CN102271802A - 用于反应器的规整填料 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种反应器的规整填料，由金属薄板构成，以提高所述反应器壁附近的热传递和质传递。所述规整填料使得流体流过所述填料时横向流动，从而增强与至少一个反应器壁的射流冲击。所述填料可以用于圆柱形，环形或板式的反应器，例如催化反应器，或热交换器。

Description

用于反应器的规整填料
本申请的相关参考
本申请要求享有于2009年2月9日在美国申请的，序列号为61/207,170的美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部内容作为本发明申请的参考。
技术领域
本发明关于一种反应器的规整填料。该填料可以用于圆柱形的，环形的或者板式的反应器，例如，催化反应器，或热交换器。
背景技术
反应器，例如化学反应器和热交换器，广泛地用于提高热传递，质量传递和/或化学反应速率。如化学反应器，常常需要将热传递到反应器中(如吸热反应)或者从反应器中将热传递出去(如放热反应)。在商业实践中，为了实现规模经济，需要采用大直径的反应器。为了提高反应器内的物质与环境之间的热传递，反应器内需要高传热系数。靠近反应器外径的地方，尤其需要高的传热系数，其中，径向热流量的表面积与内部物量的比例最小，径向传递的热量与反应器内部热源的量成比例。流体与反应器壁之间的摩擦导致低速度，进而导致反应器壁附近的传热系数较低，但反应器壁附近则需要高的传热系数。
对于固定床来说，如多相催化反应器，热传递到反应器壁，可能限制吸热反应的反应速度，或者热从反应器传递出去，可能限制放热反应的可控性及安全操作。通常，需要限制反应器的内壁数量，使得低速度和低传热系数的边界层数量最少，而热量则在径向方向上传递。催化反应器中更大的表面积，可通过给催化剂提供更多的反应位点使其被有效利用，从而为加速反应提供更大的机会。特别地，在催化反应器壁附近的高几何表面积，可分别地增加短距离内传递出去或进入反应器的放热反应的可用热量以及吸热反应的吸收热量。
现有技术
众所周知，由金属薄板组成的工程填料，可以以这样的方式构建，其包括催化作用中，可能在随机堆积床中的薄壁，从而也包括增大的几何表面积，该几何表面积上的压降，可与随机堆积床所达到的压降相当，或比它更低。此外，工程填料也可以安排在反应器壁附近，以提供所需的高传热系数。
美国专利4882130、4719090和4340501有多种不同的填料设计，以在所需低压降的情况下，一致地改善反应器整个容积内的几何表面积和热传递，同时，也使反应器壁附近的优良热传递及几何表面积不存在差异。
专利号为4985230的美国专利公开了一种工程填料，该工程填料适合用于环面，或者适合用在可组成数个通道的两个壁面之间，该数个通道可分别使液体流向第一壁面及第二壁面，以引导流体经过反应器。这种填料在合适的低压降时，在反应器壁附近提供了理想的热传递和几何表面积，但其存在制作困难的缺点。
公开号为US2004/0013580的美国专利申请，是关于一种过滤器，该过滤器用于除去柴油机排出尾气中的煤烟粒。其公开的结构设计，用于促使流体流过邻近的滤板，该结构设计不适合于引起流体撞击壁面以及流体从壁面偏斜转向回来，从而提供理想的热传递。
PCT申请PCT/US2005/42425公开了一种非环形反应器，该非环形反应器包括位于反应器轴附近的核心结构以及位于该核心部与反应器壁之间的外壳结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于反应器的规整填料，在没有大大增加压降的情况下，该规整填料增加了反应器，尤其是在反应器壁附近，的几何表面积和/或传热系数，所述反应器，例如像固定床多相催化反应器。
本发明进一步的目的在于提供一种用于热交换器的规整填料，在没有大大增加压降的情况下，该规整填料增加该热交换器的传热系数。
通过以下的详细描述，将更清楚地看到本发明所能达到的前述目的以及其它的目的。
本发明的规整填料通过切断薄板并将薄板折叠成一结构，该结构包括相互间隔的多个柱，每个柱内包括与反应器轴成相反倾斜方向的叶片，以使得流体交替地撞击所述反应器壁面及从所述反应器壁面返回。通过基本直的分隔壁，将所述多个柱彼此分隔。从同一薄板上折叠的多个所述叶片，通过折叠于该同一薄板的翼手，沿着其侧面连接于分隔壁上。优选地，所述薄板为金属箔，优选地，所述结构通过连续冲裁折边模做成。
本发明的规整填料可以设置于圆柱形反应器管或外壳的内径附近、在环形反应器的环面上、或者位于另一种反应器的两壁之间，比如板式热交换器的两平壁之间。在所有的情况中，本发明所述规整填料都会使流体撞击反应器壁，从而增加通过该壁的热传递。
附图说明
图1A为本发明规整填料的横截面图。
图1B为本发明规整填料，在反应器纵向方向上的径向横截面图(相当于图1A中的AA横截面)，其显示了向心叶片。
图1C为本发明规整填料，在反应器纵向方向上的径向横截面图(相当于图1A中的BB横截面)，其显示了向心叶片。
图2为本发明规整填料中的薄板的平面图。
图3为组成本发明规整填料的薄板的详细视图。
图4为本发明规整填料的立体图。
具体实施方式
本发明的规整填料，被用于反应器，所述反应器具有入口，出口以及至少一壁面，所述规整填料包括：
(a)薄板，将所述薄板来回折叠，以形成一排第一柱和第二柱，所述第一柱与第二柱交替分隔排列，第一柱与第二柱之间通过分隔壁隔开；
(b)第一方向叶片及第二方向叶片，所述第一方向叶片及第二方向叶片分别设于所述第一柱及第二柱中，使得至少部分所述第一叶片与反应器壁呈一斜角倾斜，至少部分所述第二叶片与反应器壁呈一与前述斜角相反的斜角倾斜；
(c)翼手，所述翼手将至少部分第一叶片及第二叶片，沿着该至少部分所述第一叶片与第二叶片的至少一侧，连接到分隔壁上；以及
(d)若干空隙，所述空隙位于所述分隔壁与所述反应器壁之间，并从所述入口延伸至所述出口。
优选地，本发明规整填料由单一薄板构成，所述薄板可以是金属薄板或箔板。上述(b)中所述的相反的斜角可以具有相同的或不同的角度值。(d)中所述的空隙最好为间断的。
典型地，含有本发明规整填料的反应器，为圆柱形状并具有同圆心的内壁和外壁、以及在所述内壁与所述外壁之间的环面。优选地，本发明规整填料包括一排相互间隔的第一柱及第二柱，所述第一柱内设有第一叶片，所述第二柱内设有第二叶片，所述一排填料设置于所述环面上。也可以优选为，将板片置于所述环面上，以及所述填料优选地包括一排相互间隔的第一柱及第二柱，所述第一柱内设有第一叶片，所述第二柱内设有第二叶片，所述一排填料设置于所述环面上。
如上所述，所述反应器可以为化学反应器，例如催化反应器，或者是热交换器。如果其为催化反应器，优选地，催化剂置于所述薄板至少部分表面上。
附图详细说明
如图1A所示，反应器1具有圆柱形壁2和规整填料3，所述规整填料3在图中用阴影部分表示，置于所述壁1内。所述填料3的外径4相当于所述壁1的内径。所述填料3具有一内径5，且该填料3被分成多个纵柱6(图中用点表示的阴影部分)以及多个纵柱7(用平行线表示的阴影部分)。柱6与柱7彼此交替设置，且通过径向壁8隔开。反应器1，在径向壁8与反应器壁2之间沿着轴向长度方向设有间隔的空隙(图中未示)。流体沿着所述反应器1的长度方向流动时，以离心方向通过所述柱6，以向心方向流过所述柱7。
如图1B所示(为反应器1沿图1A中B-B面的纵向剖视图)，所述柱6从所述外径4向所述内径5延伸，所述柱6以所述反应器的壁2的外径4为边界。所述柱6上沿轴向长度方向具有叶片9。叶片9之间形成通道10，当流体从所述反应器1的顶部流向底部时，该通道10将流体导向离心方向。
如图1C所示(为反应器1沿图1A中A-A面的纵向剖视图)，所述柱7从所述外径4向所述内径5延伸，所述柱7以所述反应器的壁2的外径4为边界。所述柱7上沿轴向长度方向具有叶片11。叶片11之间形成通道12，当流体从所述反应器1的顶部流向底部时，该通道12将流体导向向心方向。
如图2所示，薄板20用于构成本发明所述的规整填料，所述规整填料是通过切断及弯折板条21及板条22形成的，所述板条21由形成向心叶片的重复形状30组成，所述板条22由形成离心叶片的重复形状40组成。薄板20包括有韧性的刚性材料，优选为金属箔。
如图3所示，为图2中所述板条21的形状30及板条22的形状40的详细示图。所述形状30在所述薄板20上形成叶片，且其两侧翼手将所述叶片连接于所述薄板上。图中实线表示所述薄板切断部，点线表示所述薄板呈大约90度弯折，虚线表示呈大约180度弯折。
薄板20沿着线31，32和33切断，水平线33与水平线32相对应，所述水平线32也是相邻形状(图中未示)的水平线，该相邻形状与形状30相似并位于其下方(图中所示)。所述薄板沿线34往远离读者方向弯折大约90度，并沿线35朝读者方向弯折大约180度。如此形成的叶片9组成了以线32，33和34为边界的基本平面。所述叶片9沿着其两侧，通过所述翼手37，连接于所述薄板的其他部位。翼手37以线31，34和35为边界。对于环形或圆形填料，优选地，叶片9顶部较宽，而不是底部宽，如图中所示。所述叶片9是组成向心通道的叶片，使流体从所述反应器1的顶部流向底部。对于两面平的、相互平行的壁面之间的填料，优选地，所述叶片9的顶部与底部宽度一致。
薄板20沿着线41，42和43切断，水平线43与水平线42相对应，所述水平线42也是相邻形状(图中未示)的水平线，该相邻形状与形状40相似并位于其下方(图中所示)。所述薄板20沿线44朝读者方向弯折大约90度，并沿线45往远离读者方向弯折大约180度。如此形成的叶片11组成了以线42，43和44为边界的基本平面。所述叶片11沿着其两侧，通过所述翼手47，连接于所述薄板的其他部位。翼手47以线41，44和45为边界。对于环形或圆形填料，优选地，叶片11顶部较窄，而不是底部窄，如图中所示。所述叶片11是组成离心通道的叶片，使流体从所述反应器1的顶部流向底部。对于两面平的、相互平行的板之间的填料，优选地，所述叶片11的顶部与底部宽度一致。
如图2和图3所示，可以看出，所述板条21的底部形状30只有部分位于所述薄板20的底边23上方。所述板条21的底部形状30的切断边31和32可能会导致这底部形状空白或者没有填料。同样地，可以看出，所述板条22的顶部形状40只有部分位于所述薄板20的上边24的下方。所述顶部形状40相应地被所述上边24截断。
如上所述形成的所述薄板，切成侧面长度并弯曲成圆环状或环状或其他形状，插入邻近的一个或两个反应器壁。环的末端可以通过焊接、胶粘或相扣方式连接。
如图4所示，图4为本发明用于圆柱形或环形反应器的规整填料的剖视图。图4的所有编号与前面描述的图对应，相同的部位具有相同的编号。
在图4中，并未示出所述反应器壁。所述填料相隔的分隔壁8分别用不同的阴影表示以区分两者。需要注意的是，所述叶片和翼手在图中没有用阴影表示。填料3到达外径所在位置4及内径所在位置5。离心叶片9通过翼手37连接于所述分隔壁，该离心叶片9充当了所述填料的离心柱。向心叶片11通过翼手37连接于所述分隔壁，该向心叶片11充当了所述填料的向心柱。所述离心柱与所述向心柱围绕外壳相互间隔排列，并沿着所述反应器1的整个长度延伸，优选地，其从所述反应器入口延伸到所述反应器出口。
在另一实施例中，本发明的多个规整填料连续地设置于热源与散热器之间的单一反应器中。例如，两个或两个以上所述规整填料单元可以同心并彼此相邻地设置在一环形或圆形反应器中。两个或两个以上所述规整填料单元可以彼此相邻且平行地设置在两板式反应器壁之间，或两个不同几何形状的反应器壁之间。
以上各实施例仅是对本发明的说明。但是，必须明白，本领域技术人员知道的、或者是本发明揭露的其他手段，而其又未脱离本发明的精神或本发明的权利范围的，均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种反应器的规整填料，所述反应器包括入口，出口以及至少一壁面，所述规整填料包括：
a)薄板，将所述薄板来回折叠，以形成一排第一柱和第二柱，所述第一柱与第二柱交替分隔排列，第一柱与第二柱之间通过分隔壁隔开；
b)第一方向叶片及第二方向叶片，所述第一方向叶片及第二方向叶片分别设于所述第一柱及第二柱中，使得至少部分所述第一叶片与反应器壁呈一斜角倾斜，至少部分所述第二叶片与反应器壁呈一与前述斜角相反的斜角倾斜；
c)翼手，所述翼手将至少部分第一叶片及第二叶片，沿着该至少部分所述第一叶片与第二叶片的至少一侧，连接到分隔壁上；以及
d)若干空隙，所述空隙位于所述分隔壁与所述反应器壁之间，并从所述入口延伸至所述出口。
2.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：所述填料由单一薄板构成。
3.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：所述薄板包括金属薄板或箔板。
4.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：所述相反的斜角具有相同的角度值。
5.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：所述相反的斜角具有不同的角度值。
6.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：所述空隙是间断的。
7.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：所述反应器为圆柱形，且包括同圆心的内壁与外壁，以及位于该内壁和外壁之间的环面。
8.根据权利要求7所述的规整填料，其特征在于：所述填料包括一排相互间隔的第一柱及第二柱，所述第一柱内设有第一叶片，所述第二柱内设有第二叶片，所述一排填料设置于所述环面上。
9.根据权利要求7所述的规整填料，其特征在于：一板片被置于所述环面上，以及所述填料包括一排相互间隔的第一柱及第二柱，所述第一柱内设有第一叶片，所述第二柱内设有第二叶片，所述一排填料设置于所述环面上。
10.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：催化剂置于所述薄板的至少一部分上。
11.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：所述反应器包括催化反应器。
12.根据权利要求1所述的规整填料，其特征在于：所述反应器包括热交换器。
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