CN109876739B - 一种固定床反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固定床反应器，包括催化剂反应床，所述催化剂反应床包括至少两层反应区；每个所述反应区设有多个反应间隔；相邻两层所述反应区的反应间隔交错排布；同一反应区的相邻反应间隔内填充有粒径不同的催化剂颗粒。本发明利用交叉鱼骨结构的催化剂反应床，使物料在催化剂反应床中呈螺旋状流动，可以使不同物料充分接触反应，从而具有高效率，低物耗、低能耗等特点。
Description
技术领域
本发明属于固定床反应器领域，具体涉及一种固定床反应器。
背景技术：
固定床反应器是指在反应器内装填颗粒状固体催化剂或固体反应物，形成一定高度的堆积床层，气体或液体物料通过颗粒间隙流过静止固定床层的同时，实现非均相反应过程。与固体物料在设备内发生运动的移动床和流化床不同，固定床反应器中填充的固体颗粒固定不动，因此又称填充床反应器，是目前工业应用最广泛的化学反应器之一。
固定床反应器不仅结构简单，操作方便，而且与移动床和流化床相比，具有催化剂机械损耗小，使用效率高等特点，但是，该类反应器由于颗粒填充物的存在，物料流经催化剂反应床的阻力较大，流动较为缓慢，且流动近似层流，会导致不同液体(即物料)之间的分相，从而使物料无法充分接触而反应，造成反应效率低，物耗、能耗高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固定床反应器，不仅充分发挥了固定床反应器的优点，还极大增加了不同物料间的混合程度，进而能提高反应效率，减小物耗和能耗。
一种固定床反应器，包括催化剂反应床，所述催化剂反应床包括至少两层反应区；每个所述反应区设有多个反应间隔；相邻两层所述反应区的反应间隔交错排布；同一反应区的相邻反应间隔内填充有粒径不同的催化剂颗粒，相邻反应区中相交错的两个反应间隔呈反方向倾斜设置。
优选的，还包括中空壳体，所述壳体的内腔与催化剂反应床的外形相适配，所述壳体上对应于催化剂反应床的一端开设有进料口、对应于催化剂反应床的另一端开设有出料口。
优选的，所述壳体的进料口处还设有分布器。
优选的，所述催化剂颗粒包括：粒径为1～2mm的粗粒径催化剂颗粒和粒径为0.25～0.75mm的细粒径催化剂颗粒。
优选的，各所述反应间隔的轴向长度为反应器总长度的0.25％-25％倍，而且轴向长度>2cm。
优选的，相同反应间隔内的孔隙率、传导系数均相同，相邻两反应间隔的传导系数不同，但孔隙率相同。
本发明的优点在于：该种交叉鱼骨结构固定床反应器，利用多层交叉鱼骨结构的催化剂反应床，使物料通过催化剂反应床时的流线呈螺旋形，可以使不同物料充分接触反应，从而具有更高的效率，物耗、能耗相对较低。
附图说明
图1显示了本发明中双层催化剂反应床的竖向剖面示意图；
图2显示了本发明中双层催化剂反应床的三维图；
图3显示了本发明中双层催化剂反应床的俯视图；
图4是本发明实施例和对比例的产物分布图；
图5是本发明实施例的流线和等水头面；
图6是本发明对比例的流线和等水头面。
其中：1-进料口，2-分布器，3-反应器左封头，4-壳体，5-催化剂反应床，6-反应器右封头，7-出料口。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种固定床反应器包括催化剂反应床，所述催化剂反应床包括至少两层反应区；每个所述反应区设有多个反应间隔；相邻两层所述反应区的反应间隔交错排布；同一反应区的相邻反应间隔内填充有粒径不同的催化剂颗粒。
固定床反应器左右两端分别为进料口和出料口，并设置进料分布器。
如图2所示，催化剂反应床为长方体，其长宽高分别为40cm、7cm和7cm；催化剂反应床采用双层结构，每层高度根据反应物需要进行选择。
如图3所示，同一反应区的相邻反应间隔内均由两种粒径不同的固体催化剂颗粒(粒径分别为0.4～0.6mm和1.25～1.75mm)分区交替填充而成，填筑时采用间隔隔板进行分区，以形成交叉鱼骨结构，待填充完成后再将间隔隔板移除，每个斜条分区长度s＝3cm，相邻反应区中相交错的两个反应间隔的夹角为45°。
不同填筑区中的固体催化剂颗粒完全依靠重力作用均匀填充，每个反应间隔内的孔隙率、传导系数均相同，相邻两反应间隔的传导系数不同，但孔隙率相同，其大小为0.4。
为了便于观测本案例采用数值模拟对双层交叉鱼骨结构的反应过程进行说明，为更好表现交叉鱼骨结构固定床反应器的优点，选用均匀填充的固定床反应器(固体填充层粒径为0.4-0.6mm，其余参数均与实施例相同)作为对比例。
模拟中，注入口反应物A和反应物B的流量均为2.84m3/s，注入的浓度均为1mol/m3，且反应A+B→C为瞬时反应。反应物的扩散系数均为10-9m2/s，弥散系数采用Chiogna等人2010年在Evidence of Compound-Dependent Hydrodynamic and Mechanical TransverseDispersion by Multitracer Laboratory Experiments论文中推导的公式：
Dt＝Dp+vd/(Pe+123)0.5
由此得到均匀填充和双层交叉鱼骨结固定床反应器不同位置上的生成物的产量，可以发现，在出口处，当固定床反应器采用均匀填充的催化剂反应床时，其生成物为0.78×10-8mol，但当催化剂反应床采用双层交叉鱼骨结构时，生成物为3.1×10-8mol，其产量约为均匀填充层的4倍。由此可以说明，双层交叉鱼骨结构多孔颗粒填充床大大加快了反应产物生成效率。
不同方案的生成物产量比较表
为进一步解释反应产物的生成效率，模拟了实施例和对比例的反应过程，做出其流线及等水头面，见图5和图6，可以发现交叉鱼骨结构固定床反应器的流线呈螺旋形，因此增大了反应物质间的混合，从而极大提升了反应产物的生成效率。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (6)
1.一种固定床反应器，其特征在于，包括催化剂反应床，所述催化剂反应床包括至少两层反应区；每个所述反应区设有多个反应间隔；相邻两层所述反应区的反应间隔交错排布；同一反应区的相邻反应间隔内填充有粒径不同的催化剂颗粒，相邻反应区中相交错的两个反应间隔呈反方向倾斜设置。
2.根据权利要求1所述的固定床反应器，其特征在于，还包括中空壳体，所述壳体的内腔与催化剂反应床的外形相适配，所述壳体上对应于催化剂反应床的一端开设有进料口、对应于催化剂反应床的另一端开设有出料口。
3.根据权利要求2所述的固定床反应器，其特征在于，所述壳体的进料口处还设有分布器。
4.根据权利要求1所述的固定床反应器，其特征在于，所述催化剂颗粒包括：粒径为1~2mm的粗粒径催化剂颗粒和粒径为0.25~0.75mm的细粒径催化剂颗粒。
5.根据权利要求1所述的固定床反应器，其特征在于，各所述反应间隔的轴向长度为反应器总长度的0.25%-25%倍，而且轴向长度>2cm。
6.根据权利要求1所述的固定床反应器，其特征在于，相同反应间隔内的孔隙率、传导系数均相同，相邻两反应间隔的传导系数不同，但孔隙率相同。
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