一种催化重整和催化脱氢固定床径向反应器 【技术领域】
本发明属于烃类加工技术领域，涉及一种适用于中、低压或负压的固定床气固相催化反应装置，特别涉及一种适用于催化重整和催化脱氢的固定床径向反应装置。
背景技术
对于催化重整和催化脱氢，其反应介质中含有大量的氢气，其氢烃摩尔比高达6-10倍或更高，大量的气体循环使得减少反应器的压降成为提高催化剂利用率和节能的关键所在。现有的催化重整和催化脱氢的反应方法中，为提高催化剂利用率，通常采用小粒度的催化剂；为减少反应器的压降，降低循环压缩机的功耗，通常采用径向反应器。而现有的径向反应器技术，美国专利US2,683,654，US4,244,922和US5,202,097介绍了如下结构反应器：反应器包括一圆筒形容器和容器内环形催化剂床，在该圆筒形容器的顶部封头上设有反应气体进口，在下部封头上设有反应气体出口；在圆筒形容器内包括与圆筒形容器同轴设置的，由内向外依次排列的多孔壁的内筒和多孔壁外筒(或扇形筒)，多孔壁内筒与多孔壁外筒之间形成环形催化剂床层；圆筒形容器侧壁与多孔壁外筒之间与上部反应气体的进口相通，构成反应气体的分流流道；内筒与置于圆筒形容器底部反应气体出口相连通，构成反应气体集流流道。反应气体是这样流动的，反应气体从反应气体进口进入反应器的上部空间，向下进入多孔外筒构成的分流流道，径向从反应器地外壁经过环形的催化剂床层，进入由中心内筒构成的集流流道，然后向下由反应气体的出口流出，形成上进下出的向心式Z型流动方式。
考察上述反应器结构和反应气体的流动方式，存在如下问题：
1.反应气体在分流流道和集流流道呈同向流动，由此不利于流体沿轴向的均匀分布。为实现流体的均匀分布，不得不采用控制压降很大的气体分布器，如英国专利GB1118750和中国专利CN7102931中通过多孔筒造成1倍或数倍于催化床层压降的压降。或采用如美国专利US5,885,444和中国专利CN961143630的锥形导流体或锥形流道的结构。
2.美国专利US3,099,208认为在催化剂封中局部存在死区，为了避免结焦，提高该处催化剂的利用率，提出催化剂封处用锥体结构，但这样致使催化剂封高度的增加和反应器内部结构复杂化。
3.反应器采用向心流动，反应气体在圆筒形容器侧壁与多孔壁外筒之间的分流流道向下流动，由于热量损失，会导致床层轴向温度的差异，对吸热反应尤为不利。
4.由外向内的向心式流动，不适应沿反应过程分子量增长的增体积反应催化重整和催化脱氢的要求，因而美国专利US5,885,442采用反应气体的离心式流动方式，有利于获得更高的辛烷值汽油和提高操作负荷，但没有解决因Z型流动方式分布器控制压降大的缺陷。
【发明内容】
本发明需要解决的技术问题是：
(1)提供一种催化剂利用率高的催化重整和催化脱氢的反应方法，保证反应气体沿轴向均匀分布；
(2)保证反应气体沿轴向均匀分布的条件下，提高内多孔筒的开孔率，进一步降低反应器的压降；
(3)避免了反应气体在中心分流流道中的热损失，使催化床层的轴向温度更为均匀。
(4)催化剂封内轴径向流动，提高催化剂封的利用率。
本发明通过提供一种离心式径向催化重整和催化脱氢反应器，以此解决上述技术问题，同时克服现有技术中存在的缺陷。
本发明的构思是这样的：
1.气体进口和出口位于反应器的同一端，使气体在分流流道和集流流道内作逆向的相对流动，形成上进上出或下进下出的П型流动方式，由于两流道间静压差的差别沿轴向很小，从而十分有利于气体的均匀分布；
2.优化了分流流道和集流流道的流道截面积，由此可使用具有较大开孔率的内多孔筒壁作为气体分布器，进一步降低了径向反应器的压降。
3.分流流道采用变开孔率或变直径技术，克服了催化剂的长期运转造成的床层空隙率沿轴向的变化缺陷，使流体沿反应器轴向分布更加均匀。
4.气体由内向外作离心式流动，避免了由外向内作向心式流动所造成高温气体位于壳体向外的热损失，有利于反应器内轴向温度的均匀；
5.气体由内向外作离心式流动，与增体积的重整或脱氢反应的特点相吻合，十分有利于反应的进行。
根据上述构思，本发明提出如下所述的技术方案：
本发明所述的离心式固定床径向催化重整、催化脱氢反应装置是由带有环形催化床的圆形压力容器构成，其中包括：
在该圆筒形容器的器壁上设有反应气体进口、反应气体出口和催化剂卸料管，其特征在于：所述的反应气体进口和反应气体出口均同时置于圆筒形容器的上部或下部。
在圆筒形容器内包括：与圆筒形容器同轴设置的，由内向外依此排列上部侧壁不开孔的多孔壁内筒和多孔结构的外筒；所说的多孔结构的外筒为多孔壁外筒或由多个扇形、中空元件沿圆形容器内近壁处作相邻圆周排列所构成的外筒，其中靠催化剂一侧开设分布孔，而靠圆筒形容器一侧不开孔。所说的多孔壁内筒为由多孔厚板紧贴多孔薄板，或由多孔厚板和多孔薄板中间用支撑条架空，或由多孔厚板和格栅组成的双层紧贴结构，所说多孔厚板的开孔率上下相同或上下不同；内筒的形状可以是柱体、锥体或变直径梯形柱体。所述内筒与置于圆筒形容器上部(或下部)的反应气体进口相连通，构成反应气体分流流道。内筒与外筒之间装填催化剂；催化床上方设催化剂封，催化剂封顶部装填一定厚度的惰性固体颗粒材料，上面设置盖板密封结构，盖板密封结构的外密封筒边缘距内筒开孔区有一定的高度，催化剂封内流体的流动呈轴径向流。多孔壁外筒与圆筒形容器侧壁之间或扇形的多孔中空元件构成反应气体集流流道，反应气体集流流道与置于圆筒形容器上部(或下部)的反应气体出口相连通。
【附图说明】
图1本发明所述离心式固定床径向催化重整、催化脱氢反应器结构示意图
其中：1-反应气体进口； 2-反应气体出口； 3-反应气体分流流道；
4-反应气体集流流道；5-催化床； 6-内筒；
7-多孔壁外筒； 8-圆筒形容器； 9-催化剂封
10-惰性颗粒材料；11-催化床上部密封结构；12-催化剂卸料管；
图2本发明所述另一种离心式П型固定床径向催化重整、催化脱氢反应器结构示意图
其中：1-反应气体进口； 2-反应气体出口。 3-反应气体分流流道；
4-反应气体集流流道；5-催化床 6-内筒；
7-多孔壁外筒 8-圆筒形容器； 9-催化剂封
10-惰性颗粒材料；11-催化床上部密封结构； 12-催化剂卸料管；
图3本发明所述另一种离心式П型固定床径向催化重整、催化脱氢反应器结构示意图
其中：1-反应气体进口 2-反应气体出口。 3-反应气体分流流道；
4-反应气体集流流道；5-催化床； 6-内筒；
7-多孔壁外筒8-圆筒形容器 9-催化剂封；10-惰性颗粒材料；
11-催化床上部密封结构； 12-催化剂卸料管 13-人孔
图4一种矩形布孔的变开孔率多孔厚板示意图
其中：14-多孔厚板；15-分布孔；
图5另一种正三角形布孔的变开孔率多孔厚板示意图
其中：14-多孔厚板；15-分布孔；
图6一种锥形内多孔筒示意图
其中：14-多孔厚板；15-分布孔；
图7另一种变直径内多孔筒示意图
其中：14-多孔厚板；15-分布孔；
图8一种扇形多孔中空元件横截面示意图。
16-扇形多孔中空元件；17-分布孔。
图9另一种扇形多孔中空元件横截面示意图。
16-扇形多孔中空元件；17-分布孔
下面结合附图对本发明作进一步的说明，所绘附图只是帮助理解本发明，其并不限制本发明的保护范围：
由图1可见，本发明所说的离心式径向催化重整和催化脱氢反应器包括：
一圆筒形容器8和容器内催化床5，在该圆筒形容器的器壁上设有反应气体进口1、反应气体出口2，催化剂卸料管12，所述的反应气体进口1及所述的反应气体出口2置于圆筒形容器8的上部封头上，催化剂卸料管12置于圆筒形容器8的下部封头上；
在圆筒形容器8内包括：与圆筒形容器8同轴设置的，由内向外依此排列上部侧壁不开孔、下部开孔高度为H的多孔壁内筒6和全部开孔高度为H’的多孔结构的外筒7；
所述内筒6与置于圆筒形容器8顶部反应气体进口1相连通，构成反应气体的分流流道3，内筒6与外筒7之间形成催化床5，多孔壁外筒与圆筒形容器8侧壁之间形成反应气体集流流道4，或由扇形的多孔中空元件16本身构成反应气体集流流道4，反应气体集流流道4与置于圆筒形容器8顶部的反应气体出口2相连通，反应产气体集流流道4的横截面积与反应气体分流流道3的横截面积之比值以1～3为宜；
所述的催化床5上部设有一段催化剂封9和惰性颗粒材料10，催化剂封9的高度ΔH为床层径向厚度的0.2～5倍，惰性颗粒材料10的厚度为床层径向厚度的0.1～0.5倍，惰性材料上方设置催化剂床层密封结构11，密封结构的外密封筒距内筒6开孔区的高度为ΔH′，ΔH′为催化剂封高度ΔH的0.2～1.0倍，以确保反应气体的轴径向流动和催化剂封的充分利用。
内筒6是由多孔厚板14和多孔薄板中间用横向和纵向支撑条架空卷制而成，多孔薄板的开孔率为20～40％；或由多孔厚板14和格栅组成的双层紧贴结构卷制而成，格栅的空隙率为25～50％；所述的多孔厚板14的开孔率为1％～15％，多孔厚板14的开孔15可采用由上至下的均匀开孔，也可采用分段均匀开孔，由上至下分段增加开孔率，底部开孔率是上部开孔率的100～200％，如图4所示为一种矩形布孔的变开孔率多孔厚板示意图，顶部孔间距a1是下部孔间距a2的100～150％；如图5所示为另一种正三角形布孔的变开孔率多孔厚板示意图，顶部孔间距a1是下部孔间距a2的100～150％。所述的内筒6也可采用变直径技术，内筒的顶部和底部直径不同，底部直径大于顶部直径，顶部床层的催化剂厚度是底部厚度的100～200％；图6所示的是一种由多孔厚板14卷制而成的锥形内筒结构，图7所示的是另一种由多孔厚板14卷制而成的梯形变直径内筒结构。
由于本发明实施了反应气体在分流流道3与集流流道4内逆向的相对流动的结构，作为反应气体分布器的内多孔壁筒6可保持相当大的开孔率，使反应气体分布器的控制压降仅为催化床层压降的10-50％或更低，在实现较低控制压降的同时，保证了反应气体沿轴向的均匀分布。同时内筒6采用变开孔率或变直径技术，克服了催化剂的长期运转造成的床层空隙率沿轴向的变化致使床层压降不均的现象，使流体沿反应器轴向分布更加均匀。
所说的外筒7为多孔壁外筒或由多个扇形、中空元件16沿圆形容器8内近壁处作相邻圆周排列所构成的外筒，其中靠催化剂一侧开设分布孔17，而靠圆筒形容器8一侧不开孔；所说的多孔壁外筒可由多孔厚板和多孔薄板中间用横向和纵向支撑条架空卷制而成，多孔薄板的开孔率为20～40％，多孔厚板的开孔率为20％～40％；或由格栅组成，格栅的空隙率为25～50％。图8和图9分别为两种不同形状的多孔中空元件16的横截面示意图，多孔中空元件16为长条形，高度比催化剂盖板密封结构略高，开孔区域的高度为H’，紧贴催化剂的一侧开设外分布孔17，其开孔率为20～40％，孔形为圆孔或条形孔，而贴近压力容器8的一侧是不开孔的。
图2的结构与图1基本相同，但气体进口管1置于圆筒形容器8的上部侧面，而反应气体的出口管2置于圆筒形容器8的上部封头上。
图3的结构与图1基本相同，但气体进口管1和反应气体的出口管2置于圆筒形容器8的底部封头上，圆筒形容器8的上部开设人孔13，用来装填催化剂。
采用本发明提出的反应方法及反应装置，与现有技术相比具有以下优点：
1.П型结构可完全消除分流流道和集流流道两流道间的静压差别，可显著的减少分布器的控制压降，反应器压降低，完全能保证反应气体沿轴向均匀分布；
2.反应气体由中心向外离心流动，由于在中心分流流道无热损失，保证了反应器内轴向温度均匀；
3.反应气体在床层作离心式流动，显著的减少了催化剂的死区，提高了催化剂的利用率；
4.分流流道采用变开孔率或变直径技术，克服了催化剂的长期运转造成的床层空隙率沿轴向的变化缺陷，使流体沿反应器轴向分布更加均匀。
具体实施方式：
本发明的催化重整和催化脱氢的反应方法及反应装置可在以下所提供的工艺参数条件，在一种离心式径向反应器中进行；
实施例1 原料中氢烃摩尔比为6～10、重量液空速为1.0～3.0h-1、反应温度为450～550℃、反应压力为1.2～3.0MPa的半再生催化重整反应工艺可采用图1、图2或图3所示三种方式中的任意一种方式实施。
实施例2 原料中H2O/乙苯的摩尔比为8～10、乙苯液空速为0.35～0.45h-1、反应温度为550～645℃、反应压力为45～80Kpa(绝对压力)的乙苯脱氢反应工艺可采用图1、图2或图3所示反应器中的任意一种方式实施。
反应气体由反应气体进口1进入内多孔壁筒6构成的分流流道3，通过内多孔壁筒6上的内分布孔15径向流入径向床层区5，进而由内向外通过外多孔壁7进入反应气体集流通道4作离心流动，反应气体在集流流道4与分流流道3中是作逆向的相对流动，然后沿集流流道通过反应气体的出口2流出。