單元而言，活性組分負載厚度小，縮短了內擴散距離，極大地強化了過程的傳質，對于存在副反應的反應體系而言，能夠很好地避免副反應的發生。對于結構化催化劑而言，其自身空隙率高，即使隨著反應的進行催化劑上發生積炭，積炭自身體積占床層空體積比例小，因此積炭的發生對床層空隙率的變化影響小；
3)本發明的一種徑向固定床操作單元，相比于現有的徑向固定床操作單元而言，結構化載體多具有很強的導熱能力，因此能夠快速拉平床層中的溫度梯度，對于處于熱環境中的活性組分而言能夠顯著抑制其熱失活，該體系特別適合于如甲醇制丙烯這類熱效應明顯的徑轉化反應；
4)本發明的一種徑向固定床操作單元，相比于現有的徑向固定床操作單元而言，結構化載體抗壓強度遠高于活性組分本體，經負載后活性組分自身不承受床層所疊加的重力，而且隨著操作時間的延長，床層厚度不會在重力的作用下發生壓縮，軸向孔隙率不隨操作時間而變化；
5)本發明的一種徑向固定床操作單元，相比于現有的徑向固定床操作單元而言，其床層裝卸方法簡單，模塊化的床層堆砌單元按照順序依次碼堆即可，將人工裝填技術優劣對床層質量好壞的影響降至最小，使維修更換更方便快捷；
6)本發明的一種徑向固定床操作單元，相比于現有的徑向固定床操作單元而言，結構化床層的空隙率可以根據需要在軸向進行調整，通過床層自身空隙率的調整來達到氣體均布的目的，這樣可以大大簡化甚至摒棄用于氣體均布的內、外多孔壁，大大降低設備制造難度與成本；
7)本發明的一種徑向固定床操作單元，相比于現有的徑向固定床操作單元而言，床層并非傳統填料的自然