一种径向反应器和使用该反应器的催化反应方法技术

本申请提供了一种径向反应器，所述反应器包括内筒、换热层、中筒、外壳和环隙，所述内筒和中筒的侧壁各自具有多个开孔，所述换热层中具有多个沿着径向的反应气通道，所述内筒在沿径向的截面上的轮廓包括3至6个大型瓣状部和0至6个小型瓣状部，所述大型瓣状部和小型瓣状部的形状均基于式I得到的图形绘制。本申请还提供了使用所述径向反应器进行催化反应的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种径向反应器和使用该反应器的催化反应方法
本申请属于化工设备装置领域，具体涉及一种固定床催化反应器，特别是径向反应器，该反应器包括具有特别优化的内筒侧壁形状和开孔形状，能有效提高反应的反应速率，减小反应过程中的温度梯度，具有较高的经济效益。
技术介绍
固定床反应器根据流动方式可分为轴向反应器和径向反应器，相比轴向反应器，径向反应器具有高径比大，床层压降小，反应物在催化剂床层停留时间短，操作费用低，生产能力高以及可大型化等优点，在石油化工，炼油等领域得到了广泛的应用。在径向反应器运作过程中，气相反应物料从反应器中心流道穿过催化剂反应区进行反应，产物和未反应的物料在环隙流出。但是，径向反应器的缺陷在于其往往具有相对复杂的结构，其中流体的流动规律也相对复杂，径向反应器的径向流速的不均匀将会带来催化剂的负荷不均，偏离最佳的操作条件，造成反应器操作恶化等问题；因此，在径向反应器中对流体进行整流，使流体尽可能均匀地分布是径向反应器设计的技术关键。另外，在化学反应过程中经常会遇到强放热反应，而目前径向反应器在放热强或是换热面积小的区域内出现热量积累从而导致反应器内的飞温，由此会造成反应的转化率下降，影响产物的正异比和选择性，最严重的情况下甚至肯可能会导致极其严重的积碳和反应器故障。因此，迄今为止，本领域已有的径向反应器在实际化工生产中仍然存在传热效率低、径向气体反应不均匀以及流动不均等亟待解决的问题。针对上述问题，专利技术人开发了一种径向反应器，通过对流道形状进行优化，显著地提高了径向反应器的流动均匀性和反应过程中的温度均匀性，并进一步提高了反应效率，由此解决了现有技术难以克服的上述问题。
技术实现思路
根据本申请的第一个方面，提供了一种径向反应器，所述反应器按照径向从内向外的顺序包括内筒(1)、换热层(3)、中筒(2)以及外壳(5)，在所述中筒(2)和外壳(5)之间设置有环隙(4)，所述内筒(1)为内部中空，具有第一内部空间，所述换热层(3)为内部中空，具有第二内部空间，所述内筒(1)、换热层(3)、中筒(2)、外壳(5)和环隙(4)在沿径向的截面上具有中心对称的形状且共中心，所述内筒(1)和中筒(2)的侧壁各自具有多个开孔，所述换热层(3)中具有多个沿着径向的反应气通道；所述内筒(1)在沿径向的截面上的轮廓包括3至6个大型瓣状部和0至6个小型瓣状部，所述大型瓣状部和小型瓣状部的形状均基于式I得到的图形绘制：式I中Li表示初始等边三角形的边长，L(n)表示基于初始等边三角形绘制的三角形分形图案中每条线段的长度，1<n≤5。根据本申请第一个方面的一个实施方式，所述内筒(1)和换热层(3)之间包围出第一外部空间，在所述换热层(3)和中筒(2)之间包围出第二外部空间，任选地所述内筒(1)自身包围出第三外部空间，在所述第一外部空间、所述第二外部空间、换热层的反应气通道内和任选的第三外部空间中的至少一个填充有选自以下的至少一种材料：催化剂、填料、传热材料、固体或液体反应原料、固体或液体反应助剂。根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述内筒(1)在沿径向的截面上的轮廓包括6个大型瓣状部和6个小型瓣状部。根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述内筒(1)的侧壁的开孔率为15-50％。根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述中筒(2)的侧壁的开孔率为18-50％。根据本申请第一个方面的另一个实施方式，换热层(3)的反应气通道在其侧壁上所占面积比例为10-50％。根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述内筒(1)和中筒(2)中至少一个的侧壁上的开孔形状是基于式I得到的形状。根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述反应器的顶部和/或底部设置有反应物入口，所述反应物入口与所述内筒(1)的第一内部空间流体连通。根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述反应器的顶部和/或底部设置有产物出口，所述产物出口与所述环隙(4)流体连通；根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述反应器的顶部和底部分别设置有换热介质入口和换热介质出口，所述换热介质入口和所述换热介质出口分别与所述换热层(3)的第二内部空间流体连通。根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述径向反应器外壳(5)的径向直径D和所述径向反应器高度H之比为1.0～10.0。根据本申请第一个方面的另一个实施方式，所述内筒(1)还具有一个、两个或三个同心环形部件。根据本申请的第二个方面，本申请提供了一种催化反应方法，该方法使用本申请的径向反应器进行，该方法包括以下步骤：将气态原料输入所述内筒(1)，经过内筒(1)侧壁上的开孔、换热层(3)的反应气通道、中筒(2)侧壁上的开孔，到达环隙(4)，在此过程中发生催化反应，并经由间隙(4)离开所述反应器。根据本申请第二个方面的一个实施方式，所述换热介质沿轴向流经所述换热层(3)的第二内部空间，同时与所述换热层(3)的外部发生热交换。在下文的具体实施方式部分中，结合附图对本申请开发的径向反应器的结构设计以及采用该反应器进行的反应方法进行描述。附图说明附图中显示了本申请以及现有技术的一些设计形式。图1显示了根据本申请一个实施方式的径向反应器的纵向截面图；图2显示了根据本申请一个实施方式的径向反应器的透视图；图3显示了根据本申请一个实施方式的径向反应器的横截面图；图4A-图4D显示了根据本申请各种实施方式的内筒的横截面图；图4E显示了一个比较实施例的内筒的横截面图；图5显示了根据本申请一个实施方式的中筒2中的开孔示意图；图6显示了图5的中筒2开孔的放大示意图；图7显示了根据本专利技术一个实施方式，式I二次迭代得到的图形；图8显示了根据本专利技术一个实施方式，基于式I三次迭代得到的图形绘制小型瓣状部的示意图；图9显示了根据本专利技术一个实施方式，基于式I三次迭代得到的图形绘制大型瓣状部的示意图。具体实施方式本文所公开的“范围”以下限和上限的形式。可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的。选定的下限和上限限定了特别范围的边界。所有可以这种方式进行限定的范围是包含端值且可相互组合的，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，针对特定参数列出了60-120和80-110的范围，理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围值3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。在本申请中，除非有其他说明，数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数，“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。在本申请中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方式可以相互组合形成新的技本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种径向反应器，所述反应器按照径向从内向外的顺序包括内筒(1)、换热层(3)、中筒(2)以及外壳(5)，在所述中筒(2)和外壳(5)之间设置有环隙(4)，所述内筒(1)为内部中空，具有第一内部空间，所述换热层(3)为内部中空，具有第二内部空间，所述内筒(1)、换热层(3)、中筒(2)、外壳(5)和环隙(4)在沿径向的截面上具有中心对称的形状且共中心，所述内筒(1)和中筒(2)的侧壁各自具有多个开孔，所述换热层(3)中具有多个沿着径向的反应气通道；/n其特征在于，所述内筒(1)在沿径向的截面上的轮廓包括3至6个大型瓣状部和0至6个小型瓣状部，所述大型瓣状部和小型瓣状部的形状均基于式I得到的图形绘制：/n

【技术特征摘要】
1.一种径向反应器，所述反应器按照径向从内向外的顺序包括内筒(1)、换热层(3)、中筒(2)以及外壳(5)，在所述中筒(2)和外壳(5)之间设置有环隙(4)，所述内筒(1)为内部中空，具有第一内部空间，所述换热层(3)为内部中空，具有第二内部空间，所述内筒(1)、换热层(3)、中筒(2)、外壳(5)和环隙(4)在沿径向的截面上具有中心对称的形状且共中心，所述内筒(1)和中筒(2)的侧壁各自具有多个开孔，所述换热层(3)中具有多个沿着径向的反应气通道；
其特征在于，所述内筒(1)在沿径向的截面上的轮廓包括3至6个大型瓣状部和0至6个小型瓣状部，所述大型瓣状部和小型瓣状部的形状均基于式I得到的图形绘制：



式I中Li表示初始等边三角形的边长，L(n)表示基于初始等边三角形绘制的三角形分形图案中每条线段的长度，1<n≤5。


2.如权利要求1所述的径向反应器，其特征在于，所述内筒(1)和换热层(3)之间包围出第一外部空间，在所述换热层(3)和中筒(2)之间包围出第二外部空间，任选地所述内筒(1)自身包围出第三外部空间，在所述第一外部空间、所述第二外部空间、换热层的反应气通道内和任选的第三外部空间中的至少一个填充有选自以下的至少一种材料：催化剂、填料、传热材料、固体或液体反应原料、固体或液体反应助剂。


3.如权利要求1所述的径向反应器，其特征在于，所述内筒(1)在沿径向的截面上的轮廓包括6个大型瓣状部和6个小型瓣状部。


4.如权利要求1所述的径向反应器，其特征在于，
所述内筒(1)的侧壁的开孔率为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王腾，张亚恒，孙清，赵陆海波，唐志永，
申请(专利权)人：上海睿碳能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31