CN100418883C - 内环流叠管式溶出反应器 - Google Patents

Abstract

一种内环流叠管式溶出反应器，属于一种铝土矿溶出过程所用的管式反应器技术领域。包括反应器管，各相邻反应器管上下叠放，之间通过接管连接，每个反应器管的输入和输出接管上下相间分别设置在反应器管的两端，其上一反应器管的输出接管即为下一反应器管的输入接管，且接管与反应器管的一侧相切，各反应器管中分别设置有搅拌装置，所述的搅拌装置是由一系列等间距的刮板通过固定轴联接在搅拌轴上构成，刮板与反应器管壁相接触，固定轴联接在搅拌轴上，搅拌轴穿过法兰与电机相连，通过电机带动其转动。其优点是增加液固两相流动介质在流动过程中的湍流程度，加强传质传热和多相反应过程。

Description

内环流叠管式溶出反应器

技术领域

本发明涉及一种铝土矿溶出过程所用的管式反应器技术领域，特别涉及一水硬铝石型铝土矿溶出过程所用的一种内环流叠管式溶出反应器。

背景技术

氧化铝工业是一个典型的流程工业，涉及到矿石的溶出、沉降分离、蒸发、和分解等工序。其中，铝土矿的溶出是拜尔法生产氧化铝的最主要的工艺过程与耗热工序，溶出指标的好坏将直接影响氧化铝生产的产能和能耗指标。因此，寻求强化溶出过程的溶出工艺与装置一直是国内外氧化铝工业生产中的一个重要课题。近几年，我国所引进和消化吸收的技术和装备都是西方国家为适应三水铝石原料而研究设计的。尽管对它们也进行了针对一水硬铝石原料的消化创新，但是一些主要设备至今还不是适应一水硬铝石原料的最佳生产设备。例如，引进的法国立管式溶出器和德国的单管道溶出设备，从已进行的多年生产实际可看出，对硅高、钛高的原料结疤问题至今没有得到很好的解决。高温溶出生成结疤的传热系数只有1.2～1.6，仅为钢材的1/35左右，严重影响了设备的传热效果，因此，我国氧化铝企业现有的溶出设备，无论进口的或是进口改造的，其热能利用率都很低。这一问题一直困扰着我国氧化铝工业，使我国氧化铝工业能耗大大高于国外企业，缺乏国际竞争能力。

我国的铝土矿资源99％属于难溶性一水硬铝石型矿，这是一种高铝高硅的难溶矿石，矿石的铝硅比(A/S)低，溶出性能差。从动力学角度分析，传热表面结疤基本上可以分成三步，一是结疤物质在液相中的析出，二是结疤物质向传热表面传输，三是结疤物质在传热表面沉积。其中，第二、三步取决于动力学过程，控制动力学条件，也就是控制结疤物质向传热面的迁移和沉积，延缓结疤。而现有的管式反应器结构，是在反应器管的两端分别安装有输入和输出接管，多相流通过输入接管进入反应器进行反应，通过输出接管流出。此结构决定了其不能有效控制动力学过程，导致结疤生成。特别是在我国氧化铝工业铝土矿管道化溶出过程中，管壁结疤问题严重、设备运转率降低、清理结疤困难以及溶出管道长度较长、占空间大、设备投资增加等缺陷。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种内环流叠管式溶出反应器，它是通过叠管式设计及增加搅拌装置，通过加强液体搅拌增加多相反应介质在流动过程中的湍流程度，缩短均匀混合时间和反应时间，强化传热传质和多相反应过程。起搅拌作用的刮板能持续刮擦壁面从而有效控制结疤物在传热面附着，达到防止结疤的目的。

本发明的结构采用叠管式设计，各相邻反应器管上下叠放，之间通过接管3连接，每个反应器管1的输入和输出接管3上下相间，分别设置在反应器管的两端，其上一反应器管的输出接管即为下一反应器管的输入接管，且接管3与反应器管1的一侧相切(如图5所示)，在各反应器管中设有搅拌装置，如图1所示；其搅拌装置是由一系列等间距的搅拌刮板4通过固定轴5联接在搅拌轴6上构成，刮板4与反应器管壁相接触，能持续刮擦反应器管壁各处，固定轴5联接在搅拌轴6上，搅拌轴6穿过法兰7与电机相连，通过电机带动其转动。如图4所示，为保证刮板在搅拌过程中互不干扰，固定轴5在搅拌轴6上沿轴向和径向均匀分布，相邻固定轴5之间互成90度角，为保证刮板在刮擦反应器管壁过程中不留死角，刮板4长度大于或等于固定轴5的间距，如图4所示。刮板4与固定轴5垂直，即刮板4与搅拌轴6保持平行或成任意角度，根据实际需要自行调整，这样能改变流动状态，增强混合效果。固定轴5的长度保证刮板4与反应器管壁接触，与管壁接触的刮板4的端面为平面或曲面。固定轴5与搅拌轴6的联接方式为固定联接或非固定联接，其非固定联接方式是在固定轴5与搅拌轴6之间安装弹簧10，固定轴5通过套管9固定在搅拌轴6上，如图3所示，在弹簧作用下，固定轴5的长度可自由伸缩，使刮板4与反应器管1的管壁面柔性接触，利于刮板4刮擦反应器管壁。其中搅拌转速根据实际需要可自行调整。

本发明的工作过程：多相流8通过接管3沿管切线，从上层反应器管流入下层反应器管，在搅拌装置搅拌的作用下，多相流8以螺旋路线在管内环流前进，在管内壁形成流动膜。

本发明的优点是：1.借助搅拌装置增加液固两相流动介质在流动过程中的湍流程度，强化传质传热和多相反应过程；2.具有刮板功能的新型搅拌装置能持续刮擦管壁各处，可防止并破坏结疤在传热面的附着，从而达到防止结疤的目的；3.在搅拌的作用下，多相流介质呈内环流流动方式，与现有管道化反应器相比，其混合时间大大缩短，从而能够增加设备产能。4.独特的叠管式设计节省了反应器的占地面积，减少设备投资。

附图说明

图1是本发明的整体结构工作状态示意图，

图2是本发明的固定轴与搅拌轴固定联接的结构示意图，

图3是本发明的固定轴与搅拌轴非固定联接的结构示意图，

图4是本发明的刮板与固定轴在反应器中的排布方式示意图，

图5是图4的A-A剖视图，

图6是本发明实施例1中的停留时间分布曲线，

图7是本发明实施例1中的混合时间曲线，

图8是本发明实施例2中的停留时间分布曲线，

图9是本发明实施例2中的混合时间曲线，

图10是本发明实施例3中的停留时间分布曲线，

图11是本发明实施例3中的混合时间曲线，

图中1反应器管，2搅拌装置，3接管，4刮板，5固定轴，6搅拌轴，7法兰，8多相流，9套管，10弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步分析和说明。

实施例1：如图1所示，各相邻反应器管上下叠放，之间通过接管3连接，每个反应器管1的输入和输出接管3上下相间分别设置在反应器管的两端，其上一反应器管的输出接管即为下一反应器管的输入接管，且接管3与反应器管1的一侧相切，各反应器管中设有搅拌装置，通过电机带动其工作。如图2、图4、图5所示，搅拌装置的刮板4与固定轴5固定连接，固定轴5沿轴向和径向均匀焊接在搅拌轴6上，相邻固定轴5之间互成90度角，固定轴5的长度保证刮板4与反应器管1的管壁接触。本实施例中刮板4与固定轴5之间通过焊接联接，刮板4长度等于固定轴5的间距为110mm，刮板4与固定轴5垂直，刮板与搅拌轴保持平行。

其主要参数如下表所示：

反应器管长(mm)	反应器管径(mm)	进出水口接管管径(mm)	进出水口间距(mm)	固定轴间距(mm)
					2000	200	50	1280	110

对此种反应器进行了停留时间分布实验和混合时间实验，实验中选取NaCl水溶液作为示踪剂，根据刺激-响应技术，采用脉冲示踪法来测定停留时间分布曲线，如图6所示，根据停留时间分布曲线，按以下两式计算平均停留时间t和无因次方差σ²。

$\stackrel{-}{t}=\frac{{\∫}_0^{\∞}\mathrm{tE}\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^{\∞}E\left(t\right)\mathrm{dt}}$

${\mathrm{\σ}}^2={\∫}_0^{\∞}{\mathrm{\θ}}^{2}E\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}-1$

计算结果如下表所示：

实验序号	平均停留时间(t)	σ<sup>2</sup>(θ)
			1	107.1	0.206
2	117.7	0.154
			3	89.5	0.209

其中：1号实验：流量1m³/h，转速200rpm

2号实验：流量1.25m³/h，转速150rpm

3号实验：流量1.5m³/h，转速250rpm

其中：t——时间，

θ——无因次时间

E(t)——停留时间分布密度函数L/s，其中L为单位升，s为单位秒

同样以NaCl水溶液作示踪剂来测定混合时间：定义开始加入NaCl溶液至输出信号达到最终稳定值的95％所经过的时间为管式反应器的混匀时间t_m，图7中的混合时间曲线分别是在不同的搅拌转速下测量得到的，由混合曲线计算得到的混合时间如下表所示：

转数(rpm)	混合时间t<sub>m</sub>(秒)
		150200250300	302287264228

实施例2：如图1所示，各相邻反应器管上下叠放，之间通过接管3连接，每个反应器管1的输入和输出接管3上下相间分别设置在反应器管的两端，其上一反应器管的输出接管即为下一反应器管的输入接管，且接管3与反应器管1的一侧相切，各反应器管中设有搅拌装置，通过电机带动其工作。如图2、图3、图4、图5所示，搅拌装置的刮板4与固定轴5固定连接，固定轴5沿轴向和径向均匀分布在搅拌轴6上，相邻固定轴5之间互成90度角，固定轴5的长度保证刮板4与反应器管1的管壁接触。本实施例中搅拌装置的固定轴5与搅拌轴6之间为非固定联接：在刮板4与固定轴5之间安装弹簧10，固定轴5通过套管9固定在搅拌轴6上。刮板4长度大于固定轴5的间距，为165mm，刮板4与固定轴5垂直，刮板与搅拌轴保持平行。

反应器管长(mm)	反应器管径(mm)	进出水口接管管径(mm)	进出水口间距(mm)	固定轴间距(mm)
					2000	200	50	1280	110

对此种反应器进行了停留时间分布实验和混合时间实验，实验中选取NaCl水溶液作为示踪剂，根据刺激-响应技术，采用脉冲示踪法来测定停留时间分布曲线，如图8所示，根据停留时间分布曲线，按以下两式计算平均停留时间t和无因次方差σ²。

$\stackrel{-}{t}=\frac{{\∫}_0^{\∞}\mathrm{tE}\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^{\∞}E\left(t\right)\mathrm{dt}}$

${\mathrm{\σ}}^2={\∫}_0^{\∞}{\mathrm{\θ}}^{2}E\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}-1$

计算结果如下表所示：

实验序号	平均停留时间(t)	σ<sup>2</sup>(θ)
			1	81.5	0.391
2	60.6	0.429
			3	44.3	0.328

其中：1号实验：流量1m³/h，转速150rpm

2号实验：流量1.25m³/h，转速250rpm

3号实验：流量1.5m³/h，转速200rpm

其中：t——时间，

θ——无因次时间

E(t)——停留时间分布密度函数L/s，其中L为单位升，s为单位秒

同样以NaCl水溶液作示踪剂来测定混合时间：定义开始加入NaCl溶液至输出信号达到最终稳定值的95％所经过的时间为管式反应器的混匀时间t_m，图9中的混合时间曲线分别是在不同的搅拌转速下测量得到的，由混合曲线计算得到的混合时间如下表所示：

转数(rpm)	混合时间t<sub>m</sub>(秒)
		150200250300	296274252220

实施例3：如图1所示，各相邻反应器管上下叠放，之间通过接管3连接，每个反应器管1的输入和输出接管3上下相间分别设置在反应器管的两端，其上一反应器管的输出接管即为下一反应器管的输入接管，且接管3与反应器管的一侧相切，各反应器管中设有搅拌装置，通过电机带动其工作。如图2、图4、图5所示，搅拌装置的刮板4与固定轴5固定连接，固定轴5沿轴向和径向均匀焊接在搅拌轴6上，相邻固定轴5之间互成90度角，固定轴5的长度保证刮板4与反应器管1的管壁接触。本实施例中搅拌装置的刮板4与固定轴5之间通过焊接联接，刮板4长度等于固定轴5的间距为110mm，刮板4与固定轴5垂直，刮板与搅拌轴成30度角。

反应器管长(mm)	反应器管径(mm)	进出水口接管管径(mm)	进出水口间距(mm)	固定轴间距(mm)
					2000	200	50	1280	110

对此种反应器进行了停留时间分布实验和混合时间实验，实验中选取NaCl水溶液作为示踪剂，根据刺激-响应技术，采用脉冲示踪法来测定停留时间分布曲线，如图10所示，根据停留时间分布曲线，按以下两式计算平均停留时间t和无因次方差σ²。

$\stackrel{-}{t}=\frac{{\∫}_0^{\∞}\mathrm{tE}\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^{\∞}E\left(t\right)\mathrm{dt}}$

${\mathrm{\σ}}^2={\∫}_0^{\∞}{\mathrm{\θ}}^{2}E\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}-1$

计算结果如下表所示：

实验序号	平均停留时间(t)	σ<sup>2</sup>(θ)
			1	293.8	0.263
2	211.9	0.256
			3	164.0	0.272

其中：1号实验：流量0.5m³/h，转速150rpm

2号实验：流量0.75m³/h，转速150rpm

3号实验：流量1m³/h，转速150rpm

其中：t——时间，

θ——无因次时间

E(t)——停留时间分布密度函数L/s，其中L为单位升，s为单位秒

同样以NaCl水溶液作示踪剂来测定混合时间：定义开始加入NaCl溶液至输出信号达到最终稳定值的95％所经过的时间为管式反应器的混匀时间t_m，图11中的混合时间曲线分别是在不同的搅拌转速下测量得到的，由混合曲线计算得到的混合时间如下表所示：

转数(rpm)	混合时间t<sub>m</sub>(秒)
		150200250300	292278253221

上述三个实施例的停留时间分布实验和混合时间实验表明，反应器内流体流动型态接近活塞流，搅拌装置的加入大大改善了管式反应器内的混合特性，缩短了混合时间。

Claims (3)

1. 一种内环流叠管式溶出反应器，包括反应器管，其特征在于各相邻反应器管上下叠放，之间通过接管(3)连接，每个反应器管的输入和输出接管(3)上下相间，分别设置在反应器管的两端，其上一反应器管的输出接管即为下一反应器管的输入接管，且接管与反应器管的一侧相切，各反应器管中都分别设有搅拌装置，所述的搅拌装置是由一系列等间距的刮板(4)通过固定轴(5)联接在搅拌轴(6)上构成，刮板(4)与反应器管壁相接触，固定轴(5)联接在搅拌轴(6)上，搅拌轴(6)穿过法兰(7)与电机相连，固定轴(5)在搅拌轴(6)上沿径向和轴向均匀分布，相邻固定轴(5)之间互成90度角，刮板(4)与固定轴(5)垂直，即刮板(4)与搅拌轴(6)保持平行或成任意角度，刮板(4)长度大于或等于固定轴(5)间距，固定轴(5)长度保证刮板(4)与反应器管壁接触。

2. 根据权利要求1所述的内环流叠管式溶出反应器，其特征在于与管壁接触的刮板端面为平面或曲面。

3. 根据权利要求1所述的内环流叠管式溶出反应器，其特征在于所述的固定轴(5)与搅拌轴(6)之间的联接方式为固定联接或非固定联接，非固定联接方式是在搅拌装置的固定轴(5)与搅拌轴(6)之间安装弹簧(10)，固定轴(5)通过套管(9)固定在搅拌轴(6)上。

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