CN115920781A - 一种颗粒堆积固定床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒堆积固定床反应器，包括中心输气加热装置、出口网状限位器、整流罩、反应器外壳、催化剂颗粒。在颗粒堆积固定床反应器内加入了中心输气加热装置，该装置与反应器外壳同轴，由网状限位器、输气管及管壁加热器组成，该装置通过其一端的网状限位器固定在反应器外壳入口；输气管与管壁加热器沿轴向插入反应器外壳内，输气管为空心管状结构，管壁加热器按螺旋线缠绕布置在输气管壁面上，可提高平均温度的同时将反应物引入反应器的中后部。本发明可以有效解决传统颗粒堆积固定床反应器内由于径向温度不均匀和反应流体浓度低引限制反应速率的问题，并且结构紧凑，空间利用率高，可以大幅度提升颗粒堆积固定床反应器的生产效率。

Description

一种颗粒堆积固定床反应器

技术领域

本发明涉及一种化工反应器，特别涉及一种颗粒堆积固定床反应器。可用于多种化工原料的生产、吸热化学反应的进行。

背景技术

颗粒堆积固定床是核能、石油化工、储能、可再生能源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。颗粒堆积固定床具有结构紧凑、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。现代工业生产中，颗粒堆积固定床反应器多为小管径粒径比的多圆管管排结构，由于其内部为大量低导热材料制成的催化剂颗粒，颗粒堆积固定床反应器内换热性能较差，这会使得固定床反应器内部平均温度较低且温度分布不均，根据化学反应原理可知，较低的平均温度限制反应进行的效率，并且不均匀的温度分布会降低反应器使用寿命。并且颗粒堆积固定床反应器的管排长度通常可以达到十米以上，随着管排轴向距离的增加反应流体的不断消耗，在管排的轴向中后段反应流体浓度通常较低，根据化学反应原理可知，低反应流体浓度限制反应进行的效率，并且容易带来在管排的轴向上的温度不均匀分布，进而影响反应器使用寿命。

因此，针对颗粒堆积固定床反应器，急需一种简单易行具有提高强化换热和中后部反应流体浓度的结构，以解决颗粒堆积固定床的技术不足。

发明内容

本发明针对上述研究的限制与不足，在此基础上提出一种颗粒堆积固定床反应器，其制造工艺简单，结构紧凑，换热能力强，反应效率高，并减少了壁面效应。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明的一种颗粒堆积固定床反应器的具体结构，包括：中心输气加热装置、出口网状限位器、整流罩、反应器外壳、催化剂颗粒；反应器外壳为管状结构，设有进出口；中心输气加热装置与反应器外壳同轴，中心输气加热装置通过其一端的网状限位器固定在反应器外壳入口；输气管与管壁加热器沿轴向插入反应器外壳内；出口网状限位器位于反应器外壳出口；两个整流罩分别位于中心输气加热装置的网状限位器外以及出口网状限位器外；催化剂颗粒随机布置在反应器外壳内，并在中心输加热装置的输气管外，及出口网状限位器与中心输气加热装置的网状限位器间的空间之内；该颗粒堆积固定床反应器并联形成多组颗粒堆积固定床反应器。

中心输气加热装置包括网状限位器、输气管及管壁加热器，其特征在于：网状限位器为网状结构，在其径向中心处具有轴向通孔；输气管为空心管式结构与网状限位器上的中心通孔连接固定，输气管的长度为反应器外壳长的0.5-0.8倍，其直径为反应器外壳直径的0.1-0.3倍；管壁加热器为绳状结构，按照螺旋线沿输气管轴向缠绕在输气管的外壁上，该螺旋线的螺距为输气管长度的0.1-0.5倍；管壁加热器的数量至少为两个，多个管壁加热器的端部等角度阵列分布在输气管外壁；管壁加热器的外壳为耐高温惰性金属，保护管壁加热器的同时不参与颗粒堆积床固定床反应器内的化学反应。

催化剂颗粒可为球形、花瓣形、类球形、圆柱形等，颗粒直径为反应器外壳直径的0.14-0.5倍，催化剂不能进入中心输气加热装置的输气管中。催化剂颗粒在固定床外壳内随机布置，可为无序排布、有序排布、复合排布或上述排布的随机组合。

本发明与现有技术相比具有以下优点

1.中心输气加热装置与反应器外壳同轴，绳状管壁加热器按照螺旋线沿输气管轴向缠绕在输气管的外壁上，具有加热功能可提供中心热源，提高颗粒堆积固定床的平均温度，因此提高了颗粒堆积固定床内的反应效率；输气管的一端与反应器外壳入口处的网状限位器的中心通孔连接，可使入口流体直接流入输气管，另一端插入反应器外壳内，可将入口反应流体输送至颗粒堆积固定床反应器轴向长度0.5-0.8距离处，补充被消耗的反应流体，提高反应流体浓度，因此提高整体颗粒堆积固定床内的反应效率。

2.中心输气加热装置中螺旋布置的绳状管壁加热器，不仅起到了导流的作用，减少了内部流动损耗，还使得加热效果更加明显，提高了温度均匀性，延长催化剂颗粒及反应器的使用寿命，减弱固定床中壁面效应的影响，增强反应器内安全性。

3.该颗粒堆积固定床反应器制造工艺简单，结构紧凑，空间利用率高，无需在原有颗粒堆积固定床反应器外增加额外的主动输气装置，即可实现化学反应速率的提高，该颗粒堆积固定床反应器能在原有固定床反应器上实现方便快捷地强化改造，迅速地实现高效的生产。

附图说明

图1(a)是本发明所述的颗粒堆积固定床反应器-1示意图。

图1(b)是本发明所述的颗粒堆积固定床反应器-1的左视图。

图1(c)是图1(b)所示的颗粒堆积固定床反应器-1的A-A剖面的剖视图。

图2(a)是本发明所述的具有输气管-a和管壁加热器-a的中心加热装置的示意图。

图2(b)是本发明所述的具有输气管-a和管壁加热器-a的中心加热装置的左视图。

图2(c)是图2(b)所示的具有输气管-a和管壁加热器-a的中心加热装置的A-A剖面的剖视图。

图3(a)为本发明所述的输气管-a的示意图；

图3(b)为本发明所述的输气管-a的左示图；

图3(c)为本发明所述的输气管-b的示意图；

图3(d)为本发明所述的输气管-b的左示图；

图4(a)是本发明所述的颗粒堆积固定床反应器-2的左视图。

图4(b)是图4(a)所示的颗粒堆积固定床反应器-2的A-A剖面的剖视图。

图5是本发明所述的整流罩示意图。

图6是本发明所述的出口网状限位器示意图。

图中：1为整流罩；2网状限位器；3为反应器外壳；4为催化剂颗粒；5为输气管-a；6管壁加热器-a；7输气管-b；8为管壁加热器-b；9为出口网状限位器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本文发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由图1(a)至(c)所示，本发明的所述的颗粒堆积固定床反应器-1由：整流罩1、网状限位器2、反应器外壳3、催化剂颗粒4、输气管-a5、管壁加热器-a6、出口网状限位器9组成。中心输气加热装置与反应器外壳3同轴，中心输气加热装置通过其一端的网状限位器固定在反应器外壳3入口，输气管-a5与管壁加热器-a6沿轴向插入反应器外壳3内；出口网状限位器9位于反应器外壳3出口，两个整流罩1分别位于网状限位器2外以及出口网状限位器9外；催化剂颗粒4随机布置在反应器外壳3内，并在输气管-a5外，及出口网状限位器9与网状限位器2间的空间之内。

由图2(a)至(c)所示，中心输气加热装置由网状限位器2、输气管-a5、管壁加热器-a6组成，网状限位器2为网状结构，在其径向中心处具有轴向通孔；输气管-a5为空心管式结构通过一段渐缩管与网状限位器上的中心通孔连接固定。由图3(a)与图3(b)所示，输气管-a5的长度为反应器外壳长的0.67倍；管壁加热器-a6为绳状结构，按照螺旋线沿输气管轴向缠绕在输气管-a5的外壁上，该螺旋线的螺距为输气管-a5长度的0.1倍；管壁加热器-a6的数量四个，其端部等角度阵列分布在输气管-a5外壁。

本发明的反应器在工作时，反应流体通过整流罩1从管道流向反应器外壳3入口时,一部分反应流体通过网状限位器2直接进入反应器外壳3中,并与催化剂颗粒4接触发生反应；另一部分反应流体通过网状限位器2上的中心通孔进入输气管-a5，该部分流体先不参加反应并被管壁加热器-a6加热后直接流入颗粒堆积固定床反应器轴向距离的0.67倍位置处。当直接进入反应器外壳3中的部分反应流体与催化剂颗粒4反应时，既可以通过反应器外壳3获取热量又可以通过位于输气管-a5上的管壁加热器-a6获取热量，因此颗粒堆积固定床反应器内的平均温度被提高，反应速率得到了加强；同时，管壁加热器-a6为螺旋线结构，对流体还起到了一定的导流作用，减少了内部流动损耗。当该部分反应流体流到颗粒堆积固定床反应器轴向距离0.5倍位置后，由于不断的反应消耗，反应流体浓度下降，根据化学反应原理可知反应速率下降，而此时另一部分反应流体未经反应通过输气管-a5被输送过来，并且该部分反应流体也通过管壁加热器-a6加热携带了更多的热量，因此颗粒堆积固定床反应器中后部的反应流体浓度迅速提高，且获得了更多的反应需要的热量，根据化学反应原理可知化学反应速率被提高，整个颗粒堆积固定床反应器的生产速率得到了提高。

由图4(a)与图4(b)所示为本发明的所述的颗粒堆积固定床反应器-2，其与颗粒堆积固定床反应器-1的结构与组成基本相同，但不同的是颗粒堆积固定床反应器-2具有输气管-b7与管壁加热器-b8，并且颗粒堆积固定床反应器-2内的催化剂颗粒4堆积方式也不同于颗粒堆积固定床反应器-1。如图3(c)与图3(d)所示颗粒堆积固定床反应器-2中的输气管-b7长度为反应器外壳3的0.5，管壁加热器-b8按照螺旋线沿输气管轴向缠绕在输气管-b7的外壁上，该螺旋线的螺距为输气管-b7长度的0.2倍。管壁加热器-b8的数量六个，其端部等角度阵列分布在输气管-b6外壁。

本发明所述的颗粒堆积固定床反应器，根据化学反应原理进行了结构创新，提高了反应器内的平均温度和中后部的反应流体浓度，提高了反应速率和生产效率。并且该颗粒堆积固定床反应器无需在原有的反应器外增加其他的主动输气装置，制作工艺简单，结构紧凑，空间利用率高，可在现有颗粒堆积固定床反应器的基础上进行快速改造，具有良好的工程应用前景。

Claims (9)

1.一种颗粒堆积固定床反应器，包括：中心输气加热装置、出口网状限位器、整流罩、反应器外壳、催化剂颗粒；其中反应器外壳为管状结构，设有进出口；该颗粒堆积固定床反应器，其特征在于，中心输气加热装置通过其一端的网状限位器固定在反应器外壳入口；输气管与管壁加热器沿轴向插入反应器外壳内；出口网状限位器位于反应器外壳出口；两个整流罩分别位于中心输气加热装置的网状限位器外以及出口网状限位器外；催化剂颗粒随机布置在反应器外壳内，并在中心输加热装置的输气管外，及出口网状限位器与中心输气加热装置的网状限位器间的空间之内。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒堆积固定床反应器，其特征在于，中心输气加热装置包括网状限位器、输气管及管壁加热器，该装置与反应器外壳同轴；网状限位器为网状结构，在其径向中心处具有轴向通孔；输气管为空心管式结构与网状限位器上的中心通孔连接固定，输气管的长度为反应器外壳长的0.5-0.8倍，其直径为反应器外壳直径的0.1-0.3倍；多个管壁加热器的端部等角度阵列分布在输气管外壁；按照螺旋线沿输气管轴向缠绕在输气管的外壁上，该螺旋线的螺距为输气管长度的0.1-0.5倍；管壁加热器的外壳为耐高温惰性金属，保护管壁加热器的同时不参与颗粒堆积床固定床反应器内的化学反应。

3.根据权利要求1所述的一种颗粒堆积固定床反应器，其特征在于：管壁加热器为绳状结构，管壁加热器的数量至少为两个。

4.根据权利要求1所述的一种颗粒堆积固定床反应器，其特征在于：所述出口网状限位器为网状结构，用于限制反应器外壳内催化剂颗粒位置。

5.根据权利要求1所述的一种颗粒堆积固定床反应器，其特征在于：整流罩用于连接反应器与管路。

6.如权利要求1所述的一种颗粒堆积固定床反应器，其特征在于：催化剂颗粒为球形、花瓣形、类球形或圆柱形，颗粒直径为反应器外壳直径的0.14-0.5倍，催化剂不能进入中心输气加热装置的输气管中。

7.根据权利要求1所述的一种颗粒堆积固定床反应器，其特征在于：催化剂颗粒在固定床外壳内随机布置，可为无序排布、有序排布、复合排布或上述排布的随机组合。

8.根据权利要求1所述的一种颗粒堆积固定床反应器，其特征在于：可将该颗粒堆积固定床反应器并联形成多组颗粒堆积固定床反应器。

9.根据权利要求1所述的一种颗粒堆积固定床反应器，其特征在于：该颗粒堆积固定床反应器适用于吸热化学反应。

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