專利名稱：一種環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于氣-液和氣-液-固多相流反應(yīng)體系的反應(yīng)器，尤其涉及一種環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，屬于化工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
環(huán)流反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于化工、能源、環(huán)境、生化等許多領(lǐng)域，與攪拌釜相比，氣升式環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氣體不僅作為反應(yīng)物，而且作為一種能量攜帶者，推動(dòng)各相在床層內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。環(huán)流反應(yīng)器分為內(nèi)環(huán)流和外環(huán)流兩種。和外環(huán)流反應(yīng)器相比，內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工的優(yōu)點(diǎn)。在外環(huán)流反應(yīng)器中，下降管兩端通過(guò)法蘭和上升管相連，由于實(shí)際的反應(yīng)體系多為高溫高壓體系，對(duì)材料的熱膨脹匹配和耐壓性能提出了很高的要求，增加了加工難度，提高了加工成本；在內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器中，內(nèi)筒置于外筒之內(nèi)，對(duì)耐壓性能要求降低，從而降低了加工難度，節(jié)約了反應(yīng)器成本。
目前的內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器多采用中心氣升式，對(duì)于一些強(qiáng)放熱或吸熱反應(yīng)，不能滿足換熱要求；而環(huán)隙氣升式則具有較大的傳熱面積，還可以在環(huán)隙上升管中安裝換熱構(gòu)件，因此更容易地實(shí)現(xiàn)熱量的導(dǎo)入和移出，提高了操作彈性。
在環(huán)流反應(yīng)器中，氣體進(jìn)入上升管，由上升管與下降管間氣含率不同所造成的密度差推動(dòng)液體在床內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。當(dāng)氣速較高時(shí)，由于氣含率差造成的推動(dòng)力過(guò)大，使得循環(huán)液速和氣泡上升速度過(guò)大，氣體停留時(shí)間過(guò)短，使反應(yīng)轉(zhuǎn)化率降低；并且液速過(guò)大時(shí)，循環(huán)液體還會(huì)夾帶大量的氣泡進(jìn)入下降管，這對(duì)于一些特殊的反應(yīng)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生，降低反應(yīng)的選擇性。因此，提高氣液分離效率和控制合適的液速是提高反應(yīng)效率的重要途徑。目前多數(shù)研究者通過(guò)在反應(yīng)器頂部加擴(kuò)大段，使液速降低以達(dá)到氣液分離的目的，但在操作氣速較高時(shí)，由于液速過(guò)大，且單純以擴(kuò)大段作為氣液分離器的分離效率不高，會(huì)有大量的氣泡被夾帶進(jìn)入下降管，不能保證所需要的分離效果。
文獻(xiàn)報(bào)道的氣-液和氣-液-固環(huán)流反應(yīng)器中，多采用孔板式分布器，這樣的氣體分布器存在以下問(wèn)題1)氣體分布效果不好，一般孔板式分布器分布的初始?xì)馀葜睆捷^大，并且在操作過(guò)程中由于部分分布孔堵塞而使布?xì)獠痪鶆颉?)一般孔板分布器的位置在反應(yīng)器的最底部，低于內(nèi)筒的下邊緣，當(dāng)應(yīng)用于漿態(tài)體系時(shí)，容易發(fā)生顆粒沉積堵塞分布器的問(wèn)題。在反應(yīng)器開(kāi)始通入氣體時(shí)，還容易出現(xiàn)上升管和下降管均有氣體通過(guò)，導(dǎo)致無(wú)法循環(huán)的現(xiàn)象。因此，氣體分布器的設(shè)計(jì)對(duì)于提高環(huán)流反應(yīng)器的布器效果和穩(wěn)定操作具有重要的意義。
在環(huán)流反應(yīng)器中，當(dāng)反應(yīng)器在較高的表觀氣速條件下操作時(shí)，由于較強(qiáng)的氣泡聚并作用使得上升管內(nèi)氣泡大小分布不均勻，形成較多數(shù)量的大氣泡，致使傳質(zhì)性能下降，轉(zhuǎn)化率降低。因此，環(huán)流反應(yīng)器在化工過(guò)程應(yīng)用中，高的生產(chǎn)能力和高的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率相互制約。
綜上所述，開(kāi)發(fā)一種氣液分離效率高、良好布?xì)庑Ч?、操作穩(wěn)定、在較高操作氣速下仍能保持較高轉(zhuǎn)化率的內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器對(duì)于很多化工過(guò)程具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于氣-液和氣-液-固多相流體系的環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，該反應(yīng)器在較高表觀氣速下仍能保持較高的氣液分離效率、良好的布?xì)庑Ч约傲己玫膫髻|(zhì)性能和流動(dòng)特性，從而使反應(yīng)器具有較高的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)能力。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，包括其上部帶擴(kuò)展段的反應(yīng)器外筒，與外筒同心安裝的內(nèi)筒，設(shè)置在內(nèi)筒頂部的氣液分離器以及設(shè)置在反應(yīng)器底部的氣體分布器，所述的外筒與內(nèi)筒之間構(gòu)成環(huán)隙上升管，其特征在于所述的氣液分離器采用漏斗-細(xì)管式分離器，該分離器呈漏斗形，漏斗的底部與內(nèi)筒頂部相連通，在漏斗錐體側(cè)壁上開(kāi)有若干孔并在孔中安裝豎直細(xì)管；所述的氣體分布器由開(kāi)孔的基板和安裝在孔內(nèi)的氣體分布管組成，該氣體分布管由燒結(jié)管和不銹鋼管兩部分連接而成，所述基板上的孔與不銹鋼管一端連接，另一端燒結(jié)管的頂部封死。
在上述方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的技術(shù)特征還在于在所述的環(huán)隙上升管中安裝用以改善流動(dòng)和強(qiáng)化傳質(zhì)的內(nèi)構(gòu)件以及在所述的環(huán)隙上升管中安裝用以移出或?qū)敕磻?yīng)熱的換熱構(gòu)件，該換熱構(gòu)件為指形管或蛇形管。
本發(fā)明的另一技術(shù)特征還在于在所述的基板與內(nèi)筒底部之間設(shè)有錐形導(dǎo)流板，該錐形導(dǎo)流板的對(duì)稱軸與基板的對(duì)稱軸重合。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明以漏斗-細(xì)管式氣液分離器取代傳統(tǒng)環(huán)流反應(yīng)器中常用的擴(kuò)大段式氣液分離器，具有良好的氣液分離效果，即使在表觀氣速較高時(shí)，也可以避免大量的氣泡夾帶。在漏斗-細(xì)管式氣液分離器中，豎直細(xì)管的直徑、高度和個(gè)數(shù)決定了氣液分離器的阻力，在設(shè)計(jì)中通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液速的調(diào)節(jié)，避免液速過(guò)高引起大量的氣泡夾帶。另外，當(dāng)氣液或氣液固混合物進(jìn)入氣液分離器的豎直細(xì)管后，由于流道面積縮小，速度增大，混合物呈噴射式離開(kāi)氣流分離器，而液體或液固混合物受重力作用進(jìn)入下降管，從而實(shí)現(xiàn)良好的氣液分離。實(shí)驗(yàn)研究表明，氣泡速度和循環(huán)液速隨表觀氣速的增加而增加，但增加的程度隨表觀氣速的升高而降低，當(dāng)表觀氣速增加至一定值后，氣泡速度和循環(huán)液速隨表觀氣速幾乎不再變化。這是由于氣液分離器阻力的增加程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液速增加的程度，限制了液速的增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)表觀氣速較低時(shí)，氣液分離器的阻力較小，其對(duì)液速的抑制作用也較小，由于本發(fā)明中氣液分離器具有這種自調(diào)節(jié)能力，使得液速處于一個(gè)合理的范圍內(nèi)，保證了反應(yīng)器不會(huì)因停留時(shí)間過(guò)短而降低生產(chǎn)效率。
與一般的環(huán)流反應(yīng)器不同，本發(fā)明采用燒結(jié)管式分布器，與一般的環(huán)流反應(yīng)器所采用的孔板式氣體分布器相比，由于燒結(jié)管上的微孔直徑很小(＜100μm)，因此氣泡的初始尺寸小且均勻，并且氣體離開(kāi)燒結(jié)管時(shí)其豎直方向的速度為零，避免了孔板式氣體分布器由于氣泡自分布器噴出后造成分布器附近氣含率較低的現(xiàn)象，使得氣含率在軸向分布較為均勻，具有良好的布?xì)庑Ч?。另外，可以根?jù)設(shè)計(jì)要求延長(zhǎng)或縮短燒結(jié)管長(zhǎng)度，使燒結(jié)管高于內(nèi)筒的下邊緣，這樣可以避免操作啟動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的反向流動(dòng)現(xiàn)象以及無(wú)法正常循環(huán)的問(wèn)題。
當(dāng)本發(fā)明的反應(yīng)器在環(huán)隙上升管中安裝內(nèi)構(gòu)件時(shí)，可以明顯改善流動(dòng)、破碎氣泡和強(qiáng)化傳質(zhì)。特別是操作氣速較高時(shí)，如果不加入內(nèi)構(gòu)件，由分布器分布的較均勻的初始?xì)馀輹?huì)發(fā)生聚并，使得氣泡尺寸不均勻，形成一定數(shù)量的大氣泡，導(dǎo)致傳質(zhì)性能下降，液速、氣泡上升速度沿徑向分布不均勻，加入設(shè)計(jì)合理的反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件可以使上述問(wèn)題得到明顯改善。另外，在環(huán)隙上升管中加入換熱管，和只使用換熱夾套相比，提高了反應(yīng)器的移熱能力，可以使該反應(yīng)器用于強(qiáng)放熱或強(qiáng)吸熱的反應(yīng)過(guò)程。


圖1為本發(fā)明提供的環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器的正視圖。
圖2為單根氣體分布管的剖面圖。
圖3為圖1的B-B剖視圖，表示出氣體分布器結(jié)構(gòu)。
圖4為圖1的A-A剖視圖，表示出氣液分離器結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及實(shí)施方式本發(fā)明所提供的環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器主要由反應(yīng)器外筒1，與反應(yīng)器外筒同心安裝的反應(yīng)器內(nèi)筒2，設(shè)置在環(huán)隙上升管中的內(nèi)構(gòu)件3、換熱構(gòu)件10，氣液分離器漏斗9，安裝在氣液分離器漏斗的錐形側(cè)壁上的豎直細(xì)管8(氣液分離器漏斗9與所有安裝在其上的豎直細(xì)管8共同構(gòu)成氣液分離器)，設(shè)置在反應(yīng)器底部的分布器基板15及設(shè)置在該基板上的氣體分布管12，錐形導(dǎo)流板14組成，如圖1所示。反應(yīng)器外筒1的底端與分布器基板15以法蘭形式相連接，反應(yīng)器內(nèi)筒2與分布器基板15間存在一定的距離，此距離可根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。錐形導(dǎo)流板14位于基板與內(nèi)筒底部之間，該錐形導(dǎo)流板的對(duì)稱軸與基板的對(duì)稱軸重合，其底部與分布器基板15相連，避免下降管中的液體對(duì)基板15的沖擊力過(guò)大而損壞反應(yīng)器，同時(shí)起到導(dǎo)流的作用，改善反應(yīng)器底部的流動(dòng)。
氣體分布管12的結(jié)構(gòu)如附圖2所示，由不銹鋼管17和燒結(jié)管18通過(guò)焊接組成，燒結(jié)管頂端用不銹鋼盲板或燒結(jié)板封死。不銹鋼管與分布器基板相連，靠近基板的一段不銹鋼管的內(nèi)徑為燒結(jié)管內(nèi)徑的1/8～1/2，可以使氣體在各氣體分布管中均勻分配，分布管中的氣體自燒結(jié)管微孔進(jìn)入環(huán)隙上升管。
本發(fā)明所提供的氣體分布器由分布器基板15和若干根燒結(jié)管式氣體分布管12共同組成，分布管的排布如附圖3所示。在分布器基板15上的一個(gè)或幾個(gè)同心圓周上均勻開(kāi)有若干個(gè)孔，孔的個(gè)數(shù)可根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行確定，每個(gè)孔與氣體分布管12的不銹鋼管17相連接，氣體分布管的燒結(jié)管應(yīng)至少高于內(nèi)筒2的下邊緣，以保證氣體離開(kāi)分布器后直接進(jìn)入環(huán)隙上升管，避免當(dāng)固體濃度過(guò)高時(shí)，氣體反竄進(jìn)入下降管，致使反應(yīng)器不能正常循環(huán)甚至發(fā)生反向流動(dòng)。
為了移走反應(yīng)產(chǎn)生的熱量或?qū)敕磻?yīng)需要的熱量，在反應(yīng)器的環(huán)隙上升管中安裝有換熱構(gòu)件10，該構(gòu)件由構(gòu)件支架11固定。換熱構(gòu)件為指形管或蛇形管。換熱構(gòu)件的數(shù)量及長(zhǎng)度由反應(yīng)的熱效應(yīng)及操作條件決定。
當(dāng)操作氣速較高時(shí)，由于氣泡在上升過(guò)程中發(fā)生聚并，使得氣泡尺寸分布不均勻，導(dǎo)致氣含率存在明顯的徑向分布，并且液速也會(huì)呈邊壁小、中心大的徑向分布。為了改善這種徑向不均勻流動(dòng)分布，本發(fā)明在環(huán)隙上升管中安裝有內(nèi)構(gòu)件3，內(nèi)構(gòu)件的數(shù)目及其安裝位置由床層內(nèi)的流動(dòng)及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要求確定。內(nèi)構(gòu)件3既有破碎大氣泡，從而強(qiáng)化傳質(zhì)的作用，又可以對(duì)流動(dòng)起到再分布的作用。
在外筒頂部為一個(gè)擴(kuò)大段，此擴(kuò)大段的外徑可以根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般為反應(yīng)器外筒直徑的1.5～3倍。氣液分離器為漏斗-細(xì)管式結(jié)構(gòu)，分離器整體呈漏斗形，漏斗的圓柱部分與擴(kuò)大段之間的間隙為0～60mm，漏斗的底部與內(nèi)筒頂部相連通，在漏斗的錐體側(cè)壁上的一個(gè)或幾個(gè)同心圓周上均勻開(kāi)有若干孔，孔和豎直細(xì)管相連，豎直細(xì)管的直徑、數(shù)量和高度可以根據(jù)要求的氣液分離效率和循環(huán)液速確定，一般豎直細(xì)管總截面積為擴(kuò)大段截面積的0.01～0.5。
在本發(fā)明的反應(yīng)器中，物料在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)如下氣體自氣體入口16、經(jīng)氣體分布管12進(jìn)入反應(yīng)器環(huán)隙上升管，氣體以氣泡形式夾帶液體或液固混合物在環(huán)隙上升管上升，經(jīng)氣液分離器的豎直細(xì)管8進(jìn)行氣液分離后，液體或液固混合物返回反應(yīng)器內(nèi)筒2，氣體自氣體出口7離開(kāi)反應(yīng)器。液體自液體入口13進(jìn)入反應(yīng)器，自液體出口4離開(kāi)反應(yīng)器。冷卻水自冷卻水入口5進(jìn)入換熱構(gòu)件10，經(jīng)過(guò)熱交換過(guò)程后，自蒸汽出口6離開(kāi)反應(yīng)器。
本發(fā)明所涉及的新型氣升式內(nèi)循環(huán)床反應(yīng)器，可用于氣液和氣液固多相反應(yīng)過(guò)程，如廢水處理、甲醇合成、二甲醚合成等。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，包括其上部帶擴(kuò)展段的反應(yīng)器外筒，與外筒同心安裝的內(nèi)筒，設(shè)置在內(nèi)筒頂部的氣液分離器以及設(shè)置在反應(yīng)器底部的氣體分布器，所述的外筒與內(nèi)筒之間構(gòu)成環(huán)隙上升管，其特征在于所述的氣液分離器采用漏斗-細(xì)管式分離器，該分離器呈漏斗形，漏斗的底部與內(nèi)筒(2)頂部相連通，在漏斗錐體側(cè)壁上開(kāi)有若干孔并在孔中安裝豎直細(xì)管(8)；所述的氣體分布器由開(kāi)孔的基板(15)和安裝在孔內(nèi)的氣體分布管組成，該氣體分布管由燒結(jié)管和不銹鋼管兩部分連接而成，所述基板上的孔與不銹鋼管一端連接，另一端燒結(jié)管的頂部封死。
2.按照權(quán)利要求1所述的環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，其特征在于在所述的環(huán)隙上升管中安裝有用以改善流動(dòng)和強(qiáng)化傳質(zhì)的內(nèi)構(gòu)件(3)。
3.按照權(quán)利要求1所述的環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，其特征在于在所述的環(huán)隙上升管中安裝有用以移出或?qū)敕磻?yīng)熱的換熱構(gòu)件(10)，該換熱構(gòu)件為指形管或蛇形管。
4.按照權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，其特征在于在所述的基板與內(nèi)筒底部之間設(shè)有錐形導(dǎo)流板(14)，該錐形導(dǎo)流板的對(duì)稱軸與基板的對(duì)稱軸重合。
5.按照權(quán)利要求1所述的環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，其特征在于所述的燒結(jié)管外徑為5-50mm。
6.按照權(quán)利要求1所述的環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，其特征在于所述的內(nèi)筒截面積與外筒截面積之比為0.1～0.5。
全文摘要
一種環(huán)隙氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，涉及一種具有高氣液分離效率和良好布?xì)庑Ч膬?nèi)環(huán)流反應(yīng)器。本發(fā)明的主要技術(shù)特征是氣液分離器采用漏斗—細(xì)管式氣液分離結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)比較完全的氣液分離；氣體分布器采用燒結(jié)管式分布器，該分布器具有較小的初始?xì)馀莩叽?，能夠?qū)崿F(xiàn)很好的布?xì)庑Ч榱烁纳屏鲃?dòng)和強(qiáng)化傳質(zhì)，在環(huán)隙上升管中安裝內(nèi)構(gòu)件；為了移出或?qū)敕磻?yīng)需要的熱量，在環(huán)隙上升管中安裝換熱構(gòu)件，換熱構(gòu)件為指形管或蛇形管。該反應(yīng)器具有氣液分離效率高、布?xì)庑Ч?、氣含率和液速?gòu)较蚍植季鶆虻奶攸c(diǎn)；并且采用管式氣體分布器保證了起始操作階段不會(huì)出現(xiàn)流體反向循環(huán)的現(xiàn)象。
文檔編號(hào)B01J8/00GK1605385SQ200410078140
公開(kāi)日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2004年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月17日
發(fā)明者王金福, 張同旺, 王鐵峰, 王德崢, 金涌 申請(qǐng)人:清華大學(xué)