一种催化剂流化单元及流化床催化反应器的制作方法

本发明涉及化工设备技术领域，尤其涉及一种催化剂流化单元及流化床催化反应器。

背景技术

传统的气相催化反应器中装有催化剂，在催化剂的作用下将原料气催化反应生成产品，其中，催化剂的装填方式有两种，分别为固定床装填和流化床装填。

流化床装填催化剂目前主要不足在于流化床层中催化剂流化不均匀，流化床层边角易出现催化剂堆积，产生死区，流化空间水平截面流速不均，降低了目标产物的收率，尤其是气相流量小时反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机会，降低了反应转化率，最终将导致部分催化剂无效或低效，降低催化剂整体的效率，当传统流化床催化剂反应器规模放大时将产生更大的催化剂堆积区域及流化的不均匀程度，产生放大效应，床层内的复杂流体力学、传递现象，使过程处于非定常条件下，难以揭示其统一的规律，也难以脱离经验放大、经验操作，影响催化剂效率，且传统的流化床催化剂反应器难以实现多级设计，造成原料气体单程反应程度低。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种催化剂流化单元及流化床催化反应器，主要目的是消除了催化剂堆积造成死区现象，提高催化剂流化均匀性，消除流化床催化反应器的放大效应。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种催化剂流化单元，包括：

壳体，所述壳体内具有呈倒锥形结构的容纳腔，所述壳体的顶部和底部均设有与所述容纳腔相连通的通气孔，位于所述壳体顶部的通气孔孔径大于位于所述壳体底部的通气孔孔径；

气体分布结构，所述气体分布结构设置于所述容纳腔内。

本发明实施例提供的催化剂流化单元，通过气体分布结构使分散的气体进入容纳腔内，进入容纳腔的气体吹动催化剂朝上流动，由于容纳腔呈倒锥形结构，这样气体在上升的过程中气速下降，催化剂不能继续被气体吹动而下落，下落中的催化剂又继续被上升的气体冲动，进而使催化剂处于连续的湍动状态，提高催化剂的流化均匀性。

可选的，所述气体分布结构包括：升气管，所述升气管与所述壳体底部的通气孔连通，所述升气管上设有气帽，所述气帽的内壁与所述升气管的外壁之间具有间隙，以形成气道。

可选的，所述气帽的顶部与所述升气管的上端之间具有间隙。

可选的，所述壳体顶部高于所述气帽的下端。

可选的，所述气帽通过连接件设在所述升气管上，所述连接件安装在所述气帽的内壁与所述升气管的外壁之间。

可选的，所述气体分布结构包括气体分布板，所述气体分布板上开设有多个气孔。

可选的，所述壳体为倒圆锥形结构或倒棱锥形结构。

本发明另一方面实施例还提供了一种流化床催化反应器，包括：

反应壳，所述反应壳的底部具有原料气入口，顶部具有产品出口；

至少一级流化床内构件，所述流化床内构件设于所述反应壳内，其中，所述流化床内构件包括：多个如上述所述的催化剂流化单元，多个所述催化剂流化单元位于所述反应壳的同一高度上，且相邻两个所述催化剂流化单元之间密封连接。

本发明实施例提供的流化床催化反应器，通过在反应壳同一高度上设置的多个催化剂流化单元，不仅能够将上升中的气体分布均匀，起到气体分布板的作用，也能够提高催化剂的流化均匀性，保持了气相流动剧烈、流化区域催化剂床层温度差小、气体浓度差小的优点，利用设置多个该催化剂流化单元可以方便的进行流化床催化反应器的大型化，多个催化剂流化单元具有流化的一致性，保证了整个反应器催化剂效率均一、高效，避免了传统流化床反应器的放大效应，避免因为流化床催化反应器规格的变化而导致反应效率的波动变化的现象。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种催化剂流化单元的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明实施例提供的另一种催化剂流化单元的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为本发明实施例提供的一种流化床催化反应器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种三个催化剂流化单元之间具有空隙的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种三个催化剂流化单元的连接关系示意图；

图8为图7的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例催化剂流化单元及流化床催化反应器进行详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、

“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明实施例提供了一种催化剂流化单元，参照图1至图4，所述催化剂流化单元2包括：

壳体，所述壳体内具有呈倒锥形结构的容纳腔203，所述壳体的顶部和底部均设有与所述容纳腔相连通的通气孔，位于所述壳体顶部的通气孔孔径大于位于所述壳体底部的通气孔孔径；气体分布结构，所述气体分布结构设置于所述容纳腔内。

示例的，参照图1和图3，所述壳体顶部的通气孔205与容纳腔203相连通，所述壳体底部的通气孔204也与容纳腔203相连通，所述气体分布结构位于通气孔205与通气孔204之间，即原料气通过壳体底部的通气孔204进入容纳腔203，再通过气体分布结构对气体的均匀分布，均匀分布在容纳腔203中的原料气与容纳腔203中的催化剂接触，在催化剂的作用下反应生成所需的产品。

具体的，颗粒状的催化剂5放置在所述容纳腔203内，气体穿过通气孔204再通过气体分布结构将气体分布在容纳腔203中，气体沿着容纳腔203继续上升吹动散堆的颗粒状的催化剂5并在催化剂的作用下反应生成所需的产品，气流在上升的过程中流通界面变大气速下降，使催化剂不能被气流继续吹动而下落，下落中的催化剂又继续在上升的气流的作用下朝上流动，如此催化剂不断在此空间湍动以形成催化剂流化床，该催化剂流化床能够使催化剂的流化均匀，流化速度均匀，且在单个催化剂流化单元中也能够避免催化剂堆积产生死区的现象。

壳体的结构具有多种，下述通过实施方式进行描述：

参照图1和图2，所述壳体包括侧板202以及底板201，所述底板201为圆环状的板，圆环状的内环形成通气孔204，所述侧板202围设呈倒圆锥状结构，进而形成倒圆锥状结构的容纳腔203，所述圆环状板的外环与倒圆锥连接，所述侧板202围设呈倒圆锥状结构的上端口形成通气孔205，通过一块弧形板和一块圆环板就可加工制造成该壳体。

参照图3和图4，所述壳体包括侧板202以及底板201，所述侧板202的数量为多个，多个侧板202依次拼接成倒棱锥形结构，进而形成倒棱锥形结构的容纳腔203，所述侧板202围设呈倒棱锥状结构的上端口形成通气孔205，可选的，所述侧板202的数量为四个，且均为四边形结构，示例的，侧板202为等腰梯形；底板201为多边形，且底板201上开设有孔，该孔形成通气孔204，当所述侧板202的数量为四个时，所述底板201就为相对应的四边形。

示例的，所述侧板202和所述底板201的材质可以相同，也可以不同，选自金属或高分子材料。

所述气体分布结构的结构具有多种，下述通过实施方式进行描述：

参照图1和图2，所述气体分布结构包括：升气管206，所述升气管206设置于所述容纳腔203内，且与所述壳体底部的通气孔204连通，所述升气管206上设有气帽207，所述气帽207的内壁与所述升气管206的外壁之间具有间隙，以形成气道。具体实施时，原料气依次穿过壳体底部的通气孔204和升气管206上升，上升中被气帽207阻挡折流向下流动，气流穿过所述气道再次被底板201阻挡折流向上流动吹动催化剂5，以使催化剂形成流化状态，并在催化剂的作用下生成产品，生成的产品通过壳体顶部的通气孔205排出。

为了使上升中的原料气通过所述气体分布结构分布均匀，同时也为了提高催化剂的流化效果，所述气帽207的内壁与所述升气管206的外壁之间的间隙形成的气道为圆环形结构，这样有助于提高原料气均匀分布在所述容纳腔203内。

当原料气进入升气管206内，为了防止气流折流返回至升气管206内，所述气帽207的顶部与所述升气管206的上端之间具有间隙，通过该间隙为避免较大气流被气帽207的阻挡而造成大部分气流返回至升气管206内，少部分气流进入气道的现象。可选的，气帽207的顶部与所述升气管206的顶部之间具有间隙尺寸可根据气量的大小决定，若气量较大，可采用较大的间隙尺寸，相反，若气量较小，就可采用较小的间隙尺寸。

为了提高催化剂的流化效果，为催化剂的流化提供较大的空间，所述壳体顶部高于所述气帽的下端。

示例的，所述气帽207通过连接件设在所述升气管206上，所述连接件安装在所述气帽207的内壁与所述升气管206的外壁之间。可选的，所述连接件的数量为多个，多个连接件沿着所述气帽的内壁与所述升气管的外壁之间形成的气道的周向方向均匀布设，示例的，参照图1和图2，所述连接件为筋板208。

示例的，所述气帽207的中心轴线与所述升气管206的中心轴线重合，这样也可以提高原料气的分布均匀，以及提高催化剂的流化速度均匀。

示例的，气帽207的径向尺寸小于等于壳体下端的径向尺寸，升气管206的径向尺寸也小于壳体上端的径向尺寸，升气管206的径向尺寸也小于壳体下端的径向尺寸，壳体顶部的通气孔205孔径大于位于所述壳体底部的通气孔204孔径，例如，壳体底部的通气孔204孔径为2-100mm，壳体顶部的通气孔205孔径为20-300mm。

参照图3和图4，所述气体分布结构包括气体分布板209，所述气体分布板209上开设有多个气孔，具体实施时，催化剂4放置在气体分布板209上，原料气依次穿过壳体底部的通气孔204上升，上升中被气体分布板209上的多个气孔分割成多股气流，以使将原料气均匀分布在容纳腔203内，多股气流将催化剂5朝上吹动形成流化状态，原料气并在催化剂的作用下生成产品，生成的产品通过壳体顶部的通气孔205排出。

为了防止催化剂5沿着气体分布板209上的气孔落下，所述气体分布板209上开设的气孔孔径小于颗粒状的催化剂5的粒径。

为了避免原料气在上升的过程中沿着气体分布板209的边缘上升而造成气体分布不均匀的现象，所述气体分布板209的边缘应密封安装在所述壳体的内壁上。

本发明实施例另一方面还提供了一种流化床催化反应器，参照图5，所述流化床催化反应器包括：

反应壳1，所述反应壳1的底部具有原料气入口101，顶部具有产品出口102；

至少一级流化床内构件，所述流化床内构件设于所述反应壳1内，其中，所述流化床内构件包括：多个如上述所述的催化剂流化单元2，多个所述催化剂流化单元2位于所述反应壳1的同一高度上，且相邻两个所述催化剂流化单元2之间密封连接。

安装在反应壳1的同一高度上的多个催化剂流化单元2组成一级流化床内构件，具体的可根据流化床催化反应器的规格尺寸以及气量大小设计多级所述流化床内构件，多级所述流化床内构件沿着反应壳1的高度方向布设，其中，相邻两极之间的间距，和任一级所述流化床内构件中催化剂流化单元2的数量根据实际需求决定，以保证每一级所述流化床内构件的流化效果相同。

具体实施时，反应壳1内的每一个催化剂流化单元2作为单独的流化床，其流化效果不会因流化床催化反应器规模的增加而发生改变，这样保证了催化剂的催化、流化效果的均一，避免出现放大效应，同时，每一级流化床内构件中的多个催化剂流化单元2能够使上升中的气体均匀分布，这样就使每一级流化床内构件中的多个催化剂流化单元2具有气体分布器的作用，所以该反应壳1内靠近原料气入口101处无需设置气体分布器，减化了整个流化床催化反应器的结构。

为了防止原料气在上升的过程中，沿着相邻两个所述催化剂流化单元2之间的空隙穿过，所以多个所述催化剂流化单元之间密封连接，参照图6、图7和图8，当催化剂流化单元中的壳体呈倒圆锥形结构时，即催化剂流化单元中呈倒圆锥形结构，相邻的催化剂流化单元21、22和23之间就会出现空隙7，在空隙7处设置向上凸出的尖峰结构6(图7是在图6的空隙7处设置尖峰结构6)，这样所达到的技术效果为：一是防止原料气穿过空隙；二是可以使流化的催化剂沿着所述尖峰结构6顺利回落至催化剂流化单元2中。

示例的，当催化剂流化单元中的壳体呈倒棱锥形结构时，可以将多个催化剂流化单元拼接形成密封连接，这样就可避免出现空隙的现象。

具体的，流化的催化剂5在向上运动时，为了防止催化剂发生飞溅现象，在所述催化剂流化单元2上方设置过滤装置，示例的，所述过滤装置包括滤网3，所述滤网3的网口口径小于催化剂5的粒径，这样飞溅的催化剂就会被滤网3阻挡而回落至催化剂流化单元2中。

具体的，原料气在反应的过程中会散发出热量，为了保持流化床催化反应器内温度一定，所述流化床内构件还包括冷却装置，所述冷却装置设置在过滤装置上方，示例的，所述冷却装置包括盘设的冷却管4，所述冷却管4的两端分别延伸至所述反应壳1外，且分别为冷却液入口401和冷却液出口402，冷却液入口401位于冷却液出口402的下侧，上升中的气流穿过滤网3后接触冷却管4被冷却，冷却后的气流继续上升至上方的催化剂流化单元2和冷却管4，进而继续反应、冷却。

催化剂流化单元2、滤网3和冷却管4组成一级流化床内构件，当所述反应壳1内沿着高度方向布设多级流化床内构件时，每一级流化床内构件都会催化原料气发生反应，这样提高了原料气的转化率，提高了整个流化床催化反应器的工作效率。

参照图5，所述反应壳1的下部通过支腿103支撑。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。