CN102284260B - 一种气体旋转脉动分布的气固相反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有气体旋转脉动分布功能的气固相反应装置，属于冶金设备技术领域。其包括一个下部接在旋转电机上的侧路进气的管式气体分布器和一个固定的气体分布板，气源为脉冲气源。在旋转的管式气体分布器和固定气体分布板之间为缠绕的电阻丝加热热源，使反应气体加热到达反应设定温度。在固定气体分布板的上部放置需要反应的固体粉末原料和所需要的惰性反应填料如氧化铝和氧化锆球等。本装置适用于气固两相反应，气体的脉动输入和管式气体分布器的旋转气体分布有效的改善气体在固相反应物和惰性填料之间的流动分布方式，以达到增加气固两相接触界面，有效抑制沟流等有害现象的发生，达到提高反应速率，降低气体消耗量的作用。

Description

一种气体旋转脉动分布的气固相反应装置

技术领域

本发明涉及一种气固相反应器，其特点是气体分布器是旋转运动的，且气流为可控的脉动气流，这种设计可以达到气相在固相物料中动态均匀接触，属于冶金设备技术领域。

背景技术

气固相反应是材料和化工过程经常应用的反应。目前的反应器设计，一种为固定床。固相物料不运动，气体穿过固相反应物料。这种反应器，相对气体消耗较小。但是由于固相物料分布的不均匀，可能会出现沟流等现象。气体从料层阻力最小处通过，造成固相原料反应的不均匀性。另一种设计是让固相反应原料运动起来，如流态化床或气流腾动设计。可以充分让固相和反应气相接触，反应的动力学条件优异，但是气体除作为吹动固相粉料的动力，还要参与反应的消耗，因此消耗很大，很多气体回收困难，造成物质和能量消耗严重，效率低。本发明针对上述两种反应器设计的优点与缺点，利用气体的旋转脉动分布有效的达到气相在固相物料中动态均匀接触，而又不用消耗大量气体的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有的气固相反应器的问题，在气固两相的反应中，通过脉动的气流和管式气体分布器的旋转布气，使气体在固相粉体材料中的分布动态改变，由于脉动冲击和出气位置的时时不同，反应器中的粉体分布也时时改变，不易形成气体的沟流，提高反应气体的利用效率。另外内置的电阻丝加热保证进入反应器内的气体与反应器内温度相同，防止常温状态下的气体进入反应器时，反应器内温度下降，而气体进入的动态密封处于常温状态，经加热后进入反应区段，易于实施。

本发明采用如下技术方案：

一种具有气体旋转脉动分布功能的气固相反应装置，包括装置底部的动态密封进气和旋转传动部分，中部的气体加热和分布部分，顶部的排气部分。其中：

气固相反应装置底部的支撑板1通过紧固法兰3与反应外壁8固定连接，其中紧固法兰3和支撑板1通过带O型密封橡胶环的紧固法兰用螺钉固定连接21固定。支撑板1的一侧开有与气源相连接的气体进口2，气体进口2连接的气体通道延伸至至支撑板1中央设置的环状布气腔室27。外接的驱动装置25通过皮带连接旋转轮24，旋转轮24连接旋转轴23，将旋转运动传递给旋转轴23。旋转轴23连接分布支架4。分布支架4为中空转轴，其恰好穿过的环状布气腔室27，且在环状布气腔室27内的部分设置有与环状布气腔室27相通的气体导入孔26。分布支架4的上部通过固定连接14连接有管式气体分布器15，分布支架4的中空部分与管式气体分布器15的内部相通。管式气体分布器15的下部为密实的金属半圆管，管式气体分布器(15)的上部为多空烧结板5，其两端为密实金属封闭堵头，上述围成管式气体通道。

多空烧结板5的上部布置有电加热丝6，电加热丝5的上部沿着反应装置的内壁设置有环状的气体分布板支撑架13，将旋转分布加热后的气体再次分布的气体分布板7置于气体分布板支撑架13上，气体分布板7上放置有使其固定和边缘密封的环形的压圈12。气体分布板7上方是由反应外壁围城的盛放填料球11和反应物料10并使其混合的空间。上述空间的顶部设有气体出口9。

以上述的环状布气腔室27与分布支架4中气体导入孔26为中心，在支撑板1的两侧依次对称安装密封支撑圈19，密封填料18，填料压圈17和密封连接16，上下完全对称安装，以达到气路动态连接的密封效果。

从侧路气体进口2的进气经环状布气腔室27进入分布支架4中的气体导入孔26，流经分布支架4后从管式气体分布器15的上部多空烧结板5流出，加上旋转驱动装置25的驱动，旋转扭矩经旋转轮(24)带动转动轴23，连接分布支架4也传递到管式气体分布器15，得到气体的旋转分布；上述分布的气体向上运动经过电加热丝6进行加热。经预热和分布后的反应气体穿过气体分布板7达到混合反应物料10和填料球11，反应的尾气经反应装置顶部的气体出口9排出。

所述的驱动装置25为旋转电机。

与气体进口2相连的气源为脉动气源。

其用于反应的气相是氢气，一氧化碳，甲烷，及其上述三种气体组成的混合的还原性气体，或氧气，空气，二氧化碳，以及上述三种气体组成的混合的氧化性气体。

所属的反应物料10和填料球11是指在固定气体分布板的上部放置需要反应的固体粉末原料和所需要的惰性反应填料如氧化铝和氧化锆球等。其与起源通入的气体进行反应，本装置适用于气固两相反应。

本发明可以取得如下有益效果：首先是克服传统固定床反应器气固相反应，气体可能的沟流和因此造成的反应不均，其次克服了流化床反应器的反应气体腾动造成的气体大量消耗。通过脉动气体的旋转分布造成了气流在固相反应和填料之中的随机变化分布，即解决了沟流问题也节省了气体。能达到节能降耗的作用，可广泛应用于气固相反应的还原或氧化等领域。

附图说明：

图1为气体旋转脉动分布的气固相反应装置的剖面结构图。

图中：1、支撑板，2、气体进口，3、紧固法兰，4、分布支架，5、多空烧结板，6、电加热丝，7、气体分布板，8、反应器外壁，9、气体出口，10、反应物料，11、填料球，12、气体分布板上压圈，13、气体分布板支撑架，14、固定连接，15、管式气体分布器，16、密封连接，17、填料压圈，18、密封填料，19、密封支撑圈，20、排污管，21、紧固法兰固定连接，22、排污阀，23、转动轴，24、旋转轮，25、驱动装置，26、空心转轴中气体导入孔，27、环状布气腔室。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步说明。

实施例1

首先将本装置按照附图1组装。其底部的动态密封进气和旋转传动部分包括外接的驱动装置25，即旋转电机，通过皮带连接旋转轮24，将旋转运动传递给连接旋转轮24的旋转轴23。并通过分布支架4的旋转传递给通过固定连接14固定的管式气体分布器15。通过上述步骤达到旋转动量的传递过程。而另一重要的密封功能是通过的底部支撑板1是通过紧固法兰3与反应外壁8固定连接的，其中紧固法兰3和支撑板1通过紧固法兰固定连接21固定。动态进气功能是通过侧路气体进口2进气，通过与气体进口2连接的环状布气腔室27与空心转轴中气体导入孔26相接。由于环状布气腔室27与空心转轴中气体导入孔26的气路相通，是动态连接，因此需要动态的气路密封。具体的措施是以环状布气腔室27与空心转轴中气体导入孔26为中心，上下依次对称安装密封支撑圈19，密封填料18，填料压圈17和密封连接16上下完全对称。达到气路动态连接的密封效果。另外，为了方便反应器内部的清洁，在底部支撑板1上安装了排污管20和排污阀22，旋开排污阀22，污物可以通过排污管20排出。其中部的气体加热和分布部分，包括与底部动态密封进气和旋转传动部分的转动轴23相接的分布支架4。由于分布支架4为空心结构，其空腔与空心转轴中气体导入孔26相接，因此分布支架承担了旋转扭矩的传输和气体传输两个功效。分布支架4上部通过固定连接14与管式气体分布器15相接。管式气体分布器15包括两部分，下部为密实的金属半圆管，上部为多空烧结板5，而管式气体分布器15的两端为密实金属封闭堵头。从侧路气体进口2的进气经环状布气腔室27与空心转轴中气体导入孔26，流经分布支架4后从管式气体分布器15的上部多空烧结板5流出，加上旋转驱动装置25的驱动，旋转扭矩经旋转轮24带动转动轴23，连接分布支架4也传递到管式气体分布器15，因此得到气体的旋转分布。另，若采用脉动起源接入侧路气体进口2，则可以达到气体的旋转脉动分布。管式气体分布器15上部为电加热丝6，分布的气体向上运动经过电加热丝6，进行加热。电加热丝上部为通过气体分布板支撑架13支撑的气体分布板7，其作用是旋转分布加热后的气体再次分布，和隔离和支撑其上面承载的反应物料10和与反应物料10混合的填料球11。为了达到气体分布板7的固定和边缘密封，在其上面加有气体分布板上压圈12。预先混合好的反应物料10和填料球11放置在气体分布板7。经预热和分布后的反应气体穿过混合反应物料10和填料球11层，反应的尾气经反应装置顶部的气体出口9排出。设备的安装和装料完毕。

在反应实施前首先对装置内部进行气体置换，尤其在使用与空气混合有爆炸危险性的气体，必须严格置换反应气体。置换气体实施是通过进气口2接入连续进气起源。置换气体后通过温度设定利用电加热丝6预热装置至设定温度。

到达设定预设温度后，打开驱动装置25，通过机械传动，反应装置内部的旋转气体分布装置开启。进气口2接入的脉动起源打开。脉动起源的实现是通过在进气口2之前进入气体三通，一端接连续的反应气源，另一接口接有频率通断控制的高压惰性气源。两种气源通过三通混合之后形成叠加的脉动气流源。反应气源和惰性气源专业设计人员可根据具体反应选择。进入反应阶段及保温气固相反应阶段。

到达预先设置的反应时间即反应结束后，设定降温制度。到达安全温度后关闭的连续反应气源，继续利用脉动的惰性气体进行装置内部的反应气体置换。对于危险性的气体，此步不可省略。降至室温确保气体置换完全取出反应产物与填料球筛分分离得到产品。

以下以表面氧化的金属钴粉的还原处理操作为例说明

还原制备的金属钴粉，在空气中长时间贮存会产生表面的氧化。在应用前须进行表面的氢气还原，但不希望在还原过程中造成金属钴粉的颗粒长大。通常的方法是使用回转窑或者流态化床进行还原。回转窑空间利用不高，而流化床消耗气体较大。采用本发明的装置。在气体分布板7上放置已经混合均匀的表面氧化的钴粉和氧化铝填料球。首先从进气口2处连续冲入氢气，以置换反应器中原有的空气。待氢气全部置换反应器中的空气后，接通电加热丝6的电源，使其达到设定温度。此时打开驱动装置25，管式气体分布器15开始从动转动。脉动气流源是通过在进气口2之前进入气体三通，一端接连续的氢气气源，另一接口接有频率通断控制的高压氩气气源。两种气源通过三通混合之后形成叠加的脉动气流源。反应结束，切断电热丝6电源，待装置的温度测量显示低于100摄氏度时关闭连续的氢气气源。待冷却至室温关闭氩气气源，打开装置，用筛分法分离产物和填料球，得到产品。此方法可以利用本发明的装置制备得到表面无氧化层的金属钴粉末。

Claims (4)

1.一种具有气体旋转脉动分布功能的气固相反应装置，包括装置底部的动态密封进气和旋转传动部分，中部的气体加热和分布部分，顶部的排气部分；其特征在于：

气固相反应装置底部的支撑板（1）通过紧固法兰（3）与反应外壁（8）固定连接，其中紧固法兰（3）和支撑板（1）通过带O型密封橡胶环的紧固法兰用螺钉固定连接（21）固定；支撑板（1）的一侧开有与气源相连接的气体进口（2），气体进口（2）连接的气体通道延伸至支撑板（1）中央设置的环状布气腔室（27）；外接的驱动装置（25）通过皮带连接旋转轮（24），旋转轮（24）连接旋转轴（23），将旋转运动传递给旋转轴（23）；旋转轴（23）连接分布支架（4）；分布支架（4）为中空转轴，其恰好穿过环状布气腔室（27），且在环状布气腔室（27）内的部分设置有与环状布气腔室（27）相通的气体导入孔（26）；分布支架（4）的上部通过固定连接（14）连接有管式气体分布器（15），分布支架（4）的中空部分与管式气体分布器（15）的内部相通；管式气体分布器（15）的下部为密实的金属半圆管，管式气体分布器(15)的上部为多空烧结板（5），其两端为密实金属封闭堵头,上述围成管式气体通道；

多空烧结板（5）的上部布置有电加热丝（6），电加热丝（6）的上部沿着反应装置的内壁设置有环状的气体分布板支撑架（13），将旋转分布加热后的气体再次分布的气体分布板（7）置于气体分布板支撑架（13）上，气体分布板（7）上放置有使其固定和边缘密封的环形的压圈（12）；气体分布板（7）上方是由反应外壁围成的盛放填料球（11）和反应物料（10）并使其混合的空间；上述空间的顶部设有气体出口（9）；

以上述的环状布气腔室（27）与分布支架（4）中气体导入孔（26）为中心，在支撑板（1）的两侧依次对称安装密封支撑圈（19），密封填料（18），填料压圈（17）和密封连接（16），上下完全对称安装，以达到气路动态连接的密封效果；

从侧路气体进口（2）的进气经环状布气腔室（27）进入分布支架（4）中的气体导入孔（26），流经分布支架（4）后从管式气体分布器（15）的上部多空烧结板(5)流出，加上旋转驱动装置(25)的驱动，旋转扭矩经旋转轮(24)带动转动轴(23)，连接分布支架(4)也传递到管式气体分布器（15），得到气体的旋转分布;上述分布的气体向上运动经过电加热丝（6）进行加热；经预热和分布后的反应气体穿过气体分布板（7）达到混合反应物料（10）和填料球（11），反应的尾气经反应装置顶部的气体出口（9）排出。

2.根据权利要求1所述的一种具有气体旋转脉动分布功能的气固相反应装置，其特征在于：所述的驱动装置（25）为旋转电机。

3.根据权利要求1所述的一种具有气体旋转脉动分布功能的气固相反应装置，其特征在于：与气体进口（2）相连的气源为脉动气源。

4.根据权利要求1所述的一种具有气体旋转脉动分布功能的气固相反应装置，其特征在于：其用于反应的气相是氢气，一氧化碳，甲烷，及其是氢气，一氧化碳，甲烷组成的混合的还原性气体，或氧气，空气，二氧化碳，以及氧气，空气，二氧化碳组成的混合的氧化性气体。

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