CN101028586A - 鼓泡式多相反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及鼓泡式多相反应器，其特征在于包括塔体，2至8000块塔盘，气体分布器，塔盘等距或不等距设置在塔体内，在每块塔盘上设有10至200个升气管，规则或不规则排列，以及1－5个降液管，设在塔盘边缘区，升气管开孔率为5－50％，每个升气管管体上开有规则或不规则排列的1－30个通气孔，其孔径为0.5－10mm。该反应器完全解决了传统鼓泡式反应器气含率小、反应效率低的缺陷，其流体力学性能优良，气—液或气—液—固混合良好，总传质效率高，可广泛应用于各类气—液或气—液—固化学反应过程。

Description

鼓泡式多相反应器

技术领域

本发明涉及化学工程设备领域，具体地说，涉及鼓泡式多相反应器。

技术背景

气-液或气-液-固三相反应器广泛应用于化工、能源、环境和生化等领域。通常对气-液或气-液-固反应均采用鼓泡式或机械搅拌釜式反应器。这两类传统的反应器效率低、能耗高，应用领域受到反应体系的限制。在多相流反应器中，相间传质、混合和传热是决定反应器性能的重要技术指标，直接影响到的反应强度、转化率和产品质量。对于气-液或气-液-固反应体系，相间传质往往是决定反应器效果的关键因素。特别是对于传质是总反应控制步骤和涉及液相或固相催化剂的反应过程，为加快总反应过程，就必须采用某种形式的机械搅拌，以提高传质速率和相间混合。采用机械搅拌，不仅能耗高，不易密封，造成环境污染，特别是工业生产量较大时，往往采用多台同样的搅拌釜，不仅增加了设备投资，而且产品的质量的稳定性和一致性也受到影响。一般的鼓泡床虽然具有结构简单，相间接触较好的优点，但是在相间传质强化方面有很大余地。在这类反应器中，随表观气速的增加，一般从均匀鼓泡区、过渡区到搅拌湍动区(不均匀鼓泡区)，在床径较小时，还会出现柱塞区，都会形成一定数量的球帽形大气泡。由于球帽形大气泡与小气泡相比，其比表面积非常小，严重影响相间接触效果，而且由于大气泡上升速度很快，造成部分气体一定程度的短路，这些都使相间传质和反应物的转化率大大降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中传统的鼓泡式反应器存在的不足，经发明人多年从事反应器设备的开发研究及工业化生产实践，开发提供一种结构独特新颖，流体力学性能优良、混合良好，总传质效率高的鼓泡式多相反应器。

本发明提供的鼓泡式多相反应器，其特征在于包括塔体9(筒体)1，塔顶6，塔底7，塔顶和塔底都为半球形，塔体长径比为3-12，优选为5-10；塔盘2为1至50块塔盘，每块塔盘等距或不等距设置在塔体内与塔体呈90°角，塔盘的直径等于塔体内径，通过支架或焊接固定在塔体上；气体分布器3，设在塔体底部塔底上方处；所述塔盘在其上向上设有10至8000个升气管4，优选为3000至7000个升气管，以及在塔盘下向下设有1至5个降液管5，每个塔盘上的升气管呈规则或不规则排列例如呈正三角形、同心圆、射线状、菱形状、四边形或正方形等，优选为各排升气管相邻错开呈正三角形排列，其中升气管开孔率为(各塔盘面积的)5-50％，每个升气管高5-100mm，优选为10-40mm，内径2-50mm，优选为2-30mm，在升气管管体上(周围和/或顶)规则或不规则开有1-30个通气孔8，其孔径为0.5-10mm，开孔率为(升气管)管体面积的0.1-30％，优选为1-10％；降液管设在塔盘边缘区。

按照本发明提供的鼓泡式多相反应器中所述反应器通常为塔式反应或其它形式反应器，随着反应物料，气-液或气-液-固性质不同，反应条件及历程的差别，以及流速流量的不同，选择塔体长径比、塔盘结构，特别塔盘升气管的数量尺寸，以及通气孔的数目和尺寸使反应体系达到最优化。升气管的开孔率是指塔盘上升气管开孔的总面积比塔盘圆面积，若开孔率在5％以下，50％以上气液或气-液-固反应体系在反应器中运行不良，分布不均，接触不良，会出现柱塞区及不均匀气泡区，产生大气泡迅速上升，严重影响相间接触效果造成短路。

在本发明的鼓泡式多相反应器中，由于设备结构，特别塔盘结构独特，反应气体从鼓泡式多相反应器底部经气体分布器3进入，并立即在气体分布器3周围产生大量气泡，在密度差和气体进入反应器的冲力作用下，气体上升，经过多级塔盘上的层层升气管4进行多级分配，气泡分布非常均匀，液体或液固两相从鼓泡式反应器顶部进入，通过多级塔盘上的降液管5向下流动，在塔盘上与气体进行逆流和错流接触。由于气体被均匀分布成小气泡，在反应器内部各处湍动差别不大，气含率分布均匀。气体在反应器内经过每层塔盘时，都进行均匀分布成小气泡与液相或液固相进行充分接触，从而提高气体在液相中的溶解度，提高相间传质效果，从而提高了反应效率，缩短反应时间。

本发明提供的鼓泡式多相反应器的特点是：

①本发明鼓泡式多相反应器由塔体、塔盘和气体分布器构成，结构简单，特别是塔盘结构独特，完全克服了传统鼓泡反应器气含率小，反应效率低的缺陷。

②反应气体经气体分布器进入反应器后，气泡在塔底产生后，由于气体的喷射力和密度差，气泡会向上运动；再经多级塔盘分布，使气泡密而小，气-液接触充分完全，气含率高，局部气含率分布均匀，所以传质速率高，气体溶解速度快；对于气-液-固三相反应体系，固体颗粒在反应器内分布均匀，不发生局部积累和沉积，缩短反应时间，产品质量稳定。

③本发明的反应器内无机械搅动部件，气-液或气-液-固等流体在反应器中混合良好，无死角，传质速率高。气泡和固体颗粒在塔盘上均匀分布，气含率和固含率均匀一致，固体颗粒不会在任何部位发生沉积。

本发明提供的鼓泡式多相反应器可广泛应用于氧化反应过程，发酵过程等各类气-液和气-液-固反应过程中。

附图说明

图1鼓泡式多相反应器的结构示意图

图2为塔盘的结构示意图

具体实施方式

本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。

实施例1及比较例1

针对气液体系，以常压空气为气体介质，液相介质为水。实验用反应器为鼓泡床反应器(比较例1)和鼓泡式多相反应器(实施例1)。其中鼓泡床反应器外筒内径为0.30m，反应器总高度3.0m，反应器底部为球形，装有气体分布器。鼓泡式多相反应器(塔体1)内径为0.30m，反应器总高度3.0m，反应器塔底7为球形，在靠近塔底处装有气体分布器3。鼓泡式多相反应器内装有六块塔盘2，塔盘间距0.3m，在塔盘上向上设50个升气管4，升气管呈正三角形排列，升气管高10mm，内径8mm，每个升气管管体上开2个孔径为1.5mm通气孔8，以及1个降液管5，向下设在塔盘边区处。

在通气范围为1cm/s-8cm/s的条件下，鼓泡床反应器的上部气泡数量较多，下部气泡数量较少，气泡分布很不均匀，气泡在塔内通过时有从塔中心线短路的现象发生；而鼓泡式多相反应器内，气泡分布均匀，接触充分完全，气泡在反应器内有较长的运动路径，停留时间长。从流动形态上判断，鼓泡式多相反应器明显优于鼓泡床反应器。

采用床层膨胀法测定反应器的气含率，溶氧法测定反应器体积平均传质系数。鼓泡式多相反应器与鼓泡床反应器相比，平均气含率提高10-30％，反应器平均体积传质系数提高10％-40％。

实施例2：

针对气-液-固三相体系，以常压空气为气体介质，浓度为20％的水煤浆为液-固相。煤的粒度小于0.15mm，实验用反应器为鼓泡式多相反应器，鼓泡式多相反应器塔体1内径为0.30m，反应器总高度3.0m，反应器塔底7为球形，在靠近塔底处装有气体分布器3。反应器内装有六块塔盘2，塔盘间距3.0m，在塔盘上向上设50个升气管4，长气管呈同心圆排列，升气管高10mm，内径8mm，每个升气管管体上规则开4个孔径为1.5mm通气孔8，以及2个降液管5对称向下设在塔盘两边区。

在通气范围5cm/s-8cm/s的条件下，水煤浆连续进料，进料量为80kg/h。实验24小时后，检查每层塔盘，塔盘上未发现煤颗粒沉积。

Claims (3)

1.一种鼓泡式多相反应器，其特征在于包括塔体(1)，塔顶(6)，塔底(7)，塔顶和塔底为半球形，塔体长径比为3-12；塔盘(2)为1至50块塔盘，每块塔盘等距或不等距设置在塔体内与塔体呈90°角，塔盘的直径等于塔体内径，通过支架或焊接固定在塔体上；气体分布器(3)，设在塔体底部塔底上方处；所述塔盘在其上向上设有10至8000个升气管(4)，以及在塔盘下向下设有1至5个降液管(5)，每个塔盘上的升气管呈规则或不规则排列，其中升气管开孔率为5-50％，每个升气管高5至100mm，内径2至50mm，在升气管管体上规则或不规则开有1至30个通气孔(8)，其孔径为0.5至10mm，开孔率为0.1-30％，降液管设在塔盘边缘区。

2.根据权利要求1的鼓泡式多相反应器，其特征在于所述塔体长径比为5至10；所述塔盘上升气管(4)为3000至7000个升气管，呈三角形、同心圆、射线状、菱形状、四边形或正方形排列，每个升气管高10-40mm，内径2至30mm；所述通气孔(8)的开孔率为1至10％。

3.根据权利要求2的鼓泡式多相反应器，其特征在于所述塔盘上升气管呈相邻错开呈正三角形排列。

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