CN105561892B - 用于管道式气固相反应器的反应模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于管道式气固相反应器的反应模块，反应模块的一端具有公插接头，另一端具有母套接头，公插接头与母套接头之间的反应模块管腔为反应物容置腔，反应物容置腔的进气口和出气口均设置有气体分布板；顺着反应模块轴线方向，在母套接头外周、及靠近公插接头的反应模块外周，分别设置有紧固连接件的连接件和被连接件。本发明为管道式气固相反应器的反应模块，从而进一步增强气固相反应器工业生产中使用的方便性，大幅缩短固相反应物或者催化剂颗粒装卸周期，提高气固相反应器的适用范围。

Description

用于管道式气固相反应器的反应模块

技术领域

本发明涉及化工反应设备技术领域，具体涉及一种用于管道式气固相反应器的反应模块。

背景技术

在工业生产技术领域，气固相接触反应，是将固相反应物或者催化剂加工成颗粒状，将其堆积在反应容器中，形成具有一定高度的床层，再让气相反应物加压通过床层，气相反应物通过床层时和固相反应物产生接触，从而完成气固相接触反应。

在工业生产技术领域，用于气固相接触反应的反应器主要有单层固定床反应器、多层塔式固定床反应器、列管团定床反应器、流化床反应器。

单层固定床反应器，通常采用为立式结构，其采用将进气套头和出气套头集成在反应器罐体上设计思路，进气套头上设置有气体进口，出气套头上设置有气体出口，将颗粒状固相反应物或者催化剂填充在反应器内腔内，对气相反应物进行加压，从气体进口进入反应器内腔，气固相接触反应产生的反应产物从气体出口输出。单层固定床反应器,如果要用于处理大流量气体反应物，如对天然气井输出的天然气进行脱硫处理，需要装填很多固相反应物或者催化剂颗粒，导致单层固定床反应器直径较大，高度较高，制造成本很高，固相反应物或者催化剂颗粒换装难度大，作业量也很大。

多层塔式固定床反应器，是将多个单层固定床按照塔式结构集成一个反应器，每个单层固定床装填固相反应物或者催化剂，让气相反应物逐个通过单层固定床，最后从气体出口输出。多层塔式固定床反应器，气相反应物会通过，每个单层固定床，大幅增加气相反应物和固相反应物的接触几率，提高气固相反应的充分性。如公开号为CN203183988U的中国专利文献，公开一种苯烷基化固定床反应器，包括筒体，筒体上、下端分别有入料口、出料口，入料口内设置入口分布器，出料口处有收集器，筒体内设置上下布置的数段固定床层，每段固定床层均包括催化剂层和瓷球层，催化剂层内设置温度计套管，相邻固定床层之间从上至下依次设置中间进料分布器和人孔，温度计套管、中间进料分布器和人孔均设置在筒体侧壁上。

多层塔式固定床反应器，由于多层塔式固定床反应器高度较高，需要采用专用的吊装设备协助固相反应物或者催化剂装卸；由于多层塔式固定床反应器每层的固相反应物或者催化剂的装填高度较高，经过长时间使用后，固相反应物或者催化剂被压实，卸除作业非常困难，作业人员的劳动强度很大，卸除作业产生的粉尘量很大，环保性差。每次装卸固相反应物或者催化剂颗粒的作业时间长，严重影响到正常生产作业。同时，多层塔式固定床反应器整体重量较大，需要坚固的基础支撑反应器，这就极大增加多层塔式固定床反应器的搭建成本。

列管式固定床反应器，由多根反应管并联构成，反应管内装填有颗粒状固相反应物或者催化剂，管径通常在25～50mm之间，长度一般在几米到数十米之间，管数可多达上万根。生产时，气相反应物在装填有颗粒状固相反应物或者催化剂的多根反应模块中迂回通过，从而大幅增加气相反应物和固相反应物的接触几率，提高气固相反应的充分性。但是，由于其直径小，长度长，固相反应物或者催化剂颗粒装填时，需要逐根装填，边装边测量每根反应模块中的固相反应物或者催化剂层高度，对每根反应器进行压差测试，作业人员的作业难度大，劳动强度大。

流化床反应器，也叫沸腾床反应器，其主要采用炉体结构，具体是在炉体壳体的底部设置进气口，炉体壳体的顶部设置出气口，在炉体壳体的中间部位设置固相反应物或者催化剂加料口，在炉体内腔的底部设置气体分布板。流化床反应器工作时，气相反应物从进气口进入，经气体分布以适当速度进入反应器内腔反应段，气相原料气将从加料口加入的固相反应物或者催化剂吹起，固相反应物或者催化剂漂浮在气体中做不规则的激烈运动，从而在反应器内腔反应段形成，流态化固相反应物或者催化剂沸腾层，固相反应物或者催化剂颗粒在气相反应物气流的作用下，发生碰撞和剪切摩擦，将固相反应物或者催化剂颗粒碰碎，固相反应物或者催化剂快速掺混，充分接触，产生气固反应，反应产生的气相反应产物从顶部的出气口输出。从出气口输出的还有大量的固相反应物或者催化剂颗粒，需要采用收尘系统回收气相反应产物中的固相颗粒，气固分离的要求也很高。

基于流化床反应器的工作原理，流化床反应器和其他气固相反应器相比，在体积上更大，结构上更复杂，制造成本更高，且固相反应物或者催化剂颗粒磨损流失严重，使用成本也更高，特别不适合使用表面型颗粒状催化剂的气固相反应，如对天然气井输出的天然气进行脱硫处理。

传统卧式气固相反应器，气体反应物经进气口进入后，刚开始还能在固相床层中均匀分布。但由于气体反应物比较轻，在固相床层中流动过程中逐渐向固相床层的上部聚集，气体反应物和固相反应物或者催化剂颗粒表面接触的机会也就越来越少，气体反应物转换越来越不充分。因此，卧式气固相反应器，很少用于气固相反应，特别是用于工业生产。

综上所述，在工业生产技术领域，单层固定床反应器，存在气相反应物和固相反应物的接触反应不充分，反应物的转换不充分的技术问题；多层塔式固定床反应器，存在建设成本高且不能移动，同时固相反应物或者催化剂装卸难度高，作业人员劳动强度很大，环保性差，装卸作业周期长的技术问题；列管式固定床反应器，存在固相反应物或者催化剂装卸要求高，装卸难度大，装卸成本高的技术问题；流化床反应器，存在不适合使用表面型颗粒状催化剂的气固相反应的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种便于装卸固相反应物或者催化剂颗粒的用于管道式气固相反应器的反应模块，从而进一步增强气固相反应器工业生产中使用的方便性，大幅缩短固相反应物或者催化剂颗粒装卸周期，提高气固相反应器的适用范围。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

用于管道式气固相反应器的反应模块，反应模块的一端具有公插接头，另一端具有母套接头，公插接头与母套接头之间的反应模块管腔为反应物容置腔，反应物容置腔的进气口和出气口均设置有气体分布板；顺着反应模块轴线方向，在母套接头外周、及靠近公插接头的反应模块外周，分别设置有紧固连接件的连接件和被连接件。

进一步，反应模块的反应物容置腔为具有缩径结构的圆筒状内腔，缩径结构为向内筒腔体内突出的环形台阶状壁体。

进一步，反应模块的反应物容置腔的进气口段和出气口段均具有缩径结构。

进一步，紧固连接件为具有锁体和扣体的锁扣。

进一步，在反应模块公插接头外圈设置有至少一个O型密封圈。

进一步，反应模块外周壁体上，沿着反应模块轴线方向，成对开设有行走轮设置腔，行走轮设置腔中设置有行走轮，行走轮的轮沿露出行走轮设置腔，行走轮可沿着反应模块轴线方向转动。

本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块适用于管道式气固相反应器，该管道式气固相反应器适用于天然气田的天然气脱硫处理，当然还适用于和天然气脱硫处理工艺相同或者相近的气固相反应，及采用单层固定床反应器、多层塔式固定床反应器、列管式固定床反应器能完成的气固相反应。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块，采用可快速装配和快速拆卸的模块化结构，该模块化结构，既可直接将一根反应模块装配成可快速拆卸的单管管道式气固相反应器，也可将多根反应模块快速串接装配成可快速拆卸的分段管道式气固相反应器。采用可快速装配和快速拆卸的模块化结构，该模块化结构，使管道式气固相反应器的固相床层的更换操作极其简单，更换周期极短，使管道式气固相反应器，更适用于需要不间断或者短间断处理的气体反应物进行处理，如对天然气井喷出的天然气的脱硫处理。

由反应模块构成的分段管道式反应器主体，具有相互连通、间隔设置的固相床层，且在进入每个固相床层前对气体反应物流进行均匀化重新分布，确保气体反应物气流在固相床层中以平推流流型推进，对固相床层流出的气体反应产物气流进行汇聚，确保气体反应产物气流输出最大化，使管道式气固相反应器具有进行级联反应的能力。在所有反应模块中装填相同的固相反应物或者催化剂颗粒时，可以用来对气体反应物进行多级提纯处理，用于提高气体最终反应产物的纯度；在所有反应模块中装填的固相反应物或者催化剂颗粒种类上存在差异时，可以用来对气体反应物进行逐类去除杂质处理；从而提高管道式气固相反应器的应用能力和应用深度。

由于采用模块化设计和制造，结构更简单、制造难度更低，能实现批量制造，且固相反应物或者催化剂颗粒的装填和卸除可以在工厂完成，极大降低管道式气固相反应器的制造难度、维护难度，也相应降低管道式气固相反应器的制造成本、使用成本和维护成本；更换固相床层时，仅对失去活性成分的反应模块进行换新，极大提高固相反应物或者催化剂颗粒的使用效率，降低浪费，也大幅提高固相床层更换效率。

2、本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块，由于通过优化反应物容置腔的结构，使气体反应物气流在固相床层中以接近于平推流方式推进，增加气体反应物和和固相反应物或者催化剂颗粒表面接触几率，从而进一步提高气体反应物的转换效率和转换质量；由于通过优化缩径结构设置位置，使反应物容置腔中的气体反应气流重新聚流，使气体反应物气流在固相床层中流动最大程度地接近于平推流流型，气体反应物和和固相反应物或者催化剂颗粒表面最大程度地接触，从而进一步提高管道式气固相反应器的气固相反应质量和气固相反应效率。

3、本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块，由于采用具有锁体和扣体的锁扣作为紧固连接件，其具有结构简单，使用方便，紧固性强，防振动性好，可以重复使用多次，从而进一步提高紧固连接实现的简单性和有效性；由于通过在公插接头外圈设置O型密封圈，实现在插接或套接的同时实现密封连接，密封效果好，同时，反应模块的拆卸操作，不会影响到O型密封圈的后续使用，处理；在管道式反应器主体使用时，O型密封圈提供密封预紧力和其具有的良好的自密封作用，从而进一步提高密封连接实现的简单性，和提高密封连接的有效性；由于在反应模块上成对设置有行走轮，从而将管道式反应器主体外周与保护套管内壁的滑动摩擦阻力，转换成行走轮与保护套管内壁的滚动摩擦阻力，极大降低管道式反应器主体装卸所需施加的力，从而进一步降低高管道式反应器主体装卸难度，提高装卸效率。

附图说明

图1为本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块的结构示意图。

图2为本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块母套接头侧的结构示意图。

图3为本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块的剖面结构示意图。

图4为本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块的紧固连接件的结构示意图。

图5为本发明的具有缩径结构的用于管道式气固相反应器的反应模块的剖面结构示意图。

图6为设置有滚轮用于管道式气固相反应器的反应模块的结构示意图。

图7为用于管道式气固相反应器的反应模块的实施结构示意图一。

图8为用于管道式气固相反应器的反应模块的实施结构示意图二。

图1至图8中的附图标记分别表示为：1-反应物容置腔,2-公插接头，3-母套接头,4-气体分布板,5-紧固连接件，6-O型密封圈，7-缩径结构，8-行走轮，9-行走轮设置腔，10-进气套头，11-出气套头，12-保护套管，501-扣体，502-锁体,1001-进气管，1002-进气管阀，1101-出气管，1102-出气管阀，1201-法兰盘，1202-封口盖板，1203-限位圈筒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图6所示，本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块，反应模块的一端具有公插接头2，另一端具有母套接头3，公插接头2与母套接头3之间的反应模块管腔为反应物容置腔1，反应物容置腔1的进气口和出气口均设置有气体分布板4；顺着反应模块轴线方向，在母套接头3外周、及靠近公插接头2的反应模块外周，分别设置有紧固连接件5的连接件和被连接件。

如图7所示，同时参照图8所示，本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块，是用来构成管道式反应器主体，再采用该管道式反应器主体构成可卧式布置的管道式气固相反应器。最终要构成的管道式气固相反应器，包括具有进气通道的进气套头10，具有出气通道的出气套头11，两端贯通具有中空反应物容置腔1的管道式反应器主体，管道式反应器主体的一端具有公插接头2，另一端具有母套接头3的连接结构，进气套头10和出气套头11具有与管道式反应器主体连接端相适配的连接结构，进气套头10插接或者套接在管道式反应器主体的进气端，出气套头11插接或者套接在管道式反应器主体的出气端，连接处设置有密封件；进气套头10上设置有与进气通道相连通的进气管1001，进气管1001上设置有进气管阀1002，出气套头11上设置有与出气通道相连通的出气管1101，出气管1101上设置有出气管阀1102；管道式反应器主体的反应物容置腔1的进气口和出气口均设置有可拆卸的气体分布板4。

上述进气套头10和出气套头11，为压力容器，如压力管道的端头密封部件，其具有中空的气体通道，在结构上，其可以采用压力容器的封头结构。

如图1至图6所示，本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块，为两端贯通具有中空反应物容置腔1的单管结构。其管体的制作材料为压力容器制作材料，如工程塑料、碳纤维、玻璃钢、结构陶瓷、碳钢、合金钢、钛材相关工程材料。

如图3、图5所示，反应物容置腔1，为反应模块的内筒腔体，在其内装填满相反应物或者催化剂颗粒，以形成固相床层，反应物容置腔1长度为床层的深度。气体反应物进入反应物容置腔1后，在固相床层内以平推流流型流动，和固相反应物或者催化剂颗粒表面产生接触，转换成气体反应产物。

反应物容置腔1的内腔结构为圆筒状，圆筒状内腔结构的反应物容置腔1，相对于其他形状内腔结构的反应物容置腔1，其截面周长最短，外周表面积最小，在相同容积和长度的情况下，从反应物容置腔1外周边部通过的气体反应物量也最少。当然反应物容置腔1还可以在圆筒状内腔结构的基础上作进一步改进，如让反应物容置腔1具有缩径结构7，该缩径结构7通常为让反应物容置腔1具有向内筒腔体内突出的环形台阶状壁体，缩径结构7可以让气体反应物在床层内以平推流流型流动，也即提高气体反应物与固相反应物或者催化剂颗粒表面产生接触的机会。

如图1、图2、图3、图5、图6所示，公插接头2，为具有插接结构的管道连接部件，其具有气体通道，该气体通道与反应物容置腔1相连通；上述母套接头3，为具有套接结构的管道连接部件，其具有气体通道，该气体通道与反应物容置腔1相连通；公插接头2和母套接头3，可以采用一体成型的方式，如铸造成型，冲压成型，设置在管道式反应器主体的两端部，也可以采用分体设计和制造，固定连接结合密封连接的方式分别固定设置在管道式反应器主体的两端部，固定连接的方式可以是焊接连接，也可以是螺纹连接。

为了便于气体分布板4的装卸，气体分布板4通过过盈配合的方式设置在进气口和出气口对应的公插接头2、母套接头3的气体通道内。公插接头2和母套接头3的制作材料和管道式反应器主体的制作材料相同或者相近。

如图1、图2、图3、图5、图6所示，气体分布板4，为圆盘状结构，其上具有多个气体通孔。将其设置在反应物容置腔1的进气口和出气口，设置在进气口的气体分布板4将气体反应物气流进行重新分布，使气体反应物气流以周向均匀分布的平推流的形式进入反应物容置腔1，也即进入固相床层；设置在出气口的气体分布板4，从周向汇流反应物容置腔1出气口处的气体反应产物气流；设置在进气口的气体分布板4和设置在出气口的气体分布板4结合起来，实现将固相反应物或者催化剂颗粒封堵在反应物容置腔1中，以形成稳定的固相床层结构。通常设置在进气口的气体分布板4和设置在出气口的气体分布板4在规格尺寸上存在差别，当然也可以一样。气体分布板4的制作材料，为耐腐蚀的工业型材，通常采用管道式反应器主体的制作材料相同或者相近的材料作为气体分布板4的制作材料。

如图1、图2、图4、图6所示，紧固连接件5，由两个相互配合的连接部件构成，其中一个设置在反应模块的母套接头3外周，另一个设置在靠近公插接头2的反应模块外周，该设置方式要能确保通过紧固连接件5将串接起来的两个反应模块锁紧。紧固连接件5可以是具有锁体502和扣体501的锁扣，优选为搭扣；也可是螺纹连接结构件，还可以是卡接连接结构件。

制造反应模块前，如图1至图6所示，同时参考图7、图8所示，本领域的技术人员，所需要制成管道式反应器主体的规格尺寸，及管道式反应器主体的构成方式，确定反应模块规格尺寸。其中，反应模块的规格尺寸，包括反应物容置腔1、公插接头2、母套接头3、紧固连接件5的规格尺寸，还包括可拆卸地安装在公插接头2气体通道内的气体分布板4的规格尺寸，及可拆卸地安装在母套接头3的气体通道内的气体分布板4的规格尺寸。

反应模块制造过程中，如图1、图2、图3、图5、图6所示，本领域的技术人员，首先在反应模块的两端分别设置公插接头2和母套接头3，固定连接方式通常是焊接连接，且要保证焊接连接的密封质量；在公插接头2的气体通道内，通过过盈配合设置气体分布板4，在母套接头3的气体通道内，通过过盈配合设置气体分布板4，将反应物容置腔1封闭；顺着反应模块轴线方向，在靠近公插接头2的反应模块外周和母套接头3外周设置成套的紧固连接件5。通过上述步骤可以制成本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块。

本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块，投入应用时，是用其来构成管道式反应器主体。所要构成的管道式反应器主体的一端具有公插接头2，另一端具有母套接头3，且两端贯通具有中空反应物容置腔1。该管道式反应器主体，既可以是单管管道式反应器主体，也可以是分段管道式反应器主体。

单管管道式反应器主体也就是一根反应模块。

分段管道式反应器主体，包括多个反应模块，通过后反应模块的公插接头2插接前反应模块的母套接头3顺次串联构成，串接后，在连接处设置有密封件，前后两个反应模块通过设置在前反应模块母套接头3外周的紧固连接件5和对应设置在后反应模块外周相适配的紧固连接件5紧固连接。

为了使构成的管道式反应器主体能直接用于气固相反应，需要先向反应模块的反应物容置腔1填充固相反应物或者催化剂颗粒，以形成固相床层。填充过程为，从反应模块的公插接头2或母套接头3的气体通道内，拆卸一块气体分布板4，向反应物容置腔1内填充固相反应物或者催化剂颗粒，当填满后，重新装上气体分布板4，从而在反应模块的反应物容置腔1内形成一个固相床层。

单管管道式气固相反应器的制作过程为，在一根反应模块两端分别头插接或者套接进气套头10、出气套头11，在进气套头10、出气套头11上分别设置进气管1001、出气管1101，在进气管1001、出气管1101上分别设置进气管阀1002、出气管阀1102。

采用单管管道式气固相反应器，进行气固相反应时，首先将进气管1001管道连接气体反应物气源，出气管1101管道连接气体反应产物收纳容器或者收纳管网；接着相继开启气体反应物气源、进气管阀1002和出气管阀1102，向反应模块内注入气体反应物气流，气体反应物气流在反应物容置腔1进气口的气体分布板4进行重新分布，通过气体分布板4的通气孔以平推流进入反应物容置腔1内的固相床层，气体反应物平推流在固相床层内推进的过程中，吹动固相反应物或者催化剂颗粒，也即气体反应物和固相反应物或者催化剂颗粒表面充分接触，转换成气体反应产物，前期转换成的气体反应产物和没有转换的气体反应物，以平推流的形式，继续在固相床层中推进，待该平推流到达反应物容置腔1出气口的床层时，绝大多数气体反应物基本上已经转换成气体反应产物，气体反应产物气流在反应物容置腔1出气口的气体分布板4处汇流，经出气套头11的出气管1101输出到气体反应产物收纳容器或者收纳管网。

当单管管道式气固相反应器使用一段时间后，如果检测到出气管1101流出的气体反应产物的指标含量接近控制阈值时，如在进行天然气脱硫处理时，检测到从出气管1101流出的天然气中的硫含量接近控制阈值时，就开始着手进行反应模块更换。

采用一根备用的反应模块，将其公插接头2的气体通道内的气体分布板4取下，向反应物容置腔1内填充新的固相反应物或者催化剂颗粒，反应物容置腔1填满后，将气体分布板4装回公插接头2的气体通道内，将反应物容置腔1封闭，将该待用反应模块放置到正使用的单管管道式气固相反应器旁。相继关闭进气管阀1002和出气管阀1102，通过拉拔操作，将前使用的反应模块拆卸下来，通过推顶操作，将待用反应模块两端分别插接或者套接进气套头10和出气套头11，在连接处设置密封件，完成反应模块的更换。其后，相继开启进气管阀1002和出气管阀1102，就可以采用新装上的反应模块进行气固相反应。

如果没有备用的反应模块，在关闭进气管阀1002和出气管阀1102后，拉拔出气套头11，将出气套头11卸下，取下与出气套头11连接端的反应模块的气体分布板4，将反应模块反应物容置腔1内的使用过后的固相反应物或者催化剂颗粒倒出，向反应物容置腔1内填充新的固相反应物或者催化剂颗粒，反应物容置腔1填满后，将气体分布板4装回。接着通过插接或者套接将出气套头11装上，在连接处设置密封件，完成反应物容置腔1内的固相床层更换。其后，相继开启进气管阀1002和出气管阀1102，就可以采用新装填的固相床层进行气固相反应。

显然，不论是采用直接更换反应模块的方式，还是采用更换反应模块内的床层，固相反应物或者催化剂颗粒的换新实现过程都极短。

分段管道式气固相反应器的制作过程，包括分段管道式反应器主体的构成过程，和分段管道式气固相反应器的装配过程。

分段管道式反应器主体的构成过程为，完成多个反应模块的固相床层填装后，通过相对应的公插接头2和母套接头3将多个反应模块顺次串接起来，在连接处设置密封件，通过紧固连接件5将前后两个反应模块锁紧在一起，从而制成分段管道式反应器主体。

该分段管道式反应器主体，具有多个间隔设置、顺次连通的反应物容置腔1，当反应物容置腔1内装填满固相反应物或者催化剂颗粒后，就形成多个间隔设置、顺次连通固相床层，气体反应物气流流入每个固相床层前要进行重新均匀分布，流出每个固相床层后要进行集中汇流输出。

分段管道式气固相反应器的装配过程为，在分段管道式反应器主体两端分别头插接或者套接进气套头10、出气套头11，并在进气套头10、出气套头11分别设置进气管1001、出气管1101，在进气管1001、出气管1101上分别设置进气管阀1002、出气管阀1102。

采用分段管道式气固相反应器，进行气固相反应时，首先将进气管1001管道连接气体反应物气源，出气管1101管道连接气体反应产物收纳容器或者收纳管网；接着相继开启气体反应物气源、进气管阀1002和出气管阀1102，向分段管道式反应器主体内注入气体反应物气流。气体反应物气流，在最前一个反应模块的进气口气体分布板4处，进行重新分布，以平推流流型进入反应物容置腔1内的固相床层并在固相床层内推进，平推流流型气体反应物气流，吹动固相反应物或者催化剂颗粒，气体反应物和固相反应物或者催化剂颗粒表面充分接触，转换成气体反应产物，转换完成的气体反应产物和没有转换的气体反应物，混合在一起，以平推流流型继续在固相床层中推进，待该平推流到达反应物容置腔1出气口的固相床层时，气体反应物和气体反应产物的混合气流，在最前一个反应模块出气口气体分布板4处汇流，流向下一个反应模块，并在下一个反应模块进气口气体分布板4处，进行重新分布，以平推流流型进入下一个反应模块反应物容置腔1内的固相床层并在固相床层内推进。当气体反应物气流流过所有反应模块后，转换成气体最终反应产物，在最后一个反应模块的反应物容置腔1出气口汇流，经出气套头11的出气管1101流出。

分段管道式气固相反应器，投入使用时，如果在分段管道式反应器主体的所有反应模块中装填相同的固相反应物或者催化剂颗粒，那么该气固相反应器是用于对气体反应物进行多级提纯处理，提高气体最终反应产物的纯度，如对天然气井喷出的天然气进行多级脱硫处理，确保处理后的天然气的硫含量很少。如果在管道式反应器主体的所有反应模块中装填的固相反应物或者催化剂颗粒存在差异，那么该气固相反应器是用于对气体反应物进行逐类去除杂质处理，降低气体反应物中的杂质含量，如对高炉煤气进行去杂质处理，确保处理后的高炉煤气中的杂质含量很少。

使用分段管道式气固相反应器进行气固相反应时，通常备用有几根装填有固相床层的反应模块，反应模块内的固相床层的灌装，可以在工作现场进行，也可以在工厂灌装好后，运输到工作现场，作为更换备用。

分段管道式气固相反应器，使用一段时间后，如果检测到出气管1101流出的气体反应产物的指标含量接近控制阈值时，如在进行天然气脱硫处理时，检测到从出气管1101流出的天然气中的硫含量接近控制阈值时，如果该分段管道式气固相反应器用于气体反应物进行多级提纯处理，则将最前面一根或者两根反应模块更换成装填有新的固相反应物或者催化剂颗粒的反应模块，然后就可以继续进行气体反应物多级提纯处理。如果该分段管道式气固相反应器用于气体反应物进行逐类去除杂质处理，则更换接近超标杂质对应的反应模块，然后就可以继续进行气体反应杂质逐级去除处理。

当然，反应模块内的固相反应物或者催化剂颗粒的更换可以在工作现场进行，通常的操作方法是，将要更换固相床层的反应模块拆卸下来，更换新的固相反应物或者催化剂颗粒后，又重新装上，由于反应模块的体积更小，重量更轻，不论是拆卸，还是更换新的固相床层，或者是重新装上，均可在极短的时间完成。

以上是本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块的基础实施方式和应用实例。从上述实施过程可以看出：

就反应模块而言，反应物容置腔1，具有容纳和堆积固相反应物或者催化剂颗粒，形成固相床层的技术作用，水平设置的反应物容置腔1，还具有为气体反应物气流提供平推流运行的气体通道的技术作用，当然该平推流是在固相床层中流动的；设置在进气口的气体分布板4，具有对待输入的气体反应物气流，在进入固相床层前进行均匀分布，使进入反应物容置腔1的气体反应物气流，以接近于平推流的流型方式在圆筒状固相床层中前进的技术作用；设置在出气口的气体分布板4，具有对待输出的气体反应产物气流，进行汇流，将反应产物气流及时输出的技术作用；设置在进气口的气体分布板4和设置在出气口的气体分布板4结合起来使用，还具有将固相反应物或者催化剂颗粒封堵在反应物容置腔1，形成稳定的固相床层的技术作用；公插接头2和母套接头3，具有将多个反应模块串接组合成管道式反应器主体的技术作用，还具有可拆卸地设置气体分布板4的技术作用；密封件，具有将连接处密封，防止气体反应物从连接处泄露，使管道式气固相反应器成为密封的压力容器的技术作用。

就多个反应模块串接构成的分段管道式反应器主体而言，多个反应模块的反应物容置腔1，具有形成相互连通的级联式固相床层，及为气体反应物气流提供气固相反应的级联式气体通道的技术作用，也即具有有效扩展管道式反应器主体的固相床层的整体厚度，及有效扩展气体反应物的可反应流程的技术作用；多组设置在进气口的气体分布板4，具有对气体反应物气流或者是混合气流进行多次重新分布，确保气体反应物气流或者是混合气流在固相床层中以平推流流型推进的技术作用；多组设置在出气口的气体分布板4，具有对从固相床层留出的气体产物气流或者混合气流进行多次汇流，以便以最大的流量进入下个环节处理。

本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块，采用可快速装配和快速拆卸的模块化结构，该模块化结构，既可直接将一根反应模块装配成可快速拆卸的单管管道式气固相反应器，也可将多根反应模块快速串接装配成可快速拆卸的分段管道式气固相反应器。采用可快速装配和快速拆卸的模块化结构，该模块化结构，使管道式气固相反应器的固相床层的更换操作极其简单，更换周期极短，使管道式气固相反应器，更适用于需要不间断或者短间断处理的气体反应物进行处理，如对天然气井喷出的天然气的脱硫处理。

由反应模块构成的分段管道式反应器主体，具有相互连通、间隔设置的固相床层，且在进入每个固相床层前对气体反应物流进行均匀化重新分布，确保气体反应物气流在固相床层中以平推流流型推进，对固相床层流出的气体反应产物气流进行汇聚，确保气体反应产物气流输出最大化，使管道式气固相反应器具有进行级联反应的能力。在所有反应模块中装填相同的固相反应物或者催化剂颗粒时，可以用来对气体反应物进行多级提纯处理，用于提高气体最终反应产物的纯度；在所有反应模块中装填的固相反应物或者催化剂颗粒种类上存在差异时，可以用来对气体反应物进行逐类去除杂质处理；从而提高管道式气固相反应器的应用能力和应用深度。

由于采用模块化设计和制造，结构更简单、制造难度更低，能实现批量制造，且固相反应物或者催化剂颗粒的装填和卸除可以在工厂完成，极大降低管道式气固相反应器的制造难度、维护难度，也相应降低管道式气固相反应器的制造成本、使用成本和维护成本；更换固相床层时，仅对失去活性成分的反应模块进行换新，极大提高固相反应物或者催化剂颗粒的使用效率，降低浪费，也大幅提高固相床层更换效率。

在固相床层外周侧，也即反应物容置腔1腔体侧流动的气体反应物，其和固相反应物或者催化剂颗粒表面接触的几率较少，无法实现充分转换。

从反应物容置腔1外周边部通过的气体反应物，其和固相反应物或者催化剂颗粒表面接触的几率较少，无法实现充分转换。

为了降低气体反应物从反应物容置腔1外周边部通过的几率，本发明在基础实施方式的基础上作进一步改进，如图5所示，本发明的第一优选实施方式为，反应模块的反应物容置腔1为具有缩径结构7的圆筒状内腔，缩径结构7为向内筒腔体内突出的环形台阶状壁体。

本第一优选实施方式设计和制造时,如图5所示，在反应模块的内筒腔体上，设置向内筒腔体内突出的环形台阶状壁体，也即缩径结构7。缩径结构7的数量可以是一个，也可以是多个；缩径结构7的设置位置，可以在反应物容置腔1的两端部，也可以在反应物容置腔1的中间部位；缩径结构7的实现方式为，通常采用一体成型结构，当然如果反应模块的管腔足够大，可以采用焊接连接。

具有缩径结构7的反应物容置腔1，其内装填的固相床层，在缩径结构7处向反应管中部内凹。在固相床层外周侧流动的气体反应物气流，流动到缩径结构7处后，向固相床层芯部汇聚。通过该方式，反应物容置腔1内流动的气体反应物气流实现了重新分布，更多的气体反应物气流从固相床层内向前流动，使气体反应物和固相反应物或者催化剂颗粒表面产生充分接触，进行充分转换，从而得到质量更好、纯度更高的气体反应产物，如对天然气井喷出的天然气脱硫处理时，可将天然气中更多的硫成分脱去，从而极大降低天然气的硫含量。

分段管道式气固相反应器，如果其每一个反应模块的反应物容置腔1均具有缩径结构7，那么在固相床层外周侧流动的气体反应物气流，可以反复汇聚到固相床层芯部，使气体反应物气流以接近于平推流方式在固相床层内推进，从整体上，增加气体反应物和和固相反应物或者催化剂颗粒表面接触的几率，从而进一步提高管道式气固相反应器的气固相反应质量，相应提高气体反应产物的品质。

本第一优选实施方式，通过优化反应物容置腔1的结构，使气体反应物气流在固相床层中以接近于平推流方式推进，增加气体反应物和和固相反应物或者催化剂颗粒表面接触几率，从而进一步提高气体反应物的转换效率和转换质量。

为了使气体反应物气流在固相床层内形成接近于平推流流型，本发明在第一优选实施方式的基础上作进一步改进，如图5所示，本发明的第二优选实施方式为，反应模块的反应物容置腔1的进气口段和出气口段均具有缩径结构7。

本第二优选实施方式设计和制造时,如图5所示，在反应模块的反应物容置腔1的进气口段和出气口段均设置缩径结构7，当然还可以在反应物容置腔1的中间部位设置缩径结构7。缩径结构7的制造方式和第一优选实施方式相同。

反应模块的反应物容置腔1的进气口段和出气口段均设置缩径结构7，则该反应物容置腔1内的固相床层，其进气口段和出气口段向固相床层中部内凹。气体反应物气流，进入固相床层后，就开始以接近于平推流流型在固相床层内推进，气体反应物气流流动过程中，即使有部分气体反应物，在气压的作用下，流动到中间段床层的边部，但由于出气口段缩径结构7阻挡，无法实现流动，只能回到中间段床层的中部，然后从出气口段床层流出。因此，能确保气体反应物气流在固相床层中流动具有最大平推流流程。

为了提高提高气体反应物气流在固相床层中流动的整体均匀性，还可以在反应物容置腔1的中间部位设置缩径结构7，该缩径结构7能促使将流动到固相床层外侧的气体反应物，及时汇集到固相床层的中部，从而进一步确保气体反应物气流在固相床层中流动的整体均匀性，也即进一步提高气体反应物的转换效率和转换质量。

分段管道式气固相反应器，如果其每一个反应模块的反应物容置腔1的进气口段和出气口段均具有缩径结构7，气体反应物在每一个固相床层内流动最大程度地接近于平推流流型，气体反应物整个管道式气固相反应器流动也最大程度地接近于平推流流型，气体反应物和和固相反应物或者催化剂颗粒表面也最大程度地接触，从而进一步提高管道式气固相反应器的气固相反应质量和气固相反应效率。

本第二优选实施方式，通过优化缩径结构7设置位置，使反应物容置腔1中的气体反应气流重新聚流，使气体反应物气流在固相床层中流动最大程度地接近于平推流流型，气体反应物和和固相反应物或者催化剂颗粒表面最大程度地接触，从而进一步提高管道式气固相反应器的气固相反应质量和气固相反应效率。

可实现将前后两个反应模块紧固连接的紧固连接件5，有很多实现方式，但是绝大多数紧固连接件5要么结构复杂，要么操作繁琐，不利于管道式反应器主体的快速装配和分离。

为了便于通过紧固连接件5将前后两个反应模块紧固连接在一起，本发明在基础实施方式、第一优选实施方式、第二优选实施方式中任意一个实施方式的基础上作进一步改进，如图4所示，同时参照图1、图2、图4、图6、图7、图8所示，本发明的第三优选实施方式为，紧固连接件5为具有锁体502和扣体501的锁扣。

实施时，采用具有锁体502和扣体501的锁扣作为紧固连接件5，沿着反应模块轴线方向，在反应模块母套接头3外周和反应模块靠近公插接头2的管体外周对应设置锁体502和扣体501，就可完成紧固连接件5的设置。

当前后两个反应模块相互插套在一起后，本领域的技术人员，仅需扳动扣体501，将扣体501和锁体502结合，就能实现前后两个反应模块的紧固连接；当要对反应模块的反应物容置腔1内的固相反应物或者催化剂颗粒进行更换时，扳动扣体501，将锁体502和扣体501分离，就能解除前后两个反应模块的紧固连接。

为了便于实现锁体502和扣体501的结合和分离，提高紧固连接操作的简单性，可以采用搭扣作为锁扣。搭扣紧固连接件5，使用时，只需将扣体501搭接锁体502，扣紧就可以实现紧固连接，将扣体501扳离锁体502，就可以解除紧固连接，操作简单，紧固连接的有效性好。

相较于采用其他紧固连接件5，本第三优选实施方式，采用具有锁体502和扣体501的锁扣作为紧固连接件5，其具有结构简单，使用方便，紧固性强，防振动性好，可以重复使用多次，从而进一步提高紧固连接实现的简单性和有效性。

采用插接或者套接的连接方式实现串接，需要在连接处设置密封件。密封件，设置在连接端面处，则通常为端面密封圈，如果设置在连接处的外周，则密封件包括紧固套，和填充在紧固套和管体之间的密封填料。上述两种密封件，设置起来比较麻烦，如果操作不当，会影响到密封效果。

为了便于密封件的设置，及提高密封效果，本发明在基础实施方式、第一至第三优选实施方式中任意一个实施方式的基础上作进一步改进，如图1、图3、图5、图6所示，本发明的第四优选实施方式为，在反应模块公插接头2外圈设置有至少一个O型密封圈6。

实施时，采用O型密封圈6为密封件，将其设置在反应模块的公插接头2外圈，设置数量为至少一个。本第四优选实施方式采用的O型密封圈6，为压力容器所采用的O型密封圈6，其材料可以是橡胶，也可以是硅胶。

为了便于设置O型密封圈6，提高O型密封圈6在公插接头2外圈的结构稳定性，可以在公插接头2外圈的壁体上开设与O型密封圈6相适配的环形沟槽，环形沟槽的数量与需要设置的O型密封圈6数量一致，在公插接头2外圈设置O型密封圈6时，直接将O型密封圈6套设在环形沟槽中，从而确保O型密封圈6在后续使用中的结构稳定性，进一步提高连接处的密封效果。

在分段管道式反应器主体装配时，直接将设置有O型密封圈6的后反应模块的公插接头2，插接前反应模块的母套接头3，就可以在实现前后两个反应模块串接的同时实现连接处的密封连接。气固相反应时，O型密封圈6能提供足够的密封预紧力，具有良好的自密封作用，确保气体反应物或者气体反应产物不从前后反应模块的连接处泄露。在需要对反应模块进行固相反应物或者催化剂颗粒更换时，直接拉拔就可以将反应模块从管道式反应器主体上拆卸下来，不需要对O型密封圈6做其他处理。

本第四优选实施方式，通过在公插接头2外圈设置O型密封圈6，实现在插接或套接的同时实现密封连接，密封效果好，同时，反应模块的拆卸操作，不会影响到O型密封圈6的后续使用，处理；在管道式反应器主体使用时，O型密封圈6提供密封预紧力和其具有的良好的自密封作用，从而进一步提高密封连接实现的简单性，和提高密封连接的有效性。

如图8所示，为了将单管管道式反应器主体或者分段管道式反应器主体同恶劣的工作环境隔开，单管管道式反应器主体或者分段管道式反应器主体上套设有保护套管12，保护套管12包括开口端具有法兰盘1201的U型管体，与法兰盘1201固定连接的封口盖板1202，保护套管12的凹弧段具有出气套头11结构，出气套头11结构具有与反应模块的公插接头2相适配的母套接头3，出气套头11结构上设置有出气管1101，保护套管12的开口段具有可拆卸的限位圈筒1203，限位圈筒1203具有与反应模块的母套接头3相适配的公插接头2，限位圈筒1203、法兰盘1201、封口盖板1202、及限位圈筒1203外周的管体构成保护套管12的进气套头10结构，限位圈筒1203外周的U型管体上设置有与限位圈筒1203内腔相连通的进气管1001。

为了便于将单管管道式反应器主体或者分段管道式反应器主体推顶进保护套管12中，或者从保护套管12中拉拔出来，本发明在基础实施方式、第一至第四优选实施方式中任意一个实施方式的基础上作进一步改进，如图6所示，本发明的第五优选实施方式为，反应模块外周壁体上，沿着反应模块轴线方向，成对开设有行走轮设置腔9，行走轮设置腔9中设置有行走轮8，行走轮8的轮沿露出行走轮设置腔9，行走轮8可沿着反应模块轴线方向转动。

本第五优选实施方式设计和制造时,如图6所示，本领域的技术人员，根据单管管道式反应器主体或者分段管道式反应器主体的规格尺寸，及整体重量，确定反应模块上的行走轮设置腔9的规格尺寸，及设置数量；根据行走轮设置腔9的规格尺寸，结合反应模块的重量确定行走轮8的规格尺寸；行走轮8的制作材料为耐腐蚀、承载能力强、耐磨材料，如不锈钢、耐腐蚀合金钢、耐磨橡胶。

本第五优选实施方式制造时,如图6所示，本领域的技术人员，采用开槽工具，沿着反应模块轴线方向，成对开设行走轮设置腔9，在行走轮设置腔9中设置行走轮8，确保行走轮8的轮沿露出行走轮设置腔9，且行走轮8可沿着反应模块轴线方向转动。

将单管管道式反应器主体或者分段管道式反应器主体插装入保护套管12中的时候，反应模块上的行走轮8和保护套管12内壁滚动接触，摩擦阻力很小，只要对管道式反应器主体施加很小的推力，就能将管道式反应器主体推送到位；同样，将管道式反应器主体从保护套管12中卸除时，只要对管道式反应器主体施加很小的拉拔力，就能将管道式反应器主体从保护套管12中拉出。

本的第五优选实施方式，由于在反应模块上成对设置有行走轮8，从而将管道式反应器主体外周与保护套管12内壁的滑动摩擦阻力，转换成行走轮8与保护套管12内壁的滚动摩擦阻力，极大降低管道式反应器主体装卸所需施加的力，从而进一步降低高管道式反应器主体装卸难度，提高装卸效率。

以上是本发明的用于管道式气固相反应器的反应模块的实施过程。从上述实施过程可以看出，本发明实现了管道式气固相反应器分段式模块化设计，从而使管道式气固相反应器能用于工业生产。

Claims (5)

1.用于管道式气固相反应器的反应模块，其特征在于，所述反应模块外周壁体上，沿着反应模块轴线方向，成对开设有行走轮设置腔(9)，所述行走轮设置腔(9)中设置有行走轮(8)，所述行走轮(8)的轮沿露出行走轮设置腔(9)，所述行走轮(8)可沿着反应模块轴线方向转动；所述反应模块的一端具有公插接头(2)，另一端具有母套接头(3)，公插接头(2)与母套接头(3)之间的反应模块管腔为反应物容置腔(1)，所述反应物容置腔(1)的进气口和出气口均设置有气体分布板(4)；顺着反应模块轴线方向，在母套接头(3)外周、及靠近公插接头(2)的反应模块外周，分别设置有紧固连接件(5)的连接件和被连接件。

2.根据权利要求1所述的用于管道式气固相反应器的反应模块，其特征在于，所述反应模块的反应物容置腔(1)为具有缩径结构(7)的圆筒状内腔，所述缩径结构(7)为向内筒腔体内突出的环形台阶状壁体。

3.根据权利要求2所述的用于管道式气固相反应器的反应模块，其特征在于，所述反应模块的反应物容置腔(1)的进气口段和出气口段均具有缩径结构(7)。

4.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的用于管道式气固相反应器的反应模块，其特征在于，所述紧固连接件(5)为具有锁体(502)和扣体(501)的锁扣。

5.根据权利要求1至3中任意一项权利要求所述的用于管道式气固相反应器的反应模块，其特征在于，在所述反应模块公插接头(2)外圈设置有至少一个O型密封圈(6)。