CN104959084B - 一种浆态床反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型浆态床反应器，该反应器包括反应器壳体、换热组件、气体分布装置和固液分离器，所述的换热组件设置在反应器壳体内，其底部设有气体分布装置，顶部设有固液分离器，所述的换热组件可以由多个换热板对束组合而成，各组换热板对束上下设置。换热板对束由多对换热板对平行排布形成圆柱体状，或按扇形、螺旋形或同心圆形式排布形成圆柱体状；上下相邻换热板对束中的换热板对排布方式和方向根据反应特点进行调整变化。与现有技术相比，本发明具有换热效率高、温度分布均匀、无气体短路、反应选择性高、气液固三相分布均匀和结构紧凑等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三相反应器，尤其是涉及一种浆态床反应器。
背景技术
浆态床反应器广泛用于如煤制油费托合成反应等三相反应过程中，有些反应放热强烈，需要内部取热，另外，浆态床反应器放大过程中，往往会出现温度分布不均匀，导致局部温升过高、催化剂积碳或失活、以及反应选择性下降等不利后果，影响放大效果，因此浆态床反应器结合换热效率高效且均匀的换热元件才能解决上述问题。
目前浆态床反应器中的换热元件形式包括：列管式、套管式、盘管式、蛇形管式、排管式和针型翅片管式等。排管式、绕管式、列管式及套管式换热系数不高，换热强度高时需要换热元件的数量多且占用空间大；同时垂直列管易造成“烟囱”效应，加速流体的轴向流动与循环，使速度梯度和气含率梯度都随列管密度和空塔气速的增加而显著增大，使流体返混加剧并形成气体短路隐患；而针型翅片管虽然增加了横向阻尼作用，削弱“烟囱”效应，但同时增加了流体阻力，且针型翅片管制造工艺复杂。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种换热效率高、温度分布均匀、结构简单的浆态床反应器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种浆态床反应器，包括反应器壳体、换热组件、气体分布装置和固液分离器，所述的换热组件设置在反应器壳体内，其底部设有气体分布装置，顶部设有固液分离器，其特征在于，所述的换热组件由多组换热板对束组合而成。
所述的换热板对束可以设置多组，各组换热板对束上下设置。
所述的换热板对束由多对换热板对平行排布形成圆柱体状，或按扇形、螺旋形或同心圆形式排布形成圆柱体状；上下相邻换热板对束中的换热板对排布方式相同或不同,不同组板对之间夹角变化范围为0～90度。
所述的换热板对由两张板片通过焊接形成一个密闭的腔体，腔体内部设有规则排布的焊接触点，两张板片在焊接触点处接触，使板片形成凹凸不平的表面，对冷却或给热介质产生扰动；各换热板对内为板程，相邻换热板对之间装填催化剂，为壳程；冷却或给热介质走板程，反应物系走壳程。
各换热板对的入口通过对应的分配支管与分配总管连接，各换热板对的出口通过对应的收集支管与收集总管连接，所述的分配总管与冷却或给热介质入口连接，所述的收集总管与冷却或给热介质出口连接。
各组换热板对束的换热板对的间距可根据放热量的变化和换热要求调整，所述的各换热板对之间通过板对定距件定位。该板对定距件可以为设有多个卡口的长条形卡槽，换热板对顶部或底部插入卡口中定位，相邻换热板对之间的距离，可通过调节换热板对插入不同间距的卡口中来调节板对间的间距。
所述的多对换热板对平行排布形成圆柱体状的换热板对束，换热板对宽度按照反应器横截面弦长依次变化。该换热板对束中的多对换热板对高度相当、宽度不同，平行竖直排列，由两侧向中间换热板对的宽度逐渐增加形成截面呈圆形的换热板对束，各换热板对顶部和底部留有至少一个通口，各通口分别通过各自的垂直设置的分配总管或收集总管连接至其上方或下方的分配总管或收集总管，所述的分配总管和收集总管呈圆弧状，设置在圆形换热板对束两端，分别与冷却或给热介质入口和冷却或给热介质出口连接，冷却或给热介质入口和冷却或给热介质出口的上下位置可对换，根据反应需要设置。换热板对束的板对定距件与板对垂直设置，平行排列，长度按照与换热板对束相同的规律变化，截面形成圆面。
所述的多对换热板对还可扇形排布，形成圆柱体状的换热板对束，各换热板对形状相同，沿反应器横截面半径方向均匀排布，换热板对束横截面为放射状，并在换热板对底部设有圆环状支撑件，顶部设有圆环状换热板定距件。各换热板对顶部和底部留有至少一个通口，各通口分别通过各自的垂直设置的分配支管或收集支管连接至其上方或下方的分配总管或收集总管，所述的分配总管和收集总管呈圆弧状，设置在圆形换热板对束两端，分别与冷却或给热介质入口和冷却或给热介质出口连接，冷却或给热介质入口和冷却或给热介质出口的上下位置可对换，根据反应需要设置。所述的换热板对束与搅拌器结合使用，该搅拌器的长柄穿过扇形换热板对束的轴心空隙，搅拌器的叶片位于扇形换热板对束底部，通过搅拌作用，以使催化剂径向上均匀分布，同时有利于大气泡破碎，形成小气泡且小气泡均匀分布。
所述的多对换热板对还可同心圆形式排布，形成圆柱体状的换热板对束，多对换热板对的直径不同，层层包覆。各换热板对顶部和底部留有至少一个通口，各通口分别通过各自的垂直设置的分配支管或收集支管连接至其上方或下方的分配总管或收集总管，所述的分配总管和收集总管上下平行，设置在圆形换热板对束两端截面直径位置，分别与冷却或给热介质入口和冷却或给热介质出口连接，所述的冷却或给热介质入口和冷却或给热介质出口的上下位置可对换，根据反应需要设置。该换热板对束也与搅拌器结合使用，搅拌器的长柄通过同心圆换热板对束的中心空隙，搅拌器的叶片位于同心圆换热板对束底部。
上述反应器中的工作原理如下：
气体通过气体分布装置进入气液固三相反应区，整个换热板对束浸没在气液固三相反应区内，换热板对将整个反应系统空间均匀分隔成若干个通道，由于换热板对起到了有效的导流作用，使得流体均匀分布在整个空间中；此外，反应系统空间的分隔也很大程度减少了液体物料的返混，大大提高了反应结果的选择性。
新型换热板两侧同时加强换热。冷却或给热介质走换热元件板程，通过焊接触点连接处和凹凸的板程表面，加强了流体扰动，使其处于湍流，强化了移热或给热效率；反应物系相当于处于反应器的壳程，同样由于板对间的凹凸表面，加强了流体扰动，强化了换热和传质。
另一方面，气体通过分布器进入反应系统后，由于换热元件表面的不平整性，能在一定程度上使大气泡破碎，形成小气泡，由此增加了气液相接触表面积，同时强化了反应过程和换热过程。
结合搅拌器使用时，从反应器底部进料的气体和再生催化剂可以在新型板式组件下面的反应器空间内混合均匀，然后向上运动进入不同的新型板式板对间进行反应与换热，由于提前混合均匀，使得不同板对间，单位换热面积承载的换热量基本一致，整个反应器内热量和浓度分布均匀，有利于保证稳定的生产及设备向大型化发展。
当采用轴向上多段换热板束时，换热板束的板对间距可根据反应器不同高度热负荷的不同进行调整，在反应剧烈区域，板对排列紧密，使得热量快速移走，在反应末期时，板对排列稀疏，以节省反应器空间；各段换热板束的类型可以相同或者不同；相邻段换热板束的排列方向可以交叉，夹角变化范围为0-90度，由于流道的改变，流体在两段板束中间实现流体再混合，实现热量和浓度的再分配，相当于两组或多组方向交叉的换热板对束起到静态混合器的效果，有利于反应器径向上传热和传质的均匀，进而提高反应的选择性和保证产品性质稳定。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)换热效率高、温度分布均匀
触点和凹凸不平的表面强化了两侧流体的扰动，使其流动方式由层流变为湍流，提高对流传热系数，减小换热板占用空间；且等间距的排列形式使反应器内温度分布均匀，有利于提高反应的选择性，保持催化剂的活性。
(2)避免“烟囱效应”无气体短路
由于其表面凹凸不平,可以避免垂直光滑列管造成的“烟囱效应”，使速度梯度和气含率梯度小，且不易形成大气泡，气泡小而分散均匀，没有气体短路现象。
(3)液体返混低、反应选择性高
换热板对将反应系统空间均匀分隔成若干个通道，同一停留时间的物料在不同通道的同一轴向位置上，使各个通道近似平推流反应器，从而减少了液体物料的返混，提高了反应的选择性，削弱因设备大型化引起的传热及传质不均匀现象，有利于设备大型化发展。
(4)板对束排列形式灵活、径向流体组成均匀
根据反应的不同阶段的特征，在反应器轴向上可以采用多层板对束，每层板对束灵活调节板间距、板对间距和触点密度，满足不同程度的换热要求；每层板对束的排列形式多样化，上下两层板束的排列方向可以交叉，夹角为0～90度，层与层之间实现流体径向的再混合，反应器径向流体组成和温度分布均匀。
(5)气液固三相分布均匀
新型板式的三种结构形式皆可结合搅拌器使用，使径向上液体、催化剂和气体分布更加均匀，反应物料的反应具有同步性，且反应充分，产物性质均匀稳定。
(6)形式简单、结构紧凑，易于运输、安装、维修
板对数量少，便于安装检修；由于换热效率高，可实现紧凑的结构，降低运输成本，有利于反应器设备的大型化。
(7)有自清洁效果、清洗方便
板对间没有触点，便于机械清洗；而板间由于触点存在，流体流动形式为湍流，没有边界层，由此产生壁面剪切力较大，使换热元件表面不易结垢，有了自清洁功能，适合多种换热介质。
附图说明
图1为换热板对的局部结构示意图；
图2为新型板式换热组件圆柱形轴向排布结构示意图；
图3(a)为新型板式换热组件扇形排布结构俯视图；
图3(b)为新型板式换热组件扇形排布结构结合搅拌器仰视图；
图3(c)为新型板式换热组件扇形排布结构结合搅拌器轴侧图；
图4为新型板式换热组件同心圆式排布结构俯视图；
图5为浆态床反应器示意图；
图中，a为换热板对板片表面，b为换热板对板间腔体，c为焊接触点，1为反应器壳体，2为原料气入口，3为产品气出口，4为冷却或给热介质入口，5为冷却或给热介质出口，6为液相入口，7为液相出口，8为换热板对，9为收集支管，10为收集总管，11为分配支管，12为分配总管，13为气体分布装置，14为固液分离器，15为搅拌器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明的浆态床反应器，整体如图5所示，包括反应器壳体1、换热组件、气体分布装置13和固液分离器14，反应器壳体1底部设有气体分布装置13，顶部设有固液分离器14，换热组件设置在反应器壳体1内，换热组件由至少两组换热板对束组合而成，各组换热板对束上下设置，将反应器壳体1内部分成多段反应区域。
换热板对束由多对换热板对8平行排布形成圆柱体状，或按扇形、螺旋形或同心圆形式排布形成圆柱体状；上下相邻换热板对束中的换热板对8排布方式相同或不同。
换热或给热介质可以是冷却水、饱和水或其它换热介质，水可以是脱盐水或未脱盐的水。
实施例1
如图5所示，一种浆态床反应器，其换热组件由两组相同的换热板对束上下设置而成，两组换热板对束安装在反应器壳体1内。
所述的换热板对束为由多对换热板对8平行排布形成圆柱体状换热板对束。换热板对8由两张板片通过焊接形成一个密闭的腔体，换热板对板片表面a设有规则排布的焊接触点c，两张板片在焊接触点c处接触，使板片形成凹凸不平的表面，对冷却或给热介质产生扰动，焊接触点c的密度根据反应的传热要求、允许压降以及介质通过能力进行调节，密度范围为200～5000个/m2；各换热板对8内为换热板对板间腔体b，冷却或给热介质走换热板对板间腔体b；相邻换热板对8之间为壳程，为气液固三相混合物流通空间。
换热组件还包括收集支管9、收集总管10、分配支管11和分配总管12。各换热板对8的入口通过对应的分配支管11与分配总管12连接，各换热板对8的出口通过对应的收集支管9与收集总管10连接，分配总管12与冷却或给热介质入口4连接，收集总管10与冷却或给热介质出口5连接。
如图2所示，本实施例中多对换热板对8平行排布形成圆柱体状的换热板对束，所述的换热板对8宽度按照反应器横截面弦长依次变化。该换热板对束中的多对换热板对8高度相当、宽度不同，平行排列，由两侧向中间换热板对8的宽度逐渐增加形成截面呈圆形的换热板对束，各换热板对8顶部和底部留有至少一个通口，各通口分别通过各自的垂直设置的分配支管11或收集支管9连接至对应的分配总管12或收集总管10，所述的分配总管12和收集总管10呈圆弧状，设置在圆形换热板对束两端，分别与冷却或给热介质入口4和冷却或给热介质出口5连接，冷却或给热介质入口4和冷却或给热介质出口5的上下位置可对换，本实施例中，冷却或给热介质入口4位于下方，冷却或给热介质出口5位于上方。换热板对束的板对定距件与板对垂直设置，平行排列，长度按照与换热板对束相同的规律变化，截面形成圆面。
各组换热板对束的换热板对8的间距可根据放热量的变化和换热要求调整，所述的各换热板对8之间通过板对定距件定位。该板对定距件可以为设有多个卡口的长条形卡槽，换热板对8顶部或底部插入卡口中定位，相邻换热板对8之间的距离，可通过调节换热板对8插入不同间距的卡口中来调节板对间的间距。
气体通过原料气入口2进入反应器，然后通过气体分布装置13进入气液固三相反应区，反应结束后，气体产品从产品气出口3排出；液体通过液相入口6进入反应器，反应结束后，液体产物从液相出口7流出，整个换热板对束浸没在气液固三相反应区内，换热板对8将整个反应系统空间均匀分隔成若干个通道，由于换热板对8将整个反应起到了有效的导流作用，使得流体均匀分布在整个空间中；此外，反应系统空间的分隔也很大程度减少了液体物料的返混，大大提高了反应选择性。
新型换热板两侧同时加强换热。冷却或给热介质走换热元件换热板对板间腔体b，通过焊接触点连接处和凹凸的板程表面，加强了流体扰动，使其处于湍流，强化了移热或给热效率；反应物系相当于处于换热元件的壳程，同样由于板对间的凹凸表面，加强了流体扰动，强化了换热和传质。
另一方面，气体通过气体分布装置13进入反应系统后，由于换热元件表面的不平整性，能在一定程度上使大气泡破碎，形成小气泡，由此增加了气液相接触表面积，同时强化了反应过程和换热过程。
采用轴向上多段换热板束，换热板束的板对间距可根据反应器不同高度热负荷的不同进行调整，当反应剧烈时，板对排列紧密，使得热量快速移走，当反应末期，板对排列稀疏，以节省反应器空间；各段换热板束的类型可以相同或者不同；相邻段换热板束的排列方向可以交叉，由于流道的改变，流体在两段板束中间实现流体再混合，实现热量和浓度的再分配，有利于反应器径向上传热和传质的均匀，进而提高反应的选择性和保证产品性质稳定。本实施例中，相邻段换热板束的排列方向呈90度夹角，以使反应气体达到较佳的混合效果，换热板对束在整个反应器中的排布方式如图5所示。
实施例2
如图3所示，所述的多对换热板对8呈扇形排布，形成圆柱体状的换热板对束，各换热板对8形状相同，沿反应器横截面半径方向均匀排布，换热板对束横截面为放射状。在换热板对8底部设有圆环状支撑件，顶部设有圆环状换热板定距件，定距件上设有沿圆周方向均匀排列的卡口，换热板对8与换热板对8之间的夹角可根据对应卡口的位置调节。各换热板对8顶部和底部留有至少一个通口，各通口分别通过各自的垂直设置的分配支管11或收集支管9连接至其上方或下方的分配总管12或收集总管10，所述的分配总管12和收集总管10呈圆弧状，设置在圆形换热板对束两端，分别与冷却或给热介质入口4和冷却或给热介质出口5连接，冷却或给热介质入口4和冷却或给热介质出口5的上下位置可对换，本实施例中，冷却或给热介质入口4在上，冷却或给热介质出口5在下。所述的换热板对束与搅拌器15结合使用时，该搅拌器15的长柄穿过扇形换热板对束的轴心空隙，搅拌器15的叶片位于扇形换热板对束底部，从反应器底部进料的气体和再生催化剂可以在新型板式板片下面的反应器空间内混合均匀，然后向上运动进入不同的新型板式板对间进行反应与换热，由于提前混合均匀，使得不同板对间，单位换热面积承载的换热量基本一致，整个反应器内热量和浓度分布均匀，有利于保证稳定的生产及设备向大型化发展。
采用3段式上述轴向上多段换热板束，每层换热板对8的数量随反应器内不同高度的放热量不同而变化。
其余同实施例1。
实施例3
如图4所示，所述的换热板对8有规则地呈同心圆形式排布，形成圆柱体状的换热板对束，不同多对换热板对8的高度相同,弧度可以相同或不同，相邻换热板对8之间有固定间隙,有利于物料径向上的混合.各换热板对8顶部和底部留有至少一个通口，各通口分别通过各自的垂直设置的分配支管11或收集支管9连接至其上方或下方的分配总管12或收集总管10，所述的分配总管12和收集总管10上下平行，设置在圆形换热板对束两端截面直径位置，分别与冷却或给热介质入口4和冷却或给热介质出口5连接，所述的冷却或给热介质入口4和冷却或给热介质出口5的上下位置可对换，根据反应需要设置，本实施例中，冷却或给热介质入口4在上，冷却或给热介质出口5在下。板对定距件为设有多个卡口的长条形卡槽，各板对定距件位于同心圆的半径位置，呈放射状排列，换热板对8与换热板对8之间的距离根据其卡口的位置决定。该换热板对束与搅拌器15结合使用时，该搅拌器15的长柄通过同心圆换热板对束的中心空隙，搅拌器15的叶片位于同心圆换热板对束底部。
采用3段式轴向上多段换热板束，底层为同心圆形式排布换热板束，不同层换热板对8之间的间距为30～300mm；中间为实施例1中所述的平行排布形成圆柱体状的换热板对束，换热板对8与换热板对8之间距离为30～300mm；最上层为实施例2中所述的扇形排布形成圆柱体状的换热板对束，换热板对8与换热板对8之间夹角为2～20度。
实施例4
采用2段式轴向上多段换热板束，底层为实施例1中所述的同心圆形式排布换热板束，不同层换热板对8之间的间距为30～300mm；上层为实施例2中所述的扇形排布形成圆柱体状的换热板对束，换热板对8与换热板对8之间夹角为2～20度。其余同实施例1。
Claims (4)
1.一种浆态床反应器，包括反应器壳体(1)、换热组件、气体分布装置(13)和固液分离器(14)，所述的换热组件设置在反应器壳体(1)内，其底部设有气体分布装置(13)，顶部设有固液分离器(14)，其特征在于，所述的换热组件由多组换热板对束组合而成；
所述的换热板对束设置多组，各组换热板对束上下设置，浸没在由液体、气体、催化剂组成的三相混合物中；
所述的换热板对束由多对换热板对(8)按扇形或同心圆形式排布形成圆柱体状；上下相邻换热板对束中的换热板对(8)排布方式相同或不同；
所述的多对换热板对(8)扇形排布形成圆柱体状的换热板对束，各换热板对(8)沿反应器横截面半径方向均匀扇形排布，所述的换热板对束与搅拌器(15)结合使用，该搅拌器(15)的长柄通过扇形换热板对束的中心空隙，搅拌器(15)的叶片位于扇形换热板对束底部，通过搅拌作用，以使催化剂径向上均匀分布，同时有利于大气泡破碎，形成小气泡且小气泡均匀分布；
或者，所述的多对换热板对(8)同心圆形式排布形成圆柱体状的换热板对束，该换热板对束与搅拌器(15)结合使用，搅拌器(15)的长柄通过同心圆换热板对束的中心空隙，搅拌器(15)的叶片位于同心圆换热板对束底部。
2.根据权利要求1所述的一种浆态床反应器，其特征在于，所述的换热板对(8)由两张板片通过焊接形成一个密闭的腔体，腔体内部设有规则排布的焊接触点(c)，两张板片在焊接触点(c)处接触，使板片形成凹凸不平的表面，对冷却或给热介质产生扰动；各换热板对(8)内为冷却或给热介质，为板程；相邻换热板对(8)之间为反应气体,液体和悬浮的催化剂，为壳程。
3.根据权利要求1所述的一种浆态床反应器，其特征在于，各换热板对(8)的入口通过对应的分配支管(11)与分配总管(12)连接，各换热板对(8)的出口通过对应的收集支管(9)与收集总管(10)连接，所述的分配总管(12)与冷却或给热介质入口(4)连接，所述的收集总管(10)与冷却或给热介质出口(5)连接。
4.根据权利要求1或3所述的一种浆态床反应器，其特征在于，各组换热板对束的换热板对(8)的间距根据放热量的变化和换热要求调整，所述的各换热板对(8)之间通过板对定距件定位。
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