[发明专利]一种结构化径向固定床操作单元

说明书

技术领域

本发明涉及一种径向固定床操作单元，特别适用于化工行业的气体净化、分离或催化反应过程。

背景技术

单元操作是流程工业的核心，气体的净化、分离以及催化反应这些单元操作广泛采用气固相相互接触、反应的固定床形式来实现，依据气相主体在床层中的流动方式可将固定床可分为轴向流和径向流两种形式。

轴向固定床结构简单，但床层压降大，且随着催化剂床层的高度增加，床层压降亦随之增加，增加了操作能耗，与此同时，为了使气相物流均匀通过床层，需要在床层上下装填惰性填料，这样不仅降低了反应器效率，而且增加了床层的装填难度。

相比于轴向固定床径向固定床气体流通面积大、床层薄、路径短、传统填料床径向流的催化剂床层阻力要比轴向流的催化剂床层阻力低10%-25%，因此可使用效率更高粒径更小的活性组元，提高产能的同时节能降耗。目前，径向床已广泛应用于苯乙烯、催化重整、芳烃异构和歧化等化学工业和石油化工。

径向固定床中气相轴向均布问题是工业应用中的技术关键。径向固定床的运行操作效率在很大程度上取决于反应物流沿反应器轴向分布的均匀程度。如果流体沿轴向分布不均，不仅影响床层的温度分布、浓度分布、热稳定性等，还会引起催化床局部过热，影响产品质量和生产稳定性。影响径向床中气体轴向均布的主要因素有：气相物流的流动形式、设备自身的几何结构以及床层活性单元的粒径、强度等物理性质。

径向反应器根据气体沿轴向主流道的流动情况分为Z型和Π型两种，而气体在床层中沿半径方向的流动又有向心和离心之分，所以径向反应器反应物流的流动形式有向心Π型、向心Z型、离心Π型和离心Z型四种形式。不同的流形其流体力学性质不同。

目前国内外已有多种方法来改进径向床容器中的气流均布。美国专利US5759242使用了一种锥形外容器壁来产生圆锥形外通道，由此改善气流分布。美国专利US4541851和US5827485通过引入圆锥型分布元件以达到类似的效果。国内在乙苯脱氢和催化重整领域发明了高均匀度的导流锥设计技术、双流道优化组合技术、催化剂支承结构技术等。中国专利CN2751016Y提出了一种多床层轴径向复合床间接换热式节能型氨合成塔，其气体分布器及收集器均为二层结构，其中一层为多孔圆筒，另一层为整体长孔丝网结构。中国专利CN102091570A描述了一种径向床催化转化单元，该单元通过在所述单元网篮高度的至少一半以上延伸的相互交叉螺旋线的双网络加固。中国专利CN202683178U通过调整和优化分气道、集气道的开孔率和催化剂床层的厚度来控制和调整反应器各内部件的压力降值和分配比例，控制反应器总压降为0.02MPa/（每米床层）左右，使其不均匀度小于3%。这些专利使用了安装在容器内的复杂的机械设计和/或额外的设备以达到气体的均布，这就意味着复杂的制造工艺以及设备投资的增长。

除了气体流动形式及设备结构之外，径向床流体流动的非均匀性集中体现在床层填料空隙率的分布上。对于传统的径向床而言，其床层多由条状、球状或者异型的活性组分填充，床层在自身重力作用下由上到下压力逐渐增加，堆积密度逐渐增大，床层空隙率逐渐减小，填料单元所受应力也随之增大，随着高温气相物流的高速冲击，局部催化剂颗粒会发生破碎，导致床层中出现局部位置的空隙率不均，影响局部流体流动、传热、传质、流体压降等。此外对于径向床反应器而言，随着催化剂上反应沉积物的累积，床层空隙率也随时间发生着变化，导致气体均匀度随着操作时间发生变化，装置效率降低，甚至导致停车。由此可见，即使径向固定床操作单元中气相流动形式及设备结构形式合理，其操作效率仍旧受传统活性填料自身物性缺陷所影响。

结构化技术是将结构化单元按照特定的宏观几何构型有序地放置于操作单元内而加以利用的过程强化技术。以结构化催化剂为例，其主要由活性组分、助催化剂、分散担体和骨架基体等四部分组成。充当骨架基体的是结构化载体，结构化载体是结构化催化剂的材料基础。目前，结构化载体主要有纤维编织体、蜂窝和泡沫三大结构类型，其中，蜂窝和泡沫结构化载体是用于分子筛涂层制作的主要载体。相比于蜂窝结构化载体，泡沫结构化载体具有三维连通网络通道，其形状可根据反应器的形状设计，可开孔或开槽，其压力降与蜂窝结构化载体相近的同时几何面积大大提高，能够实现物料与催化剂的充分接触，径向传热能力强，特别适用于甲醇制丙烯这类副反应较多的强放热反应。镍、铜等金属以及氧化铝、堇青石、玻璃等陶瓷材料都可用来制作泡沫结构化载体，在这些众多的泡沫结构化载体中，SiC导热性能强，化学稳定性高，抗压强度大，性能优异。

发明内容