CN104128133B - 后掠式高效热板导流整流多相反应釜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了后掠式高效热板导流整流多相反应釜，包括圆筒形的釜体，釜体直立设置，釜体的侧壁从上到下依次设置有出料口、液体进料口和气体进料口，釜体内纵向设置有与外部的电机连接的中心转轴，特点是中心转轴上设置有三层纵向排列的后掠半管涡轮式搅拌器，后掠半管涡轮式搅拌器的外端与釜体的内壁之间水平均布有6-10个高效换热导流整流装置，釜体的内壁均布有4-6片边壁导流全挡板，釜体的底部设置有与液体进料口连接的液体喷射分布器以及与气体进料口连接的气体喷射分布器，釜体内设置有溢流区，反应产物通过溢流区由出料口采出，优点是可以实现多相体系混合效果好、换热面积大、温度控制精确的后掠式高效热板导流整流多相反应釜。

Description

后掠式高效热板导流整流多相反应釜

技术领域

本发明涉及一种多相反应釜，尤其涉及一种后掠式高效热板导流整流多相反应釜，特别适用于在固体钌—锌催化剂作用下，在水相体系中进行的苯与氢气发生的部分加氢反应的气-液-液-固体系。

背景技术

随着化学工业的发展，多相混合、反应体系越来越广泛。大量的化学反应过程需要涉及气、液、固多相，此类反应在石油化工行业的加氢反应中在应用尤其广泛。由于氢气的沸点低，极难液化，因此，氢气都是以气体状态参加反应。对于液相加氢来说，反应所处的体系就是气-液两相或者气-液-液三相，加氢反应通常还需要非均相催化剂来加快反应进行、提高反应收率，体系更加复杂，甚至是气-液-液-固四相体系。

在有气相存在的多相反应体系中，如何实现各相均匀混合，尤其是如何实现密度小的气相与密度大的液（固）相的均匀混合是实现反应过程和传质过程有效进行的关键因素。同时，反应过程通常伴随着大量反应热的移除，尤其是随着反应的大规模化和反应器的大型化，如何有效换热，从而保持反应体系稳定的温度控制也是生产过程能否顺利实现的重要因素。

在固体钌—锌催化剂作用下进行的苯部分加氢制备环己烯的反应体系是一三态四相反应体系：气相（气态的氢）、油相（液态的苯、环己烯等）、水相（液态的水）以及悬浮于水相内的钌-锌浆料固态催化剂微细颗粒，该反应过程伴随着大量反应热的放出。现有的苯加氢生产环己烯技术的反应装置多为立式长圆筒形、内设多级搅拌桨与螺旋式换热盘管的高压反应釜。作为反应原料的苯和氢气由顶部管口进入插底导管，再经底部的分布器进入反应器内的多相混合物的循环流。这种循环流由多级搅拌桨推动，是一种整体的循环流，即在反应器中心区域自上而下直至底部，而在反应器周边区域则由下而上升至反应器顶部的稳定区。由于氢气和苯是经底部的分布器进入循环流，故中心区域由顶部向下的循环流体中所含气泡和液滴的比例显著偏低。

中国专利名称为一种多相化学反应器（专利号201120067065.X）公开了适用于苯部分加氢制备环己烯的反应体系的反应釜，包括反应器本体，本体内轴向设置多级搅拌桨以及换热盘管，所述本体内轴向设置至少两段密排式螺旋换热盘管，换热盘管中心线直径大于所述搅拌桨的直径；所述本体内侧壁上垂直方向对称设置至少两个矩形侧壁挡板，侧壁挡板与所述密排式螺旋换热盘管之间留有间隙，在相邻的两段换热盘管之间的侧壁挡板上开设至少一个矩形凹槽；所述本体底部设置至少两个曲线形底挡板。该多相化学反应器能够促进气体的吸收和反应的进行，改善反应器的容积利用率和反应效果。但是，上述反应器的搅拌桨为普通搅拌叶片，搅拌叶后产生严重的涡流，导致搅拌功率大，内部设置的换热盘管所起的作用仅仅是换热，不起任何流体流动的优化，该多相化学反应器用于气液固三相反应时，停留时间短，混合不完全，搅拌功率高，当反应放热量大时反应产生的热量不能及时移除，不利于反应的顺利进行，从而降低了反应效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以实现多相体系混合效果好、换热面积大、温度控制精确的后掠式高效热板导流整流多相反应釜。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种后掠式高效热板导流整流多相反应釜，包括圆筒形的釜体，所述的釜体直立设置，所述的釜体的侧壁从上到下依次设置有出料口、液体进料口和气体进料口，所述的釜体内纵向设置有与外部的电机连接的中心转轴，所述的中心转轴上设置有三层纵向排列的后掠半管涡轮式搅拌器，所述的后掠半管涡轮式搅拌器的外端与所述的釜体的内壁之间水平均布有6-10个高效换热导流整流装置，所述的釜体的内壁均布有4-6片边壁导流全挡板，所述的釜体的底部设置有与所述的液体进料口连接的液体喷射分布器以及与所述的气体进料口连接的气体喷射分布器，所述的釜体内设置有溢流区，反应产物通过所述的溢流区由所述的出料口采出。

所述的后掠半管涡轮式搅拌器包括中间圆盘和均布在所述的中间圆盘四周的4-6个横截面呈弧形的半管状叶片，所述的中间圆盘的中央固定套设在所述的中心转轴上，各个所述的半管状叶片的凸面朝向与所述的中心转轴的转动方向相反。其半管状叶片可减少浆液后方的涡流，抑制桨叶后方气穴的产生，提高搅拌的有效功率。同时，中间圆盘可以优化气泡流动方向，增加气泡的停留时间，从而增加气液固接触面积，提高反应效率。

所述的高效换热导流整流装置包括相互间独立隔开的上、中、下三层换热导流整流板，所述的换热导流整流板的宽度为釜体半径的1/3-3/5倍，每层所述的换热导流整流板的高度为釜体高度的1/9-1/4倍。

所述的换热导流整流板由两片表面设置流道的换热片密封围成，两片所述的换热片之间形成用于通入冷却介质或加热介质的曲线变径流道，所述的曲线变径流道上分别连接有介质入口和介质出口。换热片表面设置流道设计为凹凸不平结构，增加了换热导流整流板两侧流体的湍动，使边界层减薄，从而提高对流传热效果，同时换热导流整流板内部为曲线变径流道，也增加了流体的湍动，提高传热系数，从而大大提高传热效果的目的。

所述的换热导流整流板为具有一定弧度的弧形换热导流整流板，所述的换热导流整流板的弯曲弧度为40-60°，所述的上、中、下三层换热导流整流板作为一整体呈倒等腰梯形状。弧形换热导流整流板所起到的导流作用使靠近釜壁的液体在沿换热导流整流板流动时返回到釜体中心，且其整体呈倒等腰梯形状使宽度由上到下逐渐减小，从而带动积存在上部的氢气再次返回液体中参与反应，形成自吸效果，从而增加了混合反应效果。

所述的换热导流整流板的凸面朝向与所述的半管状叶片的凸面朝向相同，所述的换热导流整流板外端端部的切线与经过所述的换热导流整流板外端端部切点的釜体直径呈45-60°。该换热导流整流板的形状和位置设计，对釜内流体起到导流、整流的作用，使流体沿着换热导流整流板的边壁运动，优化釜内流体流动状态，从而产生自吸效果，最终达到理想的体系混合、分布、反应效果。

上层所述的换热导流整流板连接有第一测温点，中层所述的换热导流整流板连接有第二测温点，下层所述的换热导流整流板连接有第三测温点。各层换热导流整流板可以分别通入不同的换热介质。各层换热导流整流板分别设置测温点和独立控制，保证了温度控制的精确和稳定。

所述的边壁导流全挡板的宽度为釜体直径的1/10-1/15，所述的边壁导流全挡板的顶部与最上端所述的后掠半管涡轮式搅拌器的顶部齐平，所述的边壁导流全挡板的底部最下端与所述的后掠半管涡轮式搅拌器的底部齐平。

所述的液体喷射分布器位于所述的气体喷射分布器的上方，所述的液体喷射分布器为环形且其圆环上设置有若干个液体喷射分布管，所述的气体喷射分布器为环形且其圆环上设置有若干个气体喷射分布管，所述的液体喷射分布管和所述的气体喷射分布管分别与水平方向呈45-60°角，所述的气体喷射分布管的喷射方向朝下。分布器形式为内外组合喷射分布，从而保证气体和液体的分布均匀，并且气体喷射分布管的喷射方向朝下，喷射出的气体折返流动，增加气体的停留时间，同时气泡的上升过程增加液体的湍动，从而达到充分混合的目的。

所述的溢流区由溢流挡板和釜体内壁围成，所述的溢流挡板的上端位于所述的釜体的上部，所述的溢流挡板的下端位于所述的出料口的上方，所述的溢流挡板与所述的釜体内壁之间设置有破涡器，所述的破涡器位于所述的出料口的上方。反应产物由溢流挡板上端进入溢流区，再由出料口采出，增加轻组分停留时间，使氢气得到分离，同时破涡器可减少反应物料中夹带的气沫，使气体成分得到进一步分离。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种后掠式高效热板导流整流多相反应釜，中心转轴上设置有三层纵向排列的后掠半管涡轮式搅拌器，后掠半管涡轮式搅拌器的外端与所述的釜体的内壁之间均布有6-10个高效换热导流整流装置，釜体的内壁均布有4-6片边壁导流全挡板，釜体的底部设置有与液体进料口连接的液体喷射分布器以及与气体进料口连接的气体喷射分布器，釜体内设置有溢流区。气体和液体通过底部的分布器送入反应器，在后掠半管涡轮式搅拌器和换热导流整流装置的作用下，进行非均相混合或反应，常用于气液两项在固体催化剂作用下的反应。气液两相反应后，产物与固体催化剂经分离后，轻组分通过上端溢流区送至反应物出口，是一种可实现多相体系（气-液两相或者气-液-液三相，气-液-液-固四相）均匀混合，尤其是能显著增加气液相接触时间、接触面积，减小搅拌功率、增大传热效果（传热系数、传热效果），与传统搅拌反应釜相比具有显著优势。优点如下：

（1）1-3层后掠半管涡轮式搅拌器，其半管状叶片可减少浆液后方的涡流，抑制桨叶后方气穴的产生，提高搅拌的有效功率。同时，其中间圆盘可以优化气泡流动方向，增加气泡的停留时间，从而增加气液固接触面积，提高反应效率；

（2）搅拌器和釜体内壁之间设置具有换热和导流整流功能的换热导流整流板，其作用是：1）换热。此板为内部为曲线变径流道的空心板，板内通入冷却或加热介质用于加热或冷却反应釜内反应物料，达到控制体系温度的目的。2）换热片为凹凸不平设计。增加了换热导流整流板两侧流体的湍动，使边界层减薄，从而提高对流传热效果；3）导流整流。换热导流整流板的结构、形状和位置设计，对釜内流体起到导流、整流的作用，从而优化釜内流体流动状态，产生自吸效果，最终达到更好的体系混合、分布、反应效果。根据实验测试：温度可控制在设定温度的±1℃范围内，反应效率提高10-30%；

（3）底部设气体和液体喷射分布器，分布器形式为内外组合喷射分布，从而保证气体和液体的分布均匀以及充分混合。

附图说明

图1为本发明的后掠式高效热板导流整流多相反应釜的结构示意图；

图2为图1的A-A’横截面剖视图；

图3为本发明的换热导流整流板的结构示意图；

图4为图3内部结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

具体实施例

一种后掠式高效热板导流整流多相反应釜，如图1和图2所示，包括圆筒形的釜体1，釜体1直立设置，釜体1的侧壁从上到下依次设置有出料口2、液体进料口3和气体进料口4，釜体1内纵向设置有与外部的电机连接的中心转轴5，中心转轴5上设置有三层纵向排列的后掠半管涡轮式搅拌器6，后掠半管涡轮式搅拌器6的外端与釜体1的内壁之间水平均布有6-10个高效换热导流整流装置7，釜体1的内壁均布有4-6片边壁导流全挡板8，釜体1的底部设置有与液体进料口3连接的液体喷射分布器9以及与气体进料口4连接的气体喷射分布器10，釜体1内设置有溢流区11，反应产物通过所溢流区11由出料口2采出。

在此具体实施例中，如图1和图2所示，后掠半管涡轮式搅拌器6包括中间圆盘12和均布在中间圆盘12四周的4-6个横截面呈弧形的半管状叶片13，中间圆盘12的中央固定套设在中心转轴5上，各个半管状叶片13的凸面朝向与中心转轴5的转动方向相反。高效换热导流整流装置7包括相互间独立隔开的上、中、下三层换热导流整流板14，换热导流整流板14的宽度为釜体1半径的1/3-3/5倍，每层换热导流整流板14的高度为釜体1高度的1/9-1/4倍。

在此具体实施例中，如图3所示，换热导流整流板14由两片表面设置流道的换热片15密封围成，两片换热片15之间形成用于通入冷却介质或加热介质的曲线变径流道16（见图4所示），曲线变径流道16上分别连接有介质入口和介质出口（图中未显示）。换热导流整流板14为具有一定弧度的弧形换热导流整流板，换热导流整流板14的弯曲弧度为40-60°，上、中、下三层换热导流整流板14作为一整体呈倒等腰梯形状。弧形换热导流整流板14所起到的导流作用使靠近釜壁的液体在沿换热导流整流板14流动时返回到釜体1中心，且其整体呈倒等腰梯形状使宽度由上到下逐渐减小，从而带动积存在上部的氢气再次返回液体中参与反应，形成自吸效果，从而增加了混合反应效果。如图2所示，换热导流整流板14的凸面朝向与半管状叶片13的凸面朝向相同，换热导流整流板14外端端部的切线与经过换热导流整流板14外端端部切点的釜体1直径呈45-60°。该换热导流整流板14的形状和位置设计，对釜内流体起到导流、整流的作用，使流体沿着换热导流整流板14的边壁运动，优化釜内流体流动状态，从而产生自吸效果，最终达到理想的体系混合、分布、反应效果。

在此具体实施例中，如图1所示，上层换热导流整流板14连接有第一测温点17，中层换热导流整流板14连接有第二测温点18，下层换热导流整流板14连接有第三测温点19。各层换热导流整流板可以分别通入不同的换热介质。边壁导流全挡板8的宽度为釜体1直径的1/10-1/15，边壁导流全挡板8的顶部与最上端后掠半管涡轮式搅拌器6的顶部齐平，边壁导流全挡板8的底部最下端与后掠半管涡轮式搅拌器6的底部齐平。

在此具体实施例中，如图1和图2所示，液体喷射分布器9位于气体喷射分布器10的上方，液体喷射分布器9为环形且其圆环上设置有若干个液体喷射分布管20，气体喷射分布器10为环形且其圆环上设置有若干个气体喷射分布管21，液体喷射分布管9和气体喷射分布管10分别与水平方向呈45-60°角，气体喷射分布管21的喷射方向朝下。

在此具体实施例中，如图1所示，溢流区11由溢流挡板22和釜体1内壁围成，溢流挡板22的上端位于釜体1的上部，溢流挡板22的下端位于出料口2的上方，溢流挡板22与釜体1内壁之间设置有破涡器23，破涡器23位于出料口2的上方。反应产物由溢流挡板22上端进入溢流区11，再由出料口2采出，增加轻组分停留时间，使氢气得到分离，同时破涡器23可减少反应物料中夹带的气沫，使气体成分得到进一步分离。

应用实施例

用于苯部分加氢反应制环己烯的效果作为实施例。

本发明后掠式高效热板导流整流多相反应釜（具体结构如上述实施例所述）特别适用于像在固体钌—锌浆料催化剂作用下，在水相体系中进行的苯与氢气发生的部分加氢反应的气-液-液-固反应体系。本反应釜应用于苯部分加氢反应实现了体系混合均匀、温度精确控制的目的。

具体如下：

在反应温度为130℃，压力为5.0Mpag的条件下，以苯和氢气为原料，在钌-锌浆料催化剂的存在下，经过部分加氢反应制得环己烯和副产品环己烷。

反应器的主要尺寸：筒体内径Φ2000mm，直通段高度H=3800mm；换热导流整流装置7：8组，每组包括上、中、下三层换热导流整流板14，每块宽度400mm，高度900mm，弧度β=50°，总换热面积20㎡；后掠半管涡轮式搅拌器6上设置6片半管状叶片13；液体喷射分布器9上液体喷射分布管20为6个，总管直径DN50，喷嘴直径DN15，倾斜角β=50°；气体喷射分布器10上气体喷射分布管21为6个，总管直径DN50，喷嘴直径DN15，倾斜角β=50°；边壁导流全挡板8：宽度W=185mm，宽度中心弧度为60°。

经测试，进料苯总量为：32.5吨/小时，苯质量含量99.5%。氢气通入量为维持反应系统的压力5.0Mpag。经本反应器反应后产物总量32.95吨/小时，组成为：苯含量58.4%，环己烯含量：33.0%，环己烷含量：8.6%。反应的一次收率达到40%。反应效果非常理想。而且，反应过程中三个位置温度（T1、T2、T3）温差≤0.5℃。控温、混合、反应效果均理想。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种后掠式高效热板导流整流多相反应釜，包括圆筒形的釜体，所述的釜体直立设置，所述的釜体的侧壁从上到下依次设置有出料口、液体进料口和气体进料口，所述的釜体内纵向设置有与外部的电机连接的中心转轴，其特征在于：所述的中心转轴上设置有三层纵向排列的后掠半管涡轮式搅拌器，所述的后掠半管涡轮式搅拌器的外端与所述的釜体的内壁之间水平均布有6-10个高效换热导流整流装置，所述的釜体的内壁均布有4-6片边壁导流全挡板，所述的釜体的底部设置有与所述的液体进料口连接的液体喷射分布器以及与所述的气体进料口连接的气体喷射分布器，所述的釜体内设置有溢流区，反应产物通过所述的溢流区由所述的出料口采出，所述的高效换热导流整流装置包括相互间独立隔开的上、中、下三层换热导流整流板，所述的换热导流整流板的宽度为釜体半径的1/3-3/5倍，每层所述的换热导流整流板的高度为釜体高度的1/9-1/4倍，所述的换热导流整流板由两片表面设置流道的换热片密封围成，两片所述的换热片之间形成用于通入冷却介质或加热介质的曲线变径流道，所述的曲线变径流道上分别连接有介质入口和介质出口，所述的换热导流整流板为具有一定弧度的弧形换热导流整流板，所述的换热导流整流板的弯曲弧度为40-60°，所述的上、中、下三层换热导流整流板作为一整体呈倒等腰梯形状，上层所述的换热导流整流板连接有第一测温点，中层所述的换热导流整流板连接有第二测温点，下层所述的换热导流整流板连接有第三测温点。

2.根据权利要求1所述的后掠式高效热板导流整流多相反应釜，其特征在于：所述的后掠半管涡轮式搅拌器包括中间圆盘和均布在所述的中间圆盘四周的4-6个横截面呈弧形的半管状叶片，所述的中间圆盘的中央固定套设在所述的中心转轴上，各个所述的半管状叶片的凸面朝向与所述的中心转轴的转动方向相反。

3.根据权利要求2所述的后掠式高效热板导流整流多相反应釜，其特征在于：所述的换热导流整流板的凸面朝向与所述的半管状叶片的凸面朝向相同，所述的换热导流整流板外端端部的切线与经过所述的换热导流整流板外端端部切点的釜体直径呈45-60°。

4.根据权利要求1所述的后掠式高效热板导流整流多相反应釜，其特征在于：所述的边壁导流全挡板的宽度为釜体直径的1/10-1/15，所述的边壁导流全挡板的顶部与最上端所述的后掠半管涡轮式搅拌器的顶部齐平，所述的边壁导流全挡板的底部最下端与所述的后掠半管涡轮式搅拌器的底部齐平。

5.根据权利要求1所述的后掠式高效热板导流整流多相反应釜，其特征在于：所述的液体喷射分布器位于所述的气体喷射分布器的上方，所述的液体喷射分布器为环形且其圆环上设置有若干个液体喷射分布管，所述的气体喷射分布器为环形且其圆环上设置有若干个气体喷射分布管，所述的液体喷射分布管和所述的气体喷射分布管分别与水平方向呈45-60°角，所述的气体喷射分布管的喷射方向朝下。

6.根据权利要求1所述的后掠式高效热板导流整流多相反应釜，其特征在于：所述的溢流区由溢流挡板和釜体内壁围成，所述的溢流挡板的上端位于所述的釜体的上部，所述的溢流挡板的下端位于所述的出料口的下方，所述的溢流挡板与所述的釜体内壁之间设置有破涡器，所述的破涡器位于所述的出料口的上方。