一种流化床反应器 【技术领域】
本发明涉及催化反应领域，特别涉及一种催化过程用反应器。
背景技术
流化床反应器是在化工过程中广泛应用的一类反应器，特别适合于放热效应显著或对温度控制要求严格的体系。如催化裂化反应、乙烯氧氯化、丁烯氧化脱氢、丙烯腈合成、甲烷合成等反应。流化床反应器的重要特征是细颗粒的催化剂在上升气流作用下作悬浮运动，固体颗粒剧烈上下翻动。这种运动形式使床层内流体与颗粒充分搅动混合，避免了固定床反应器中的“热点”现象，床层内温度分布均匀，整个反应体系处于等温环境，并且破坏了传热面附近的层流边界层，床层和换热面之间的传热系统比空管和固定床都要高得多，所以比固定床的换热效果要好，从而使反应器满足热稳定性。
甲烷合成反应是在高温和有催化剂存在的情况下，气体中CO、CO2和H2发生反应，生成CH4和H2O。甲烷合成反应是强放热反应，反应放热量大，同时甲烷合成反应的操作温度相对较高，必须及时从反应器内取走反应热，控制反应温度，才能保证反应器的正常运行。有效地移出大量的反应热，使反应器稳定操作，延长催化剂使用寿命，反应器的结构型式成为甲烷化工艺的核心技术之一。
目前甲烷合成反应器主要采用固定床反应器，包括绝热式固定床反应器和换热式固定床反应器。绝热式固定床反应器（US4,064,256、US4,298,694和US4,130,573）催化剂层无换热设备，利用产品气大量循环控制催化剂床层温度，结构比较简单，空间利用率高，造价低，但若反应热无法及时移出，对于放热可逆反应，由于温升过大，反应器的轴向温度分布会远离最佳温度分布，从而造成反应器的生产能力降低，甚至会由于化学平衡的限制而使反应器出口达不到所要求的转化率，并且会给设备的选材和成本造成负担，即使降低反应器操作温度，过大的产品气循环量就会直接增加反应气线速度和催化剂床层高度，导致反应器压降过大和外部循环压缩机功率的增大。换热式固定床反应器（ZL00208802.9和CN87102871）采用管内装催化剂，管外为传热介质，该反应器具有的优点是床层温差小，操作稳定，调节方便，但催化剂装填系数小，气体流动阻力较大。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提出一种具有结构合理，床层温度均衡、床层压降低和生产能力高的流化床反应器。
本发明所要解决的技术问题采用的技术方案为：
该流化床反应器，包括反应器上端扩大管1、反应器中部直管2、反应器下部的锥底3、旋风分离器4、内部构件5、换热装置6、壳体顶部产品气出口7、扩大管上催化剂装填口8、换热器中传热介质出口9、气体分布器10、换热器中传热介质入口11和原料气入管12及反应器直管下部催化剂排出口13。
所述反应器上端扩大管1的直径与中部直管2的直径比为1.5/1~5/1，上端扩大管1的高度与中部直管2的高度比为1/3~1/20。
所述反应器下部的锥底3为原料气的预分布器，采用底面半径r比高h=1/0.5~1/2的倒圆锥体。
所述旋风分离器4，采用单个旋风分离器或者多个旋风分离器串联。
所述内部构件5位于反应器直管反应段，采用挡板或挡网，挡板或挡网的材质通常采用高强度碳钢，采用挡板或挡网的目的是破碎气体在床层中产生的大气泡，改善气固接触，减少返混，从而增加反应速率和提高转化率。
所述换热装置6位于反应器直管的反应段（密相区），通常采用板式换热器、U管式换热器、蛇管式换热器或列管式换热器；换热器中冷却介质将催化反应放出的热量迅速移出，使反应温度维持在最佳反应温度左右，换热器可以是一级或多级。其中板式换热器和列管式换热器通常采用交叉式多级换热，并且交叉式多级换热的板式换热器和列管式换热器同时具有挡板功能。
所述的催化剂装填口8和排出口13，可以方便催化剂的装卸。
所述锥底与直管之间的气体分布器10位于锥底3与直管2之间，采用直孔筛板式气体分布板、泡帽侧孔分布板或直孔泡帽分布板，让气体顺利通过气体分布器气孔进入反应器，并将反应器中催化剂颗粒处于沸腾状态，在气体分布器上气孔一定条件下，气速过高，则气体分布器保证操作压降增大，气体分布器的设计保证操作压降大致为0.005~0.2MPa。
所述原料气入管12位于反应器锥底上，采用开口式或弯管式。
本发明流化床反应器结构合理、床层温度均衡、床层压降低、传质传热效率高、反应能力大，用途广泛，特别适合于甲烷合成反应。
本发明流化床反应器用于甲烷合成反应的操作条件为：催化剂颗粒粒径为50~200μm,催化剂浓度为占物料（气体和催化剂）总量的10~60wt%；进入反应器气体体积流量与反应器直管段横截面面积比（即气体线速）为0.2~1.0m/s,温度260~370℃,压力1.0~6.0MPa。
甲烷合成催化剂为镍基甲烷合成催化剂，以高耐磨性的Al2O3为载体，采用分步浸渍法依次将硝酸镁、硝酸镧、硝酸铈和硝酸镍负载到预先成型的载体上，在120℃的空气气氛中干燥12小时；将干燥后样品在600℃煅烧4小时，制备成负载型镍基催化剂，镍催化剂组成为NiO﹕10%～30wt%；MgO﹕1～4wt%；La2O3﹕0.5～2wt%；CeO2﹕0.5～2wt%，满足在长期连续运行的周期中活性和选择性、高耐磨耗性的要求，并具有良好的CO和CO2甲烷合成性能。
本发明的优点在于：
将换热型流化床反应器应用于强放热的催化反应过程，流化床反应器中细颗粒催化剂在上升气流作用下作悬浮运动，固体颗粒剧烈上下翻动，可以避免了固定床反应器中的“热点”现象，可以迅速使系统内温度分布均匀，整个反应体系处于等温环境，并且固体颗粒剧烈运动，破坏了传热面附近的层流边界层，大大提高其传热系数，使剧烈的催化反应放出的大量热迅速通过换热装置中传热介质移走，从而可以降低催化剂床层温度，使强放热地甲烷合成反应等在催化剂的最佳温度范围内得以充分进行。
与固定床相比，流化床的操作气速相对要高得多，在较高的空速下操作，在设备尺寸与固定床相同的情况下，实现高于固定床数倍的产量。
固定床反应器的处理能力受原料气气速的限制，气速越大，系统的阻力(即压降)越大，使催化剂的活性不能充分发挥，而在流化床反应系统压降为恒定值，若在催化剂装填量一定时，原料气气速可以在催化剂的活性允许范围内进行提高。
所以，与固定床反应器相比，流化床反应器可以明显提高反应器生产能力；可以改善固定床反应器的轴向温度分布，使其接近催化反应最佳温度，提高催化反应转化率，增加反应器生产能力；良好的反应器换热装置，使反应器运行操作温度控制在最佳温度内，操作安全得以保障，并可产生高压蒸汽或中压蒸汽。
【附图说明】
图1为本发明纵向剖视结构图。
图2为本发明带三层换热器的流化床反应器纵向剖视结构图。
图3为本发明带U型换热器的流化床反应器纵向剖视结构图。
图4-a为本发明带列管换热器的流化床反应器纵向剖视结构图。
图4-b为本发明带列管换热器的流化床反应器直管的俯视图。
图5为本发明带三层列管换热器的流化床反应器纵向剖视结构图。
图6-a为本发明带板式换热器的流化床反应器纵向剖视结构图。
图6-b为本发明带板式换热器的流化床反应器直管的俯视图。
图7为本发明带三层板式换热器的流化床反应器纵向剖视结构图。
图中，1-扩大管；2-直管；3-锥底；4-旋风分离器；5-内部构件；6-换热装置；7-产品气出口；8-催化剂装填口；9-传热介质出口；10-气体分布器；11-传热介质入口；12-原料气入管；13-催化剂排出口。
其中，图1为摘要附图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明详细说明，以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
以下结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明包括：反应器上端扩大管1、反应器中部直管2、反应器下部的锥底3、旋风分离器4、内部构件5、换热装置6、壳体顶部产品气出口7、扩大管上催化剂装填口8、换热器中传热介质出口9、锥底与直管间的气体分布器10、换热器中传热介质入口11和锥底上原料气入管12及反应器直管下部催化剂排出口13。
反应器中的热负荷决定反应器换热装置6的结构和级数。图2所示反应器中设置三层换热器，提高换热效率，降低反应床层的温度。如图3所示，换热器为双层U型换热器。
在图1中，甲烷合成原料气通过反应器锥底原料入管12进入锥底，在反应器下部的锥底3先进行气体预分布，然后通过气体分布器10对气体进行分配，所设计的气体分布板形式和气孔的大小形状保证气体能够均匀进入流化床中部直管内，形成良好的流化条件，具体原则为保证催化剂颗粒处于流化态，气速为临界流化速度和最大流化速度之间。
甲烷合成原料气中通常各组分体积百分含量为：CO的含量为12.2%、H2的含量为45.6%，CH4含量为10.2%,CO2含量为31.8%，N2含量0.2%。
甲烷合成反应是强放热反应，反应放热量大，从气体分布器10进入反应器中部直管2的上升气体使细小颗粒的甲烷合成催化剂作悬浮运动，固体颗粒剧烈上下翻动，可以迅速使系统内温度分布均匀，整个反应体系处于等温环境，并且还可以破坏了换热面附近的层流边界层，大大提高床层与换热面间的传热系数，反应器内热量可以迅速通过换热装置6中传热介质移走，从而可以降低催化剂床层温度，使强放热的甲烷合成反应在催化剂的最佳温度范围（280~330℃）内得以充分进行，进而提高原料气的转化率，增加反应器的生产能力，并可产生高压蒸汽或中压蒸汽。
反应器直管反应段的内部构件挡网5可以破碎反应气气体在床层中产生的大气泡，改善气固接触，减少返混，从而增加反应速率和提高转化率。
反应气在反应器上端扩大管1实现与大部分颗粒分离，而带有少量颗粒的气体进入旋风分离器4进一步分离，固体颗粒沉降在旋风分离器4底部，然后落回反应器直管2反应区，产品气从反应器顶部出口7流出反应器。催化剂颗粒从装填口8加入，排出口13移出。
甲烷合成反应中催化剂平均粒径为50μm,催化剂浓度为占物料总量的40wt%,气体线速为0.74m/s,温度330℃,压力4.0MPa。