列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器，該反應器通過催化劑管（3）套裝在列管（2）內，中套管（4）又套裝在催化劑管（3）內，催化劑管（3）分別與列管（2）和中套管（4）之間形成雙環形間隙微通道，環形間隙間距為0.05～5mm，以0.2～2mm為優。本發明的反應器具備了微反應器及填充床反應器的所有優點，并解決了填充床流體流過床層時產生壓力降而破壞正常的操作缺點以及微反應器普遍存在的通量小的難題，用該反應器取代加氫反應釜可以節約98％以上的催化劑，反應器床層溫度均勻，克服固定床反應器易飛溫的缺點。
【專利說明】列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器
【技術領域】
[0001]本發明涉及微反應器，具體涉及一種列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器。
【背景技術】
[0002]化工生產中，傳統的固定床反應器又稱填充床反應器，裝填有固體催化劑(顆粒狀、網狀、蜂窩狀、纖維狀等)或固體反應物用以實現多相反應過程的一種反應器。床層靜止不動，流體通過床層進行反應。固定床反應器與其它傳統反應器相比，存在著自己的優缺點，優點是:(I)返混小，流體同催化劑可進行有效接觸，當反應伴有串聯副反應時可得較高選擇性；(2)催化劑機械損耗小，使用時間長；(3)結構簡單；(4)適用于高溫高壓條件操作。缺點是:(1)傳熱差，反應放熱量很大時，即使是列管式反應器也可能出現飛溫(反應溫度失去控制，急劇上升，超過允許范圍);(2)催化劑的再生和更換不方便；(3)催化劑的顆粒不能過細，否則流體阻力大，破壞正常操作，因此催化劑的活性內表面不能得到充分利用。
[0003]微反應器是一類新型的反應設備，起源于上世紀90年代，具體來說，微反應器一般是指利用微加工技術和精密加工技術制造的帶有微結構的反應設備，其特征是反應器內流體通道或者分散尺度在微米量級，其間流體流動的雷諾準數通常在幾十到幾百之間，黏滯力比慣性力大，流體為層流流動，因而流體熱傳導和擴散傳質阻力大大減小，傳熱傳質的速率大大增加。據報道，微通道反應器的傳熱系數高達35000W/(m2.Κ)，而常規反應器的僅有IOOW/(m2.K)?700W/(m2.K)，其高的傳質、傳熱系數決定了微通道反應器具有溫度易于控制、反應器體積小、轉化率和收率高及安全性能好等一系列超越傳統反應器的獨特的優越性，因而在化學合成、化學動力學研究和工藝開發等領域具有廣闊的應用前景。
[0004]從化學反應工程的角度看，微反應器的類型與反應過程密不可分，不同相態的反應過程對微反應器結構的要求不同，因此對應于不同相態的反應過程，微反應器可分為氣固相催化微反應器、液液相微反應器、氣液相微反應器和氣液固三相催化微反應器等。
[0005]氣固相催化反應和氣液固三相催化反應在化學反應中非常普遍，種類較多。目前，對于該類型的反應，最簡單的微反應器就是先做好微通道，然后利用浸潰燒結等各種方法將催化劑固定在微通道的壁面上，制作工藝繁瑣而復雜，催化劑更換、再生困難；美國麻省理工學院開發了一種微填充床反應器，在微通道中填充了催化劑固體顆粒，其結構類似于固定床反應器，這種反應器解決了傳統反應器的傳熱、傳質問題，也具備了固定床反應器選擇性高、催化劑損耗小的優點，但催化劑的更換、再生以及流體壓力降的問題仍然存在。另外和其它類型的微反應器一樣還存在一個致命的缺點，就是無法實現大通量。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于:提供一種列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器，將作為催化劑的物質經壓制或燒結成管狀，或將催化劑浸泡涂抹在具有微孔結構的管體壁上再進行固化處理，活化處理使其具有催化活性，該催化劑管放置于兩層套管之間，通過控制間隙形成所需微通道，催化劑制作工藝簡單，解決填充床流體流過床層時產生壓力降而破壞正常的操作缺點。
[0007]本發明的技術解決方案是:該列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器包括筒體、列管、催化劑管、中套管、內套管、一號法蘭、三號法蘭管板、三號法蘭、一號封頭、二號管箱、二號法蘭、二號法蘭管板、一號管箱、一號法蘭管板、折流板、定距圓鋼、二號封頭、支撐花板、四號法蘭和四號法蘭管板，筒體的一端焊接在一號法蘭管板上，筒體的另一端焊接在四號法蘭管板上，筒體內帶有折流板，筒體上設有換熱介質進口和換熱介質出口，列管套裝在筒體內，列管的一端焊接在一號法蘭管板上，列管的另一端焊接在四號法蘭管板上，列管兩端的內壁上焊接定距圓鋼，催化劑管套裝在列管內，催化劑管一端支撐在支撐花板上，催化劑管另一端與一號法蘭管板平齊，中套管的一端焊接在二號法蘭管板上，中套管的另一端盲死并套裝在催化劑管內，中套管盲端懸空且與四號法蘭管板平齊，內套管套裝在中套管內，內套管的一端焊接在三號法蘭管板上，內套管的另一端懸空且與中套管盲端保留一定的間隙，一號管箱的一端通過一號法蘭與一號法蘭管板相連接，一號管箱的另一端焊接在二號法蘭管板上，一號管箱上設有反應液出口，二號管箱的一端通過二號法蘭與二號法蘭管板相連接，二號管箱的另一端焊接在三號法蘭管板上，二號管箱上設有換熱介質出口，一號封頭通過三號法蘭與三號法蘭管板相連接，一號封頭上設有換熱介質進口，支撐花板焊接在二號封頭內，二號封頭通過四號法蘭與四號法蘭管板相連接，二號封頭上設有物料進口，整體構成了列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器。
[0008]本發明所用的催化劑管是由作催化劑用的物質經壓制燒結固態成形的帶有微孔的管體，或將催化劑浸泡涂抹在具有微孔結構的管體壁上再進行固化處理，其管壁厚b為0.5?IOmm,以2?3_為優選，每根催化劑管長度為20?6000mm,以500?1500mm為優選，催化劑物質為:鋁鎳合金，貴金屬鈀、鉬、銠、釕及其化合物，有色金屬、鐵、銅、鑰、鋅及其化合物。
[0009]本發明的催化劑管套裝在列管內，中套管又套裝在催化劑管內，催化劑管分別與列管和中套管之間形成兩個環形間隙微通道，環形間隙間距為0.05?5mm，以0.2?2mm為優選。
[0010]本發明的列管的數量為2?10000根，以20?1000根為優選，列管的直徑dl為5?125mm,以25?65mm為優，列管的長度L為500?12000mm,以2000?6000mm為優。
[0011]本發明的支撐花板的孔徑d3小于催化劑管的直徑d2，支撐花板支撐催化劑管，還包括其他任何方式的固定和支撐。
[0012]本發明在列管兩端的內壁上焊接定距圓鋼來固定環隙大小并保持環形微通道的暢通。
[0013]本發明的內套管套裝在中套管內，中套管的一端封閉為盲端，內套管懸空的一端與中套管盲端之間保留一定的間隙，形成一個環形間隙回路，換熱介質從一號封頭上換熱介質進口進入內套管，流經環形間隙回路，與微通道內的反應液進行熱交換，最終從二號管箱上換熱介質出口流出。
[0014]本發明的微通道固定床反應器結構中，催化劑管與中套管之間不留環形間隙，則列管與催化劑管之間形成單環形微通道固定床。
[0015]本發明具有以下優點: (1)催化劑管分別與列管和中套管之間形成雙環形微通道，使該反應器具備了微反應器及填充床反應器的所有優點，并解決了填充床流體流過床層時產生壓力降而破壞正常的操作缺點；
(2)與現有微通道催化反應器相比，本發明催化劑管制作簡單，只需將作催化劑用的物質經壓制燒結制作成催化劑管，或將催化劑浸泡涂抹在具有微孔結構的管體壁上再進行固化處理，使用之前對其進行活化處理使其具有活性，放置于列管和套管之間形成微通道，更換和再生方便；
(3)由于列管式雙環形通道設計，使得該反應器微通道的截面積非常大，當進料壓力為0.3Mpa、微通道環隙間距為Imm時，單管微通道物料的通量可達到9000 m3/年，當壓力為
0.3Mpa、微通道環隙間距為0.6mm時，單管微通道物料的通量可達到1080 m3/年，物料通量得到了數量級的增加。如果做一臺直徑為600_，內置100根列管的反應器，年產能可達到萬噸級以上，徹底解決了微通道反應器如何實現大通量這一世界性難題，使得微通道固定床反應器在化學反應中取代目前的釜式催化反應和固定床反應器，并徹底改變目前化學合成高危工藝現狀，大大提高其安全性，使得化工生產裝置向小型化、集成化、智能化等方向發展；
(4)該反應器比表面積非常大，當列管直徑在25?27mm、環隙為0.5?Imm時，比表面積達到2041?4082m2/m3，而當環隙為0.2mm時，其反應器比表面積達到10616m2/m3，如此大的比表面積滿足各種強烈吸(放)熱反應；
(5)用該反應器替代傳統的反應器，從而簡化工藝流程，減小了占地面積，減少了用工，節省了投資，降低了運行成本；
(6)經壓制燒結成形管狀催化劑，具有強度好、壽命長、微孔道結構比表面積大、催化活性高等特點，徹底改變了目前使用固態顆粒狀催化劑消耗量大、既浪費資源又污染了環境的缺點，使得各種催化反應真正實現了清潔環保；
(7)由于不用粉沫狀催化劑，使得反應物料中不含有催化劑，從而不需要過濾，既簡化了后續生產工藝，又節約了能源；
(8)該反應器還特別適用于需要使用昂貴的稀有金屬(如鉭材、鋯材等)制造反應設備和換熱器的情況，使用該結構反應器不僅可以滿足高壓反應，更能有效節約這些昂貴材料；
(9 )本發明尤其適用于替代原來使用雷尼鎳(鋁鎳合金粉以及其它粉狀催化劑)做釜式催化加氫反應的工藝，既可以節約98%以上催化劑消耗，使得催化劑得以全部可循環利用，消除了廢催化劑的危廢污染，又節約了大量的鋁鎳及貴金屬資源。
[0016](10)本發明適合各種金屬和非金屬材料制作，以不銹鋼為優，適用于還原類反應、氧化類反應、中和類反應、制造納米材料等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明雙環微通道結構主視示意圖。
[0018]圖2為本發明雙環微通道的A-A剖視示意圖。
[0019]圖3為本發明雙環微通道結構截面示意圖。
[0020]圖4為本發明單環微通道結構主視示意圖。[0021]圖5為本發明單環微通道的A-A剖視示意圖。
[0022]圖6為本發明單環微通道結構截面示意圖。
[0023]圖中:1筒體，2列管，3催化劑管，4中套管，5內套管，6—號法蘭，7三號法蘭管板，8三號法蘭，9 一號封頭，10 二號管箱，11 二號法蘭，12 二號法蘭管板，13 一號管箱，14 一號法蘭管板，15折流板，16定距圓鋼，17 二號封頭，18支撐花板，19四號法蘭，20四號法蘭管板。
【具體實施方式】
[0024]如圖1-3所示，該列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器包括:筒體1、列管2、催化劑管3、中套管4、內套管5、一號法蘭6、三號法蘭管板7、三號法蘭8、一號封頭9、二號管箱10、二號法蘭11、二號法蘭管板12、一號管箱13、一號法蘭管板14、折流板15、定距圓鋼16、二號封頭17、支撐花板18、四號法蘭19和四號法蘭管板20，筒體I的一端焊接在一號法蘭管板上14上，筒體I的另一端焊接在四號法蘭管板20上，筒體I內帶有折流板15，筒體I上設有換熱介質進口和換熱介質出口，列管2套裝在筒體I內，列管I的一端焊接在一號法蘭管板14上，列管I的另一端焊接在四號法蘭管板20上，列管2兩端的內壁上焊接定距圓鋼16，催化劑管3套裝在列管2內，催化劑管3—端支撐在支撐花板18上，催化劑管3另一端與一號法蘭管板14平齊，中套管4的一端焊接在二號法蘭管板12上，中套管4的另一端盲死并套裝在催化劑管3內，中套管4的盲端懸空且與四號法蘭管板20平齊，內套管5套裝在中套管4內，內套管5的一端焊接在三號法蘭管板7上，內套管5的另一端懸空且與中套管4盲端保留一定的間隙，一號管箱13的一端通過一號法蘭6與一號法蘭管板14相連接，一號管箱13的另一端焊接在二號法蘭管板12上，一號管箱13上設有反應液出口，二號管箱10的一端通過二號法蘭11與二號法蘭管板12相連接，二號管箱10的另一端焊接在三號法蘭管板7上，二號管箱10上設有換熱介質出口，一號封頭9通過三號法蘭8與三號法蘭管板7相連接，一號封頭9上設有換熱介質進口，支撐花板18焊接在二號封頭17內，二號封頭17通過四號法蘭19與四號法蘭管板20相連接，二號封頭17上設有物料進口，整體構成了列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器。
[0025]本發明所用的催化劑管3是由作催化劑用的物質經壓制燒結固態成形的帶有微孔的管體，或將催化劑浸泡涂抹在具有微孔結構的管體壁上再進行固化處理，管體壁厚b為0.5?IOmm,以2?3_為優選，催化劑管長度為20?6000mm,以500?1500mm為優選，催化劑物質為:鋁鎳合金，貴(稀有)金屬鈷、鈀、鉬、銠、釕及其化合物，有色金屬、鐵、銅、鑰、鋅及其化合物。
[0026]本發明的催化劑管3套裝在列管2內，中套管4又套裝在催化劑管3內，催化劑管3分別與列管2和中套管4之間形成兩個環形間隙微通道，環形間隙間距為0.05?5_，以
0.2?2_為優選。
[0027]本發明的列管2的數量為2?10000根，以20?1000根為優選，列管的直徑Cl1為5?125mm,以25?65mm為優，列管的長度L為500?12000mm,以2000?6000mm為優。
[0028]本發明的支撐花板18的孔徑d3小于催化劑管3的直徑d2，支撐花板18支撐催化劑管3，還包括其他任何方式的固定和支撐。
[0029]本發明的內套管5套裝在中套管4內，中套管4的一端封閉為盲端，內套管5懸空的一端與中套管4盲端之間保留一定的間隙,形成一個環形間隙回路,換熱介質從一號封頭9上換熱介質進口進入內套管5，流經環形間隙回路，與微通道內的反應液進行熱交換，最終從二號管箱10上換熱介質出口流出。
[0030]如圖4-6所示，本發明的微通道固定床反應器結構中，催化劑管3與中套管4之間不留環形間隙，則列管2與催化劑管3之間形成單環形微通道固定床。
[0031]安裝時，保證列管2、催化劑管3、中套管4和內套管5同心同軸；使用時，先將微通道內的催化劑進行活化處理使其具有催化活性，然后經過過濾和混合后的物料從二號封頭17上的物料進口進入反應器，通過支撐花板18進入環形微通道進行反應，反應液從一號管箱13上的反應液出口流出到下道工序；換熱介質從筒體I上換熱介質進口進入，在筒體I與列管2之間的間隙內流動，與微通道內的反應液進行熱交換，最后從筒體I上換熱介質出口流出實現外層換熱；換熱介質從一號封頭9上換熱介質進口進入內套管5，流經內套管5和中套管4形成的環形間隙回路，與微通道內的反應液進行熱交換，最終從二號管箱10上換熱介質出口流出實現內層換熱。
【權利要求】
1.列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器，其特征是:該微通道固定床反應器包括筒體(1)、列管(2)、催化劑管(3)、中套管(4)、內套管(5)、一號法蘭(6)、三號法蘭管板(7)、三號法蘭(8)、一號封頭(9)、二號管箱(10)、二號法蘭(11)、二號法蘭管板(12)、一號管箱(13)、一號法蘭管板(14)、折流板(15)、定距圓鋼(16)、二號封頭(17)、支撐花板(18)、四號法蘭(19)和四號法蘭管板(20)，筒體(1)的一端焊接在一號法蘭管板上(14 )上，筒體(1)的另一端焊接在四號法蘭管板(20 )上，筒體(1)內帶有折流板(15 )，筒體(I)上設有換熱介質進口和換熱介質出口，列管(2)套裝在筒體(1)內，列管(I)的一端焊接在一號法蘭管板(14)上，列管(I)的另一端焊接在四號法蘭管板(20)上，列管(2)兩端的內壁上焊接定距圓鋼(16 )，催化劑管(3 )套裝在列管(2 )內，催化劑管(3 ) 一端放置在支撐花板(18)上，催化劑管(3)另一端與一號法蘭管板(14)平齊，中套管(4)的一端焊接在二號法蘭管板(12)上，中套管(4)的另一端盲死并套裝在催化劑管(3)內，中套管(4)的盲端懸空且與四號法蘭管板(20)平齊，內套管(5)套裝在中套管(4)內，內套管(5)的一端焊接在三號法蘭管板(7)上，內套管(5)的另一端懸空且與中套管(4)盲端保留一定的間隙，一號管箱(13)的一端通過一號法蘭(6)與一號法蘭管板(14)相連接，一號管箱(13)的另一端焊接在二號法蘭管板(12)上，一號管箱(13)上設有反應液出口，二號管箱(10)的一端通過二號法蘭(11)與二號法蘭管板(12)相連接，二號管箱(10)的另一端焊接在三號法蘭管板(7)上，二號管箱(10)上設有換熱介質出口，一號封頭(9)通過三號法蘭(8)與三號法蘭管板(7 )相連接，一號封頭(9 )上設有換熱介質進口，支撐花板(18 )焊接在二號封頭(17)內，二號封頭(17)通過四號法蘭(19)與四號法蘭管板(20)相連接，二號封頭(17)上設有物料進口，整體構成了列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器。
2.根據權利要求1所述的列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器，其特征是:所述的催化劑管(3)是由作催化劑用的物質經壓制燒結固態成形的帶有微孔的管體，或將催化劑浸泡涂抹在具有微孔結構的管體壁上再進行固化處理，管體壁厚b為0.5~10mm，催化劑管長度為20~6000mm，催化劑物質為:鋁鎳合金，貴(稀有)金屬鈷、鈀、鉬、銠、釕及其化合物，有色金屬鋁、鎳、鐵、銅、鑰、鋅及其化合物。
3.根據權利要求2所述的列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器，其特征是:所述的催化劑管(3)的管體壁厚b為2~3mm,催化劑管長度為500~1500mm。
4.根據權利要求1所述的列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器，其特征是:催化劑管(3 )套裝在列管(2)內，中套管(4)又套裝在催化劑管(3 )內，催化劑管(3 )分別與列管(2)和中套管(4)之間形成兩個環形間隙微通道，環形間隙間距為0.05~5_。
5.根據權利要求4所述的列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器，其特征是:催化劑管(3)分別與列管(2)和中套管(4)之間形成兩個環形間隙微通道固定床，環形間隙間距為0.2~2mm。
6.根據權利要求1所述的列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器，其特征是:列管(2)的數量為2~10000根，列管的直徑Cl1為5~125mm，列管的長度L為500~12000mm。
7.根據權利要求6所述的列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器，其特征是:列管(2)的數量為20~1000根，列管的直徑Cl1為25~65mm，列管的長度L為2000~6000mm。
8.根據權利要求1所述的列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器，其特征是:支撐花板(18)的孔徑d3小于催化劑管(3)的直徑d2，支撐花板(18)支撐催化劑管(3)，或以其他任何方式固定和支撐。
9.根據權利要求1所述的列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器，其特征是:內套管(5)套裝在中套管(4)內，中套管(4)的一端封閉為盲端，內套管(5)懸空的一端與中套管(4)盲端之間保留一定的間隙，形成一個環形間隙回路，換熱介質從一號封頭(9)上換熱介質進口進入內套管(5)，流經環形間隙回路，與微通道內的反應液進行熱交換，最終從二號管箱(10)上換熱介質出口流出。
10.根據權利要求1所述的列管式環形通道雙面換熱大通量微通道固定床反應器，其特征是:催化劑管(3)與中套管(4)之間不留環形間隙，列管(2)與催化劑管(3)之間形成單環形微通 道。
【文檔編號】B01J19/24GK103801249SQ201410039418
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月27日 優先權日:2014年1月27日
【發明者】石祖嘉 申請人:石祖嘉