CN104324671A - 一种模块化设计的固定床反应装置及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化设计的固定床反应装置，包括上端盖模块、下端盖模块和若干个相互拼接的反应段模块；所述反应段模块包括主体模块、温度调节模块、填料支撑模块和密封紧固模块；所述主体模块筒体的上下端面均设有定位槽；所述密封紧固模块包括用于密封相邻两个主体模块的密封装置和用于连接相邻两个主体模块的紧固装置；所述温度调节模块是盘绕在主体模块壁上的输送管、输送带或加热带，相邻两个温度调节模块通过接头连通；所述填料支承模块设置在主体模块内，用于承载固体催化剂、填料或反应物。本发明对固定床反应装置进行模块化设计，对模块细节，尤其是填料支承模块进行了细化设计，提高了其可调节性和普遍适用性，将固定床反应器推向标准化设备体系范畴。本发明还公开了模块化设计的固定床反应装置的组装方法。

Description

一种模块化设计的固定床反应装置及其组装方法

技术领域

本发明涉及一种固定床反应器，尤其是涉及一种模块化设计的固定床反应装置。本发明还涉及该固定床反应装置的组装方法。 

背景技术

固定床反应装置，又称填充床反应器，装填有固体催化剂或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。固体物通常呈颗粒状，粒径2～15mm左右,堆积成一定高度(或厚度)的床层。床层静止不动，流体通过床层进行反应。固定床反应器主要用于实现气固相催化反应，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、烃类蒸汽转化炉等。用于气固相或液固相非催化反应时，床层则填装固体反应物。生化过程也常用到固定床反应器，如应用于厌氧消化过程的填料床反应器，就属于此类。 

现阶段应用的固定床反应器，反应段一般为一体式结构，设备加工完成后即定型，应用范围受到极大限制，如生产工艺或产能发生变化，则原设备需进行较大规模整改、甚至废弃和另行加工，造成巨大的资源浪费和投资大幅上涨，且无法形成标准化设备。 

对于用作气液相反应的固定床反应器，填料支承装置应结构合理，有利于气液两相的均匀分布，阻力小，便于拆装；而且填料支撑装置应具有大于填料层空隙率的开孔率，以防止在此处首先发生液泛。目前常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等，但其开孔均为位于平面(斜面)或圆柱侧面的圆孔或长方孔，平面和斜面上布孔(如栅板型和驼峰型)容易被填料或物料堵塞，从而减小有效开孔面积，影响气、液相的均匀分布，且易导致液泛；而在圆柱侧面布孔(如孔管型)的方式，由于圆柱凸起较高，容易形成圆柱底端集液且不利于气液两相的均匀分布。同时，在长期操作中，积碳、污垢、物料碎屑等会使催化剂/反应物孔口堵塞，影响反应器使用寿命。填料支承装置的开孔率、孔径以及孔的布局三者之间相互制约，而且目前填料支承装置为一次加工成型，缺乏变通，如果工艺、填料或其它因素发生变更，一般只能选择重新加工，不利于节约成本和设备标准化的形成，对固定床反应器的应用形成了较大的阻碍。 

中国专利CN202909702U中公开了一种组合式多段固定床反应器，但其只是将固定床反应器进行单纯的分段，没有提出整套的模块化设计方案和组装方法，更没有提出重要功能部件如填料支承装置模块化配置的问题，故对于固定床反应器的标准化推广并无实质作用。中 国专利CN203061163U中公开了一种变均化空间高度多段绝热固定床反应器，但其只是强调床层间距的固定规律变化，并无提及模块化设计和组装的问题。 

为此，通过模块化设计，将固定床反应装置的各必要组成部分形成不同规格的标准化模块，根据应用条件选用相应模块进行组装，从而形成适用于各类工艺和条件的固定床反应装置，对固定床反应器的标准化和规范化推广应用具有十分重要的意义。 

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种模块化设计的固定床反应装置，以克服现有技术的不足，特别是针对目前固定床反应器作为非标设备，在应用过程中，无法灵活适应工艺、产能或其它因素的变化，从而导致的由于设备大改甚至重做而出现的重新设计、投资增加、生产延误、效益降低等一系列与现代化产业格调不符的现象发生。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

一种模块化设计的固定床反应装置，包括上端盖模块、下端盖模块和若干个相互拼接的反应段模块，反应段模块主要包括主体模块、温度调节模块、填料支撑模块、密封紧固模块。 

主体模块筒体的上下端面均设有定位槽，一般由圆型筒体加工而成，圆型筒体的高径比(指高度与内径的比值)优选在0.2:1-5:1之间； 

密封紧固模块主要包括用于密封相邻两个主体模块的密封装置和用于连接相邻两个主体模块的紧固装置。密封装置优选是高分子材料密封圈，紧固装置可选用法兰、抱箍或卡扣等。拼接相邻的主体模块时，将密封装置放置在主体模块的定位槽内，再利用紧固装置对相邻的两个主体模块进行紧固，进而挤压放置在两主体模块之间的密封装置，形成密封连接。 

温度调节模块可以是盘绕在主体模块壁上的输送管、输送带或加热带。通过往输送管、输送带内通入液体、气体或给加热带通电，起到调节固定床反应器内部温度的作用。每个温度调节模块均设有上端接口和下端接口，相邻两温度调节模块的上端接口和下端接口通过接头依次连通。根据所选用的温度调节模块，接头可以是管接头或带接头，可以是活动式接头或固定式接头。 

填料支承模块设在主体模块内，主要用于承载固体催化剂、填料或反应物。填料支承模块主要包括支承板、定位销、穹型孔塞和安装在主体模块内壁的方向与圆型筒体中轴一致的导轨。 

根据实际生产需求，导轨上可沿纵向设置1-10个定位孔；定位销安装在定位孔内，与定位孔相配合；支承板形状与主体模块的筒体相配合，一般呈圆形；支承板上可以设有多个通孔，通孔直径优选为支承板直径的5‰-10％的范围内。实际操作时，根据所需的填料层高的 参数，通过将定位销插入已安装在主体模块内的导轨的定位孔内，再将支承板沿导轨放入主体模块的圆型筒体内，直至支承板触及定位销，从而完成导轨与支承板的安装。 

穹型孔塞呈穹形，优选由高分子材料注射成型。穹型孔塞安装在支承板的通孔内，穹型孔塞上可以布置多个用于物质交流的物质交流孔。物质交流孔可以是圆孔或长孔，物质交流孔的布置优选为围绕穹型孔塞的纵向中轴均布，通过利用穹型孔塞表面的弧度布置圆孔或多条长孔。 

穹型孔塞下端还可设置弹性卡扣。弹性卡扣围绕穹型孔塞的纵向中轴均布。组装穹型孔塞时，将其插入支承板的通孔内，由弹性卡扣固定。穹型孔塞可根据常见生产工艺所需的规格进行批量生产，形成标准化配件。同时，穹型孔塞的应用，能有效增加支承板开孔率，并避免了在支承板本身加工过多或过大的孔，从而能够在降低支承板厚度的同时提高其整体刚度。 

穹型孔塞的设计主要是为了促进实现固定床反应装置的标准化，便于实现装置的快速设计、选择匹配的零部件和完成组装。把孔塞设计成穹型，再在上面布置物质交流孔，能够最大程度地避免积碳、污垢、物料碎屑等的堵塞。 

根据具体应用要求，固定床反应装置还可以在主体模块中安设分布器、探测器等其他内部模块。 

为了使本发明的固定床反应装置实现快速组装，根据实际工艺要求灵活调整结构，本发明还提供了模块化设计的固定床反应装置的组装方法，其组装方法如下： 

A.根据生产工艺要求选取适用的穹型孔塞，将穹型孔塞插入分布在支承板上的通孔内，穹型孔塞通过弹性卡扣固定在支承板的通孔内； 

B.将定位销插入已安装在主体模块内的导轨的定位孔内，再将已插入穹型孔塞的支承板沿导轨放入主体模块的圆型筒体内，直至支承板触及定位销； 

C.将温度调节模块安装套合在对应的主体模块上； 

D.将组装好填料支承模块和温度调节模块的主体模块按照预先设定好的上下顺序进行配合组装，将密封紧固模块中的密封装置安装在两相邻主体模块端面之间，通过定位槽进行定位；利用与温度调节模块连通的上端接口和下端接口将相邻两部分的温度调节模块进行连通，再利用紧固装置对两相邻主体模块进行紧固，组装后各支承板之间的距离大于或等于工艺设定的催化物、反应物或填料层高度； 

E.利用密封紧固模块将上端盖模块和下端盖模块与反应段模块进行密封和紧固组装，完成整套固定床反应装置的组装。 

通过在一个或多个主体模块中放置一个或多个填料支承模块，本固定床反应装置可灵活 调节筒体内腔的高径比，从而适用于各种不同的应用领域。 

根据具体应用要求，固定床反应装置还可以在主体模块中安设分布器、探测器等其他内部模块。 

本发明的创新之处在于，将固定床反应装置进行模块化设计，主要分解成上端盖模块、反应段模块和下端盖模块三大部分，并将反应段模块细分为主体模块、温度调节模块、填料支承模块、密封紧固模块四部分，并对模块细节和组装连接方法，尤其在填料支承模块及其多重组装方式方面进行了细化设计，提高了其可调节性和普遍适用性，通过模块化设计和针对性组装，将固定床反应器推向标准化设备体系范畴，大幅降低固定床反应器的设计、生产和使用成本。 

附图说明

图1是本发明模块化设计方法的示意图； 

图2是本发明实施例中固定床反应装置的分解剖视图； 

图3是本发明实施例中填料支承模块的示意图； 

图4是本发明实施例中主体模块、温度调节模块和填料支承模块的示意图； 

图5是本发明实施例中主体模块的剖视图； 

图6是本发明实施例中穹型孔塞的示意图； 

图7是本发明实施例中穹型孔塞的仰视图； 

图8是图7的A-A剖视图； 

图9是本发明实施例中固定床反应装置组装完成后的整体示意图。 

附图标记说明：1-上端盖模块；2-反应段模块；3-下端盖模块；4-主体模块；5-温度调节模块；6-填料支承模块；7-密封紧固模块；8-上端盖；9-反应段主体；10-支承板；11-下端盖；12-紧固装置；13-密封装置；14-密封定位槽；15-温度调节装置上端接口；16-温度调节装置下端接口；17-温度调节管道；18-导轨；19-定位孔；20-穹型孔塞；21-孔隙；22-弹性卡扣；23-加强筋；24-定位销。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。 

实施例1： 

本实施例1以生化领域的厌氧水解固定床(填充渗滤床)反应器为例。 

如图1所示，本实施例中固定床反应器包括上端盖模块1、下端盖模块3和若干个反应 段模块2。反应段模块2包括主体模块4、温度调节模块5、填料支承模块6、密封紧固模块7。 

本实施例1中，所述主体模块由圆型筒体加工而成，所述圆型筒体高度为1m，内径为0.4m。本实施例的反应段模块2总高3m，共分3段组装而成，每段包括一个主体模块。反应器填料选择陶瓷粒及竹木块，由下至上分别为粒径5mm的陶粒层，层高0.3m；粒径5mm及10mm的混合层瓷粒，层高0.4m；粒径10mm的瓷粒层，层高0.5m；20mm×10mm×5mm的竹木块层，层高0.6m；反应物为粒径3～10mm的果蔬废弃物碎块，层高0.6m。反应器内部除了填充了物件的反应有效空间，还需要在顶部有留出一定的空间，用于放置一些诸如喷淋器、布料器或其他设备等，或留空便于实现排气、进料等功能。上述主体模块圆型筒体的数值可以根据需要调节，只要高径比在0.2:1-5:1之间即可。反应段模块包括的主体模块数量按照需要调整。 

如图2-5所示，本实施例装置包括上端盖模块1、反应段模块2和下端盖模块3，反应段模块2包括主体模块4，温度调节模块5，填料支承模块6，密封紧固模块7。 

主体模块4主要包括反应段主体9。反应段主体9是圆柱形的筒体，筒体的上下端面均铣有密封定位槽14。筒体内壁安装有导轨18，所述导轨18沿纵向设有若干个定位孔19；所述定位销24安装在所述定位孔19内，形成支承板定位结构。 

温度调节模块5主要包括温度调节装置上端接口15，温度调节装置下端接口16，温度调节管道17，温度调节管道17围绕在反应段主体9上，可以为内壁或外壁。 

填料支承模块6主要包括支承板10和穹型孔塞20。如图6、7、8所示，选用的穹型孔塞20呈半球型，穹型孔塞20上加工有孔隙21，孔隙21为宽度＜3mm的长孔，孔隙21、弹性卡扣22和加强筋23围绕穹型孔塞20中轴均布。将穹型孔塞20插入分布在支承板10的通孔内，由弹性卡扣22固定。弹性卡扣的数量可设置2-8个，优选为3个。本实施例1中，支承板10的通孔直径为20mm。 

密封紧固模块7主要包括紧固装置12和密封装置13。密封装置13选用纵切面为圆形的高分子材料密封圈；由于本实施例在非高压状态下工作，故紧固装置12选用易于拆装的抱箍结构。若固定床反应器在高压状态下工作，反应器则应选用法兰螺栓紧固连接。 

根据本实施例1的参数，选用3个内径0.4m，高1m的反应段模块2进行组装。 

如图5所示，将定位销24按照本实施例填料层高的参数，插入围绕反应段主体9内壁均布的导轨18的定位孔19内，再将插入穹型孔塞20的支承板10沿导轨18放入反应段主体9的圆筒腔内，至定位销24处为止。按照上述步骤在各个反应段主体9中确定支承板10的位 置，保证反应段主体9按预先确定的上下顺序组合后，各支承板10之间的距离大于等于本实施例确定的填料层高度。至此填料支承模块6组装完毕。 

将温度调节管道17安装贴合在主体模块4中各反应段主体9上，利用与温度调节管道17连通的温度调节装置上端接口15和温度调节装置下端接口16将相邻两部分的温度调节模块5进行连通。至此温度调节模块5组装完毕。本实施例1将工作在35℃的温度条件下，因此本实施例1将利用循环温水保证反应的温度参数。 

将组装好填料支承模块6和温度调节模块5的主体模块4按照预先设定好的上下顺序进行组装，将密封装置13安装在两相邻主体模块4端面之间，由密封定位槽14进行定位；利用紧固装置12对两相邻主体模块4进行紧固，上下两相邻支承板10间距大于等于本实施例1中预先设定的相应的填料层的高度。 

本实施例1中的固定床还可以安装液体喷头、pH探头和温度探头等其他内部模块，这些模块可根据实际应用情况具体设置。 

至此，反应段模块2组装完毕。 

如图9所示，利用密封紧固模块7，将上端盖模块1和下端盖模块3与反应段模块2进行密封和紧固组装。 

至此，完成整套固定床反应装置的组装。 

经测试显示，本实施例1中模块化设计的固定床反应器的组装方法，操作简单，灵活性高，适应性强；组装完成的固定床反应装置运行效果理想，对固定床反应器的规范化和标准化推广应用起到积极的作用。 

实施例2： 

本实施例2公开的是模块化设计的固定床反应装置的组装方法，其组装方法如下： 

A.根据生产工艺要求选取适用的穹型孔塞，并将穹型孔塞插入分布在支承板上的通孔内，穹型孔塞通过弹性卡扣固定在支承板的通孔内； 

B.将导轨沿与主体模块的圆型筒体中轴平行的方向安装在圆型筒体的内壁上，导轨的数量为3-6条，沿圆型筒体的中轴均布在圆型筒体的内壁上； 

C.将定位销插入已安装在主体模块内的导轨的定位孔内，再将已插入穹型孔塞的支承板沿导轨放入主体模块的圆型筒体内，直至支承板触及定位销，完成填料支承模块的组装； 

D.将温度调节模块安装套合在对应的主体模块上； 

E.将密封紧固模块中的密封装置安装在主体模块上下端面的定位槽内，密封装置通过定位槽进行定位； 

F.将组装好填料支承模块和温度调节模块的主体模块按照预先设定好的上下顺序进行配合组装；利用活性接头将相邻两个温度调节模块的上端接口和下端接口连通，完成温度调节模块的一体化组装，再利用紧固装置对两相邻主体模块进行紧固，并确认组装后各支承板之间的距离大于或等于工艺设定的催化物、反应物或填料层高度； 

G.将密封紧固模块中的密封装置安装在反应端模块首尾两端面的定位槽内，利用紧固模块将上端盖模块和下端盖模块与反应段模块进紧固组装，完成整套固定床反应装置的组装。 

本发明的应用范围，不受本说明书描述的限制。本领域的技术人员由本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。 

Claims (8)

1.一种模块化设计的固定床反应装置，其特征是：包括上端盖模块、下端盖模块和若干个相互拼接的反应段模块；所述反应段模块包括主体模块、温度调节模块、填料支撑模块和密封紧固模块；所述主体模块筒体的上下端面均设有定位槽；所述密封紧固模块包括用于密封相邻两个主体模块的密封装置和用于连接相邻两个主体模块的紧固装置；所述温度调节模块是盘绕在主体模块壁上的输送管、输送带或加热带，相邻两个温度调节模块通过接头连通；所述填料支承模块设置在主体模块内，用于承载固体催化剂、填料或反应物。

2.根据权利要求1所述的模块化设计的固定床反应装置，其特征是：所述主体模块由圆型筒体加工而成，所述圆型筒体的高径比在0.2:1-5:1之间。

3.根据权利要求1所述的模块化设计的固定床反应装置，其特征是：所述密封装置是高分子材料密封圈。

4.根据权利要求1所述的模块化设计的固定床反应装置，其特征是：所述填料支承模块包括支承板、定位销、穹型孔塞以及安装在主体模块内壁的方向与圆型筒体中轴一致的导轨；所述支承板呈圆形，支承板上设有多个通孔，所述通孔的直径在支承板直径的5‰-10％的范围内；所述穹型孔塞呈穹形，由高分子材料注射成型；所述穹型孔塞上布置有多个物质交流孔。

5.根据权利要求4所述的模块化设计的固定床反应装置，其特征是：所述物质交流孔是圆孔或长孔；所述物质交流孔围绕所述穹型孔塞的纵向中轴均布。

6.根据权利要求4所述的模块化设计的固定床反应装置，其特征是：所述穹型孔塞的下端还设有弹性卡扣；所述弹性卡扣围绕穹型孔塞的纵向中轴均布。

7.根据权利要求6所述的模块化设计的固定床反应装置，其特征是：所述弹性卡扣的数量为2～8个。

8.一种组装权利要求1所述的模块化设计的固定床反应装置的方法，其特征是包括以下步骤：

A.根据生产工艺要求选取适用的穹型孔塞，将穹型孔塞插入分布在支承板上的通孔内，穹型孔塞通过弹性卡扣固定在支承板的通孔内；

B.将定位销插入已安装在主体模块内的导轨的定位孔内，再将已插入穹型孔塞的支承板沿导轨放入主体模块的圆型筒体内，直至支承板触及定位销；

C.将温度调节模块安装套合在对应的主体模块上；

D.将已组装填料支承模块和温度调节模块的主体模块按照预先设定好的上下顺序进行配合组装，将密封紧固模块中的密封装置安装在两相邻主体模块端面之间，通过定位槽进行定位；利用与温度调节模块连通的上端接口和下端接口将相邻两部分的温度调节模块进行连通，再利用紧固装置对两相邻主体模块进行紧固，组装后各支承板之间的距离大于或等于工艺设定的催化物、反应物或填料层高度；

E.利用密封紧固模块将上端盖模块和下端盖模块与反应段模块进行密封和紧固组装，完成整套固定床反应装置的组装。