CN102921364A

CN102921364A - 流化床光热反应器

Info

Publication number: CN102921364A
Application number: CN2012104543690A
Authority: CN
Inventors: 赵铁英
Original assignee: TIANJIN XIANQUAN INDUSTRY TRADE DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: TIANJIN XIANQUAN INDUSTRY TRADE DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明涉及一种流化床光热反应器。由混合区，反应区和扩大区组成，混合区内有气体进口和液体出口，混合后的气体向上经过气体分布器。反应区和扩大区连通，反应区为直筒型，发光灯管外部先套有直径较小的石英发光灯套管，在石英发光灯套管外套上直径较大的石英外层套管，催化剂样品分散于外层套管外侧和加热炉内侧之间。本发明热量通过石英外层套管内侧和石英发光灯套管外侧空间内的气体分子向反应炉中心的光源扩散，该空间内呈现出明显的温度梯度。并可向石英发光灯套管内吹冷气，降低发光灯管周围的温度，使其正常工作，延长工作寿命。本发明结构简单，可承受的反应炉的温度高达600℃以上，满足绝大部分的光热反应的需求，具有广泛的应用前景。

Description

流化床光热反应器

技术领域

本发明涉及一种高效高寿命的流化床光热反应器。

背景技术

光作为一种自然的能源形式，作用于光敏感催化剂时，可使得催化剂处于激发态，从而促进催化反应过程的发生。光催化具有自身独特的优势，相比于热能，光子携带的巨大能量能完成热能无法实现的化学反应过程。另外，光催化中，可通过选择合适能量的光源，选择地激发反应物，实现单一反应过程的发生。然而对于一些需要较大能量的光激发的反应，往往常用的白色光（390-780 nm）和紫外光源（254 nm）可能无法满足。另外光在催化反应的利用效率不大也限制它的应用。光热反应过程是将光和热两者结合起来，在一定的反应温度，在光的辅助作用下，催化剂的反应性能一般远高于单一的光催化和热催化活性。因此要达到相同的反应活性，在光的参与作用下，可明显地降低反应的温度，同时可提高反应的选择性。反过来说，热源的存在可以减低所需光源的能量，即在一定温度下，使得原本需要在很高能量的光源作用的反应可以在常用的白色光（390-780 nm）和紫外光源（254 nm）完成。因此光热反应器充分发挥了光和热的协同作用，相互促进。为此，申请人提出了“固定床光热反应器”的发明专利申请。该申请中将固定床和光源结合起来，主要是对光热反应器的结构进行比较特殊的设计，主要包括反应炉、催化剂支撑筛板（或支撑反应管）、石英外层套管、石英发光灯套管和发光灯管。反应炉的至少一个侧壁为炉瓦结构，可以对样品进行加热。发光灯管放置于反应炉的内部，其外部先套有一个（直径较小的）石英发光灯套管，再在该石英发光灯套管外套上一个（直径较大的）石英外层套管，催化剂样品则放置于（石英外层套管外侧和反应炉内壳之间）支撑筛板上。反应炉的上下分别安装有金属顶盖和金属底盖，在金属顶盖上有反应气进口和冷气出口，对应在金属底盖上有反应气出口和冷气进口，实现了热源与光源在位置上良好的匹配。从而实现对样品的光热反应性能的表征。

流化床反应器是一种利用气体通过颗粒状固体层而使其处于悬浮状态，并同时实现气固相反应过程的反应器。与固定床反应器相比，气体流动速度快，气体和颗粒的运动使床层具有良好的传热性能，床层内部温度均匀，易控制，特别适用于强放热反应。另外催化剂可以实现连续再生和循环操作，特别适用于催化剂失活速率较高的反应。因此将流化床和光源结合而成的流化床光反应器能实现流化状态下的光热化学反应，并具有固定床光热反应器无法比拟的优点。而至今，专利上未发现流化床反应形式的光热反应器，因此流化床光热反应器的开发和应用显得非常重要，也很急迫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流化床光热反应器，在固定床光热反应器的基础上，对光源与热源的相互位置以及流化床光热反应器的结构进行设计，进一步地考虑到流化床与固定床反应器的差异，对该反应器的结构进行优化。

本发明提供的流化床光热反应器包括发光灯管、石英发光灯套管、石英外层套管、金属顶盖、金属底盖、气体物料进口、液体物料进口、反应气出口、气体喷头、气体分布器进口、气体分布器、固体催化剂出口、开关阀、金属网、冷气进口、冷气出口、接线和下隔板；

该反应器包括混合区，反应区和扩大区，其中在反应器下部的混合区内有气体物料进口和液体物料进口、气体喷头，下隔板；混合区设向上气体分布器，气体分布器上方有金属网，可实现液体的气化以及气体间的混合。混合后的气体向上经过气体分布器，均匀喷出进入反应区中。下隔板和金属顶盖之间的区域被分成反应区和扩大区，反应器中部的反应区和上部的扩大区连通，反应区为直筒型结构，反应区内包括发光灯管、石英发光灯套管、石英外层套管、加热炉层，加热炉层为炉瓦结构，其中发光灯管位于加热炉的内部中心，其外部先套有直径较小的石英发光灯套管，再在该石英发光灯套管外套上直径较大的石英外层套管，催化剂样品分散于该石英外层套管外侧和加热炉层内侧之间的空间内，在向上的气流的作用下，催化剂处于悬浮运动和流化状态。扩大区的直径向上逐渐增大，在该区域气流的速度会减慢，使得催化剂颗粒在重力作用下沉降回到反应区内，这样可促进气固的分离。发光灯管上下的接线分别从金属顶盖和金属底盖接出；扩大区的直径向上呈漏斗状逐渐增大；加热炉层的下侧有固体催化剂出口和开关阀；冷气进口、冷气出口分别位于反应器金属顶盖、金属底盖上，偏离其中心，分别与冷气源及对应的尾气管相连。

本发明提供了一种高效高寿命的流化床光热反应器。该流化床光热反应器的特殊结构能有效抑制热量的传递，保证光源周围低温的工作环境。在光热反应器工作时，由于加热炉的温度较高，热量会通过石英外层套管内侧和石英发光灯套管外侧空间内的气体分子向反应炉中心的光源扩散，由于气体分子的传热限制，该空间内呈现出明显的温度梯度。当石英外层套管内测距离石英发光灯套管外侧较远时，只有较少量或极少量的热量会传递到光源。与此同时可向石英发光灯套管内吹冷气，进一步地降低发光灯管周围的温度，使其正常工作，延长其工作寿命。该光热反应器的结构和制作工艺均较为简单，可承受的反应炉的温度高达600 ^oC以上，满足绝大部分的光热反应的需求，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的流化床光热反应器的结构示意图。

图2为本发明的流化床光热反应器中一种实施例的气体分布器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明：

如图所示，1-发光灯管，2-石英发光灯套管，3-石英外层套管，4-加热炉层，5-金属顶盖，6-金属底盖，7-气体物料进口，8-液体物料进口，9-反应气出口，10-气体喷头，11-气体分布器进口，12-气体分布器，13-固体催化剂出口，14-金属网，15-冷气进口，16-冷气出口，17-接线，18-催化剂，19-开关阀，20-下隔板，21-主干管道，22-分流口，23-支干管道，24-支流口。

图1为本发明的一种流化床光热反应器的结构示意图。该流化床光热反应器主要由混合区a，反应区b和扩大区c三部分组成。该反应器的侧壁为加热炉层4，可以进行升温，其中通用的控温系统和热电偶均未示出。反应器上下分别安装有金属顶盖5和金属底盖6，起密封作用。混合区a位于反应器的下部，内有气体物料进口7、液体物料进口8、气体喷头10，下隔板20等。一般可认为下隔板20以下的区域为混合区a。液体物料从位于侧壁加热炉层4上的液体进口8进入混合区a，在高温条件下瞬间气化。气体物料从位于金属底盖5中心的气体物料进口7，通过气体喷头10喷射进入混合区a，与气化的液体物料进行混合。混合物料气会向上运动，通过气体分布器进口11进入气体分布器12中，后从气体分布器12上的多个出口分流喷射进入反应区b中。可用的气体分布器种类很多，其中一种实施例的气体分布器如图2所示，该气体分布器7为树枝状结构，由六个主干管道21和多个分布在主干管道21上的支干管道23组成。气体从气体分布器的中心进口11进入后，通过六个分流口22分流到各主干管道21，各主干管道21上分布有多个支干管道23，将分流的气体进一步均匀分布给各个支流口24，向上喷射入反应区b。气体分布器12的上方有一层金属网14，由于上面有许多均匀分布的小孔，则相当于二级气体分布器，对气体进一步地进行分布，另外还可防止催化剂样品聚集于气体分布器的支流口24附近而导致堵塞。

下隔板20和金属顶盖5之间的区域被分成反应区b和扩大区c两部分，扩大区c位于反应区b的上部，两者是相通的。反应区b为直筒结构的部分，而扩大区c的部分从下往上直径逐渐增大。反应区b内主要放置有发光灯管1、石英发光灯套管2、石英外层套管3、加热炉层4等。加热炉层4为炉瓦结构，可以进行加热。发光灯管1置于光热反应器的中心，发光灯管1上下的接线17分别从金属顶盖5和金属底盖6接出，但需焊好，不能影响金属盖的密封效果。在发光灯管1的外面套有一个直径较小的石英发光灯套管2，发光灯管1和石英发光灯套管2之间存在一定的空间，可以向其中通过冷气，来对发光灯管1进行冷却。冷气进出口15，16分别位于反应器上下的金属盖上，偏离其中心，并分别与冷气源及对应的尾气管相连。冷气一般从金属顶盖5上的冷气进口15进入，而从金属底盖6上的冷气出口16出去，同时带走热量。在石英发光灯套管2外再套有一个直径较大的石英外层套管3，利用石英外层套管3与石英发光灯套管2之间的距离，抑制加热炉层4热量向发光灯管1周围扩散和传播。催化剂颗粒18分散于该石英外层套管3外侧和加热炉层4内侧之间的空间内。在由气体分布器12均匀分布的向上的气流的作用下，催化剂18在该空间内处于悬浮运动和流化状态，与此同时与向上的反应物料气相互接触，促进反应的进行。上部的扩大区c的直径增大，在该区域气流的速度会减慢，使得催化剂颗粒18在重力作用下沉降回到反应区b内，气体产物则从位于金属顶盖5中心的反应气出口9出来，进行收集或者循环使用，这样促进了气固的分离。反应气出口9也可以当作做固体催化剂物料的添加口，加热炉层4的下侧有固体催化剂的出口13和开关阀19，催化剂18可以添加或取出，有利于催化剂18的离线再生和循环。同时由于发光灯管1、石英发光灯套管2、石英外层套管3的顶部均位于扩大区c内，在扩大区c的催化剂18也会在光源的照射下与反应气发生作用，从而提高了反应器的反应效率。

该流化床光热反应器的特殊结构能有效抑制热量的传递，保证光源周围低温的工作环境。在光热反应器工作时，由于反应一般在较高的温度下进行，加热炉层4和催化剂样品18的热量会通过石英外层套管3内侧和石英发光灯套管2外侧空间内的气体分子向反应器中心的光源1扩散，由于气体分子的传热限制，该空间内呈现出明显的温度梯度，显然石英外层套管3的直径决定了传递的热量大小。与此同时在石英发光灯套管2内吹冷气，将传递过来的热量带走，从而达到热量的传递的平衡。一般来说，当反应温度达到600 ^oC时，使用直径为10 cm的石英外层套管3，同时向石英外层套管3内侧和石英发光灯套管2外侧之间的空间内通入较大流量的常温空气，可使得石英发光灯套管周围的温度下降至40 ^oC左右，即达到发光灯的正常使用温度，同时大大地延长了其使用寿命。

Claims

1.一种流化床光热反应器，其特征在于它包括发光灯管、石英发光灯套管、石英外层套管、加热炉层、金属顶盖、金属底盖、气体物料进口、液体物料进口、反应气出口、气体喷头、气体分布器进口、气体分布器、固体催化剂出口、金属网、冷气进口、冷气出口、接线、开关阀和下隔板；

该反应器包括混合区，反应区和扩大区，其中在反应器下部的混合区内有气体物料进口和液体物料进口、气体喷头，下隔板；混合区内设气体分布器，气体分布器上方有金属网；下隔板和金属顶盖之间的区域被分成反应区和扩大区，反应器中部的反应区和上部的扩大区连通，反应区为直筒型结构，反应区内放置有发光灯管、石英发光灯套管、石英外层套管、加热炉层，加热炉层为炉瓦结构，其中发光灯管位于加热炉的内部中心，其外部先套有石英发光灯套管，再在该石英发光灯套管外套上石英外层套管，催化剂样品分散于该石英外层套管外侧和加热炉层内侧之间的空间内，发光灯管上下的接线分别从金属顶盖和金属底盖接出；扩大区的直径向上呈漏斗状逐渐增大；加热炉层的下侧有固体催化剂出口和开关阀；冷气进口、冷气出口分别位于反应器金属顶盖、金属底盖上，偏离其中心，分别与冷气源及对应的尾气管相连。

2.按照权利要求1所述的流化床光热反应器，其特征在于所述的气体分布器为树枝状结构，由六个主干和分布在主干上的多个支干组成。

3. 按照权利要求1所述的流化床光热反应器，其特征在于所述的石英外层套管的直径为10 cm。