專(zhuān)利名稱(chēng)：一種內(nèi)置電加熱式流化床裂解反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流化床反應(yīng)器，特別涉及一種用于裂解反應(yīng)的內(nèi)置電加熱式流化床反應(yīng)器，屬于化工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
裂解反應(yīng)是有機(jī)物在高溫和隔絕空氣條件下發(fā)生分解的反應(yīng)過(guò)程，在化工生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用。熱裂解最典型的反應(yīng)為乙烯生產(chǎn)，其它的過(guò)程如由醋酸裂解制乙烯酮，二氯乙烷裂解制氯乙烯等。熱裂解反應(yīng)一般具有以下幾個(gè)特點(diǎn)1)反應(yīng)溫度高；2)強(qiáng)吸熱；3)要求短停留時(shí)間；4)一般為串級(jí)反應(yīng)，產(chǎn)品為中間產(chǎn)物，反應(yīng)過(guò)程中伴有結(jié)焦現(xiàn)象。因此，要達(dá)到較高的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性，且能長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，反應(yīng)器需要滿(mǎn)足以下幾方面的要求1)要把反應(yīng)器及流進(jìn)反應(yīng)器的物料加熱到高溫，因而需向反應(yīng)器供給大量熱量；2)由于停留時(shí)間短，因此要求較高的傳熱速率，以滿(mǎn)足在短時(shí)間內(nèi)供給反應(yīng)所需的大量熱量；3)反應(yīng)器有較好的清除結(jié)焦的性能；4)反應(yīng)器還應(yīng)有較高熱效率以降低能耗。
管式爐反應(yīng)器是應(yīng)用最為廣泛的裂解反應(yīng)器。該類(lèi)反應(yīng)器從管壁外向管內(nèi)物料加熱，為裂解反應(yīng)提供熱量，熱量通過(guò)高溫管壁傳遞給裂解物料。這種外加熱方式有以下缺點(diǎn)首先，裂解溫度受管壁溫度的限制，而管壁溫度又受金屬材料耐熱程度的限制。按現(xiàn)有技術(shù)即使采用高溫合金材料，工業(yè)管式爐爐管的溫度被限制在1000℃以下。由于管壁和管內(nèi)流體間的傳熱也需要溫差ΔT，因而流體能達(dá)到的溫度為1000-ΔT.由于通過(guò)管壁加熱時(shí)，管內(nèi)壁存在層流熱邊界層使傳熱阻力增大，ΔT較大。為降低此項(xiàng)傳熱阻力，要求有較高的管內(nèi)流速，裂解時(shí)間一定時(shí)，就需要較長(zhǎng)的爐管，爐子變得細(xì)長(zhǎng)，向環(huán)境的散熱較大，熱效率就較低。第二，為增加管壁向管內(nèi)流體傳熱的面積，以降低單位面積上的熱負(fù)荷，從而降低傳熱溫差ΔT，使管內(nèi)流體達(dá)較高的裂解溫度，反應(yīng)器不得不采用并聯(lián)的多組小管徑爐管，這種反應(yīng)器清焦困難；第三，溫度分布不均勻，在軸向上存在明顯的溫度分布，當(dāng)管徑較大時(shí)，還存在明顯的徑向分布，因此對(duì)溫度敏感的反應(yīng)體系，其應(yīng)用受到限制。
盡管存在以上缺點(diǎn)，由于管式爐能使用火焰的高溫輻射熱，并具有物料在管內(nèi)停留時(shí)間分布窄等特點(diǎn)，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性均較高，因此在乙烯裂解等大規(guī)模裂解過(guò)程中廣泛采用該類(lèi)反應(yīng)器。但對(duì)于規(guī)模較小，采用電加熱的易結(jié)焦的裂解過(guò)程，上述管式爐反應(yīng)器的缺點(diǎn)則非常突出。一方面反應(yīng)器設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)的外型，易于散熱，熱效率低，耗電大。另一方面由于結(jié)焦的問(wèn)題使反應(yīng)器經(jīng)常停車(chē)處理，這些都增大了生產(chǎn)成本。另外，有些反應(yīng)對(duì)溫度敏感，需要反應(yīng)器內(nèi)的溫度分布均勻。因此，需要提供一種熱效率高，可操作溫度高、溫度分布均勻和便于清焦等優(yōu)點(diǎn)的熱裂解反應(yīng)器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有熱效率高，可操作溫度高、溫度分布均勻和便于清焦等優(yōu)點(diǎn)的裂解反應(yīng)器。
本發(fā)明的目的是通過(guò)提供如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種內(nèi)置電加熱式流化床裂解反應(yīng)器，包括裝有固體顆粒的流化床床體，設(shè)置在床體內(nèi)下部的氣體分布器以及設(shè)置在床體內(nèi)上部的旋風(fēng)分離器，其特征在于所述的氣體分布器設(shè)置在距床體底部20～80cm處，將流化床分為固定床層和流化床層兩部分；在所述的流化床床體內(nèi)設(shè)有電加熱裝置，該裝置包括金屬電加熱管、與電加熱管相連接的金屬導(dǎo)電棒以及設(shè)置在金屬導(dǎo)電棒末端的密封件和電源接線(xiàn)端子；所述的金屬電加熱管垂直設(shè)置在流化床層內(nèi)，所述的金屬導(dǎo)電棒的一部分設(shè)置在固定床層內(nèi)，其另一部分從流化床床體底部伸出，并在其外部設(shè)有冷卻夾套。
采用以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本發(fā)明的內(nèi)置電加熱式流化床熱裂解反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)以下效果1)可實(shí)現(xiàn)高溫短停留時(shí)間操作。由于床層內(nèi)有流化顆粒，顆粒在電加熱管之間的頻繁碰撞極大地提高了電加熱管和顆粒之間的換熱系數(shù)，降低了傳熱溫差ΔT，提高了最高可操作溫度；另外，由于固體顆粒和反應(yīng)氣體之間為直接換熱，可以使反應(yīng)氣體進(jìn)入流化床層后迅速達(dá)到反應(yīng)溫度；由于傳熱速率快，可在短時(shí)間內(nèi)提供反應(yīng)所需要的熱量，因此可實(shí)現(xiàn)短停留時(shí)間操作。2)反應(yīng)器具有較小的高/徑比，結(jié)構(gòu)緊湊，保溫效果好，熱效率高。3)由于流化床中顆粒相具有良好的混合特性，因此溫度場(chǎng)分布均勻，可以明顯減少由于反應(yīng)器溫度分布不均勻引起的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性的下降。4)流化顆粒在反應(yīng)器器壁以及電加熱管之間頻繁碰撞，使電加熱管壁和反應(yīng)器器壁上的結(jié)焦得到清除，通過(guò)更換顆粒，還能實(shí)現(xiàn)向反應(yīng)器外排焦，延長(zhǎng)了反應(yīng)器操作周期。


圖1為內(nèi)置電加熱式流化床裂解反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為金屬電加熱管和氣體分布管的分布圖，為圖1的A-A剖視圖。
圖3為金屬棒末端的密封件和接線(xiàn)端子的結(jié)構(gòu)圖。
圖4為具有二級(jí)分支結(jié)構(gòu)的管式氣體分布器結(jié)構(gòu)示意圖。
其中各標(biāo)號(hào)為1.流化床床體；2.保溫套；3.金屬電加熱管；4.顆粒卸料口；5.金屬導(dǎo)電棒；6.冷卻夾套；7.密封件和接線(xiàn)端子；8.氣體進(jìn)料管；9.氣體分布管；10.旋風(fēng)分離器料腿；11.旋風(fēng)分離器進(jìn)料口；12.旋風(fēng)分離器氣體出口；13.顆粒進(jìn)料口；14.旋風(fēng)分離器；15.流化床層；16.固定床層；17.墊圈；18.聚四氟乙烯密封圈；19.六角鎖緊螺母；20.接線(xiàn)鼻；21.二級(jí)氣體分布管。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，圖示和解釋不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求的限制。
圖1為內(nèi)置電加熱式流化床裂解反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)示意圖。該反應(yīng)器由流化床床體1，保溫套2，金屬電加熱管3，顆粒卸料口4，金屬導(dǎo)電棒5，冷卻夾套6，密封件和接線(xiàn)端子7，氣體進(jìn)料管8，氣體分布管9，顆粒進(jìn)料口13和旋風(fēng)分離器14等部分組成。首先在床層裝入一定量的固體顆粒，顆粒裝填量超出氣體分布管的高度為反應(yīng)器主體高度的1/8至1/3。顆粒可選用二氧化硅、二氧化鈦或α-氧化鋁等材料，粒徑為0.05至1mm。采用管式氣體分布器，反應(yīng)原料經(jīng)預(yù)加熱器汽化后由氣體進(jìn)料管8分配到各氣體分布管9，由氣體分布管9均勻分布到反應(yīng)器中。氣體分布器設(shè)置在距床體底部20～80cm處，將流化床分為固定床層和流化床層兩部分；氣體分布管9的氣體出口向下，以提高均勻布?xì)庑阅堋Ｔ蠚怏w使氣體分布管9之上的顆粒床層流化，形成流化床層15。在流化床床體內(nèi)設(shè)有電加熱裝置，該裝置包括金屬電加熱管3、與電加熱管相連接的金屬導(dǎo)電棒5以及設(shè)置在金屬導(dǎo)電棒末端的密封件和電源接線(xiàn)端子7；金屬電加熱管垂直設(shè)置在流化床層15內(nèi)，所述的金屬導(dǎo)電棒5的一部分設(shè)置在固定床層16內(nèi)，其另一部分從流化床床體底部伸出。通過(guò)內(nèi)置金屬電加熱管進(jìn)行加熱，加熱管個(gè)數(shù)和排布由體系的供熱要求確定，利用流化床良好的傳熱和混合特性，使原料氣體迅速升溫至所需的反應(yīng)溫度。采用內(nèi)置電加熱方式和流化床操作，可以在短時(shí)間內(nèi)提供大量熱量，從而實(shí)現(xiàn)高溫和短停留時(shí)間的反應(yīng)條件，提高熱裂解反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性以及反應(yīng)器熱效率。
圖2為加熱管分布和氣體分布管的分布圖。氣體分布管的個(gè)數(shù)和分支級(jí)數(shù)由反應(yīng)器尺寸確定，當(dāng)反應(yīng)器直徑較小時(shí)(≤300mm)，可采用一級(jí)分支結(jié)構(gòu)，如圖2所示；而當(dāng)反應(yīng)器直徑較大時(shí)(＞300mm)，可在一級(jí)氣體分布管上再引出二級(jí)氣體分布管21，即采用二級(jí)分支結(jié)構(gòu)，如圖4所示。
內(nèi)置電加熱采用如下方式在流化顆粒床層中采用金屬電加熱管3作為加熱元件，一般為不銹鋼加熱管，管徑為10-100mm，優(yōu)選為30-70mm，壁厚為1.5-5mm，優(yōu)選為2-3mm。在靠近反應(yīng)器底部法蘭的一端，將不銹鋼電加熱管3和金屬導(dǎo)電棒5相焊接，金屬導(dǎo)電棒最后采用不銹鋼棒；不銹鋼棒伸入固定床層16，焊接處的高度和氣體分布管在床層中的高度相當(dāng)。由于不銹鋼棒的截面積遠(yuǎn)大于其上部的不銹鋼管的截面積，因此，通大電流時(shí)，不銹鋼棒的發(fā)熱量較小，與其接觸的顆粒床層即固定床層的溫度也就較低。另外，由于固定床層中的顆粒不流化，降低了由顆?；旌纤鸬南蛳路ㄌm的熱量傳遞。以上設(shè)計(jì)使不銹鋼棒在反應(yīng)器底部法蘭處的溫度有所降低。由于不銹鋼棒5的橫截面積大，因此電阻小，發(fā)熱功率較小，且氣體分布管9下方的床層為固定床層，傳熱性能較差，因此和不銹鋼電加熱管3相比，不銹鋼棒5的溫度有所降低。在反應(yīng)器底部法蘭下方的不銹鋼棒5外圍裝有冷卻水套6，使不銹鋼棒的溫度進(jìn)一步得到降低。冷卻夾套6可以采用空氣冷卻夾套、自來(lái)水冷卻夾套或冷凍鹽水冷卻夾套。這樣避免了高溫對(duì)密封和接線(xiàn)端子部分的損害。
圖3為金屬棒末端的密封件和接線(xiàn)端子的結(jié)構(gòu)圖。在不銹鋼棒5的末端通過(guò)聚四氟乙烯密封圈18進(jìn)行密封，用六角鎖緊螺母19和墊圈17進(jìn)行鎖緊。兩鎖緊螺母19之間夾有接線(xiàn)鼻20，用來(lái)引出接線(xiàn)。根據(jù)反應(yīng)器尺寸、加熱管個(gè)數(shù)以及電源參數(shù)可以將兩根不銹鋼電加熱管3在頂部焊接在一起，使兩根電加熱管串聯(lián)成倒U形后通過(guò)接線(xiàn)端子供電，如圖1所示。也可以將多根倒U形不銹鋼電加熱管在反應(yīng)器外用電源線(xiàn)串連在一起后再供電。
反應(yīng)后的氣體經(jīng)旋風(fēng)分離器進(jìn)料口11進(jìn)入旋風(fēng)分離器14中，分離后的反應(yīng)氣體混合物從旋風(fēng)分離器氣體出口12流出反應(yīng)器，分離后的固體顆粒從旋風(fēng)分離器料腿10返回到流化床層。根據(jù)分離的要求，可選擇一級(jí)或兩級(jí)旋風(fēng)分離器。當(dāng)操作達(dá)到一定周期后，根據(jù)體系的結(jié)焦程度放出部分結(jié)焦的顆粒，并補(bǔ)充相應(yīng)量的新鮮顆粒，方便地實(shí)現(xiàn)連續(xù)清焦，以維持反應(yīng)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
本發(fā)明涉及的內(nèi)置電加熱式流化床熱裂解反應(yīng)器適合各種裂解反應(yīng)，如醋酸熱裂解生產(chǎn)乙稀酮，二氯乙烷裂解生產(chǎn)氯乙烯等。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)置電加熱式流化床裂解反應(yīng)器，包括裝有固體顆粒的流化床床體，設(shè)置在床體內(nèi)下部的氣體分布器以及設(shè)置在床體內(nèi)上部的旋風(fēng)分離器，其特征在于所述的氣體分布器設(shè)置在距床體底部20～80cm處，將流化床分為固定床層和流化床層兩部分；在所述的流化床床體內(nèi)設(shè)有電加熱裝置，該裝置包括金屬電加熱管、與電加熱管相連接的金屬導(dǎo)電棒以及設(shè)置在金屬導(dǎo)電棒末端的密封件和電源接線(xiàn)端子；所述的金屬電加熱管垂直設(shè)置在流化床層內(nèi)，所述的金屬導(dǎo)電棒的一部分設(shè)置在固定床層內(nèi)，其另一部分從流化床床體底部伸出，并在其外部設(shè)有冷卻夾套。
2.如權(quán)利要求1所述的流化床裂解反應(yīng)器，其特征在于所述的金屬電加熱管和金屬導(dǎo)電棒采用不銹鋼材料。
3.如權(quán)利要求1所述的流化床裂解反應(yīng)器，其特征在于所述的冷卻夾套采用空氣冷卻夾套、自來(lái)水冷卻夾套或冷凍鹽水冷卻夾套。
4.如權(quán)利要求1所述的流化床裂解反應(yīng)器，其特征在于所述的氣體分布器采用一級(jí)或多級(jí)分枝結(jié)構(gòu)的管式氣體分布器；其氣體分布管的氣體出口向下。
5.如權(quán)利要求1～4任一權(quán)利要求所述的流化床裂解反應(yīng)器，其特征在于所述的固體顆粒采用二氧化硅、二氧化鈦或α-氧化鋁材料，粒徑為0.05～1mm。
全文摘要
一種內(nèi)置電加熱式流化床裂解反應(yīng)器，由流化床床體、氣體分布器、固定床層、流化床層、內(nèi)置電加熱裝置和旋風(fēng)分離器等部分組成。本發(fā)明采用內(nèi)置電加熱管加熱，所述的氣體分布器將流化床分為固定床層和流化床層兩部分。利用流化床良好的傳熱和混合特性，使原料氣體迅速升溫達(dá)到所需的反應(yīng)溫度，可實(shí)現(xiàn)高溫和短停留時(shí)間的裂解操作，從而提高裂解反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性，提高反應(yīng)器的熱效率。另外流化顆?？梢杂行宄Y(jié)焦，從而延長(zhǎng)反應(yīng)器的操作周期。
文檔編號(hào)B01J8/24GK1621143SQ20041000967
公開(kāi)日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2004年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月15日
發(fā)明者王光潤(rùn), 王鐵峰, 王金福, 朱佳麒 申請(qǐng)人:清華大學(xué)