[发明专利]一种带有分布式进料和出料网络通道的固定床仿生反应器

说明书

技术领域

本发明属于固定床催化反应器设计技术领域，具体是涉及一种带有分布式进料和出料网络通道的固定床仿生反应器。

背景技术

固定床反应器是一种气固或液固催化反应器，采用将催化剂颗粒填充或整体成型在一个容器内，反应物流体从反应器一端流入，与床内的催化剂颗粒进行气固接触，产物流体从反应器另一端流出。固定床是一类用途很广的反应器，特别在石油化工、煤化工、生物化工、环境化工等领域有十分广泛的应用。

长期以来，化工过程中常用的固定床反应器都是采用一头进料、一头出料的单一通道模式。如图1所示，为传统的轴向流固定床反应器。流体通过一个上部的进料管道101进入床内后，经过分布器102直接与催化剂填充层103接触并通过这一密实的床层，随后经分布器105从床下部的出料管道104输出，催化剂从催化剂卸料口106排出。这种固定床的弊端是流程长，压降大，负荷不均匀。特别对于快速气固催化反应，要求流体流速大、催化剂颗粒小，此时床层的流动阻力就成为一个突出的问题。

为了克服上述固定床反应器存在的技术问题，工业上常采用径向进料和径向出料的反应器构型，即径向床，如图2所示，用于甲醇合成、氨的合成、乙苯脱氢、汽油重整、芳烃异构化等过程，反应物从反应物入口201进入固定床反应器内，然后沿反应器内壁207经过多孔弧形板202进入催化剂填料203中，最后通过多孔中心管204作为产品从产物出口205排出。工业上还采用过一种卧式床反应器，将反应器筒体水平放置，上部设有进气口301，下部设有出气口302，一侧设有冷却水入口303和冷却水出口304，以增大流通面积、降低流程、减小阻力，如图3所示，用于甲醇与二甲醚的合成。

有关径向床与卧式床的设计与应用可参见化工手册（例如，文献[1]Perry R H,Green D W.Perry’s chemical engineering handbook–Chemical reactor.Seventh edition,Chapter23.2001,McGraw-Hill.）的介绍。但这两类装置在降低阻力方面的效果仍然十分有限，同时要采用细长型的反应器形状，存在经济与安全方面的问题。

现有固定床的症结在于长期无法突破单一通道进料、单一通道出料的构型设计思维定势，如能将流动通道改为网络结构，采用分布式进料和分布式出料构型，将在固定床设计方面呈现一个全新的格局。这方面动物体内的血液循环系统的构造给我们提供了一个启发式的范例。人体或动物体内部的流体循环体系是一种最佳的流动分配与热、质交换系统，其具有最低的压降，降低压降的要点是采用了分布式动脉输送系统与分布式静脉出料系统。图4为典型哺乳动物的血液循环系统，血液由左（右）心室流出，经主动脉及其各级分支，到达全身各部的毛细血管，再经小静脉、大静脉最后汇合流回右（左）心房。从化学工程角度分析，该循环系统可看作是一种广义概念的反应器，动脉402和静脉401作为反应器的进料和出料系统，毛细管403和组织细胞则为物质传递和发生化学反应的场所。然而，经历了亿万年自然选择形成的生物反应器的性能是普通化学反应器无法比拟的，例如，在正常情况下人体心脏提供的动压力仅为10～20KPa，而如果只考虑渗流流动，从心脏到四肢的流动阻力将高达数个大气压，生物体内的通道网络结构正是其能够有效降低流动阻力的关键所在。另外，生物体内血液输送是“按需”分配，流体能够均匀地到达生物体内的各个部位，这也是由生物特有的通道网络构型所决定。因此，采用类似于血液循环系统的分布式通道网络可以极大地降低流动阻力，均布流体，这是一种十分合理的仿生构型。通过文献与专利检索可知，在目前的知识和技术范畴内，还没有见到过采用分布式通道网络的固定床专利技术和相关的报道。

发明内容

本发明受动物循环系统的启发提供了一种低压降高效率的带有分布式进料和出料网络通道的固定床仿生反应器，该反应器采用分布式的两套进/出料通道系统将固定床中的催化剂床层分割为许多独立的、局部的反应器，由于这些最小分割单元的渗流距离很短，流体通过床层的压降很低，同时流体在动、静脉通道网络中的流动阻力一般比通过催化剂床层的渗流阻力更小，因此仿生反应器的压降比同样体积与形状的常规单流道固定床反应器压降要小得多，温度与负荷也比传统的固定床均匀。