CN107617392B - 一种催化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化反应器，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第一直管(19)、从所述壳体(1)底部伸入到壳体内部的第二直管(10)、设置在所述壳体(1)内所述第一直管(19)下方所述第二直管(10)上方的催化反应单元。与现有技术相比，本发明的催化反应器结构紧凑、活性金属用量少、目标产物选择性高、床层压降小、温度低、床层不会出现“飞温”现象。

Description

一种催化反应器

技术领域

本发明涉及化工机械领域，具体地，涉及一种催化反应器。

背景技术

固定床反应器主要包括轴向固定床反应器和径向固定床反应器两种类型。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、转化率低以及放大效应明显等问题。径向床反应器高径比较大、床层压降小且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，并且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的传热、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、停留时间短以及阻力小等特点，其传质、传热和反应效果较普通反应器高1至3个数量级；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。

对于放热反应而言，控制工艺气和床层的温度至关重要。现有技术中，一般从工艺流程和反应器选型两方面对工艺气和床层的温度进行控制：(1)采用在各段反应器之间设置废热锅炉或蒸汽过热器的工艺流程，来对高温工艺气体进行降温处理，如，中国专利CN104152201A、CN104312651A；或是采用循环部分产品气来稀释原料气，从而达到控制转化深度的目的，如中国专利CN103740428A、CN103013598A、CN103540376A、CN103710425A，虽然采用循环工艺可以降低床层温度，但是需要设置循环压缩机，增加了投资和能耗，同时循环物料增加了床层失活的风险；(2)采用列管式反应器，或者通过移热手段移出床层部分热量，从而起到降低床层温度的目的，如专利CN105154128A、CN204469677U公开的技术。另外，CN104818065A通过向原料气中通入水蒸气能够抑制催化剂积炭，CN104971666A通过在床层中通入脱盐水，可以降低床层温度。现有反应器采用通入水蒸气降温的方法的不足之处在于床层压降大且原料转化率低，容易出现局部“飞温”现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种催化反应器，该催化反应器可以解决现有的反应器用于放热反应时存在的床层压降大、原料转化率低和床层易失活等技术问题，该催化反应器催化剂活性组分使用量少、压降低、床层温度低且不会出现“飞温”现象。

为了实现上述目的，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、从壳体顶部伸入到壳体内部的第一直管、从壳体底部伸入到壳体内部的第二直管、设置在壳体内第一直管下方第二直管上方的径向催化反应区；径向催化反应区的上下分别由顶部密封板和底部密封板密封，径向催化反应区包括中心筒以及包括或不包括套设在中心筒外的至少一个套筒；中心筒具有中心管，中心管穿过底部密封板与第二直管流体连通；中心筒外侧壁与最内层套筒的内侧壁之间以及相邻套筒的筒壁之间形成有空隙；最外层的套筒的外壁或者不存在套筒时的中心筒的外壁与壳体的内壁之间形成有环隙；中心筒和套筒各自独立地具有可径向流体连通的径向催化反应区或者径向微通道反应区，径向微通道反应区中包括至少一个径向设置的径向微反应通道，径向微通道反应区与中心筒或套筒的外部仅通过该径向微反应通道流体连通；第一直管通过其下方的环隙与最外层套筒或者不存在套筒时的中心筒的径向催化反应区或径向微通道反应区连通；中心筒中的径向催化反应区或径向微通道反应区通过中心管与第二直管流体连通；壳体的侧壁上设置有至少一对冷却介质入口和冷却介质出口，冷却介质入口通过冷却介质管线与冷却介质出口流体连通；冷却介质管线均匀布设于中心筒与套筒的筒壁之间形成的空隙和/或相邻两个套筒之间形成的空隙中；径向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，径向微反应通道的直径在2-50毫米之间；径向微反应通道的直径从微通道反应物入口向微通道反应产物出口的方向逐渐减小；微通道反应物入口的直径与微通道反应产物出口的直径的比值为(1.1-25)：1；径向微反应通道的内部空间的总体积为径向微通道反应区的体积的30％-80％。

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

优选地，导流元件为选自半球体、半球面、球面、球体、实心锥体、锥形面和空心锥体中的至少一种。

优选地，实心锥体、锥形面和空心锥体的底面直径以及半球体、半球面、球面和球体的球面直径均小于径向微反应通道的微通道反应产物出口的直径与径向微反应通道的微通道反应物入口的直径中的较大者；相邻两个导流元件的间距不小于实心锥体、锥形面和空心锥体的底面直径或半球体、半球面、球面和球体的球面直径。

优选地，每个导流组件包括3-100个导流元件。

优选地，套筒的数量为1-100个。

优选地，径向微反应通道的内表面和/或导流元件的外表面负载有催化活性组分。

优选地，催化反应单元的底部与壳体的底部之间设置有隔热材料区。

与现有技术相比，本发明的催化反应器具有以下优点：

1、将径向微通道反应区与常规的径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、微反应通道内设置有增加流体湍动作用的导流组件，且导流组件与径向微反应通道同轴，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；

3、径向微通道反应区由若干大小相同的微反应通道构成，起到分布反应物料的作用；中心筒和套筒之间以及相邻套筒之间形成的空隙起到缓冲物料的作用，使得催化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；

4、采用涂覆有反应活性催化剂的径向微反应通道和/或导流元件，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％-85％，有效地降低了催化剂生产成本；

5、中心筒与套筒之间、以及相邻套筒之间设置有冷却介质管线，冷却介质入口通过所述冷却介质管线与冷却介质出口流体连通。能够降低床层温度，且床层温度较为均匀，不会出现热点，可以避免催化剂结焦，延长使用寿命。

6、可以根据实际的工业生产能力要求，通过套筒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、本发明提供的移热功能反应器不仅可以运用于煤制烯烃、煤替代天然气和焦炉煤气甲烷化工艺，还可用于合成氨、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是本发明提供的反应器的另一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3中A-A面的剖视图)；

图5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6是本发明提供的反应器的第三种具体实施方式的剖视图(即图5中A-A面的剖视图)；

图7是本发明提供的反应器的第四种具体实施方式的结构示意图；

图8是本发明提供的反应器的第四种具体实施方式的剖视图(即图7中A-A面的剖视图)；

图9是本发明提供的反应器的第五种具体实施方式的结构示意图；

图10是本发明提供的反应器的第五种具体实施方式的剖视图(即图9中A-A面的剖视图)；

图11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12是本发明提供的锥形管微反应通道的剖视图(即图11中B-B面的剖视图)。

图13是本发明提供的锥形管微反应通道的剖视图(即图11中C-C面的剖视图)；

图14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15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16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17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18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19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20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21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22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(实心锥体)的示意图。

图23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(锥形面)的示意图；

图24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 顶部密封板

4 微通道反应气体入口 5 微通道反应产物出口 6 环隙

7 空隙 8 中心筒 9 套筒外侧壁 10 第二直管

11 隔热材料区 12 底部密封板 13 套筒 14 中心管

15 中心筒外侧壁 16 套筒内侧壁 17 微反应通道

18 第二气体分布器 19 第一直管 20 冷却介质管线

21 导流组件 22 固定轴 23 导流元件

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、从壳体1顶部伸入到壳体内部的第一直管19、从壳体1底部伸入到壳体内部的第二直管10、设置在壳体1内所述第一直管19下方第二直管10上方的径向催化反应区；径向催化反应区的上下分别由顶部密封板3和底部密封板12密封，径向催化反应区包括中心筒8以及包括或不包括套设在中心筒8外的至少一个套筒13；中心筒8具有中心管14，中心管14穿过底部密封板12与第二直管10流体连通；中心筒外侧壁15与最内层套筒的内侧壁16之间以及相邻套筒13的筒壁之间形成有空隙7；最外层的套筒13的外壁或者不存在套筒13时的中心筒8的外壁与壳体1的内壁之间形成有环隙6；中心筒8和套筒13各自独立地具有可径向流体连通的径向催化反应区或者径向微通道反应区，径向微通道反应区中包括至少一个径向设置的径向微反应通道17，径向微通道反应区与中心筒8或套筒13的外部仅通过该径向微反应通道17流体连通；第一直管19通过其下方的环隙6与最外层套筒13或者不存在套筒13时的中心筒8的径向催化反应区或径向微通道反应区连通；中心筒8中的径向催化反应区或径向微通道反应区通过中心管14与第二直管10流体连通；壳体1的侧壁上设置有至少一对冷却介质入口和冷却介质出口，冷却介质入口通过冷却介质管线20与冷却介质出口流体连通；冷却介质管线20均匀布设于中心筒8与套筒13的筒壁之间形成的空隙7和/或相邻两个套筒13之间形成的空隙7中；径向微反应通道17内设置有增加流体湍动作用的导流组件21。

根据本发明，中心筒8以及套筒13均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17即可。中心筒8的直径与中心管14的直径之比以及中心筒8的直径与套筒13的直径之比均可以为适合的任意比。

根据本发明，为了达到提高流体均匀度，提高原料转化率的目的，径向催化反应区可以位于径向微通道反应区的筒体内部或者外部，只要保证反应物的流动方向为先经过径向微通道反应区后经过径向催化反应区即可，例如，当中心筒8具有径向催化反应区，套筒13具有径向微通道反应区时，径向催化反应区位于径向微通道反应区的筒体内部，反应物从第一直管19进入反应器，依次经过套筒13和中心筒8，在中心管14处汇集后经第二直管10排出反应器；而当中心筒8具有径向微通道反应区，套筒13具有径向催化反应区时，径向催化反应区位于径向微通道反应区的筒体外部，反应物则从反应器底部的第二直管10进入反应器，依次经过中心筒8和套筒13后经第一直管19排出反应器。中心筒8与套筒13的体积比可以为适合的任意比。

根据本发明，在相同的反应条件和反应器直径下，增加套筒13的数量可以增加反应气体与催化剂的接触时间，降低反应气体流速，从而达到减小压降，提高转化率的作用，因此可以根据实际反映情况来调整套筒13的数量，优选情况下，套筒13的数量为1-500个，更优选地，套筒13的数量为1-100个。

根据本发明，为了保证反应效率，径向微反应通道17的直径可以在2-50毫米之间。微反应通道17的直径可以从微通道反应物入口4向微通道反应产物出口5的方向逐渐减小(保证微通道反应气体入口4的直径大于微通道反应产物出口5的直径即可，也包括通道直径先减小后不变的情况)。优选地，微通道反应气体入口4的直径与所述微通道反应产物出口5的直径的比值可以为(1.1-25)：1，进一步优选为(2-10)：1。需要说明的是，如果将发明的反应器用于气体体积增大或不变的反应，可以根据该反应的具体情况设置微反应通道17的直径。

根据本发明，为了兼顾反应效率和反应器的温度控制，径向微反应通道17的内部空间的总体积可以为催化反应区的体积的30％-80％，优选为40％-65％。

根据本发明，径向微反应通道17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14、图15、图16和图17所示)；应该理解的是，微通道反应气体入口4的直径大于微通道反应产物出口5的直径。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，为了提高原料气的转化率，在径向微反应通道17内设置有增加流体湍动作用的导流组件21，导流组件21包括与径向微反应通道17固定连接的固定轴22和串联在固定轴22上的导流元件23，导流组件21两端分别固定于微通道反应气体入口4、微通道反应产物出口5，如图11、图12、图13所示。在同一导流组件21使用的导流元件23大小可以是从微通道反应气体入口4到微通道反应产物出口5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21使用的导流元件23大小相同。导流元件23的朝向所述径向微反应通道17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、实心锥体、锥形面和空心锥体中的一种(分别如图18、图19、图20、图21、图22、图23和图24)。

根据本发明，进一步地，导流元件23为实心锥体、锥形面和空心锥体时，其底面直径均小于径向微反应通道17的微通道反应产物出口5的直径与微通道反应物入口的直径中的较大者，相邻两个导流元件23的间距优选地可以不小于实心锥体、锥形面或空心锥体的底面直径；当导流元件23为半球体、半球面、球面和球体时，其球面直径均小于径向微反应通道17的微通道反应产物出口的直径与微通道反应物入口的直径中的较大者，相邻两个导流元件23的间距优选地可以不小于半球体、半球面、球面和球体的球面直径。

根据本发明，导流元件23和固定轴22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；每个导流组件21所包括导流元件23的数量可以根据径向微反应通道17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，为了使微通道反应器能够用于催化反应，径向微反应通道17的内表面和/或导流元件的外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，为了防止壳体1的底部过度受热以及阻止催化反应单元向下移动，催化反应单元的底部与壳体1的底部之间可以设置有隔热材料区11。隔热材料区11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。

根据本发明，第一直管19的下部可以设置有至少一个用于分布送入反应器的反应气的气体分布器2。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，优选地，第一直管19的下部可以设置有第一气体分布器2和第二气体分布器18两个气体分布器。

在本发明的另一种实施方式中，所述反应器可以不使用冷却介质管线，为了降低床层温度并使床层温度较为均匀，冷却介质可以从壳体1外侧的冷却介质入口进入壳体1内，所述冷却介质入口与通过冷却介质管线同所述套筒13的内壁与所述微反应通道17的外壁所形成的腔室流体连通，该腔室通过两根穿过隔热材料区11的冷却介质管线与所述冷却介质出口流体连通，将冷却介质送出反应器。

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，本实施例所采用的催化反应器包括上端设有第一直管19、下端设有第二直管10的承压壳体1，所述第一直管19的上部设置有进气口，下部设有第一气体分布器2，第一气体分布器2的下方设置有第二气体分布器18。设置在所述壳体1内所述第一直管19的下方的由微通道构成的套筒13，装填催化剂的中心筒8。所述套筒13与中心筒8共用底部密封板12和顶部密封板3。套筒13内均为空心，如图2所示。所述套筒13内设置有99094根(为显示清楚，未全部示出)径向设置的微反应通道17。所述微反应通道17的结构，如图11所示，两端分别与套筒内侧壁16、套筒外侧壁9密封连接。所述微反应通道17内设置有导流组件21，导流元件23选择的是大小相同的半球体，如图18所示。所述套筒13和中心筒8之间的空隙7内设置有冷却介质管线20。冷却介质从壳体1外侧的冷却介质入口进入壳体1内部，通过设置在空隙7内环绕中心筒8的冷却介质管线20对反应器进行降温，冷却介质从反应器底部冷却介质出口离开反应器。

套筒13、中心筒8高度为1050mm，壳体内径900mm，所采用的锥形管微反应通道长度为100mm，锥形管入口处直径10mm，出口处直径4mm，所有锥形管的总体积占套筒13体积的比例为44.3％。环隙间距为30mm，套筒13与中心筒8之间的空隙7间距为15mm，中心管14直径为150mm，中心筒径向床层厚度为230mm。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10个导流元件(实施例中为了便于观察，未全部给出)，半球体导流元件朝向径向微反应通道进气方向的一端为凸形。

本实施例采用的催化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32.5g/m²。合成气从进气口进入反应器，依次通过套筒、中心筒发生反应，反应产物在中心管中汇集，从反应器底部出气口离开反应器。原料气体积比为V(H₂)/V(CO)＝2，空速为1500h^-1，反应温度300℃、压力为1.5MPa。

表1中给出的是本实施例的催化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、目标产物的选择性、使用寿命、床层压降、温度以及活性金属Fe的用量五个指标可以看出，本实施例的催化反应器都表现出了较为优异的性能。

表1本发明提出的反应器与轴向反应器对比

实施例2

如图3、图4所示，本实施例所采用的催化反应器与实施例1的催化反应器壳体内径、中心筒等结构参数相同。与实施例1不同之处在于，本实施例中采用2个套筒，在套筒之间、套筒与中心筒之间都设置有冷却介质管线，环隙间距仍为30mm，空隙间距为10mm，中心管14直径为150mm，中心筒8径向床层厚度为175mm，锥形管微反应通道长度为75mm，锥形管入口处直径8mm，出口处直径4mm，所有锥形管的总体积占套筒13体积的比例为48.6％。导流元件半球体底面直径为3mm，相邻导流元件间距为5mm，每个导流组件包含7个导流元件(实施例中为了便于观察，未全部给出)，半球体导流元件的球缺方向与原料气的流动方向一致。

本实施例采用的催化反应器同样可应用于合成气在Fe基催化剂合成C₂ ^＝、C₃ ^＝等小分子烯烃。反应工艺条件与实施例1相同。得到的反应结果与实施例1相比，CO转化率、烯烃选择性、使用寿命以及床层温度等基本相同，不同之处在于，本实施例中的床层压降为2.8kPa，活性金属Fe使用量为23.7kg。

实施例3

如图5、图6所示，本实施例所采用的催化反应器与实施例1的催化反应器壳体内径、中心筒、套筒等结构参数相同。与实施例1不同之处在于，本实施中不使用冷却介质管线，冷却介质从壳体1外侧的冷却介质入口进入壳体1内，所述冷却介质入口与通过冷却介质管线同所述套筒13的内壁与所述微反应通道17的外壁所形成的腔室流体连通，该腔室通过两根穿过隔热材料区11的冷却介质管线与所述冷却介质出口流体连通，将冷却介质送出反应器。

本实施例采用的催化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。反应工艺条件与实施例1相同。得到的反应结果与实施例1相比，CO转化率、烯烃选择性、使用寿命以及活性金属使用量等基本相同，不同之处在于，本实施例中的床层温度285℃、床层压降为2.5kPa。

实施例4

如图7、图8所示，本实施例催化反应器与实施例3的催化反应器壳体内径、中心筒、套筒等结构参数相同。与实施例3不同之处在于，本实施例中套筒为装填常规催化剂反应区，中心筒设置为微通道反应区。

本实施例同样不使用冷却介质管线，而是将所述冷却介质入口与通过冷却介质管线同所述套筒13的内壁与所述微反应通道17的外壁所形成的腔室流体连通，该腔室通过两根穿过隔热材料区11的冷却介质管线与所述冷却介质出口流体连通，将冷却介质送出反应器。

所采用的锥形管微反应通道长度为100mm，锥形管入口直径10mm，出口直径4mm。中心管直径为150mm，环隙为30mm，空隙为15mm，径向床层厚度为230mm。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10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套筒13总体积的54.6％。

将本发明提出的催化反应器应用于合成气甲烷化反应，锥形管内表面、半球体外表面负载活性金属Ni量为30.4g/m²。合成气从反应器底部进入反应器，先进入中心管，依次通过中心筒、空隙、套筒、环隙，从反应器顶部离开反应器。

表2中给出的是本实施例的催化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、目标产物的选择性、使用寿命、床层压降、床层温度以及活性金属Ni的用量六个指标可以看出，本发明提出的催化反应器都表现出了较为优异的性能，尤其是压降、床层温度和活性金属使用量优势十分明显。

表2本发明提出的反应器与轴向反应器对比

实施例5

如图9、图10所示，本实施例催化反应器与实施例4的催化反应器壳体内径、中心筒、套筒等结构参数相同。与实施例4不同之处在于，本实施例中套筒与中心筒之间的空隙内设置有冷却介质管线。

本实施例采用的催化反应器同样可应用于合成气甲烷化反应。反应工艺条件与实施例4相同。得到的反应结果与实施例4相比，CO转化率为80％、CH₄选择性为95％，床层压降为1.9kPa，床层温度598℃，活性金属Ni用量、使用寿命等与实施例4基本相同。

本发明提供的催化反应器结构紧凑、活性金属用量少、目标产物选择性高、床层压降小、温度低、床层不会出现“飞温”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 (9)

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第一直管(19)、从所述壳体(1)底部伸入到壳体内部的第二直管(10)、设置在所述壳体(1)内所述第一直管(19)下方所述第二直管(10)上方的径向催化反应区；

所述径向催化反应区的上下分别由顶部密封板(3)和底部密封板(12)密封，所述径向催化反应区包括中心筒(8)以及套设在中心筒(8)外的至少一个套筒(13)；中心筒(8)具有中心管(14)，中心管(14)穿过底部密封板(12)与第二直管(10)流体连通；中心筒外侧壁(15)与最内层套筒的内侧壁(16)之间以及相邻套筒(13)的筒壁之间形成有空隙(7)；最外层的套筒(13)的外壁与壳体(1)的内壁之间形成有环隙(6)；

所述中心筒(8)和套筒(13)各自独立地具有可径向流体连通的径向催化反应区或者径向微通道反应区，所述径向微通道反应区中包括至少一个径向设置的径向微反应通道(17)，所述径向微通道反应区与所述中心筒(8)或套筒(13)的外部仅通过该径向微反应通道(17)流体连通；所述第一直管(19)通过其下方的环隙(6)与最外层套筒(13)的径向催化反应区或径向微通道反应区连通；中心筒(8)中的径向催化反应区或径向微通道反应区通过中心管(14)与第二直管(10)流体连通；

所述壳体(1)的侧壁上设置有至少一对冷却介质入口和冷却介质出口，所述冷却介质入口通过冷却介质管线(20)与所述冷却介质出口流体连通；所述冷却介质管线(20)均匀布设于所述中心筒(8)与套筒(13)的筒壁之间形成的空隙(7)和/或相邻两个套筒(13)之间形成的空隙(7)中；

所述径向微反应通道(17)内设置有增加流体湍动作用的导流组件(21)；每个所述导流组件(21)包括3-100个导流元件(23)；所述导流元件(23)的外表面负载有催化活性组分。

2.根据权利要求1所述的催化反应器，其中，所述径向微反应通道(17)的直径在2-50毫米之间；所述径向微反应通道(17)的直径从微通道反应物入口(4)向微通道反应产物出口(5)的方向逐渐减小；所述微通道反应物入口(4)的直径与所述微通道反应产物出口(5)的直径的比值为(1.1-25)：1；所述径向微反应通道(17)的内部空间的总体积为所述径向微通道反应区的体积的30％-80％。

3.根据权利要求1所述的催化反应器，其中，所述径向微反应通道(17)为选自锥形管、喇叭形管、Y形管和梯形管中的其中一种。

4.根据权利要求1所述的催化反应器，其中，所述导流组件(21)包括与所述径向微反应通道(17)固定连接的固定轴(22)和串联在所述固定轴(22)上的导流元件(23)，所述导流元件(23)朝向所述径向微反应通道(17)进气方向的一端为凸形。

5.根据权利要求4所述的催化反应器，其中，所述导流元件(23)为选自半球体、半球面、球面、球体、实心锥体、锥形面和空心锥体中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的催化反应器，其中，所述实心锥体、锥形面和空心锥体的底面直径以及所述半球体、半球面、球面和球体的球面直径均小于径向微反应通道(17)的微通道反应产物出口(5)的直径与径向微反应通道(17)的微通道反应物入口(4)的直径中的较大者；相邻两个所述导流元件(23)的间距不小于所述实心锥体、锥形面和空心锥体的底面直径或所述半球体、半球面、球面和球体的球面直径。

7.根据权利要求1所述的催化反应器，其中，所述套筒(13)的数量为1-100个。

8.根据权利要求1所述的催化反应器，其中，所述径向微反应通道(17)的内表面负载有催化活性组分。

9.根据权利要求1所述的催化反应器，其中，所述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(11)。

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