CN110893332B - 触媒筐及氧化还原反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种触媒筐及氧化还原反应装置，属于氧化还原反应技术领域。所述触媒筐包括：至少一个触媒筐筐体。该至少一个触媒筐筐体设置在反应器的内部。每个该触媒筐筐体上设置有多个孔列，每个孔列包括多个进气孔。每个孔列中靠近反应器的进口处的进气孔的孔径小于远离进口处的进气孔的孔径。在采用该触媒筐进行氧化还原反应时，可以减小触媒筐内靠近反应器进口处的反应量，增大远离该反应器进口处的反应量，使触媒筐内各处的反应量较为均衡。从而可以避免由于反应器进口处局部温度较高导致触媒筐内靠近该进口处的催化剂失活的问题，确保了反应器内的反应速率。

Description

触媒筐及氧化还原反应装置
技术领域
本发明属于氧化还原反应技术领域，特别涉及一种触媒筐及氧化还原反应装置。
背景技术
触媒筐是设置在反应器内部，用于盛装催化剂的装置。
相关技术中，触媒筐上设置有进气孔，待反应气体从反应器的进口通入至反应器内部后，可以通过该进气孔进入触媒筐内，并在催化剂的作用下进行氧化还原反应。
但是，该氧化还原反应一般为强放热反应，靠近反应器进口处的反应量较大，放热量较高，导致靠近反应器进口处的催化剂容易失活，影响反应速率。
发明内容
本发明提供了一种触媒筐及氧化还原反应装置，可以解决相关技术中由于反应器进口处的反应量较大而影响反应器内反应速率的问题。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种触媒筐，所述触媒筐包括：至少一个触媒筐筐体；
所述至少一个触媒筐筐体设置在反应器的内部；
每个所述触媒筐筐体上设置有多个孔列，每个所述孔列包括多个进气孔；
每个所述孔列中靠近所述反应器的进口处的进气孔的孔径小于远离所述进口处的进气孔的孔径。
可选的，每个所述触媒筐筐体上设置的多个孔列等间距排布。
可选的，所述触媒筐包括多个所述触媒筐筐体；
多个所述触媒筐筐体依次套接设置在所述反应器的内部，且相邻两个所述触媒筐筐体之间存在间隙。
可选的，所述触媒筐包括三个所述触媒筐筐体，且三个所述触媒筐筐体等间距排布。
可选的，每个所述触媒筐筐体上设置的多个孔列平行排布；
多个所述触媒筐筐体中包括第一触媒筐筐体和第二触媒筐筐体；
所述第一触媒筐筐体上任一孔列所在直线与所述第二触媒筐筐体任一孔列所在直线不平行。
可选的，多个所述触媒筐筐体上设置的任意两个孔列所包括的进气孔的个数相等，且相邻进气孔的孔间距相同。
可选的，每个所述孔列包括多组孔，每组孔包括多个孔径相等的进气孔。
可选的，每个所述孔列中，相邻两组孔的孔径之差为两毫米。
另一方面，提供了一种氧化还原反应装置，所述装置包括：反应器以及设置在所述反应器内的如上述方面所述的触媒筐。
可选的，所述装置还包括：至少一个固定圆环；
所述至少一个固定圆环设置在所述反应器内部，且均套接在所述触媒筐上。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本发明实施例提供了一种触媒筐及氧化还原反应装置，该触媒筐包括至少一个触媒筐筐体，每个触媒筐筐体上设置有多个孔列，且每个孔列在靠近该反应器的进口处的进气孔的孔径小于远离该进口处的进气孔的孔径。在采用该触媒筐进行氧化还原反应时，可以减小触媒筐内靠近反应器进口处的反应量，增大远离该反应器进口处的反应量，使触媒筐内各处的反应量较为均衡。从而可以避免由于反应器进口处局部温度较高导致触媒筐内靠近该进口处的催化剂失活的问题，确保了反应器内的反应速率。
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一种触媒筐的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种反应器的结构示意图；
图3是图1的壁面展开示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种触媒筐的结构示意图；
图5是图4的壁面展开示意图；
图6是本发明实施例提供的一种氧化还原反应装置的结构示意图；
图7是将原始触媒筐应用于反应器时的反应器内部的温度分布云图；
图8是将本发明实施例提供的触媒筐应用于反应器时的反应器内部的温度分布云图。
具体实施方式
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。
本发明实施例提供了一种触媒筐。如图1所示，该触媒筐可以包括：至少一个触媒筐筐体01。例如，图1所示的触媒筐仅包括一个触媒筐筐体01。该至少一个触媒筐筐体01可以设置在反应器(图1未示出)的内部。
参考图1可以看出，每个触媒筐筐体01上可以设置有多个孔列011，每个该孔列011可以包括多个进气孔0111。
图2是本发明实施例提供的一种反应器的结构示意图，如图2所示，该反应器10可以包括反应器筒体101，以及设置在该反应器筒体101上的进口a和出口b。每个触媒筐筐体01上设置的多个孔列011在靠近该反应器10的进口a处的进气孔0111的孔径可以小于远离该进口a处的进气孔0111的孔径。
待反应气体可以从反应器10的进口a处进入反应器10的内部，由于触媒筐筐体01上靠近反应器10进口a处设置的进气孔0111的孔径较小，通过该触媒筐筐体01上靠近反应器10进口a处的进气孔0111进入触媒筐筐体01的内部的待反应气体的气体量较少，因此剩余的待反应气体会在反应器10内部向远离进口a的方向(即图2和图3所示的方向X)移动，使反应器10中靠近该反应器10进口a处的反应量减小，远离该反应器10进口a处的反应量增大，从而使触媒筐内各处的反应量较为均衡。
综上所述，本发明实施例提供了一种触媒筐，该触媒筐包括至少一个触媒筐筐体，每个触媒筐筐体上设置有多个孔列，且每个孔列在靠近该反应器的进口处的进气孔的孔径小于远离该进口处的进气孔的孔径。在采用该触媒筐进行氧化还原反应时，可以减小触媒筐内靠近反应器进口处的反应量，增大远离该反应器进口处的反应量，使触媒筐内各处的反应量较为均衡。从而可以避免由于反应器进口处局部温度较高导致触媒筐内靠近该进口处的催化剂失活的问题，确保了反应器内的反应速率。
参考图1可以看出，每个触媒筐筐体01可以设置为中空圆筒结构。该多个孔列011可以设置在每个触媒筐筐体01的圆筒壁面上。
图3是图1的壁面展开示意图。从图3可以看出，每个触媒筐筐体01上设置的多个孔列011可以等间距排布。
示例的，每个孔列011的延伸方向可以平行于触媒筐筐体01的轴线方向，或者与该轴向方向之间存在夹角，且该夹角可以小于45度。相应的，多个孔列011等间距排布可以是指：多个孔列011以该触媒筐筐体01的中轴线为轴，圆周阵列排布。
图4是本发明实施例提供的另一种触媒筐的结构示意图。参考图4可以看出，该触媒筐00可以包括多个触媒筐筐体01，该多个触媒筐筐体01可以依次套接设置在反应器(图4中未示出)的内部，且每相邻两个触媒筐筐体01之间存在间隙。
可选的，各个触媒筐筐体01的壁厚可以相等，例如，可以均为5至20毫米。各个触媒筐筐体01的高度可以相等，例如，可以均为3000至20000毫米。
可选的，如图4所示，该触媒筐00可以包括三个触媒筐筐体01，且三个触媒筐筐体01可以等间距排布。当然，本发明实施例提供的触媒筐00也可以包括两个触媒筐筐体01或者四个触媒筐筐体01，本发明实施例对触媒筐00所包括的触媒筐筐体01的数量不做限定。
示例的，该触媒筐00中所包括的多个触媒筐筐体01任意相邻的两个触媒筐筐体01之间的间距可以为10毫米。两个触媒筐筐体01之间的间距可以是指设置在内部的触媒筐筐体01的外壁与套接在该触媒筐筐体01外部的触媒筐筐体01的内壁之间的距离。
图5是图4的壁面展开示意图。参考图3、图4和图5可以看出，每个触媒筐筐体01上设置的多个孔列011可以平行排布。多个触媒筐筐体01中可以包括第一触媒筐筐体01a和第二触媒筐筐体01b，且该第一触媒筐筐体01a上任一孔列011所在直线L与该第二触媒筐筐体01b任一孔列011所在直线L不平行。
示例的，如图3所示，该第一触媒筐筐体01a上任一孔列011所在直线L1可以与触媒筐筐体01的中轴线存在夹角α1，例如该夹角α1可以为5度。该第二触媒筐筐体01b上任一孔列011(图3中未示出)所在直线的延伸方向X1可以与触媒筐筐体01的中轴线的延伸方向X平行。
当然，该第一触媒筐筐体01a上的任一孔列0a所在的直线L1也可以与触媒筐筐体01的中轴线的延伸方向X平行。相应的，该第二触媒筐筐体01b上的任一孔列0b所在的直线L2可以与触媒筐筐体01的中轴线的延伸方向X之间存在夹角α2。例如，该夹角α2可以为5度。
或者，该第一触媒筐筐体01a上任一孔列0a所在的直线L1与该触媒筐筐体01的中轴线的延伸方向X之间可以存在夹角α1，该第二触媒筐筐体01b上任一孔列0b所在的直线L与该触媒筐筐体01的中轴线的延伸方向X之间可以存在夹角α2，但是该α1与该α2不相等。例如，该夹角α1可以为5度，该夹角α2可以为10度。本发明实施例对该第一触媒筐筐体01a和该第二触媒筐筐体01b，与该触媒筐筐体01的中轴线的延伸方向X之间的夹角α不做限定，只需保证该第一触媒筐筐体01a与该触媒筐筐体01的中轴线的延伸方向X之间的夹角，和该第二触媒筐筐体01b与该触媒筐筐体01的中轴线的延伸方向X之间的夹角不相等即可。
每个触媒筐筐体01上设置的多个孔列011所在的直线L和该触媒筐筐体01的中轴线的延伸方向X之间的夹角α，可以根据反应器10的几何尺寸以及反应器10内部的流场情况来确定。例如可以根据计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)软件仿真得出。
参考图5可以看出，第一触媒筐筐体01a与第二触媒筐筐体01b中所设置的最远离反应器10进口a处的一端的进气孔0111的轴线可以共线，而该两个筐体靠近反应器10进口a处的一端的进气孔0111则会相互错位。由此，增加了待反应气体在远离反应器10进口a处的反应量，并降低了靠近反应器10进口a处的反应量，从而使反应器10内各处的反应量更均衡，反应器10内靠近进口a处和远离进口a处的温差降低。
可选的，多个触媒筐筐体01上设置的任意两个孔列011所包括的进气孔0111的个数可以相等，且相邻进气孔0111的孔间距相同，即每个孔列011中任意两个相邻进气孔0111的孔间距，与另一孔列011中任意两个相邻进气孔0111的孔间距相同。保证了该各个触媒筐筐体01沿圆筒壁面方向的待反应气体的反应量均匀，避免了由于局部反应量大造成的局部温度较高的现象。
示例的，每个孔列011上设置的多个进气孔0111中，任意两个相邻的进气孔0111的孔间距可以为100毫米。
在本发明实施例中，触媒筐00上设置的任意孔列011中，孔径最小的进气孔0111与触媒筐00底部之间的距离可以相同。该进气孔0111与与触媒筐00底部之间的距离可以是指该孔径最小的进气孔0111的圆心与触媒筐筐体01靠近反应器进口a处一端的端面之间的距离。
如图3所示，每个触媒筐筐体01上设置的每个孔列011可以包括多组孔011a，每组孔可以包括多个孔径相等的进气孔0111。例如，每个孔列011可以包括七组孔011a，每组孔中可以包括15个进气孔0111。当然，每个孔列011也可以包括六组孔011a，每组孔中可以包括18个进气孔0111。本发明实施例对每个孔列011中所包括的多组孔011a的组数和每组孔中所包括的进气孔0111的个数不做限定。
可选的，每个孔列011中相邻两组孔的孔径之差可以为两毫米。最靠近反应器10进口a处的组孔011a中的进气孔0111的孔径可以最小，远离反应器10进口a处的组孔011a中的进气孔0111的孔径可以逐渐增大。
示例的，若每个该触媒筐筐体01上设置的任一孔列011均包括有七组孔011a，且该每组孔均包括15个进气孔0111，则最靠近反应器10进口a处的组孔011a中的15个进气孔0111的孔径可以均为24毫米，最远离反应器10进口a处的组孔011a中的15个进气孔0111的孔径可以为36毫米。
在本发明实施例中，每个触媒筐筐体01上设置的多个进气孔0111的孔径，可以根据反应器10的几何尺寸与反应器10内部的流场情况来确定，例如可以根据CFD软件仿真得出。
综上所述，本发明实施例提供了一种触媒筐，该触媒筐包括至少一个触媒筐筐体，每个触媒筐筐体上设置有多个孔列，且每个孔列在靠近该反应器的进口处的进气孔的孔径小于远离该进口处的进气孔的孔径。在采用该触媒筐进行氧化还原反应时，可以减小触媒筐内靠近反应器进口处的反应量，增大远离该反应器进口处的反应量，使触媒筐内各处的反应量较为均衡。从而可以避免由于反应器进口处局部温度较高导致触媒筐内靠近该进口处的催化剂失活的问题，确保了反应器内的反应速率。
图6是本发明实施例提供的一种氧化还原反应装置的结构示意图。如图6所示，该装置可以包括：反应器10以及设置在该反应器10内的触媒筐00，该触媒筐00可以为如图1至图5任一所示的触媒筐。
参考图6可以看出，该反应器10可以包括：反应器筒体101以及至少一个固定圆环102。该至少一个固定圆环102可以设置在该反应器筒体101的内部，且套接在该触媒筐00上。
示例的，该反应器10可以呈圆筒状，且其长度可以为10800毫米，直径可以为2600毫米。
可选的，该至少一个固定圆环102的内侧可以与触媒筐00中所包括的至少一个触媒筐筐体01中设置在最外侧的触媒筐筐体01的圆筒外壁焊接，以保证该触媒筐00与反应器10之间的连接稳定性。
示例的，该氧化还原反应装置可以包括多个固定圆环102，且该多个固定圆环102可以等间距设置在反应器10的内部。例如图6所示的结构中包括5个固定圆环102。
参考图6可以看出，该装置还可以包括：基座103以及活套固定组件104。该反应器筒体101的一端与该基座103连接，另一端与该活套固定组件104连接。
参考图6可以看出，该装置还可以包括：位于触媒筐00内部的多个换热管105。每个换热管105内可以盛装有换热介质，通过该多个换热管105内盛装的换热介质可以吸收反应器10内氧化还原反应所放出的热量，控制反应器10内的温度，使该反应器10内的温度保持恒定。
当该触媒筐00包括多个触媒筐筐体01时，该多个触媒筐筐体01中尺寸最小的触媒筐筐体01(即设置在最内部的触媒筐筐体01)内部可以设置有催化剂。
本发明实施例提供的氧化还原反应装置可以应用于对含有硫化氢(H2S)的酸性气进行硫磺回收。在回收过程中，可以采用空气中的氧气和该H2S在催化剂的作用下发生氧化还原反应，生成硫单质和水。但是该反应为强放热反应，反应器进口a处含1％的H2S转化为硫单质所产生的反应热就能够导致触媒筐中所设置的催化剂升温60度。在采用原始的氧化还原反应装置回收硫磺时，由于靠近反应器进口a处的反应量较大，导致该处的催化剂温度升高而失去催化作用，从而影响硫磺回收的效率。
在采用本发明实施例提供的氧化还原反应装置回收硫磺时，可以先将含有H2S的混合反应气从反应器10进口a处通入该反应器10的内部，混合反应气可以通过设置在该反应器10内部的触媒筐00上的进气孔0111进入该触媒筐00内，在该触媒筐00内设置的催化剂的催化作用下发生氧化还原反应。假设该混合反应气进入反应器10进口a处的速度为每秒8米(8m/s)，反应器出口b处的静压力为60千帕(KPa)，出口b处的温度设定为150摄氏度(℃)。采用流程模拟软件(ProII)中的热力学方法(SRK方程)给出的混合气物性参数(粘性系数、熵、焓等)进行模拟，并同时满足稳态、绝热和不可压缩条件，采用k-ε(k为紊流脉动动能，ε为紊流脉动动能的耗散率)的湍流模型，模拟触媒筐内部设置的催化剂的催化剂阻力以及触媒筐的优化设计导致的渗透率ε的改变值。用流体仿真软件(Fluent)进行CFD仿真计算，得出的反应器局部温度结果可以如表1所示。表1中优化前温度是指采用原始触媒筐时反应器内部的温度，优化后温度是指采用本发明实施例提供的触媒筐时反应器内部的温度。参考表1可以看出，采用原始触媒筐时，反应器局部最高温度为283摄氏度(℃)，局部最低温度为215℃，反应器内最大温差为68℃。采用本发明实施例提供的触媒筐时，反应器局部最高温度为259℃，局部最低温度为250℃，反应器内最大温差为9℃，远远小于采用原始触媒筐时反应器内的最大温差68℃。
表1
参数 优化前温度 优化后温度
反应器局部最高温度(℃) 283℃ 259℃
反应器局部最低温度(℃) 215℃ 250℃
反应器最大温度差(℃) 68℃ 9℃
图7是将原始触媒筐应用于反应器时的反应器内部的温度分布云图。图8是将本发明实施例提供的触媒筐应用于反应器时的反应器内部的温度分布云图。图7和图8中通过不同的填充图案来表示不同的温度值。其中1.66e+02可以表示反应器内部的温度为166摄氏度。参考图7可以看出，反应器10内靠近进口a处的温度较高，而远离进口a处的温度较低。参考图8可以看出，反应器10内靠近进口a处的温度与远离进口a处的温度的温度差较小。参考图7和图8可以看出，本发明实施例提供的触媒筐00可以明显改善反应器10内部的温度状况。温度差降低，不会使反应器10内部的局部温度过高，催化剂不会失去催化作用，提高了硫磺的回收率。
可选的，本发明实施例提供的氧化还原反应装置还可以用于氨氧化还原等放热反应。本发明实施例对该氧化还原反应装置的用途不做限定。
综上所述，本发明实施例提供了一种触媒筐，该触媒筐包括至少一个触媒筐筐体。该至少一个触媒筐筐体设置在反应器的内部。每个该触媒筐筐体上设置有多个孔列，每个该孔列包括多个进气孔。每个该触媒筐筐体上设置的多个孔列在靠近该反应器的进口处的进气孔的孔径小于远离该进口处的进气孔的孔径。将该触媒筐应用于反应器内，并进行氧化还原反应时，可以减小该反应器进口处的反应量，增大远离该反应器进口处的反应量，使触媒筐内各处的反应量较为均衡。从而可以避免由于反应器进口处局部温度较高导致触媒筐内靠近该进口处的催化剂失活的问题，确保了反应器内的反应速率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种触媒筐，其特征在于，所述触媒筐包括：多个触媒筐筐体；
多个所述触媒筐筐体依次套接设置在反应器的内部，相邻两个所述触媒筐筐体之间存在间隙，且多个所述触媒筐筐体等间距排布；每个所述触媒筐筐体上设置有多个孔列，每个所述孔列包括多个进气孔；
每个所述孔列中靠近所述反应器的进口处的进气孔的孔径小于远离所述进口处的进气孔的孔径；
所述多个触媒筐筐体包括第一触媒筐筐体和第二触媒筐筐体，所述第一触媒筐筐体上任一孔列所在直线与所述第二触媒筐筐体任一孔列所在直线不平行，所述第一触媒筐筐体与所述第二触媒筐筐体中所设置的最远离所述反应器进口处的一端所述的进气孔的轴线共线，所述第一触媒筐筐体与所述第二触媒筐筐体靠近所述反应器进口处的一端的所述进气孔相互错位。
2.根据权利要求1所述的触媒筐，其特征在于，
每个所述触媒筐筐体上设置的多个孔列等间距排布。
3.根据权利要求1所述的触媒筐，其特征在于，
所述触媒筐包括三个所述触媒筐筐体，且三个所述触媒筐筐体等间距排布。
4.根据权利要求1所述的触媒筐，其特征在于，
多个所述触媒筐筐体上设置的任意两个孔列所包括的进气孔的个数相等，且相邻进气孔的孔间距相同。
5.根据权利要求1至4任一所述的触媒筐，其特征在于，
每个所述孔列包括多组孔，每组孔包括多个孔径相等的进气孔。
6.根据权利要求5所述的触媒筐，其特征在于，
每个所述孔列中，相邻两组孔的孔径之差为两毫米。
7.一种氧化还原反应装置，其特征在于，所述装置包括：反应器以及设置在所述反应器内的如权利要求1至6任一所述的触媒筐。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：至少一个固定圆环；
所述至少一个固定圆环设置在所述反应器内部，且均套接在所述触媒筐上。
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