说明书多级强化固定床反应器及其使用方法
技术领域
本发明涉及多级强化固定床反应器及其使用方法。
背景技术
固定床反应器是目前工业上应用最广泛的化学反应器之一，又称作填充床反应器，其内部是由颗粒状填充物（通常为催化剂或含有催化剂的惰性载体物质）堆积而成的一定厚度的床层。床层静止不动，物料则流经床层进行反应，以实现多相反应过程，如工业上乙烯氧化制备环氧乙烷，乙苯脱氢制备苯乙烯等。
固定床反应器中的催化剂机械磨损小，可被较长时间连续使用；流体在床层内返混较小，可被看作是理想置换流，与催化剂能够有效接触，有利于化学反应的进行；物料在床层内的停留时间及温度分布也能够有效地被调节控制，一定程度上提高了原料转化率及产品选择性。除此之外，固定床反应器结构简单，对操作条件没有苛刻的要求，操作起来方便，操作弹性也比较大。但是，固定床反应器由于床层的存在，物料流经催化剂床层的阻力会比较大，流速较慢，易导致互不相溶液体之间的分相，使物料无法充分接触而反应，造成反应效率低，物耗、能耗高。并且，物料与催化剂床层之间传热随着床层厚度的增加而变得困难，温度不易控制。
为了解决上述问题，急需对传统的固定床反应器结构与工艺原理、以及空间安装、布置方式进行创新。为此，本发明提出一种新的多级强化固定床反应器及其空间布置方式，以满足现代工业生产的需要。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为了实现上述目的，根据本发明的实施例提出一种多级强化固定床反应器，包括连接进料管的原料强制混合釜和连接产物出料管的中间产物强制混合釜；若干个水平放置的反应器管，每个所述反应器管均包括若干个独立的强化反应单元，每个强化反应单元的进口均通过一进料支管连接一反应器进料总管，反应器进料总管上均设有原料输送泵，若干个反应器进料总管连接所述原料强制混合釜的出口；每个强化反应单元的出口均通过一出料支管连接一反应器出料总管，反应器出料总管上均设有换热器，若干个反应器出料总管连接所述中间产物强制混合釜；所述反应器进料总管、进料支管和循环管路上均设有流量计和阀门，所述出料支管上也设有阀门；所述中间产物强制混合釜的出口还连接若干个循环管路，所述若干个循环管路与所述若干个反应器进料总管一一对应，且连接到反应器进料总管上的原料输送泵之前、阀门和流量计之后。
根据本发明的多级强化固定床反应器的整个反应区域被分为L层，每层含有M根反应器管，水平安置，且每根固定床反应器又分为N个独立的强化反应单元，因此共有L×M×N个独立强化反应单元。每个独立强化反应单元均是独立的强化固定床反应器，其液体流量均由阀门及流量计控制，可以根据实际生产需要而选择所使用的反应单元数及流量大小。反应时，根据生产需要选取合适数量的独立反应单元，反应物料经原料强制混合釜混合充分后由输送泵送入各反应单元中，反应过后的液体汇入出料总管，并进入中间产物强制混合釜。通过原料输送泵对液相强制压入催化剂床层，使之呈湍流流动，以及通过原料输送泵与喷射混合器的联合作用对原料和中间产物进行强制混合，最终实现反应过程的强化，加速反应进程，提高物料和能源利用效率。
根据本发明实施例的多级强化固定床反应器还可以具有以下附加技术特征：
优选的，所述原料强制混合釜包括第一混合釜和第一混合管路，所述第一混合管路的两端分别连接所述第一混合釜的上端进口和下端出口，第一混合管路上设有第一混合管路泵、第一流量计和第一阀门；所述中间产物强制混合釜均包括第二混合釜和第二混合管路，所述第二混合管路的两端分别连接所述第二混合釜的上端进口和下端出口，第二混合管路上设有第二混合管路泵、第二流量计和第二阀门，所述产物出料管设在第二混合管路上。
优选的，所述若干个反应器管的空间布置方式是：水平并列设置有多层，每层并列设置有多个反应器管。
优选的，所述强化反应单元与相邻强化反应单元之间通过法兰连接。
优选的，所述强化反应单元包括壳体，壳体内设有催化剂床层，在催化剂床层的两端的壳体上分别设有所述进口和出口。
优选的，所述强化反应单元壳体上还设有与所述催化剂床层相对应的催化剂入口和催化剂出口。
优选的，所述催化剂床层为整体式，其外径小于壳体的内径，催化剂床层还连接有催化剂限位器。
优选的，所述进料支管连接在所述固定床层段的左端，所述出料支管连接在所述固定床层段的右端。
优选的，所述混合釜内还设有液体强制喷射混合器。
本发明还提供一种采用上述的多级强化固定床反应器的使用方法，包括如下步骤：
（1）物料通过进料管进入原料强制混合釜，经过原料强制混合釜的混合使物料充分混合，关闭循环管路上的阀门，打开反应器进料总管上的阀门，并由流量计和阀门共同控制流量大小，由原料输送泵分别送入每个强化反应单元，经过充分反应后的液体经过各出料支管汇入反应器出料总管，且分别经换热器换热后进入中间产物强制混合釜；在此过程中，根据原料强制混合釜出口流量多少，通过进料管向原料强制混合釜补入相应量的原料；
（2）一段时间后，经中间产物强制混合釜混合物料，逐渐打开若干循环管路上的阀门并减小反应器进料总管上的阀门的开度，使中间产物强制混合釜增加的流量与原料强制混合釜减小的流量相当，直至反应器进料总管上的阀门完全关闭；
（3）经检测，若中间产物强制混合釜中的产品附合要求，则停止中间产物强制混合釜的混合，并关闭循环管路上的阀门，产品由出料管输出；反之，中间产物强制混合釜中混合均匀的物料在原料输送泵的作用下，循环至各强化反应单元中继续参加反应，直至完成。
优选的，所述原料强制混合釜和中间产物强制混合釜分别是通过第一混合管路和第二混合管路混合的。
本发明的主要优点为：
1、适用于大规模生产，反应效率高，生产稳定。
2、对于反应过程放热较多的体系，可快速取走热量，避免床层“飞温”。
3、操作弹性高，可随时开启或关闭有些反应单元，不会对其它反应单元构成影响。
4、催化剂床层高度低，阻力小，床层内流速快且液流分布均匀，有利于对产物质量的控制。
5、催化剂随时可以更换，维修及其方便。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的多级强化固定床反应器主视图；
图2为本发明的多级强化固定床反应器俯视图；
图3为本发明的多级强化固定床反应器侧视图；
图4（a）为独立的强化反应单元的结构图示例一；
图4（b）为独立的强化反应单元的结构图示例二。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
下面参照图1-4（b）描述根据本发明实施例的多级强化固定床反应器及其使用方法。
一种多级强化固定床反应器，其主要由以下部分组成：进料管（物料输送管）G1，反应器进料总管G2，反应器出料总管G3，产物出料管G4，进料支管I1，I2，…，I（N-1），I（N），出料支管O1，O2，…，O（N-1），O（N），第二阀门F，原料强制混合釜V1，中间产物强制混合釜V2，原料输送泵P（1,1），P（2,1），…，P（L,1），反应器管T（1,1），T（2,1），…，T（L,1），催化剂床层n1，n2，…，n（N-1），n（N），换热器E（1,1）…E（1,M），E（2,1），…E（2,M）…，E（L,1）…，E（L,M），第一混合管路泵P1和第二混合管路泵P2。
进料管 G1连接原料强制混合釜V1，产物出料管G4连接中间产物强制混合釜V2。
整个反应区域的反应器管T（1,1），T（2,1），…，T（L,1）被分为L层（L≥1，视实际空间和生产需求而定）每层反应器管T（1,1），T（2,1），…，T（L,1）的结构均类似。每层含有M根反应器管，水平安置，且每根固定床反应器又分为N个独立的强化反应单元，因此共有L×M×N个独立强化反应单元。每个独立强化反应单元均是独立的强化固定床反应器，其液体流量均由阀门及流量计控制，可以根据实际生产需要而选择所使用的反应单元数及流量大小。卧置柱式反应器的催化剂床层n1，n2，…，n（N-1），n（N）被分为N个独立的反应单元，且相互并联，它们可以根据反应需要通过进料支管的阀门及流量计随时调整流量及开启或关闭相应的反应单元，使生产具有弹性。
每个强化反应单元的进口均通过一进料支管连接一反应器进料总管G2，反应器进料总管G2上均设有原料输送泵P（1,1），P（2,1），…，P（L,1），若干个反应器进料总管G2连接原料强制混合釜V1的出口；每个强化反应单元的出口均通过一出料支管连接一反应器出料总管G3，反应器出料总管G3上均设有换热器E（1,1），E（2,1），…，E（L,1），若干个反应器出料总管G3连接中间产物强制混合釜V2；反应器进料总管G2、进料支管I1，I2，…，I（N-1），I（N）和循环管路上均设有流量计和阀门，出料支管O1，O2，…，O（N-1），O（N）上也设有阀门；中间产物强制混合釜V2的出口还连接若干个循环管路，若干个循环管路与若干个反应器进料总管G2一一对应，且连接到反应器进料总管G2上的原料输送泵P（1,1），P（2,1），…，P（L,1）之前、阀门和流量计之后。
原料强制混合釜V1包括第一混合釜和第一混合管路，第一混合管路的两端分别连接第一混合釜的上端进口和下端出口，第一混合管路上设有第一混合管路泵P1、第一流量计和第一阀门；中间产物强制混合釜V2均包括第二混合釜和第二混合管路，第二混合管路的两端分别连接第二混合釜的上端进口和下端出口，第二混合管路上设有第二混合管路泵P2、第二流量计和第二阀门F，产物出料管G4设在第二混合管路上。原料强制混合釜V1和中间产物强制混合釜V2的罐体内设有液体强制喷射混合器。在运行时，在第一混合管路泵P1或第二混合管路泵P2和液体强制喷射混合器作用下，液-液之间得以强制混合甚至乳化，达到充分混合的效果，可使有效避免物料在进入反应器时的分相可能。
每根反应器管T（1,1），T（2,1），…，T（L,1）又被分为N个强化反应单元（N≥2，视实际空间和生产需求而定）。每个强化反应单元的结构均类似，并且相邻之间的反应单元均由法兰连接。图4（a）所示的是反应器T（1,1），其包括壳体，壳体内设有催化剂床层n1，在催化剂床层n1的两端的壳体上分别设有位于固定床层段左段的进口和位于固定床层段右端的出口。各独立的强化反应单元的催化剂床层n1所在管道直径尺寸一般为10-1000mm，对于工业规模生产而言，催化剂床层n1所在管道直径尺寸最好为100-600mm; 催化剂床层n1高度尺寸一般为50-1000mm，对于工业规模生产而言，催化剂床层n1所在直径尺寸最好为200-600mm。进口连接进料支管，进料支管上设有流量计1和入口阀门2，出料支管上设有出口阀门3。壳体的上端设有催化剂出口4，下端设有催化剂入口5。流体流入壳体后进入催化剂床层n1，物料流量由入口阀门2控制。催化剂参与反应多次后活性有所下降，此时，可由催化剂出口4撤出失效的催化剂，并从催化剂入口5添加新的催化剂进行更换。催化剂床层n1也可预制成整体式，其外径略小于该段反应单元管道的内径，从该单元的左侧一端整体装入即可，具体结构如图4（b）所示，其中，催化剂床层n1还连接有催化剂限位器6。传统反应器催化剂的更换一般需停产进行，而本发明催化剂的更换与生产可同时进行，只要将需要更换的催化剂所在独立反应单元之支管阀门关闭，并将独立反应单元拆下更换即可。
本发明还提供一种采用上述的多级强化固定床反应器的使用方法，包括如下步骤：
（1）反应时，物料通过进料管G1进入原料强制混合釜V1，待不相容的液体经第一混合管路泵P1充分混合后，关闭循环管路上的阀门，打开反应器进料总管G2上的阀门，并由流量计和阀门共同控制流量大小，由原料输送泵P（1,1），P（2,1），…，P（L,1）分别送入每个强化反应单元，经过充分反应后的液体经过各出料支管汇入反应器出料总管G3，且分别经换热器E（1,1），E（2,1），…，E（L,1）换热后进入中间产物强制混合釜V2；在此过程中，根据原料强制混合釜V1出口流量多少，通过进料管G1向原料强制混合釜V1补入相应量的原料。其中，反应器管T（1,1），T（2,1），…，T（L,1）的结构均类似，以T（1,1）为例，进入总管G2的物料经分管I1，I2，…，I（N-1），I（N）进入各段催化剂床层n1，n2，…，n（N-1），n（N）中（流体流入分管后进入催化剂床层的流量由阀门2控制），充分接触反应之后的液体经各段分管O1，O2，…，O（N-1），O（N）汇入出料总管G3中，且分别经换热器E（1,1），E（1,2），…，E（1,M）换热后进入中间产物强制混合釜V2。
（2）一段时间后，经中间产物强制混合釜V2混合物料（打开第二阀门F进行混合），逐渐打开若干循环管路上的阀门并减小反应器进料总管G2上的阀门的开度，使中间产物强制混合釜V2增加的流量与原料强制混合釜V1减小的流量相当，直至反应器进料总管G2上的阀门完全关闭；
（3）经检测，若中间产物强制混合釜V2中的产品附合要求，则停止中间产物强制混合釜V2的混合，并关闭循环管路上的阀门，产品由出料管输出；反之，中间产物强制混合釜V2中混合均匀的物料在原料输送泵P（1,1），P（2,1），…，P（L,1）的作用下，循环至各强化反应单元中继续参加反应，直至完成。催化剂多次参与反应后活性有所下降，此时，可由出口4处撤出失效的催化剂，并从入口5处添加新的催化剂进行更换；若催化剂床层为整体式，则直接从该单元的左侧一端整体卸出并装入新的催化剂即可。
下面是对本发明实施例1的多级强化固定床反应器和使用方法的具体应用。
实施例1：某厂二氢月桂烯水合反应生产二氢月桂烯醇的年产量为8600t，采用本发明设计，独立的强化反应单元数为3×3×3（3代表层数，3代表每层所含反应器管根数，每根反应器管设3个并联独立催化剂床层），反应器管内径为60mm，催化剂床层高度500mm，催化剂床整体装入。催化剂为磺酸型离子交换树脂Amberlyst 15，美国罗门哈斯公司生产。
原料（二氢月桂烯：水：异丁醇=1:1:2，质量比）混合均匀后经输送泵送入每根反应器的总管中，并由支管进入各独立的强化反应单元进行反应。其中，进料支管流量由阀门及流量计控制。反应器温度控制为83℃，原料总质量流量为34.5t/h，每个独立的强化反应单元进料量为1.5m3/h。反应后的液体由出料管输出，分别经换热器换热进入中间储料罐，液体搅拌均匀后在输送泵的作用下进入循环管路继续参加反应。经过4h反应，二氢月桂烯转化率为39.5%，二氢月桂烯醇的选择性达到91.8%。
实施例2：某厂莰烯水合反应生产异龙脑的年产量为6200t，采用本发明设计，独立的强化反应单元数为2×2×3（2代表层数，2代表每层所含反应器管根数，每根反应器管设3个并联独立催化剂床层），反应器管内径为50mm，催化剂床层高度400mm，催化剂床整体装入。催化剂为强酸型离子交换树脂Lewatit 2620，德国朗盛公司生产。
原料（莰烯：水：Y溶剂=1:0.2:2，质量比）搅拌均匀后经输送泵送入每根反应器的总管中，并由支管进入各独立的强化反应单元进行反应。其中，进料分管流量由阀门及流量计控制。反应器温度控制为65℃，原料总质量流量为20.4t/h，每个独立的强化反应单元进料量为2m3/h。反应后的液体由出料管输出，分别经换热器换热进入中间储料罐，液体搅拌均匀后在输送泵的作用下进入循环管路继续参加反应。经过5h反应，二氢月桂烯转化率为94%，二氢月桂烯醇的选择性达到82.5%。
实施例3：某厂莰烯与异丙醇反应生产异龙脑基异丙醚的年产量为9800t，采用本发明设计，独立的强化反应单元数为2×3×4（2代表层数，3代表每层所含反应器管根数，每根反应器管设4个并联独立催化剂床层），反应器管内径为100mm，催化剂床层高度600mm，催化剂床整体装入。催化剂为强酸型阳离子交换树脂CT-482，美国漂莱特公司生产。
原料（莰烯：异丙醇=1:2，质量比）搅拌均匀后经输送泵送入每根元反应器的总管中，并由支管进入各独立的强化反应单元进行反应。其中，进料分管流量由阀门及流量计控制。反应器温度控制为85℃，原料总质量流量为63.1t/h，每个独立的强化反应单元进料量为3.1m3/h。反应后的液体由出料管输出，分别经换热器换热进入中间储料罐，液体搅拌均匀后在输送泵的作用下进入循环管路继续参加反应。经过6.5h反应，莰烯转化率为80.3%，异龙脑基异丙醚的选择性达到94%。
实施例4：某厂环己烯水合反应生产环己醇的年产量为17000t，采用本发明设计，独立的强化反应单元数为4×3×4（4代表层数，3代表每层所含反应器管根数，每根反应器管设4个并联独立催化剂床层），反应器管内径为60mm，催化剂床层高度500mm，催化剂床整体装入。催化剂为磺酸型离子交换树脂Amberlyst 35，美国罗门哈斯公司生产。
原料（环己烯：水=1:3，质量比）搅拌均匀后经输送泵送入每根反应器的总管中，并由支管进入各独立的强化反应单元进行反应。其中，进料分管流量由阀门及流量计控制。反应器温度控制为120℃，原料总质量流量为160t/h，每段进料量为每个独立的强化反应单元进料量为4m3/h。反应后的液体由出料管输出，分别经换热器换热进入中间储料罐，液体搅拌均匀后在输送泵的作用下进入循环管路继续参加反应。经过4h反应，环己烯转化率为24%，环己醇的选择性达到99.6%
实施例5：某厂β-石竹烯水合反应生产β-石竹烯醇的年产量约为14000t，采用本发明设计，独立的强化反应单元数为3×4×3（3代表层数，4代表每层所含反应器管根数，每根反应器管设3个并联独立催化剂床层），反应器管内径为80mm，催化剂床层高度600mm，催化剂床整体装入。催化剂为强酸型阳离子交换树脂NKC-9，南开大学化工厂生产。
原料（β-石竹烯：水=1:1.2，质量比）搅拌均匀后经输送泵送入每根反应器的总管中，并由支管进入各独立的强化反应单元进行反应。其中，进料分管流量由阀门及流量计控制。反应器温度控制为90℃，原料总质量流量为163.8t/h，每段进料量为每个独立的强化反应单元进料量为5.1m3/h。反应后的液体由出料管输出，分别经换热器换热进入中间储料罐，液体搅拌均匀后在输送泵的作用下进入循环管路继续参加反应。经过1h反应，β-石竹烯转化率为34%，β-石竹烯醇的选择性达到98%。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。