CN106475015A - 颗粒物床层支撑结构和轴径向催化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒物床层支撑结构和轴径向催化反应器，其中，所述支撑结构包括沿竖直方向间隔设置的支撑格栅(1)和压紧格栅(2)，所述支撑格栅位于所述压紧格栅的下方，颗粒物床层(3)设置在所述支撑格栅和压紧格栅之间，所述支撑格栅和压紧格栅呈同轴设置且向上渐缩的两个锥台筒形，所述颗粒物床层为催化剂床层、干燥剂床层和吸附剂床层中的一种。所述轴径向反应器具有所述颗粒物床层支撑结构。通过上述方案，能够增大颗粒物床层的入口流通面积，以使气体流速降低，减轻对入口颗粒物的冲刷，使之不易粉化，床层入口流速降低后允许采用强度更低、粒径更小的颗粒物，提高颗粒物的利用率，同时能够使床层的压降变小，节省能量。

Description

颗粒物床层支撑结构和轴径向催化反应器

技术领域

本发明涉及石油及化工设备领域，具体地，涉及一种颗粒物床层支撑结构和具有该支撑结构的轴径向催化反应器。

背景技术

对于反应器的催化剂床层支撑结构，一般分为两种，即平面支撑格栅和圆筒形支撑格栅。这两种支撑结构分别对应着轴向固定床反应器和径向反应器。平面格栅和圆筒形格栅即有各个的适用范围，也各有优缺点。

1)催化剂床层的平面格栅支撑结构，如图1所示，一般用于轴向固定床反应器。该类反应器的催化剂床层呈水平的饼状布置，流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。该种反应器的结构简单，工艺设计、计算和设备制造比较简便，因此应用的最早，目前应用也最为普遍。但该种反应器也有一些缺点：催化剂床层的床层一般比较厚，反应物流经床层的阻力大，为减小阻力必须使用大颗粒催化剂；因为其压降大，所以对催化剂的强度有较高要求，防止催化剂颗粒受到高速气流冲击而粉化。由于床层较厚，轴向反应器床层内的温降变化梯度大。

2)催化剂床层的圆筒形格栅支撑结构，如图2所示，一般用于径向反应器。该类反应器是一种气体流动方向与设备轴向相垂直的反应器，圆筒形格栅竖直布置，催化剂床层位于竖向的环形空间内，大都用于气-固催化反应，也时也用于非催化反应，反应流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短,流通截面积较大,流体的压力降较小。在某些应用中，压降是一个控制工艺流程的关键参数，这不仅可以提高产量，还可节省更多能量。径向流反应器的催化剂床层的流通截面不受直径制约，并可使用小颗粒触媒，可提高工艺流体与催化剂床层的接触效率，从而可大幅减小容器的尺寸。例如，在相同的容器直径下，径向反应器可远大于轴向反应器的流量，用户既可节省容器制造成本又可节省设备操作成本。

但是，径向反应器的结构较轴向反应器在工艺设计和设备制造方面更为复杂。径向反应器对于气体分布装置的性能要求也非常高；由于气体流速随流通截面的变化而改变，如果气体分布器的设计不够理想，则气流分布不均匀，催化剂的利用便不充分。此外，径向反应器需要利用内筒、外筒或者扇形筒之类的结构来形成环形间距，使催化剂限制在环形间距内。这样，内筒、扇形筒的凸面会承受来自催化剂的压力，即承受外压，在外压作用下对内筒、扇形筒的稳定性、刚度要求更高，容易造成失稳。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种适用于反应器、干燥器和净化器的颗粒物床层支撑结构，该支撑结构能够增大颗粒物床层的入口流通面积

为了实现上述目的，本发明提供一种颗粒物床层支撑结构，包括沿竖直方向间隔设置的支撑格栅和压紧格栅，所述支撑格栅位于所述压紧格栅的下方，颗粒物床层设置在所述支撑格栅和压紧格栅之间，其中，所述支撑格栅和压紧格栅呈同轴设置且向上渐缩的两个锥台筒形，所述颗粒物床层为催化剂床层、干燥剂床层和吸附剂床层中的一种。

优选地，所述支撑格栅包括中心支撑格栅和周围支撑格栅，所述压紧格栅包括中心压紧格栅和周围压紧格栅，所述周围支撑格栅和周围压紧格栅分别呈向上渐缩的筒形，所述中心支撑格栅的周缘连接于所述周围支撑格栅的小径端口边缘，所述中心压紧格栅的周缘连接于所述周围压紧格栅的小径端口边缘。

优选地，所述中心支撑格栅和中心压紧格栅均包括第一丝网和设置在该第一丝网四周的边框，所述周围支撑格栅和周围压紧格栅均由多个扇面形的分块格栅拼装而成，每个分块格栅包括第二丝网、设置在该第二丝网两侧边缘的侧边框、设置在该第二丝网上下边缘的上边框和下边框，相邻两个分块格栅的侧边框通过紧固件连接，每个分块格栅的上边框通过紧固件连接于所述中心支撑格栅或所述中心压紧格栅的所述边框。

优选地，所述第一丝网和第二丝网均为平面一侧朝向所述颗粒物床层的V形丝网。

优选地，所述支撑格栅的锥面与水平面之间的夹角以及所述压紧格栅的锥面与水平面之间的夹角均在15°至60°之间。

优选地，所述支撑格栅的锥面与水平面之间的夹角和所述压紧格栅的锥面与水平面之间的夹角相等。

优选地，所述支撑格栅的锥面与水平面之间的夹角和所述压紧格栅的锥面与水平面之间的夹角不相等。

本发明的另一目的是提供一种轴径向反应器，该反应器能够实现反应气流在催化剂床层内呈轴径向的二维流动。

为了实现上述目的，本发明提供一种轴径向反应器，包括壳体、进口管、进口分布器和出口管，所述进口管设置在所述壳体的顶部，所述进口分布器连接于所述进口管，所述出口管设置在所述壳体的底部，其中，所述壳体的内部设置有根据本发明的支撑结构，所述颗粒物床层为催化剂床层。

优选地，所述壳体的内壁上设置有沿该壳体的圆周方向延伸的两个支撑圈，所述压紧格栅支撑在位于上方的一个支撑圈上，所述支撑格栅支撑在位于下方的一个支撑圈上。

优选地，每个分块格栅的所述下边框通过紧固件连接于所述支撑圈。

在本发明的固定床反应器中，支撑格栅和压紧格栅呈同轴设置且向上渐缩的两个锥台筒形，这种结构能够增大催化剂床层的入口流通面积，使反应流体在催化剂床层内建立轴径向的二维流动，降低反应流体的流速，减轻对入口催化剂的冲刷，使催化剂不易粉化，从而允许采用强度更低、颗粒更小的催化剂，利于提高空速，提高催化剂的利用率，提高了反应器的产能。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术的催化剂床层平面格栅支撑结构的主视图；

图2是现有技术的催化剂床层圆筒形格栅支撑结构的主视图；

图3是本发明的颗粒物床层支撑结构的一种实施方式的主视图；

图4是图3中的支撑格栅或压紧格栅俯视图；

图5是图4中的中心支撑格栅或中心压紧格栅的示意图；

图6是图4中的分块格栅的示意图；

图7是沿图4中的A-A线截取的剖视图；

图8是本发明的颗粒物床层支撑结构的另一种实施方式的主视图；

图9是图8中的支撑格栅或压紧格栅的俯视图；

图10是图9中的中心支撑格栅或中心压紧格栅的示意图；

图11是图9中的分块格栅的示意图；

图12是本发明的轴径向反应器的主视图。

各附图中的箭头表示反应流体的流动方向。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图3和图8所示，根据本发明的一个方面，提供一种适用于立式反应器、立式干燥器或立式净化器的颗粒物床层支撑结构，该支撑结构包括沿竖直方向间隔设置的支撑格栅1和压紧格栅2，支撑格栅1位于压紧格栅2的下方，颗粒物床层3设置在支撑格栅1和压紧格栅2之间，支撑格栅1和压紧格栅2呈同轴设置且向上渐缩的两个锥台筒形。这里所使用的方位词“上、下”是指颗粒物床层支撑结构在正常安装状态下的上、下。需要说明的是，这里所说的“锥台筒形“不仅包括严格意义上的圆锥台筒形(如图3所示)，也包括棱锥台筒形(如图8所示)。

容易理解的是，在立式反应器中，颗粒物床层3为催化剂床层；在立式干燥器中，颗粒物床层3为干燥剂床层；在立式净化器中，颗粒物床层3为吸附剂床层。与立式反应器类似，在立式干燥器和立式净化器中，气体也是从壳体顶部流入，然后流经设置在壳体内的颗粒物床层，最后从壳体底部流出。

通过上述技术方案，能够增大颗粒物床层的入口流通面积，以使气体流速降低，减轻对入口颗粒物的冲刷，使之不易粉化，床层入口流速降低后允许采用强度更低、颗粒更小的颗粒物，提高颗粒物的利用率，同时能够使床层的压降变小，节省能量。

具体地，支撑格栅1的锥面与水平面之间的夹角(即锥面升角)α₁以及压紧格栅2的锥面与水平面之间的夹角α₂可以均在15°至60°之间。

两个格栅的锥面升角可以相等或不等。当两个格栅的锥面升角相等时，两格栅之间的间距为定值，等于颗粒物床层的厚度。当两个格栅的锥面升角不等时，两格栅之间的间距为变值，颗粒物床层的厚度不均匀。

支撑格栅1和压紧格栅2可以分别形成为一体结构。如图4和图9所示，为了方便加工，优选地，支撑格栅1包括中心支撑格栅11和周围支撑格栅12，压紧格栅2包括中心压紧格栅21和周围压紧格栅22，周围支撑格栅12和周围压紧格栅22分别呈向上渐缩的筒形，中心支撑格栅11的周缘连接于周围支撑格栅12的小径端口边缘，中心压紧格栅21的周缘连接于周围压紧格栅22的小径端口边缘。

在这种实施方式中，周围支撑格栅12和周围压紧格栅22可以分别一体成型。如图4至图6、图9至图11所示，为了方便加工和安装，优选地，周围支撑格栅12和周围压紧格栅22均由多个扇面形的分块格栅9拼装而成，每个分块格栅9包括第二丝网91、设置在该第二丝网91两侧边缘的侧边框92、设置在该第二丝网91上下边缘的上边框93和下边框94，中心支撑格栅11和中心压紧格栅21均包括第一丝网101和设置在该第一丝网101四周的边框102，相邻两个分块格栅9的侧边框92通过紧固件连接，每个分块格栅9的上边框93通过紧固件连接于中心支撑格栅11或中心压紧格栅21的边框102。

第一丝网101和第二丝网91可以为任意类型的丝网。作为一种实施方式，如图7所示，第一丝网101和第二丝网91可以均为V形丝网，并且该V形丝网的平面一侧都朝向颗粒物床层3。V形丝网的网丝由挤压或轧制而成，网丝的截面呈V形，平整的一面朝向颗粒物，以对颗粒物形成支撑，防止划伤颗粒物。

如图12所示，根据本发明的另一方面，提供一种轴径向反应器，包括壳体4、进口管5、进口分布器7和出口管6，进口管5设置在壳体4的顶部，进口分布器7连接于进口管5，出口管6设置在壳体4的底部，壳体4的内部设置有根据本发明的支撑结构，并且支撑结构中的颗粒物床层3为催化剂床层。

为了便于将两个格栅安装在壳体内部，优选地，壳体4的内壁上设置有沿该壳体4的圆周方向延伸的两个支撑圈8，压紧格栅2支撑在位于上方的一个支撑圈8上，支撑格栅1支撑在位于下方的一个支撑圈8上。

在周围支撑格栅12和周围压紧格栅22分别由多个分块格栅9拼装而成的情况下，可以将分块格栅9的下边框94通过紧固件连接于支撑圈8。

根据本发明的优选实施方式的轴径向反应器具有如下效果：

(1)增大催化剂床层的入口流通面积。相对于同等直径的轴向反应器，本发明中支撑格栅和压紧格栅采用锥台筒形结构，格栅表面积得到明显增加。床层的入口流通面积与格栅升角的正割函数成正比。

(2)催化剂床层入口流通面积增加后，反应流体的流速降低，减轻对床层入口催化剂的冲刷，使之不易粉化。床层入口流速降低后允许采用强度更低、颗粒更小的催化剂，利于提高空速，提高催化剂的利用率，提高了反应器的产能。反应流体的流速降低后，床层的压降变小，节省了能量。相对于传统的轴式反应器，若用同等的催化剂装填量，本发明可以明显降低催化剂床层厚度，使反应物在催化剂床层中的行程缩短；对于存在催化放热反应的情况，降低床层厚度可以降低副反应发生的几率。

(3)相对于传统的轴式反应器，在同等处理量要求下，使用本发明的反应器的直径可明显缩小，缩小的程度与支撑、压紧格栅锥面的升角相关。反应器直径的缩小对于节省设备造价和制造难度具有重要意义。

(4)相对于传统的径向反应器，本发明的结构简单，工艺设计、内件的制造和安装更为简便。此外，整个床层支撑格栅上没有不开孔的无效区、取消了径向流反应器床层顶部的无效密封区域。

(5)支撑格栅、压紧格栅属于一种结构新颖的自支撑结构。圆锥形的支撑结构使格栅的受力更为合理，各分块格栅之间相互支撑，力流传递更加科学，这可明显降低格栅的尺寸和材料消耗量。由于力学结构合理，所以本发明中反应器的催化剂格栅不需要支撑梁。

(6)在本发明的反应器中，反应流体可在催化剂床层内建立轴径向的二维流动，床层阻力低，催化剂利用率高，反应速率及反应器的生产能力均得以增加。本发明兼具轴向流反应器和径向流反应器的优点，并在一定程度上克服了传统反应器的缺点，尤其适用于有大处理量、低压力降要求的工艺过程，如催化反应过程。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种颗粒物床层支撑结构，包括沿竖直方向间隔设置的支撑格栅(1)和压紧格栅(2)，所述支撑格栅(1)位于所述压紧格栅(2)的下方，颗粒物床层(3)设置在所述支撑格栅(1)和压紧格栅(2)之间，其特征在于，所述支撑格栅(1)和压紧格栅(2)呈同轴设置且向上渐缩的两个锥台筒形，所述颗粒物床层(3)为催化剂床层、干燥剂床层和吸附剂床层中的一种。

2.根据权利要求1所述的支撑结构，其特征在于，所述支撑格栅(1)包括中心支撑格栅(11)和周围支撑格栅(12)，所述压紧格栅(2)包括中心压紧格栅(21)和周围压紧格栅(22)，所述周围支撑格栅(12)和周围压紧格栅(22)分别呈向上渐缩的筒形，所述中心支撑格栅(11)的周缘连接于所述周围支撑格栅(12)的小径端口边缘，所述中心压紧格栅(21)的周缘连接于所述周围压紧格栅(22)的小径端口边缘。

3.根据权利要求2所述的支撑结构，其特征在于，所述中心支撑格栅(11)和中心压紧格栅(21)均包括第一丝网(101)和设置在该第一丝网(101)四周的边框(102)，所述周围支撑格栅(12)和周围压紧格栅(22)均由多个扇面形的分块格栅(9)拼装而成，每个分块格栅(9)包括第二丝网(91)、设置在该第二丝网(91)两侧边缘的侧边框(92)、设置在该第二丝网(91)上下边缘的上边框(93)和下边框(94)，相邻两个分块格栅(9)的侧边框(92)通过紧固件连接，每个分块格栅(9)的上边框(93)通过紧固件连接于所述中心支撑格栅(11)或所述中心压紧格栅(21)的所述边框(102)。

4.根据权利要求3所述的支撑结构，其特征在于，所述第一丝网(101)和第二丝网(91)均为平面一侧朝向所述颗粒物床层(3)的V形丝网。

5.根据权利要求1所述的支撑结构，其特征在于，所述支撑格栅(1)的锥面与水平面之间的夹角(α₁)以及所述压紧格栅(2)的锥面与水平面之间的夹角(α₂)均在15°至60°之间。

6.根据权利要求1所述的支撑结构，其特征在于，所述支撑格栅(1)的锥面与水平面之间的夹角(α₁)和所述压紧格栅(2)的锥面与水平面之间的夹角(α₂)相等。

7.根据权利要求1所述的支撑结构，其特征在于，所述支撑格栅(1)的锥面与水平面之间的夹角(α₁)和所述压紧格栅(2)的锥面与水平面之间的夹角(α₂)不相等。

8.一种轴径向催化反应器，包括壳体(4)、进口管(5)、进口分布器(7)和出口管(6)，所述进口管(5)设置在所述壳体(4)的顶部，所述进口分布器(7)连接于所述进口管(5)，所述出口管(6)设置在所述壳体(4)的底部，其特征在于，所述壳体(4)的内部设置有根据权利要求1至7中任意一项所述的支撑结构，所述颗粒物床层(3)为催化剂床层。

9.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于，所述壳体(4)的内壁上设置有沿该壳体(4)的圆周方向延伸的两个支撑圈(8)，所述压紧格栅(2)支撑在位于上方的一个支撑圈(8)上，所述支撑格栅(1)支撑在位于下方的一个支撑圈(8)上。

10.根据权利要求9所述的反应器，其特征在于，所述支撑结构为根据权利要求3所述的支撑结构，每个分块格栅(9)的所述下边框(93)通过紧固件连接于所述支撑圈(8)。