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CN108160009B - 一种自平衡衬管内外压力的反应器及使用方法 - Google Patents

一种自平衡衬管内外压力的反应器及使用方法 Download PDF

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CN108160009B CN201611114842.5A CN201611114842A CN108160009B CN 108160009 B CN108160009 B CN 108160009B CN 201611114842 A CN201611114842 A CN 201611114842A CN 108160009 B CN108160009 B CN 108160009B
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Abstract

本发明涉及一种自平衡衬管内外压力的反应器及应用，其反应器由承压外壳，惰性内衬，内衬入口密封圈，内衬出口密封圈，压力平衡阀，自保护泄压阀组成。承压外壳承受高压，内衬使用惰性材料不参与反应，入口出口与承压外壳之间密封，保护承压外壳不受反应物腐蚀同时防止外壳材料对反应结果的干扰，压力平衡阀与自保护泄压阀保证升降压过程中内衬内外压力平衡避免压差导致内衬破裂，同时当前端压力过高或出口堵塞的情况下起到安全阀的作用。所述反应器，可以在室温‑800℃，0pa‑13Mpa使用，具有制作简单，成本低，安装使用方便，数据更加可靠，耐腐蚀性，安全性高等优点。

Description

一种自平衡衬管内外压力的反应器及使用方法
技术领域
本发明涉及高温高压多相反应器及使用方法，具体涉及一种带内衬管自平衡衬管内外压力的高温高压多相反应器及使用方法。
背景技术
气固相反应是多相催化中最常见而重要的一类反应，相应的反应装置使用广泛。对于气固相的催化反应而言，现阶段最常用的反应管材料主要是石英玻璃，这种反应管材料耐高温且化学惰性，虽然不存在反应管对催化反应结果产生的影响，但是材料本身很脆弱，非常容易破裂，且只能应用于常压反应。高压反应在气固相反应中也及其常见比如能源领域非常重要的合成气化学，合成氨反应等都需要高压下进行。针对高压反应研究人员通常使用金属反应管进行反应测试，金属反应管比如不锈钢反应管具有导热好，耐高温高压等优点，但是存在以下问题比如金属反应管在很多反应中本身就是高活性催化剂，比如铁镍钼等元素本身就广泛应用于合成气转化，加氢，氧化，合成氨等一系列反应中，直接使用金属管作为反应器往往由于反应管本身在反应条件下就存在活性而导致测试结果的可信度大大降低，甚至会误导研究人员。一种做法是测出空管的反应活性每次测试对空管的性能进行差减，然而反应管在不同的反应条件下性能各不相同，且随着在一些气氛下长时间的活化往往反应管内壁的表面结构组成也不断发生变化，就会导致每次空管的性能各不一样，差减的做法误差仍然很大。于是内衬管开始渐渐的被一些研究人员引入到了金属管中，一种方式是在金属管内壁涂覆或镀上一层惰性组分，比如在不锈钢管内壁镀石英，这种方法确实非常有效的消除了管壁效应的影响，然而这种做法本身加工工艺复杂成本高昂，同时由于高温下金属与涂层的热膨胀系数各不一样，这种反应管通常在使用一段时间后会出现内涂层破裂脱落，导致反应管损坏。另一种是使用金属套管内有石英衬管，衬管上下都用O型圈密封，但这种两端密封的方式往往会引起石英管内外压差很大很容易导致石英管断裂。还有一种是将金属管与石英管之间使用O型硅胶圈密封上端，保证气流只从石英管内部通过，下端不密封从而石英管内外压力平衡的做法。这种反应管虽然相比没有内衬管大大降低了管壁效应，但是长时间的使用后发现，由于石英管与金属管下端没有密封，之间存在死体积反应气，往往会在夹缝中发生副反应，相应产物仍然会由于浓度梯度差扩散到出口，仍然不可避免的影响最终的产物分析结果。有公司针对这种反应管还有了进一步改进优化，通过在死体积区域增加一路惰性气体吹扫，从而彻底的排除了管壁效应的影响，但是这种方式一方面大大的提高了气路系统的复杂性及成本，另一方面惰性气体会稀释反应产物的组分浓度，这样一些浓度低的产物的检测误差也相应的增加了，甚至可能由于稀释气混合不均降低数据的重复性。
发明内容
针对上述的问题，本发明公布的一种带内衬管自平衡衬管内外压力的高温高压多相反应器及使用方法。
一种自平衡衬管内外压力的反应器，其特征在于：包括二端开口的中空筒状承压外壳，二端开口的中空筒状惰性内衬，惰性内衬穿套于承压外壳内，惰性内衬外壁面与承压外壳内壁面间留有空隙，于惰性内衬外壁面上套设有环状的内衬入口密封圈和环状的内衬出口密封圈，内衬入口密封圈和内衬出口密封圈将位于它们之间的空隙二端密闭，于惰性内衬外壁面与承压外壳内壁面间形成一密闭夹缝；惰性内衬的二开口端分别作为反应物料入口和出口；一两端开口的导管，一端与密闭夹缝相连通，另一端位于惰性内衬的入口端，导管上设有压力平衡阀，压力平衡阀为一只允许的气体从入口端向夹缝流动的单向阀；另一两端开口的导管，一端与密闭夹缝相连通，另一端位于惰性内衬的出口端，导管上设有自保护泄压阀，自保护泄压阀为一仅允许的气体从夹缝向出口端流动的单向阀。
惰性内衬位于承压外壳内部，惰性内衬的入口端与出口端通过环状密封圈与承压外壳之间密封；承压外壳与惰性内衬之间形成夹缝，压力平衡阀通过管路连接惰性内衬入口端的进气口与夹缝之间，压力平衡阀的气体流向只允许从进气口向夹缝流向；自保护泄压阀通过管路连接夹缝与惰性内衬出口端的尾气出口，气体流向只允许从夹缝流向尾气出口；稳压状态下气体仅从内衬管内部流过，不能流经夹缝。
承压外壳上下两端分别与进气管和出气管密闭连接，且承压外壳上上端与进气管的连接处或下端与出气管连接处为可以打开与关闭密封，进而可取放惰性内衬。
承压外壳为一圆管，二个带外螺纹的圆筒形螺帽套设于圆管外壁面上，于承压外壳二开口端外壁面上沿径向分别设有一环形突台A，螺帽的内径小于环形突台A的外径，进气管和出气管与承压外壳连接端的外壁上沿径向分别设一环形突台B，二个带内螺纹的下端开口上端密闭圆筒形压盖，压盖的密闭端中部设有通孔，进气管和出气管分别穿套于二个压盖的通孔中，通孔的内径小于环形突台B的外径，二个螺帽分别与二个压盖相螺合，于进气管和出气管与承压外壳之间分别设有密封圈。
承压外壳二开口端内壁面上、分别设有一与承压外壳同轴的带内螺纹的环形凹陷部，所述承压外壳和惰性内衬均分别为一圆管，惰性内衬同轴穿套于承压外壳内，内衬入口密封圈和内衬出口密封圈置于环形凹陷部，二个带外螺纹的中部带通孔的压帽分别螺合于承压外壳二端的环形凹陷部，惰性内衬二端分别穿套于二个压帽的通孔内；惰性内衬外壁面与承压外壳内壁面间留有的空隙，内衬入口密封圈和内衬出口密封圈密封圈。
惰性内衬中放置有催化剂或待测样品，放置催化剂或待测样品的区域作为反应炉，所述内衬入口密封圈与内衬出口密封圈位于反应炉两端或者远离反应炉两端以外的区域，保证环境温度低于200℃，密封圈材料可以是橡胶，四氟乙烯，石墨，硅胶中的一种或两种进行密封；
承压外壳是耐高温高压材料制成，承受外压，600℃以下耐压高达13Mpa，如不锈钢；
惰性内衬管材料是石英，刚玉，碳化硅，氧化钛，氧化锆中的一种或两种以上。
承压外壳与惰性内衬之间形成夹缝，可以不填充固体或填充耐高温导热固体材料；所述压力平衡阀，自保护泄压阀启动压力小于3大气压，优选0.5-2大气压。
使用时，打开反应管上端或下端，取出惰性内衬，清洗后装填待测样品或催化剂；将惰性内衬安装与承压外壳内部，上下端通过密封圈与承压外壳之间密封，密封反应管上端，将承压外壳上下两端分别与进出气管连接；当进行高压实验时，需要在出气口后面安装背压阀，并将自保护泄压阀出口端连接在出气口与背压阀之间。
若原料气氛中存在对承压外壳有腐蚀性的组分时，需要先在对承压外壳中的惰性内衬内外侧进行没有腐蚀性的气氛中升压，待压力稳定后再切换成反应原料气体相同压力吹扫置换惰性内衬内的气体；若实验途中需要升高压力，同样需要先切换成惰性气氛中升压，再切换成反应气氛吹扫置换惰性内衬内的气氛
若实验过程中需要降低压力，需要先泄压到目标压力一下2大气压稳定后再升压到目标压力，进行测试。
本发明并使用内衬管上下两端垫圈密封，通过使用压力平衡阀与自保护泄压阀，升压中自动平衡内衬管内外压力，且利用单向阀的启动压力差，保证了稳压状态下气体仅从内衬管内部流过，不能从夹缝流通，另外可以通过简单的升压程序在承压外壳与惰性内衬管之间充填高压惰性气体，从而及时是强腐蚀性成分也不会腐蚀反应管，另外当发生催化剂床层及以下堵塞等情况时，压力平衡阀与自保护泄压阀可以起到泄压的作用从而保证了安全性。本发明解决了上面存在的问题，且制作简单，成本更低，安装容易，并且使用中更加安全。
本发明承压外壳承受高压，内衬使用惰性材料不参与反应，入口出口与承压外壳之间密封，保护承压外壳不受反应物腐蚀同时防止外壳材料对反应结果的干扰，压力平衡阀与自保护泄压阀保证升降压过程中内衬内外压力平衡避免压差导致内衬破裂，同时当前端压力过高或出口堵塞的情况下起到安全阀的作用。所述反应器，可以在室温-800℃，0pa-13Mpa使用，具有制作简单，成本低，安装使用方便，数据更加可靠，耐腐蚀性，安全性高等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的阐释，但本发明的权利要求范围不受这些实施例的限制。同时，实施例只是给出实现本发明的部分条件但并不意味着必须满足这些条件才能达到此目的。
实施例中使用的反应器具有二端开口的中空筒状316不锈钢承压外壳，外径12mm，内径9mm，二端开口的中空筒状惰性石英内衬，外径8mm，内径6mm，在一半高度偏下1.5cm处有一个多孔砂板，用于支撑催化剂，惰性内衬穿套于承压外壳内，惰性内衬外壁面与承压外壳内壁面间留有空隙，于惰性内衬外壁面上套设有环状的内衬入口密封圈和环状的内衬出口密封圈，密封圈使用氟橡胶O型圈材料，内衬入口密封圈和内衬出口密封圈将位于它们之间的空隙二端密闭，于惰性内衬外壁面与承压外壳内壁面间形成一密闭夹缝；惰性内衬的二开口端分别作为反应物料入口和出口；一两端开口的导管，一端与密闭夹缝相连通，另一端位于惰性内衬的入口端，导管上设有压力平衡阀，压力平衡阀是一只允许的气体从入口端向夹缝流动的单向阀，启动压力1.5atm；另一两端开口的导管，一端与密闭夹缝相连通，另一端位于惰性内衬的出口端，导管上设有自保护泄压阀，自保护泄压阀为一仅允许的气体从夹缝向出口端流动的单向阀，启动压力1.5atm。
惰性内衬位于承压外壳内部，惰性内衬的入口端与出口端通过环状密封圈与承压外壳之间密封；承压外壳与惰性内衬之间形成夹缝，压力平衡阀通过管路连接惰性内衬入口端的进气口与夹缝之间，压力平衡阀的气体流向只允许从进气口向夹缝流向；自保护泄压阀通过管路连接夹缝与惰性内衬出口端的尾气出口，气体流向只允许从夹缝流向尾气出口；稳压状态下气体仅从内衬管内部流过，不能流经夹缝。
承压外壳上下两端分别与进气管和出气管密闭连接，且承压外壳上上端与进气管的连接处或下端与出气管连接处为可以打开与关闭密封，进而可取放惰性内衬。
承压外壳为一圆管，二个带外螺纹的圆筒形螺帽套设于圆管外壁面上，于承压外壳二开口端外壁面上沿径向分别设有一环形突台A，螺帽的内径小于环形突台A的外径，进气管和出气管与承压外壳连接端的外壁上沿径向分别设一环形突台B，二个带内螺纹的下端开口上端密闭圆筒形压盖，压盖的密闭端中部设有通孔，进气管和出气管分别穿套于二个压盖的通孔中，通孔的内径小于环形突台B的外径，二个螺帽分别与二个压盖相螺合，于进气管和出气管与承压外壳之间分别设有密封圈。
承压外壳二开口端内壁面上、分别设有一与承压外壳同轴的带内螺纹的环形凹陷部，所述承压外壳和惰性内衬均分别为一圆管，惰性内衬同轴穿套于承压外壳内，内衬入口密封圈和内衬出口密封圈置于环形凹陷部，二个带外螺纹的中部带通孔的压帽分别螺合于承压外壳二端的环形凹陷部，惰性内衬二端分别穿套于二个压帽的通孔内；惰性内衬外壁面与承压外壳内壁面间留有的空隙，内衬入口密封圈和内衬出口密封圈密封圈。
夹缝处的惰性内衬中放置有催化剂或待测样品，放置催化剂或待测样品的区域作为反应炉，所述内衬入口密封圈与内衬出口密封圈位于反应炉两端或者远离反应炉两端以外的区域，保证环境温度低于200℃，密封圈材料是氟橡胶进行密封；
实施例1
合成气直接转化空管实验：打开反应管上端或下端，取出惰性内衬，清洗后，不装填催化剂直接将惰性内衬安装于承压外壳内部，上下端通过密封圈与承压外壳之间密封，密封反应管上端，将承压外壳上下两端分别与进出气管连接；出气口后面安装背压阀，并将自保护泄压阀出口端连接在出气口与背压阀之间。在承压外壳中间等径区域安装开膛管式炉，并保证管式炉恒温段与惰性内衬催化剂装填区域对应。
密封后使用原料气(5％Ar(内标)，CO：47.5％，H2：47.5％)进行升压4Mpa，使用可燃气体报警器进行检漏，确定密封后，升温至400℃，质量流量计控制流量24sccm进行反应，使用气相色谱进行出口尾气分析。
根据色谱结果计算出CO转化率0％
实施例2：合成气直接转化制烯烃催化剂反应评价：
打开反应管上端或下端，取出惰性内衬，清洗后，先装填0.3cm高的石英棉，再装填催化剂：ZnCrAl+SAPO34，280mg，最后再装填0.3cm高石英棉，将惰性内衬安装于承压外壳内部，上下端通过密封圈与承压外壳之间密封，密封反应管上下端，将承压外壳上下两端分别与进出气管连接；出气口后面安装背压阀，并将自保护泄压阀出口端连接在出气口与背压阀之间。在承压外壳中间等径区域安装开膛管式炉，并保证管式炉恒温段与惰性内衬催化剂装填区域对应。
密封后使用原料气(5％Ar(内标)，CO：47.5％，H2：47.5％)进行升压4Mpa，使用可燃气体报警器进行检漏，确定密封后，升温至400℃，质量流量计控制流量24sccm进行反应，使用气相色谱进行出口尾气分析。
CO转化率17％,CO2选择性42％C
烃分布：甲烷2％，乙烯-丁烯80％，其他18％。
对比例1：反应器：中空圆柱形316不锈钢管，外径8mm，内径6mm，中间高度偏下1.5cm位置有一个金属孔板，先装填0.3cm石英棉，再装填ZnCrAl+SAPO34，280mg，催化剂上再装填0.3cm石英棉，316不锈钢管上下端使用316不锈钢前后卡套进行密封，并与进出气管连接，出气口后面安装背压阀，背压阀后同样连接气相色谱进行产物分析。在316不锈钢管中间等径区域安装开膛管式炉，并保证管式炉恒温段与惰性内衬催化剂装填区域对应。
使用原料气组成：5％Ar(内标)，CO：47.5％，H2：47.5％；对反应管进行升压4Mpa，检漏后，升温400℃，气体流量24sccm
CO转化率20％，CO2选择性37％C
烃分布：甲烷22％，乙烯-丁烯63％，其他15％。
实施例2和对比例1说明，不锈钢管在合成气反应条件下，具有催化合成气转化的性能，以及金属羰基物的生成，导致在反应条件下生成大量的甲烷。若使用了本发明的反应器，则可大大降低管壁参与反应的可能性，甚至完全避免反应器对反应的干扰。

Claims (9)

1.一种自平衡衬管内外压力的反应器，其特征在于：包括二端开口的中空筒状承压外壳，二端开口的中空筒状惰性内衬，惰性内衬穿套于承压外壳内，惰性内衬外壁面与承压外壳内壁面间留有空隙，于惰性内衬外壁面上套设有环状的内衬入口密封圈和环状的内衬出口密封圈，内衬入口密封圈和内衬出口密封圈将位于它们之间的空隙二端密闭，于惰性内衬外壁面与承压外壳内壁面间形成一密闭夹缝；惰性内衬的二开口端分别作为反应物料入口和出口；一两端开口的导管，一端与密闭夹缝相连通，另一端位于惰性内衬的入口端，导管上设有压力平衡阀，压力平衡阀为一只允许的气体从入口端向夹缝流动的单向阀；另一两端开口的导管，一端与密闭夹缝相连通，另一端位于惰性内衬的出口端，导管上设有自保护泄压阀，自保护泄压阀为一仅允许的气体从夹缝向出口端流动的单向阀；
所述惰性内衬位于承压外壳内部，惰性内衬的入口端与出口端通过环状密封圈与承压外壳之间密封；承压外壳与惰性内衬之间形成夹缝，压力平衡阀通过管路连接惰性内衬入口端的进气口与夹缝之间，压力平衡阀的气体流向只允许从进气口向夹缝流向；自保护泄压阀通过管路连接夹缝与惰性内衬出口端的尾气出口，气体流向只允许从夹缝流向尾气出口；稳压状态下气体仅从内衬管内部流过，不能流经夹缝。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述承压外壳上下两端分别与进气管和出气管密闭连接，且承压外壳上上端与进气管的连接处或下端与出气管连接处为可以打开与关闭密封，进而可取放惰性内衬。
3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：
所述承压外壳为一圆管，二个带外螺纹的圆筒形螺帽套设于圆管外壁面上，于承压外壳二开口端外壁面上沿径向分别设有一环形突台A，螺帽的内径小于环形突台A的外径，进气管和出气管与承压外壳连接端的外壁上沿径向分别设一环形突台B，二个带内螺纹的下端开口上端密闭圆筒形压盖，压盖的密闭端中部设有通孔，进气管和出气管分别穿套于二个压盖的通孔中，通孔的内径小于环形突台B的外径，二个螺帽分别与二个压盖相螺合，于进气管和出气管与承压外壳之间分别设有密封圈。
4.根据权利要求1-3任一所述的反应器，其特征在于：于承压外壳二开口端内壁面上，分别设有一与承压外壳同轴的带内螺纹的环形凹陷部，所述承压外壳和惰性内衬均分别为一圆管，惰性内衬同轴穿套于承压外壳内，内衬入口密封圈和内衬出口密封圈置于环形凹陷部，二个带外螺纹的中部带通孔的压帽分别螺合于承压外壳二端的环形凹陷部，惰性内衬二端分别穿套于二个压帽的通孔内；惰性内衬外壁面与承压外壳内壁面间留有的空隙，内衬入口密封圈和内衬出口密封圈。
5.根据权利要求4所述的反应器，其特征在于：惰性内衬中放置有催化剂或待测样品，放置催化剂或待测样品的区域作为反应炉，所述内衬入口密封圈与内衬出口密封圈位于反应炉两端或者远离反应炉两端以外的区域，保证环境温度低于200℃，密封圈材料是橡胶，四氟乙烯，石墨，硅胶中的一种或两种；
承压外壳是耐高温高压材料制成，承受外压，600℃以下耐压高达13Mpa；
惰性内衬管材料是石英，刚玉，碳化硅，氧化钛，氧化锆中的一种或两种以上。
6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于：所述承压外壳与惰性内衬之间形成夹缝；所述压力平衡阀，自保护泄压阀启动压力小于3大气压。
7.如权利要求1-6任一所述反应器的使用方法，其特征在于：
使用时，打开反应管上端或下端，取出惰性内衬，清洗后装填待测样品或催化剂；将惰性内衬安装于承压外壳内部，上下端通过密封圈与承压外壳之间密封，密封反应管上端，将承压外壳上下两端分别与进出气管连接；当进行高压实验时，需要在出气口后面安装背压阀，并将自保护泄压阀出口端连接在出气口与背压阀之间。
8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：若原料气氛中存在对承压外壳有腐蚀性的组分时，需要先对承压外壳中的惰性内衬内外侧进行在没有腐蚀性的气氛中升压，待压力稳定后再切换成反应原料气体，在相同压力下吹扫置换惰性内衬内的气体；
若实验途中需要升高压力，同样需要先切换成惰性气氛中升压，再切换成反应气氛吹扫置换惰性内衬内的气氛。
9.根据权利要求7或8所述的使用方法，其特征在于：若实验过程中需要降低压力，需要先泄压到目标压力以下2大气压，稳定后再升压到目标压力，进行测试。
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