CN204193907U - 一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器 - Google Patents
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Abstract
一种整体式反应器的上封头有气相出口(15)和液相进管(14)，其内有液相喷头(2)，中间筒体内有支撑板(4)，在支撑板(4)之间均设有波纹板分布器(5)，在分布器(5)下部有循环水支管(16)，水支管(16)的进口侧和出口侧均与循环水分布盘(17)连接，且在中间筒体外部设有循环水连接管(6)，循环水分布盘(17)进水口或出水口与循环水连接管(6)连接，下封头内有圆锥形气相分布器(8)，底端有液相排出管(11)，在液相排出管(11)内有气相进管(10)，气相进管(10)上部顶端有气相喷头(9)。本实用新型具有传质效率高、放大效应小，液相分布均匀和装填及更换催化剂便捷的优点。
Description
技术领域
本实用新型属于一种反应器，尤其涉及一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器。
背景技术
气-液-固三相反应是化工生产中常见的反应体系，在该体系的固相通常指催化剂，气相为反应物，而液相为反应物、产物或惰性介质。气-液-固三相反应与气-固、气-液和液-固两相反应体系相比，存在传递阻力大和传递过程复杂的缺点。搅拌式浆态床反应器通过降低催化剂粒度和剧烈搅拌的方式使得催化剂始终保持悬浮状态，大大提高了气-液-固三相间的传质和传热效率，同时该反应器还具有反应温度均匀和能够实现在线更换催化剂的优点，在工业上取得了广泛的应用。但由于其对催化剂粒度和强力机械搅拌的要求，导致了该反应器存在催化剂易磨损，固-液两相分离困难和催化剂粉末易粘壁等一系列难题，大大增加了催化剂损耗、分离设备的投资和操作的费用。
整体式或结构化催化剂具有规整和均匀的孔道结构，由许多外部彼此相连、纵向不设阻挡的平行通道或者小室组成，活性组分被制成极薄的涂层结构负载于孔道内壁。由于整体式催化剂与传统颗粒状催化剂有很大的区别，使得整体式反应器在三相反应中表现出优于传统搅拌式浆态床反应器的特性，具体为：(1)床层压力降低，整体催化剂由许多平行且直的孔道组成，故其与固定床和浆态床相比压降降低了2～3个数量级；(2)传质效率高，当选择适当的气液两相流速时，催化剂孔道内会出现近似活塞流的流型，增大了传质；(3)催化剂易分离和更换，由于整体催化剂固定于反应器中，催化剂不易磨碎和流失，分离和更换更加简单；(4)放大效应小，整体催化剂结构规整，实验室和工业用的整体反应器的差别就仅在于孔道数量的不同，更易于放大。由于整体催化技术具有诸多优点，成为当今多相催化领域中最具发展潜力的研究方向之一。
整体式催化剂虽然在多相反应中表现出比传统的搅拌式浆态床反应器的更多的优势，但由于反应器设计不足和催化剂本身的结构特点，导致其仍存在如下缺点：(1)传热效果不理想，由于整体催化剂的孔道是相对独立的，相邻的孔道之间无任何的传质作用，因而不存在径向传热，透过孔道壁的径向热传导也很低，故对放热反应而言，会使得反应温度迅速升高，而对于吸热反应则比搅拌式浆态床反应器因降温而更容易出现反应骤停的现象；(2)液相在整体式反应器横截面处分布不均匀，受到制造工艺的限制，单个整体催化剂的高度有限，为达到所需的催化剂床层高度，需将整体催化剂进行多层重叠串联，使得液相在两层整体催化剂接触面处分布不均匀；(3)整体催化剂的装填和更换仍较麻烦，整体催化剂虽然外形和孔道结构比较规整，但是在催化剂装填过程中由于必须保证层与层之间孔道的完美对接，且还应控制径向催化剂间缝隙的大小适中，同时由于其装填量比较大，使得由于局部催化剂失活而导致的催化剂更换更加麻烦。
综上所述，整体催化剂在气-液-固三相反应中具有许多优势，但由于催化剂结构特点和反应器的不足导致其存在传热效率低、液体沿横截面分布不均和装填更换催化剂麻烦的缺点。上述问题的根本原因是现有整体式反应器与整体催化剂不比匹配，而在实际的化工生产过程中具有重要作用，反应器结构设计的合理与否不但决定着催化剂性能，甚至会对生产的连续和稳定运行具有重要影响。因此，针对整体催化剂的结构特点，开发一种换热效率高、液相分布均匀和装填更换催化剂更加简单的整体式反应器，具有重要的理论和现实意义。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种适用于气-液-固三相体系的整体式反应器，该反应器在能发挥出整体催化剂床层压降低、传质效率高、放大效应小和催化剂无需分离等优点的同时，还具有换热效率高、液相分布均匀和装填及更换催化剂便捷的优点。
为了实现本实用新型的目的，整体式反应器它包括反应器壳体1，液相喷头2，气相分布器8，液相排出管11，液相进管14，气相进口10和气相出口15，其特征在于反应器壳体1由上封头，中间筒体和下封头组成，上封头顶部有气相出口15，上封头内装有液相喷头2，位于上封头侧面有液相进管14，在中间筒体内有至少5层整体催化剂支撑板4，在整体催化剂支撑板4之间均设有波纹板分布器5，波纹板分布器5侧面有分布孔18，在整体催化剂支撑板4上装有整体催化剂层3，在每个波纹板分布器5下部凹面处均设有平行的循环水支管16，循环水支管16的进口侧和出口侧均与循环水分布盘17连接，且在中间筒体外部设有循环水连接管6，循环水分布盘17进水口或出水口与循环水连接管6连接，在中间筒体最下面的循环水分布盘17进水口为循环冷却水进口12，中间筒体最上面的循环水分布盘17出水口为循环冷却水出口13，其具体换热过程为循环水经循环冷却水进口12进入循环水分布盘17并分配给各循环水支管16，循环水支管16中的循环水与气液两相换热后，由循环水分布盘17出水口收集并经循环水连接管6送往上一层的循环水支管16继续进行换热，经多次换热的循环水最终由循环冷却水出口13排出并冷却后循环使用；下封头底部内装有圆锥形气相分布器8，下封头底端有液相排出管11，在液相排出管11内有气相进管10，气相进管10上部顶端有气相喷头9，气相喷头9位于圆锥形气相分布器8内。
如上所述的反应器中间筒体的高径比为5～20。
如上所述的整体催化剂支撑板4层数为6～12层。
如上所述的催化剂支撑板4和波纹板分布器5均由固定于中间筒体内壁的向上翻转的支腿7支撑，且满足支腿7向上翻转后位于支腿7下面的催化剂支撑板4和波纹板分布器5能够向上提出。
如上所述的循环水分布盘17进水口或出水口与循环水连接管6之间以法兰的形式连接，循环水分布盘17各分管口与循环水支管16之间均以法兰的形式连接，能实现循环水连接管6、循环水分布盘17及循环水支管16间的装卸。
如上所述的气相喷头9是上端封闭四周镂空，保证自气相进口进入的气体沿径向向四周喷射。
如上所述的圆锥形气相分布器8通过四个支架22与下封头连接，圆锥形气相分布器8下边缘与下封头壁面间留有3～5cm的空隙，保证自顶部来的液相能够通过空隙流入液相排出管13并排出反应器。
如上所述的圆锥形气相分布器8上设有孔径为5～30mm的气相分布孔21，其开孔率为20％～60％。
如上所述的液相喷头2由一根总分配管19和与之垂直的若干喷淋支管20组成，在喷淋支管20底部开口或安装喷头，若干喷淋支管20组成一个圆形平面结构，其圆形平面直径与反应器直径的比值为0.4～0.7。
如上所述的催化剂支撑板4由***园环23、垂直加强筋24、丝网25、支撑板吊装环26和锥形冒组成。
如上所述的催化剂支撑板4的主体由若干互相垂直加强筋24与***园环23焊接而成，然后将丝网25固定于加强筋24上，在中央处的垂直加强筋焊接有一个支撑板吊装环26，方便催化剂的装填和更换。
如上所述的整体催化剂层3由5～20块形状为扇形的单块催化剂28组成，通过扇形角度的控制可实现将单块催化剂28拼装成圆形，其直径与催化剂支撑板直径相同，拼装完成后的催化剂层中间有一直径为5～20cm的中空孔27，该孔一方面是为了方便催化剂的装填和更换，另一方面是为支撑板4中间的吊装环26留出空间，但在单块催化剂28安装完毕后通过一锥形冒将该孔覆盖密封，防止漏液。
本实用新型专利公开的整体式反应器可用于所有使用气-液-固三相反应体系，如浆态床甲烷化、二硝基甲苯加氢和F-T合成等反应。
本实用新型与现有技术相比，具有实质性特点和显著进步在于：
(1)整体式反应器不但在上部和下部分别设有冷石蜡烃喷头和气相喷头及气相分布器，而且每个催化剂层间均设置了波纹板分布器，使气/液经过多次分布，避免了现有整体式反应中存在横截面处气-液两相分布不均的问题；
(2)在每个波纹板分布器的下凹面处均设置了循环水支管，使得反应后的气-液两相能及时的移出或补充热量，保证了生产的连续和稳定运行，避免了现有整体式反应器中存在的换热效率低的问题。
(3)上部封头与反应器筒体以法兰的形式连接，循环水支管、循环水分布盘及循环水连接管之间均以法兰的形式连接，且催化剂支撑板和板式波纹分布器均通过可向上翻转的支腿支撑，上述结构的设置使得整体反应器的安装、检修、催化剂的装填和更换更加便捷。
(4)单块整体催化剂为扇形，通过对扇形角度的控制可实现由多块催化剂拼装成与支撑板等径的圆形(如通过采用6块60°的扇形可拼接呈圆形)，不但使得每层催化剂安装更加便捷，且使得每块催化剂之间的缝隙更加均匀；支撑板中间设有吊装环，可先在反应器外部将催化剂装于支撑板上，然后通过吊装环将整层催化剂一次性吊装入反应器中，使得整层催化剂的装填和更换更加方便；催化剂拼装于支撑板上后，中间留有一中空孔，使得催化剂的拼装和单个催化剂的更换更加方便。
(5)本专利的提出不但填补了现有技术中专门用于整体式催化剂的整体式反应器的空白，克服了现有整体催化剂存在的问题，而且其应用范围及其广泛，基本适用于现有工业所有的气-液-固三相反应体系，具有重要的意义。
附图说明
图1为整体式反应器的结构示意图；
图2为波纹板分布器A-A剖面图
图3为液相喷头B-B俯视图
图4为波纹板分布器及循环水分布盘连接示意图
图5为气相喷头和支腿C-C俯视图
图6为催化剂支撑板D-D俯视图
图7为催化剂形状及拼装示意图
由图1-7所示，1是反应器壳体，2是液相喷头，3是整体催化剂层，4是催化剂支撑板，5是波纹板分布器，6是循环水连接管，7是支腿，8是气相分布器，9是气相喷头，10是气相进口，11是液相出口管，12循环冷却水进口，13循环冷却水出口，14液相进管，15是气相出口，16是循环水支管，17是循环水分布盘，18是分布孔，19是液相喷头总分配管，20是液相喷头喷淋支管，21是气相分布孔，22是支架，23是***圆环，24是垂直加强筋，25是丝网，26是吊装环，27是中空孔，28是单块催化剂。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1
整体式反应器它包括反应器壳体1，液相喷头2，圆锥形气相分布器8，液相排出管11，液相进管14，气相进口10和气相出口15，反应器壳体1由上封头，中间筒体和下封头组成，上封头顶部有气相出口15，上封头内装有液相喷头2，位于上封头侧面有液相进管14，在中间筒体内有6层整体催化剂支撑板4，在整体催化剂支撑板4之间均设有波纹板分布器5，波纹板分布器5侧面有分布孔18，在整体催化剂支撑板4上装有整体催化剂层3，在每个波纹板分布器5下部凹面处均设有平行的循环水支管16，循环水支管16的进口侧和出口侧均与循环水分布盘17连接，且在中间筒体外部设有循环水连接管6，循环水分布盘17进水口或出水口与循环水连接管6连接，在中间筒体最下面的循环水分布盘17进水口为循环冷却水进口12，中间筒体最上面的循环水分布盘17出水口为循环冷却水出口13，其具体换热过程为循环水经循环冷却水进口12进入循环水分布盘17并分配给各循环水支管16，循环水支管16中的循环水与气液两相换热后，由循环水分布盘17出水口收集并经循环水连接管6送往上一层的循环水支管16继续进行换热，经多次换热的循环水最终由循环冷却水出口13排出并冷却后循环使用；下封头底部内装有圆锥形气相分布器8，下封头底端有液相排出管11，在液相排出管11内有气相进管10，气相进管10上部顶端有气相喷头9，气相喷头9位于圆锥形气相分布器8内。
其中反应器中间筒体的高径比为5。
催化剂支撑板4和波纹板分布器5均由固定于中间筒体内壁的向上翻转的支腿7支撑，且满足支腿7向上翻转后位于支腿7下面的催化剂支撑板4和波纹板分布器5能够向上提出。
循环水分布盘17进水口或出水口与循环水连接管6之间以法兰的形式连接，循环水分布盘17各分管口与循环水支管16之间均以法兰的形式连接，能实现循环水连接管6、循环水分布盘17及循环水支管16间的装卸。
气相喷头9是上端封闭四周镂空，保证自气相进口进入的气体沿径向向四周喷射。
圆锥形气相分布器8通过四个支架22与下封头连接，圆锥形气相分布器8下边缘与下封头壁面间留有3cm的空隙，保证自顶部来的液相能够通过空隙流入液相排出管13并排出反应器。圆锥形气相分布器8上设有孔径为5mm的气相分布孔21，其开孔率为20％。
液相喷头2由一根总分配管19和与之垂直的若干喷淋支管20组成，在喷淋支管20底部开口或安装喷头，若干喷淋支管20组成一个圆形平面结构，其圆形平面直径与反应器直径的比值为0.4。
整体催化剂层3由5块72°的单块扇形催化剂28组成，其直径与催化剂支撑板直径相同，拼装完成后的催化剂层中间有一直径为5cm的中空孔27，该孔一方面是为了方便催化剂的装填和更换，另一方面是为支撑板4中间的吊装环26留出空间，但在单块催化剂28安装完毕后通过一锥形冒将该孔覆盖密封，防止漏液。
本实施例的整体式反应器用于浆态床甲烷化反应，反应步骤和条件如下：
将整体催化剂装入整体反应器中，氢气和氮气分别经管道自反应器底部通入至反应器中，氢气的体积浓度为5％，将反应器升至500 ℃后，常压对整体催化剂进行还原，还原气空速为6000L/(h·kg)；还原结束后，将介质储罐中的石蜡烃经管道自顶部送入整体式反应器，然后将还原气切换为体积组成为H265.5％，CO 20.5％，CO21％，CH412％，N21％合成气，在450 ℃、6MPa和8000L/(h·Kg)的条件下进行甲烷化反应，自顶部得组成为H21.83％，CO0.02％，CO20.03％，CH42.8％，N22.82％的天然气产品。
实施例2
整体催化剂支撑板4有8层，反应器中间筒体的高径比为10，圆锥形气相分布器8下边缘与下封头壁面间留有4cm的空隙，圆锥形气相分布器8上设有孔径为10mm的气相分布孔21，其开孔率为30％。喷淋支管20组成圆形平面直径与反应器直径的比值为0.5，单块整体催化剂28为60°的扇形，由6块催化剂拼装成圆形拼装完成后的催化剂层中间有一直径为10cm的中空孔27，其余同实施例1。
实施例3
整体催化剂支撑板4有10层，反应器中间筒体的高径比为15，圆锥形气相分布器8下边缘与下封头壁面间留有5cm的空隙，圆锥形气相分布器8上设有孔径为15mm的气相分布孔21，其开孔率为40％。喷淋支管20组成圆形平面直径与反应器直径的比值为0.6，单块整体催化剂28为40°的扇形，由9块催化剂拼装成圆形拼装完成后的催化剂层中间有一直径为15cm的中空孔27，其余同实施例1。
实施例4
整体催化剂支撑板4有11层，反应器中间筒体的高径比为15，圆锥形气相分布器8下边缘与下封头壁面间留有4cm的空隙，圆锥形气相分布器8上设有孔径为20mm的气相分布孔21，其开孔率为50％。喷淋支管20组成圆形平面直径与反应器直径的比值为0.6，单块整体催化剂28为30°的扇形，由12块催化剂拼装成圆形拼装完成后的催化剂层中间有一直径为15cm的中空孔27，其余同实施例1。
实施例5
整体催化剂支撑板4有12层，反应器中间筒体的高径比为20，圆锥形气相分布器8下边缘与下封头壁面间留有4cm的空隙，圆锥形气相分布器8上设有孔径为30mm的气相分布孔21，其开孔率为60％。喷淋支管20组成圆形平面直径与反应器直径的比值为0.7，单块整体催化剂28为18°的扇形，由20块催化剂拼装成圆形拼装完成后的催化剂层中间有一直径为20cm的中空孔27，其余同实施例1。
Claims (12)
1.一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器，它包括反应器壳体(1)，液相喷头(2)，气相分布器(8)，液相排出管(11)，液相进管(14)，气相进口(10)和气相出口(15)，其特征在于反应器壳体(1)由上封头，中间筒体和下封头组成，上封头顶部有气相出口(15)，上封头内装有液相喷头(2)，位于上封头侧面有液相进管(14)，在中间筒体内有至少4层整体催化剂支撑板(4)，在整体催化剂支撑板(4)之间均设有波纹板分布器(5)，波纹板分布器(5)侧面有分布孔(18)，在整体催化剂支撑板(4)上装有整体催化剂层(3)，在每个波纹板分布器(5)下部凹面处均设有平行的循环水支管(16)，循环水支管(16)的进口侧和出口侧均与循环水分布盘(17)连接，且在中间筒体外部设有循环水连接管(6)，循环水分布盘(17)进水口或出水口与循环水连接管(6)连接，在中间筒体最下面的循环水分布盘(17)进水口为循环冷却水进口(12)，中间筒体最上面的循环水分布盘(17)出水口为循环冷却水出口(13)，下封头底部内装有圆锥形气相分布器(8)，下封头底端有液相排出管(11)，在液相排出管(11)内有气相进管(10)，气相进管(10)上部顶端有气相喷头(9)，气相喷头(9)位于圆锥形气相分布器(8)内。
2.如权利要求1所述的一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器，其特征在于所述的中间筒体的高径比为5～20。
3.如权利要求1所述的一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器，其特征在于所述的整体催化剂支撑板(4)层数为6～12层。
4.如权利要求1所述的一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器，其特征在于所述的催化剂支撑板(4)和波纹板分布器(5)均由固定于中间筒体内壁的向上翻转的支腿(7)支撑，且满足支腿(7)向上翻转后位于支腿(7)下面的催化剂支撑板(4)和波纹板分布器(5)能够向上提出。
5.如权利要求1所述的一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器，其特征在于所述的循环水分布盘(17)进水口或出水口与循环水连接管(6)之间以法兰的形式连接，循环水分布盘(17)各分管口与循环水支管(16)之间均以法兰的形式连接。
6.如权利要求1所述的一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器，其特征在于所述的气相喷头(9)是上端封闭四周镂空。
7.如权利要求1所述的一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器，其特征在于所述的气相分布器(8)通过四个支架(22)与下封头连接，气相分布器(8)下边缘与下封头壁面间留有3～5cm的空隙。
8.如权利要求1所述的一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器，其特征在于所述的气相分布器(8)上设有孔径为5～30mm的气相分布孔(21)，其开孔率为20％～60％。
9.如权利要求1所述的一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器，其特征在于所述的液相喷头(2)由一根总分配管(19)和与之垂直的若干喷淋支管(20)组成，在喷淋支管(20)底部开口或安装喷头，若干喷淋支管(20)组成一个圆形平面结构，其圆形平面直径与反应器直径的比值为0.4～0.7。
10.如权利要求1所述的一种整体式反应器，其特征在于所述的催化剂支撑板(4)由***圆环(23)、垂直加强筋(24)、丝网(25)、支撑板吊装环(26)和锥形冒组成。
11.如权利要求11所述的一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器，其特征在于所述的若干互相垂直加强筋(24)与***园环(23)焊接，然后将丝网(25)固定于垂直加强筋(24)上，在中央处的垂直加强筋(24)焊接有一个支撑板吊装环(26)。
12.如权利要求1所述的一种用于气-液-固三相反应体系的整体式反应器，其特征在于所述的整体催化剂层(3)由5～20块形状为扇形的单块催化剂(28)组成，将单块催化剂(28)拼装成圆形，其直径与催化剂支撑板直径相同，拼装完成后的整体催化剂层(3)中间有一直径为5～20cm的中空孔(27)。
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