CN102872788A - 一种超重力多功能反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超重力多功能反应器。所述反应器包括壳体以及设置在所述壳体内的转子和液体分布器；所述壳体的上部设有至少一个气相出口管，所述壳体的下部设有至少一个液相出口管，所述壳体在所述转子的上方设有至少一个液相入口管，所述壳体在所述转子的下方设有至少一个气相入口管；所述液体分布器设置在所述转子的中部内腔；所述转子由嵌套在一起的定转子和动转子组成；所述动转子固定在转轴上。本发明的超重力多功能反应器结构简单合理，投资小；能很好地适用于多相间的反应、传热和传质等场合；反应速率、换热效率高，设备压降低，生产能力大。

Description

一种超重力多功能反应器

技术领域

本发明涉及一种强化气液传质、传热与反应过程的设备，特别是一种超重力多功能反应器。所述超重力多功能反应器可以在一个反应器内同时实现反应和分离或换热、反应和蒸馏操作，是一种典型的反应与分离、换热的集成，能广泛地应用于石油、制药、环保、精细化工等行业的吸收、解吸、蒸馏、传热、化学反应及纳米材料制备等方面。

背景技术

超重力反应器是利用旋转产生的离心力来加快反应速度。在高速旋转的设备中，由旋转产生的离心力可高达重力的1000倍以上。在强大的离心力驱动下，物料混合、传递得到有力的强化，从而显著地加快受物料混合、传递速度限制的化学反应或其它传质、传热过程。

目前，超重力反应器已成功的应用于超细材料的制备过程。如专利文献CN1769166A公开了一种用硫酸沉淀反应制备超细二氧化硅粉体的方法；专利文献CN1461731A公开了一种纳米级超细碳酸钙的制备方法；专利文献CN101423239A公开了一种粒径分布可控的纳米硫酸钡制备方法等。与传统的搅拌反应器相比，现有的超重力反应器可以显著提高混合效率，强化传热、传质和化学反应。但受当前超重力设备技术水平的限制，在完成物料混合的同时还不能迅速地移走或提供化学反应产生的热量，比如硝化和中和等一些强放热反应、催化反应或其它吸热反应，且不能将反应和分离集成在一个反应器内完成。此外，超重力工程技术在精馏领域的应用有专利文献CN1686591A，该专利文献采用多转子串联来实现精馏操作，对转轴的强度和转子运作的稳定性要求较高，且转子直径不宜放大，功耗高，不能将反应和蒸馏集成在一个旋转床内完成，极大限制了它在化学反应领域的应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超重力多功能反应器。所述超重力多功能反应器可以将反应与分离（蒸馏）、换热集成在一个反应器内进行，解决目前超重力反应器功能单一、适用性有限的缺点，不仅能单独适用于反应、传质和传热各个操作，而且可在一个反应器内同时实现反应和分离或换热、反应和蒸馏操作，以增加反应速度、提高反应的转化率、增强生产能力和节省投资。

本发明的目的可以通过下述技术方案实现：

一种超重力多功能反应器，其包括壳体以及设置在所述壳体内的转子和液体分布器；所述壳体的上部设有至少一个气相出口管，所述壳体的下部设有至少一个液相出口管，所述壳体在所述转子的上方设有至少一个液相入口管，所述壳体在所述转子的下方设有至少一个气相入口管；所述液体分布器设置在所述转子的中部内腔；所述转子由嵌套在一起的定转子和动转子组成；所述动转子固定在转轴上。

所述液体分布器包括与所述定转子相连的圆形中空底板、置于所述底板中部并与所述底板垂直的罩筒、置于所述罩筒中的旋流叶片和所述旋流叶片下部的盲板，并具有至少一个穿过所述底板的降液管。

所述动转子包括旋转盘和设置在所述旋转盘上的多个具有开孔的同心圈。

所述定转子为多个具有换热功能的环形折流板式换热器。

所述环形折流板式换热器包括上层环形折流板和下层环形折流板。

优选地，所述上层环形折流板和下层环形折流板上均设有旋流条缝。

所述环形折流板式换热器附接有至少一组换热介质入口管和换热介质出口管。

所述定转子的下层环形折流板的最下端与所述动转子的旋转盘之间的距离为2~8mm；所述动转子的旋转盘上的具有开孔的同心圈的最上端与所述定转子的下层环形折流板之间的距离为2~8mm。

优选地，所述定转子的下层环形折流板的最下端与所述动转子的旋转盘之间的距离为3~5mm；所述动转子的旋转盘上的具有开孔的同心圈的最上端与所述定转子的下层环形折流板之间的距离为3~5mm。

优选地，所述定转子的上方设有Z字形的液体捕集装置。

本发明的超重力多功能反应器结构简单合理，投资小；能很好地适用于多相间的反应、传热和传质等场合；反应速率、换热效率高，设备压降低，生产能力大。

附图说明

图1为本发明的一种超重力多功能反应器的剖视图。

图2为本发明的另一种带液体捕集装置的超重力多功能反应器的剖视图。

图3为本发明的超重力多功能反应器中的定转子（环形折流板式换热器）的剖视图。

图4为本发明的超重力多功能反应器中的液体分布器的剖视图。

附图标记：

1、气相入口管

2、壳体

3、转子

31、定转子（环形折流板式换热器）

311、下层环形折流板

312、旋流条缝

313、下层环形折流底板

314、上层环形折流底板

315、上层环形折流板

32、动转子

321、具有开孔的同心圈

322、旋转盘

4、换热介质入口管

5、换热介质出口管

6、气相出口管

7、液体分布器

71、底板

72、叶片

73、盲板

74、罩筒

75、固定板

76、降液管

8、液相入口管

9、液相出口管

10、转轴

11、液体捕集装置

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

由图1~4可以看出，本发明的超重力多功能反应器，其包括壳体2以及设置在所述壳体2内的转子3和液体分布器7；所述壳体2的上部设有至少一个气相出口管6，所述壳体2的下部设有至少一个液相出口管9，所述壳体2在所述转子3的上方设有至少一个液相入口管8，所述壳体2在所述转子3的下方设有至少一个气相入口管1；所述液体分布器7设置在所述转子3的中部内腔；所述转子3由嵌套在一起的定转子31和动转子32组成，所述动转子32固定在转轴10上。

所述嵌套指的是所述定转子31和所述动转子32以一定间距插入彼此内部，但是不发生接触。

所述定转子31是固定的，它可以采用本领域已知的任何方式固定在所述壳体2的内壁上。所述定转子31的边缘与所述壳体2的内壁紧密连接（流体不能通过）。例如，所述壳体2内壁上设有支撑圈，所述定转子31可以固定在所述支撑圈上。

所述动转子32与所述转轴10一起做旋转运动。

所述转子3的中部内腔指的是最内侧的环形折流板式换热器与所述动转子32的选转盘322所形成的腔体。

所述液体分布器7包括与所述定转子31相连的圆形中空底板71、置于所述底板71中部并与所述底板71垂直的罩筒74、置于所述罩筒74中的旋流叶片72和所述旋流叶片72下部的盲板73，并具有至少一个穿过所述底板71的降液管76。

本领域技术人员可以理解，为了方便，在实践中，所述降液管76可以通过固定板75进行固定。

优选地，所述降液管76为至少2个，例如可以是2个、3个、4个或5个，并且优选沿所述底板71的周边均匀设置。

所述降液管76的设置方式替代了传统的内置式进液管，从而大大减小了转子3的中部内腔处气体的流动阻力，并且结构简单。

所述盲板73用于固定所述旋流叶片72且不能通过流体，由此使流体从所述旋流叶片72的间隙通过。

所述旋流叶片72可有效分离通过所述液体分布器7的气体所夹带的液滴。

强制通过所述液体分布器7的气流由于所述旋流叶片72的作用而进行螺旋形上升运动。由于所述转子3中部内腔处的气速高、离心力大，气体中夹带的液滴受到强力的分离，液滴在离心力作用下被甩至所述定转子31上。

所述动转子32包括旋转盘322和设置在所述旋转盘322上的多个具有开孔的同心圈321。

所述开孔的孔径一般为1~5mm；优选为2~3mm。

所述定转子31为多个具有换热功能的环形折流板式换热器。

所述环形折流板式换热器31包括上层环形折流板315和下层环形折流板311。由此，换热介质在所述环形折流板式换热器31中运动路线为折流式。

优选地，所述环形折流板式换热器31还可以包括与所述下层环形折流板311相连的下层环形折流底板313和与所述上层环形折流板315相连的上层环形折流底板314，它们起到固定与密封所述环形折流板式换热器31的作用。

进一步地，为增加换热效果、提高换热面积或降低气体流动阻力，所述上层环形折流板315和下层环形折流板311上均可设有旋流条缝312。

进一步地，所述环形折流板式换热器31附接有至少一组换热介质入口管4和换热介质出口管5。即多个环形折流板式换热器31可以共用一组换热介质入口管4和换热介质出口管5；或者多个环形折流板式换热器31中的每个可以设有一组换热介质入口管4和换热介质出口管5。

实践中，所述换热介质入口管4和换热介质出口管5焊接在所述壳体2上，并通过法兰与所述定转子31连接。

所述换热介质（冷流或热流）从所述换热介质入口管4进入所述环形折流板式换热器31内部，然后以折流式的运动路线最终从所述换热介质出口管5离开。

本领域技术人员可以理解，所述换热介质入口管4和换热介质出口管5的功能可以相互替换。

所述定转子31的下层环形折流板311的最下端与所述动转子32的旋转盘322之间的距离为2~8mm；所述动转子32的旋转盘322上的具有开孔的同心圈321的最上端与所述定转子31的下层环形折流板311之间的距离为2~8mm。

优选地，所述定转子31的下层环形折流板311的最下端与所述动转子32的旋转盘322之间的距离为3~5mm；所述动转子32的旋转盘322上的具有开孔的同心圈321的最上端与所述定转子31的下层环形折流板311之间的距离为3~5mm。

优选地，所述定转子31的上方设有Z字形的液体捕集装置11。所述液体捕集装置11可有效捕集气体中夹带的液滴，特别适用于操作气速高、气相出口管6的气体中夹带的液滴多的吸收、解析或蒸馏等场合。

在实践中，所述动转子32通过键连接的方式固定在所述转轴10上。所述旋转盘322的下方均匀分布有至少4根拉筋。所述转轴10与所述壳体2之间采用动密封结构（例如，迷宫式结构，机械式密封）。

液体从所述液相入口管8进入后流到所述定转子31上，然后经所述液体分布器7的所述降液管76流到所述动转子32的旋转盘322上，在转轴10的带动下动转子32旋转，所述液体被离心并经由具有开孔的同心圈321上的开孔分散并碰撞到所述定转子31的下层环形折流板311上，然后靠重力沿所述下层环形折流板311的壁面再次流到所述旋转盘322上，通过所述定转子31的下层环形折流板311的最下端与所述动转子32的旋转盘322之间的空隙后，再次被离心由具有开孔的同心圈321上的开孔甩出，最终由所述液体出口管9排出壳体。

具体地，本发明的有益效果是：1、将反应与分离或换热集成在一个反应器内进行，以增加反应速度、提高反应的转化率、强化生产过程和节省投资，能广泛的适用于各种强放热（或吸热、催化）反应、吸收、解吸、换热和蒸馏操作；2、在转子3中部内腔处安装有用于气液分离的液体分布器7，可以有效分离内腔处气体所夹带的液滴，提高液泛气速，增加生产能力；3、采用定转子31与动转子32结合的方式，与其它超重力反应器相比，结构更加简单、紧凑、合理，设备易于制造加工；4、采用所述降液管76进液，替代传统的内置式进液管，有利于减小转子3中部内腔处气体流动阻力，大大降低反应器压降，且结构简单。

实施例1蒸馏

当用于精馏段操作时，待分离的混合物料直接加入到本发明的超重力多功能反应器外的再沸器中，产生的蒸汽在压力差的作用下从所述气相入口管1进入所述壳体2内，并通过所述定转子31的下层环形折流板311的最下端与所述动转子32的旋转盘322之间的空隙（距离为5mm）以及具有开孔的同心圈321上的开孔（圆形，孔径为2~3mm）进入所述转子3中，在此过程中被多个环形折流板式换热器31冷却而产生部分冷凝液，并作为回流液，替代了外加的冷凝器来向所述超重力多功能反应器内打回流，使气相中的重组分进入所述超重力多功能反应器的底部，而所述超重力多功能反应器的顶部则得到高纯度的精馏组分。通过调整所述环形折流板式换热器31中冷流介质的温度，可以产生不同流量的回流液，从而得到不同规格要求的精馏组分。

当用于提馏段操作时，待分离的混合物料从所述液相入口管8进入所述壳体2内，然后从所述降液管76流到所述动转子32上，然后被旋转盘322上的具有开孔的同心圈321均匀分散，并碰撞在所述环形折流板式换热器31上，产生粒径更小的液滴，同时被环形折流板式换热器31加热而产生部分蒸汽，替代了外加的再沸器来向所述超重力多功能反应器提供蒸汽，使气相中的轻组分进入所述超重力多功能反应器的顶部，而所述超重力多功能反应器底部则得到高纯度的提馏组分。通过调整环形折流板式换热器31中热流介质的温度，可以产生不同流量的蒸汽，从而得到不同规格要求的提馏组分。

实施例2  吸收或解吸

当用于吸收操作时，气体从所述气体入口管1进入所述壳体2内。作为吸收剂的液体从所述液相入口管8进入所述转子3的中部空腔，然后被旋转盘322上的具有开孔的同心圈321均匀分散，并碰撞在所述环形折流板式换热器31上，由此产生粒径更小的液滴，然后这些细小的液滴与所述气体进行逆流接触，最终未吸收的气体从所述气相出口管6排出，而液体从所述液相出口管9排出。由于低温有利于吸收，可在所述环形折流板式换热器31内通入冷流介质，提高吸收剂对气体中被吸收组分的吸收率。

当用于解吸操作时，与吸收操作相似，所不同的是，由于高温有利于解吸，可在环形折流板式换热器31内通入热流介质，提高解吸剂（气体）对液体中被解吸组分的解吸率。

另外，在所述定转子31的上方安装有Z字形的液体捕集装置11，可有效捕集气体中夹带的液滴，特别适用于操作气速高、内腔出口处气体中夹带的液滴多的情况。

实施例3  换热

当用于换热时，根据待换热物料的要求，通过调整所述环形折流板式换热器31中通入的换热介质（冷流或热流）及温度，操作简便。由于采用超重力技术，使换热过程得到极大的强化，有力地提高了换热能力，能满足不同的换热要求。

实施例4  反应（或催化）—蒸馏或换热

当用于反应（或催化）与蒸馏操作时，工作原理与蒸馏操作基本一样。对于受化学平衡限制的反应，可以打破平衡的限制，提高原料的利用率；对放热反应，将反应放出的热量用于蒸馏分离，既可使反应内的温度分布均匀，又可以节约能量。由于将反应器和蒸馏塔集成在同一个设备内，减少了设备个数，可以大大节约设备投资。

当用于反应与换热操作时，工作原理与吸收（或解吸）操作基本一样，在完成物料混合的同时能迅速地移走（或提供）化学反应产生（或需要）的热量，特别适合强放热或吸热反应，尤其是硝化和中和、催化等强放热反应。本发明的超重力多功能反应器的一个显著优点是将反应和换热集成在一个反应器内进行。

总之，本发明的超重力多功能反应器将反应和蒸馏或换热集成在一个反应器内完成，不仅能单独的适用于反应、传质和传热各个操作，可在一个反应器内同时实现反应和换热、反应和蒸馏操作，以增加反应速度、提高反应的转化率、增强生产能力和节省投资，此外，结构简单，制造、安装、维修方便。

本领域技术人员可以理解，在本说明书的教导之下，可以对本发明做出一些修改或变化。这些修改和变化也应当在本发明权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种超重力多功能反应器，其特征在于，其包括壳体以及设置在所述壳体内的转子和液体分布器；所述壳体的上部设有至少一个气相出口管，所述壳体的下部设有至少一个液相出口管，所述壳体在所述转子的上方设有至少一个液相入口管，所述壳体在所述转子的下方设有至少一个气相入口管；所述液体分布器设置在所述转子的中部内腔；所述转子由嵌套在一起的定转子和动转子组成；所述动转子固定在转轴上。

2.根据权利要求1所述的超重力多功能反应器，其特征在于，所述液体分布器包括与所述定转子相连的圆形中空底板、置于所述底板中部并与所述底板垂直的罩筒、置于所述罩筒中的旋流叶片和所述旋流叶片下部的盲板，并具有至少一个穿过所述底板的降液管。

3.根据权利要求1所述的超重力多功能反应器，其特征在于，所述动转子包括旋转盘和设置在所述旋转盘上的多个具有开孔的同心圈。

4.根据权利要求1所述的超重力多功能反应器，其特征在于，所述定转子为多个具有换热功能的环形折流板式换热器。

5.根据权利要求4所述的超重力多功能反应器，其特征在于，所述环形折流板式换热器包括上层环形折流板和下层环形折流板。

6.根据权利要求5所述的超重力多功能反应器，其特征在于，所述上层环形折流板和下层环形折流板上均设有旋流条缝。

7.根据权利要求6所述的超重力多功能反应器，其特征在于，所述环形折流板式换热器附接有至少一组换热介质入口管和换热介质出口管。

8.根据权利要求7所述的超重力多功能反应器，其特征在于，所述定转子的下层环形折流板的最下端与所述动转子的旋转盘之间的距离为2~8mm；所述动转子的旋转盘上的具有开孔的同心圈的最上端与所述定转子的下层环形折流板之间的距离为2~8mm。

9.根据权利要求8所述的超重力多功能反应器，其特征在于，所述定转子的下层环形折流板的最下端与所述动转子的旋转盘之间的距离为3~5mm；所述动转子的旋转盘上的具有开孔的同心圈的最上端与所述定转子的下层环形折流板之间的距离为3~5mm。

10.根据权利要求9所述的超重力多功能反应器，其特征在于，所述定转子的上方设有Z字形的液体捕集装置。

Images