CN101934212A - 一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，包括如下次序连通的设备：循环增压风机、反应气体灌、辅助气体灌、反应粉体设备、反应粉体中间仓、等离子体管式反应器、气固分离设备、反应后粉体中间仓、反应后粉体输送设备、反应后粉体预处理设备、产品灌、反应后气体处理设备；反应气和辅助气经过增压风机与固体物质混合送入等离子体管式反应器反应，后经气固分离气相被循环使用，杂质排出处理；固相反应完全的送入产品系统，未反应完全的循环反应；解决了传统工艺成本高，工艺复杂，污染环境并且采用等离子技术时反应器中固体物质容易粘结、堆积，产品质量差，反应不连续稳定等问题，可应用于化工氯化工艺中。

Description

一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置

技术领域

本发明涉及一种气-固/气-气相反应方法，特别是一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置。

背景技术

随着化工行业的竞争性不断加大，人们已经开发出许多新工艺以及新的反应器，例如流化床反应器、搅拌式缩聚反应器、生物反应器、膜生物反应器、固定床反应器、BASB反应器、工C反应器、微波反应器、超声波反应器等等，根据不同的应用领域反应器装置的发展也在日趋成熟和完善。

在化学工艺中，气-固或气-气反应一般都在反应器或者反应釜中通过一些特定条件来完成反应过程，这类反应器形式多样，专利文献中也公布了很多，如01822546.2公布的使用管式反应器的低成本聚酯工艺，专利中详细介绍了已经公开的将多个搅拌釜用于提供对反应的附加控制(US专利No.4110316和WO98/10007)；US专利No.3054776公开了在反应器之间低压降的使用，而US专利No.3385881公开了在一个反应器外壳内的多个反应段，笔者认为这些设计经过改进虽然解决了夹带或堵塞，热整合，传热，反应时间，反应器数目等有关的诸多问题，然而其设计及其复杂，它需要详细计算和设计技巧，安装难度大，成本过高。管式反应器的使用很好的解决了上述存在的问题，管式反应器是由多根细管串联或并联而构成的一种反应器。通常管式反应器的长度和直径之比大于50-100，在实际应用中，多数采用连续操作，少数采用半连续操作，使用间歇操作的则极为罕见。其优点是由于反应物的分子在反应器内停留时间相等，所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度都不随时间而变化，只随管长变化；管式反应器的单位反应器体积具有较大的换热面，特别适用于热效应较大的反应；由于反应物在管式反应器中反应速度快、流速快，所以它的生产率高；管式反应器适用于大型化和连续化的化工生产；和釜式反应器相比较，其返混较小，在流速较低的情况下，其管内流体流型接近于理想置换流。其已经公开在先有技术专利中，被组合到工艺或者设备中，如US专利No.3192184公开了在反应器的内有挡板的管、US专利No.3644483公开了管用于浆料添加的用途、WO96/22318和US专利No.5811496公开的在酯化和聚合反应器之间的两个管式反应器；因此管式反应器是一个发展较为成熟的技术，将气-固/气-气相通过管式反应器进行一系列化学反应、操作简便、反应速率快，反应充分、运行成本低，然而，有些化学反应仍需要高温或者催化剂等特殊条件下才能完成，比如氯乙烯与氯化氢反应，乙炔气与氯化氢反应等，满足特殊条件不仅使工艺复杂化，产生副产物处理难度大，成本高，污染环境，而且对于管式反应器反应速率很低时所需管道过长，工业上不易实现。因此，2005中国科学院等离子体物理研究所孟月东、熊新阳提出了一项专利：200510094436.2等温等离子体氯化高分子聚合物的方法，该专利是在等离子体放电环境中，将高分子聚合物与含氯气非聚合气体混合，进行低温等立体氯化反应，其过程能够实现快速氯化，反应全过程对环境污染小，产品质量稳定可靠，该技术专利很好的将等离子体物理技术应用与化学反应过程，在近20年来，随着等离子体物理不断的发展和完善，等离子技术已经在能源、化工、生物、航天等科技领域初露峥嵘，其独特的化学活性和高能量特点，使许多传统化学方法难以实现或者根本就无法实现的化学反应成为可能，促成化工领域的技术革新，国内几所高等学府、研究院对其也投入了研究，上一专利方法具备了等离子体工艺要求，其合理性和经济性优于其他方法，加之还具有工艺简单和无催化剂，反应设备体积小、投资少，无环境污染等优点，从而显示出该工艺方法的整体优势。但是，通过试验分析得出存在以下的缺点：首先，反应是在在绝缘的釜式反应器中进行，固体物加入后由于等离子放电快，长时间反应固体物质容易粘结在电极上产生堆积现象造成反应不连续、不稳定；其次，由于等离子反应速率快，固体物质的堆积会影响产品质量和引发副反应，不易控制，对等离子发生器的寿命会产生影响。因此，提供一种新的方法将对气-固/气-气相反应具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于解决先有技术中对气-固/气-气相反应满足特殊条件需要的成本高，工艺复杂，污染环境并且在采用等离子技术时反应器中固体物质容易粘结、堆积，产品质量差，反应不连续、不稳定等问题，进而提供一种将管式反应器和等离子体作为反应催化剂结合的新的反应器；不仅结合了管式反应器的有优点连续操作、生产能力大、易于实现自动化控制、实现分段温度控制、节省人力、传热面积大、湍流状态下操作具有良好的传质效果、耐压高、结构简单、加工方便；而且利用等离子体活性高，反应速度快的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置。

一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，包括如下次序连通的设备：循环增压风机、反应气体灌、辅助气体灌、反应粉体设备、反应粉体中间仓、等离子体管式反应器、气固分离设备、反应后粉体中间仓、反应后粉体输送设备、反应后粉体预处理设备、产品灌、反应后气体处理设备；反应气体灌和辅助气体灌的气体经过循环增压风机后与反应粉体设备中的固体物质混合送入等离子体管式反应器，反应完成后经过气固分离设备气体从顶部进入反应后气体处理设备进行循环使用，杂质从反应后气体处理设备底部排出；固体物质从底部进入反应后粉体中间仓通过反应后粉体输送设备送入反应后粉体预处理设备，未反应完全的进入反应粉体中间仓循环反应，反应完全的经过反应后粉体预处理设备送入产品灌处理后得到产品。

上述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其等离子体管式反应器包括如下依次连接的设备：等离子体电源、电源导线、电极、电极外套、管式反应器外壳、换热管、管式反应器壳体换热保温层；上述装置有序连接，保证反应连续高效运行。

上述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其等离子体管式反应器外壳为绝缘材料，反应器电极外壳为高绝缘材料，如有机玻璃、石英等；确保等离子体管式反应器稳定运行、放电均匀正常。

上述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其等离子体管式反应器电极为水平均匀布置，层数为一层或者多层，保证放电均匀。

上述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其等离子体管式反应器电极间隙为1mm-8mm之间，均匀布置，保证放电均匀。

上述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其等离子体管式反应器内设有换热管，换热管数量为一个或者多个，防止气体腐蚀和颗粒冲刷。

上述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其等离子体管式反应器可以是一个或者多个，多个等离子体管式反应器可以是并联或者串联，并联或者串联时电极可为多个，使工艺满足不同规模的生产需要。

上述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其气辅助气体为氮气、氩气、氢气等不易反应气体，减少副反应产生，使反应正常。

上述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其风机气速控制在4-23m/s，使整个装置运行稳定连续。

上述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，反应气体循环使用，降低成本，不污染环境。

本发明是将等离子技术的优点与管式反应器的优点综合于一体，不仅克服反应速率很低工业上不易实现管式反应器的缺点，扩大了管式反应的应用领域。而且，克服了等离子体反应由于等离子体反应过程速度快，等离子体温度高，容易造成局部过热，而破坏反应物或产生不利的反应的缺点，使气-固/气-气相反应低成本、高效率、连续稳定、清洁运行。

本发明可以应用于氯化如：PVC、PE、PP、ABS等；粉体改性、催化裂化等领域。它还具有能耗小、操作简便、无反混现象等优点。

附图说明

图1是本发明实施例1的工艺流程图。

图2是本发明实施例1的等离子体管式反应器结构示意图。

图3是本发明实施例1的等离子体管式反应电极剖面图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明。

参照图1-3，本实施例1包括如下次序的步骤：循环增压风机8、反应气体灌9、辅助气体灌10、反应粉体设备11、反应粉体中间仓12、等离子体管式反应器13、气固分离设备14、反应后粉体中间仓15、反应后粉体输送设备16、反应后粉体预处理设备17、产品灌18、反应后气体处理设备19；反应气体灌9和辅助气体灌10内的氮气、氩气、氢气等不易反应气体经过循环增压风机8，风机气速控制在4-23m/s，后与反应粉体设备11中的固体物质混合送入等离子体管式反应器13，等离子体管式反应器由等离子体电源1、电源导线2、电极3、电极外套4、管式反应器外壳5、换热管6、管式反应器壳体换热保温层7等装置组成，等离子体管式反应器外壳5和电极3均有绝缘材料制成，且电极3水平布置，间隙控制在1mm-8mm之间；反应完成后经过气固分离设备14气体从顶部进入反应后气体处理设备19进行循环使用，杂质从反应后气体处理设备19底部排出；固体物质从底部进入反应后粉体中间仓15通过反应后粉体输送设备16送入反应后粉体预处理设备17，未反应完全的进入反应粉体中间仓12循环反应，反应完全的经过反应后粉体预处理设备17处理后送入产品灌18处理后得到产品。

实施例2

本发明实施例2为反应气体灌9里的氯化氢气体与辅助气体灌10内的氮气经过气速控制在15m/s的循环增压风机8增压后与反应粉体设备11中的聚氯乙烯单体混合送入等离子体管式反应器13，氯气和氮气在等离子体区域产生低温等离子体，低温等离子态的含氯气的气体和聚氯乙烯(PVC)反应，同时产生反应热，为控制反应的温度，在等离子体管式反应器13内部设有换热管6，在等离子体管式反应器13外壁设有管式反应器壳体换热保温层7，以保证反应器温度控制在80-110℃；反应后的气体和PVC从等离子体管式反应器13顶部排除，经气固分离设备14，气体进入反应后气体处理设备19，除去反应气体中的HCl和干燥后，未反应氯气和辅助气体进入到循环风机8入口，经风机增压后循环使用；固相粉体在等离子体管式反应器13由气体夹带出等离子管式反应器13。经气固分离设备14，固体进入反应后粉体中间仓15，如果氯化值达到技术要求，反应后粉体中间仓15中的CPVC粉体由反应后粉体输送设备16送到反应粉体预处理设备17，除去粉体吸附的Cl₂、HCl和辅助气体，最后进入到成品包装工段；如果氯化值没有达到技术要求，反应后粉体中间仓15中的CPVC粉体由反应后粉体输送设备16送到反应粉体中间仓12继续反应，直到达到要求。

实施例3与实施例1或2的不同之处在于：辅助气体可以为氩气或者氢气。

实施例4与实施例1或2的不同之处在于：风机气速为4m/s。

实施例5与实施例1或2的不同之处在于：风机气速为23m/s。

实施例6与实施例1或2的不同之处在于：可以串联或者并联多个等离子体管式反应器，等离子体管式反应器可以有多个电极。

Claims (10)

1.一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，包括如下次序的设备：循环增压风机、反应气体灌、辅助气体灌、反应粉体设备、反应粉体中间仓、等离子体管式反应器、气固分离设备、反应后粉体中间仓、反应后粉体输送设备、反应后粉体预处理设备、产品灌、反应后气体处理设备；反应气体灌和辅助气体灌的气体经过循环增压风机后与反应粉体设备中的固体物质混合送入等离子体管式反应器，反应完成后经过气固分离设备气体从顶部进入反应后气体处理设备进行循环使用，杂质从反应后气体处理设备底部排出；固体物质从底部进入反应后粉体中间仓通过反应后粉体输送设备送入反应后粉体预处理设备，未反应完全的进入反应粉体中间仓循环反应，反应完全的经过反应后粉体预处理设备送入产品灌处理后得到产品。

2.按权利要求1所述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其特征在于等离子体管式反应器包括如下依次连接的设备：等离子体电源、电源导线、电极、电极外套、管式反应器外壳、换热管、管式反应器壳体换热保温层；

3.按权利要求2所述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其特征在于等离子体管式反应器外壳为绝缘材料，反应器电极外壳为高绝缘材料。

4.按权利要求2所述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其特征在于等离子体管式反应器电极为水平均匀布置，层数可以为一层或者多层。

5.按权利要求4所述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其特征在于等离子体管式反应器电极间隙为1mm-8mm之间

6.按权利要求5所述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其特征在于等离子体管式反应器内设有换热管，换热管数量为一个或者多个。

7.按权利要求2或6所述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其特征在于等离子体管式反应器等离子体管式反应器可以是一个或者多个，多个等离子体管式反应器可以是并联或者串联，并联或者串联时电极可为多个。

8.按权利要求1至7所述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其特征在于辅助气体为氮气、氩气、氢气等不易反应气体。

9.按权利要求1或8所述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其特征在于风机气速控制在4-23m/s。

10.按权利要求1或9所述的一种气-固/气-气相等离子体管式反应器工艺及装置，其特征在于气反应气体循环使用。

Images