CN101966440B - 一种弓形板式气-固相反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弓形板式气-固相反应器，包括气相入口、气相出口、换热流体入口、出口以及壳体，壳体两端的封头管箱上分别设置有气相入口和气相出口，封头管箱与管板和端盖紧密连接；壳体上分别设置有换热流体入口和换热流体出口，经壳程进行换热；壳体内部轴向布置有多组空心弓形板，壳体内设置的多根反应气管穿过弓形板并固定在管板上，在弓形板内的反应气管上设置有多个开孔，弓形板内充填固相反应物。本发明具有传热传质效果良好、设备结构紧凑、气相阻力小、固相原料装填量大、传热速率快、操作弹性大、调控便利等特点。

Description

一种弓形板式气-固相反应器

技术领域

本发明涉及一种非均相反应、化学热泵、氢压缩循环、制冷、热量利用等领域的弓形板式气固相反应器，适用于金属氢化物氢化/脱氢等气-固相化学反应及应用方案，旨在解决当前存在较强热量输入/移出要求的气-固相化学反应器所面临的实际难题。

背景技术

目前国内外用于涉及反应热量输入/移出场合的气-固相反应器主要有下面几类：

高压釜式反应器——发现与应用时间较长，固相原料在釜内与通入的气相反应，釜外通常有换热流体的夹套来供给或移走热量。具有结构简单、装填量大、耐高压、造价低等特点，但其反应速率较慢、传热效率低、输出功率小，整体用于具有较强热效应的气固相反应时综合性能很差（International Journal of Hydrogen Energy, 1990, 8: 569-577）。

管外型气-固相反应器——管外型气固反应器的气相从反应器管外透过分布滤管与固相原料接触并发生反应，反应器内有多根换热管，换热流体走管内以输入/移出反应热量，固相原料装在换热管外侧。虽然换热效果较高压釜式反应器好些，但固体装填量不大，换热效率不高，另外目前较大尺寸的外滤管加工十分困难，成本也很高，故不符合具有热效应的气固相反应器规模化应用的基本要求(International Journal of Hydrogen Energy, 2001, 26:701-706)。

管内型气-固相反应器——将固相原料置于装有滤管的反应管内，反应管外通入换热流体。气相从分布滤管内通入，与滤管外反应管内的固体接触反应，反应热量由反应管外的换热流体输入/移出。由于该滤管尺寸较小，进行化学热应用时换热效果较管外型好，反应床浓度与温度分布较为均匀。但由于滤管价格昂贵且固相反应物装填量较少，这使管内型气-固相反应器整体成本偏高(Applied Thermal Engineering, 1998, 18:457-480)。

盘式气-固相反应器——固相反应物通常装填在一片或多片金属薄盘内，气相直接通过气流分布器与固相反应物接触，反应热量由金属盘另一侧的热管或换热介质提供/移走。盘式气-固相反应器的换热效果很好，而且没有加工难度较大的滤管，但是，较薄的金属盘结构难以装填较大量的固相反应物，使反应器成本很高。而且盘式气-固相反应器结构存在复杂、体系承压低、拆装困难等不足(Journal of the Less-Common Metals, 1984, 104:341-348)。

其它类气-固相反应器——如螺旋管式反应器、双壁式反应器等，具有结构紧凑，操作方便，但具有明显反应传热不良等缺陷，现阶段无法工业化应用(International Journal of Hydrogen Energy. 2007,32:3501-3507; Journal of the Less-Common Metals, 1984, 104: 319-327)。

发明内容

由于现有技术无法满足具有较强热效应的气-固相反应器对反应与换热的整体性能要求，针对这一现状，本发明的目的在于，提供一种设备结构紧凑、气相阻力小、固相原料装填量大、传热速率快、操作弹性大、调控便利的弓形板式气-固相反应器，以解决当前气-固相化学反应器面临的实际难题。

本发明实现过程如下：

一种弓形板式气-固相反应器，包括气相入口、气相出口、换热流体入口、出口以及壳体，壳体（3）两端的封头管箱（6）上分别设置有气相入口（1）和气相出口（7），封头管箱（6）与管板（12）和端盖（15）紧密连接；壳体（3）上分别设置有换热流体入口（2）和换热流体出口（8），经壳程（5）进行换热；壳体（3）内部轴向布置有多组空心弓形板（4），壳体（3）内设置的多根反应气管（11）穿过弓形板（4）并固定在管板（12）上，在弓形板（4）内的反应气管（11）上设置有多个开孔（16），弓形板（4）内充填固相反应物（9）。

反应气体从气相入口（1）进入，依次通过与管板（12）连接的多根反应气管（11）、开孔（16），与固相反应物（9）接触，发生气-固相反应。反应吸收/释放的热量由通过壳程（5）的换热流体供给/移出。

所述的多组空心弓形板（4）径向交叉布置，以便换热流体充分与弓形板相接触，提高换热效率。

所述的弓形板（4）厚度为10~50mm，其截面积为壳体（3）截面积的45~85%，交叉布置的弓形板（4）的间距为壳体（3）公称直径的0.1~0.5倍。

弓形板（4）内设置有2～16组均匀分布的隔板（18），方便固相反应物（9）的装填并有利于均匀反应及传热。

反应气管（11）采用同心圆或正三角形排列，反应气管（11）上的开孔（16）孔径不超过气管（11）直径的20%，开孔率为10~40%；弓形板（4）内的反应气管（11）开孔（16）外侧包有滤网（17）。

壳体（3）内的中心轴向气管直径大于其他气管直径的10%~50%。

封头管箱（6）用螺栓（13）和螺母（14）与管板（12）和端盖（15）密封。

弓形板式气-固相反应器为卧式或立式壳体（3），卧式壳体（3）的底部设有基座（10），立式壳体侧壁设有悬挂支座。

本发明采用改进的气-固相反应器结构的主体框架，并借鉴管壳式反应器的设计思路，利用弓形板式气-固相反应器作为非均相反应传热系统的核心。将多个弓形板形式的反应器内填充固相反应物，反应气体由管程通入，通过气管在反应器相应位置的筛孔与固相物料发生反应。同时在化学反应与传热过程中，针对不同的反应热释放/吸收量，调节使用多种不同的换热流体与换热方式，并改变相应的设计参数，而且弓形板还可替代传统管壳式换热器的折流板。本发明与目前国内外现有的高压釜式、管式反应器、盘式反应器、螺旋管式反应器等气-固相反应器相比，具有设备结构紧凑、气相阻力小、固相原料装填量大、传热速率快、操作弹性大、调控便利等特点。

附图说明

图1是本发明的弓形板式气-固相反应器结构示意图；

图2是本发明的弓形板式气-固相反应器弓形板轴向剖面图；

图3是本发明的弓形板式气-固相反应器弓形板径向剖面图； 

图4是本发明的弓形板式气-固相反应器的循环流程图。

图中标号说明：

1——气相入口    2——换热流体入口    3——壳体

4——弓形板       5——壳程                 6——封头管箱

7——气相出口    8——换热流体出口    9——固相反应物

10——基座       11——反应气管          12——管板

13——螺栓       14——螺母                 15——端盖

16——开孔       17——滤网                 18——隔板。

具体实施方式

本发明弓形板式气-固相反应器，可采用卧式或立式放置，卧式壳体的底部设有基座，立式壳体的外壁设有悬挂支座，在壳体的两端有气固相反应时的气相入口和气相出口的封头管箱，气体在管内循环流动，两端的反应气相入口和气相出口与壳体连接为一体；壳体内以同心圆或正三角形方式布置有多根反应气管，管程作为反应/生成气体的通路；在壳体的两侧分别设置有流体的出口和入口，壳程作为换热流体的通路；气管管程轴向间隔一定距离布置多组空心的弓形板，板内空间用来充填固相反应物，称为弓形板式气固相反应器。在这类气-固相反应器中，管程与弓形板的结合部位气管上开有筛孔，筛孔外加有滤网防止固相颗粒渗入气管内；同时为增强传热传质的效果，弓形板内设置有多组隔板将其内部空间分开。

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1~3，本发明的弓形板式气-固相反应器，包括壳体（3），立式或卧式放置，立式壳体的外壁设有悬挂支座，图中卧式放置则在壳体3的底部设有基座（10），在壳体（3）两端的封头管箱（6）内设计有气相反应物的入口（1）和气相出口（7），两端的气相入口（1）和气相出口（7）与壳体（3）结合为一体，管箱（6）用若干螺栓（13）、螺母（14）与管板（12）和端盖（15）密封；在壳体（3）的两侧分别设置有换热流体入口（2）和流体出口（8）的接管，壳体（3）内以同心圆或正三角形排列方式布置多根反应气管（11）在管板（12）上，反应气相在气管（11）内流动。在壳体（3）轴向每间隔一定距离布置有径向交叉放置的多组弓形板（4），固相反应物（9）充填在弓形板（4）内；弓形板的面积可取壳体横截面积的40~85%，厚度取10~50mm，相邻交叉弓形板4的间距取壳体公称直径的0.1~0.5倍。为方便固相反应物（9）的装填并有利于均匀反应及传热，弓形板内设置有2~16组隔板（18）。管程（11）与弓形板（4）的连接位置的气管（11）上开有筛孔（16），孔径不超过气管11直径的20%，开孔率为10~40%，孔外有滤网（17）防止固相颗粒（9）渗入气管（11）内；同时为增强传热传质效果，壳体（3）内的中心轴向气管直径大于其他气管直径的10%~50%。发生气-固反应时，气相由管壁开孔（16）通过高密滤网（17）进入弓形板（4）内，与固相反应物（9）进行带有较强热效应的化学反应，所放出/吸收的热量由壳程（5）的换热流体通过强制对流给热方式带走，移出的这部分热/冷量可供工业生产使用。

    采用图4所示流程利用金属氢化物的吸放氢特性来进行热压缩循环。流程由高低压储槽、三组弓形板式气-固相反应器、控制阀门和管线组成。各弓形板式反应器组内按需要充填金属氢化物，反应器组两端与氢气管道连接。吸氢时采用低温换热流体（通常使用室温的冷水），放氢时采用高温换热流体（可使用地热或低温工业废热）以利于反应顺利进行。以60~100°C的地热或低温工业废热为热源，低压氢压力为3个大气压，输出高压氢压力为10个大气压的连续式热压缩机为例，若采用三组弓形板式气-固相反应器来完成该氢压缩循环，每组反应器使用10组弓形板，相邻弓形板间距为200mm，氢气管选用Φ25×3的钢管9根，反应器壳体的公称直径为800mm，长度为2m。系统需要如图安装止逆阀8个（V1，V2，V4，V5，V8，V9，V12，V13），截止阀6个（V3，V6，V7，V10，V11，V14）。通过控制截止阀的启闭，就可以完成氢气从低压到高压的压缩过程，实现连续的动态氢压缩循环。弓形板的面积取壳体公称截面积的65%，弓形板厚度取30mm。氢管轴向与弓形板结合部位所开的筛孔径为2mm，开孔率为20%，隔板用12块厚度为3mm的铜板；反应器材料选用0Cr18Ni9的不锈钢。该弓形板式气-固相反应器用于热压缩循环使用时没有运动部件，利用地热或低温工业余热作为高温驱动热源时生产运行成本较低，且安装维护方便。使用后年收入可达15万元，正常年份的利润率达29.3%。 

Claims (9)

1.一种弓形板式气-固相反应器，包括气相入口、气相出口、换热流体入口、出口以及壳体，其特征在于：壳体（3）两端的封头管箱（6）上分别设置有气相入口（1）和气相出口（7），封头管箱（6）与管板（12）和端盖（15）紧密连接；壳体（3）上分别设置有换热流体入口（2）和换热流体出口（8），经壳程（5）进行换热；壳体（3）内部轴向布置有多组空心弓形板（4），壳体（3）内设置的多根反应气管（11）穿过空心弓形板（4）并固定在管板（12）上，在空心弓形板（4）内的反应气管（11）上设置有多个开孔（16），空心弓形板（4）内充填固相反应物（9）。

2.根据权利要求1所述的弓形板式气-固相反应器，其特征在于：所述的多组空心弓形板（4）径向交叉布置。

3.根据权利要求2所述的弓形板式气-固相反应器，其特征在于：所述的空心弓形板（4）厚度为10~50mm，其截面积为壳体（3）截面积的45~85%，交叉布置的空心弓形板（4）的间距为壳体（3）公称直径的0.1~0.5倍。

4.根据权利要求2或3所述的弓形板式气-固相反应器，其特征在于：空心弓形板（4）内设置有2～16组均匀分布的隔板（18）。

5.根据权利要求1所述的弓形板式气-固相反应器，其特征在于：反应气管（11）采用同心圆或正三角形排列。

6.根据权利要求1或5所述的弓形板式气-固相反应器，其特征在于：反应气管（11）上的开孔（16）孔径不超过气管（11）直径的20%，开孔率为10~40%。

7.根据权利要求6所述的弓形板式气-固相反应器，其特征在于：空心弓形板（4）内的反应气管（11）开孔（16）外侧包有滤网（17）。

8.根据权利要求1所述的弓形板式气-固相反应器，其特征在于：封头管箱（6）用螺栓（13）和螺母（14）与管板（12）和端盖（15）密封。

9.根据权利要求1所述的弓形板式气-固相反应器，其特征在于：弓形板式气-固相反应器为卧式或立式，卧式的壳体（3）的底部设有基座（10），立式的壳体侧壁设有悬挂支座。

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