CN102120162A - 实现高温高压水热处理组合式反应器及其处理方法 - Google Patents

Abstract

一种化工技术领域的实现高温高压水熟处理组合式反应器及其处理方法。反应器包括反应釜、热交换器、高压水泵、清水输入管、水蒸气输送管，反应釜由水蒸气输送管串联相连，高压水泵通过清水输入管与热交换器相连，然后热交换器与第一个反应釜通过入清水输入管和水蒸气输送管相连。处理方法包括：手工的打开反应釜的进料口，加热反应釜；清水将注入反应釜内，加热反应釜；反应釜的内部压力降下来了，打开进料口进行加料；反应釜的内部压力降下来了，打开进料口进行加料；循环反复，即可实现高温高压水热处理连续化工作。本发明具有结构简单、操作容易、进料方便、反应器之间能量循环利用、可连续化反应等优点，具有良好的节能效果。

Description

实现高温高压水热处理组合式反应器及其处理方法

技术领域

本发明涉及的是一种化工技术领域的方法及其装置，具体是一种实现高温高压水热处理组合式反应器及其处理方法。

背景技术

化学反应器是化学反应的载体，是化工研究、生产的基础，是决定化学反应好坏的重要因素之一，因此反应器的设计、选型是十分重要的。

间歇操作反应器是指在反应器中反应原料一次加入，在要求温度、压力下，经过一定的时间达到反应终点，将产物一次卸出。其特点是反应器内的工艺参数如温度、压力、反应剂的浓度等随时间变化，这种操作方式适用于反应速度较慢、热效应较小和生产规模不大的场合。连续反应器是指反应原料连续地进入反应器，同时反应产物连续地由反应器流出，反应物和产物均处在流动状态，在稳定状态下反应器内的工艺参数如温度、浓度等不随时间变化，仅随空间位置而改变。

经过对现有技术的检索发现，中国专利号：200720181947，记载了中国科学技术大学朱锡锋的发明，公开了一种生物质固体颗粒热解反应器，热解反应器为扁平状卧式，其一端上部连通着螺旋进料器为进料口，另一端下部为熟解炭出口，中间上部设有热解气出口。这种热解反应器既不需要通入流化载气，内部也不需要安装运动部件。其不足之处在于：该仪器只有单个反应器，难以实现能量的循环利用，因此存在能量利用不充分的缺点，同时反应器无法应用于高温高压水热处理固体和液体料。

进一步检索发现，中国专利公开号CN 101134159A，公开日期2008年3月5日，记载了“利用水蒸气的水分及水蒸气的热量对被处理物进行水热处理的水热处理装置和方法”，该技术利用水蒸气及其热量对塑料容器饭盒或乙烯树脂包装的剩饭等进行水热处理，通过对导入反应釜的水蒸气加热后，将水蒸气送出反应釜，实现水蒸气的高温高压化，及维持水热处理的处理环境。其不足之处在于，仪器对操作环境要求较高，需要预先将反应釜置于高压环境，且该装置不能实现反应的连续化，处理效率不高。

针对现有高温高压水热处理反应器在处理固体和液体料时，存在反应器实现连续性生产难度大、反应器耗能高、能量利用不充分、处理效果不佳等缺陷或不足，本发明开发了一种高温高压水热处理组合式反应器。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种实现高温高压水热处理组合式反应器及其处理方法，本发明实现反应器之间的能量循环使用、在低压或无压下进料、以及连续反应；高温高压水热处理的组合式反应器可用于固体料或液体料的连续高温高压水热反应，具有良好的节能效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及实现高温高压水热处理组合式反应器，包括反应釜、热交换器、高压水泵、压力表、阀门、水蒸气输送管、水蒸气输送管和清水输入管，反应釜为3个，反应釜由水蒸气输送管串联相连，高压水泵通过清水输入管与热交换器相连，然后热交换器分别与第一个反应釜、第二个反应釜和第三个反应釜通过清水输入管和水蒸气输送管相连，压力表设置在反应釜出气口的位置，阀门设置在高压水泵与第三个反应釜之间。

所述的反应釜是一个中空的圆柱状密闭反应器，由具有耐久性和耐高温性的钢或不锈钢制成，主要由反应釜釜体、传热装置为釜内蛇管、搅拌装置和轴封装置等组成。其中进料口位于反应釜的上部，排渣口位于反应釜的下部，出气口位于反应釜外壁的上部，出气口连接着压力表和阀门。

所述的热交换器，采用壳管式换热器，由壳体、传热管柬、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成。壳体为圆筒形，内部装有管束，管柬两端固定在管板上，进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，另一种在管外流动，为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

所述的高压水泵，包括离心泵，由泵体、泵盖、带输出轴的电动机、在泵体内装设的泵轴、轴承座、叶轮、机械密封和机封压盖和包括位于电动机输出轴与泵轴之间设置的对夹式联轴器，以及安装在轴承座上的以辅助支承泵轴的导轴承；所述对夹式联轴器分别与电动机输出轴和泵轴刚性连接，在电动机输出轴与泵轴之间留有便于机械密封和机封压盖装拆的空间距离。用于将清水输送至相应的反应釜内。

所述的3个反应釜通过反应釜出气口的水蒸气输送管串联相连，打开相应的阀门可以将一个反应釜内的高压蒸气经水蒸气输送管进入下一个反应釜，实现一部分热量的循环利用。

所述的换热器位于高压水泵和第一个反应釜之间，用于将反应釜中的剩余水蒸气的热量交换给经高压水泵输送至反应釜内的清水，从而又实现一部分的热量循环利用。

本发明涉及实现高温高压水热处理组合式反应器的处理方法，包括以下步骤：

①手工的打开三个反应釜的进料口，分别向反应釜内加待处理物(固体或液体)，加好料以后关紧进料口，接通电源，加热反应釜FE1。

②启动高压水泵，将一定量的清水经过热交换器，再经过反应釜的出气口注入反应釜FE1内，清水在反应釜FE1内加热获得热量，当反应釜FE1加热发生超临界反应，反应结柬时，停止加热，打开反应釜FE1出气口旁的水蒸气输送管的阀门，将反应釜FE1内的高压蒸汽注入反应釜FE2，当两个反应釜内部的压力平衡时，此时，高压蒸汽不能再进入反应釜FE2，将反应釜内FE1的剩余蒸汽经过热交换器排放出去，剩余蒸汽经过热交换器时将热量交换给正经过热交换热的清水，清水将注入反应釜FE2内，加热反应釜FE2。

③注入反应釜FE2内的清水在其内部加热获得热量，当反应釜FE2反应完成时，即可将高压蒸汽输送到反应釜FE3内部，剩余蒸汽经热交换器继续回收热量。此时反应釜FE1的内部压力降下来了，可以打开进料口进行加料。

④加热反应釜FE3，待反应完成时，将内部的高压蒸汽再输送给反应釜FE1，剩余蒸汽经热交换器继续回收热量。此时反应釜FE2的内部压力降下来了，可以打开进料口进行加料。

⑤循环反复，即可实现高温高压水热处理组合式反应器的连续化工作。

所述的将一个反应釜内的高压蒸汽输送给下一个反应釜，是通过打开反应釜的出气口旁水蒸气输送管阀门，经过连接反应釜之间的水蒸气输送管进入下一个反应釜。

所述的将一个反应釜内的高压蒸汽输送给下一个反应釜，通过高压蒸汽将一个反应釜内部的热量传递到下一个反应釜中，从而实现了反应釜之间的热量循环利用。

所述的将一个反应釜内的高压蒸汽输出，传送给下一个反应釜，通过将高压蒸汽输出，从而降低此反应釜内部的压力，实现在低压或无压下向反应釜内加料，当第二个反应釜完成反应时，第一个反应釜也已完成加料工作，第三个反应釜正处于反应中，达到组合式反应器之间的连续化反应。

所述的将反应釜内的剩余蒸汽经热交换器排放出，剩余蒸汽在经过热交换器时，由高压水泵带动清水经过热交换器，热交换器将剩余蒸汽的热量交换给清水，清水再进入下一个反应釜，实现了反应釜之间热量的又一次循环利用。

本发明所述的实现高温高压水热处理的装置是高温高压水热处理的组合式反应器，具有结构简单、操作容易、进料方便、反应器之间能量循环利用、可连续化反应等优点。本发明采用三个反应釜串联使用，可以实现反应釜之间的能量循环使用，最大限度的节约了能源，相比单个反应釜的处理装置，一个反应釜难以实现能量的循环利用；与普通的加热反应釜相比，单个反应釜难以实现能量的循环利用，也不能实现连续化进料，且在高温高压下进料难度很大，本发明反应器可在无压或低压下进料，实现连续化进料。本发明的高温高压水热处理的组合式反应器可用于固体料或液体料的连续高温高压水热反应，具有良好的节能效果。

附图说明

图1为本发明反应器的平面结构示意图；

图中：1反应釜、2热交换器、3高压水泵、4进料口、5排渣口、6出气口、7压力表、8阀门、9水蒸气输送管、10水蒸气输送管、11清水输入管。

图2为本发明反应器电源示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例涉及实现高温高压水热处理组合式反应器，包括反应釜1、热交换器2、高压水泵3、压力表7、阀门8、水蒸气输送管9、清水输入管11和电源，其中：3个反应釜由水蒸气输送管10串联相连，高压水泵通过清水输入管11与热交换器2相连，然后热交换器2与第一个反应釜、、第二个反应釜和第三个反应釜通过入清水输入管11和水蒸气输送管10相连，压力表7、阀门8设置在热交换器2与反应釜1之间。

所述的反应釜是3个相同的反应釜FE1、FE2、FE3，均为中空的圆柱状反应器，其用于处理本实施例中的待处理的固体或液体料，并由具有耐久性和耐高温性的钢或不锈钢制成。进料口位于反应釜的上部，排渣口位于反应釜的下部，出气口位于反应釜外壁的上部，出气口连接着压力表和阀门。加料时可手动的打开进料口进行加料，排渣时打开排渣口即可排渣。往反应釜内注入清水时，先打开反应釜出气口旁相应的阀，清水经高压水泵，再经过热交换器由清水输入管注入反应釜。将一个反应釜内的高压蒸汽传送至下一个反应釜内，需同时打开与反应釜出气口水蒸气输送管连接的阀门，高压蒸汽由水蒸气输送管从一个反应釜进入下一个反应釜内，实现热量的循环利用。(如将反应釜FE1内的高压蒸汽输送至反应釜FE2，同时打开DF12和DF22，反应釜FE1内的高压蒸汽由水蒸气输送管经阀门DF12和阀门DF22进入反应釜FE2，当反应釜FE1和反应釜FE2内部压力平衡时，高压蒸汽将停止传送。反应釜FE1内的剩余水蒸气，打开阀门DF11，经清水输入管进入热交换器，将热量交换给正经过热交换器的清水，实现热量的又一循环利用。)

上述的热交换器2，采用壳管式换热器，壳体为圆筒形，内部装有管柬，管柬两端固定在管板上，进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，另一种在管外流动，为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

上述的高压水泵3，包括离心泵，由泵体、泵盖、带输出轴的电动机、在泵体内装设的泵轴、轴承座、叶轮、机械密封和机封压盖和包括位于电动机输出轴与泵轴之间设置的对夹式联轴器，以及安装在轴承座上的以辅助支承泵轴的导轴承；所述对夹式联轴器分别与电动机输出轴和泵轴刚性连接，在电动机输出轴与泵轴之间留有便于机械密封和机封压盖装拆的空间距离。用于将清水输送至相应的反应釜内。

上述的3个串联连接的反应釜，是通过水蒸气输送管9分别与反应釜的出气口连接，然后再共同连接到一根水蒸气输送管10上，这根水蒸气输送管10与热交换器相连，用于将一个反应釜内的高压蒸汽传输到下一个反应釜中，实现热量的循环利用。

上述的高压水泵3，通过清水输入管11与热交换器2连接，热交换器2再经过清水输入管11和水蒸气输送管10分别与3个反应釜的出气口相连。

上述的水蒸气输送管9在与反应釜出气口连接处，装有用于检测反应釜内部压力的压力表7。

如图2所示，电源开关C1用于控制反应釜FE1，C1吸合时，反应釜FE1加热，C1断开，反应釜FE1停止加热。同理，C2用于控制反应釜FE2，C3用于控制反应釜FE3。

以下两个实例还涉及如上所述的实现高温高压水热处理组合式反应器的处理方法，

实例1包括以下步骤：

第一步，手工向反应釜FE1、FE2、FE3内加入待处理物(固体或液体料)，料满关紧加料盖。

第二步，启动控制，打开阀门DF11，启动高压水泵3，清水经热交换器2，经水蒸气输送管10、9，再经过阀门DF11进反应釜FE1，同时C1吸合，加热反应釜FE1，到压力表P1达到设定值1，高压水泵3停，关闭阀门DF11。继续加热，超临界反应，清水在反应釜FE1内加热获得热量，待压力表P1达到设定值2，C1释放，加热停(反应釜FE1反应完成)，然后阀门DF12和阀门DF22同时打开，加热后的水经由水蒸气输送管10、9，再经过阀门DF12，DF22向反应釜FE2注入高压蒸汽，待反应釜FE1和FE2压力平衡后DF22关闭(阀门DF12仍然打开)(热量循环利用一)，阀门DF1和阀门DF2打开，反应釜FE1内的剩余蒸汽和水经热交换器(剩余蒸汽的热量交换给清水，热量循环利用二)，经阀门DF2排水。

第三步，反应釜FE1排水的同时阀门DF21打开，高压水泵3再次启动清水经由热交换器2，经水蒸气输送管10、9，再经过阀门DF21向反应釜FE2内注水，C2吸合加热，到压力表P2达到设定值1，高压水泵3停，阀门DF21关闭。继续加热，超临界反应，清水在反应釜FE2内加热获得热量，待压力表P2达到设定值2，C2释放，加热停(反应釜FE2反应完成)，然后阀门DF22和阀门DF32同时打开，加热后的水经由水蒸气输送管10、9，再经过阀门DF22，DF32向反应釜FE3注入高压蒸汽，待反应釜FE2和FE3压力平衡后阀门DF32关闭(阀门DF22仍然打开)(热量循环利用一)，阀门DF1和阀门DF2打开，反应釜FE2内的剩余蒸汽和水经热交换器(剩余蒸汽的热量交换给清水，热量循环利用二)，经阀门DF2排水。此时反应釜FE1的内部压力降下来了，可以打开进料口4进行加料。

第四步，反应釜FE2排水的同时阀门DF31打开，高压水泵3再次启动清水经由热交换器2，经水蒸气输送管10、9，再经过阀门DF31向反应釜FE3注水，C3吸合加热，到压力表P3达到设定值1，高压水泵3停，阀门DF31关闭。继续加热，超临界反应，清水在反应釜FE3内加热获得热量，待压力表P3达到设定值2，C3释放，加热停(反应釜FE3反应完成)，然后阀门DF32和阀门DF12同时打开，加热后的水经由水蒸气输送管10、9，再经过阀门DF32，DF12向反应釜FE1注入高压蒸汽，待反应釜FE3和反应釜FE1压力平衡后DF12关闭(阀门DF32仍然打开)(热量循环利用一)，阀门DF1和阀门DF2打开，反应釜FE3内的剩余蒸汽和水经热交换器(剩余蒸汽的热量交换给清水，热量循环利用二)，经阀门DF2排水。此时反应釜FE2的内部压力降下来了，可以打开进料口4进行加料。

第五步，需要排渣时可分别打开排渣口5下面的阀门DF13、DF23、DF33，并启动高压水泵3，把渣排出。周而复始，循环交替工作。

实例2包括如下步骤：

第一步，手工向反应釜FE1、FE2、FE3内加入待处理物(固体或液体料)，料满关紧加料盖。

第二步，启动控制，打开阀门DF11，启动高压水泵3，清水经热交换器2，经水蒸气输送管10、9，再经过阀门DF11进反应釜FE1，同时C1吸台，加热反应釜FE1，到压力表P1达到设定值1，高压水泵3停，关闭阀门DF11。继续加热，超临界反应，清水在反应釜FE1内加热获得热量，待压力表P1达到设定值2，C1释放，加热停(反应釜FE1反应完成)，然后阀门DF12和阀门DF32同时打开，加热后的水经由水蒸气输送管10、9，再经过阀门DF12，DF32向反应釜FE3注入高压蒸汽，待反应釜FE1和FE3压力平衡后DF32关闭(阀门DF12仍然打开)(热量循环利用一)，阀门DF1和阀门DF2打开，反应釜FE1内的剩余蒸汽和水经热交换器(剩余蒸汽的热量交换给清水，热量循环利用二)，经阀门DF2排水。

第三步，反应釜FE1排水的同时阀门DF31打开，高压水泵3再次启动清水经由热交换器2，经水蒸气输送管10、9，再经过阀门DF31向反应釜FE3注水，C3吸合加热，到压力表P3达到设定值1，高压水泵3停，阀门DF31关闭。继续加热，超临界反应，清水在反应釜FE3内加热获得热量，待压力表P3达到设定值2，C3释放，加热停(反应釜FE3反应完成)，然后阀门DF32和阀门DF22同时打开，加热后的水经由水蒸气输送管10、9，再经过阀门DF32，DF22向反应釜FE2注入高压蒸汽，待反应釜FE3和FE2压力平衡后阀门DF22关闭(阀门DF32仍然打开)(热量循环利用一)，阀门DF1和阀门DF2打开，反应釜FE3内的剩余蒸汽和水经热交换器(剩余蒸汽的热量交换给清水，热量循环利用二)，经阀门DF2排水。此时反应釜FE1的内部压力降下来了，可以打开进料口4进行加料。

第四步，反应釜FE3排水的同时阀门DF21打开，高压泵3再次启动清水经由热交换器2，经水蒸气输送管10、9，再经过阀门DF21向反应釜FE2注水，C2吸合加热，到压力表P2达到设定值1，高压水泵3停，阀门DF21关闭。继续加热，超临界反应，清水在反应釜FE2内加热获得热量，待压力表P2达到设定值2，C2释放，加热停(反应釜FE2反应完成)，然后阀门DF22和阀门DF12同时打开，加热后的水经由水蒸气输送管10、9，再经过阀门DF22，DF12向反应釜FE1注入高压蒸汽，待反应釜FE2和反应釜FE1压力平衡后DF12关闭(阀门DF22仍然打开)(热量循环利用一)，阀门DF1和阀门DF2打开，反应釜FE2内的剩余蒸汽和水经热交换器(剩余蒸汽的热量交换给清水，热量循环利用二)，经阀门DF2排水。此时反应釜FE3的内部压力降下来了，可以打开进料口4进行加料。

第五步，需要排渣时可分别打开排渣口5下面的阀门DF13、DF33、DF23，并启动高压水泵3，把渣排出。周而复始，循环交替工作。

上述实施例采用三个反应釜串联使用，可以实现反应釜之间的能量循环使用，最大限度的节约了能源，相比单个反应釜的处理装置，一个反应釜难以实现能量的循环利用；与普通的加热反应釜相比，单个反应釜难以实现能量的循环利用，也不能实现连续化进料，且在高温高压下进料难度很大，本发明反应器可在无压或低压下进料，实现连续化进料。

Claims (9)

1.一种实现高温高压水热处理组合式反应器，包括反应釜、热交换器、高压水泵、压力表、阀门、水蒸气输送管、水蒸气输送管和清水输入管，其特征在于：反应釜为3个，反应釜由水蒸气输送管串联相连，高压水泵通过清水输入管与热交换器相连，然后热交换器分别与第一个反应釜、第二个反应釜和第三个反应釜通过入清水输入管和水蒸气输送管相连，压力表设置在反应釜出气口的位置，阀门设置在高压水泵与第三个反应釜之间。

2.根据权利要求1所述的实现高温高压水热处理组合式反应器，其特征是，所述的反应釜是一个中空的圆柱状密闭反应器，其中进料口位于反应釜的上部，排渣口位于反应釜的下部，出气口位于反应釜外壁的上部，出气口连接着压力表和阀门。

3.根据权利要求1所述的实现高温高压水热处理组合式反应器，所述的熟交换器，采用壳管式换热器，由壳体、管束、管板、折流板和管箱组成；壳体为圆筒形，内部装有管束，管柬两端固定在管板上，进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，另一种在管外流动，在壳体内安装若干折流板。

4.根据权利要求1所述的实现高温高压水热处理组合式反应器，其特征是，所述的高压水泵，包括离心泵，由泵体、泵盖、带输出轴的电动机、在泵体内装设的泵轴、轴承座、叶轮、机械密封和机封压盖和包括位于电动机输出轴与泵轴之间设置的对夹式联轴器，以及安装在轴承座上的以辅助支承泵轴的导轴承；所述对夹式联轴器分别与电动机输出轴和泵轴刚性连接，在电动机输出轴与泵轴之间留有便于机械密封和机封压盖装拆的空间距离，将清水输送至相应对反应釜内。

5.根据权利要求1所述的实现高温高压水热处理组合式反应器，其特征是，所述的3个反应釜通过反应釜出气口的水蒸气输送管串联相连，打开阀门将一个反应釜内的水燕气经水蒸气输送管进入下一个反应釜。

6.根据权利要求1所述的实现高温高压水热处理组合式反应器，其特征是，所述的换热器位于高压水泵和第一个反应釜之间，将反应釜中的剩余水蒸气的热量交换给经高压水泵输送至反应釜内的清水。

7.一种根据权利要求1所述的实现高温高压水热处理组合式反应器的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

①手工的打开三个反应釜的进料口，分别向反应釜内加待处理物，加好料以后关紧进料口，接通电源，加热反应釜FE1；

②启动高压水泵，将一定量的清水经过热交换器，再经过反应釜的出气口注入反应釜FE1内，清水在反应釜FE1内升温获得热量，当反应釜FE1加热发生超临界反应，反应结柬时，停止加热，打开反应釜FE1出气口旁的水蒸气输送管的阀门，将反应釜FE1内的高压蒸汽注入反应釜FE2，当两个反应釜内部的压力平衡时，此时，高压蒸汽不能再进入反应釜FE2，将反应釜内FE1的剩余蒸汽经过热交换器排放出去，剩余蒸汽经过热交换器时将热量交换给正经过热交换热的清水，清水将注入反应釜FE2内，加热反应釜FE2；

③注入反应釜FE2内的清水在其内部加热获得热量，当反应釜FE2反应完成时，即可将高压蒸汽输送到反应釜FE3内部，剩余蒸汽经热交换器继续回收热量，此时反应釜FE1的内部压力降下来了，打开进料口进行加料；

④加热反应釜FE3，待反应完成时，将内部的高压蒸汽再输送给反应釜FE1，剩余蒸汽经热交换器继续回收热量，此时反应釜FE2的内部压力降下来了，打开进料口进行加料；

⑤循环反复，即可实现高温高压水热处理组合式反应器的连续化工作。

8.根据权利要求7所述的实现高温高压水热处理组合式反应器的处理方法，其特征是，所述的将一个反应釜内的高压蒸汽输送给下一个反应釜，是通过打开反应釜的出气口旁的阀门，经过连接反应釜之间的水蒸气输送管进入下一个反应釜。

9.根据权利要求7所述的实现高温高压水热处理组合式反应器的处理方法，其特征是，所述的将反应釜内的剩余蒸汽经热交换器排放出，剩余蒸汽在经过热交换器时，由高压水泵带动清水经过热交换器，热交换器将剩余蒸汽的热量交换给清水，清水再进入下一个反应釜，实现了反应釜之间热量的又一次循环利用。

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