CN110559944A - 气体混合分布器及固定床反应器 - Google Patents

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CN110559944A CN201810582776.7A CN201810582776A CN110559944A CN 110559944 A CN110559944 A CN 110559944A CN 201810582776 A CN201810582776 A CN 201810582776A CN 110559944 A CN110559944 A CN 110559944A
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China Huanqiu Contracting and Engineering Corp
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Abstract

本发明公开了一种气体混合分布器及固定床反应器，属于化学催化反应技术领域。该气体混合分布器包括：环形布气管、第一引流管、第二引流件、混合引流件；环形布气管水平设置，壁上开设有多个第一布气孔；第一引流管的下端与环形布气管连通；第二引流件同轴设置于环形布气管的下方，上端内径小于环形布气管的外圆直径，第二引流件同轴设置于固定床反应器的内筒上端，并与进气口连通；混合引流件同轴设置于环形布气管的上方，且混合引流件的下端内径大于环形布气管的外圆直径，壁上均匀开设有多个第二布气孔，混合引流件固定于固定床反应器的顶壁上。该气体混合分布器混合气体的效果好，解决了合成气体利用效率较低和催化剂床层转化率低的问题。

Description

气体混合分布器及固定床反应器
技术领域
本发明涉及化学催化反应技术领域，特别涉及一种气体混合分布器及固定床反应器。
背景技术
在石油炼制、石油化工、煤化工等诸多工艺中，均使用固定床反应器。其中，固定反应器内装填有形成堆积床层的颗粒状固定催化剂或者固定反应物，流体通过床层时，可发生化学反应。以合成氨工艺为例，冷激气和合成气混合的均匀程度会影响床层中传热传质及化学反应等过程的进行，混合气体的不均匀分布会导致温度分布不均匀，进而降低催化反应的效率。通过在固定床反应器中设置气体混合分布器，可以使混合气体均匀分布，进而提高催化反应的效率。
相关技术提供了一种固定床反应器，该固定床反应器包括：外壳、穿入并固定于外壳上的管式分布器、催化剂床层。外壳的底壁上设置有进气口，进气口的周向设置催化剂床层。管式分布器的壁上设置有布气孔。在工作时，向管式分布器内引入冷激气，在外壳的进气口引入合成气，使经过管式分布器布气后的冷激气与合成气混合，然后在催化剂床层中的催化剂作用下，发生化学反应。
发明人发现相关技术至少存在以下问题：
相关技术提供的固定床反应器中的冷激气和合成气混合均匀的效果差。并且，管式分布器喷出冷激气处所占的空间小，导致在该空间冷激气和合成气混合速度快，温度较低，而其他空间混合不均匀，温度较高，高温气体容易向低温气体流动，易使管式分布器出口形成负压，造成合成气局部流速过快，进一步影响混合气体分布的均匀性，影响催化剂床层中催化剂的催化效率和利用率，影响氨合成效率。
发明内容
本发明实施例提供了一种气体混合分布器及固定床反应器，可解决相关技术中存在的问题。具体技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种气体混合分布器，所述气体混合分布器包括：环形布气管、第一引流管、第二引流件、混合引流件；
所述环形布气管水平设置，壁上开设有多个第一布气孔；
所述第一引流管的下端与所述环形布气管连通；
所述第二引流件同轴设置于所述环形布气管的下方，上端内径小于所述环形布气管的外圆直径，所述第二引流件同轴设置于固定床反应器的内筒上端；
所述混合引流件同轴设置于所述环形布气管的上方，且所述混合引流件的下端内径大于所述环形布气管的外圆直径，壁上均匀开设有多个第二布气孔，所述混合引流件固定于所述固定床反应器的内顶壁上；
所述混合引流件呈圆锥筒状结构、倒立的圆锥筒状结构、或者筒状结构。
在一种可能的设计中，所述第一布气孔的开口朝向所述环形布气管的中部腔体的轴向。
在一种可能的设计中，所述第一引流管的壁上开设有多个第三布气孔，且所述第三布气孔的开口背离所述环形布气管的中部腔体的轴向。
在一种可能的设计中，所述第一引流管与所述环形布气管垂直连通，且所述第一引流管套设于所述混合引流件内。
在一种可能的设计中，所述第二引流件呈圆锥筒状结构。
在一种可能的设计中，所述混合引流件呈圆锥筒状结构、倒立的圆锥筒状结构、或者筒状结构。
另一方面，本发明实施例提供了一种固定床反应器，所述固定床反应器包括：上述提及的任一种气体混合分布器、外壳、催化剂床层、内筒；
所述内筒套设于所述外壳内，所述催化剂床层设置于所述内筒与所述外壳之间形成的环形腔内；
所述气体混合分布器的第二引流件同轴设置于所述内筒的上端；
所述气体混合分布器的第一引流管穿入并固定于所述外壳的壁上；
所述气体混合分布器的混合引流件设置于所述外壳的内顶壁上。
在一种可能的设计中，所述第一引流管、所述混合引流件均与所述外壳焊接连接；
所述第二引流件与所述内筒焊接连接。
在一种可能的设计中，所述第一引流管、所述混合引流件均与所述外壳可拆卸连接；
所述第二引流件与所述内筒可拆卸连接。
在一种可能的设计中，所述外壳与所述内筒之间形成环形腔；
所述催化剂床层呈与所述环形腔相适配的圆筒状结构。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的气体混合分布器和固定床反应器，通过设置环形布气管、第一引流管、第二引流件，便于将由第一引流管引入的第一气体(冷激气)通过环形布气管均布，以与由第二引流件引入至环形布气管上方的第二气体(合成气)混合均匀。通过设置混合引流件，便于将第一气体和第二气体的混合气体再次混合均匀，然后由第二布气孔均布引流至固定床反应器内的催化剂床层的平面，以进行化学反应。该气体混合分布器混合气体的效果好，解决了混合气体在催化剂床层中分布不均导致的合成气体利用效率较低的问题，而且，解决了温度分布不均导致催化剂床层转化率低的问题。除此之外，环形布气管使第一气体和第二气体均匀混合，使温差减小，减小了局部负压的产生，加快第一气体和第二气体的均匀混合，并且混合气体在混合引流件中再次混合，不会影响混合气体分布的均匀性。该气体混合分布器在不同尺寸固定床反应器中的适用性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的气体混合分布器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的固定床反应器的结构示意图。
其中，附图标记分别表示：
1-环形布气管，101-第一布气孔，
2-第一引流管，201-第三布气孔，
3-第二引流件，
4-混合引流件，401-第二布气孔，
5-外壳，
6-催化剂床层，
7-内筒。
具体实施方式
除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
一方面，本发明实施例提供了一种气体混合分布器，如附图1所示，该气体混合分布器包括：环形布气管1、第一引流管2、第二引流件3、混合引流件4。其中，环形布气管1水平设置，壁上开设有多个第一布气孔101；第一引流管2的下端与环形布气管1连通；第二引流件3同轴设置于环形布气管1的下方，上端内径小于环形布气管1的外圆直径，第二引流件3同轴设置于固定床反应器的内筒7上端；混合引流件4同轴设置于环形布气管1的上方，且混合引流件4的下端内径大于环形布气管1的外圆直径，壁上均匀开设有多个第二布气孔401，混合引流件4固定于固定床反应器的内顶壁上。混合引流件4呈圆锥筒状结构、倒立的圆锥筒状结构、或者筒状结构
可以理解的是，由于环形布气管1水平设置，环形布气管1中部腔体的轴向为竖直方向。
第二引流件3同轴设置于环形布气管1的下方指的是：第二引流件3的轴线与环形布气管1中部腔体的轴线同轴，第二引流件3竖直设置。并且，第二引流件3的上端与环形布气管1之间的距离较小，以保证由第二引流件3流出的第二气体能够尽可能地全部流经环形布气管1的中部腔体。
环形布气管1的外圆直径指的是：环形布气管1的最大直径。内圆直径指的是：环形布气管1的中部腔体的直径。
以下对本发明实施例提供的气体混合分布器的工作原理进行描述：
以第一气体(例如冷激气)和第二气体(合成气)分别由第一引流管2和第二引流件3输入为例，第一气体经由第一引流管2进入环形布气管1，并经环形布气管1上的多个第一布气孔101布气流出。与此同时，第二气体由第二引流件3的上端流出，由于第二引流件3的上端内径小于环形布气管1的外圆直径，所以，第二气体由环形布气管1的中部腔体向上流动，并与第一气体混合。混合气体在气压作用下向上流动，经混合引流件4混合后，由混合引流件4壁上的多个第二布气孔401流出，以在固定床反应器内均布反应。
需要说明的是，在合成氨工艺中，冷激气为温度较低的氮气和氢气的混合气体。合成气为温度较高的氮气和氢气的混合气体。
本发明实施例提供的气体混合分布器，通过设置环形布气管1、第一引流管2、第二引流件3，便于将由第一引流管2引入的第一气体(冷激气)通过环形布气管1均布，以与由第二引流件3引入至环形布气管1上方的第二气体(合成气)混合均匀。通过设置混合引流件4，便于将第一气体和第二气体的混合气体再次混合均匀，然后由第二布气孔401均布引流至固定床催化剂床层6平面，以进行化学反应。该气体混合分布器混合气体的效果好，解决了混合气体在催化剂床层中分布不均导致的合成气体利用效率低的问题，而且，解决了温度分布不均导致催化剂床层转化率降低的问题。除此之外，环形布气管1使第一气体和第二气体均匀混合，使温差减小，减小了局部负压的产生，加快第一气体和第二气体的均匀混合，并且混合气体在混合引流件4中再次混合，不会影响混合气体分布的均匀性。该气体混合分布器在不同尺寸固定床反应器中的适用性好。
此外，本发明实施例提供的气体混合分布器的结构简单，容易设置。
为了使第一气体和第二气体能够更好地混合均匀，第一布气孔101的开口可以朝向环形布气管1的中部腔体的轴向。
第二气体经由第二引流件3后，在气压作用下，经由环形布气管1的中部腔体并向上流动，而第一布气孔101的开口朝向环形布气管1的中部腔体的轴向，所以，第一气体可以朝环形布气管1的中部腔体的轴向流动，以与第二气体在环形布气管1的中部腔体及其上方混合，利于第一气体和第二气体混合均匀。
进一步地，第一引流管2的壁上开设有多个第三布气孔201，且第三布气孔201的开口背离环形布气管1的中部腔体的轴向。
可以理解的是，第三布气孔201位于第二引流件4和环形布气管1之间的第一引流管2上。
第一气体在流经第一引流管2时，一部分从第一引流管2上的第三布气孔201流出至环形布气管1的上方外侧，另一部分由第一引流管2进入环形布气管1，并由环形布气管1上的多个第一布气孔101流出。与此同时，第二气体由第二引流件3流入至环形布气管1的中部内腔，并与第一气体混合，在气压作用下，进入混合引流件4内，并由第二布气孔401流出，然后在外壳5的限制作用下向下流动，以与由第三布气孔201流出的第一气体混合。
由于第一引流管2与环形布气管1连接处不易设置第一布气孔101或者没有设置第一布气孔101，通过设置上述第三布气孔201，以补充环形布气管1在该处没有喷出的第一气体(冷激气)的量，利于得到均匀的混合气体。
此外，第三布气孔201的开口还可以朝向环形布气管1的中部腔体的轴向。
第一引流管2与环形布气管1垂直连通，且第一引流管2套设于混合引流件4内。
如此设置，利于调整第一气体进入环形布气管1内的气压，便于环形布气管1均匀布气。
需要说明的是，第一引流管2竖直设置，以与环形布气管1垂直连通。
其中，第一引流管2与环形布气管1之间可以为焊接连接，以保证两者之间具有良好的连接力度。
或者，第一引流管2与环形布气管1之间还可以粘结连接，粘结的连接力度好，方便设置。
或者，第一引流管2与环形布气管1之间还可以可拆卸连接，以便于两者的拆装。
当第一引流管2与环形布气管1之间可拆卸连接时，可以在第一引流管2的外壁上设置环形卡接槽，环形布气管1的壁上设置有与环形卡接槽相适配的环形卡接部，且环形卡接部连通环形布气管1的内腔。通过使环形卡接部卡接于环形卡接槽内，实现第一引流管2与环形布气管1之间的连通。
考虑到第一引流管2能够与不同高度的气体提供装置连接，即，利于将气体提供装置中的气体输入第一引流管2，第一引流管2的高度可调。
具体地，第一引流管2可以包括多个相互嵌套的子引流管。通过控制多个子引流管之间相互嵌套的高度，来调整第一引流管2的高度。并且，多个子引流管之间通过摩擦力相互固定。
以第一引流管2包括两个相互嵌套的子引流管为例，当两个子引流管之间相互嵌套的部分较多时，第一引流管2的高度较低。当两个子引流管之间相互嵌套的部分较小时，第一引流管2的高度较高。
考虑到第二气体能够容易地在气压作用下全部进入环形布气管1的内腔，不会从环形布气管1与内筒7之间的缝隙溜走形成短路，如附图1所示，第二引流件3可以呈圆锥筒状结构。
圆锥筒状结构，即第二引流件3的内径由上至下逐渐增大。
第二引流件3的壁厚可以保持不变。
混合引流件4的结构可以设置为多种，在基于结构简单，容易实现的前提下，混合引流件4可以呈圆锥筒状结构、倒立的圆锥筒状结构、或者筒状结构。
需要说明的是，倒立的圆锥筒状结构为由上至下内径逐渐减小的筒状结构。筒状结构指的是混合引流件4的内径保持不变。混合引流件4的壁厚可以保持不变。
另一方面，本发明实施例提供了一种固定床反应器，如附图2所示，该固定床反应器包括：上述提及的任一种气体混合分布器、外壳5、催化剂床层6、内筒7。其中，内筒7套设于外壳5内，催化剂床层6设置于内筒7与外壳5之间形成的环形腔内；气体混合分布器的第二引流件3同轴设置于内筒7的上端；气体混合分布器的第一引流管2穿入并固定于外壳5的壁上；气体混合分布器的混合引流件4设置于外壳5的内顶壁上。
可以理解的是，内筒7为该固定床反应器的进气口。
以下对本发明实施例提供的固定床反应器的工作原理进行描述：
以第一气体(例如冷激气)和第二气体(合成气)分别由第一引流管2和第二引流件3输入为例，第一气体经由第一引流管2进入环形布气管1，并经环形布气管1上的多个第一布气孔101布气流出。与此同时，第二气体由内筒7引入至第二引流件3，并由第二引流件3的上端流出，由于第二引流件3的上端内径小于环形布气管1的外圆直径，所以，第二气体经由环形布气管1的中部腔体向上流动，并与第一气体混合。混合气体在气压作用下向上流动，经混合引流件4混合后，由混合引流件4壁上的多个第二布气孔401流出。由于外壳5的限制和气压作用，混合气体沿着外壳5的侧壁向下流动，直至流动至催化剂床层6进行化学反应。
本发明实施例提供的固定床反应器，通过设置气体混合分布器中的环形布气管1、第一引流管2、第二引流件3，便于将由第一引流管2引入的第一气体通过环形布气管1均布，以与由第二引流件3引入至环形布气管1上方的第二气体混合均匀。通过设置混合引流件4，便于将第一气体和第二气体的混合气体引入再次混合均匀，然后由第二布气孔401均布引流至固定床反应器内，以进行化学反应。该固定床反应器混合气体的效果好，解决了混合气体在催化剂床层6中分布不均导致的合成气体利用效率较低的问题，而且，解决了温度分布不均导致催化剂床层6转化率降低的问题。除此之外，环形布气管1使第一气体和第二气体的均匀混合，使温差减小，减小了局部负压的产生，加快第一气体和第二气体的均匀混合，并且混合气体在混合引流件4中再次混合，不会影响混合气体分布的均匀性。
此外，该固定床反应器还具有结构简单，容易制造等特点，便于大规模生产。
其中，内筒7的结构类似换热器的结构，其内部设置有多个通道，以利于将第二气体(合成气)均匀地引入第二引流件3内。
为了提高第一引流管2、混合引流件4分别与外壳5之间的连接力度，第一引流管2、混合引流件4均可以与外壳5焊接连接。为了提高第二引流件3与内筒7之间的连接力度，第二引流件3与内筒7焊接连接。
考虑到能够容易地更换气体混合分布器，第一引流管2、混合引流件4均可以与外壳5可拆卸连接。第二引流件3与内筒7可拆卸连接。
其中，可拆卸连接的方式有多种，在基于容易实现的前提下，给出以下示例：
第一引流管2的外壁上可以设置有第一卡接件，外壳5的内顶壁上可以设置有第一卡接槽，通过使第一卡接件卡接于第一卡接槽内，可实现第一引流管2固定于外壳5上。
内筒7的内壁上可以设置有第二卡接件，第二引流件3的下端设置有第二卡接槽，通过使第二卡接件卡接于第二卡接槽内，可实现第二引流件3固定于内筒7上。
混合引流件4的上端可以设置有第三卡接件，外壳5的内顶壁上设置有第三卡接槽，通过使第三卡接件卡接于第三卡接槽内，可实现混合引流件4固定于外壳5的内顶壁上。
其中，第一卡接件、第二卡接件、第三卡接件均可以呈块状、条状等，第一卡接槽、第二卡接槽、第三卡接槽分别呈与第一卡接件、第二卡接件、第三卡接件相适配的结构。
作为一种示例，外壳5与内筒7之间形成环形腔；催化剂床层6呈与环形腔相适配的圆筒状结构。
可以理解的是，外壳5呈筒状结构，内筒7呈筒状结构，外壳5与内筒7之间形成环形腔。
如此设置，利于混合气体稳定地在气体混合分布器的周围向下流动，以与催化剂床层6均匀地发生化学反应，从而提高化学反应效率，延长催化剂床层6的寿命。
作为一种示例，当合成氨时，可以通过第一引流管2引流冷激气，通过第二引流件3引流合成气，催化剂床层6可以为触媒筐。
将本发明实施例提供的固定床反应器应用于氨合成工艺中时，能够将冷激气和合成气混合均匀，以使流体在催化剂床层6均匀分布，从而使催化剂床层6中的催化剂能发挥出较好的同平面转化率和利用率，使催化剂使用均匀，延长了催化剂床层6的整体寿命，稳定了整个催化剂床层6的效果。此外，由于冷激气和合成气混合均匀，所以混合气体的温度分布范围均匀，不会由于温差变化大，而影响催化剂床层6的催化效果，使其催化效果均匀。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气体混合分布器，其特征在于，所述气体混合分布器包括：环形布气管(1)、第一引流管(2)、第二引流件(3)、混合引流件(4)；
所述环形布气管(1)水平设置，壁上开设有多个第一布气孔(101)；
所述第一引流管(2)的下端与所述环形布气管(1)连通；
所述第二引流件(3)同轴设置于所述环形布气管(1)的下方，上端内径小于所述环形布气管(1)的外圆直径，所述第二引流件(3)同轴设置于固定床反应器的内筒(7)上端；
所述混合引流件(4)同轴设置于所述环形布气管(1)的上方，且所述混合引流件(4)的下端内径大于所述环形布气管(1)的外圆直径，壁上均匀开设有多个第二布气孔(401)，所述混合引流件(4)固定于所述固定床反应器的内顶壁上；
所述混合引流件(4)呈圆锥筒状结构、倒立的圆锥筒状结构、或者筒状结构。
2.根据权利要求1或2所述的气体混合分布器，其特征在于，所述第一布气孔(101)的开口朝向所述环形布气管(1)的中部腔体的轴向。
3.根据权利要求1或2所述的气体混合分布器，其特征在于，所述第一引流管(2)的壁上开设有多个第三布气孔(201)，且所述第三布气孔(201)的开口背离所述环形布气管(1)的中部腔体的轴向。
4.根据权利要求1或2所述的气体混合分布器，其特征在于，所述第一引流管(2)与所述环形布气管(1)垂直连通，且所述第一引流管(2)套设于所述混合引流件(4)内。
5.根据权利要求1或2所述的气体混合分布器，其特征在于，所述第二引流件(3)呈圆锥筒状结构。
6.一种固定床反应器，其特征在于，所述固定床反应器包括：权利要求1～5任一项所述的气体混合分布器、外壳(5)、催化剂床层(6)、内筒(7)；
所述内筒(7)套设于所述外壳(5)内，所述催化剂床层(6)设置于所述内筒(7)与所述外壳(5)之间形成的环形腔内；
所述气体混合分布器的第二引流件(3)同轴设置于所述内筒(7)的上端；
所述气体混合分布器的第一引流管(2)穿入并固定于所述外壳(5)的壁上；
所述气体混合分布器的混合引流件(4)设置于所述外壳(5)的内顶壁上。
7.根据权利要求6所述的固定床反应器，其特征在于，所述第一引流管(2)、所述混合引流件(4)均与所述外壳(5)焊接连接；
所述第二引流件(3)与所述内筒(7)焊接连接。
8.根据权利要求6所述的固定床反应器，其特征在于，所述第一引流管(2)、所述混合引流件(4)均与所述外壳(5)可拆卸连接；
所述第二引流件(3)与所述内筒(7)可拆卸连接。
9.根据权利要求6所述的固定床反应器，其特征在于，所述外壳(5)与所述内筒(7)之间形成环形腔；
所述催化剂床层(6)呈与所述环形腔相适配的圆筒状结构。
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