CN103212362B - 锥形螺旋管式射流反应器 - Google Patents
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Abstract
锥形螺旋管式射流反应器，涉及一种新型反应器，包括锥形螺旋射流管（1）、反应器管体（2）、反应器夹套（3）、反应器锥壳（4）、反应器出口管（5）、主流入口管（6）、反应器法兰盖（7）及射流入口管（8）等。锥形螺旋射流管（1）由多个锥段构成，其螺旋管最大直径与最小之间的过渡段为一个锥段，锥段大端直径等于或小于反应器管体（2）内直径，锥段小端直径根据主流的低速流体及射流的高速流体流动特性确定。本发明结构简单、运行平稳，传质效果好，能有效地将传统釜式滴加反应的间歇生产方式转换为连续生产方式，特别适合于气液比范围较大的反应过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种化工反应器，特别是涉及一种利用锥形螺旋管实现气液或液液射流混合的反应器。
背景技术
静态反应器及射流反应器是化工、石油等领域应用比较广泛的两种类型反应器。这两种反应器具有各自的适用范围及优缺点，比如静态反应器属于平推流反应器，反应过程无返混副产物少，并且通过改变流速或反应管长度可以控制不同的反应停留时间，但静态反应器长径比比较大，混合元件在强化反应的同时也使流动阻力显著增加。而射流反应器主要利用高速流体与低速流体之间的卷吸作用实现流体之间高效、快速混合，流体流动阻力小，但流体之间强烈混合的时间很短，反应停留时间很难人为控制，对于停留时间较长的反应适应性较差。本发明综合利用了以上两种反应器的结构及流动特点，同时具备了射流混合、对流混合及分布混合三种强化机理。该反应器既有静态反应器承压能力高、容积小、比表面积大、返混少、反应参数易于控制等优点，又具有射流反应器结构紧凑、操作可靠、混合效果好等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锥形螺旋管式射流反应器，该反应器比表面积大、压力波动小、反应参数易于控制，能有效地将传统釜式滴加反应的间歇生产方式转换为连续生产方式，特别适合于气液比较大的反应过程。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
锥形螺旋管式射流反应器，包括锥形螺旋射流管、反应器管体、反应器夹套、反应器锥壳、反应器出口管、主流入口管、反应器法兰盖及射流入口管；锥形螺旋射流管由多个锥段构成，其螺旋管最大直径与最小之间的过渡段为一个锥段，锥段大端直径等于或小于反应器管体内直径，锥段小端直径根据主流的低速流体及射流的高速流体流动特性确定；锥形螺旋射流管的螺距根据主流流体的流动特性确定，保证主流流体在锥形螺旋射流管的扰流作用下形成径向流动，在层流状态下取1/8~1/4反应管内直径，在湍流状态下取1/4~1/2反应管内直径；锥形螺旋射流管的直径及壁厚取1~3mm。
所述的锥形螺旋管式射流反应器，锥形螺旋射流管内壁及外壁上、沿回转轴线垂直方向开有通孔，即射流孔，射流孔在螺旋管上，沿圆周方向等角度均布。
所述的锥形螺旋管式射流反应器，在反应器入口端，锥形螺旋射流管与射流入口管焊接连接，射流入口管与反应器法兰盖之间采用焊接或活套螺纹连接；在反应器出口端，锥形螺旋射流管的端部焊接封死，射流流体全部由射流孔流出。
所述的锥形螺旋管式射流反应器，主流流体通过主流入口管进入反应器管体内并充满后，射流流体由射流入口管进入锥形螺旋射流管通过射流孔沿反应器半径方向喷射到主流流体中，射流流体向外喷射到反应器管体内壁，向内喷射到反应器管体轴线。
进一步说明如下：
锥形螺旋管式射流反应器，包括锥形螺旋管、反应器管体、反应器夹套、反应器锥壳、反应器出口管、主流入口管、反应器法兰盖及射流入口管等。
锥形螺旋射流管是该反应器的核心关键部件，由直径较小的金属管螺旋盘绕而成，在反应管内形成三个或三个以上的锥管段（螺旋管最大回转直径与最小回转直径之间的过渡段称为一个锥段）。锥形螺旋管大端回转直径等于或略小于反应管内直径，其主要作用是支撑锥形螺旋管并使其与反应管对中。锥形螺旋管小端回转直径为反应管内直径的1/4左右，其具体值取决于射流流体与主流流体的流速及粘度，要保证最小回转直径处的射流流体能够快速到达反应器轴线。
锥形螺旋射流管的螺距根据主流流体（低速流体）的流动特性确定，螺距大小主要影响反应器内螺旋管锥段数量，进而影响锥形螺旋管对流体的扰流强度。随着螺距的减小螺旋射流管对主流的扰流作用增强，但当螺距减小到一定程度后，主流流体绕过螺管径向流动阻力显著增大，反而降低了流体的湍动程度及混合效果。
锥形螺旋管沿回转轴线垂直方向在管内外两侧开有射流孔，射流孔在螺旋管上沿圆周方向等角度排列。射流孔数量及射流孔直径确定的原则是每个射流孔内喷射出来的流体在主流中的径向影响范围要达到反应管内壁及反应管轴线，轴向影响范围要连接到相邻轴向射流孔射流影响范围。
该反应器可使参与反应的流体实现三种混合作用，分别为射流混合、对流混合以及分布混合。首先，射流流体在自身压力作用下通过射流孔沿反应器径向高速射入主流流体，射流流体和主流流体相互掺杂、卷吸，实现了反应流体的射流混合；其次，所用射流混合流体及其它未混合流体在锥形螺旋射流管的阻碍、分割、旋流作用下，湍动程度增加，流体微体进一步混合，完成了对流混合；第三，射流流体由很多个射流孔同时喷射出来，与不同位置的主流流体进行混合，这种结构不仅解决了传统静态混合器气液反应压力波动大、难控制等缺点，而且还从空间位置角度实现了反应流体的分布混合。本反应器由于具有以上三种混合作用，所以其反应强化效果明显提高。
本发明的优点与效果是：
1. 传质效率高，反应流体在射流混合、对流混合以及分散混合的共同作用下，混合均匀快速，传质系数高；
2. 承压能力强，该反应器管径较小，可以承受较高的介质压力，可以应用到高压反应工况；
3. 可有效解决气液或液液反应的热效应问题，反应器截面温度均匀，反应效果好，并可实现沿管长方向的变温控制；
4. 反应器结构简单，加工制造成本低，便于维修。
附图说明
图1为锥形螺旋管式射流反应器装配结构示意图；
图2为锥形螺旋射流管主视图；
图3为锥形螺旋射流管侧视图；
图4为锥形螺旋射流管部分轴向剖视图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明进行详细说明。
如图1-4所示：本发明所提供的锥形螺旋管式射流反应器，包括锥形螺旋射流管1、反应器管体2、反应器夹套3、反应器锥壳4、反应器出口管5、主流入口管6、反应器法兰盖7及射流入口管8等。
反应器管体亦可为筒体。
锥形螺旋射流管可由直径较小的金属管或非金属管螺旋盘绕而成，在反应管内形成三个或三个以上的锥管段。对于塑性较好的金属管可直接冷弯成形，而非金属管可热熔成形。锥形螺旋射流管大端回转直径 等于或略小于反应管内直径，两者间歇应小于2mm。锥形螺旋管小端回转直径为反应管内直径的1/4左右，要保证最小回转直径处的射流流体能够快速到达反应器轴线。
锥形螺旋射流管的结构类似与锥形弹簧，若成形后的锥形螺旋射流管刚度较差，可采用相应的夹持固定件来保持射流管的螺距并防止工作过程中产生参数振动摩擦，比如对于金属材质射流管可利用直径较小的钢筋紧贴锥形螺旋射流管内侧外壁面进行点焊固定。
锥形螺旋射流管的螺距H根据主流流体（低速流体）的流动特性确定，一般在层流状态下取1/8~1/4反应管内直径，在湍流状态下取1/4~1/2反应管内直径。锥形螺旋射流管的壁厚在满足成形及腐蚀要求的前提下应尽可能小，一般取1~3mm。
锥形螺旋管沿回转轴线垂直方向（见图4）在管内外两侧开有射流孔，射流孔在螺旋管上沿圆周方向等角度排列（见图3）。射流孔的直径及其排布方式直接影响到反应器的混合效果，射流孔直径一般取射流管直径的1/6~1/10，射流孔间隔角度一般取30°~60°。
在反应器入口端，锥形螺旋射流管与射流入口管焊接连接，射流入口管与反应器法兰盖之间采用焊接或活套螺纹连接；在反应器出口端，锥形螺旋射流管的端部焊接封死，保证射流流体全部由射流孔流出。
本发明的另一种实施方案是当反应器直径较大时，可以采用同心双螺旋或多螺旋锥形射流管（即图1所示的锥形螺旋射流管在反应器进行嵌套多个），各锥形螺旋射流管之间可采用串联或并联方式连接。
本发明的锥形螺旋管式反应器可广泛用于连续进行气液或液液反应的场合，可替代现有的搅拌釜式反应器、釜式反应器或塔式反应器。
本发明的反应器对于液液反应可垂直布置、水平布置、倾斜布置；对于气液反应宜垂直布置；可单一使用也可串联或并联使用，串联或并联使用时可采用对接或采用连接管连接，连接方式可采用焊接或法兰连接。
实施例
本实施例为本发明在硝基苯磺化方面的一个实例。
本发明的锥形螺旋管式反应器用作硝基苯磺化反应器，以三氧化硫为射流流体（高速流体），以间硝基苯为主流流体（低速流体），两者进行生成间硝基苯磺酸的磺化反应。反应器直径为DN100mm，长度为1000mm，锥形螺旋管长度为750mm，具有三个锥形段，螺旋管直径10mm，射流孔直径2mm，射流孔间隔角度为30°。
三氧化硫在计量泵的作用下进入锥形螺旋射流管，间硝基苯在计量泵作用下进入反应管。三氧化硫由锥形螺旋管的射流孔高速喷射到间硝基苯中，两者在射流混合的同时释放出大量的热，反应过程中夹套内通入冷却水及时有效地携出反应器中的反应热，反应温度控制在85℃。两种流体沿着反应器轴线方向在螺旋管的作用下继续进行反应，达到反应器出口时反应结束。
实验得到液态间硝基苯磺酸，主组分含量大于96% ，硝基砜质量含量3.5%。实验结果表明本反应器极大地提高了反应器的空时产率，使原有的间隔的釜式反应变成了连续管式反应，提高了生产的本质安全性，并可获得稳定可靠的产品。
Claims (1)
1.锥形螺旋管式射流反应器，其特征在于：包括锥形螺旋射流管（1）、反应器管体（2）、反应器夹套（3）、反应器锥壳（4）、反应器出口管（5）、主流入口管（6）、反应器法兰盖（7）及射流入口管（8）；锥形螺旋射流管（1）由三个或三个以上的锥段构成，其螺旋管最大直径与最小之间的过渡段为一个锥段，锥段大端直径等于或小于反应器管体（2）内直径，锥段小端直径根据主流的低速流体及射流的高速流体流动特性确定，锥形螺旋管小端回转直径为反应管内直径的1/4左右；锥形螺旋射流管（1）的螺距根据主流流体的流动特性确定，保证主流流体在锥形螺旋射流管（1）的扰流作用下形成径向流动，在层流状态下取1/8~1/4反应管内直径，在湍流状态下取1/4~1/2反应管内直径；锥形螺旋射流管（1）的直径及壁厚取1~3mm；
锥形螺旋射流管（1）内壁及外壁上、沿回转轴线垂直方向开有通孔，即射流孔，射流孔在螺旋管上，沿圆周方向等角度均布；射流孔直径取射流管直径的1/6~1/10，射流孔间隔角度取30°~60°；
在反应器入口端，锥形螺旋射流管（1）与射流入口管（8）焊接连接，射流入口管（8）与反应器法兰盖（7）之间采用焊接或活套螺纹连接；在反应器出口端，锥形螺旋射流管（1）的端部焊接封死，射流流体全部由射流孔流出；
主流流体通过主流入口管（6）进入反应器管体（2）内并充满后，射流流体由射流入口管（8）进入锥形螺旋射流管（1）通过射流孔沿反应器半径方向喷射到主流流体中，射流流体向外喷射到反应器管体（2）内壁，向内喷射到反应器管体（2）轴线。
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