專利名稱：徑向催化反應器和控制流體均勻分布的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種反應器以及控制流體均勻分布的方法，具體涉及一種徑向催化反應器。
背景技術：
在化學工業(yè)和石油化工中，固定床催化反應器是一種應用廣泛的核心設備，在合成氨、硫酸、甲醇、催化重整、乙苯脫氫、乙烯與醋酸反應制醋酸乙酯、異構化、加氫精制等等化工過程，反應器型式都有采用固定床的。
固定床催化反應器按流體通過床層的方式可分為軸向反應器和徑向反應器兩大類。流體以反應器中心軸所指的方向通過催化劑床層的反應器，稱為軸向反應器。
流體沿半徑方向或直徑方向通過催化床的反應器，稱為徑向反應器。
軸向反應器結構簡單、使用方便，但流體通道受設備橫截面的限制，造成床層壓降較大，同時對催化劑的強度要求較高，一般在常壓、中低壓的條件下使用。
徑向反應器與軸向反應器相比，在同樣的停留時間下，由于有較大的流道面積和較短的流程，因此床層壓降小，可使用小顆粒催化劑等優(yōu)點，但是必須采用一定的工程強制手段使氣體均勻分布，內(nèi)部結構較復雜，在負壓或中高壓的大生產(chǎn)過程中，它是一種新穎的固定床催化反應設備。
徑向反應器由于流體流通面積大，催化劑床層較薄，因此存在著流體沿軸向的均勻分布問題。如果反應氣體在催化劑床中分布不均勻，將會影響反應器的溫度分布、濃度分布、熱穩(wěn)定性等，還會引起催化床局部過熱，影響產(chǎn)物質(zhì)量和反應器的生產(chǎn)能力。
因此，徑向反應器的流體均勻分布是反應器的設計的一個十分關鍵的問題。在徑向反應器中，依據(jù)進出口管的布置情況，可以分為兩種典型的形式，即所謂的Z徑向反應器和∏型徑向反應器，進出口管在設備兩端的為Z徑向反應器，進出口管在設備一端的為∏型徑向反應器。
為了獲得徑向反應器中均勻的流體分布，一種常見的工程措施是采用增加開孔孔板，通過孔板上流體穿過小孔的阻力來調(diào)整流體通過小孔的流量，從而可以通過調(diào)節(jié)局部開孔的數(shù)量以及開孔的直徑、排列方式等來獲得均勻的流量的分布，另一種采用的工程技術措施是采用錐形的流動通道和導流體。在現(xiàn)有專利技術中，中國專利ZL88102155A，美國專利US5358698和歐洲專利EP0724906A1，中國專利ZL92224899.0公開了徑向反應器中控制流體均勻分布的方法以及實現(xiàn)其目的的反應裝置。
中國專利ZL88102155A公開了在催化反應器中，設置有一個進口分布器，一個出口收集器，并通過增加進口分布器和出口收集器阻力的方法來獲得均勻流體分布的方法，其分布器阻力一般與催化劑床層的阻力相等，并且最好能達到床層阻力的90％，明顯地是通過高阻力的孔板來獲得均勻的流體分布。
美國專利US5358698和歐洲專利EP0724906A1描述了一種通過設置在Z型徑向反應器中心管中的拋物形導流器來獲得流體均勻分布的方法。
中國專利ZL92224899.0中也描述了一種針對Z型徑向反應器的低阻力均布器，同樣的也采用拋物形導流器來獲得流體均勻分布。
但是，上述專利披露的技術，由于采用小孔高阻限流或拋物形導流器大幅度強制縮減流動面積等原因，存在著流體阻力高的缺陷，需要進一步改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種徑向催化反應器控制流體均勻分布的方法，以克服現(xiàn)有徑向催化反應器流體阻力高的缺點。
本發(fā)明的基本原理和構思是這樣的通常，徑向催化反應器的進口和出口在反應器設備的兩端，即所謂的Z型徑向反應器，氣體在分流和合流通道中的流體方向是一致的。在分流通道中流體主流沿軸線方向不斷向前流動，同時不斷通過小孔流出；分流出的流體使得主流體的流速不斷減緩，直至為零，從而引起主流體的靜壓有升高的趨勢，同時主流體由于流動阻力而導致主流體靜壓有下降的趨勢，主流體的靜壓與通道結構、流動條件有關。一般地，由于流速減緩而造成靜壓上升的量遠大于由于流動阻力而導致主流體靜壓下降量，因此在分流通道中流體的靜壓總體上是上升的。在合流流動中，流體在集氣管中流動時，不斷有流體通過小孔流入，匯入管內(nèi)主流，因此管內(nèi)主流體的質(zhì)量是不斷增加的，隨著主流體的流速的變化而引起靜壓的下降，同時流動的阻力也引起主流體靜壓的下降，所以在合流通道中流體的靜壓總體上是下降的，而且是加速下降的。所以在分流通道和合流通道中的靜壓變化是完全相反的，工程上常采用增加分流通道和合流通道側(cè)壁開孔的阻力來平衡分流和合流通道兩側(cè)的壓力不均衡的，從而到達流體均勻分布的目的。
本發(fā)明設想，如果將徑向催化反應器的進口、出口設置在反應器的同一端，則流體在分流和合流通道中的流體流動方向是相反的，但是流體在分流通道和合流通道中的靜壓變化趨勢是一致的，但是是由差異的，在分流通道的進口端和合流通道的出口端，靜壓的差異最小，然后沿分流主流方向逐漸加大，當?shù)竭_分流通道末端時靜壓的差異達到最大，所以發(fā)明人認為，可以通過在分流通道中內(nèi)置導流器來平衡靜壓的差異，由于在分流通道的進口端和合流通道的出口端，靜壓的差異最小，基本不需要修正，所以導流器橫截面積為零，錐度為零，然后隨著靜壓差異的增加，導流器橫截面積逐漸增加，導流器表面的錐度也逐漸增加；當?shù)竭_分流通道末端時靜壓的差異達到最大，導流器的錐度也達到了最大，因?qū)Я髌鞯耐獗砻娼咏陔p曲線型，故稱之為雙曲型的錐形導流器。由此通過設置錐形導流器可以完全消除靜壓的差異，從而達到流體完全均勻分布的目的。
本發(fā)明的徑向催化反應器，包括同軸設置的密閉的圓柱形殼體、錐形導流器、中心多孔筒和外多孔筒；所說的中心多孔筒設置在圓柱形殼體中部；所說的錐形導流器設置在中心多孔筒內(nèi)，其上部與中心多孔筒的上緣密封連接；所說的外多孔筒設置中心多孔筒外；錐形導流器與中心多孔筒之間為分流通道；外多孔筒與圓柱形殼體之間為合流通道；外多孔筒與中心多孔筒之間的空腔為催化劑框，填充反應所需的催化劑；反應物進口設置在圓柱形殼體底部，并與分流通道相連接；反應物出口設置在圓柱形殼體下部，并與合流通道相連通。
采用上述反應器進行反應流體均勻分布的方法，其特征在于，是通過設置在中心多孔筒內(nèi)的錐形導流器實現(xiàn)的反應流體首先經(jīng)反應器進口進入由中心多孔筒以及錐形導流器構成的分流通道，而后穿過催化劑框，發(fā)生所須要的化學反應，反應后的流體通過外多孔筒流入合流通道，然后通過反應物出口流出反應器；流體在分流通道中主流沿軸線方向不斷向前流動，同時不斷通過小孔流出；分流出的流體使得主流體的流速不斷減緩，從而引起主流體的靜壓有升高的趨勢，同時主流體由于流動阻力而導致主流體靜壓有下降的趨勢。在合流通道中，反應流動中，流體在集氣管中流動時，不斷有流體通過小孔流入，匯入管內(nèi)主流，管內(nèi)主流體的質(zhì)量是不斷增加的，隨著主流體的流速的變化而引起靜壓的下降，同時流動的阻力也引起主流體靜壓的下降。由于錐形導流器的設置，錐形導流器占據(jù)了一定的流動面積，使得在分流通道中流體流速的變化較原來為小，所以就抑制其流體靜壓的變化。由于在分流通道的進口端和合流通道的出口端，靜壓的差異最小，基本不需要修正，所以錐形導流器橫截面積為零，錐度為零，然后隨著靜壓差異的增加，錐形導流器橫截面積逐漸增加，錐形導流器表面的錐度也逐漸增加；當?shù)竭_分流通道末端時靜壓的差異達到最大，錐形導流器的錐度也達到了最大，通過錐形導流器表面錐度的變化，使得分流通道和合流通道中的流體靜壓差沿催化劑床層高度方向處處相等。從而到達流體均勻分布的目的。
本發(fā)明的徑向催化反應器，可廣泛應用于在化學工業(yè)和石油化工中，可用于合成氨、硫酸、甲醇、催化重整、乙苯脫氫、乙烯與醋酸反應制醋酸乙酯、異構化、加氫精制等等化工過程，采用本發(fā)明的反應裝置，處理相同的原料在相同的工藝條件下，其產(chǎn)量可比傳統(tǒng)的設備提高5～30％，具有明顯的經(jīng)濟效益。


圖1為徑向催化反應器結構示意圖。
圖2為錐形導流器結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，本發(fā)明的反應器包括同軸設置的密閉的圓柱形殼體1、錐形導流器2、中心多孔筒3和外多孔筒4；所說的中心多孔筒3設置在圓柱形殼體1中部；所說的錐形導流器2設置在中心多孔筒3內(nèi)，其上部與中心多孔筒3的上緣密封連接；
所說的外多孔筒4設置中心多孔筒3外；錐形導流器2與中心多孔筒3之間為分流通道5；外多孔筒4與圓柱形殼體1之間為合流通道6；外多孔筒4與中心多孔筒3之間的空腔為催化劑框9，填充反應所需的催化劑；反應物進口7設置在圓柱形殼體1底部，并與分流通道5相連接；反應物出口8設置在圓柱形殼體1下部，并與合流通道6相連通；為了催化劑框9中流體的均勻分布，要做到的是分流通道5和合流通道6中的流體靜壓差沿催化劑床層高度方向處處相等，因此，所說的錐形導流器2的殼體的形狀優(yōu)選為雙曲線型，如圖2所示，從而獲得良好的流體均勻分布。為了工程實施的方便，錐形導流器2也可以由多段錐體連接構成，如圖2，多段錐體一般有2-8段，最優(yōu)為4-6段；錐形導流器2的錐度α為1～15°，優(yōu)選3～10°優(yōu)選的，中心多孔筒3上的分布小孔301的孔徑為2～8mm，開孔率為10～40％，外多孔筒4上的集流小孔401的孔徑為2～8mm，開孔率為10～40％。
權利要求
1.一種徑向催化反應器，包括，同軸設置的密閉的圓柱形殼體(1)、中心多孔筒(3)和外多孔筒(4)，其特征在于，還包括錐形導流器(2)；所說的中心多孔筒(3)設置在圓柱形殼體(1)中部；所說的錐形導流器(2)設置在中心多孔筒(3)內(nèi)，其上部與中心多孔筒(3)的上緣密封連接；所說的外多孔筒(4)設置中心多孔筒(3)外；錐形導流器(2)與中心多孔筒(3)之間為分流通道(5)；外多孔筒(4)與圓柱形殼體(1)之間為合流通道(6)；外多孔筒(4)與中心多孔筒(3)之間的空腔為催化劑框(9)；反應物進口(7)設置在圓柱形殼體(1)底部，并與分流通道(5)相連接；反應物出口(8)設置在圓柱形殼體(1)下部，并與合流通道(6)相連通。
2.根據(jù)權利要求1所述的徑向催化反應器，其特征在于，所說的錐形導流器(2)的殼體的形狀為雙曲線型。
3.根據(jù)權利要求2所述的徑向催化反應器，其特征在于，錐形導流器(2)由多段錐體連接構成。
4.根據(jù)權利要求3所述的徑向催化反應器，其特征在于，多段錐體有2-8段。
5.根據(jù)權利要求4所述的徑向催化反應器，其特征在于，多段錐體有4-6段。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的徑向催化反應器，其特征在于，錐形導流器(2)的錐度α為1～15°。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的徑向催化反應器，其特征在于，中心多孔筒(3)上的分布小孔(301)的孔徑為2～8mm，開孔率為10～40％，外多孔筒(4)上的集流小孔(401)的孔徑為2～8mm，開孔率為10～40％。
8.采用權利要求1～7任一項所述的反應器進行反應流體均勻分布的方法，其特征在于，是通過設置在中心多孔筒內(nèi)的錐形導流器實現(xiàn)的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種徑向催化反應器和控制流體均勻分布的方法，徑向催化反應器，包括同軸設置的密閉的圓柱形殼體、中心多孔筒、外多孔筒和錐形導流器，中心多孔筒設置在圓柱形殼體中部，錐形導流器設置在中心多孔筒內(nèi)，其上部與中心多孔筒的上緣密封連接，外多孔筒設置中心多孔筒外，錐形導流器與中心多孔筒之間為分流通道，外多孔筒與圓柱形殼體之間為合流通道，外多孔筒與中心多孔筒之間為催化劑框，反應物進口設置在殼體底部，反應物出口設置在殼體下部。本發(fā)明的徑向催化反應器，可廣泛應用于在化學工業(yè)和石油化工中，采用本發(fā)明的反應裝置，處理相同的原料在相同的工藝條件下，其產(chǎn)量可比傳統(tǒng)的設備提高5～30％，具有明顯的經(jīng)濟效益。
文檔編號B01J8/04GK101077477SQ20071004340
公開日2007年11月28日 申請日期2007年7月3日 優(yōu)先權日2007年7月3日
發(fā)明者徐志剛 申請人:徐志剛, 常州瑞華化工工程技術有限公司