一种环隙气升式内环流反应器.pdf

一种环隙气升式内环流反应器，涉及一种具有高气液分离效率和良好布气效果的内环流反应器。本发明的主要技术特征是：气液分离器采用漏斗—细管式气液分离结构，能够实现比较完全的气液分离；气体分布器采用烧结管式分布器，该分布器具有较小的初始气泡尺寸，能够实现很好的布气效果。为了改善流动和强化传质，在环隙上升管中安装内构件；为了移出或导入反应需要的热量，在环隙上升管中安装换热构件，换热构件为指形管或蛇形管。该反应器具有气液分离效率高、布气效果好、气含率和液速径向分布均匀的特点；并且采用管式气体分布器保证了起始操作阶段不会出现流体反向循环的现象。

1.  一种环隙气升式内环流反应器，包括其上部带扩展段的反应器外筒，与外筒同心安装的内筒，设置在内筒顶部的气液分离器以及设置在反应器底部的气体分布器，所述的外筒与内筒之间构成环隙上升管，其特征在于：所述的气液分离器采用漏斗-细管式分离器，该分离器呈漏斗形，漏斗的底部与内筒(2)顶部相连通，在漏斗锥体侧壁上开有若干孔并在孔中安装竖直细管(8)；所述的气体分布器由开孔的基板(15)和安装在孔内的气体分布管组成，该气体分布管由烧结管和不锈钢管两部分连接而成，所述基板上的孔与不锈钢管一端连接，另一端烧结管的顶部封死。

2.  按照权利要求1所述的环隙气升式内环流反应器，其特征在于：在所述的环隙上升管中安装有用以改善流动和强化传质的内构件(3)。

3.  按照权利要求1所述的环隙气升式内环流反应器，其特征在于：在所述的环隙上升管中安装有用以移出或导入反应热的换热构件(10)，该换热构件为指形管或蛇形管。

4.  按照权利要求1-3任一项所述的环隙气升式内环流反应器，其特征在于：在所述的基板与内筒底部之间设有锥形导流板(14)，该锥形导流板的对称轴与基板的对称轴重合。

5.  按照权利要求1所述的环隙气升式内环流反应器，其特征在于：所述的烧结管外径为5-50mm。

6.  按照权利要求1所述的环隙气升式内环流反应器，其特征在于：所述的内筒截面积与外筒截面积之比为0.1～0.5。

一种环隙气升式内环流反应器
技术领域
本发明涉及一种适用于气-液和气-液-固多相流反应体系的反应器，尤其涉及一种环隙气升式内环流反应器，属于化工设备技术领域。
背景技术
环流反应器广泛应用于化工、能源、环境、生化等许多领域，与搅拌釜相比，气升式环流反应器结构简单，气体不仅作为反应物，而且作为一种能量携带者，推动各相在床层内循环流动。环流反应器分为内环流和外环流两种。和外环流反应器相比，内环流反应器具有结构简单，容易加工的优点。在外环流反应器中，下降管两端通过法兰和上升管相连，由于实际的反应体系多为高温高压体系，对材料的热膨胀匹配和耐压性能提出了很高的要求，增加了加工难度，提高了加工成本；在内环流反应器中，内筒置于外筒之内，对耐压性能要求降低，从而降低了加工难度，节约了反应器成本。
目前的内环流反应器多采用中心气升式，对于一些强放热或吸热反应，不能满足换热要求；而环隙气升式则具有较大的传热面积，还可以在环隙上升管中安装换热构件，因此更容易地实现热量的导入和移出，提高了操作弹性。
在环流反应器中，气体进入上升管，由上升管与下降管间气含率不同所造成的密度差推动液体在床内循环流动。当气速较高时，由于气含率差造成的推动力过大，使得循环液速和气泡上升速度过大，气体停留时间过短，使反应转化率降低；并且液速过大时，循环液体还会夹带大量的气泡进入下降管，这对于一些特殊的反应过程会导致副反应的发生，降低反应的选择性。因此，提高气液分离效率和控制合适的液速是提高反应效率的重要途径。目前多数研究者通过在反应器顶部加扩大段，使液速降低以达到气液分离的目的，但在操作气速较高时，由于液速过大，且单纯以扩大段作为气液分离器的分离效率不高，会有大量的气泡被夹带进入下降管，不能保证所需要的分离效果。
文献报道的气-液和气-液-固环流反应器中，多采用孔板式分布器，这样的气体分布器存在以下问题：1)气体分布效果不好，一般孔板式分布器分布的初始气泡直径较大，并且在操作过程中由于部分分布孔堵塞而使布气不均匀。2)一般孔板分布器的位置在反应器的最底部，低于内筒的下边缘，当应用于浆态体系时，容易发生颗粒沉积堵塞分布器的问题。在反应器开始通入气体时，还容易出现上升管和下降管均有气体通过，导致无法循环的现象。因此，气体分布器的设计对于提高环流反应器的布器效果和稳定操作具有重要的意义。
在环流反应器中，当反应器在较高的表观气速条件下操作时，由于较强的气泡聚并作用使得上升管内气泡大小分布不均匀，形成较多数量的大气泡，致使传质性能下降，转化率降低。因此，环流反应器在化工过程应用中，高的生产能力和高的反应转化率相互制约。
综上所述，开发一种气液分离效率高、良好布气效果好、操作稳定、在较高操作气速下仍能保持较高转化率的内环流反应器对于很多化工过程具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于气-液和气-液-固多相流体系的环隙气升式内环流反应器，该反应器在较高表观气速下仍能保持较高的气液分离效率、良好的布气效果以及良好的传质性能和流动特性，从而使反应器具有较高的反应转化率和生产能力。
本发明的技术方案如下：一种环隙气升式内环流反应器，包括其上部带扩展段的反应器外筒，与外筒同心安装的内筒，设置在内筒顶部的气液分离器以及设置在反应器底部的气体分布器，所述的外筒与内筒之间构成环隙上升管，其特征在于：所述的气液分离器采用漏斗-细管式分离器，该分离器呈漏斗形，漏斗的底部与内筒顶部相连通，在漏斗锥体侧壁上开有若干孔并在孔中安装竖直细管；所述的气体分布器由开孔的基板和安装在孔内的气体分布管组成，该气体分布管由烧结管和不锈钢管两部分连接而成，所述基板上的孔与不锈钢管一端连接，另一端烧结管的顶部封死。
在上述方案的基础上，本发明的技术特征还在于：在所述的环隙上升管中安装用以改善流动和强化传质的内构件以及在所述的环隙上升管中安装用以移出或导入反应热的换热构件，该换热构件为指形管或蛇形管。
本发明的另一技术特征还在于：在所述的基板与内筒底部之间设有锥形导流板，该锥形导流板的对称轴与基板的对称轴重合。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：
本发明以漏斗-细管式气液分离器取代传统环流反应器中常用的扩大段式气液分离器，具有良好的气液分离效果，即使在表观气速较高时，也可以避免大量的气泡夹带。在漏斗-细管式气液分离器中，竖直细管的直径、高度和个数决定了气液分离器的阻力，在设计中通过调节这些参数可以实现对液速的调节，避免液速过高引起大量的气泡夹带。另外，当气液或气液固混合物进入气液分离器地竖直细管后，由于流道面积缩小，速度增大，混合物呈喷射式离开气流分离器，而液体或液固混合物受重力作用进入下降管，从而实现良好的气液分离。实验研究表明，气泡速度和循环液速随表观气速的增加而增加，但增加的程度随表观气速的升高而降低，当表观气速增加至一定值后，气泡速度和循环液速随表观气速几乎不再变化。这是由于气液分离器阻力的增加程度远远大于液速增加的程度，限制了液速的增长趋势。当表观气速较低时，气液分离器的阻力较小，其对液速的抑制作用也较小，由于本发明中气液分离器具有这种自调节能力，使得液速处于一个合理的范围内，保证了反应器不会因停留时间过短而降低生产效率。
与一般的环流反应器不同，本发明采用烧结管式分布器，与一般的环流反应器所采用的孔板式气体分布器相比，由于烧结管上的微孔直径很小(＜100μm)，因此气泡的初始尺寸小且均匀，并且气体离开烧结管时其竖直方向的速度为零，避免了孔板式气体分布器由于气泡自分布器喷出后造成分布器附近气含率较低的现象，使得气含率在轴向分布较为均匀，具有良好的布气效果。另外，可以根据设计要求延长或缩短烧结管长度，使烧结管高于内筒的下边缘，这样可以避免操作启动过程中可能出现的反向流动现象以及无法正常循环的问题。
当本发明的反应器在环隙上升管中安装内构件时，可以明显改善流动、破碎气泡和强化传质。特别是操作气速较高时，如果不加入内构件，由分布器分布的较均匀的初始气泡会发生聚并，使得气泡尺寸不均匀，形成一定数量的大气泡，导致传质性能下降，液速、气泡上升速度沿径向分布不均匀，加入设计合理的反应器内构件可以使上述问题得到明显改善。另外，在环隙上升管中加入换热管，和只使用换热夹套相比，提高了反应器的移热能力，可以使该反应器用于强放热或强吸热的反应过程。
附图说明
图1为本发明提供的环隙气升式内环流反应器的正视图。
图2为单根气体分布管的剖面图。
图3为图1的B-B剖视图，表示出气体分布器结构。
图4为图1的A-A剖视图，表示出气液分离器结构。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的具体结构及实施方式：
本发明所提供的环隙气升式内环流反应器主要由反应器外筒1，与反应器外筒同心安装的反应器内筒2，设置在环隙上升管中的内构件3、换热构件10，气液分离器漏斗9，安装在气液分离器漏斗的锥形侧壁上的竖直细管8(气液分离器漏斗9与所有安装在其上的竖直细管8共同构成气液分离器)，设置在反应器底部的分布器基板15及设置在该基板上的气体分布管12，锥形导流板14组成，如图1所示。反应器外筒1的底端与分布器基板15以法兰形式相连接，反应器内筒2与分布器基板15间存在一定的距离，此距离可根据设计进行调节。锥形导流板14位于基板与内筒底部之间，该锥形导流板的对称轴与基板的对称轴重合，其底部与分布器基板15相连，避免下降管中的液体对基板15的冲击力过大而损坏反应器，同时起到导流的作用，改善反应器底部的流动。
气体分布管12的结构如附图2所示，由不锈钢管17和烧结管18通过焊接组成，烧结管顶端用不锈钢盲板或烧结板封死。不锈钢管与分布器基板相连，靠近基板的一段不锈钢管的内径为烧结管内径的1/8～1/2，可以使气体在各气体分布管中均匀分配，分布管中的气体自烧结管微孔进入环隙上升管。
本发明所提供的气体分布器由分布器基板15和若干根烧结管式气体分布管12共同组成，分布管的排布如附图3所示。在分布器基板15上的一个或几个同心圆周上均匀开有若干个孔，孔的个数可根据设计要求进行确定，每个孔与气体分布管12的不锈钢管17相连接，气体分布管的烧结管应至少高于内筒2的下边缘，以保证气体离开分布器后直接进入环隙上升管，避免当固体浓度过高时，气体反窜进入下降管，致使反应器不能正常循环甚至发生反向流动。
为了移走反应产生的热量或导入反应需要的热量，在反应器的环隙上升管中安装有换热构件10，该构件由构件支架11固定。换热构件为指形管或蛇形管。换热构件的数量及长度由反应的热效应及操作条件决定。
当操作气速较高时，由于气泡在上升过程中发生聚并，使得气泡尺寸分布不均匀，导致气含率存在明显的径向分布，并且液速也会呈边壁小、中心大的径向分布。为了改善这种径向不均匀流动分布，本发明在环隙上升管中安装有内构件3，内构件的数目及其安装位置由床层内的流动及反应器的设计要求确定。内构件3既有破碎大气泡，从而强化传质的作用，又可以对流动起到再分布的作用。
在外筒顶部为一个扩大段，此扩大段的外径可以根据生产需要进行设计，一般为反应器外筒直径的1.5～3倍。气液分离器为漏斗-细管式结构，分离器整体呈漏斗形，漏斗的圆柱部分与扩大段之间的间隙为0～60mm，漏斗的底部与内筒顶部相连通，在漏斗的锥体侧壁上的一个或几个同心圆周上均匀开有若干孔，孔和竖直细管相连，竖直细管的直径、数量和高度可以根据要求的气液分离效率和循环液速确定，一般竖直细管总截面积为扩大段截面积的0.01～0.5。
在本发明的反应器中，物料在反应器内的流动如下：气体自气体入口16、经气体分布管12进入反应器环隙上升管，气体以气泡形式夹带液体或液固混合物在环隙上升管上升，经气液分离器的竖直细管8进行气液分离后，液体或液固混合物返回反应器内筒2，气体自气体出口7离开反应器。液体自液体入口13进入反应器，自液体出口4离开反应器。冷却水自冷却水入口5进入换热构件10，经过热交换过程后，自蒸汽出口6离开反应器。
本发明所涉及的新型气升式内循环床反应器，可用于气液和气液固多相反应过程，如废水处理、甲醇合成、二甲醚合成等。