[發明專利]一種帶有分布式進料和出料網絡通道的固定床仿生反應器

有效

• 申請號: 201310526388.4
• 申請日: 2013-10-30
• 公開（公告）號: CN103585932A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 李希;王麗軍;成有為;肖瑤;樊晶晶;曹偉波
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B01J8/02
• 分類號: B01J8/02
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

技術領域

本發明屬于固定床催化反應器設計技術領域，具體是涉及一種帶有分布式進料和出料網絡通道的固定床仿生反應器。

背景技術

固定床反應器是一種氣固或液固催化反應器，采用將催化劑顆粒填充或整體成型在一個容器內，反應物流體從反應器一端流入，與床內的催化劑顆粒進行氣固接觸，產物流體從反應器另一端流出。固定床是一類用途很廣的反應器，特別在石油化工、煤化工、生物化工、環境化工等領域有十分廣泛的應用。

長期以來，化工過程中常用的固定床反應器都是采用一頭進料、一頭出料的單一通道模式。如圖1所示，為傳統的軸向流固定床反應器。流體通過一個上部的進料管道101進入床內后，經過分布器102直接與催化劑填充層103接觸并通過這一密實的床層，隨后經分布器105從床下部的出料管道104輸出，催化劑從催化劑卸料口106排出。這種固定床的弊端是流程長，壓降大，負荷不均勻。特別對于快速氣固催化反應，要求流體流速大、催化劑顆粒小，此時床層的流動阻力就成為一個突出的問題。

為了克服上述固定床反應器存在的技術問題，工業上常采用徑向進料和徑向出料的反應器構型，即徑向床，如圖2所示，用于甲醇合成、氨的合成、乙苯脫氫、汽油重整、芳烴異構化等過程，反應物從反應物入口201進入固定床反應器內，然后沿反應器內壁207經過多孔弧形板202進入催化劑填料203中，最后通過多孔中心管204作為產品從產物出口205排出。工業上還采用過一種臥式床反應器，將反應器筒體水平放置，上部設有進氣口301，下部設有出氣口302，一側設有冷卻水入口303和冷卻水出口304，以增大流通面積、降低流程、減小阻力，如圖3所示，用于甲醇與二甲醚的合成。

有關徑向床與臥式床的設計與應用可參見化工手冊（例如，文獻[1]Perry?R?H,Green?D?W.Perry’s?chemical?engineering?handbook–Chemical?reactor.Seventh?edition,Chapter23.2001,McGraw-Hill.）的介紹。但這兩類裝置在降低阻力方面的效果仍然十分有限，同時要采用細長型的反應器形狀，存在經濟與安全方面的問題。

現有固定床的癥結在于長期無法突破單一通道進料、單一通道出料的構型設計思維定勢，如能將流動通道改為網絡結構，采用分布式進料和分布式出料構型，將在固定床設計方面呈現一個全新的格局。這方面動物體內的血液循環系統的構造給我們提供了一個啟發式的范例。人體或動物體內部的流體循環體系是一種最佳的流動分配與熱、質交換系統，其具有最低的壓降，降低壓降的要點是采用了分布式動脈輸送系統與分布式靜脈出料系統。圖4為典型哺乳動物的血液循環系統，血液由左（右）心室流出，經主動脈及其各級分支，到達全身各部的毛細血管，再經小靜脈、大靜脈最后匯合流回右（左）心房。從化學工程角度分析，該循環系統可看作是一種廣義概念的反應器，動脈402和靜脈401作為反應器的進料和出料系統，毛細管403和組織細胞則為物質傳遞和發生化學反應的場所。然而，經歷了億萬年自然選擇形成的生物反應器的性能是普通化學反應器無法比擬的，例如，在正常情況下人體心臟提供的動壓力僅為10～20KPa，而如果只考慮滲流流動，從心臟到四肢的流動阻力將高達數個大氣壓，生物體內的通道網絡結構正是其能夠有效降低流動阻力的關鍵所在。另外，生物體內血液輸送是“按需”分配，流體能夠均勻地到達生物體內的各個部位，這也是由生物特有的通道網絡構型所決定。因此，采用類似于血液循環系統的分布式通道網絡可以極大地降低流動阻力，均布流體，這是一種十分合理的仿生構型。通過文獻與專利檢索可知，在目前的知識和技術范疇內，還沒有見到過采用分布式通道網絡的固定床專利技術和相關的報道。

發明內容

本發明受動物循環系統的啟發提供了一種低壓降高效率的帶有分布式進料和出料網絡通道的固定床仿生反應器，該反應器采用分布式的兩套進/出料通道系統將固定床中的催化劑床層分割為許多獨立的、局部的反應器，由于這些最小分割單元的滲流距離很短，流體通過床層的壓降很低，同時流體在動、靜脈通道網絡中的流動阻力一般比通過催化劑床層的滲流阻力更小，因此仿生反應器的壓降比同樣體積與形狀的常規單流道固定床反應器壓降要小得多，溫度與負荷也比傳統的固定床均勻。