CN107224939B - 一种轴向反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向反应器，该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体(2)、进气管(18)、出气管(13)、以及轴向微通道反应区(16)和轴向催化反应区(9)；所述轴向微通道反应区(16)位于轴向催化反应区(9)的上方；所述轴向微通道反应区(16)包括一个或者多个上下串联的圆盘形的轴向微通道反应单元(14)；每个所述轴向微通道反应单元(14)具有多个轴向的微反应通道(7)；所述轴向催化反应区(9)可容纳至少一个催化剂床层且反应物流体可上下流过该催化剂床层进行催化反应。与现有技术相比，本发明的反应器结构紧凑、活性金属用量少、床层压降小、气体产物停留时间短，床层空间利用率高、无气体偏流和短路现象。

Description

一种轴向反应器

技术领域

本发明涉及一种轴向反应器。

背景技术

固定床反应器主要有两种类型，一种是轴向固定床反应器，另一种是径向固定床反应器。轴向固定床反应器设计、加工过程相对容易、操作简单，但存在反应器设备尺寸庞大、床层压降大、容易出现局部飞温、移热缓慢、转化率低、放大效应明显等问题。径向固定床反应器高径比较大、床层压降小、反应物在催化剂床层停留时间短，但很难实现反应物在径向上的均匀分布、单位催化剂床层的生产强度较低。

为了克服传统化工中存在传热、传质效率低的问题，二十世纪八九十年代兴起了微化工技术。微反应器作为微化工技术的核心组成部分，它是以毫米、微米为量级的化学反应系统。一方面微反应器具有微尺度化、较大的比表面、扩散距离短、停留时间短、阻力小等特点，其传质、传热和反应效果较普通反应器高1-3数量级；另一方面，可以根据实际的工业生产能力要求，通过具有功能化的微反应器模块集成以及数量的增减达到控制和调节生产，有利于实现设备的最大利用效率，同时缩短设备的加工时间。

因此，为了进一步提高轴向反应器的流体均匀度，减小反应器的设备尺寸、降低床层压降、提高反应物转化率、充分延长催化剂的使用寿命、满足反应器大型化的需求仍然是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴向反应器，该反应器催化剂使用量少、压降低、停留时间短、空间利用率高、无气体偏流和短路现象。

为了实现上述目的，本发明提供一种轴向反应器，其特征在于，该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体、从壳体顶部伸入到壳体内部的进气管、从壳体底部伸入到壳体内部的出气管、以及设置在壳体内进气管的下方出气管上方的轴向微通道反应区和轴向催化反应区；进气管通过轴向微通道反应区和轴向催化反应区与出气管流体连通；轴向微通道反应区和轴向催化反应区为上下串联设置并且二者之间具有单元空间，轴向微通道反应区位于轴向催化反应区的上方；轴向微通道反应区包括一个或者多个上下串联的圆盘形的轴向微通道反应单元，每二个相邻的轴向微通道反应单元之间具有空隙；每个轴向微通道反应单元的侧边与壳体的内壁密封连接，且每个轴向微通道反应单元具有多个轴向的微反应通道，轴向微通道反应单元仅通过微反应通道上下流体连通；轴向催化反应区的上下可流体连通且其侧边与壳体的内壁密封连接，轴向催化反应区可容纳至少一个催化剂床层且反应物流体可上下流过该催化剂床层进行催化反应。

优选地，轴向微通道反应区包含的轴向微通道反应单元的数量为1-100个。

优选地，轴向催化反应区内设置有用于轴向分隔催化剂床层的隔板；隔板的数量为2-64。

优选地，微反应通道的内表面负载有催化活性组分。

优选地，微反应通道的直径在2-50毫米之间，高度在45-500毫米之间；微反应通道的直径从微通道反应气体入口向微通道反应产物出口的方向逐渐减小或增大；微通道反应气体入口的直径与微通道反应产物出口的直径的比值为(0.04-25)：1。

优选地，每个轴向微通道反应单元中微反应通道的内部空间的总体积为该轴向微通道反应单元的体积的30％-90％。

优选地，微反应通道为选自锥形管、喇叭形管、梯形管和Y形管中的其中一种。

优选地，进气管的下部设置有至少一个用于均匀分布送入反应器的反应气的气体分布器。

优选地，轴向微通道反应区和轴向催化反应区之间的单元空间中径向设置有至少一块气体再分布板。

优选地，出气管的上部连接有集气格栅。

本发明提供的反应器适用于强放热反应，尤其适用于反应前后有强烈体积变化的放热反应。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、将轴向微通道反应区与常规的轴向催化反应区相结合，既能达到提高流体均匀度，提高原料转化率，又能够降低反应器内全部使用微反应通道的设备成本；

2、若干轴向微通道反应单元与轴向催化反应区呈上下串连方式排列，微反应通道中不但发生了催化反应，而且还起到分布反应物料的作用；轴向反应区中设置隔板在一定程度上也起到了分布反应物料的作用；轴向微通道反应单元之间的空隙以及轴向微通道反应区与轴向催化反应区之间的单元空间起到缓冲物料的作用，使得反应区内无反应死区和气体的偏流现象，床层的温度较为均匀，不会出现热点，充分保证了整个运行周期内的平稳运行；

3、采用涂覆反应活性催化剂于微通道内表面，活性金属使用量为同等处理能力常规固定床反应器所用量的5％-25％，有效地降低了催化剂生产成本；

4、反应气产物在反应器中停留时间较短，延长了催化剂的使用寿命(寿命可以提高15％-40％)，床层压降较同处理量的轴向反应器低(30％-90％)；

5、该反应器的原料转化率、目标产物选择性高，单位反应器生产强度较常规固定床高，达到同等条件下的转化率和产物收率时，反应器的处理能力更大(提高了10％-25％)；

6、可以根据实际的工业生产能力要求，通过轴向微通道催化反应单元数量的增减达到控制和调节生产，有利于实现设备的最大利用效率，无明显放大效应，同时缩短设备的加工时间，进一步降低反应器生产成本；

7、不仅可以运用于煤制替代天然气和焦炉煤气甲烷化工艺，还可用于合成氨合成、甲醇合成、费托合成等固定床催化放热反应。

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是本发明提供的轴向反应器的一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明提供的轴向反应器的一种具体实施方式的剖视图(即图1中A-A面的剖视图)；

图3是本发明提供的轴向反应器的一种具体实施方式的剖视图(即图1中B-B面的剖视图)；

图4是本发明提供的轴向反应器的另一种具体实施方式的结构示意图；

图5是本发明提供的轴向反应器的另一种具体实施方式的剖视图(即图4中A-A面的剖视图)；

图6是本发明提供的轴向反应器的第三种具体实施方式的结构示意图；

图7是本发明提供的轴向反应器的第三种具体实施方式的剖视图(即图6中A-A面的剖视图)；

图8是本发明提供的轴向反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(锥形管)的示意图；

图9是本发明提供的轴向反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(喇叭形管)的示意图；

图10是本发明提供的轴向反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(Y形管)的示意图；

图11是本发明提供的轴向反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(梯形管)的示意图。

附图标记说明

1 进气口 2 壳体 3 第一气体分布器

4 轴向微通道反应单元顶部密封板

5 微通道反应气体入口 6 微通道反应产物出口

7 微反应通道 8 气体再分布板 9 轴向催化反应区

10 瓷球装填区 11 集气格栅 12 出气口 13 出气管

14 轴向微通道反应单元 15 轴向微通道反应单元底部密封板

16 轴向微通道反应区 17 第二气体分布器

18 进气管 19 单元空间 20 空隙 21 隔板

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。

本发明提供一种轴向反应器，该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体2、从壳体2顶部伸入到壳体内部的进气管18、从壳体2底部伸入到壳体内部的出气管13、以及设置在壳体2内进气管18的下方出气管13上方的轴向微通道反应区16和轴向催化反应区9；进气管18通过轴向微通道反应区16和轴向催化反应区9与出气管13流体连通；轴向微通道反应区16和轴向催化反应区9为上下串联设置并且二者之间具有单元空间19，轴向微通道反应区16位于轴向催化反应区9的上方；轴向微通道反应区16包括一个或者多个上下串联的圆盘形的轴向微通道反应单元14，每二个相邻的轴向微通道反应单元14之间具有空隙20；每个轴向微通道反应单元14的侧边与壳体2的内壁密封连接，且每个轴向微通道反应单元14具有多个轴向的微反应通道7，轴向微通道反应单元14仅通过微反应通道7上下流体连通；轴向催化反应区9的上下可流体连通且其侧边与壳体2的内壁密封连接，轴向催化反应区9可容纳至少一个催化剂床层且反应物流体可上下流过该催化剂床层进行催化反应。

根据本发明，轴向微通道反应单元14可以由密封连接的顶部密封板、底部密封板和侧壁构成，其内可以空心，可以实心，只要能够容纳微反应通道7即可，轴向微通道反应单元14可以根据实际调整，例如，轴向微通道反应单元14的数量可以为1-100个。轴向催化反应区9与轴向微通道反应区16的体积比可以为适合的任意比。

根据本发明，为了进一步提高反应物料在轴向催化反应区9的均匀分布，防止沟流或短路现象发生，轴向催化反应区9内可以设置有用于轴向分隔催化剂床层的隔板21，所述隔板21的数量可以为2-64，优选地，隔板21的数量可以为4-16，隔板21密封固定于壳体2内壁。

根据本发明，为了使反应器能够用于化学反应，微反应通道7的内表面可以负载有催化活性组分。催化活性组分可以采用本领域技术人员所熟知的催化活性组分，例如运用于甲烷化反应时，催化活性组分可以是具有甲烷化反应活性的镍、钌和铑等金属；所述的负载是指可以通过浸渍、离子溅射、涂覆或装填等方法将含有活性组分的催化剂或直接将活性组分负载到微反应通道内。其中，活性金属组分涂覆负载过程可以采用本领域技术人员所熟知的包括金属基体的预处理和催化剂沉积两个阶段的涂覆方法。

根据本发明，为了保证化学反应的效率，微反应通道7的直径可以在2-50毫米之间，高度在45-500毫米之间。当运用于反应过程中总体积缩小的反应时，微反应通道7的直径可以从微通道反应气体入口5向微通道反应产物出口6的方向逐渐减小(保证微通道反应气体入口5的直径大于微通道反应产物出口6的直径即可，也包括通道直径先减小后不变的情况)。当运用于反应过程中总体积增大的反应时，微反应通道7的直径也可以从微通道反应气体入口5向微通道反应产物出口6的方向逐渐增大(保证微通道反应气体入口5的直径小于微通道反应产物出口6的直径即可，也包括通道直径先增大后不变的情况)。微通道反应气体入口5的直径与微通道反应产物出口6的直径的比值可以为(0.04-25)：1，优选为(0.1-10)：1。

根据本发明，该反应器运用于反应前后体积有强烈变化的放热反应，为了兼顾反应效率和反应器的温度控制，每个轴向微通道反应单元14中的微反应通道7的内部空间的总体积为该轴向微通道反应单元14的体积的30％-90％，优选为40％-65％。

根据本发明，微反应通道7可以为选自锥形管、喇叭形管、Y形管和梯形管中的其中一种(分别如图8、图9、图10和图11所示)；所述锥形管、喇叭形管、梯形管和Y形管可以采用金属材质管、陶瓷材质管，优选采用不与反应系统中的气体发生反应的金属管。需要说明的是，本领域技术人员常规使用的锥形管是指两端开口的圆台形中空型材，而非轴向截面为锥形的型材。

根据本发明，进气管18的下部可以设置有至少一个用于分布送入所述反应器的反应气的气体分布器。气体分布器可以采用本领域技术人员所常规使用的，本发明不再赘述，所述气体分布器优选设置有两个。

根据本发明，为了进一步提高反应物料的均匀分布，轴向微通道反应区16和轴向催化反应区9之间的单元空间19中可以径向设置有至少一块气体再分布板8。

根据本发明，为了进一步提高反应物料的均匀分布，气体再分布板8上可以设置有大小相同的气体分布孔。需要说明的是，本领域技术人员常说的气体分布孔，可以是正方形孔、长方形孔、圆形孔、椭圆形孔、锥形孔等孔形式。

根据本发明，气体再分布板8、隔板21可以采用金属材质或陶瓷材质，优选采用不与反应系统中的气体发生反应的金属材质。

根据本发明，为了防止催化剂颗粒进入下游设备、管线，在壳体2的底部设置有瓷球装填区10。所述瓷球装填区10内可以放置有本领域技术人员所熟知的单一直径或不同直径的瓷球，在此不再赘述。另外，在瓷球装填区域，出气管13的上部连接有用于收集反应气产物的集气格栅11。

下面将结合附图通过实施例来进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。

实施例1

如图1所示，本实施例所采用的轴向反应器包括上端设有进气管18、下端设有出气管13的承压壳体2，进气管18的上部有进气口1，下部设有第一气体分布器3，第一气体分布器3的下方设置有第二气体分布器17。壳体2内进气管18的下方具有轴向微通道反应区16与轴向催化反应区9，轴向微通道反应区16设置于轴向催化反应区9的正上方。轴向微通道反应区16由两个轴向微通道反应单元14构成，包括底部密封板15、顶部密封板4和侧壁，其侧壁可以与壳体2的部分侧壁重合，也可以与壳体2的侧壁密封连接。壳体2的底部具有瓷球装填区10。出气管13的上部连接有集气格栅11。如图2所示，每个微通道反应单元14包括由6075根(为清楚显示，未全部示出)内表面涂覆有活性催化剂的微反应通道7，微反应通道7采用如图8所示的锥形管。锥形管微反应通道7两端分别与轴向微通道反应单元顶部密封板4、底部密封板15密封连接。轴向催化反应区9内设置有4块均匀分隔床层的隔板21，如图3所示。轴向微通道反应区16和轴向催化反应区9之间的单元空间19内设置有一块气体再分布板8，气体再分布板8与轴向催化反应区9的轴向间距为125mm。

轴向微通道反应单元14的高度为100mm，轴向催化反应区9的催化剂装填高度为600mm，壳体内径为900mm，轴向微通道反应单元14之间的空隙20的间距为35mm，微反应通道7的长度为100mm，微通道反应气体入口处的直径10mm，微通道产物出口处的直径4mm，每个轴向微通道反应单元14中的微反应通道7的内部空间的总体积占该轴向微通道反应单元14的体积的比例为40.6％。

将本实施例的反应器应用于合成气甲烷化反应，微反应通道7内表面负载活性金属Ni的量为11.3g/m²。合成气从进气管18进入反应器，轴向穿过轴向微通道反应区和轴向催化反应区后，从反应器底部出气管13排除反应器。原料气H₂/CO体积比为3，反应温度为645℃，压力为3.1MPa，体积空速为8500h^-1。

表1中给出的是本实施例采用的反应器与现有技术中的轴向反应器的对比情况。两种反应器催化反应单元具有相同尺寸，从床层均匀度、原料转化率、目标产物的选择性、使用寿命、床层压降以及活性金属Ni的用量六个指标可以看出，本发明提出的反应器都表现出了较为优异的性能。

表1本实施例的反应器与现有技术中的轴向反应器对比

实施例2

如图4、图5所示，本实施例的反应器与实施例1的反应器壳体内径、轴向催化反应区及轴向微通道反应单元高度等结构参数相同。与实施例1的不同之处在于，本实施例将两个轴向微通道反应单元倒置，即本实施例中的微通道入口直径较小端为微通道反应气体入口、直径较大端为产物出口端。

该轴向反应器可以用于甲醇制烯烃反应。

实施例3

如图6、图7所示，本实施例的反应器与实施例1的反应器壳体内径、轴向催化反应区及轴向微通道反应单元高度等结构参数相同。与实施例1不同之处在于，本实施例中轴向微通道反应区只包含一个轴向微通道反应单元。

本实施例的反应器可应用于合成气在Fe基催化剂合成C₂、C₃等小分子烯烃。微反应通道7内表面负载活性金属Fe的量为17.5g/m²。原料气H₂/CO体积比为2，反应温度为325℃，压力为0.55MPa，体积空速为3100h^-1。

表2中给出的是本实施例采用的反应器与现有技术中的轴向反应器对比情况。两种反应器催化反应单元具有相同尺寸，从床层均匀度、目标产物的选择性、使用寿命、床层压降以及活性金属Fe的用量五个指标可以看出，本发明提出的反应器都表现出了较为优异的性能。

表2本实施例的反应器与现有技术中的轴向反应器对比

本发明提供的轴向反应器结构紧凑、活性金属用量少、床层压降小、气体产物停留时间短，床层空间利用率高、无气体偏流和短路现象。

Claims (8)

1.一种轴向反应器，其特征在于，该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体(2)、从所述壳体(2)顶部伸入到壳体内部的进气管(18)、从所述壳体(2)底部伸入到壳体内部的出气管(13)、以及设置在所述壳体(2)内所述进气管(18)的下方所述出气管(13)上方的轴向微通道反应区(16)和轴向催化反应区(9)；所述进气管(18)通过所述轴向微通道反应区(16)和所述轴向催化反应区(9)与所述出气管(13)流体连通；所述轴向微通道反应区(16)和轴向催化反应区(9)为上下串联设置并且二者之间具有单元空间(19)，轴向微通道反应区(16)位于轴向催化反应区(9)的上方；所述轴向微通道反应区(16)包括一个或者多个上下串联的圆盘形的轴向微通道反应单元(14)，每二个相邻的轴向微通道反应单元(14)之间具有空隙(20)；每个所述轴向微通道反应单元(14)的侧边与所述壳体(2)的内壁密封连接，且每个所述轴向微通道反应单元(14)具有多个轴向的微反应通道(7)，轴向微通道反应单元(14)仅通过所述微反应通道(7)上下流体连通；所述轴向催化反应区(9)的上下可流体连通且其侧边与所述壳体(2)的内壁密封连接，所述轴向催化反应区(9)可容纳至少一个催化剂床层且反应物流体可上下流过该催化剂床层进行催化反应；

所述轴向催化反应区(9)内设置有用于轴向分隔催化剂床层的隔板(21)；所述隔板(21)的数量为2-64；所述轴向微通道反应区(16)和轴向催化反应区(9)之间的单元空间(19)中径向设置有至少一块气体再分布板(8)。

2.根据权利要求1的反应器，其中，所述轴向微通道反应区(16)包含的轴向微通道反应单元(14)的数量为1-100个。

3.根据权利要求1的反应器，其中，所述微反应通道(7)的内表面负载有催化活性组分。

4.根据权利要求1的反应器，其中，所述微反应通道(7)的直径在2-50毫米之间，高度在45-500毫米之间；所述微反应通道(7)的直径从微通道反应气体入口(5)向微通道反应产物出口(6)的方向逐渐减小或增大；所述微通道反应气体入口(5)的直径与所述微通道反应产物出口(6)的直径的比值为(0.04-25)：1。

5.根据权利要求1的反应器，其中，每个所述轴向微通道反应单元(14)中所述微反应通道(7)的内部空间的总体积为该轴向微通道反应单元(14)的体积的30％-90％。

6.根据权利要求1的反应器，其中，所述微反应通道(7)为选自锥形管、喇叭形管、梯形管和Y形管中的其中一种。

7.根据权利要求1的反应器，其中，所述进气管(18)的下部设置有至少一个用于均匀分布送入所述反应器的反应气的气体分布器。

8.根据权利要求1的反应器，其中，所述出气管(13)的上部连接有集气格栅(11)。