CN103801249A - 列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器，该反应器通过催化剂管（3）套装在列管（2）内，中套管（4）又套装在催化剂管（3）内，催化剂管（3）分别与列管（2）和中套管（4）之间形成双环形间隙微通道，环形间隙间距为0.05～5mm，以0.2～2mm为优。本发明的反应器具备了微反应器及填充床反应器的所有优点，并解决了填充床流体流过床层时产生压力降而破坏正常的操作缺点以及微反应器普遍存在的通量小的难题，用该反应器取代加氢反应釜可以节约98％以上的催化剂，反应器床层温度均匀，克服固定床反应器易飞温的缺点。

Description

列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器

技术领域

本发明涉及微反应器，具体涉及一种列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器。

背景技术

化工生产中，传统的固定床反应器又称填充床反应器，装填有固体催化剂（颗粒状、网状、蜂窝状、纤维状等）或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。床层静止不动，流体通过床层进行反应。固定床反应器与其它传统反应器相比，存在着自己的优缺点，优点是：（1）返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性；（2）催化剂机械损耗小，使用时间长；（3）结构简单；（4）适用于高温高压条件操作。缺点是：（1）传热差，反应放热量很大时，即使是列管式反应器也可能出现飞温（反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围）；（2）催化剂的再生和更换不方便；（3）催化剂的颗粒不能过细，否则流体阻力大，破坏正常操作，因此催化剂的活性内表面不能得到充分利用。

微反应器是一类新型的反应设备，起源于上世纪90年代，具体来说，微反应器一般是指利用微加工技术和精密加工技术制造的带有微结构的反应设备，其特征是反应器内流体通道或者分散尺度在微米量级，其间流体流动的雷诺准数通常在几十到几百之间，黏滞力比惯性力大，流体为层流流动，因而流体热传导和扩散传质阻力大大减小，传热传质的速率大大增加。据报道，微通道反应器的传热系数高达35000W/(m²·K)，而常规反应器的仅有 100W/(m² ·K)～700W/(m²·K)，其高的传质、传热系数决定了微通道反应器具有温度易于控制、反应器体积小、转化率和收率高及安全性能好等一系列超越传统反应器的独特的优越性，因而在化学合成、化学动力学研究和工艺开发等领域具有广阔的应用前景。

从化学反应工程的角度看，微反应器的类型与反应过程密不可分，不同相态的反应过程对微反应器结构的要求不同，因此对应于不同相态的反应过程，微反应器可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。

气固相催化反应和气液固三相催化反应在化学反应中非常普遍，种类较多。目前，对于该类型的反应，最简单的微反应器就是先做好微通道，然后利用浸渍烧结等各种方法将催化剂固定在微通道的壁面上，制作工艺繁琐而复杂，催化剂更换、再生困难；美国麻省理工学院开发了一种微填充床反应器，在微通道中填充了催化剂固体颗粒，其结构类似于固定床反应器，这种反应器解决了传统反应器的传热、传质问题，也具备了固定床反应器选择性高、催化剂损耗小的优点，但催化剂的更换、再生以及流体压力降的问题仍然存在。另外和其它类型的微反应器一样还存在一个致命的缺点，就是无法实现大通量。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器，将作为催化剂的物质经压制或烧结成管状，或将催化剂浸泡涂抹在具有微孔结构的管体壁上再进行固化处理，活化处理使其具有催化活性，该催化剂管放置于两层套管之间，通过控制间隙形成所需微通道，催化剂制作工艺简单，解决填充床流体流过床层时产生压力降而破坏正常的操作缺点。

本发明的技术解决方案是：该列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器包括筒体、列管、催化剂管、中套管、内套管、一号法兰、三号法兰管板、三号法兰、一号封头、二号管箱、二号法兰、二号法兰管板、一号管箱、一号法兰管板、折流板、定距圆钢、二号封头、支撑花板、四号法兰和四号法兰管板，筒体的一端焊接在一号法兰管板上，筒体的另一端焊接在四号法兰管板上，筒体内带有折流板，筒体上设有换热介质进口和换热介质出口，列管套装在筒体内，列管的一端焊接在一号法兰管板上，列管的另一端焊接在四号法兰管板上，列管两端的内壁上焊接定距圆钢，催化剂管套装在列管内，催化剂管一端支撑在支撑花板上，催化剂管另一端与一号法兰管板平齐，中套管的一端焊接在二号法兰管板上，中套管的另一端盲死并套装在催化剂管内，中套管盲端悬空且与四号法兰管板平齐，内套管套装在中套管内，内套管的一端焊接在三号法兰管板上，内套管的另一端悬空且与中套管盲端保留一定的间隙， 一号管箱的一端通过一号法兰与一号法兰管板相连接，一号管箱的另一端焊接在二号法兰管板上，一号管箱上设有反应液出口，二号管箱的一端通过二号法兰与二号法兰管板相连接，二号管箱的另一端焊接在三号法兰管板上，二号管箱上设有换热介质出口，一号封头通过三号法兰与三号法兰管板相连接，一号封头上设有换热介质进口，支撑花板焊接在二号封头内，二号封头通过四号法兰与四号法兰管板相连接，二号封头上设有物料进口，整体构成了列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器。

本发明所用的催化剂管是由作催化剂用的物质经压制烧结固态成形的带有微孔的管体，或将催化剂浸泡涂抹在具有微孔结构的管体壁上再进行固化处理，其管壁厚b为0.5～10mm，以2～3mm为优选，每根催化剂管长度为20～6000mm，以500～1500mm为优选，催化剂物质为：铝镍合金，贵金属钯、铂、铑、钌及其化合物，有色金属、铁、铜、钼、锌及其化合物。

本发明的催化剂管套装在列管内，中套管又套装在催化剂管内，催化剂管分别与列管和中套管之间形成两个环形间隙微通道，环形间隙间距为0.05～5mm，以0.2～2mm为优选。

本发明的列管的数量为2～10000根，以20～1000根为优选，列管的直径d1为5～125mm，以25～65mm为优，列管的长度L为500～12000mm，以2000～6000mm为优。

本发明的支撑花板的孔径d₃小于催化剂管的直径d₂，支撑花板支撑催化剂管，还包括其他任何方式的固定和支撑。

本发明在列管两端的内壁上焊接定距圆钢来固定环隙大小并保持环形微通道的畅通。

本发明的内套管套装在中套管内，中套管的一端封闭为盲端，内套管悬空的一端与中套管盲端之间保留一定的间隙，形成一个环形间隙回路，换热介质从一号封头上换热介质进口进入内套管，流经环形间隙回路，与微通道内的反应液进行热交换，最终从二号管箱上换热介质出口流出。

本发明的微通道固定床反应器结构中，催化剂管与中套管之间不留环形间隙，则列管与催化剂管之间形成单环形微通道固定床。

本发明具有以下优点：

（1）催化剂管分别与列管和中套管之间形成双环形微通道，使该反应器具备了微反应器及填充床反应器的所有优点，并解决了填充床流体流过床层时产生压力降而破坏正常的操作缺点；

（2）与现有微通道催化反应器相比，本发明催化剂管制作简单，只需将作催化剂用的物质经压制烧结制作成催化剂管，或将催化剂浸泡涂抹在具有微孔结构的管体壁上再进行固化处理，使用之前对其进行活化处理使其具有活性，放置于列管和套管之间形成微通道，更换和再生方便；

（3）由于列管式双环形通道设计，使得该反应器微通道的截面积非常大，当进料压力为0.3Mpa、微通道环隙间距为1mm时，单管微通道物料的通量可达到9000 m³/年，当压力为0.3Mpa、微通道环隙间距为0.6mm时，单管微通道物料的通量可达到1080 m³/年，物料通量得到了数量级的增加。如果做一台直径为600mm，内置100根列管的反应器，年产能可达到万吨级以上，彻底解决了微通道反应器如何实现大通量这一世界性难题，使得微通道固定床反应器在化学反应中取代目前的釜式催化反应和固定床反应器，并彻底改变目前化学合成高危工艺现状，大大提高其安全性，使得化工生产装置向小型化、集成化、智能化等方向发展；

（4）该反应器比表面积非常大，当列管直径在25～27mm、环隙为0.5～1mm时，比表面积达到2041～4082m²/m³，而当环隙为0.2mm时，其反应器比表面积达到10616m²/m³，如此大的比表面积满足各种强烈吸（放）热反应；

（5）用该反应器替代传统的反应器，从而简化工艺流程，减小了占地面积，减少了用工，节省了投资，降低了运行成本；

（6）经压制烧结成形管状催化剂，具有强度好、寿命长、微孔道结构比表面积大、催化活性高等特点，彻底改变了目前使用固态颗粒状催化剂消耗量大、既浪费资源又污染了环境的缺点，使得各种催化反应真正实现了清洁环保；

（7）由于不用粉沫状催化剂，使得反应物料中不含有催化剂，从而不需要过滤，既简化了后续生产工艺，又节约了能源；

（8）该反应器还特别适用于需要使用昂贵的稀有金属（如钽材、锆材等）制造反应设备和换热器的情况，使用该结构反应器不仅可以满足高压反应，更能有效节约这些昂贵材料；

（9）本发明尤其适用于替代原来使用雷尼镍（铝镍合金粉以及其它粉状催化剂）做釜式催化加氢反应的工艺，既可以节约98％以上催化剂消耗，使得催化剂得以全部可循环利用，消除了废催化剂的危废污染，又节约了大量的铝镍及贵金属资源。

（10）本发明适合各种金属和非金属材料制作，以不锈钢为优，适用于还原类反应、氧化类反应、中和类反应、制造纳米材料等。

附图说明

图1为本发明双环微通道结构主视示意图。

图2为本发明双环微通道的A-A剖视示意图。

图3为本发明双环微通道结构截面示意图。

图4为本发明单环微通道结构主视示意图。

图5为本发明单环微通道的A-A剖视示意图。

图6为本发明单环微通道结构截面示意图。

图中：1筒体，2列管，3催化剂管，4中套管，5内套管，6一号法兰，7三号法兰管板，8三号法兰，9一号封头，10二号管箱，11二号法兰，12二号法兰管板，13 一号管箱，14一号法兰管板，15折流板，16定距圆钢，17二号封头，18支撑花板，19四号法兰，20四号法兰管板。

具体实施方式

如图1-3所示，该列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器包括：筒体1、列管2、催化剂管3、中套管4、内套管5、一号法兰6、三号法兰管板7、三号法兰8、一号封头9、二号管箱10、二号法兰11、二号法兰管板12、一号管箱13、一号法兰管板14、折流板15、定距圆钢16、二号封头17、支撑花板18、四号法兰19和四号法兰管板20，筒体1的一端焊接在一号法兰管板上14上，筒体1的另一端焊接在四号法兰管板20上，筒体1内带有折流板15，筒体1上设有换热介质进口和换热介质出口，列管2套装在筒体1内，列管1的一端焊接在一号法兰管板14上，列管1的另一端焊接在四号法兰管板20上，列管2两端的内壁上焊接定距圆钢16，催化剂管3套装在列管2内，催化剂管3一端支撑在支撑花板18上，催化剂管3另一端与一号法兰管板14平齐，中套管4的一端焊接在二号法兰管板12上，中套管4的另一端盲死并套装在催化剂管3内，中套管4的盲端悬空且与四号法兰管板20平齐，内套管5套装在中套管4内，内套管5的一端焊接在三号法兰管板7上，内套管5的另一端悬空且与中套管4盲端保留一定的间隙，一号管箱13的一端通过一号法兰6与一号法兰管板14相连接，一号管箱13的另一端焊接在二号法兰管板12上，一号管箱13上设有反应液出口，二号管箱10的一端通过二号法兰11与二号法兰管板12相连接，二号管箱10的另一端焊接在三号法兰管板7上，二号管箱10上设有换热介质出口，一号封头9通过三号法兰8与三号法兰管板7相连接，一号封头9上设有换热介质进口，支撑花板18焊接在二号封头17内，二号封头17通过四号法兰19与四号法兰管板20相连接，二号封头17上设有物料进口，整体构成了列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器。

本发明所用的催化剂管3是由作催化剂用的物质经压制烧结固态成形的带有微孔的管体，或将催化剂浸泡涂抹在具有微孔结构的管体壁上再进行固化处理，管体壁厚b为0.5～10mm，以2～3mm为优选，催化剂管长度为20～6000mm，以500～1500mm为优选，催化剂物质为：铝镍合金，贵（稀有）金属钴、钯、铂、铑、钌及其化合物，有色金属、铁、铜、钼、锌及其化合物。

本发明的催化剂管3套装在列管2内，中套管4又套装在催化剂管3内，催化剂管3分别与列管2和中套管4之间形成两个环形间隙微通道，环形间隙间距为0.05～5mm，以0.2～2mm为优选。

本发明的列管2的数量为2～10000根，以20～1000根为优选，列管的直径d₁为5～125mm，以25～65mm为优，列管的长度L为500～12000mm，以2000～6000mm为优。

本发明的支撑花板18的孔径d₃小于催化剂管3的直径d₂，支撑花板18支撑催化剂管3，还包括其他任何方式的固定和支撑。

本发明的内套管5套装在中套管4内，中套管4的一端封闭为盲端，内套管5悬空的一端与中套管4盲端之间保留一定的间隙，形成一个环形间隙回路，换热介质从一号封头9上换热介质进口进入内套管5，流经环形间隙回路，与微通道内的反应液进行热交换，最终从二号管箱10上换热介质出口流出。

如图4-6所示，本发明的微通道固定床反应器结构中，催化剂管3与中套管4之间不留环形间隙，则列管2与催化剂管3之间形成单环形微通道固定床。

安装时，保证列管2、催化剂管3、中套管4和内套管5同心同轴；使用时，先将微通道内的催化剂进行活化处理使其具有催化活性，然后经过过滤和混合后的物料从二号封头17上的物料进口进入反应器，通过支撑花板18进入环形微通道进行反应，反应液从一号管箱13上的反应液出口流出到下道工序；换热介质从筒体1上换热介质进口进入，在筒体1与列管2之间的间隙内流动，与微通道内的反应液进行热交换，最后从筒体1上换热介质出口流出实现外层换热；换热介质从一号封头9上换热介质进口进入内套管5，流经内套管5和中套管4形成的环形间隙回路，与微通道内的反应液进行热交换，最终从二号管箱10上换热介质出口流出实现内层换热。

Claims (10)

1.列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器，其特征是：该微通道固定床反应器包括筒体（1）、列管（2）、催化剂管（3）、中套管（4）、内套管（5）、一号法兰（6）、三号法兰管板（7）、三号法兰（8）、一号封头（9）、二号管箱（10）、二号法兰（11）、二号法兰管板（12）、一号管箱（13）、一号法兰管板（14）、折流板（15）、定距圆钢（16）、二号封头（17）、支撑花板（18）、四号法兰（19）和四号法兰管板（20），筒体（1）的一端焊接在一号法兰管板上（14）上，筒体（1）的另一端焊接在四号法兰管板（20）上，筒体（1）内带有折流板（15），筒体（1）上设有换热介质进口和换热介质出口，列管（2）套装在筒体（1）内，列管（1）的一端焊接在一号法兰管板（14）上，列管（1）的另一端焊接在四号法兰管板（20）上，列管（2）两端的内壁上焊接定距圆钢（16），催化剂管（3）套装在列管（2）内，催化剂管（3）一端放置在支撑花板（18）上，催化剂管（3）另一端与一号法兰管板（14）平齐，中套管（4）的一端焊接在二号法兰管板（12）上，中套管（4）的另一端盲死并套装在催化剂管（3）内，中套管（4）的盲端悬空且与四号法兰管板（20）平齐，内套管（5）套装在中套管（4）内，内套管（5）的一端焊接在三号法兰管板（7）上，内套管（5）的另一端悬空且与中套管（4）盲端保留一定的间隙，一号管箱（13）的一端通过一号法兰（6）与一号法兰管板（14）相连接，一号管箱（13）的另一端焊接在二号法兰管板（12）上，一号管箱（13）上设有反应液出口，二号管箱（10）的一端通过二号法兰（11）与二号法兰管板（12）相连接，二号管箱（10）的另一端焊接在三号法兰管板（7）上，二号管箱（10）上设有换热介质出口，一号封头（9）通过三号法兰（8）与三号法兰管板（7）相连接，一号封头（9）上设有换热介质进口，支撑花板（18）焊接在二号封头（17）内，二号封头（17）通过四号法兰（19）与四号法兰管板（20）相连接，二号封头（17）上设有物料进口，整体构成了列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器。

2.根据权利要求1所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器，其特征是：所述的催化剂管（3）是由作催化剂用的物质经压制烧结固态成形的带有微孔的管体，或将催化剂浸泡涂抹在具有微孔结构的管体壁上再进行固化处理，管体壁厚b为0.5～10mm，催化剂管长度为20～6000mm，催化剂物质为：铝镍合金，贵（稀有）金属钴、钯、铂、铑、钌及其化合物，有色金属铝、镍、铁、铜、钼、锌及其化合物。

3.根据权利要求2所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器，其特征是：所述的催化剂管（3）的管体壁厚b为2～3mm，催化剂管长度为500～1500mm。

4.根据权利要求1所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器，其特征是：催化剂管（3）套装在列管（2）内，中套管（4）又套装在催化剂管（3）内，催化剂管（3）分别与列管（2）和中套管（4）之间形成两个环形间隙微通道，环形间隙间距为0.05～5mm。

5.根据权利要求4所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器，其特征是：催化剂管（3）分别与列管（2）和中套管（4）之间形成两个环形间隙微通道固定床，环形间隙间距为0.2～2mm。

6.根据权利要求1所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器，其特征是：列管（2）的数量为2～10000根，列管的直径d₁为5～125mm，列管的长度L为500～12000mm。

7.根据权利要求6所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器，其特征是：列管（2）的数量为20～1000根，列管的直径d₁为25～65mm，列管的长度L为2000～6000mm。

8.根据权利要求1所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器，其特征是：支撑花板（18）的孔径d₃小于催化剂管（3）的直径d₂，支撑花板（18）支撑催化剂管（3），或以其他任何方式固定和支撑。

9.根据权利要求1所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器，其特征是：内套管（5）套装在中套管（4）内，中套管（4）的一端封闭为盲端，内套管（5）悬空的一端与中套管（4）盲端之间保留一定的间隙，形成一个环形间隙回路，换热介质从一号封头（9）上换热介质进口进入内套管（5），流经环形间隙回路，与微通道内的反应液进行热交换，最终从二号管箱（10）上换热介质出口流出。

10.根据权利要求1所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器，其特征是：催化剂管（3）与中套管（4）之间不留环形间隙，列管（2）与催化剂管（3）之间形成单环形微通道。

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