CN104437272A - 一种气固相全混流反应器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气固相全混流反应器及其使用方法，该反应器整体呈两端宽中间窄的沙漏结构，包括下锥形回转体及与其对接的上倒锥形回转体，所述下锥形回转体下端设有通入反应物料的进料口(5)，所述上倒锥形回转体上端设有导出反应后物料的出料口(6)；所述该反应器的上倒锥形回转体内还设有催化剂收集器，所述催化剂收集器下端由所述下锥形回转体底部伸出，并在出口处设有排料阀门(9)，在所述催化剂收集器上还设有与所述下锥形回转体连通的支管(8)。该反应器结构简单，能实现全混流和催化剂分离与更换，可依靠入口反应物料自身携带的能量，结合反应器结构特点实现全混流，使用方便，反应充分，实用性能好。

Description

一种气固相全混流反应器及其使用方法

技术领域

本发明涉及化工技术领域，更具体的说，涉及一种用于小型气固相反应的气固相全混流反应器及其使用方法。

背景技术

全混流是一种流动极限，是返混程度无限大的一种理想流动，各处的物料组成和温度均匀，并等于出口处的组成和温度。

全混流反应器，尤其是小型气固相反应器在实验室动力学研究方面独树一帜。全混流是流动极限的一种，如何实现全混流一直是一个难题。根据不同的思路和研究方向，研究人员开发出了不同结构和实现形式的全混流反应器，主要有循环式反应器和篮筐式反应器，其中循环式反应器主要使用于液相反应，对于气固相反应，尤其是实验室小型气固相反应，存在诸多缺陷。应用于气固相或者液固相反应的篮筐式反应器，主要是把催化剂放入旋转篮筐，在高速旋转的状态下与气相或液相接触，这是实现全混流的合理方式。但也存在问题，因为篮筐旋转会带动气相或液相一起旋转，离心力的作用会使气相或液相在径向分布不均，所以造成接触效率低下，耗能大等问题，而且设备很复杂，尤其对于气相而言，密封要求高。

现有的一些实现混合的反应器，设计原理都是基于搅拌或者导流。在反应器内设置搅拌器或者设置导流筒来实现物料的混合，以求达到全混流的理想状态。虽说能达到很大程度的混合，但从目前的情况看，离全混流还差距较远。这种设计还存在结构复杂，耗能较大等问题，并且由于搅拌器等机械设备的搅动，会造成催化剂颗粒的粉碎。由于存在机械设备的旋转，尤其对于有气体存在的系统，密封性能是一个很大的考验，所以单靠机械的搅拌或者导流等，实现全混流还是比较困难。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种结构简单，能实现全混流和催化剂分离与更换的气固相全混流反应器及使用该反应器的方法，可依靠入口反应物料自身携带的能量，结合反应器结构特点实现全混流，使用方便，反应充分。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所提供的这种气固相全混流反应器，整体呈两端宽中间窄的沙漏结构，包括下锥形回转体及与其对接的上倒锥形回转体，所述下锥形回转体下端设有通入反应物料的进料口，所述上倒锥形回转体上端设有导出反应后物料的出料口；所述该反应器的上倒锥形回转体内还设有催化剂收集器，所述催化剂收集器下端由所述下锥形回转体底部伸出，并在出口处设有排料阀门，在所述催化剂收集器上还设有与所述下锥形回转体连通的支管。

为使上述技术方案更加详尽和具体，本发明还提供以下更进一步的优选技术方案，以获得满意的实用效果：

所述下锥形回转体包括设于底部的底座及设于其上的锥形下圆台，所述上倒锥形回转体包括与所述下圆台对接的倒锥形的上圆台及设于所述上圆台上的封头。

所述底座为圆柱形结构，所述进料口设于所述圆柱形底座的切线方向；所述封头呈半球形或是椭球形结构，所述出料口设于所述封头上方。

所述进料口设有沿所述底座同一旋转切向对称分布的多个。

所述下圆台锥形的母线与中心轴的角度为25°～75°。

所述上圆台锥形的母线与中心轴的角度为20°～80°。

所述催化剂收集器为设于所述上圆台内的漏斗，所述漏斗向下延伸出所述底座,所述支管为设于向下延伸漏斗管壁上的倾斜管。

所述出料口处设有过滤颗粒物质的滤网。

所述催化剂收集器的下端连接至可再生催化剂的再生器。

一种气固相全混流反应器的使用方法，其特征在于：

a、将反应物料有进料口通入下锥形回转体内，在螺旋和轴向运动的共同作用下形成全混流；

b、反应后流体进入上倒锥形回转体的空间中，气速减慢，由出料口流出；

c、由于重力作用，催化剂颗粒沉降到漏斗内，实现催化剂分离；

d、漏斗内的催化剂颗粒沿催化剂收集器管壁下落，沿支管将催化剂送至下锥形回转体内，继续与通入的气体混合，完成反应；

e、打开排料阀门，将反应后失去活性的催化剂卸出，同时从进料口导入新鲜催化剂。

本发明气固相全混流反应器与现有技术相比，具有以下优点：该气固相全混流反应器结构简单，依靠入口反应物料自身携带的能量，结合反应器下锥形回转体及对接上倒锥形回转体的结构特点，在螺旋和轴向运动的共同作用下实现全混流，反应充分；反应后气流经过上倒锥形回转体，空间变大，流速变慢，催化剂在重力作用下落入催化剂收集器中，通过催化剂收集器实现催化剂分离与更换，使用方便，具有较大的使用性能。

附图说明

下面对本说明书的附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明反应器结构示意图；

图2为本发明底座内形成旋转气流示意图；

图3为本发明反应器内部物料混流示意图。

图中标记为：1、底座，2、下圆台，3、上圆台，4、封头，5、进料口，6、出料口，7、漏斗，8、支管，9、排料阀门。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明气固相全混流反应器，如图1所示，该反应器整体呈两端宽中间窄的沙漏结构，包括下锥形回转体及与其对接的上倒锥形回转体，下锥形回转体下端设有通入反应物料的进料口5，上倒锥形回转体上端设有导出反应后物料的出料口6；该反应器的上倒锥形回转体内还设有催化剂收集器，催化剂收集器下端由下锥形回转体底部伸出，并在出口处设有排料阀门9，在催化剂收集器上还设有与下锥形回转体连通的支管8。

本发明提供的一种具体实施方式，该气固相全混流反应器，下锥形回转体包括设于底部的底座1及设于其上的锥形下圆台2，上倒锥形回转体包括与下圆台2对接的倒锥形的上圆台3及设于上圆台3上的封头4。底座1为圆柱形结构，反应器的底座1圆柱体主要是用于开进料口，并且促使形成旋转气流，如图2所示，形成高速旋转气流，提供足够的形成涡流的能量。

在圆柱形底座1上设有至少一个进料口5。最佳进料方式为沿切线方向进料，固将进料口5设在底座1的切线方向，进料口5设有沿底座1同一旋转切向对称分布的多个，可以设置2个或4个，最好能对称设置；本发明的进料口5，稳定操作时通入气体原料，在刚开工时，可以同时通进气体原料和催化剂，利用气力输送原理，以达到加固体催化剂的作用。

下圆台2主要作用是形成高速旋转的涡流，提供形成全混流的条件。所以此部分的结构要求比较严格，下圆台2锥形的母线与轴的夹角不小于15°，不能超过80°，优选的一般选在25°～75°。

上圆台3和封头4主要作用是让气流减速，利用重力作用使催化剂与气体分离。在此要提供足够长的停留时间，停留时间最小为自由沉降时间的1.5倍。上圆台3锥形的母线与轴的夹角20°～80°,最佳为30°-60°之间。封头4呈半球形或是椭球形结构，出料口6设于封头4上方。

如图3所示，在反应器下圆台2中形成涡流，锥形的下圆台2是形成全混流的主要场所。沿反应器壁旋转向上气流，半径逐渐减小，气速逐渐增大，同时由于半径减小、气速增大，在上圆台2上部的压力增大，然而底座1圆柱体中由于气流都是沿器壁旋转，所以会在中间部位形成低压区。由于上部压力大于底部压力，同时由于重力作用，所以气流在轴向会形成自上而下的涡流，从而形成全混流。

催化剂收集器为设于上圆台3内的漏斗7，漏斗7向下延伸出底座1,支管8为设于向下延伸漏斗7管壁上的倾斜管。当在下圆台2中反应完的流体进入上圆台3，空间变大流速变慢，催化剂在这里进行沉降分离，并且通过漏斗7把催化剂通过支管8转移到下圆台2继续参与全混流反应，若催化剂失活需要更换，打开漏斗4最下端的排料阀门9，卸出催化剂，同时可从进料口5处重新通入催化剂。反应后的气体从出料口6导出，且在出料口6处设有过滤颗粒物质的滤网，以防止将少量催化剂带出反应器。

若催化剂反应后失活速度很快，需要连续再生，可以把催化剂收集器的下端，排料阀门9下部连接至可再生催化剂的再生器，再生后的催化剂再返回进料口5，加入到反应器中即可进行反应。

本发明还涉及该气固相全混流反应器的使用方法，如下:

a、将反应物料有进料口5通入下锥形回转体内，在螺旋和轴向运动的共同作用下形成全混流；

b、反应后流体进入上倒锥形回转体的空间中，气速减慢，由出料口6流出；

c、由于重力作用，催化剂颗粒沉降到漏斗7内，实现催化剂分离；

d、漏斗7内的催化剂颗粒沿催化剂收集器管壁下落，沿支管8将催化剂送至下锥形回转体内，继续与通入的气体混合，完成反应；

e、打开排料阀门9，将失去活性的催化剂卸出，同时从进料口导入新鲜催化剂。

该方法的具体实现形式为：

1、反应物料气体从进料口5进入反应器的底座1和上圆台2，沿器壁螺旋上升，由于压差和重力作用形成轴向混流，在螺旋和轴向运动的共同作用下形成全混流。

2、反应完成的流体进入上圆台3和封头4所形成的空间中，由于流道的扩大，气速减慢，由出料口6流出。

3、由于重力作用，催化剂颗粒会沉降到漏斗7上，从而实现催化剂分离。

4、沉降到漏斗7上的催化剂颗粒由于重力作用，沿漏斗垂直管壁进入下圆台2区间，沿支管8把催化剂送到下圆台2内，继续与气体混合，完成反应。

4、若催化剂失活需要更换新催化剂，只需要把排料阀门9打开，催化剂就会从卸料口把催化剂卸出，同时可从进料口5加入新鲜催化剂。

本发明气固相全混流反应器及其使用方法，全混流以及催化剂分离和更换是一个有机整体。整个实现过程为，气体从气体进料口5通道进入反应器的底座1和上圆台2，沿器壁螺旋上升，由于压差和重力作用形成轴向混流，在螺旋和轴向运动的共同作用下形成全混流。当在下圆台2中反应完的流体进入上圆台3，由于横截面积扩大，流速下降，同时由于封头4的球形形状使流体方向改变，催化剂就会由于重力作用自由沉降到漏斗7中，催化剂沿漏斗7下流，通过支管8进入下圆台2，被进料气流吹起，重新达到全混流。若催化剂失活需要更换，打开漏斗7最下端的排料阀门9，卸出催化剂即可。还可以加上再生器实现催化剂的连续再生。本发明的全混流反应器，适用于实验室研究的气固全混流反应器，以及适用于具体需要实现全混流的装置。

本发明气固相全混流反应器结构简单，依靠入口反应物料自身携带的能量，结合反应器下锥形回转体及对接上倒锥形回转体的结构特点，在螺旋和轴向运动的共同作用下实现全混流，反应充分；反应后气流经过上倒锥形回转体，空间变大，流速变慢，催化剂在重力作用下落入催化剂收集器中，通过催化剂收集器实现催化剂分离与更换，使用方便，具有较大的使用性能。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，但是本发明并不受限于上述方式，只要采用本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进或直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气固相全混流反应器，其特征在于：整体呈两端宽中间窄的沙漏结构，包括下锥形回转体及与其对接的上倒锥形回转体，所述下锥形回转体下端设有通入反应物料的进料口(5)，所述上倒锥形回转体上端设有导出反应后物料的出料口(6)；所述该反应器的上倒锥形回转体内还设有催化剂收集器，所述催化剂收集器下端由所述下锥形回转体底部伸出，并在出口处设有排料阀门(9)，在所述催化剂收集器上还设有与所述下锥形回转体连通的支管(8)。

2.按照权利要求1所述的气固相全混流反应器，其特征在于：所述下锥形回转体包括设于底部的底座(1)及设于其上的锥形下圆台(2)，所述上倒锥形回转体包括与所述下圆台(2)对接的倒锥形的上圆台(3)及设于所述上圆台(3)上的封头(4)。

3.按照权利要求2所述的气固相全混流反应器，其特征在于：所述底座(1)为圆柱形结构，所述进料口(5)设于所述圆柱形底座(1)的切线方向；所述封头(4)呈半球形或是椭球形结构，所述出料口设于所述封头(4)上方。

4.按照权利要求3所述的气固相全混流反应器，其特征在于：所述进料口(5)设有沿所述底座(1)同一旋转切向对称分布的多个。

5.按照权利要求2至4任一项所述的气固相全混流反应器，其特征在于：所述下圆台(2)锥形的母线与中心轴的角度为25°～75°。

6.按照权利要求5所述的气固相全混流反应器，其特征在于：所述上圆台(3)锥形的母线与中心轴的角度为30°-60°。

7.按照权利要求1所述的气固相全混流反应器，其特征在于：所述催化剂收集器为设于所述上圆台(3)内的漏斗(7),所述漏斗(7)向下延伸出所述底座(1),所述支管(8)为设于向下延伸漏斗(7)管壁上的倾斜管。

8.按照权利要求1所述的气固相全混流反应器，其特征在于：所述出料口(6)处设有过滤颗粒物质的滤网。

9.按照权利要求1所述的气固相全混流反应器，其特征在于：所述催化剂收集器的下端连接至可再生催化剂的再生器。

10.一种气固相全混流反应器的使用方法，其特征在于：

a、将反应物料由进料口(5)通入下锥形回转体内，在螺旋和轴向运动的共同作用下形成全混流；

b、反应后流体进入上倒锥形回转体的空间中，气速减慢，由出料口(6)流出；

c、由于重力作用，催化剂颗粒沉降到漏斗(7)内，实现催化剂分离；

d、漏斗(7)内的催化剂颗粒沿催化剂收集器管壁下落，沿支管(8)将催化剂送至下锥形回转体内，继续与通入的气体混合，完成反应；

e、打开排料阀门(9)，将反应后失去活性的催化剂卸出，同时从进料口导入新鲜催化剂。