CN109289710A - 一种气固轴径向二维流反应器 - Google Patents

一种气固轴径向二维流反应器 Download PDF

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孙予罕
张亚恒
唐志永
王刚
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/0278—Feeding reactive fluids

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
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Abstract

本发明提供一种气固轴径向二维流反应器，所述气固轴径向二维流反应器至少包括：外壳筒体、外多孔分布筒、内多孔分布筒、多层分形几何结构通道；所述外多孔分布筒和所述内多孔分布筒同轴设置于所述外壳筒体内，且所述外多孔分布筒的侧壁和所述内多孔分布筒的侧壁之间形成催化反应区；所述分形几何结构通道设置于所述催化反应区中，且所述分形几何结构通道与所述内多孔分布筒连通；所述分形几何结构通道表面设有多个孔体。本发明通过所述多层分形几何结构通道，可以使反应气沿床层分布更加均匀，从而改进气固两相间的反应效率，提高反应产物选择性及床层的热稳定性，同时内多孔分布筒的控制压降更小，降低了操作过程的能耗，有利于减少成本。

Description

一种气固轴径向二维流反应器
技术领域
本发明属于化工设备装置领域，涉及一种气固轴径向二维流反应器，特别是涉及一种具有分形结构以促进流体沿床层均匀分布的轴径向二维流固定床反应器。
背景技术
在化学工业和石油化工中，固定床反应器是一种最广泛应用的核心装置，主要包括轴向反应器和径向反应器两种型式。轴向反应器设计加工相对简单，但设备尺寸大、床层压降大，容易出现局部飞温及转化率低等问题；径向反应器具有床层压降小、空速大、生产能力高、可使用小颗粒催化剂、易于大型化等优点，但由于流体流道截面积大，催化剂床层一般很薄，存在着流体沿轴向分布不均匀问题。
反应气均布与否，直接影响到床层的温度与浓度分布，进而影响反应转化率、产物选择性及床层热稳定性。以往设计中通常采用控制分布筒开孔率，以增加开孔压降的方式来实现流体的均布。开孔率越小，开孔压降越大，均布的效果越好，但反应器运行能耗越大。因此低控制压降或无控制压降的均布技术是径向反应器的发展趋势，也成为径向反应器放大设计的关键。
分形几何最早由美国数学家B.B.Mandelbrot于1967年提出，分形结构具有自相似性，各分支流道可以起到均匀分流的作用。分叉网络中母管与子管间的最优化关系可由Murray定律确定。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种气固轴径向二维流反应器，用于解决现有技术中利用增加分布筒开孔压降实现流体均布的方式存在能耗大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种气固轴径向二维流反应器，所述气固轴径向二维流反应器至少包括：外壳筒体、外多孔分布筒、内多孔分布筒、多层分形几何结构通道；
所述外多孔分布筒和所述内多孔分布筒同轴设置于所述外壳筒体内，且所述外多孔分布筒的侧壁和所述内多孔分布筒的侧壁之间形成催化反应区；
所述分形几何结构通道设置于所述催化反应区中，且所述分形几何结构通道与所述内多孔分布筒连通；
所述分形几何结构通道表面设有多个孔体。
作为本发明气固轴径向二维流反应器的一种优化的方案，所述分形几何结构通道包括三至五个3级～5级对称双分叉结构，分叉角度介于73°～77°之间，同级支管的直径与长度均相同，后一级支管的直径与长度为前一级支管的0.75～0.85倍。
作为本发明气固轴径向二维流反应器的一种优化的方案，所述分形几何结构通道表面设有的所述孔体呈非均匀分布，所述孔体之间的间距根据变质量流动规律计算确定，以保证各开孔的流出气量一致。
作为本发明气固轴径向二维流反应器的一种优化的方案，所述分形几何结构通道沿所述内多孔分布筒的径向呈平行分布。
作为本发明气固轴径向二维流反应器的一种优化的方案，所述分形几何结构通道的上表面和下表面设有多个所述孔体。
作为本发明气固轴径向二维流反应器的一种优化的方案，所述分形几何结构通道的层间间距为所述内多孔分布筒直径的2倍～3倍。
作为本发明气固轴径向二维流反应器的一种优化的方案，所述孔体形状包括圆孔状及长条状中的一种，开孔直径介于0.8mm～1.5mm之间。
作为本发明气固轴径向二维流反应器的一种优化的方案，所述外多孔分布筒和所述内多孔分布筒表面的开孔形状包括圆孔状及长条状中的一种，开孔直径介于1mm～3mm之间。
作为本发明气固轴径向二维流反应器的一种优化的方案，所述外壳筒体上设有与所述催化反应区连通的催化剂入口，通过所述催化剂入口往所述催化反应区输入催化剂形成催化剂床层。
作为本发明气固轴径向二维流反应器的一种优化的方案，所述外壳筒体上还设有与所述内多孔分布筒连通的反应气入口。
作为本发明气固轴径向二维流反应器的一种优化的方案，所述外壳筒体上还设有反应产物出口和催化剂卸料口。
作为本发明气固轴径向二维流反应器的一种优化的方案，反应气进入所述内多孔分布筒，一部分所述反应气通过所述内多孔分布筒表面的开孔沿径向进入所述催化剂反应区进行反应，另一部分所述反应气通过所述分形几何结构通道上下表面的孔体沿轴向进入所述催化剂反应区进行反应。
如上所述，本发明的气固轴径向二维流反应器，具有以下有益效果：
1、本发明通过轴径向二维流动的方式促进反应气在催化剂床层中均匀分布，与传统通过加大分布筒控制压降的方式相比，降低了操作过程的能耗，有利于降低成本。
2、本发明通过分形几何结构通道，可以使反应气沿催化剂床层分布更加均匀，改进了气固两相间的反应效率，提高了反应产物选择性及床层的热稳定性，避免了径向方向上由于反应物浓度的不同，而造成放热不均。
3、本发明的轴径向二维流反应器与传统径向反应器相比，通过分形几何结构通道可以分流一部分气体沿轴向通过催化剂床层，这样可以减小内多孔分布筒直径和反应器高度，有利于反应器工业化放大。
附图说明
图1为本发明气固轴径向二维流反应器的结构示意图。
图2为本发明气固轴径向二维流反应器中分形几何结构通道的主视图。
图3为本发明气固轴径向二维流反应器中分形几何结构通道的俯视图。
元件标号说明
1 外壳筒体
2 外多孔分布筒
3 内多孔分布筒
4 多层分形几何结构通道
5 催化反应区
6 催化剂入口
7 反应气入口
8 反应产物出口
9 催化剂卸料口
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种气固轴径向二维流反应器，所述气固轴径向二维流反应器至少包括：外壳筒体1、外多孔分布筒2、内多孔分布筒3、多层分形几何结构通道4；
所述外多孔分布筒2和所述内多孔分布筒3同轴设置于所述外壳筒体1内，且所述外多孔分布筒2的侧壁和所述内多孔分布筒3的侧壁之间形成催化反应区5；
所述分形几何结构通道4设置于所述催化反应区5中，且所述分形几何结构通道4与所述内多孔分布筒3连通；
所述分形几何结构通道4表面设有多个孔体(未予以图示)。
本发明提供的轴径向二维流固定床反应器具有多层分形几何结构通道4，在较低的分布筒控制压降下，通过多层分形几何结构通道4促进反应物沿床层均匀分布，以提高反应器的空间利用率和时空产率，改进反应效率，并降低反应器的能耗。
其中，所述内多孔分布筒3围成区域为分流主流道，外多孔分布筒2与外壳筒体1间构成集流主流道，多层分形几何结构通道4与分流主流道连通。
作为示例，所述外壳筒体1上设有与所述催化反应区5连通的催化剂入口6，通过所述催化剂入口6往所述催化反应区5输入催化剂形成催化剂床层。所述外壳筒体1上还设有与所述内多孔分布筒3连通的反应气入口7。另外，所述外壳筒体1上还设有反应产物出口8和催化剂卸料口9。
作为示例，所述分形几何结构通道4包括三至五个3级～5级对称双分叉结构，分叉角度介于73°～77°之间，同级支管的直径与长度均相同，后一级支管的直径与长度为前一级支管的0.75～0.85倍。
本实施例中，如图2和图3所示，所述分形几何结构通道4优选为四个3级对称双分叉结构，分叉角度为75°，同级支管的直径与长度均相同，后一级支管的直径与长度为前一级支管的0.79倍。本发明所述分形几何结构通道4结构的设计满足Murray定律，使得反应气在流动输运过程中的能耗最小，降低成本。
本发明可以仅在所述分形几何结构通道4的上表面和下表面设置多个所述孔体，以使反应气经过所述分形几何结构通道4后沿轴向进入所述催化剂反应区5进行反应。
作为示例，所述分形几何结构通道4表面设有的所述孔体呈非均匀分布，所述孔体之间的间距根据变质量流动规律计算确定，以保证各开孔的流出气量一致。其中，变质量流动规律主要是利用动量交换系数对动量方程式进行修正，以描述变质量流动过程，可以得到流道的静压分布。根据流道的静压分布，静压小的位置其孔体设置可以较为密集，间距小；其静压大的位置其孔体设置可以较为松散，间距大。
如图2所示，作为示例，所述分形几何结构通道4沿所述内多孔分布筒3的径向呈平行分布。所述分形几何结构通道4的层数根据实际反应器高度与所述内多孔分布筒3的直径确定，所述分形几何结构通道4的层间间距为所述内多孔分布筒3直径的2倍～3倍。本实施例中，所述分形几何结构通道4的层间间距为所述内多孔分布筒3直径的2倍。
作为示例，所述孔体形状包括圆孔状及长条状中的一种，开孔直径介于0.8mm～1.5mm之间。本实施例中，所述孔体形状优选为圆孔状，开孔直径1mm。
作为示例，所述外多孔分布筒2和所述内多孔分布筒3表面的开孔形状包括圆孔状及长条状中的一种，开孔直径介于1mm～3mm之间。本实施例中，所述外多孔分布筒2和所述内多孔分布筒3表面的开孔形状优选为圆孔状，开孔直径2mm。
反应气通过本发明的气固轴径向二维流反应器的具体流动路径如下：
反应气通过反应气入口7进入由内多孔分布筒3围成的分流主流道，其中，一部分反应气通过内多孔分布筒3的开孔沿着径向方向通过催化剂床层，另一部分反应气通过多层分形几何结构通道4的上下侧开孔沿着轴向方向通过催化剂床层，反应气与催化剂接触反应后，产物沿集流流道从反应产物出口排出。通过上述轴径向二维流向方式，增加了反应气沿催化剂床层的均匀分布，可增大内多孔分布筒开孔率，从而降低开孔控制压降，减少操作过程的能耗。
综上所述，本发明提供一种气固轴径向二维流反应器，所述气固轴径向二维流反应器至少包括：外壳筒体、外多孔分布筒、内多孔分布筒、多层分形几何结构通道；所述外多孔分布筒和所述内多孔分布筒同轴设置于所述外壳筒体内，且所述外多孔分布筒的侧壁和所述内多孔分布筒的侧壁之间形成催化反应区；所述分形几何结构通道设置于所述催化反应区中，且所述分形几何结构通道与所述内多孔分布筒连通；所述分形几何结构通道表面设有多个孔体。本发明通过所述多层分形几何结构通道，可以使反应气沿床层分布更加均匀，改进了气固两相间的反应效率，提高了反应产物选择性及床层的热稳定性，同时内多孔分布筒的控制压降更小，降低了操作过程的能耗，有利于减少成本。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种气固轴径向二维流反应器，其特征在于，所述气固轴径向二维流反应器至少包括：外壳筒体、外多孔分布筒、内多孔分布筒、多层分形几何结构通道；
所述外多孔分布筒和所述内多孔分布筒同轴设置于所述外壳筒体内，且所述外多孔分布筒的侧壁和所述内多孔分布筒的侧壁之间形成催化反应区；
所述分形几何结构通道设置于所述催化反应区中，且所述分形几何结构通道与所述内多孔分布筒连通；
所述分形几何结构通道表面设有多个孔体。
2.根据权利要求1所述的气固轴径向二维流反应器，其特征在于：所述分形几何结构通道包括三至五个3级～5级对称双分叉结构，分叉角度介于73°～77°之间，其中，同级支管的直径与长度均相同，后一级支管的直径与长度为前一级支管的0.75～0.85倍。
3.根据权利要求1所述的气固轴径向二维流反应器，其特征在于：所述分形几何结构通道表面设有的所述孔体呈非均匀分布，所述孔体之间的间距根据变质量流动规律计算确定，以保证各开孔的流出气量一致。
4.根据权利要求1所述的气固轴径向二维流反应器，其特征在于：所述分形几何结构通道沿所述内多孔分布筒的径向呈平行分布。
5.根据权利要求1所述的气固轴径向二维流反应器，其特征在于：所述分形几何结构通道的上表面和下表面设有多个所述孔体，以使反应气经过所述分形几何结构通道后沿轴向进入所述催化剂反应区进行反应。
6.根据权利要求1所述的气固轴径向二维流反应器，其特征在于：所述分形几何结构通道的层间间距为所述内多孔分布筒直径的2倍～3倍。
7.根据权利要求1所述的气固轴径向二维流反应器，其特征在于：所述孔体形状包括圆孔状及长条状中的一种，直径介于0.8mm～1.5mm之间。
8.根据权利要求1所述的气固轴径向二维流反应器，其特征在于：所述外多孔分布筒和所述内多孔分布筒表面的开孔形状包括圆孔状及长条状中的一种，开孔直径介于1mm～3mm之间。
9.根据权利要求1所述的气固轴径向二维流反应器，其特征在于：所述外壳筒体上设有与所述催化反应区连通的催化剂入口，通过所述催化剂入口往所述催化反应区输入催化剂形成催化剂床层。
10.根据权利要求1所述的气固轴径向二维流反应器，其特征在于：所述外壳筒体上还设有与所述内多孔分布筒连通的反应气入口。
11.根据权利要求1所述的气固轴径向二维流反应器，其特征在于：所述外壳筒体上还设有反应产物出口和催化剂卸料口。
12.根据权利要求1所述的气固轴径向二维流反应器，其特征在于：反应气进入所述内多孔分布筒，一部分所述反应气通过所述内多孔分布筒表面的开孔沿径向进入所述催化剂反应区进行反应，另一部分所述反应气通过所述分形几何结构通道表面的孔体沿轴向进入所述催化剂反应区进行反应。
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