一种冷激式反应器的制作方法

本发明涉及一种冷激式反应器。

背景技术：

固定床反应器主要有两种类型，一种是轴向固定床反应器，另一种是径向固定床反应器。轴向固定床反应器设计、加工过程相对容易、操作简单，但存在反应器设备尺寸庞大、床层压降大、容易出现局部飞温、移热缓慢、转化率低、放大效应明显等问题。径向床反应器高径比较大、床层压降小、反应物在催化剂床层停留时间短，但很难实现反应物在径向上的均匀分布、单位催化剂床层的生产强度较低。

为了克服传统化工中存在传热、传质效率低的问题，二十世纪八九十年代兴起了微化工技术。微反应器作为微化工技术的核心组成部分，它是以毫米、微米为量级的化学反应系统。一方面微反应器具有微尺度化、较大的比表面、扩散距离短、停留时间短、阻力小等特点，其传质、传热和反应效果较普通反应器高1～3数量级；另一方面，可以根据实际的工业生产能力要求，通过具有功能化的微反应器模块集成以及数量的增减达到控制和调节生产，有利于实现设备的最大利用效率，同时缩短设备的加工时间。

对于放热反应而言，从工艺流程角度而言，在各段反应器之间，一般采用设置废热锅炉、蒸汽过热器来对高温工艺气体进行降温处理，如，中国专利cn104152201a、cn104312651a；或是采用循环部分产品气来稀释原料气，从而达到控制转化深度的目的，如中国专利cn103740428a、cn103013598a、cn103540376a、cn103710425a，虽然采用循环工艺可以降低床层温度，但是需要设置循环压缩机，增加了投资和能耗，同时循环物 料增加了床层失活的风险。从反应器角度看，采用列管式反应器，或者通过移热手段移出床层部分热量，也能够起到降低床层温度的目的，如中国专利cn105154128a、cn204469677u公开的技术。另外，中国cn104818065a通过向原料气中通入水蒸气能够抑制催化剂积炭，降低床层温度，不足之处在于床层压降大、原料转化率低，容易出现局部“飞温”现象。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种冷激式反应器，该反应器催化剂活性组分使用量少、压降低、床层温度低且不会出现“飞温”现象。

为了实现上述目的，本发明提供一种冷激式反应器，其特征在于：该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体、从所述壳体顶部伸入到壳体内部的进气管、从所述壳体底部伸入到壳体内部的出气管、以及设置在所述壳体内所述进气管的下方所述出气管上方的轴向微通道反应区和轴向催化反应区，所述进气管通过所述轴向微通道反应区和所述轴向催化反应区与所述出气管流体连通；所述轴向微通道反应区和轴向催化反应区为上下串联设置并且二者之间具有空隙，轴向微通道反应区位于轴向催化反应区的上方；所述轴向微通道反应区包括一个或者多个上下串联的圆盘形的轴向微通道反应单元，每两个相邻的轴向微通道反应单元之间具有空隙；每个所述轴向微通道反应单元的侧边与所述壳体的内壁密封连接，且每个所述轴向微通道反应单元具有多个轴向的微反应通道，轴向微通道反应单元仅通过所述微反应通道上下流体连通，所述微反应通道内设置有增加流体湍动作用的导流组件；所述轴向催化反应区的上下可流体连通且其侧边与所述壳体的内壁密封连接，所述轴向催化反应区可容纳至少一个催化剂床层且反应物流体可上下流过该催化剂床层进行催化反应；所述空隙内具有冷却介质分布器；在对应于每一个空隙的侧面的所述壳体上设置有至少一个冷却介质入口，该冷却介质入口通过 冷却介质管线与所述冷却介质分布器相连。

优选地，所述轴向微通道反应区包含的轴向微通道反应单元的数量为1-100个。

优选地，所述导流组件包括与所述微反应通道固定连接的固定轴和串联在所述固定轴上的导流元件，所述导流元件朝向所述微反应通道进气方向的一端为凸形。

优选地，所述导流元件为选自实心圆锥体、空心椎体、圆锥面、半球体、半球面、球体和球面中的至少一种。

优选地，所述实心圆锥体、空心椎体和圆锥面的底面直径小于微反应通道的微通道反应产物出口的直径与微通道反应气体入口的直径中的较大者；所述半球体、半球面、球面和球体的球面直径小于微反应通道的微通道反应产物出口的直径与微通道反应气体入口的直径中的较大者；相邻两个所述导流元件的间距不小于所述导流元件的高度。

优选地，每个所述导流组件包括3-100个所述导流元件。

优选地，所述微反应通道的内表面和/或导流元件的外表面负载有催化活性组分。

优选地，所述微反应通道为选自锥形管、喇叭形管、y形管和梯形管中的其中一种。

优选地，所述微反应通道的直径在2-50毫米之间；所述微通道反应气体入口的直径与所述微通道反应产物出口的直径的比值为(0.04-25)：1；每个所述轴向微通道反应单元中所述微反应通道的内部空间的总体积为该轴向微通道反应单元的体积的30％-90％。

优选地，所述冷却介质分布器包括在所述空隙内基本均匀分布的多个喷嘴。

本发明提供的反应器适用于强放热反应。与现有技术相比，本发明具有 以下优点：

1、轴向微通道反应区与轴向催化反应区呈上下串连方式排列，微反应通道中不但可以催化反应，而且还起到分布反应物料的作用，同时使得反应区内无反应死区和气体的偏流现象，充分保证了整个运行周期内的平稳运行；

2、轴向微通道反应区与轴向催化反应区之间、轴向微通道反应区内设置有冷却介质喷淋系统，通过向反应气体中通入冷却介质(脱盐水)，能够降低床层温度，且床层温度较为均匀，不会出现热点，可以避免催化剂结焦，延长使用寿命。另外，还可以相应的减少反应器、废热锅炉等设备数量，降低设备投资；

3、微反应通道内设置有增加流体湍动作用的导流组件，且导流组件与微反应通道同轴，增加了反应原料在微通道内的湍流程度，提高了原料作用于催化剂活性位上的概率，从而提高了原料转化率；

4、采用涂覆催化反应活性组分于微通道内表面和/或导流元件的外表面，活性金属使用量较同等处理能力常规固定床反应器所用量低，有效地降低了投资；

5、反应气体在反应器中停留时间较短，延长了反应器的使用寿命，床层压降较同处理量的轴向反应器低；

6、可以根据实际的工业生产能力要求，通过轴向微通道反应单元的增减达到控制和调节生产，有利于实现设备的最大利用效率，无明显放大效应，同时缩短设备的加工时间，进一步降低反应器生产成本；

7、本发明提供的冷激式反应器不仅可以运用于煤制替代天然气和焦炉煤气甲烷化工艺，还可用于合成氨、甲醇合成、费托合成等固定床催化放热反应。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的反应器的一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明提供的反应器的另一种具体实施方式的结构示意图；

图3是本发明提供的反应器的一种具体实施方式的剖视图(即图1、图2中a-a面的剖视图)；

图4是本发明提供的反应器的一种具体实施方式所采用的具有导流组件的微通道示意图；

图5是本发明提供的锥形管微反应通道的剖视图(即图4中b-b面的剖视图)；

图6是本发明提供的锥形管微反应通道的剖视图(即图4中c-c面的剖视图)；

图7是本发明提供的反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(锥形管)的示意图；

图8是本发明提供的反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(喇叭形管)的示意图；

图9是本发明提供的反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(y形管)的示意图；

图10是本发明提供的反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(梯形管)的示意图；

图11是发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(半球体)的示意图；

图12本发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(半球面)的示意图；

图13本发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(球面)的示意图；

图14本发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(球体)的示意图；

图15本发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(实心圆锥体)的示意图；

图16本发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(圆锥面)的示意图；

图17本发明提供的反应器所采用的导流组件的一种具体实施方式(空心锥体)的示意图。

附图标记说明

1壳体2第一气体分布器3顶部密封板

4微通道反应气体入口5导流组件

6微通道反应产物出口7轴向催化反应区

8瓷球装填区9集气格栅10出气管

11冷却介质分布器12喷嘴13空隙

14底部密封板15轴向微通道反应单元

16微反应通道17第二气体分布器18进气管

19固定轴20导流元件

21轴向微通道反应区

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种冷激式反应器，该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体1、从所述壳体1顶部伸入到壳体内部的进气管18、从所述壳体1底部伸入到壳体内部的出气管10、以及设置在所述壳体1内所述进气管18的下方所述出气管10上方的轴向微通道反应区21和轴向催化反应区7，所述进气管18通过所述轴向微通道反应区21和所述轴向催化反应区7与所述出气管10流体连通；所述轴向微通道反应区21和轴向催化反应区7为上下串联设置并且二者之间具有空隙13，轴向微通道反应区21位于轴向催化反应区7的上方；所述轴向微通道反应区21包括一个或者多个上下串联的圆盘形的轴向微通道反应单元15，每两个相邻的轴向微通道反应单元15之间具有空隙13；每个所述轴向微通道反应单元15的侧边与所述壳体1的内壁密封连接，且每个所述轴向微通道反应单元15具有多个轴向的微反应通道16，轴向微通道反应单元15仅通过所述微反应通道16上下流体连通，所述微反应通道16内设置有增加流体湍动作用的导流组件5；所述轴向催化反应区7的上下可流体连通且其侧边与所述壳体1的内壁密封连接，所述轴向催化反应区7可容纳至少一个催化剂床层且反应物流体可上下流过该催化剂床层进行催化反应；所述空隙13内具有冷却介质分布器11；在对应于每一个空隙13的侧面的所述壳体1上设置有至少一个冷却介质入口，该冷却介质入口通过冷却介质管线与所述冷却介质分布器11相连。

根据本发明，轴向微通道反应单元15可以由密封连接的顶部密封板、底部密封板和侧壁构成，其内可以空心，可以实心，只要能够容纳微反应通道16即可，轴向微通道反应单元15可以根据实际调整，例如，轴向微通道反应单元15的数量可以为1-100个。轴向催化反应区7与轴向微通道反应 区21的体积比可以为适合的任意比。

根据本发明，为了提高原料气的转化率，在微反应通道16内设置有增加流体湍动作用的导流组件5，该导流组件5包括固定轴19和导流元件20。导流组件5与微反应通道16同轴，导流组件5两端分别固定于微通道反应气体入口4、微通道反应产物出口6，导流元件20串联固定在固定轴19上，如图4、图5、图6、图11所示。同一导流组件5使用的导流元件20大小可以是从微通道反应气体入口4到微通道反应产物出口6逐渐减小，也可以逐渐增大，也可以不变，优选的同一导流组件5使用的导流元件20大小相同。导流元件20的朝向所述微反应通道16进气方向的一端为凸形，例如可以为选自半球体、半球面、球面、球体、实心圆锥体、圆锥面、空心锥体中的一种(分别如图11、图12、图13、图14、图15、图16和图17)。

进一步地，当导流元件20为实心圆锥体、空心椎体或圆锥面时，其底面直径小于径向微通道反应产物出口6的直径与微通道反应气体入口4的直径中的较大者，优选地，其底面直径为微通道反应产物出口6的直径与微通道反应气体入口4的直径之和的十分之一到五分之四，长度不大于微反应通道16长度的0.9倍，更进一步地，长度为微反应通道6长度的0.1-0.5倍；当导流元件20为半球体、半球面、球面或球体时，其球面直径小于微通道反应产物出口6的直径与微通道反应气体入口4的直径中的较大者，优选地，其球面直径为微通道反应产物出口6的直径与微通道反应气体入口4的直径之和的十分之一到五分之四。相邻两个导流元件20之间的距离不小于所述导流元件20的高度。

根据本发明，导流元件20和固定轴19可以采用金属材质、陶瓷材质，优选采用不与反应系统中的气体发生反应的金属材质；每个导流组件5所包括导流元件20的数量可以根据微反应通道16的尺寸和实际反应情况来调整，例如可以为3-100个。

根据本发明，为了使反应器能够用于催化反应，微反应通道16的内表面和/或导流元件20的外表面可以负载有催化活性组分。催化活性组分可以采用本领域技术人员所熟知的催化活性组分，例如运用于合成气甲烷化反应时，负载的活性组分可以是具有甲烷化反应活性的镍、钌和铑等金属；所述的负载是指可以通过浸渍、离子溅射、涂覆或装填等方法将含有活性组分的催化剂或直接将活性组分负载到微反应通道内。其中，活性金属组分涂覆负载过程可以采用本领域技术人员所熟知的包括金属基体的预处理和催化剂沉积两个阶段的涂覆方法。

根据本发明，微反应通道16可以为选自锥形管、喇叭形管、y形管和梯形管中的其中一种(分别如图7、图8、图9和图10所示)。所述锥形管、喇叭形管、y形管和梯形管可以采用金属材质管、陶瓷材质管，优选采用不与反应系统中的气体发生反应的金属管。需要说明的是，本领域技术人员常规使用的锥形管是指两端开口的圆台形中空型材，而非轴向截面为锥形的型材。

根据本发明，为了保证化学反应的效率，微反应通道16的直径可以在2-50毫米之间。当运用于反应过程中总体积缩小的反应时，径向微反应通道20的直径可以从微反应通道16的微通道反应气体入口4向微通道反应产物出口6的方向逐渐减小(保证微通道反应气体入口4的直径大于微通道反应产物出口6的直径即可，也包括通道直径先减小后不变的情况)。当运用于反应过程中总体积增大的反应时，微反应通道16的直径可以从微反应通道16的微通道反应气体入口4向微通道反应产物出口6的方向逐渐增大(保证微通道反应气体入口4的直径小于微通道反应产物出口6的直径即可，也包括通道直径先不变后增大的情况)。所述微通道反应气体入口4的直径与微通道反应产物出口6的直径的比值可以为(0.04-25)：1，优选为(0.1-10)：1。

根据本发明，该反应器运用于反应前后体积有强烈变化的放热反应，为了兼顾反应效率和反应器的温度控制，每个所述轴向微通道反应单元15中所述微反应通道16的内部空间的总体积可以为该轴向微通道反应单元15的体积的30％-90％，优选为40％-75％。

根据本发明，为了进一步减低床层的温度，防止“飞温”，避免催化结焦失活，在轴向微通道反应区21和轴向催化反应区7之间的空隙13内、轴向微通道反应区21中相邻的轴向微通道反应单元15之间的空隙13内设置有冷却介质分布器11，所述冷却介质分布器11通过冷却介质管线与壳体1上的冷却介质入口流体连通，冷却介质通过冷却介质入口进入冷却介质管线，再通过冷却介质分布器喷淋于反应器内，从而达到降低床层温度的目的。所述冷却介质分布器是本领域技术人员所熟知的冷却喷淋系统，在此不再赘述。所述冷却介质为可以降低反应器内床层温度的液体，例如可以为选自脱盐水、除氧水和锅炉给水中的至少一种，其温度范围可以为25℃-104℃。为了使冷却介质更均匀地喷淋入反应器内，所述冷却介质分布器11可以包括在空隙13内基本均匀分布的多个喷嘴12，所述喷嘴12的含义为本领域技术人员所熟知，本发明不做特别的限制。

根据本发明，所述进气管18的下部可以设置有至少一个用于分布送入所述反应器的反应气的气体分布器。所述气体分布器可以采用本领域技术人员所常规使用的，本发明不再赘述，所述气体分布器优选设置有两个。

根据本发明，为了防止催化剂颗粒进入下游设备、管线，在壳体1的底部设置有瓷球装填区8。所述瓷球装填区8内可以放置有本领域技术人员所熟知的单一直径或不同直径的瓷球，在此不再赘述。另外，在瓷球装填区域，出气管10的上部连接有用于收集反应气产物的集气格栅9。

下面将结合附图通过实施例来进一步说明本发明，但是本发明并不因此而受到任何限制。

实施例1

如图1所示，本实施例所采用的冷激式反应器包括上端设有进气管18、下端设有出气管10的承压壳体1，进气管18的下部设有第一气体分布器2，第一气体分布器2的下方设置有第二气体分布器17。进气管18的下方具有轴向微通道反应区21和轴向催化反应区7，轴向微通道反应区21位于轴向催化反应区7的正上方，轴向微通道反应区21包括一个轴向微通道反应单元15。轴向微通道反应单元15为与圆筒形壳体1同轴的可容纳微反应通道16的容器，包括底部密封板14、顶部密封板3和侧壁，其侧壁与壳体1的侧壁密封连接，轴向微通道反应单元15内均为空心，如图3所示，内部设置有6480根(为显示清楚，未全部示出)轴向设置的微反应通道16。所述微反应通道16的结构如图4所示，两端分别与底部密封板14、顶部密封板3密封连接。所述微反应通道16内设置有导流组件5，导流元件20选择的是大小相同的半球体，如图11所示。为了防止催化剂颗粒进入下游设备、管线，在壳体1的底部设置有瓷球装填区8。出气管10的上部连接有集气格栅9。轴向微通道反应区21和轴向催化反应区7之间的空隙13内设置有带喷嘴12的冷却介质分布器11，空隙13的侧面的壳体1上设置有一个冷却介质入口，该冷却介质入口通过冷却介质管线与冷却介质分布器11相连。

轴向微通道反应单元15的高度为150mm，轴向反应区催化剂装填高度为750mm，壳体内径900mm，所采用的锥形管微反应通道长度为150mm，锥形管入口处直径10mm，出口处直径4mm，所有锥形管的总体积占轴向微通道反应单元15体积的比例为41.6％。导流元件半球体的球面直径为2.5mm，相邻导流元件间距为5mm，每个导流组件包含15个导流元件(实施例中为了便于观察，未全部给出)。

本实施例采用的反应器可应用于合成气在fe基催化剂合成c2^＝、c3^＝等 小分子烯烃。锥形管中负载活性金属fe量为34.5g/m²。合成气从进气管进入反应器，依次通过柱体、轴向催化反应区发生反应，反应产物从反应器底部出气管离开反应器。原料气体积比为v(h2)/v(co)＝2，空速为1000h^-1，反应温度300℃、压力为1.5mpa。95℃的脱盐水以180kg/h的质量流率加压至1.55mpa，经喷淋系统均匀进入反应器空隙13，进一步降低床层的温度。

表1中给出的是本发明采用的反应器与现有技术中轴向反应器对比情况。两种反应器催化反应区具有相同尺寸，从co转化率、使用寿命、床层压降、活性金属fe的用量以及床层温度五个指标可以看出，本发明提出的反应器都表现出了较为优异的性能。

表1本实施例采用的反应器与常规轴向反应器对比

实施例2

如图2、图3所示，本实施例的反应器与实施例1的反应器的壳体内径、轴向催化反应区及轴向微通道反应单元高度等结构参数相同。与实施例1不同之处在于，本实施例中有两个轴向微通道反应单元15，两个轴向微通道反应单元15之间的空隙内也设置有冷却介质分布器11。

将本发明提出的反应器应用于合成气甲烷化反应，锥形管中负载活性金属ni量为21.6g/m²。合成气从进气管进入反应器，轴向穿过两个柱体后，在轴向催化反应区继续发生甲烷化反应，反应产物从反应器底部出气管离开反应器。

原料气体积比为v(h2)/v(co)＝3，空速为8000h^-1，反应温度570℃、压 力为3.5mpa。105℃的脱盐水以2000kg/h的质量流率加压至3.6mpa，经喷淋系统均匀进入反应器空隙13，进一步降低了床层的温度。

表2中给出的是本发明采用的反应器与现有技术中轴向反应器对比情况。两种反应器催化反应单元具有相同尺寸，从co转化率、使用寿命、床层压降、活性金属ni的用量以及床层温度五个指标可以看出，本发明提出的反应器都表现出了较为优异的性能。

表2本实施例采用的反应器与常规轴向反应器对比

本发明提供的冷激式反应器结构紧凑、活性金属用量少、目标产物选择性高、床层压降小、温度低，床层不会出现“飞温”现象。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。