CN102019158A

CN102019158A - 旋流与喷射同步的管式气液反应器

Info

Publication number: CN102019158A
Application number: CN 201010526062
Authority: CN
Inventors: 王宗勇; 张春梅; 孟辉波; 吴剑华
Original assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Current assignee: Shenyang University of Chemical Technology
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-11-01
Also published as: CN102019158B

Abstract

旋流与喷射同步的管式气液反应器涉及一种化工设备，包括气液反应管、气液混合螺旋元件、气体喷射管、夹套换热管以及液体入流管等。气液混合螺旋元件由多块螺旋板构成，圆周均布焊接于气体喷射管外表面。气体喷射管壁开有通孔，通孔沿螺旋通道均匀分布，并与气体喷射管表面的切平面成一定夹角，在增加气液接触长度的同时，利用气体压力推动液体流动，降低系统阻力消耗。本发明的气液反应器特点是气液喷射混合与旋流静态混合同步进行，结构简单、运行平稳，传质效果好。可用于各种工业领域，特别适合于要求气液流量比的范围较大的反应器。

Description

旋流与喷射同步的管式气液反应器

技术领域

本发明涉及一种化工设备，特别是涉及一种旋流与喷射同步的管式气液反应器。

背景技术

在氢化、氯化、磺化、尾气吸收等诸多的化工过程中，气液流动、混合与传质是一种重要的生产方式。典型的气液反应器根据其总体结构特点可以分为塔式反应器、釜式反应器、管式反应器及喷射反应器。工业生产对气液反应器的要求包括：具有较高的生产强度；有利于反应选择性的提高；有利于降低能量消耗；有利于反应温度的控制；能在较少的流体流率下工作。各种反应器均具有各自的适用范围及优缺点，任何一种反应器均不能完全满足上述要求，但是综合利用两种或两种以上反应器的优点，对反应器进行结构优化，就可设计出满足多种反应要求的高效反应器。本发明的气液反应器既有管式反应器的承压能力高、容积小、比表面积大、返混少、反应参数易于控制等优点，又具有喷射反应器结构紧凑、操作可靠、优良的混合效果及传质效果等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋流与喷射同步的管式气液反应器。能够实现气液分散喷射混合和旋流静态混合同步进行的带有螺旋元件的管式反应器，该反应器具有承压能力高、容积小、比表面积大、返混少、反应参数易于控制。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

旋流与喷射同步的管式气液反应器，包括有左旋螺旋板、右旋螺旋板、及管壁开有通孔的气体喷射管、气液反应管、夹套换热管、液体入流管，左旋螺旋板、右旋螺旋板的圆周方向上均匀分割有气液反应管与气体喷射管所形成的环状空间；在同一横截面上的螺旋板数量为2个或2个以上，其旋向相同、构成一个混合单元；相邻混合单元的螺旋板旋向相反，且在混合单元交界处设有夹角，其夹角为相邻螺旋板夹角的一半；螺旋板内侧与气体喷射管焊接一体；螺旋板外侧与气液反应管内壁贴合，其间隙小于1mm；螺旋板的螺距为1~4倍气液反应管内径，其扭转角在90°~270°之间。

所述的旋流与喷射同步的管式气液反应器，所述的喷射管壁开有通孔，其通孔沿着混合单元螺旋板形成的螺旋通道、在管壁上均匀的螺旋分布，通孔与气体喷射管表面的切平面成夹角，其夹角在30°~90°之间；通孔直径为2mm以上；喷射管径壁厚不小于3mm；喷射管上沿流体总体流动方向的后1~3混合单元长度范围内不开孔。

所述的旋流与喷射同步的管式气液反应器，其所述的气液反应管直径为气体喷射的径向高度超过反应管与喷射管间隙的1/2；气液反应管的长度为流体停留时间大于气液反应的时间计；气液反应管与气体分散喷射管之间用焊接或法兰连接。

所述的旋流与喷射同步的管式气液反应器，所述的液体入流管与气液反应器轴线之间的夹角不大于90°；液体入流管与第一个混合元件之间的间距为0.5~1.0倍反应器直径。

本发明的优点与效果是：

1. 传质效率高，气液流体在分散喷射及旋流静态混合同步作用下，气液混合均匀，比相界面积大，传质系数高；

2. 承压能力强，该气液反应器管径较小，可以承受较高的气液介质压力，可以应用到高压反应工况；

3. 可有效解决气液反应的热效应问题，反应器截面温度均匀，反应效果好，并可实现沿管长方向的变温控制；

4. 可替代釜式或塔式反应器，制成连续操作式反应器；

5. 流体流动接近活塞流，无返混现象，有效避免了副反应的发生，提高了产品纯度；

6. 各混合单元通过与气体喷射管焊接形成一个整体，便于维修及清洗；

7. 针对不同的应用场合和操作条件，可灵活改变流通通道数目及气体喷射孔直径与数量，达到最优化。

附图说明

图1为混合元件与气体喷射管装配结构图；

图2为混合元件与气体喷射管A-A截面剖视图；

图3为气液喷射管剖视图；

图4为旋流与喷射同步的管式气液反应器安装实例图片。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行详细说明。

图中：1为左旋螺旋板，2为右旋螺旋板，3为气体喷射管，4为气液反应管，5为液体入流管，6为夹套换热管，7为换热介质入（出）口管，8为换热介质出（入）口管。

为气体喷射孔数量，为气体喷射孔直径，为气体喷射孔轴线与反应管表面夹角，

。虚线代表相邻混合单元对应截面螺旋板所在方位，为同一混合单元相邻螺旋板夹角，

为相邻混合单元对应截面对应螺旋板夹角，一般取

。

本发明所提供的管式反应器，气液流体在螺旋通道内的流动过程中会形成径向流场，使流动截面内的气液分布更为均匀，同时气液流体在流经混合元件交界面时，由于相邻混合单元错开角度，气液会受到下一混合单元螺旋板的切割作用，较大的气体团在剪切力的作用下分离开来，形成较小的气泡，使比相界面积增大、传质效率提高。气体喷射管壁开有通孔，通孔沿着混合单元螺旋板形成的螺旋通道在管壁上螺旋均匀分布，并且通孔与气体喷射管表面切平面成夹角，该角度在30°～90°之间，倾斜角度在增加气液接触长度的同时，利用气体压力推动液体流动，可以降低系统阻力消耗。通孔直径及数量取决于气体流量及压降要求，从加工角度而言通孔直径宜为2mm以上；喷射管径应根据气体流量确定，壁厚不小于3mm以保证螺旋片焊接牢固及倾斜通孔具有一定壁面长度；喷射管上沿流体总体流动方向的后1～3混合单元长度范围内不开孔，以保证所有流体均受到气液喷射混合与旋流静态混合两种作用。气体喷射管的作用体现在三个方面：一是螺旋板的固定连接件，既保证了螺旋板的轴向及周向定位，又保证了整体混合元件在气液反应管内的定位；二是气体的引流分散管，气体通过该管流进反应器的中心位置，由于管壁在周向及轴向均匀开有通孔，气体通过这些通孔被分散开来与不同周向及轴向位置的液体接触，实现了气液的分散混合；三是气体喷射器，由于管壁上开有直径较小的通孔，在一定程度上每个通孔相当于一个喷嘴，气体喷射使液体分散成小液滴，增加了气液接触面积，加强了混合效果，强化了传质。

气液反应管是气液混合传质的空间，其直径取决于气液流量，其长度取决于反应速度。在满足系统压降要求的前提下，气液反应管直径应保证气体喷射的径向高度超过反应管与喷射管环隙的1/2。气液反应管长度要保证流体停留时间大于等于气液反应时间，对于连锁反应应严格控制两者直径的关系。气液反应管与气体分散喷射管之间可采用焊接或法兰连接。当液体粘度较大或气体中含有固体颗粒宜采用法兰连接，以便混合元件及气体分散喷射管的检修及清洗，但应严格保证法兰的密封要求。气液反应往往伴随着放热或吸热，有时可能是强放热或强吸热。利用夹套换热管可以有效解决气液反应的热效应问题。由于管式反应器的直径（气液反应管直径）一般较小（通常在DN200以下），并且该反应器内装有螺旋混合元件，减小了气液流动区域的径向温度梯度，减薄了热边界层厚度，提高了对流换热系数，从而利用夹套换热管内的换热介质即可实现反应管内流体温度的稳定控制，避免了由于温度不均匀而导致的副反应的发生。利用夹套换热管还可实现气液反应的分段变温控制，即将夹套换热管分为几个部分，各部分通入不同温度（或焓值）的换热介质就可实现气液反应的变温控制，从而得到不同的反应产物。

本发明的旋流与喷射同步的管式气液反应器可广泛用于连续进行气液混合及反应的场合，用来替代现有的搅拌釜式反应器、喷射釜式反应器或塔式反应器。本发明的静态反应器可垂直布置、水平布置、倾斜布置；可单一使用也可串联或并联使用，串联或并联使用时可采用对接或采用连接管连接，连接方式可采用焊接或法兰连接。

以下为本发明在乙氧基化方面的一个实例。

环氧乙烷(EO)与许多含有活泼氢的有机化合物 (起始剂)进行开环加成的反应称为乙氧基化，使用不同的起始剂可以得到聚乙二醇、非离子表面活性剂等上百种产品，这些乙氧基化产物是现代工业中非常重要的化工中间体和精细化工产品。鉴于对乙氧基化产物的广大需求及其对国民经济的重要性，对乙氧基化反应器的研究、开发及改进一直是EO深加工领域关注的重要问题。乙氧基化为一类特殊的聚合反应，反应强放热，反应物环氧乙烷化学性质活泼、易燃易爆、易分解、有毒，为高危化学品，对装置的安全性要求非常高。目前文献和专利报道的乙氧基化反应器类型多达 200种，其中Buss回路反应器(VLR)和Press循环喷雾反应器 (STLR)是目前较先进、应用最广泛的两种反应器。这两种反应器本身无机械传动部件，提高了反应器的安全性，均通过外部换热器移出反应热，并通过循环液的高速喷射增加了气液接触面积，强化了传质。Buss回路反应器和 Press循环喷雾反应器的实质是喷射反应器与釜式反应器的有效结合，从而具备了传质效率高、工作安全等优点，但是这两种反应器也有其自身的弱点，比如乙氧基化气液反应为半连续反应、反应器体积较为庞大、需要附加外部换热器，设备投资成本大等。本发明管式气液反应器既保持了Buss回路反应器和 Press循环喷雾反应器的特点，又克服了这两种反应器的缺陷。

本发明的管式气液反应器用作乙氧基化反应器，以苯酚为起始剂，在碱（氢氧化钾）催化剂的作用下与环氧乙烷进行加成反应。反应器直径（气液反应管）为DN80mm，长度为800mm，混合单元通道数为3，气体喷射孔数量为120个，直径为3mm，气体喷射孔轴线倾斜角度为45°。气相环氧乙烷在自身压力作用下进入气体喷射管，液相起始剂在泵的作用下进入气液反应管。环氧乙烷在喷射管壁通孔的分散作用下，沿圆周和轴线方向均匀地从小孔中喷射而出，喷射出的气流以一定倾斜角度进入液相，在完成传质的同时推动液相在螺旋通道内的螺旋流动。环氧乙烷以微小气泡形式存在于螺旋通道内，在螺旋流动所形成的径向流场的作用下，气液分布更为均匀，在气液流经混合单元交界面时，气液特别是气相（气泡）在下一单元螺旋板的剪切作用下，完成分散混合，同时阻止了小气泡的凝聚，进一步提高了混合反应效果。混合元件不仅强化传质，同时能够强化传热，在夹套换热管内通入导热油及时有效地携出反应器中的反应热，反应温度控制更加容易。实验得到无色透明的液体乙二醇苯醚产品, 主组分含量大于96% ，二甘醇苯醚含量只有0.54%，无需精制就可使用，极大地降低了成本。出口无气泡，环氧乙烷基本转化完，转化率在95%以上。实验结果表明本管式气液反应器提高了反应器的空时产率, 空时产率可达 1.5kg/ (m ³·s)，比传统釜式操作提高近20倍, 并可获得稳定可靠的产品。

Claims

1.旋流与喷射同步的管式气液反应器，其特征在于包括有左旋螺旋板（1）、右旋螺旋板（2）、及管壁开有通孔的气体喷射管（3）、气液反应管（4）、夹套换热管（5）、液体入流管（6），左旋螺旋板（1）、右旋螺旋板（2）的圆周方向上均匀分割有气液反应管与气体喷射管所形成的环状空间；在同一横截面上的螺旋板数量为2个或2个以上，其旋向相同、构成一个混合单元；相邻混合单元的螺旋板旋向相反，且在混合单元交界处设有夹角，其夹角为相邻螺旋板夹角的一半；螺旋板内侧与气体喷射管焊接一体；螺旋板外侧与气液反应管内壁贴合，其间隙小于1mm；螺旋板的螺距为1~4倍气液反应管内径，其扭转角在90°~270°之间。

2.根据权利要求1所述的旋流与喷射同步的管式气液反应器，其特征在于所述的喷射管壁开有通孔，其通孔沿着混合单元螺旋板形成的螺旋通道、在管壁上均匀的螺旋分布，通孔与气体喷射管表面的切平面成夹角，其夹角在30°~90°之间；通孔直径为2mm以上；喷射管径壁厚不小于3mm；喷射管上沿流体总体流动方向的后1~3混合单元长度范围内不开孔。

3.根据权利要求1所述的旋流与喷射同步的管式气液反应器，其特征在于，所述的气液反应管直径为气体喷射的径向高度超过反应管与喷射管间隙的1/2；气液反应管的长度为流体停留时间大于气液反应的时间计；气液反应管与气体分散喷射管之间用焊接或法兰连接。

4.根据权利要求1所述的旋流与喷射同步的管式气液反应器，其特征在于，所述的液体入流管与气液反应器轴线之间的夹角不大于90°；液体入流管与第一个混合元件之间的间距为0.5~1.0倍反应器直径。