1、(10)申请公布号 CN 103801249 A (43)申请公布日 2014.05.21 CN 103801249 A (21)申请号 201410039418.3 (22)申请日 2014.01.27 B01J 19/24(2006.01) (71)申请人 石祖嘉 地址 223300 江苏省淮安市淮阴区黄河花园 别墅 4B (72)发明人 石祖嘉 (74)专利代理机构 淮安市科翔专利商标事务所 32110 代理人 韩晓斌 (54) 发明名称 列管式环形通道双面换热大通量微通道固定 床反应器 (57) 摘要 本发明公开了列管式环形通道双面换热大通 量微通道固定床反应器, 该反应器通过催化剂管
2、 (3) 套装在列管 (2) 内, 中套管 (4) 又套装在催化 剂管 (3) 内, 催化剂管 (3) 分别与列管 (2) 和中套 管 (4) 之间形成双环形间隙微通道, 环形间隙间 距为 0.05 5mm, 以 0.2 2mm 为优。本发明的 反应器具备了微反应器及填充床反应器的所有优 点, 并解决了填充床流体流过床层时产生压力降 而破坏正常的操作缺点以及微反应器普遍存在的 通量小的难题, 用该反应器取代加氢反应釜可以 节约 98以上的催化剂, 反应器床层温度均匀, 克服固定床反应器易飞温的缺点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和
3、国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103801249 A CN 103801249 A 1/2 页 2 1. 列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器, 其特征是 : 该微通道固定床 反应器包括筒体 (1) 、 列管 (2) 、 催化剂管 (3) 、 中套管 (4) 、 内套管 (5) 、 一号法兰 (6) 、 三号 法兰管板 (7) 、 三号法兰 (8) 、 一号封头 (9) 、 二号管箱 (10) 、 二号法兰 (11) 、 二号法兰管板 (12) 、 一号管箱 (13) 、 一号法兰管板 (14) 、 折流板 (
4、15) 、 定距圆钢 (16) 、 二号封头 (17) 、 支 撑花板 (18) 、 四号法兰 (19) 和四号法兰管板 (20) , 筒体 (1) 的一端焊接在一号法兰管板上 (14) 上, 筒体 (1) 的另一端焊接在四号法兰管板 (20) 上, 筒体 (1) 内带有折流板 (15) , 筒体 (1) 上设有换热介质进口和换热介质出口, 列管 (2) 套装在筒体 (1) 内, 列管 (1) 的一端焊 接在一号法兰管板 (14) 上, 列管 (1) 的另一端焊接在四号法兰管板 (20) 上, 列管 (2) 两端 的内壁上焊接定距圆钢 (16) , 催化剂管 (3) 套装在列管 (2) 内,
5、催化剂管 (3) 一端放置在支 撑花板 (18) 上, 催化剂管 (3) 另一端与一号法兰管板 (14) 平齐, 中套管 (4) 的一端焊接在 二号法兰管板 (12) 上, 中套管 (4) 的另一端盲死并套装在催化剂管 (3) 内, 中套管 (4) 的盲 端悬空且与四号法兰管板 (20) 平齐, 内套管 (5) 套装在中套管 (4) 内, 内套管 (5) 的一端焊 接在三号法兰管板 (7) 上, 内套管 (5) 的另一端悬空且与中套管 (4) 盲端保留一定的间隙, 一号管箱 (13) 的一端通过一号法兰 (6) 与一号法兰管板 (14) 相连接, 一号管箱 (13) 的另 一端焊接在二号法兰管
6、板 (12) 上, 一号管箱 (13) 上设有反应液出口, 二号管箱 (10) 的一端 通过二号法兰 (11) 与二号法兰管板 (12) 相连接, 二号管箱 (10) 的另一端焊接在三号法兰 管板 (7) 上, 二号管箱 (10) 上设有换热介质出口, 一号封头 (9) 通过三号法兰 (8) 与三号法 兰管板 (7) 相连接, 一号封头 (9) 上设有换热介质进口, 支撑花板 (18) 焊接在二号封头 (17) 内, 二号封头 (17) 通过四号法兰 (19) 与四号法兰管板 (20) 相连接, 二号封头 (17) 上设有 物料进口, 整体构成了列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器。
7、 2. 根据权利要求 1 所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器, 其 特征是 : 所述的催化剂管 (3) 是由作催化剂用的物质经压制烧结固态成形的带有微孔的管 体, 或将催化剂浸泡涂抹在具有微孔结构的管体壁上再进行固化处理, 管体壁厚b为0.5 10mm, 催化剂管长度为 20 6000mm, 催化剂物质为 : 铝镍合金, 贵 (稀有) 金属钴、 钯、 铂、 铑、 钌及其化合物, 有色金属铝、 镍、 铁、 铜、 钼、 锌及其化合物。 3. 根据权利要求 2 所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器, 其特 征是 : 所述的催化剂管 (3) 的管体壁厚 b 为 2 3
8、mm, 催化剂管长度为 500 1500mm。 4. 根据权利要求 1 所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器, 其特 征是 : 催化剂管 (3) 套装在列管 (2) 内, 中套管 (4) 又套装在催化剂管 (3) 内, 催化剂管 (3) 分别与列管 (2) 和中套管 (4) 之间形成两个环形间隙微通道, 环形间隙间距为 0.05 5mm。 5. 根据权利要求 4 所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器, 其特 征是 : 催化剂管 (3) 分别与列管 (2) 和中套管 (4) 之间形成两个环形间隙微通道固定床, 环 形间隙间距为 0.2 2mm。 6. 根据权利要求
9、 1 所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器, 其特 征是 : 列管 (2) 的数量为 2 10000 根, 列管的直径 d1为 5 125mm, 列管的长度 L 为 500 12000mm。 7. 根据权利要求 6 所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器, 其特 征是 : 列管 (2) 的数量为201000根, 列管的直径d1为2565mm, 列管的长度L为2000 6000mm。 权 利 要 求 书 CN 103801249 A 2 2/2 页 3 8. 根据权利要求 1 所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器, 其特 征是 : 支撑花板 (18)
10、 的孔径 d3小于催化剂管 (3) 的直径 d2, 支撑花板 (18) 支撑催化剂管 (3) , 或以其他任何方式固定和支撑。 9. 根据权利要求 1 所述的列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器, 其特 征是 : 内套管 (5) 套装在中套管 (4) 内, 中套管 (4) 的一端封闭为盲端, 内套管 (5) 悬空的 一端与中套管 (4) 盲端之间保留一定的间隙, 形成一个环形间隙回路, 换热介质从一号封头 (9) 上换热介质进口进入内套管 (5) , 流经环形间隙回路, 与微通道内的反应液进行热交换, 最终从二号管箱 (10) 上换热介质出口流出。 10. 根据权利要求 1 所述的列
11、管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器, 其 特征是 : 催化剂管 (3) 与中套管 (4) 之间不留环形间隙, 列管 (2) 与催化剂管 (3) 之间形成 单环形微通道。 权 利 要 求 书 CN 103801249 A 3 1/5 页 4 列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器 技术领域 0001 本发明涉及微反应器, 具体涉及一种列管式环形通道双面换热大通量微通道固定 床反应器。 背景技术 0002 化工生产中, 传统的固定床反应器又称填充床反应器, 装填有固体催化剂 (颗粒 状、 网状、 蜂窝状、 纤维状等) 或固体反应物用以实现多相反应过程的一种反应器。床层静 止不动,
12、 流体通过床层进行反应。 固定床反应器与其它传统反应器相比, 存在着自己的优缺 点, 优点是 :(1) 返混小, 流体同催化剂可进行有效接触, 当反应伴有串联副反应时可得较 高选择性 ;(2) 催化剂机械损耗小, 使用时间长 ;(3) 结构简单 ;(4) 适用于高温高压条件操 作。缺点是 :(1) 传热差, 反应放热量很大时, 即使是列管式反应器也可能出现飞温 (反应温 度失去控制, 急剧上升, 超过允许范围) ;(2) 催化剂的再生和更换不方便 ;(3) 催化剂的颗粒 不能过细, 否则流体阻力大, 破坏正常操作, 因此催化剂的活性内表面不能得到充分利用。 0003 微反应器是一类新型的反应设
13、备, 起源于上世纪 90 年代, 具体来说, 微反应器一 般是指利用微加工技术和精密加工技术制造的带有微结构的反应设备, 其特征是反应器内 流体通道或者分散尺度在微米量级, 其间流体流动的雷诺准数通常在几十到几百之间, 黏 滞力比惯性力大, 流体为层流流动, 因而流体热传导和扩散传质阻力大大减小, 传热传质的 速率大大增加。据报道, 微通道反应器的传热系数高达 35000W/(m2 K), 而常规反应器的仅 有 100W/(m2 K) 700W/(m2K), 其高的传质、 传热系数决定了微通道反应器具有温度易 于控制、 反应器体积小、 转化率和收率高及安全性能好等一系列超越传统反应器的独特的
14、优越性, 因而在化学合成、 化学动力学研究和工艺开发等领域具有广阔的应用前景。 0004 从化学反应工程的角度看, 微反应器的类型与反应过程密不可分, 不同相态的反 应过程对微反应器结构的要求不同, 因此对应于不同相态的反应过程, 微反应器可分为气 固相催化微反应器、 液液相微反应器、 气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。 0005 气固相催化反应和气液固三相催化反应在化学反应中非常普遍, 种类较多。 目前, 对于该类型的反应, 最简单的微反应器就是先做好微通道, 然后利用浸渍烧结等各种方法 将催化剂固定在微通道的壁面上, 制作工艺繁琐而复杂, 催化剂更换、 再生困难 ; 美国麻省 理工
15、学院开发了一种微填充床反应器, 在微通道中填充了催化剂固体颗粒, 其结构类似于 固定床反应器, 这种反应器解决了传统反应器的传热、 传质问题, 也具备了固定床反应器选 择性高、 催化剂损耗小的优点, 但催化剂的更换、 再生以及流体压力降的问题仍然存在。另 外和其它类型的微反应器一样还存在一个致命的缺点, 就是无法实现大通量。 发明内容 0006 本发明的目的在于 : 提供一种列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应 器, 将作为催化剂的物质经压制或烧结成管状, 或将催化剂浸泡涂抹在具有微孔结构的管 体壁上再进行固化处理, 活化处理使其具有催化活性, 该催化剂管放置于两层套管之间, 通 说
16、明 书 CN 103801249 A 4 2/5 页 5 过控制间隙形成所需微通道, 催化剂制作工艺简单, 解决填充床流体流过床层时产生压力 降而破坏正常的操作缺点。 0007 本发明的技术解决方案是 : 该列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应 器包括筒体、 列管、 催化剂管、 中套管、 内套管、 一号法兰、 三号法兰管板、 三号法兰、 一号封 头、 二号管箱、 二号法兰、 二号法兰管板、 一号管箱、 一号法兰管板、 折流板、 定距圆钢、 二号 封头、 支撑花板、 四号法兰和四号法兰管板, 筒体的一端焊接在一号法兰管板上, 筒体的另 一端焊接在四号法兰管板上, 筒体内带有折流板, 筒体
17、上设有换热介质进口和换热介质出 口, 列管套装在筒体内, 列管的一端焊接在一号法兰管板上, 列管的另一端焊接在四号法兰 管板上, 列管两端的内壁上焊接定距圆钢, 催化剂管套装在列管内, 催化剂管一端支撑在支 撑花板上, 催化剂管另一端与一号法兰管板平齐, 中套管的一端焊接在二号法兰管板上, 中 套管的另一端盲死并套装在催化剂管内, 中套管盲端悬空且与四号法兰管板平齐, 内套管 套装在中套管内, 内套管的一端焊接在三号法兰管板上, 内套管的另一端悬空且与中套管 盲端保留一定的间隙, 一号管箱的一端通过一号法兰与一号法兰管板相连接, 一号管箱的 另一端焊接在二号法兰管板上, 一号管箱上设有反应液出
18、口, 二号管箱的一端通过二号法 兰与二号法兰管板相连接, 二号管箱的另一端焊接在三号法兰管板上, 二号管箱上设有换 热介质出口, 一号封头通过三号法兰与三号法兰管板相连接, 一号封头上设有换热介质进 口, 支撑花板焊接在二号封头内, 二号封头通过四号法兰与四号法兰管板相连接, 二号封头 上设有物料进口, 整体构成了列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器。 0008 本发明所用的催化剂管是由作催化剂用的物质经压制烧结固态成形的带有微孔 的管体, 或将催化剂浸泡涂抹在具有微孔结构的管体壁上再进行固化处理, 其管壁厚 b 为 0.5 10mm, 以 2 3mm 为优选, 每根催化剂管长度为
19、20 6000mm, 以 500 1500mm 为优 选, 催化剂物质为 : 铝镍合金, 贵金属钯、 铂、 铑、 钌及其化合物, 有色金属、 铁、 铜、 钼、 锌及其 化合物。 0009 本发明的催化剂管套装在列管内, 中套管又套装在催化剂管内, 催化剂管分别与 列管和中套管之间形成两个环形间隙微通道, 环形间隙间距为0.055mm, 以0.22mm为 优选。 0010 本发明的列管的数量为 2 10000 根, 以 20 1000 根为优选, 列管的直径 d1 为 5 125mm, 以 25 65mm 为优, 列管的长度 L 为 500 12000mm, 以 2000 6000mm 为优。
20、0011 本发明的支撑花板的孔径 d3小于催化剂管的直径 d2, 支撑花板支撑催化剂管, 还 包括其他任何方式的固定和支撑。 0012 本发明在列管两端的内壁上焊接定距圆钢来固定环隙大小并保持环形微通道的 畅通。 0013 本发明的内套管套装在中套管内, 中套管的一端封闭为盲端, 内套管悬空的一端 与中套管盲端之间保留一定的间隙, 形成一个环形间隙回路, 换热介质从一号封头上换热 介质进口进入内套管, 流经环形间隙回路, 与微通道内的反应液进行热交换, 最终从二号管 箱上换热介质出口流出。 0014 本发明的微通道固定床反应器结构中, 催化剂管与中套管之间不留环形间隙, 则 列管与催化剂管之间
21、形成单环形微通道固定床。 0015 本发明具有以下优点 : 说 明 书 CN 103801249 A 5 3/5 页 6 (1) 催化剂管分别与列管和中套管之间形成双环形微通道, 使该反应器具备了微反应 器及填充床反应器的所有优点, 并解决了填充床流体流过床层时产生压力降而破坏正常的 操作缺点 ; (2) 与现有微通道催化反应器相比, 本发明催化剂管制作简单, 只需将作催化剂用的物 质经压制烧结制作成催化剂管, 或将催化剂浸泡涂抹在具有微孔结构的管体壁上再进行固 化处理, 使用之前对其进行活化处理使其具有活性, 放置于列管和套管之间形成微通道, 更 换和再生方便 ; (3) 由于列管式双环形通
22、道设计, 使得该反应器微通道的截面积非常大, 当进料压力为 0.3Mpa、 微通道环隙间距为 1mm 时, 单管微通道物料的通量可达到 9000 m3/ 年, 当压力为 0.3Mpa、 微通道环隙间距为 0.6mm 时, 单管微通道物料的通量可达到 1080 m3/ 年, 物料通量 得到了数量级的增加。如果做一台直径为 600mm, 内置 100 根列管的反应器, 年产能可达到 万吨级以上, 彻底解决了微通道反应器如何实现大通量这一世界性难题, 使得微通道固定 床反应器在化学反应中取代目前的釜式催化反应和固定床反应器, 并彻底改变目前化学合 成高危工艺现状, 大大提高其安全性, 使得化工生产装
23、置向小型化、 集成化、 智能化等方向 发展 ; (4) 该反应器比表面积非常大, 当列管直径在 25 27mm、 环隙为 0.5 1mm 时, 比表面 积达到20414082m2/m3, 而当环隙为0.2mm时, 其反应器比表面积达到10616m2/m3, 如此大 的比表面积满足各种强烈吸 (放) 热反应 ; (5) 用该反应器替代传统的反应器, 从而简化工艺流程, 减小了占地面积, 减少了用工, 节省了投资, 降低了运行成本 ; (6) 经压制烧结成形管状催化剂, 具有强度好、 寿命长、 微孔道结构比表面积大、 催化活 性高等特点, 彻底改变了目前使用固态颗粒状催化剂消耗量大、 既浪费资源又
24、污染了环境 的缺点, 使得各种催化反应真正实现了清洁环保 ; (7) 由于不用粉沫状催化剂, 使得反应物料中不含有催化剂, 从而不需要过滤, 既简化 了后续生产工艺, 又节约了能源 ; (8) 该反应器还特别适用于需要使用昂贵的稀有金属 (如钽材、 锆材等) 制造反应设 备和换热器的情况, 使用该结构反应器不仅可以满足高压反应, 更能有效节约这些昂贵材 料 ; (9) 本发明尤其适用于替代原来使用雷尼镍 (铝镍合金粉以及其它粉状催化剂) 做釜式 催化加氢反应的工艺, 既可以节约 98以上催化剂消耗, 使得催化剂得以全部可循环利用, 消除了废催化剂的危废污染, 又节约了大量的铝镍及贵金属资源。
25、0016 (10) 本发明适合各种金属和非金属材料制作, 以不锈钢为优, 适用于还原类反应、 氧化类反应、 中和类反应、 制造纳米材料等。 附图说明 0017 图 1 为本发明双环微通道结构主视示意图。 0018 图 2 为本发明双环微通道的 A-A 剖视示意图。 0019 图 3 为本发明双环微通道结构截面示意图。 0020 图 4 为本发明单环微通道结构主视示意图。 说 明 书 CN 103801249 A 6 4/5 页 7 0021 图 5 为本发明单环微通道的 A-A 剖视示意图。 0022 图 6 为本发明单环微通道结构截面示意图。 0023 图中 : 1筒体, 2列管, 3催化剂
26、管, 4中套管, 5内套管, 6一号法兰, 7三号法兰管板, 8 三号法兰, 9 一号封头, 10 二号管箱, 11 二号法兰, 12 二号法兰管板, 13 一号管箱, 14 一号 法兰管板, 15 折流板, 16 定距圆钢, 17 二号封头, 18 支撑花板, 19 四号法兰, 20 四号法兰管 板。 具体实施方式 0024 如图 1-3 所示, 该列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器包括 : 筒 体 1、 列管 2、 催化剂管 3、 中套管 4、 内套管 5、 一号法兰 6、 三号法兰管板 7、 三号法兰 8、 一号 封头 9、 二号管箱 10、 二号法兰 11、 二号法兰管板
27、12、 一号管箱 13、 一号法兰管板 14、 折流板 15、 定距圆钢 16、 二号封头 17、 支撑花板 18、 四号法兰 19 和四号法兰管板 20, 筒体 1 的一端 焊接在一号法兰管板上 14 上, 筒体 1 的另一端焊接在四号法兰管板 20 上, 筒体 1 内带有折 流板 15, 筒体 1 上设有换热介质进口和换热介质出口, 列管 2 套装在筒体 1 内, 列管 1 的一 端焊接在一号法兰管板 14 上, 列管 1 的另一端焊接在四号法兰管板 20 上, 列管 2 两端的内 壁上焊接定距圆钢16, 催化剂管3套装在列管2内, 催化剂管3一端支撑在支撑花板18上, 催化剂管 3 另一
28、端与一号法兰管板 14 平齐, 中套管 4 的一端焊接在二号法兰管板 12 上, 中 套管 4 的另一端盲死并套装在催化剂管 3 内, 中套管 4 的盲端悬空且与四号法兰管板 20 平 齐, 内套管 5 套装在中套管 4 内, 内套管 5 的一端焊接在三号法兰管板 7 上, 内套管 5 的另 一端悬空且与中套管 4 盲端保留一定的间隙, 一号管箱 13 的一端通过一号法兰 6 与一号法 兰管板 14 相连接, 一号管箱 13 的另一端焊接在二号法兰管板 12 上, 一号管箱 13 上设有反 应液出口, 二号管箱 10 的一端通过二号法兰 11 与二号法兰管板 12 相连接, 二号管箱 10 的
29、 另一端焊接在三号法兰管板 7 上, 二号管箱 10 上设有换热介质出口, 一号封头 9 通过三号 法兰 8 与三号法兰管板 7 相连接, 一号封头 9 上设有换热介质进口, 支撑花板 18 焊接在二 号封头 17 内, 二号封头 17 通过四号法兰 19 与四号法兰管板 20 相连接, 二号封头 17 上设 有物料进口, 整体构成了列管式环形通道双面换热大通量微通道固定床反应器。 0025 本发明所用的催化剂管 3 是由作催化剂用的物质经压制烧结固态成形的带有微 孔的管体, 或将催化剂浸泡涂抹在具有微孔结构的管体壁上再进行固化处理, 管体壁厚 b 为0.510mm, 以23mm为优选, 催化
30、剂管长度为206000mm, 以5001500mm为优选, 催化剂物质为 : 铝镍合金, 贵 (稀有) 金属钴、 钯、 铂、 铑、 钌及其化合物, 有色金属、 铁、 铜、 钼、 锌及其化合物。 0026 本发明的催化剂管 3 套装在列管 2 内, 中套管 4 又套装在催化剂管 3 内, 催化剂管 3 分别与列管 2 和中套管 4 之间形成两个环形间隙微通道, 环形间隙间距为 0.05 5mm, 以 0.2 2mm 为优选。 0027 本发明的列管 2 的数量为 2 10000 根, 以 20 1000 根为优选, 列管的直径 d1为 5 125mm, 以 25 65mm 为优, 列管的长度 L
31、 为 500 12000mm, 以 2000 6000mm 为优。 0028 本发明的支撑花板 18 的孔径 d3小于催化剂管 3 的直径 d2, 支撑花板 18 支撑催化 剂管 3, 还包括其他任何方式的固定和支撑。 0029 本发明的内套管 5 套装在中套管 4 内, 中套管 4 的一端封闭为盲端, 内套管 5 悬空 说 明 书 CN 103801249 A 7 5/5 页 8 的一端与中套管 4 盲端之间保留一定的间隙, 形成一个环形间隙回路, 换热介质从一号封 头 9 上换热介质进口进入内套管 5, 流经环形间隙回路, 与微通道内的反应液进行热交换, 最终从二号管箱 10 上换热介质出
32、口流出。 0030 如图 4-6 所示, 本发明的微通道固定床反应器结构中, 催化剂管 3 与中套管 4 之间 不留环形间隙, 则列管 2 与催化剂管 3 之间形成单环形微通道固定床。 0031 安装时, 保证列管2、 催化剂管3、 中套管4和内套管5同心同轴 ; 使用时, 先将微通 道内的催化剂进行活化处理使其具有催化活性, 然后经过过滤和混合后的物料从二号封头 17 上的物料进口进入反应器, 通过支撑花板 18 进入环形微通道进行反应, 反应液从一号管 箱 13 上的反应液出口流出到下道工序 ; 换热介质从筒体 1 上换热介质进口进入, 在筒体 1 与列管2之间的间隙内流动, 与微通道内的
33、反应液进行热交换, 最后从筒体1上换热介质出 口流出实现外层换热 ; 换热介质从一号封头 9 上换热介质进口进入内套管 5, 流经内套管 5 和中套管 4 形成的环形间隙回路, 与微通道内的反应液进行热交换, 最终从二号管箱 10 上 换热介质出口流出实现内层换热。 说 明 书 CN 103801249 A 8 1/4 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103801249 A 9 2/4 页 10 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103801249 A 10 3/4 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 103801249 A 11 4/4 页 12 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103801249 A 12