CN110075763A - 格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器 - Google Patents

格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器，所述固定床反应器本体设有入口整流罩、壳体以及出口整流罩，所述壳体内部为长方形截面通道，通道内部设置有格栅支撑颗粒有序堆积，所述颗粒为固体催化剂或反应物颗粒。其中，格栅支撑颗粒有序堆积是类体心立方堆积和类面心立方堆积。通过格栅支撑固定所述颗粒，所述格栅支撑是规律分布着圆形或方形通孔的平板格栅结构，用于快速得到所需的颗粒有序堆积以及格栅通道。采用本发明中的格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床，可以有效地完成高压条件下的反应、减少通道内流体泵功，减少颗粒磨损等。

Description

格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器
技术领域
本发明涉及反应器技术领域，涉及固定床反应器和颗粒有序堆积结构。用于快速准确地构建颗粒有序堆积结构固定床，从而实现高效的换热、储能、除尘或化学反应。
背景技术
固定床反应器是石油化工、储能和除尘净化领域中的一种常见反应器，如氨合成塔、二氧化硫接触氧化器、太阳能集热器和气体净化器等。
球形颗粒堆积床常被应用在固定床反应器中，具有其结构紧凑、内部比表面积大、流动扰动性强、设计制造简单以及运行稳定等优点，主要用于实现气(液)固相反应及气体净化等。颗粒堆积床可分为有序堆积和无序堆积，无序堆积床由于其结构简单、易于实现和成本低的优势广泛应用于工业生产，而理想有序堆积结构通常包括简单堆积(SC)、面心立方堆积(FCC)和体心立方堆积(BCC)。
现有的工业生产中的无序颗粒堆积床会造成流体压力损失大，极端温度点难以预测，颗粒磨损严重等问题。但颗粒有序堆积结构能够有效地降低流体的压力损失，减少颗粒磨损。除此之外，颗粒有序堆积结构孔隙内流体流动规则具有周期性，温度场分布具有可预测性。
如果热负荷比较大，反应器常采用较小的管径-粒径比，以利于热量通过壁面冷却快速移除。对于这种小管径-球径比的固定床由于其壁面效应的显著性，流动的不均匀性会很严重，而流动不均匀性会严重地影响固定床内部的反应和传递过程。而使用颗粒有序堆积，其规律的孔隙分布则可避免壁面效应的影响。
但是对于包含了大量颗粒的固定床反应器而言，如何在避免壁面效应的同时结合有序堆积结构成为研究和生产的难点。
在已发表的专利文献中，已经提出在管径-粒径比大于等于1时格栅通道内的颗粒堆积及内部流动换热的情况。但尚未有管径-粒径比小于1的想法提出，本发明基于小管径-粒径比(N<1)和理想有序堆积，提出了类体心立方堆积和类面心立方堆积结构。
发明内容
本发明针对上述研究的限制与不足，提供一种格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器。本发明的固定床反应器采用具有一定厚度的壳体，有良好的承压能力，可应用于高压工业设备中。本发明可适用于不同尺寸的固定床反应器和净化器等设备，达到更快速准确的构建和使用有序颗粒堆积结构的目的。
本发明为了解决上述技术问题所采取的技术方案是：
格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器，该固定床反应器本体设有入口整流罩、壳体以及出口整流罩，壳体内部为长方形截面通道，通道进出口处设有入口和出口固定挡板，将格栅支撑颗粒有序堆积结构固定在该通道内，颗粒作为固体催化剂或反应物，格栅支撑颗粒有序堆积结构是由固体颗粒和带有圆形或方形通孔的格栅支撑平板按次序堆叠而成，包括类体心立方堆积结构和类面心立方堆积结构，类体心立方堆积结构，其特征在于：固体颗粒与格栅支撑平板交替放置，格栅支撑平板上的通孔大小一致，通孔分布看作由若干个边长为L的正方形单元构成，每一个正方形单元中含有五个通孔，其中奇数层的固体颗粒放置于格栅支撑平板正方形单元的四个顶点处，偶数层的固体颗粒放置于正方形单元的中心处，所述正方形单元的边长L应大于固体颗粒特征直径Dp，固体颗粒的形状是球形颗粒、类球形颗粒和椭球形颗粒。
入口整流罩和出口整流罩通过螺栓与壳体连接，该固定床反应器壳体内部为长方形截面通道，所述通道两端设有入口和出口固定挡板，固定挡板通过螺栓与壳体连接。
格栅支撑颗粒有序堆积结构中使用的固体颗粒，在催化床中，所述固体颗粒为催化颗粒或反应物颗粒，在净化器中，所属固体颗粒为吸附剂颗粒。
格栅支撑颗粒有序堆积结构为类面心立方堆积结构，通孔分布可看作由若干个边长为H的正方形单元构成，每九个通孔组成一个正方形单元，奇数层球体放置于平板正方形单元的四个顶点及中心处的通孔中，偶数层球体放置于正方形单元四边的中点处，所述正方形单元边长H应大于1.2倍固体颗粒特征直径Dp。
固体颗粒特征直径Dp的范围为8-60mm，格栅支撑平板的厚度为0.2-2mm，格栅支撑平板的通孔直径为固体颗粒直径Dp的0.4-0.8倍。
格栅支撑颗粒有序堆积结构中的各层格栅支撑平板上的通孔是圆形通孔或者相同特征长度的方形通孔。
格栅支撑颗粒有序堆积结构中的各层格栅支撑平板上含有螺纹通孔，通过螺栓将各层格栅支撑平板连接固定，同时保证各层固体颗粒上下均有格栅支撑平板。
固体颗粒是均匀大小的球形颗粒、类球形颗粒和椭球形颗粒。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明拥有良好的承压能力，可以安全的适应高压条件下的反应。可以更简捷的实现球形颗粒的有序堆积结构，从而减少颗粒床内的流动损耗和颗粒间的摩擦损耗，来减少泵功，延长颗粒使用寿命，实现更高效的工业生产(流动换热)，避免小管径粒径比的固定床中壁面效应的影响，增强反应器内安全性。
附图说明
图1本发明所述格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器的主视图。
图2是本发明所述格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器的中心轴线剖面图。
图3是所述格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器的入口整流罩与壳体连接处的径向剖面图。
图4是本发明格栅支撑颗粒有序堆积结构中的类体心立方堆积结构俯视图。
图5是本发明格栅支撑颗粒有序堆积结构中的类体心立方堆积结构组成示意图。
图6是本发明格栅支撑颗粒有序堆积结构中的类面心立方堆积结构俯视图。
图7是本发明格栅支撑颗粒有序堆积结构中的类面心立方堆积结构组成示意图。
图中标号：1：入口整流罩；1-1、3-1：整流罩外定位螺栓孔；2：壳体；3：出口整流罩；4：球形固体颗粒；5：格栅支撑平板；5-1：格栅支撑螺栓孔；5-2、5-3：格栅支撑圆形通孔；6：入口固定挡板；6-1、7-1：固定挡板定位螺栓孔；7：出口固定挡板。
具体实施方式
本发明提供一种格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器，该反应器包括所述的入口整流罩、壳体、出口整流罩、入口和出口固定挡板和格栅支撑颗粒有序堆积结构，所述格栅支撑颗粒有序堆积结构通过入口和出口固定挡板固定于所述壳体内，所述入口整流罩和出口整流罩固定在所述壳体的对称侧。所述入口和出口整流罩与管路连接处设有定位螺栓孔，与壳体连接处也有定位螺栓孔，通过螺栓连接整流罩与反应器主体。
本发明通过在各层固体颗粒上下增加格栅支撑平板，把各层颗粒固定在格栅平板通孔中，来快速实现固体颗粒的有序堆积和格栅通道，所形成的相应的格栅支撑有序堆积结构分别类面心立方堆积和类体心立方堆积。所述格栅支撑颗粒有序堆积结构的格栅支撑为带有不同分布规律圆形或方形通孔的平板格栅，其中圆形通孔固定性能更好，方形通孔能强化上下层流体流动。所述平板格栅上含有螺纹孔，可通过螺栓将多层平板连接固定。所述固体颗粒特征直径Dp的范围为8-60mm，格栅支撑平板厚度为0.2-2mm，通孔直径应为颗粒直径的0.4-0.8倍。
由于该堆积床具有对称性和重复性，所以附图中详细展示了该堆积部分单元的具体结构，而堆积结构的总长度、宽度和高度则可根据需求来制定。
如图1所示，格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器包括入口整流罩1、壳体2、出口整流罩3、固体颗粒4、格栅支撑平板5、入口固定挡板6和出口固定挡板7。整流罩1、3与壳体2连接处也有定位螺栓孔1-1，通过螺栓连接整流罩与反应器主体。
如图2所示，所述反应器主体内安装有格栅支撑颗粒有序堆积结构，通过固定挡板固定在反应器主体内，通道入口和出口均包含上下各两个固定挡板6、7，可拆卸的固定挡板上含有螺纹孔6-1、7-1，通过螺栓连接固定挡板与反应器壳体2。由于入口和出口整流罩与壳体连接处的径向截面视图完全相同，所以附图中只展示了如图3所示的入口固定挡板视图。
所述格栅支撑颗粒有序堆积结构的格栅支撑为带有不同分布规律圆形或方形通孔的平板格栅结构，如图4所示，类体心立方堆积结构对应的格栅支撑中通孔5-2大小为D，如图6所示，类面心立方堆积结构使用的格栅支撑中两种通孔5-2和5-3的大小分别为D1和D2。
如图4所示，所述类体心立方堆积结构中，格栅支撑平板5的通孔分布看作由若干个正方形单元构成，而最小正方形单元由5个通孔组成，其圆心分别位于边长为L的正方形的四个顶点以及中心点处，所述通孔直径为D，所述正方形边长L应大于颗粒直径Dp。
如图5所示的类体心立方堆积结构，奇数层球体颗粒固定在其上下格栅支撑的各正方形单元顶点处，偶数层球体颗粒固定在其上下格栅支撑的正方形单元中心处，所述的正方形顶点、中心即为通孔圆心处。每层球体上下各有一层格栅支撑平板，则达到固定和形成格栅通道的目的。
如图6所示，所述类面心立方堆积结构中，格栅支撑平板5的通孔分布仍看作由若干个正方形单元构成，9个通孔组成一个最小正方形单元，其中5个直径D1的通孔圆心位于边长H的正方形的四个顶点以及中心点处，4个直径D2的通孔圆心位于正方形四条边的中点处，D1大于或等于D2，所述正方形边长H应大于1.2倍颗粒直径Dp。
如图7所示的类面心立方堆积结构，奇数层球体固定在其上下层格栅支撑的各正方形单元的顶点及中心处，即格栅支撑圆形通孔5-2，偶数层球体固定在其上下格栅支撑的各正方形单元各边中心处，即格栅支撑圆形通孔5-3，所述的正方形顶点、各边长中点及中心即为通孔圆心处。每层球体上下各有一层格栅支撑，则达到固定球体颗粒和形成格栅通道的目的。
所述格栅支撑平板上有螺纹通孔5-1，在球层堆积成型后，将各格栅支撑平板层通过螺栓连接固紧。
本发明中所使用的名词“奇、偶”是指有序堆积结构在正常安装状态下从上到下的层数。
本发明的实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本发明的精神实质，都在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器，该固定床反应器本体设有入口整流罩、壳体以及出口整流罩，壳体内部为长方形截面通道，通道进出口处设有入口和出口固定挡板，将格栅支撑颗粒有序堆积结构固定在该通道内，颗粒作为固体催化剂或反应物，格栅支撑颗粒有序堆积结构是由固体颗粒和带有圆形或方形通孔的格栅支撑平板按次序堆叠而成，包括类体心立方堆积结构和类面心立方堆积结构，类体心立方堆积结构，其特征在于：固体颗粒与格栅支撑平板交替放置，格栅支撑平板上的通孔大小一致，通孔分布看作由若干个边长为L的正方形单元构成，每一个正方形单元中含有五个通孔，其中奇数层的固体颗粒放置于格栅支撑平板正方形单元的四个顶点处，偶数层的固体颗粒放置于正方形单元的中心处，所述正方形单元的边长L应大于固体颗粒特征直径Dp，固体颗粒的形状是球形颗粒、类球形颗粒和椭球形颗粒。
2.根据权利要求1所述的格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器，其特征在于，入口整流罩和出口整流罩通过螺栓与壳体连接，该固定床反应器壳体内部为长方形截面通道，所述通道两端设有入口和出口固定挡板，固定挡板通过螺栓与壳体连接。
3.根据权利要求1所述的格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器，其特征在于，格栅支撑颗粒有序堆积结构中使用的固体颗粒，在催化床中，所述固体颗粒为催化颗粒或反应物颗粒，在净化器中，所属固体颗粒为吸附剂颗粒。
4.根据权利要求1所述的格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器，其特征在于，格栅支撑颗粒有序堆积结构为类面心立方堆积结构，通孔分布可看作由若干个边长为H的正方形单元构成，每九个通孔组成一个正方形单元，奇数层球体放置于平板正方形单元的四个顶点及中心处的通孔中，偶数层球体放置于正方形单元四边的中点处，所述正方形单元边长H应大于1.2倍固体颗粒特征直径Dp。
5.根据权利要求1所述的格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器，其特征在于，固体颗粒特征直径Dp的范围为8-60mm，格栅支撑平板的厚度为0.2-2mm，格栅支撑平板的通孔直径为固体颗粒直径Dp的0.4-0.8倍。
6.根据权利要求1所述的格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器，其特征在于，格栅支撑颗粒有序堆积结构中的各层格栅支撑平板上的通孔是圆形通孔或者相同特征长度的方形通孔。
7.根据权利要求1所述的格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器，其特征在于，格栅支撑颗粒有序堆积结构中的各层格栅支撑平板上含有螺纹通孔，通过螺栓将各层格栅支撑平板连接固定，同时保证各层固体颗粒上下均有格栅支撑平板。
8.根据权利要求1所述的格栅支撑颗粒有序堆积结构固定床反应器，其特征在于，固体颗粒是均匀大小的球形颗粒、类球形颗粒和椭球形颗粒。
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