CN209406293U - 气液催化反应装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及气液催化反应装置和以该反应装置的某部分实施方案作为单元构成的反应系统，该气液催化反应装置包括：设有反应液输入、输出管道的反应液储存罐，催化反应器、换热器、背压阀，换热器设在催化反应器与背压阀之间，背压阀连接有出液管道。反应液储存罐的输出管道与催化反应器的输入管道之间，至少在靠近反应液储存罐的一端及在靠近催化反应器的一端分别设有一个输液泵，两端的输液泵之间设有气液混合器和气液混合流体存储器，气液混合器连通输气管道。其反应液储存罐、气液混合器、气液混合流体存储器等部分保持为低压或常压状态，实现物料存储部分与反应部分的有效隔离，使得整个催化反应装置和系统的安全系数得到显著提高。

Description

气液催化反应装置及系统

技术领域

本实用新型涉及化学催化反应装置领域，具体为一种能够较好地适用于高温、高压条件下，进行气液混合催化反应的装置及系统。

背景技术

在化学合成中，应用较为普遍的催化加氢反应以及催化氧化反应，均涉及到固、液、气三相的传质传热。目前通常采用固载到粉末状或颗粒状活性炭、氧化铝、硅藻土等基材上的钯、铂、铑、铱、镍、铁、钴、铜等等金属或金属复合物作为催化剂。应用场景中将气、液、催化剂在耐压力的反应釜中进行长时间的充分搅拌使三相混合反应。

实施气液混合的催化反应时涉及的反应装置，目前应用较多的是搅拌压力反应釜和环流喷射反应器。其中搅拌压力反应釜的体积较庞大，安全性较差，而且为安监重点监控的特种反应设备，同时其气液混合效果也较差，传热效率较低，一般仅适合于批次反应。环流喷射反应器，在循环过程中会破坏催化剂的结构，不适合于固体为催化剂的气液反应，整个管路承受的压力都很大，所以安全性略差。

实用新型内容

针对当前气液混合催化反应装置，因储料部分和反应部分没有实现有效分离或者管路承受着高压，而导致的反应装置安全性较差的问题，本实用新型提供了一种气液催化反应装置和基于该反应装置的反应系统，其在正常实现催化反应的同时，能够实现物料存储部分与反应部分的有效隔离，使得整个催化反应装置和系统的安全系数得到显著提高。

本实用新型在解决其针对的技术问题时，所采取的技术方案如下：

一种气液催化反应装置，其包括：

反应液储存罐，其上设有反应液输入管道和输出管道。

催化反应器、换热器、背压阀，该换热器设置在所述催化反应器与所述背压阀之间，用于为由催化反应器流出的气液混合流体降温，所述背压阀连接有出液管道。

所述反应液储存罐的输出管道与所述催化反应器的输入管道之间，至少在靠近所述反应液储存罐的一端及在靠近所述催化反应器的一端分别设有一个输液泵，两端的输液泵之间设有气液混合器和气液混合流体存储器，所述气液混合器连通输气管道，一般会在连通气液混合器的输气管道上设置流量调节阀，来调节送入气液混合器内的气体流量。

上述实施方案下，反应液储存罐、气液混合器、气液混合流体存储器等部分保持为低压或常压状态，仅在靠近催化反应器的输液泵至背压阀的区间形成高压区域，因该部分高压区域持液量很小，安全性极高。同时在管路中，流经非高压区域的液体或气体的温度相对较低，也有助于保证整个设备在运行中的安全性。气源不要求为高压气源。

为了控制催化反应器内压力过高，在所述催化反应器与靠近其的输液泵之间的管路上设有安全阀，该安全阀上连接有泄压管。

在具体的实施方案中，还可包括气液分离器，该气液分离器连通所述输气管道及所述反应液储存罐，且所述气液混合器、气液混合流体存储器与所述气液分离器之间分别通过一根输气管道连通。在输气管道至气液混合器的连通管路上所设置的，用于控制送入气液混合器内的气体流量的流量调节阀，安装在所述气液混合器与所述气液分离器之间的连通管路上。设置气液分离器及连通气液分离器与气液混合流体存储器的管路，能够有效地回收未反应完的气体，保证气源气体化学计量的利用，避免浪费。

在具体的实施方案中，所述背压阀的一端口设有与所述出液管道相对并联的管道连通至所述气液分离器；于出液管道及与其并联的管道上分别设置有截止阀。在该方案下，通过对两个截止阀的启闭进行控制，能够实现批次的循环反应。

在具体的实施方案中，所述气液混合器可以选择为文丘里混合器，包括单个使用或多个同时使用的情形。同时使用多个文丘里混合器的情形中，多个文丘里混合器可以为相串联或相并联的形式，甚至相串联与并联混合使用的形式。而且有多个文丘里混合器时，每个文丘里混合器接通输气管道的管路上分别设置流量调节阀，以精准控制输送至每个文丘里混合器的气流量，精准控制各混合器的气液比例。

在具体的实施方案中，所述催化反应器为固定床反应器，如轴向绝热式固定床反应器、径向绝热式固定床反应器、列管式固定床反应器。

进一步，选择为列管式固定床反应器时，各列管的外部设置有换热介质夹层。此时的反应器比表面积远大于反应釜，热量交换迅速、控温精确，反应过程中不易出现飞温现象，具有较高的可控性。气液混合流体在列管式固定床反应器的反应管内形成固定的保留时间，反应进程精准可控，精确至秒。

进一步，选择为列管式固定床反应器时，在所述列管式固定床反应器的外围设有热交换热器，所述热交换热器能够将列管式固定床反应器出口处的混合流体的热量传递至列管式固定床反应器入口处的混合流体，即在反应混合流体的入管和出管之间增加换热装置，利用反应出液对反应入液进行加热，能有效回收热量，减少能源消耗，且有助于提升对高温、高压区的控温精度程度。

一种气液催化反应系统，其特征在于包括若干级催化反应单元，其中单级的催化反应单元包括：

反应液储存罐，其上设有反应液输入管道和输出管道。

催化反应器、换热器、背压阀，该换热器设置在所述催化反应器与所述背压阀之间，用于为由催化反应器流出的气液混合流体降温，所述背压阀连接有出液管道。

所述反应液储存罐的输出管道与所述催化反应器的输入管道之间，至少在靠近所述反应液储存罐的一端及在靠近所述催化反应器的一端分别设有一个输液泵，两端的输液泵之间设有气液混合器和气液混合流体存储器，所述气液混合器连通输气管道。

位于起始端的一级催化反应单元中所设反应液储存罐上的反应液输入管道连通原料液源，各级催化反应单元中的输气管道连通至气源。相邻的两级催化反应单元之间分别设有气液分离器，用于接通前一级催化反应单元中的出液管道、后一级催化反应单元中反应液储存罐上的反应液输入管道及气源管道。

上述催化反应系统的实施方案中，各级催化反应单元中的反应液储存罐、气液混合器、气液混合流体存储器等部分均保持为低压或常压状态，仅在靠近催化反应器的输液泵至背压阀的区间形成高压区域，因该部分高压区域持液量很小，安全性极高。同时在管路中，流经非高压区域的液体或气体的温度相对较低，也有助于保证整个设备在运行中的安全性。气源不要求为高压气源。

为了控制各个催化反应器内压力过高，在各个催化反应器与靠近其的输液泵之间的管路上分别设有安全阀。

上述催化反应系统内，气液混合器可部分地选为文丘里混合器，所述催化反应器为固定床反应器。如为列管式固定床反应器，则该列管式固定床反应器中的各列管的外部设置有换热介质夹层。此时各级中的反应器比表面积远大于反应釜，热量交换迅速，能够对不同级的催化反应器实现有针对性的、有区别的精确控温，使得各级反应过程中均不易出现飞温现象，使得反应系统整体上具有较高的可控性。气液混合流体在列管式固定床反应器的反应管内形成固定的保留时间，反应进程精准可控，精确至秒。选则使用列管式固定床反应器时，所述列管式固定床反应器的外围设有热交换热器，所述热交换热器能够将列管式固定床反应器出口处的混合流体的热量传递至列管式固定床反应器入口处的混合流体。即在反应混合流体的入管和出管之间增加换热装置，利用反应出液对反应入液进行加热，能有效回收热量，减少能源消耗，且有助于提升对高温、高压区的控温精度程度。

附图说明

图1为本专利所涉及反应装置的一种实施方式的整体连接结构示意图：

图2为基于本专利所涉及反应装置方案下的反应系统的串联结构示意图。

1反应液储存罐，2a前置输液泵，2b增压输液泵，3气液混合器，4气液混合流体存储器， 5催化反应器，51安全阀，52热交换器，6换热器，7背压阀，8及8.1、8.2、...8.n气液分离器，A低压区，B高压区，C控温区，f₁启闭阀，f₂流量调节阀，f₃截止阀，a反应液输入管道，b输气管道，c泄压管道，d出液管道，e换热介质流入管道，f换热介质流出管道，g冷介质流入管道，h冷介质流出管道

具体实施方式

说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1所示的气液催化反应装置，其包括反应液储存罐1、催化反应器5、换热器6及背压阀7。反应液储存罐1上设有设在上方的反应液输入管道和设在下方的输出管道。换热器6设置在所述催化反应器5与所述背压阀7之间，用于为由催化反应器5流出的气液混合流体实现降温，所述背压阀7连接有出液管道，用于输出完成反应的液体。出液管道上设有截止阀，控制出液管道的导通和闭合。

所述反应液储存罐1的输出管道与所述催化反应器5的输入管道之间，在靠近所述反应液储存罐1的一侧及在靠近所述催化反应器5的一侧分别设有一个输液泵2a、2b(即，嵌置输液泵2a和增压输液泵2b)，输液泵2a、2b之间设有气液混合器3和气液混合流体存储器4，所述气液混合器3连通输气管道，一般会在连通气液混合器3的输气管道上设置流量调节阀，来调节送入气液混合器3内的气体流量。如果气液混合流体存储器4至增压输液泵2b之间的管路过长，可在中间增加(一级或多级)输液泵。还可在气液混合器3 与气液混合流体存储器4之间的管路上增加输液泵。

图1所示的方案为能够实现批次循环反应的实施例。其在反应液储存罐1、气液混合器3与背压阀7的输出口之间设置了气液分离器8，同时，所述背压阀的输出口处还设有与所述出液管道相对并联的管道(下称“并联管道”)，该并联管道连通至所述气液分离器的上方，用于将由背压阀流出的混合流体(处于没有反应完的状态)输送至气液分离器 8。该并联管道也设有截止阀，其与出液管道上设置的截止阀一般为择一地开启，择一地闭合，以保证实现批次的连续循环反应。输气管道中间一端通过气液分离器8衔接后连接至气液混合器3。所述气液分离器8连通所述输气管道及所述反应液储存罐1，以便将分离出的液体和气体分别输送至反应液储存罐1和气液混合器3。在输气管道至气液混合器3的连通管路上所设置的，用于控制送入气液混合器3内的气体流量的流量调节阀，安装在所述气液混合器3与所述气液分离器8之间的连通管路上。

所述气液混合流体存储器4与所述气液分离器8之间通过一根输气管道(称为回流平衡管)连通。使输气管道中部衔接气液分离器8及设置回流平衡管，能够有效地回收未反应完的气体，保证气源气体化学计量的利用，避免浪费。

上述实施方案下，反应液储存罐1、气液混合器3、气液混合流体存储器4等部分保持为低压或常压状态，仅在靠近催化反应器的输液泵至背压阀的区间形成高压区域，因该部分高压区域持液量很小，安全性极高。同时在管路中，流经非高压区域的液体或气体的温度相对较低，也有助于保证整个设备在运行中的安全性。气源不要求为高压气源。

为了控制催化反应器5内压力过高，在所述催化反应器5与增压输液泵2b之间的管路上设有安全阀51，该安全阀51上连接有泄压管。

当不设置气液分离器8及其连通反应液储存罐1、气液混合器3、气液混合流体存储器4、背压阀7的管路时，反应液由背压阀流出后可通过出液管流出，进入到下一环节的反应装置内，形成多级连续化反应装置的一部分或者说某个单元模块(详见下面关于催化反应系统的说明)。

在具体的实施方案中，所述气液混合器3可以选择为文丘里(管式)混合器，包括单个文丘里混合器单独使用或多个文丘里混合器同时使用的情形(形成一个气液混合系统)。多个文丘里混合器同时使用的情形中，多个文丘里混合器可以为相串联或相并联的形式，甚至相串联与并联混合使用的形式。而且有多个文丘里混合器时，每个文丘里混合器接通输气管道的管路上分别设置流量调节阀，以精准控制输送至每个文丘里混合器的气流量，精准控制各混合器的气液比例。所述的气液混合器3也包括形成气液混合系统的包括文丘里混合器与其他类型的混合器组合使用的实施方式。

所述的输液泵2a、2b可以单一地或同时选择为磁力离心泵、柱塞泵、隔膜泵、齿轮泵、螺杆泵等任何工程人员可以理解的流体输送泵。气液分离器8可以为重力沉降、折流、离心、填料分离、丝网分离、微孔分离等任何工程人员可以理解并替代的分离器。

在具体的实施方案中，所述催化反应器5可选择为固定床反应器，如轴向绝热式固定床反应器、径向绝热式固定床反应器、列管式固定床反应器。具体根据他们的特点及应用场景确定。其中，

三种基本形式的固定床反应器中：轴向绝热式固定床反应器，流体沿轴向自上而下流经床层，床层同外界无热交换。径向绝热式固定床反应器，流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动，床层同外界无热交换。径向反应器与轴向反应器相比，流体流动的距离较短,流道截面积较大,流体的压力降(压力降是气流通过旋风分离器的能量损失，是旋风分离器的另一重要指标)较小。但径向反应器的结构较轴向反应器复杂。以上两种形式都属绝热反应器,适用于反应热效应不大,或反应系统能承受绝热条件下由反应热效应引起的温度变化的场合。列管式固定床反应器由多根反应管并联构成。管内或管间布置催化剂，载热体流经管间或管内进行加热或冷却，管径通常在25～50mm之间，管数可多达上万根。列管式固定床反应器适用于反应热效应较大的反应。此外，尚有由上述基本形式串联组合而成的反应器，称为多级固定床反应器。例如：当反应热效应大或需分段控制温度时，可将多个绝热反应器串联成多级绝热式固定床反应器,反应器之间设换热器或补充物料以调节温度，以便在接近于最佳温度条件下操作。

固定床反应器的优点是：

①返混(返混，又称逆向混合，是一种混合现象)小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。

②催化剂机械损耗小。

③结构简单。

固定床反应器中的催化剂不限于颗粒状，网状催化剂早已应用于工业上。目前，蜂窝状、纤维状催化剂也已被广泛使用。

如图1，选择为列管式固定床反应器时，各列管的外部设置有换热介质夹层，通过换热介质流入、流出管道与该换热介质夹层连通，形成换热循环系统。此时的反应器比表面积远大于反应釜，热量交换迅速、控温精确，反应过程中不易出现飞温(反应温度失去控制，急剧上升，超过允许范围)现象，具有较高的可控性。气液混合流体在列管式固定床反应器的反应管内形成固定的保留时间，反应进程精准可控，精确至秒。可在所述列管式固定床反应器的外围设有热交换热器52，所述热交换热器52能够将列管式固定床反应器出口处的混合流体的热量传递至列管式固定床反应器入口处的混合流体，即在反应混合流体的入管和出管之间增加换热装置，利用反应出液对反应入液进行加热，能有效回收热量，减少能源消耗，且有助于提升对高温、高压区的控温精度程度。如图，反应混合流体的入管延伸到热交换器52中的部分为弯折多道的结构，以保证形成足够的换热面积。

如图2所示的气液催化反应系统，其包括基于图1所示装置主要部分的若干级催化反应单元(第1级、第2级...第N级)，其中单级的催化反应单元包括：

反应液储存罐1，其上设有反应液输入管道和输出管道。

催化反应器5、换热器6、背压阀7，该换热器6设置在所述催化反应器5与所述背压阀7之间，用于为由催化反应器5流出的气液混合流体降温，所述背压阀7连接有出液管道。

所述反应液储存罐1的输出管道与所述催化反应器5的输入管道之间，在靠近所述反应液储存罐1的一侧及在靠近所述催化反应器5的一侧分别设有嵌置输液泵2a和增压输液泵2b，两输液泵2a、2b之间设有气液混合器3和气液混合流体存储器4，所述气液混合器3直接连通输气管道(其上设有流量调节阀)。

针对各级催化反应单元：

位于起始端的一级催化反应单元(第1级)中所设反应液储存罐1上的反应液输入管道连通原料液源，各级催化反应单元中的输气管道均连通至气源。相邻的两级催化反应单元之间分别设有气液分离器8.1、8.2、...8.n，用于接通前一级催化反应单元中的出液管道、后一级催化反应单元中反应液储存罐1上的反应液输入管道及气源管道。

如第1级催化反应单元中的出液管道将初次反应完的混合流体输送至其与第2级催化反应单元之间设置的气液分离器8.1，经气液分离器8.1将分离出的反应液输送至第2级催化反应单元中的反应液储存罐1内，分离出的气体进入气源管路供至下游各级催化反应单元的气液混合器3。如第2级催化反应单元中的出液管道将再次反应完的混合流体输送至其与第3级催化反应单元之间设置的气液分离器8.2，经气液分离器8.2将分离出的反应液输送至第3级催化反应单元中的反应液储存罐1内，分离出的气体进入气源管路供至下游各级催化反应单元的气液混合器3。以此类推，最终反应完成的混合流体有第N级催化反应单元后面设置的气液分离器8.n作气液分离处理后得到相应的液体产品、回收未反应的气体。

在图2所示的催化反应系统内，各级催化反应单元中涉及的气液混合器3可部分地选为文丘里混合器(包括单个使用或多个组合使用的情形)。与前述关于催化装置的说明一样，所述气液混合器3包含单个混合器和多个混合器形成的混合系统(多个混合器可为同类型或不同类型，组合关系包括串联、并联、串联与并联组合)。

各级催化反应单元中涉及的输液泵2a、2b可以单一地或同时选择为磁力离心泵、柱塞泵、隔膜泵、齿轮泵、螺杆泵等任何工程人员可以理解的流体输送泵。气液分离器8可以部分地为重力沉降、折流、离心、填料分离、丝网分离、微孔分离等任何工程人员可以理解并替代的分离器。

所述催化反应器为图1所示的列管式固定床反应器，该列管式固定床反应器中的各列管的外部设置有换热介质夹层。还可在所述列管式固定床反应器的外围设有热交换热器，所述热交换热器能够将列管式固定床反应器出口处的混合流体的热量传递至列管式固定床反应器入口处的混合流体。

上述实施方式仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。本实用新型还有许多方面可以在不违背总体思想的前提下进行改进，对于熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，可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实用新型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，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种气液催化反应装置，其特征在于包括：

反应液储存罐，其上设有反应液输入管道和输出管道；

催化反应器、换热器、背压阀，该换热器设置在所述催化反应器与所述背压阀之间，用于为由催化反应器流出的气液混合流体降温，所述背压阀连接有出液管道；

所述反应液储存罐的输出管道与所述催化反应器的输入管道之间，至少在靠近所述反应液储存罐的一端及在靠近所述催化反应器的一端分别设有一个输液泵，两端的输液泵之间设有气液混合器和气液混合流体存储器，所述气液混合器连通输气管道。

2.根据权利要求1所述的气液催化反应装置，其特征在于：靠近所述催化反应器的输液泵至催化反应器之间的管路上设有安全阀，该安全阀上连接有泄压管。

3.根据权利要求1所述的气液催化反应装置，其特征在于：还可包括气液分离器，该气液分离器连通所述输气管道及所述反应液储存罐，且所述气液混合器、气液混合流体存储器与所述气液分离器之间分别通过一根输气管道连通；

所述背压阀的一端口设有与所述出液管道相对并联的管道连通至所述气液分离器；于出液管道及与其并联的管道上分别设置有截止阀。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的气液催化反应装置，其特征在于：所述气液混合器为文丘里混合器。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的气液催化反应装置，其特征在于：所述催化反应器为固定床反应器。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的气液催化反应装置，其特征在于：所述催化反应器为列管式固定床反应器，且该列管式固定床反应器中的各列管的外部设置有换热介质夹层。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的气液催化反应装置，其特征在于：所述催化反应器为列管式固定床反应器，且该所述列管式固定床反应器的外围设有热交换热器；所述热交换热器能够将列管式固定床反应器出口处的混合流体的热量传递至列管式固定床反应器入口处的混合流体。

8.一种气液催化反应系统，其特征在于包括若干级催化反应单元，其中单级的催化反应单元包括：

反应液储存罐，其上设有反应液输入管道和输出管道；

催化反应器、换热器、背压阀，该换热器设置在所述催化反应器与所述背压阀之间，用于为由催化反应器流出的气液混合流体降温，所述背压阀连接有出液管道；

所述反应液储存罐的输出管道与所述催化反应器的输入管道之间，至少在靠近所述反应液储存罐的一端及在靠近所述催化反应器的一端分别设有一个输液泵，两端的输液泵之间设有气液混合器和气液混合流体存储器，所述气液混合器连通输气管道；

位于起始端的一级催化反应单元中所设反应液储存罐上的反应液输入管道连通原料液源，各级催化反应单元中的输气管道连通至气源；相邻的两级催化反应单元之间分别设有气液分离器，用于接通前一级催化反应单元中的出液管道、后一级催化反应单元中反应液储存罐上的反应液输入管道及气源管道。

9.根据权利要求8所述的气液催化反应系统，其特征在于：所述催化反应器为固定床反应器。

10.根据权利要求8所述的气液催化反应系统，其特征在于：所述催化反应器为列管式固定床反应器，且该列管式固定床反应器中的各列管的外部设置有换热介质夹层。