CN107398241A - 一种催化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化反应器，其特征在于，该反应器包括圆筒形密封承压壳体(1)、1#管(9)、2#管(11)、以及轴向催化反应单元；所述轴向催化反应单元包括至少一个柱体(12)，每一个所述柱体(12)内设置有多个轴向穿过柱体(12)的微反应通道(6)，所述微反应通道(6)内设置有增加流体湍动作用的导流组件(5)。该反应器催化剂活性组分使用量少、压降低、产物停留时间短、原料转化率高、无气体偏流和短路现象。

Description

一种催化反应器

技术领域

本发明涉及一种催化反应器。

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。

近年来，微通道反应器在气固相催化反应、液固相催化反应中受到越来越多的关注。公告号为CN202893334U的中国专利公开了一种微通道反应器，该微通道反应器采用钛合金板式结构，每个钛合金冷却盖板内设置有冷却仓和反应仓，该微通道反应器具有能够承受高压和抗蚀性，不足之处在于反应物在反应仓内停留时间短，生产效率较低。公告号为CN203540513U的中国专利公开了一种用于甲烷化工艺的微通道反应器，该微反应通道固定在反应器中部的支撑板上，难以消除热胀冷缩产生的应力。公告号为CN102151531A的中国专利公开了一种微通道反应器及其合成气完全甲烷化的方法，该微反应器由若干反应通道和移热通道交替平行排布，反应器的压降较大，同时难以承受高压。公告号为CN204841617U、CN204816459U的中国专利，将微通道反应器运用于煤制SNG甲烷化工艺，目标产物具有较高的选择性，不足之处在于原料气在该类反应器的停留时间较短，造成原料转化率偏低。

因此，减小反应器的设备尺寸、降低压降损失，提高反应物的转化效率，充分延长反应器的使用寿命，满足反应器大型化的需求是目前亟待解决的技术问题，同时也是未来微通道反应器的发展方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种催化反应器，该反应器催化剂活性组分使用量少、压降低、产物停留时间短、原料转化率高、无气体偏流和短路现象。

为了实现上述目的，本发明提供一种催化反应器，其特征在于，该反应器包括圆筒形密封承压壳体、从所述壳体顶部伸入到壳体内部的1#管、从所述壳体底部伸入到壳体内部的2#管、以及设置在所述壳体内所述1#管下方所述2#管上方的轴向催化反应单元；所述轴向催化反应单元包括至少一个柱体，柱体与壳体同轴，且柱体的外侧面与壳体的部分内侧面相抵触或相重合；上下相邻的两个柱体之间形成有空隙；每一个所述柱体内设置有多个轴向穿过柱体的微反应通道，且所述1#管与最上面的空隙之间、相邻两个空隙之间、以及最下方的空隙与所述2#管之间仅通过设置在所述柱体内的微反应通道流体连通；所述微反应通道内设置有增加流体湍动作用的导流组件。

优选地，所述柱体的数量为2-500个。

优选地，所述导流组件包括与所述微反应通道固定连接的固定轴和串联在所述固定轴上的导流元件，所述导流元件朝向所述微反应通道进气方向的一端为凸形。

优选地，所述导流元件为选自实心圆锥体、空心椎体、圆锥面、半球体、半球面、球体和球面中的至少一种。

优选地，所述实心圆锥体、空心椎体和圆锥面的底面直径小于微反应通道的下侧开口的直径与上侧开口的直径中的较大者；所述半球体、半球面、球面和球体的球面直径小于微反应通道的下侧开口的直径与上侧开口的直径中的较大者；相邻两个所述导流元件的间距不小于所述导流元件的高度。

优选地，每个所述导流组件包括3-100个所述导流元件。

优选地，所述微反应通道的内表面负载有催化活性组分。

优选地，所述微反应通道为选自锥形管、喇叭形管、Y形管和梯形管中的其中一种。

优选地，所述微反应通道的直径在2-50毫米之间；所述微反应通道的上侧开口的直径与下侧开口的直径的比值为(0.04-25)：1；所述微反应通道的内部空间的总体积为所述轴向催化反应单元的体积的30％-90％。

优选地，所述轴向催化反应单元的底部与所述壳体的底部之间设置有隔热材料区。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、微反应通道内设置有增加流体湍动作用的导流组件，且导流组件与所述微反应通道同轴，增加了反应原料在微通道内的湍流程度，提高了原料作用于催化剂活性位上的概率，从而提高了原料转化率。该反应器由若干大小相同的微反应通道构成的反应区，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；

2、对于体积缩小的催化反应而言，采用涂覆反应活性催化剂的微通道反应器，随着反应物从锥形管较大直径端向小直径端流动，反应通道越来越小，增大了体积缩小反应向产物方向转化的推动力，同时流速越来越大，使得产物在微反应通道中的停留时间较短，产生的反应热也很快的被带离催化反应区。对于体积增大的反应而言，反应物从锥形管较小直径端向大直径端流动，反应通道越来越大，增大了催化反应向产物方向转化的推动力；

3、采用涂覆反应活性组分于微通道内表面，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1％-35％，节约了活性金属的使用量，特别能够降低贵金属催化剂的生产成本；

4、反应物从流体主体到催化活性位之间的扩散阻力几乎为零，提高了反应速率，同时生成的产物能够很快扩散到流体主体，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％-60％)，床层压降较同处理量的轴向反应器低(30％-90％)；

5、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，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。

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是本发明提供的反应器的另一种具体实施方式的结构示意图；

图3是本发明提供的反应器的第三种具体实施方式的结构示意图；

图4是本发明提供的反应器的一种具体实施方式的剖视图(即图1、图2、图3中A-A面的剖视图)；

图5是本发明提供的反应器的一种具体实施方式所采用的具有导流组件的微通道示意图；

图6是本发明提供的锥形管微反应通道的剖视图(即图5中B-B面的剖视图)；

图7是本发明提供的锥形管微反应通道的剖视图(即图5中C-C面的剖视图)；

图8是本发明提供的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；

图12是发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(半球体)的示意图；

图13本发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(半球面)的示意图；

图14本发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(球面)的示意图；

图15本发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(球体)的示意图；

图16本发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(实心圆锥体)的示意图；

图17本发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(圆锥面)的示意图；

图18本发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(空心锥体)的示意图。

附图标记说明

1 壳体 2 第一气体分布器 3 柱体顶部密封板

4 上侧开口 5 导流组件 6 微反应通道

7 下侧开口 8 空隙 9 1#管

10 隔热材料区 11 2#管 12 柱体

13 柱体底部密封板 14 第二气体分布器 15 导流元件

16 固定轴

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。

本发明提供一种催化反应器，该反应器包括圆筒形密封承压壳体1、从所述壳体1顶部伸入到壳体内部的1#管9、从所述壳体1底部伸入到壳体内部的2#管11、以及设置在所述壳体1内所述1#管9下方所述2#管11上方的轴向催化反应单元；所述轴向催化反应单元包括至少一个柱体12，柱体12与壳体1同轴，且柱体12的外侧面与壳体1的部分内侧面相抵触或相重合；上下相邻的两个柱体12之间形成有空隙8；每一个所述柱体12内设置有多个轴向穿过柱体12的微反应通道6，且所述1#管9与最上面的空隙8之间、相邻两个空隙8之间、以及最下方的空隙8与所述2#管11之间仅通过设置在所述柱体12内的微反应通道6流体连通；所述微反应通道6内设置有增加流体湍动作用的导流组件5。需要说明的是，本发明并不限制反应物流在反应器中的流动方向，即反应原料可以从反应器顶端的1#管进入反应器，在轴向催化反应单元中进行反应后，产物从反应器底部的2#管流出反应器，相反的，反应原料也可以从反应器底部的2#管进入反应器，在轴向催化反应单元中进行反应后，产物从反应器顶端的1#管流出反应器，反应物流在反应器中的流动方向可以根据反应的类型和反应器的实际情况进行改变。

根据本发明第一方面的一种具体实施方式，所述柱体12可由上密封板和下密封板构成，其侧壁可以与壳体1的部分侧壁重合，也可以与壳体1的侧壁密封连接。柱体12内可以空心，可以实心，只要能够容纳微反应通道6即可。

根据本发明，在相同的反应条件和反应器直径下，增加柱体12的数量可以增加反应气体与催化剂活性中心的接触时间，提高转化率的作用，因此可以根据实际反应情况来调整柱体12的数量，所述柱体12的数量可以为2-500个，优选为5-50个。

根据本发明，为了提高原料气的转化率，在微反应通道6内设置有增加流体湍动作用的导流组件5，该导流组件5包括固定轴16和导流元件15。导流组件5与微反应通道6同轴，导流组件5两端分别固定于微反应通道6的下侧开口7、上侧开口4，导流元件15串联固定在固定轴16上，如图5、图6、图7、图12所示。在同一导流组件5使用的导流元件15大小可以是从微反应通道6的上侧开口4到下侧开口7逐渐减小，也可以逐渐增大，也可以不变，优选的同一导流组件5使用的导流元件15大小相同。导流元件15的朝向所述微反应通道6进气方向的一端为凸形，例如可以为选自半球体、半球面、球面、球体、实心圆锥体、圆锥面、空心锥体中的一种(分别如图12、图13、图14、图15、图16、图17和图18)。

进一步地，当导流元件15为实心圆锥体、空心椎体或圆锥面时，其底面直径小于微反应通道6的下侧开口7的直径与上侧开口4的直径中的较大者，优选地，其底面直径为微反应通道6的下侧开口7的直径与上侧开口4的直径之和的十分之一到五分之四，长度不大于微反应通道6长度的0.9倍，优选地，长度为微反应通道6长度的0.1-0.5倍；当导流元件15为半球体、半球面、球面或球体时，其球面直径小于微反应通道6的下侧开口7的直径与上侧开口4的直径中的较大者，优选地，其球面直径为微反应通道6的下侧开口7的直径与上侧开口4的直径之和的十分之一到五分之四。相邻两个导流元件15之间的距离不小于所述导流元件15的高度。

根据本发明，导流元件15和固定轴16可以采用金属材质、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；每个导流组件5所包括导流元件15的数量可以根据微反应通道6的尺寸和实际反应情况来调整，例如可以为3-100个。

根据本发明，为了使反应器能够用于催化反应，微反应通道6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，例如运用于合成气甲烷化反应时，负载的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，微反应通道6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、Y形管和梯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，为了保证反应效率，所述微反应通道6的直径可以在2-50毫米之间。许多气相化学反应伴随体积的变化，即体积增大或体积减小，为了增加这些反应的速率，微反应通道的直径可以变化，例如逐渐增大或逐渐减小。即当用于反应过程中气体体积减小的反应时，所述微反应通道6的直径可以从微反应通道6的原料入口向产物出口的方向逐渐减小(保证原料入口的直径大于产物出口的直径即可，也包括通道直径先减小后不变的情况)；当用于反应过程中气体体积增大的反应时，所述微反应通道6的直径也可以从微反应通道6的原料入口向产物出口的方向逐渐增大(保证原料入口的直径小于产物出口的直径即可，也包括通道直径先增大后不变的情况)。需要说明的是，当反应物流的流动方向为从上至下时，上述的“原料入口”指的是所述微反应通道6的上侧开口4，“产物出口”指的是所述微反应通道6的下侧开口7；相反，当反应物流的流动方向为从下至上时，上述的“原料入口”指的是所述微反应通道6的下侧开口7，“产物出口”指的是所述微反应通道6的上侧开口4。所述微反应通道6的上侧开口4的直径与下侧开口7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，为了兼顾反应效率和温度控制，所述微反应通道6的内部空间的总体积可以为轴向催化反应单元的体积的30％-90％，优选为40％-75％。

根据本发明，所述1#管15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。所述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，为了防止壳体1的底部过度受热，所述轴向催化反应单元的底部与壳体的底面之间可以设置有隔热材料区10。所述隔热材料区10内可以放置有本领域技术人员所熟知的单一材质或多种复合材质的隔热球、隔热毡毯或隔热带等隔热材料。

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和图4所示，本实施例所采用的反应器包括上端设有1#管9下端设有2#管11的承压壳体1，1#管9的下部设有第一气体分布器2，第一气体分布器3的下方设置有第二气体分布器14。壳体1内的轴向催化反应单元包括5个从上至下设置的柱体12，柱体12之间形成空隙8，轴向催化反应单元的底部与壳体1的底部之间设置有由隔热毡毯构成的隔热材料区10。柱体12由上密封板3和下密封板13以及壳体1的部分内壁构成，相互之间均为密封连接，柱体12内均为空心，每个柱体内设置有2420根(为显示清楚，未全部示出)轴向设置的微反应通道6。微反应通道6两端分别与柱体顶部密封板3、柱体底部密封板13密封连接；微反应通道6内设置有导流组件5，导流元件15选择的是大小相同的半球体，如图12所示。本实施例所采用的微反应通道6为如图8所示的锥形管。

壳体1的直径为550mm、高度为1500mm。柱体12的高度为150mm，所采用的锥形管微反应通道长度为150mm，锥形管上侧开口直径10mm，下侧开口直径4mm。导流元件半球体底面直径为2.5mm，相邻导流元件间距为5mm，每个导流组件包含15个导流元件(实施例中为了便于观察，未全部给出)，导流元件通过固定轴固定于反应通道内。所有微反应通道的总体积为轴向催化反应单元总体积的41.6％。

将本实施例的反应器应用于合成气甲烷化反应，锥形管中负载活性金属Ni量为25.2g/m²。合成气从1#管进入反应器，经过两级气体分布器后依次进入5个柱体，在柱体内发生甲烷化反应，通过2#管11从反应器出气口离开反应器。

表1中给出的是本实施例采用的反应器与现有技术中轴向反应器对比情况。两种反应器催化反应区具有相同尺寸，从CO转化率、使用寿命、床层压降以及活性金属Ni的用量四个指标可以看出，本发明提出的反应器都表现出了较为优异的性能，尤其是压降和活性金属使用量优势十分明显。

表1本实施例所采用的反应器与常规轴向反应器对比

反应器类型	CO转化率/(％)	使用寿命/(年)	压降/(kPa)	Ni用量/(kg)
					常规轴向反应器	63	2	8.2	64
本实施例的反应器	75	2.5	1.5	1.2

实施例2

如图2所示，本实施例反应器与实施例1的反应器壳体内径、柱体、微通道等结构参数相同。与实施例1不同之处在于，本实施例中导流元件15选择的是大小相同的球体，如图15所示。

本实施例采用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。锥形管中负载活性金属Fe量为27.5g/m²。合成气从1#管进入反应器，从反应器底部的2#管排除反应器。

表2中给出的是本发明采用的反应器与现有技术中轴向反应器对比情况。两种反应器催化反应区具有相同尺寸，从CO转化率、使用寿命、床层压降以及活性金属Fe的用量四个指标可以看出，本发明提出的反应器都表现出了较为优异的性能。

表2本实施例所采用的反应器与常规轴向反应器对比

实施例3

如图5所示，本实施例所采用的反应器与实施例2中采用的反应器壳体内径、柱体、微反应通道、导流元件等结构参数相同。与实施例2不同之处在于，本实施例将柱体倒置，即本实施例中的微反应通道6的上侧开口4为直径较小端，下侧开口7为直径较大端。

该反应器可以用于体积增大的催化反应，例如微通道反应器内表面负载Ru活性组分时，可以用于氨分解制氢反应，压降从常规轴向反应器的6.2kPa下降到1.5kPa，而Ru使用量从1.5kg下降到了0.08kg。可见本实施例中采用的催化反应器表现出了优异的性能，尤其是减少了贵金属Ru的使用量，可以显著降低反应器的投资。

本发明提供的催化反应器结构紧凑、活性金属用量少、床层压降小、产物停留时间短，原料转化率高、无气体偏流和短路现象。

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)

1.一种催化反应器，其特征在于，该反应器包括圆筒形密封承压壳体(1)、从所述壳体(1)顶部伸入到壳体内部的1#管(9)、从所述壳体(1)底部伸入到壳体内部的2#管(11)、以及设置在所述壳体(1)内所述1#管(9)下方所述2#管(11)上方的轴向催化反应单元；

所述轴向催化反应单元包括至少一个柱体(12)，柱体(12)与壳体(1)同轴，且柱体(12)的外侧面与壳体(1)的部分内侧面相抵触或相重合；上下相邻的两个柱体(12)之间形成有空隙(8)；每一个所述柱体(12)内设置有多个轴向穿过柱体(12)的微反应通道(6)，且所述1#管(9)与最上面的空隙(8)之间、相邻两个空隙(8)之间、以及最下方的空隙(8)与所述2#管(11)之间仅通过设置在所述柱体(12)内的微反应通道(6)流体连通；

所述微反应通道(6)内设置有增加流体湍动作用的导流组件(5)。

2.根据权利要求1的反应器，其中，所述柱体(12)的数量为2-500个。

3.根据权利要求1的反应器，其中，所述导流组件(5)包括与所述微反应通道(6)固定连接的固定轴(16)和串联在所述固定轴(16)上的导流元件(15)，所述导流元件(15)朝向所述微反应通道(6)进气方向的一端为凸形。

4.根据权利要求3的反应器，其中，所述导流元件(15)为选自实心圆锥体、空心椎体、圆锥面、半球体、半球面、球体和球面中的至少一种。

5.根据权利要求4的反应器，其中，所述实心圆锥体、空心椎体和圆锥面的底面直径小于微反应通道(6)的下侧开口(7)的直径与上侧开口(4)的直径中的较大者；所述半球体、半球面、球面和球体的球面直径小于微反应通道(6)的下侧开口(7)的直径与上侧开口(4)的直径中的较大者；相邻两个所述导流元件(15)的间距不小于所述导流元件(15)的高度。

6.根据权利要求3的反应器，其中，每个所述导流组件(5)包括3-100个所述导流元件(15)。

7.根据权利要求1的反应器，其中，所述微反应通道(6)的内表面负载有催化活性组分。

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

9.根据权利要求1的反应器，其中，所述微反应通道(6)的直径在2-50毫米之间；所述微反应通道(6)的上侧开口(4)的直径与下侧开口(7)的直径的比值为(0.04-25)：1；所述微反应通道(6)的内部空间的总体积为所述轴向催化反应单元的体积的30％-90％。

10.根据权利要求1的反应器，其中，所述轴向催化反应单元的底部与所述壳体(1)的底部之间设置有隔热材料区(10)。