反應裝置及反應設備的製作方法

2023-06-17 19:18:17 3

本發明涉及化工領域，具體而言，涉及一種反應裝置及反應設備。

背景技術：

化工領域中的氣固催化反應大部分都是強放熱反應或強吸熱反應，如甲醇合成、一氧化碳變換、合成氣制甲烷、氨氣合成、甲醇制烯烴、天然氣重整制氫等，對於這些強放熱或強吸熱反應領域催化床反應器的研究與改進一直是研究的熱點。傳統的催化床反應器，如固定床反應器和流化床反應器，因各自在物質傳遞和熱量傳遞方面的缺點，已在諸多工程應用中顯示出其局限性。如固定床反應器存在床層溫度分布不均勻，容易出現熱點/冷點，單位體積內換熱面積較小，無法滿足一些強放熱/吸熱反應的換熱要求等問題；流化床反應器存在物料返混大、催化劑磨損嚴重等問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種反應裝置，其能夠使反應發生時更高效、更充分，同時反應裝置的物質傳遞良好、熱量傳遞充分。

本發明的另一目的在於提供一種反應設備，包括上述的反應裝置，其能夠滿足強放熱/吸熱反應的換熱要求，物料返混小。

本發明的實施例是這樣實現的：

一種反應裝置，包括反應單元與換熱單元；多個反應單元與多個換熱單元交錯設置，反應單元與換熱單元之間通過換熱板連接；反應單元具有貫穿的第一通道，換熱單元具有貫穿的第二通道；第一通道中設置有第一翅片，第二通道中設置有第二翅片。

反應裝置具有交錯設置的多個反應單元和多個換熱單元，且反應單元與換熱單元之間通過換熱板連接，這樣對於放熱反應，第一通道中反應產生的熱量可以通過換熱板傳遞到第二通道中，對於吸熱反應，第一通道中反應需要的熱量可以通過換熱板從第二通道獲取，從而使得第一通道中的反應物料反應時始終能維持一個較穩定的溫度，提高了反應活性和反應選擇性。第一通道中還裝填有用於催化反應的催化劑。

在本發明的一種實施例中，第一通道與第二通道之間具有一定角度。

在本發明的一種實施例中，第一通道與第二通道呈九十度夾角設置。

在本發明的一種實施例中，第一通道與第二通道相互平行。

在本發明的一種實施例中，第一通道中設置有多個支撐條，多個支撐條與多個第一翅片交錯設置。這樣一方面通過支撐條加強了第一通道的耐壓能力，使得第一通道可承受較高的外壓和/或內壓，另一方面通過支撐條和多個第一翅片將第一通道分割為多個狹長的反應流道，使得反應物料在流動時趨近於理想平推流，極大的減少了物料返混。

在本發明的一種實施例中，反應裝置內設置有第三通道，第三通道與第一通道的延伸部分交錯布置，第三通道與第一通道貼合。通過設置第三通道，使得反應物料在進入第一通道前先在第三通道內與第一通道中的反應物料進行換熱，使反應物料在進入第一通道前達到較佳的的進料溫度，提高反應活性。

一種反應設備，包括上述的反應裝置，還包括中空密閉的殼體和設置在殼體上的反應物進口、反應物出口、換熱進口和換熱出口，反應裝置設置在殼體內。第一通道的兩端分別與反應物進口和反應物出口連通，第二通道的兩端分別與換熱進口和換熱出口連通。

這樣的反應設備包括具有交錯設置的多個反應單元和多個換熱單元的反應裝置，且反應單元與換熱單元之間通過換熱板連接。將反應裝置設置在中空密閉的殼體內，且在殼體上設置了反應物進口、反應物出口、換熱進口和換熱出口，這樣一方面保證了反應物料反應時能有具有足夠的密閉性；另一方面反應物進口、反應物出口、換熱進口和換熱出口也保障了反應設備工作時具有明確的進出口且還能方便地與其他裝置或設備連接。

在本發明的一種實施例中，殼體上設置有可拆卸的端蓋。這樣使得催化劑裝卸和反應裝置維護更加方便。

在本發明的一種實施例中，反應裝置與殼體之間形成相互獨立的第一容納腔、第二容納腔、第三容納腔和第四容納腔；第一容納腔與反應物進口和第一通道的一端連接；第二容納腔與反應物出口和第一通道的另一端連接：第三容納腔與換熱進口和第二通道的一端連接；第四容納腔與換熱出口和第二通道的另一端連接。第一容納腔與第二容納腔的設置，使得來自反應物進口的反應物料可均勻的流入多個第一通道，並在第一通道出口處收集匯總，從反應物出口流出。第三容納腔與第四容納腔的設置，使得來自換熱進口的換熱物料可均勻的流入多個第二通道，並在第二通道出口處收集匯總，從換熱出口流出。

在本發明的一種實施例中，殼體內設置有多個反應裝置。這樣可擴大反應設備的生產能力，滿足規模日趨擴大的工業化應用要求。

本發明實施例的有益效果是：

反應物料在第一通道中反應產生或需要的熱量可以通過換熱板向第二通道傳遞或獲取，從而使第一通道中的反應物料反應時始終能維持一個較穩定的溫度，提高了反應活性和反應選擇性。第一通道中和第二通道中分別設置有第一翅片和第二翅片，增大了第一通道和第二通道的換熱面積，本發明提供的反應裝置的換熱效率為固定床反應器的5～20倍，可有效解決現有固定床反應器的熱傳遞問題(如冷點、熱點、飛溫等問題)。

同時，第一翅片將第一通道分割為多個狹長的反應流道，使得反應物料在流動時趨近於理想平推流，極大的減少了物料返混。而且反應物料在狹長的反應流道中的流速大，擴散阻力小，反應速率快。

反應設備包括具有交錯設置的多個反應單元和多個換熱單元的反應裝置和殼體。反應裝置設置在中空密閉的殼體內，且與殼體之間形成相互獨立第一容納腔、第二容納腔、第三容納腔和第四容納腔，這樣既滿足了流體均勻分布要求和流道密封性要求，又使得反應設備可方便的與其他裝置或設備進行連接。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明實施例1中反應裝置的剖視圖；

圖2為本發明實施例1中反應單元的示意圖；

圖3為本發明實施例1中換熱單元的示意圖；

圖4為本發明實施例2中反應設備的一種結構示意圖；

圖5為本發明實施例2中反應設備的另一種結構示意圖；

圖6為本發明實施例2中的反應裝置的結構示意圖；

圖7為本發明實施例3中的反應設備的結構示意圖；

圖8為本發明實施例4中的反應設備的結構示意圖。

其中，附圖標記對應的零部件名稱如下：

圖標：100-反應裝置；110-反應單元；111-第一通道；1111-第一密封條；112-第一翅片；113-支撐條；120-換熱單元；121-第二通道；122-第二翅片；130-換熱板；200-反應設備；210-殼體；220-反應物進口；230-反應物出口；240-換熱進口；250-換熱出口；3101-第一端蓋；3102-第二端蓋；3103-第三端蓋；260-第一容納腔；270-第二容納腔；280-第三容納腔；290-第四容納腔；300-第五容納腔；330-第三通道；360-催化劑；3701-第一法蘭；3702-第二法蘭；3703-第三法蘭。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語「上」、「下」、「內」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

實施例1

請參照圖1，本實施例提供一種反應裝置100，包括反應單元110、換熱單元120，反應單元110與換熱單元120通過換熱板130連接。其中反應單元110包括第一通道111、第一翅片112、支撐條113；換熱單元120包括第二通道121、第二翅片122。

參照圖2，反應單元110為中空的長方體。反應單元110具有貫穿的第一通道111。在本實施例中，反應單元110包括平行設置的兩個第一密封條1111，及換熱板130。進一步地，兩個第一密封條1111平行設置於換熱板130的邊緣，且與換熱板130垂直。兩個第一密封條1111與換熱板130合圍形成具有U形結構。其中，該U形結構的貫穿的通道即為第一通道111。

反應單元110的第一通道111中間隔設置有支撐條113和第一翅片112。在本實施例中，第一翅片為波浪形翅片，支撐條113為長條狀的四稜柱。支撐條113沿第一通道111貫穿的方向延伸且與第一密封條1111平行。支撐條113與上下換熱板130焊接連接，增強了第一通道的耐壓能力，使得第一通道可承受較高的內壓和外壓；第一翅片112可活動的設置在第一通道111中，在催化劑裝卸時，可將第一翅片112抽出，方便催化劑裝卸。

參照圖3，換熱單元120也為中空的長方體。換熱單元120具有貫穿的第二通道121。在本實施例中，第二通道121包括兩個第二密封條1211，及換熱板130。進一步地，兩個第二密封條1211平行設置在換熱板130的邊緣，且與換熱板130垂直；兩個第二密封條1211與換熱板130合圍形成具有U形結構。其中，該U形結構的貫穿的通道即為第二通道121。

第二翅片122設置於第二通道121中。本實施例中，第二翅片121為城牆狀翅片。第二翅片122與上下換熱板130為焊接連接，既增強了第二通道耐壓能力，又增加了第二通道的換熱面積和換熱介質流經第二通道的傳熱係數，極大的增強了反應裝置的換熱效率。

裝配時，多個反應單元110與多個換熱單元120交錯設置，反應單元110與換熱單元120之間通過換熱板130連接。換熱板130、第一翅片112、第二翅片122、支撐條113、第一密封條1111、第二密封條1211的材料可為不鏽鋼、合金鋼、鋁合金等材料中的一種或多種的組合。

第一通道111和第二通道121中分別設置有第一翅片112和第二翅片122，第一翅片112的開口與第一通道111的開口方向一致，第二翅片122的開口於第二通道121的開口方向一致。在本實施例中，第一通道111與第二通道121呈九十度夾角設置。相應地，第一翅片112與第二翅片122也呈九十度夾角。

第一翅片112和支撐條113將第一通道111分割為多個狹長的反應流道，每個狹長的反應流道內裝填有用於催化化學反應的顆粒狀催化劑360。這樣當反應物料通過第一通道111時，反應物料可以充分地與催化劑360接觸從而使化學反應充分進行，且由於各狹長的反應流道的橫截面尺寸較小(一般為5～15mm，優選10mm)，反應物料通過時流速較快，擴散阻力較小，反應速率快，裝置反應空速大。

需要說明的是，

第一翅片112的形狀不限于波浪形，第二翅片122的形狀也不限於城牆形，這裡僅僅是一個示例。在本發明的其他實施例中，第一翅片112和第二翅片122可以為波浪形、城堡形、百葉窗形、鋸齒形等形狀中的一種或多種的組合。第一通道111和第二通道121之間的夾角不限於九十度，還可以是其他的角度，也可以是相互平行的。

反應裝置100的工作原理是：

反應裝置100具有交錯設置的多個反應單元110和多個換熱單元120，且反應單元110與換熱單元120之間通過換熱板130連接，這樣第一通道111中產生或需要的熱量可以通過換熱板130向第二通道121傳遞或獲取，從而使第一通道111中的反應物料反應時始終能維持一個較穩定的溫度，使得反應物料反應時更加穩定。第一通道111中設置有第一翅片112，第二通道121中設置有第二翅片122，這樣增加了反應裝置100中的換熱面積和換熱係數，使得反應裝置100的傳熱效率達到常規固定床的5～20倍，可適用於強放熱和強吸熱反應。

實施例2

請參照圖4，本實施例提供一種反應設備200，其包括實施例1中的反應裝置100，還包括殼體210、反應物進口220、反應物出口230、換熱進口240和換熱出口250。

參照圖4與圖5，殼體210為中空的長方體。殼體210相對的兩側設置有可拆卸地第一端蓋3101和第二端蓋3102。進一步地，第一端蓋3101為球弧形結構，第一端蓋3101通過第一法蘭3701與殼體210的一端可拆卸地連接；第二端蓋3102為球弧形結構，第二端蓋3102通過第二法蘭3702與殼體210的另一端可拆卸地連接。

反應物進口220設置在第一端蓋3101上。反應物出口230設置在第二端蓋3102上。反應物進口220和反應物出口230使殼體210內部的反應單元110與外界相連通。

換熱進口240設置在殼體210的一側，換熱出口250設置在殼體210上與換熱進口240相對的另一側，換熱進口240和換熱出口250使殼體210內部的換熱單元120與外界相連通。

參照圖6，反應裝置100設置在殼體210內部。與實施例一不同的是，第一通道111和第二通道121相互平行。再次參照圖4與圖5，反應裝置100與殼體210之間形成相互獨立的第一容納腔260、第二容納腔270、第三容納腔280和第四容納腔290；第一容納腔260與反應物進口220和第一通道111的一端連接；第二容納腔270與反應物出口230和第一通道111的另一端連接：第三容納腔280與換熱進口240和第二通道121的一端連接；第四容納腔290與換熱出口250和第二通道121的另一端連接。在本實施例中，第一容納腔260為第一端蓋3101與反應裝置100的一端合圍的空間；第二容納腔270為第二端蓋3102與反應裝置100的另一端合圍的空間。

需要說明的是，本實施例中，第二通道121的上下兩端都設置有導流片。導流片使第二通道121中的換熱介質流向發生九十度改變，即在第二通道121的上下兩端，由豎直流向變為水平流向，使得換熱介質能從第三容納腔280流入第二通道121，再由第二通道121流入第四容納腔290。

裝配時，先將第一端蓋3101或第二端蓋3102拆下，將反應裝置100放置在殼體210內部，並確保第一通道111正對反應物進口220和/或反應物出口230。再將催化劑360顆粒散裝在第一通道111中。

使用時，從反應物進口220通入反應氣體。反應氣體先經第一容納腔260均勻分布流入第一通道111，反應氣體通過第一通道111時，充分地與催化劑360接觸從而發生化學反應。第一通道111中反應產生或需求的熱量，通過換熱板130和第一翅片112向第二通道121傳遞或獲取，從而使得第一通道111中的反應溫度始終維持在一定範圍內，提高了反應活性和反應選擇性。反應後的氣體，經第二容納腔270匯集後，從反應物出口230流出。在換熱進口240中通入的換熱介質經第三容納腔280均勻分布流入導流片，再進入第二通道121。經與第一通道111換熱後的換熱介質，在第二通道121上端進入導流片，再經第四容納腔290匯集後，從換熱出口250流出。

需要說明的是，

換熱介質可以是工藝介質、空氣、水、導熱油、熔鹽中的任意一種，只要換熱介質具有一定的載熱能力即可。

第一通道111和第二通道121不限於平行的設置，還可以是呈一定角度的設置。在本發明的其他實施例中，第一通道111和第二通道121還可以是九十度、四十五度等其他角度。

殼體210上設置端蓋的數量不限於兩個，這裡僅僅是一個示例，只要殼體210具有可拆卸的端蓋即可。進一步地，在本發明的其他實施例中，殼體210上只具有一個端蓋。

殼體210的形狀不限於長方體，殼體210還可以是圓柱體等，這裡僅僅是一個示例。

殼體210內的反應裝置100不限於一個，在本發明的其他實施例中，殼體210內可以設置多個反應裝置100。

反應設備200的工作原理是：

反應設備200中設置有第一通道111和第二通道121平行的反應裝置100。將反應裝置100設置在中空密閉的殼體210內，且在殼體210上設置了反應物進口220、反應物出口230、換熱進口240和換熱出口250，這樣一方面保證了反應物料反應時能有具有足夠的密閉性；另一方面反應物進口220、反應物出口230、換熱進口240和換熱出口250也保障了反應設備工作時具有明確的進出口且還能方便地與其他裝置或設備連接。

實施例3

請參照圖7，本實施例提供一種反應設備200，其與第二實施例大致相同，二者的區別在於本實施例的反應裝置100還包括第三通道330。

殼體210為中空的圓柱體，內部設置有反應裝置100。反應裝置100內設置有第三通道330，第三通道330的一端與反應物進口220連通，第三通道330的另一端通過殼體210與反應裝置100之間的空隙與第一通道111遠離反應物出口230的一端連通。

在本實施例中，反應設備200隻具有一個第三端蓋3103，第三端蓋3103通過第三法蘭3703與殼體210連接。第三通道330與反應物進口220之間設置有第五容納腔300。反應物進口220設置在殼體210側面上與換熱出口250相同的一側，反應物進口220與第三通道330連通。第一通道111和第二通道121呈九十度夾角設置，第一通道111與第三通道330也呈九十度夾角設置，第二通道121與第三通道330平行設置。

在本實施例中，第一通道111的水平方向的長度大於第二通道121的水平方向的長度，第一通道111與第二通道121交錯設置，第一通道111延伸出第二通道121的部分與第三通道330交錯設置，即第二通道121與第三通道330在水平方向的長度之和與第一通道111的水平方向的長度相等。

使用時，反應氣體由反應入口220進入第五容納腔300，經分流後均勻進入第三通道330，與第一通道111中已反應的氣體進行換熱，將第三通道330中的反應氣體預熱至較佳溫度。經預熱後的反應氣體從第三通道330的另一端流出，經殼體210與反應裝置100之間的空隙流入第一容納腔260，經分流後均勻流入第一通道111。在第一通道111內，反應氣體在催化劑360的催化下發生化學反應，反應放出或需求的熱量由換熱板130向第二通道121傳遞或獲取。反應後的反應氣體通過第一通道111與第三通道330交錯的部分，與第三通道330中未反應的冷反應氣體進行換熱，將第三通道330中的冷氣體預熱至較佳溫度，再經第二容納腔270匯集後，從反應物物出口230排出。換熱介質從換熱進口240流入，經第三容納腔280分流後，均勻流入第二通道121，與第一通道111中的反應氣體換熱後進入第四容納腔290，經匯集後從換熱出口250流出。

這樣的反應設備200可以將第一通道111中的熱量用於預熱反應氣體使反應氣體在進入第一通道111中與催化劑360接觸前就能達到較佳的進料的溫度，提高了反應活性、加快了反應速率。

實施例4

請參照圖8，本實施例提供一種反應設備200，其與第三實施例大致相同，二者的區別在於本實施例的反應設備200包括四個反應裝置100，且殼體210內不具備第三通道330。

第一通道111和第二通道121呈九十度夾角設置。每個反應裝置100分別具有一個反應物進口220、一個反應物出口230、一個換熱進口240和一個換熱出口250。與實施例三不同的是，反應物進口220和反應物出口230沒有設置在殼體210的軸向的兩端。在本實施例中，反應物進口220和反應物出口230相對地設置在殼體210的徑向方向。反應物進口220和反應物出口230分別與第一通道111的兩端連接。

需要說明的是，反應物進口220、反應物出口230、換熱進口240、換熱出口250均可以分別設置4個，也可以在殼體內匯總後，分別設置1個。

這樣的反應設備200因為具有多個反應裝置100，既可以同時保障多批次和/或多種類的反應物同時反應，這樣提高了反應設備200的利用率，也可以擴大反應設備200的處理規模，滿足規模日趨擴大的化工裝置要求。

綜上所述，本發明實施例中的反應裝置100具有交錯設置的多個反應單元110和多個換熱單元120，且反應單元110與換熱單元120之間通過換熱板130連接，這樣反應單元110中產生或需要的熱量可以通過換熱板130向第二通道121傳遞或獲取，從而使第一通道111中的反應氣體反應時始終能維持一個較穩定的溫度，提高了反應活性和反應選擇性。第一通道111中設置有第一翅片112，第一翅片112將第一通道111分割為多個狹長的反應流道，反應物料在各狹長的反應流道中流速較快，擴散阻力小，反應速率快，且接近於理想平推流，減少了物料返混，提高了反應效率。

反應設備200包括具有交錯設置的多個反應單元110和多個換熱單元120的反應裝置100。將反應設置裝置在中空密閉的殼體210內，在殼體210上設置有反應物進口220、反應物出口230、換熱進口240和換熱出口250。反應裝置100與殼體210之間形成相互獨立的第一容納腔260、第二容納腔270、第三容納腔280和第四容納腔290，這樣既滿足了流體均勻分布要求和流道密封性要求，又使得反應設備可方便的與其他裝置或設備進行連接。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。