CN104096519B - 流化床反应器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流化床反应器及其应用。其中，流化床反应器包括反应管，所述反应管内设置有扰流部件；所述扰流部件包括多组扰流叶片；所述多组扰流叶片沿竖直方向固定在所述反应管的内部。本发明的流化床反应器，在反应管内部增加了扰流部件，该扰流部件会对反应管内部的流体产生强制干扰，使流体充分返混，形成局部涡流，从而使气‑固相接触更加均匀，提高了流化床反应器的传质传热效率，进而提高了产率和产物质量；并且，该扰流部件结构简单，易于加工制造，便于使用过程中的维护。

Description

流化床反应器及其应用

技术领域

本发明涉及反应设备技术领域，特别是涉及一种流化床反应器及其应用。

背景技术

流化床反应器是一种将固体颗粒悬浮于气体或液体之中，并进行气固相反应或液固相反应的反应器，广泛应用于工业生产及科研实验。目前，在很多气固相反应中，如纳米碳材料的制备过程中，现有的流化床存在以下弊端：反应气和载气以平推流的形式通过反应区，返混效果差，导致反应器的传质传热效率低，最终影响到反应的产率。

发明内容

本发明提供了一种能够提高传质传热效率的流化床反应器。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种流化床反应器，包括反应管，所述反应管内设置有扰流部件；

所述扰流部件包括多组扰流叶片；

所述多组扰流叶片沿竖直方向固定在所述反应管的内部。

在其中一个实施例中，每组所述扰流叶片包括固定件和2～20个叶片；

每个所述叶片包括自由端和固定端；

每个所述叶片通过所述固定端固定在所述固定件的四周。

在其中一个实施例中，所述2～20个叶片以所述固定件为中心对称分布。

在其中一个实施例中，每个所述叶片为平面结构；

所述平面结构的叶片倾斜固定在所述固定件上。

在其中一个实施例中，每个所述叶片所在的平面与所述固定件的轴线之间的夹角为15°～65°。

在其中一个实施例中，每个所述叶片为曲面结构；

所述曲面结构的叶片竖直或倾斜固定在所述固定件的四周。

在其中一个实施例中，所述多组扰流叶片固定在所述反应管的内侧壁。

在其中一个实施例中，所述扰流部件还包括扰流轴；

所述扰流轴固定在所述反应管的轴线上；

所述多组扰流叶片固定在所述扰流轴上。

在其中一个实施例中，相邻两组所述扰流叶片之间的距离相等。

一种所述的流化床反应器的在纳米碳材料制备中的应用。

本发明的有益效果如下：

本发明的流化床反应器，在反应管内部增加了扰流部件，该扰流部件会对反应管内部的流体产生强制干扰，使流体充分返混，形成局部涡流，从而使气-固相接触更加均匀，提高了流化床反应器的传质传热效率，进而提高了产率和产物质量；并且，该扰流部件结构简单，易于加工制造，便于使用过程中的维护。

附图说明

图1为本发明的流化床反应器一实施例的结构示意图；

图2为图1所示流化床反应器的扰流部件的结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供了一种流化床反应器，与以往的流化床反应器相比，本发明的流化床反应器能够增加流体的返混，提高传质传热效率。

参见图1，本发明的流化床反应器包括反应管100，反应管100内设置有扰流部件200。扰流部件200包括多组扰流叶片210；多组扰流叶片210沿竖直方向固定在反应管100的内部。一般地，扰流叶片210设置在反应管内部的反应区域。

其中，扰流叶片210的数量根据反应管100的长度进行设置。作为优选，相邻两组扰流叶片210的竖直距离相等。

此外，本发明的流化床反应器还包括其他常规组件，如进气法兰400、尾气法兰300、布气板500、气固分离筛网600、加热组件700等。其中，进气法兰安400装在反应管100的下端口处，进气法兰400上设置有进气管410，进气管410主要用于通入载气和反应气；尾气法兰300安装在反应管100的上端口处，尾气法兰300上设置有尾气管310，尾气管310主要用于排出反应的尾气；布气板500设置在反应管100的下部区域；气固分离筛网600安装在反应管100的上部区域；加热组件700设置在反应管100的反应区域的外围。

本发明的流化床反应器，在反应管100内部增加了扰流部件200，该扰流部件200会对反应管100内部的流体产生强制干扰作用，使流体充分返混，形成局部涡流，从而使气-固相接触更加均匀，提高了流化床反应器的传质传热效率，进而提高了产率和产物质量；并且，扰流部件200结构简单，易于加工制造，便于使用过程中的维护。

参见图2，本发明的流化床反应器中，每组扰流叶片210包括固定件212和多个叶片214。每个叶片214包括自由端2142和固定端2144；每个叶片214通过固定端2144固定在固定件212的四周。

每组扰流叶片210中，叶片214的数目不限，优选为2～20个。每个叶片214的大小可根据具体的反应管100进行设计，优选地，叶片214的长度略小于反应管100的半径，以保证叶片能够最大程度的发挥扰流作用

上述的扰流叶片210中，叶片214可通过焊接的方式固定在固定件212的四周，也可通过一体成型的方式固定。固定件212可为固定环，也可为固定轴等能将叶片以辐射的形式固定在一起的组件。

为了使得反应管100中的流体流动更加均匀，作为优选，每组扰流叶片210中，多个叶片214以固定件212为中心对称分布。

叶片214的作用为干扰反应管100内的流体，使得流体具有较好的返混效果，形成局部涡流，从而提高传质传热效率。因此，叶片214的形状可以为能促进反应管100内的流体出现局部涡流的任何形状。

作为一种可实施方式，叶片214为平面结构；平面结构的叶片214倾斜固定在固定件212上。当叶片214为平面结构时，若叶片214竖直设置，不能起到扰流的作用，此时，需要将叶片214倾斜设置，用倾斜面来干扰流体流态。

作为优选，当叶片214为平面结构时，叶片214所在的平面与固定件212的轴线之间的夹角为15°～65°。该角度范围下，既能实现较好的扰流效果，又不会影响流体的运动，可显著提高传质传热效率。

作为另一种可实施方式，叶片214为曲面结构；曲面结构的叶片214竖直或倾斜固定在固定件212的四周。

本发明的流化床反应器中，扰流叶片210可直接固定在反应管100的内侧壁上。例如，可通过焊接的方式将扰流叶片210固定在反应管100的内侧壁上。在其中一个实施例中，可将扰流叶片210中的某一个或某几个叶片214的自由端2142焊接在反应管100的内侧壁上。

需要说明的是，多组扰流叶片210可以以相同的角度固定在反应管100的内侧壁上(多组扰流叶片在水平面上的投影重合)，也可交错固定在反应管100的内侧壁上(多组扰流叶片在水平面上的投影不重合)。

参见图1，本发明的扰流部件还包括扰流轴220；扰流轴220固定在反应管100的轴线上；多组扰流叶片210固定在扰流轴220上。该方式可直接对现有的流化床反应器进行改进，可将固定有多个扰流叶片210的扰流轴220直接固定在现有的流化床反应器中即可，节约了制造成本。

作为一种可实施方式，每组扰流叶片210可通过固定件212固定在扰流轴220上；此时，固定件212优选为带有卡扣的固定环，可将该固定环直接套装在扰流轴220上，并通过卡扣固定。该方式操作简单，易于实现。

继续参见图1，扰流轴220包括竖直部和固定部；固定部设置在竖直部的顶端。当反应管100为变径反应管时，可将固定部直接卡设在反应管100内部的直径变化区，实现扰流轴220的固定；当反应管100为同径反应管时，可将固定部焊接在反应管100的内侧壁上，实现扰流轴220的固定。

需要说明的是，在其他实施例中，每组扰流叶片210可以只包括多个叶片214，而不包括固定件212，多个叶片214可通过焊接等方式直接固定在扰流轴220上。在此实施方式中，扰流轴220同时起到了固定件212的作用。

利用CFD模型对现有的流化床反应器和本发明的流化床反应器进行模拟，模拟条件如下：

忽略化学反应；忽略固体粉末颗粒的作用；气体处理为理想不可压缩气体；进气管处的体积流速为1.0m³/min；尾气管处的恒定压力为1atm；反应管的反内部温度为750摄氏度。

通过模拟可发现：与现有的流化床反应器相比，本发明的流化床反应器能够明显改进反应管内部的温度场和速度场，反应管内的高温区域更大，反应管内部的温度场和速度场分布更加均匀。均匀的温度场和速度场有助于提高反应的产率，并有利于反应产物的质量的提高。

本发明的流化床反应器，通过在反应管100内部增加扰流部件200，使得反应管100内部的流体可实现最大程度的返混，形成局部涡流，提高流化床反应器的传质传热效率，进而提高反应产率；并且，本发明中的扰流部件200结构简单，易于加工制造，便于使用过程中的维护。

本发明的流化床反应器，广泛应用于气固相反应，尤其适用于纳米碳材料的制备。

为了更好地理解本发明，下面通过具体的实施例对本发明的流化床反应器及其应用进一步说明。

实施例1

利用化学气相沉积制备碳纳米管，反应设备采用图1所示的流化床反应器(该流化床反应器为变径流化床反应器)。

将一定粒径的生长碳纳米管的催化剂粒子从反应管100的进气管410处投入流化床反应器内部的布气板500上；在进气管410处通入载气，调整载气流速，使布气板500上的催化剂粒子能够在反应管100的加热区形成返混良好的涡流化流体；开启加热组件700，然后在载气中加入化学气相沉积所需的含碳原料气体；调节气体流速，使得生成的碳纳米管颗粒能够持续流化。由于生成的碳纳米管颗粒密度小于催化剂粒子的密度，因此，生成的碳纳米管颗粒会浮动到反应管100的上部，但由于反应管100的在此处直径变大，流体速度降低，所以生成的碳纳米管颗粒在此处重力与浮力平衡重新达到稳定的流化状态。反应结束后，首先停止含碳原料气体的通入，然后关闭加热组件700，再停止载气的通入，最后取出反应产物。此方法适合小批量制备碳纳米管。

此外，可将流化床反应器中的气固分离筛网600去除，在尾气管310后端连接旋风分离装置，由进气管410喷入催化剂，从而实现碳纳米管的连续制备，进行大规模的工业化生产。

通过本发明的流化床反应器制备的碳纳米管，与以往相比，具有更高的转化效率，得到的碳纳米管的大小分布更均匀。

实施例2

利用热裂解法制备多孔碳，反应设备采用图1所示的流化床反应器(该流化床反应器为变径流化床反应器)。

将一定粒径的制备多孔碳的前驱体粒子从从反应管100的进气管410处投入流化床反应器内部的布气板500上；在进气管410处通入载气，调整载气流速，使布气板500上的前驱体粒子能够在反应管100的加热区形成返混良好的涡流化流体；开启加热组件700，调节至热裂解的反应温度。由于生成的多孔碳颗粒密度小于前驱体粒子的密度，因此，生成的多孔碳颗粒会浮动到反应管100的上部，但由于反应管100的在此处直径变大，流体速度降低，所以生成的多孔碳颗粒在此处重力与浮力平衡重新达到稳定的流化状态。反应结束后，首先关闭加热组件，然后停止载气的通入，再取出反应产物。此方法适合小批量制备多孔碳。

此外，可将流化床反应器中的气固分离筛网600去除，在尾气管310后端连接旋风分离装置，由进气管410喷入前驱体粒子，从而实现多孔碳的连续制备，进行大规模的工业化生产。

通过本发明的流化床反应器制备的多孔碳，与以往相比，具有更高的转化效率，得到的多孔碳的孔径分布更均匀。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种流化床反应器，包括反应管，其特征在于，所述反应管内设置有扰流部件；

所述扰流部件包括多组扰流叶片；

所述多组扰流叶片沿竖直方向固定在所述反应管的内部；

所述流化床反应器还包括进气法兰、布气板、加热组件及尾气法兰，所述进气法兰安装在所述反应管的下端口处，所述进气法兰上设置有进气管，所述进气管用于通入载气或反应气，同时，所述进气管还能喷入催化剂，所述尾气管安装在所述反应管的上端口处，所述尾气法兰上设置有尾气管，所述尾气管用于排出反应的尾气，所述布气板安装在所述反应管的下部区域；所述加热组件设置在所述反应管的反应区域的外围；

所述多组扰流叶片焊接固定在所述反应管的内侧壁；

或者，所述扰流部件还包括扰流轴；所述扰流轴固定在所述反应管的轴线上，所述扰流轴焊接或者卡设于所述反应管中；所述多组扰流叶片固定在所述扰流轴上；

所述扰流叶片能够使所述反应管内部的流体返混并形成局部涡流，以使所述反应管内部的温度场和速度场分布均匀。

2.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，每组所述扰流叶片包括固定件和2～20个叶片；

每个所述叶片包括自由端和固定端；

每个所述叶片通过所述固定端固定在所述固定件的四周。

3.根据权利要求2所述的流化床反应器，其特征在于，所述2～20个叶片以所述固定件为中心对称分布。

4.根据权利要求2所述的流化床反应器，其特征在于，每个所述叶片为平面结构；

所述平面结构的叶片倾斜固定在所述固定件上。

5.根据权利要求4所述的流化床反应器，其特征在于，每个所述叶片所在的平面与所述固定件的轴线之间的夹角为15°～65°。

6.根据权利要求2所述的流化床反应器，其特征在于，每个所述叶片为曲 面结构；

所述曲面结构的叶片竖直或倾斜固定在所述固定件的四周。

7.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，相邻两组所述扰流叶片之间的距离相等。

8.一种权利要求1～7任一项所述的流化床反应器在纳米碳材料制备中的应用。