发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种结构紧凑且空间利用率高的流化反应系统。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种流化反应系统,包括流化组件和分离组件,所述流化组件包括第一筒体、绕设于所述第一筒体周侧的第一换热盘管、开设于所述第一筒体上的第一进料口、进气口和第一出料口、设于所述第一筒体内的第一换热管、开设于所述第一筒体上且分别与所述第一换热管的两端管口相连通的第一热媒进口和第一热媒出口,所述流化反应系统还包括预热组件,
所述预热组件包括第二筒体、开设于所述第二筒体上的第二进料口和第二出料口、设于所述第二筒体内的第二换热管、开设于所述第二筒体上且分别与所述第二换热管的两端管口相连通的第二热媒进口和第二热媒出口;
所述第二出料口和所述第一进料口之间、所述第一出料口和所述分离组件之间、所述分离组件和所述第二进料口之间分别通过第一管路相连通,所述第一热媒出口和所述第二热媒进口之间、所述第二热媒出口和所述第一热媒进口之间分别通过第二管路相连通。
优选地,所述第一筒体的内腔包括沿其自身长度方向依次连通的进料腔、反应腔和第一出料腔,所述第一进料口和所述进气口分别与所述进料腔相连通,所述第一出料口与所述第一出料腔相连通,所述第一换热管位于所述反应腔中。
进一步优选地,所述流化组件还包括设于所述第一筒体内且位于所述反应腔和所述第一出料腔之间的第一管板、设于所述第一出料腔中的第二管板,所述第二管板将所述第一出料腔分隔为第一腔体和第二腔体,所述第一热媒进口与所述第一腔体相连通,所述第一热媒出口与所述第二腔体相连通,所述第一换热管的一端管口能够穿过所述第一管板并与所述第二腔体相连通、所述第一换热管的另一端管口能够依次穿过所述第一管板和所述第二管板并与所述第一腔体相连通。
更进一步优选地,所述第一换热管包括多组U型管,每组所述的U型管分别包括多段直管以及多段连通于每相邻的两段所述直管之间的弯管,所述流化组件还包括多个两端分别与所述的多段弯管中靠近所述第一管板的所述弯管和所述第一管板相可拆卸的连接的连接件。
更进一步优选地,所述第一管板的板面向着靠近所述第一出料腔的方向凹陷形成曲面状,所述流化组件还包括位于所述第一出料腔中的出料管,所述出料管一端插设于所述第一管板的凹陷中心并与所述反应腔相连通、另一端能够依次穿过所述第二腔体和所述第一腔体并与所述第一出料口相连通。
进一步优选地,所述流化组件还包括设于所述进料腔内的进气模块,所述进气模块包括绕着所述第一筒体的周向设于所述进料腔内的环形的分配管、多个间隔排布于所述第一筒体的外周侧部且与所述分配管相连通的进气管、多个间隔开设于所述分配管的内环管壁上的分配孔,所述进气管和所述分配孔的延伸方向分别沿着所述第一筒体的径向倾斜的设置且两者的倾斜方向一致,所述进气管的延伸方向与所述第一筒体的径向之间的倾斜角度为a,所述分配孔与所述第一筒体的径向之间的倾斜角度为b,其中,0°<a<60°,0°<b<60°
更进一步优选地,所述流化组件还包括设于所述进料腔和所述反应腔之间的第一锥形腔,所述第一锥形腔沿着所述进料腔至所述反应腔的方向径向扩大。
更进一步优选地,所述流化组件还包括设于所述进料腔内且位于所述第一进料口和所述进气模块之间的布料模块,所述布料模块包括绕着所述第一筒体的周向内接于所述第一筒体的内周侧壁的布料板、绕着所述布料板的中心成环形阵列排布的多个布料头,所述布料头的布料方向与所述进料腔和所述第一出料腔的排布方向一致。
优选地,所述预热组件还包括沿着所述第二筒体的长度方向依次排布于所述第二筒体内的第三管板和第四管板,所述第三管板和所述第四管板将所述第二筒体分隔为依次连通的换热腔、进媒腔和出媒腔,所述第二进料口和所述第二出料口分别与所述换热腔相连通,所述第二热媒进口与所述进媒腔相连通,所述第二热媒出口与所述出媒腔相连通。
进一步优选地,所述第二换热管包括外管和内管,所述外管一端插设于所述第三管板中且与所述进媒腔相连通、另一端为封闭端且向着所述换热腔中延伸,所述内管一端插设于所述第四管板中且与所述出媒腔相连通、另一端能够配合的穿过所述第三管板并插设于所述外管中。
由于上述技术方案的运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:本发明的流化反应系统,通过设置预热组件,在流化组件内进行流化反应的过程中,预热组件能够对通入流化组件内的固体料进行预热,使得通入流化组件内的固体料能够立即与气体料进行反应,不再需要预留固体料的加热空间,提高了流化组件的空间利用率,同时减少了副反应的发生,提高了产品的纯度和反应效率。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
本发明涉及对流化床反应器的改进。改进后的流化反应系统,通过设置预热组件,在流化组件内进行流化反应的过程中,预热组件能够对通入流化组件内的固体料进行预热,使得通入流化组件内的固体料能够立即与气体料进行反应,不再需要预留固体料的加热空间,提高了流化组件的空间利用率,同时减少了副反应的发生,提高了产品的纯度和反应效率。
参见图1-7所示,其中示出了一种流化反应系统,包括流化组件和分离组件1。
本例中,流化组件用于固体料、催化料和气体料进行流化反应得到产品,其包括上下设置的第一筒体2、绕设于第一筒体2周侧的第一换热盘管3、开设于第一筒体2底部的第一进料口4、开设于所述第一筒体2底端侧部的进气口5、开设于所述第一筒体2顶部的第一出料口6、设于第一筒体2内的第一换热管7、开设于第一筒体2上且分别与第一换热管7的两端管口相连通的第一热媒进口8和第一热媒出口9。其中,第一进料口4用于通入固体料和催化料,进气口5用于通入气体料,第一换热管7用于通入通出热媒。气体料带动固体料向上流动并在流动的过程中进行流化反应,反应放出的热量与第一换热管7中流动的热媒换热,得到的产品自顶部的第一出料口6输出。
本例中,第一换热盘管3连通加热锅炉,用于通入通出高温的热媒。在流化反应系统首次开机运行时,需要通过第一换热盘管3内的高温导热油对第一筒体2内的反应物料进行加热,使反应物料达到进行流化反应所需的温度。
分离组件1包括多个依次连接的旋风分离器,用于对反应后得到的产品进行分离,将纯净的产品提取出来保存,并将未完全消耗的固体料分离出来。
进一步地,如图1所示,流化反应系统还包括预热组件,预热组件用于加热固体料,其包括上下设置的第二筒体10、开设于第二筒体10上部的第二进料口11、开设于第二筒体10底部的第二出料口12、设于第二筒体10内的第二换热管13、开设于第二筒体10上且分别与第二换热管13的两端管口相连通的第二热媒进口14和第二热媒出口15。固体料能够自上部的第二进料口11通入,并与第二换热管13中的热媒换热升温,随后自下部的第二出料口12输出。
上述的第一换热管7、第一换热盘管3和第二换热管13中的热媒均可以为导热油。
其中,第二出料口12和第一进料口4之间、第一出料口6和分离组件1之间、分离组件1和第二进料口11之间分别通过第一管路16相连通,第一热媒出口9和第二热媒进口14之间、第二热媒出口15和第一热媒进口8之间分别通过第二管路17相连通。在分离组件1和第二进料口11之间的第一管路16上设置有第一风机29,用于将分离出的固体料更好的送至第二筒体10中。
如此,预热组件和流化组件内的管程和壳程均能相互连通。更具体地,预热组件和流化组件之间共有两条循环路线。
一方面,第一换热管7和第二换热管13中的导热油能够循环流动,使得在第一换热管7中与第一筒体2内流化反应的物料换热后升温的导热油能够流动至第二换热管13中并与第二筒体10中的固体料换热使该固体料升温,而第二换热管13中换热后冷却的导热油又能够回流至第一换热管7中再次吸收第一筒体2内的物料流化反应放出的热量后升温,实现循环;
另一方面,在第二筒体10内预加热的固体料为分离组件1分离出的未完全消耗的固体料和新鲜的固体料的混合物,在经过第二换热管13预加热后再通入第一筒体2中与气体料直接进行流化反应,流化反应后得到的产品经过分离组件1分离后得到未消耗完全的固体料,该固体料与新鲜的固体料混合后再次通入第二筒体10中进行预加热,实现循环。
这样一来,在第二筒体10内预加热后的固体料进入第一筒体2后能够立即进行流化反应,缩短了反应的时间,提高了反应效率,反应效率提高预计在3%-8%之间。
本例中,如图1所示,在第二热媒出口15和第一热媒进口8之间的第二管路17上还连通有冷却器30和第二风机31,冷却器30用于对第二换热管13回流至第一换热管7的导热油进行再次冷却,以更好的吸收流化反应放出的热量,第二风机31用于抽吸导热油使其更好的回流至第一筒体2中。
如图1-2所示,第一筒体2的内腔包括从下至上依次连通的进料腔2a、反应腔2b和第一出料腔2c,第一进料口4和进气口5分别与进料腔2a相连通,第一出料口6与第一出料腔2c相连通,第一换热管7位于反应腔2b中。
进一步地,如图2所示,流化组件还包括设于第一筒体2内且位于反应腔2b和第一出料腔2c之间的第一管板18、设于第一出料腔2c中的第二管板19,第二管板19将第一出料腔2c分隔为第一腔体2c1和第二腔体2c2,第一热媒进口8与第一腔体2c1相连通,第一热媒出口9与第二腔体2c2相连通,第一换热管7的一端管口能够穿过第一管板18并与第二腔体2c2相连通、第一换热管7的另一端管口能够依次穿过第一管板18和第二管板19并与第一腔体2c1相连通。
如此,将第一筒体2上部的空间都利用起来作为热媒进出的中转腔体,并将第一换热管7的两端管口直接向上连接在第一管板18和第二管板19上,使得本例中的流化组件不再需要如传统技术那样在筒体周侧设置中转集箱,也不需要将换热管水平设置并连通中转集箱,避免了水平设置的换热管被固体料自下而上冲刷而导致的损坏。
进一步地,如图2-3所示,第一换热管7包括多组U型管7a,每组U型管7a分别包括多段直管7a1以及多段连通于每相邻的两段直管7a1之间的弯管7a2,流化组件还包括多个两端分别与多段弯管7a2中靠近第一管板18的弯管7a2和第一管板18相可拆卸的连接的连接件20。该连接件20位双向螺杆结构,其两端分别螺纹连接于第一管板18和弯管7a2上,可以实现狭小空间的紧固,拆装更为方便。配合第一管板18实现换热管的吊装,不再需要如传统技术那般设置巨大的吊架结构来吊装换热管,一方面避免了反应物料向上冲刷吊架导致吊架的损坏,另一方面节省了空间,提高了空间利用率。连接件20的材料可以选用碳钢,型号为20#、Q235B或15CrMo,具体根据单组U型管7a的重量来决定。连接件20上部可直接螺纹连接在第一管板18上,下部采用钢换和锻件结合的方式,在弯管7a2处连接锻件,并通过钢换将连接件20和锻件连接起来。
作为优选地方案,如图1-2所示,第一管板18的板面向着靠近第一出料腔2c的方向凹陷形成曲面状,流化组件还包括位于第一出料腔2c中的第一出料管21,第一出料管21一端插设于第一管板18的凹陷中心并与反应腔2b相连通、另一端能够依次穿过第二腔体2c2和第一腔体2c1并与第一出料口6相连通。曲面状的第一管板18能够减薄管板的计算厚度,使得钢材用量减少,解决了大型化带来的成本增加和设备刚性平台的支撑载荷问题,降低了基础框架的设计载荷;同时曲面状的第一管板18的受力更好,不易损坏。最重要的一点是,曲面状的第一管板18还能起到归集气流的作用,将反应后的气体产物引导至凹陷的中心,配合第一出料管21,能够彻底的将反应后的气体产物完全排出。
本例中,第一管板18采用钢板或锻件制作,凹陷的距离在30-100毫米之间,第一管板18的厚度可以为80毫米、85毫米、90毫米、100毫米、110毫米、120毫米、130毫米、140毫米、150毫米、160毫米、170毫米、180毫米、190毫米、200毫米、210毫米、220毫米、130毫米、140毫米、250毫米、260毫米、270毫米、280毫米。在第一管板18上的第一换热管7的一端管口的排布形状可以为三角形。
如图4所示,流化组件还包括设于进料腔2a内的进气模块,进气模块包括绕着第一筒体2的周向设于进料腔2a内的环形的分配管22、多个间隔排布于第一筒体2的外周侧部且与分配管22相连通的进气管23、多个间隔开设于分配管22的内环管壁上的分配孔24,进气管23和分配孔24的延伸方向分别沿着第一筒体2的径向倾斜的设置且两者的倾斜方向一致,进气管23的延伸方向与第一筒体2的径向之间的倾斜角度为a,分配孔24与第一筒体2的径向之间的倾斜角度为b,其中,0°<a<60°,0°<b<60°。这里,进气模块位于进气口5上方,用于在进气口5通入气体的基础上,二次通入气体料。
通过上述的进气模块的设置,下部的进气口5通入的气体料带动第一进料口4通入的固体料和催化料竖直向上运动,随后自进气管23内二次通入气体料,二次通入的气体料自倾斜的进气管23进入分配管22中,随后自切向的分配孔24螺旋进入进料腔2a中,并与下部向上运动的物料混合后螺旋向上冲刷第一换热管7,减薄了物料和第一换热管7之间的层流层,大大增加了物料和第一换热管7之间的换热系数,经计算换热系数能提高10%左右。
进一步地,如图1所示,在第二出料口12和第一进料口4之间的第一管路16上还设置有回料管32,该回料管32一端连通第一管路16、另一端连通于第一筒体2侧部,使得第一管路16中流动的固体料有部分自回料管32中进入第一筒体2,配合第一进料口4通入的固体料,使得物料能够一边绕着筒体3内壁做周向运动,一边向上运动,更有利于形成螺旋气流。
进一步地,如图1所示,流化组件还包括设于进料腔2a和反应腔2b之间的第一锥形腔2d,第一锥形腔2d沿着进料腔2a至反应腔2b的方向径向扩大。第一锥形腔2d能够作为进料腔2a和反应腔2b之间的缓冲空间,螺旋向上的混合物料经过第一锥形腔2d的缓冲更有利于形成龙卷风式的螺旋气流并向上冲刷第一换热管7,避免了物料直接向上冲刷第一换热管7导致的损坏,延长了第一换热管7的使用寿命。
如图5-6所示,流化组件还包括设于进料腔2a内且位于第一进料口4和进气模块之间的布料模块,布料模块包括绕着第一筒体2的周向内接于第一筒体2的内周侧壁的布料板25、绕着布料板25的中心成环形阵列排布的多个布料头26,布料头26的布料方向朝上。通过将布料头26的布料方向朝上设置,可将物料竖直向上喷出并均匀流化。这里的布料头26为T型小分布器,材料为碳化硅,厚度在30-90毫米之间,多个布料头26的排布间距为20毫米。该T型小分布器的顶部开孔,直径为1-5毫米,分布器的开孔率为15%-20%。在分布板25上开设T型孔,将T型小分布器插入,底部使用丝锥固定。
如图1所示,预热组件还包括从下至上依次排布于第二筒体10内的第三管板27和第四管板28,第三管板27和第四管板28将第二筒体10分隔为从下至上依次连通的换热腔10a、进媒腔10b和出媒腔10c,第二进料口11和第二出料口12分别与换热腔10a相连通,第二热媒进口14与进媒腔10b相连通,第二热媒出口15与出媒腔10c相连通。其中,进媒腔10b和出媒腔10c的优势与上文中的第一腔体2c1和第二腔体2c2相同。
第三管板27和第四管板28可以采用板材或锻件加工,材料为Q345R,或16MnII ,第二换热管13在第三管板27和第四管板28上的排列形状可以是三角形,可以是正方形;排列间距为第二换热管13外径的1.4-3倍,具体的排列间距根据实际的固体料加热量进行计算;第二换热管13的长度在6-20m之间,具体长度根据固体料的使用量及换热前后的温差来计算确定。
在本实施例中,如图1所示,预热组件还包括从上之下依次设于换热腔10a下方的第二锥形腔10b和第二出料腔10e,第二锥形腔10b自上而下径向减小,能够更为方便物料下落至第二出料腔10e中;同时在第二锥形腔10b周侧围设有第二换热盘管33,用于通入通出高温导热油,以将下落至第二锥形腔10b中的未达到反应温度的固体料进一步加热。第二出料口12开设于第二出料腔10e的下端侧部,在第二出料口12处连通有向下倾斜的第二出料管34,向下倾斜的第二出料管34更为便于出料。
进一步地,如图7所示,第二换热管13包括外管13a和内管13b,外管13a一端插设于第三管板27中且与进媒腔10b相连通、另一端为封闭端且向着换热腔10a中延伸,内管13b一端插设于第四管板28中且与出媒腔10c相连通、另一端能够配合的穿过第三管板27并插设于外管13a中。其中,外管13a的封闭端为锥形,如此,导热油能够自第二热媒进口14进入进媒腔10b,随后向下进入外管13a中,到达外管13a底部的封闭端后在冲压力的作用下向上回流至内管13b中,随后进入出媒腔10c后自第二热媒出口15输出。内外管设置的第二换热管13的强度更好且不易损坏,更适用于流化效果不好的第二筒体10。
外管13a和内管13b,可以选用材料为20G材料,外管13a可以选用管径为φ144X8、φ133X6、φ114X6、φ108X6、φ89X6、φ76X6、φ60.3X6的材料,内管可以选用管径为φ114X4、φ89X4、φ76X4、φ60X4、φ57X4、φ45X4、φ38X4的材料,内外管的长度可以为20米,19米,18米,17米,16米,15米,14米,13米,12米,10米,9米,8米,7米,6米。外管13a底部采用锻件做成,锻件和外管13a形成对接接头,保证密封和耐磨;同时,为防止固体料的冲刷,在外管13a底部可以喷涂耐磨层。
在本实施例中,第二筒体10底部开设有气体进口35,用于通入气体并带动固体料流动出料。在气体进口35上方的第二出料腔10e中设有气体分布器36,该气体分布器36为现有技术,用于通入的气体的均匀分布。
本例中的流化反应系统,反应能力能够提高20%-30%,副反应减少3%-5%,大大提高了反应物的纯度;同时第一筒体2内单位体积的反应效率能够提高5%-8%。
以下具体阐述下本实施例的工作过程:在流化反应系统开机运行后,向第一筒体2中通入反应物料,并同步向第一换热盘管3中通入高温的导热油,高温的导热油与反应物料进行换热,使得反应物料的温度迅速升高并达到反应温度,此时反应物料能够进行流化反应,随后将第一换热盘管3内的导热油输出;
同步向第一换热管7内通入低温的导热油,低温的导热油与反应物料进行换热,吸收流化反应放出的热量,随后换热后升温的高温导热油能够自第一换热管7循环流动至第二换热管13中;
反应物料进行流化反应后得到的产品自第一筒体2中输出并进入分离组件1进行分离,将分离后得到的产品冷凝精馏后收集,而分离出的残留的固体料输入至第二筒体10中,此时同步向第二筒体10中输入新鲜的固体料,新鲜的固体料与残留的固体料混合成混合料并与循环流动至第二换热管13中的高温导热油进行换热,换热后升温的混合料流动至第一筒体2中,并能够直接与进气口5输入的气体料进行流化反应,将反应后得到的产品输入分离组件1中分离出残留固体料后再次送入第二筒体10中进行预加热,实现循环;
而换热后降温的导热油再次循环流动至第一换热管7中,并能够再次与进行流化反应的物料进行换热,换热后再次回流至第二换热管13中与第二筒体10中的固体料进行换热,实现循环。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。