CN104587913B - 一种双轴搅拌立式流化床反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双轴搅拌立式流化床反应器。反应器由两个气室、两个流化床直筒段和两个流化床扩大段拼接而成，每个流化床扩大段顶部分别开有气体出口；气室与流化床直筒段间装有气体分布板，气室侧面开有循环气体进口，两个电机分别经各自的减速机安装在气室下方，两根搅拌轴的一端分别与各自的减速机连接，另一端分别从各自气室中心底部插入至流化床直筒段，两根搅拌轴上等距、交叉安装有搅拌桨叶片，两根搅拌轴上搅拌桨叶之间相互嵌合，流化床直筒段上开有进、出料口。它既能防止聚合物颗粒之间形成大的聚团，又能防止聚合物颗粒粘附于反应器的内表面，产生有效的搅拌混合和改进流化稳定性。本发明适用于气固相流化床反应和湿颗粒体系的干燥。

Description

一种双轴搅拌立式流化床反应器
技术领域
本发明涉及立式气固流化床反应器，具体涉及一种双轴搅拌立式流化床反应器。
背景技术
粘结性颗粒指的是颗粒间由于存在较强的粘附性的颗粒，在工业化过程中会遇到各种粘结性颗粒的流态化操作，包括Geldart C类微米级颗粒、发粘聚合物气相聚合、湿颗粒干燥、喷雾造粒、水泥熟料煅烧、生物质流态化燃烧等各类工业应用。其中发粘聚合物通常是指一种在低于发粘或软化温度时呈颗粒状，但在高于发粘或软化温度时则结成团的聚合物。在粘结性颗粒流态化反应器中，颗粒之间粘附作用力较大，粘结性使床内颗粒物料聚团、结块或者颗粒粘壁现象，传热与传质不均，造成设备频繁发生堵塞，进一步影响流化床的稳定运行，甚至会造成死床，对工业过程危害极大。一般引入振动场、声场、磁场、搅拌等外力场来改善粘性颗粒的聚团现象。
颗粒之间的作用力主要有范德华力、静电力、液体桥力、固体桥力等。对于Geldart C类粘性颗粒，范德华力是主要的作用力。而对于发粘聚合物气相聚合、湿颗粒干燥等，液体桥力为主要的作用力。这种粘结性比物理粘结性(范德华力、静电力、毛细管力等)要强，声场、磁场和震动场均难以产生作用。将搅拌引入气固流化床，可直接将能量输入用以破碎聚团，改善物料的流化状态，增强传热效率。通过在反应器内部加装内构件或搅拌桨，可克服此类高粘结性颗粒的聚团现象。
搅拌能显著调节和改善单元操作中物料的混合快慢、均匀程度和传热情况，在气固流化床系统中，搅拌产生的湍动可以减少颗粒之间的相互作用力，使床层混合均匀，促进流态化，强化流化床气固相际以及床层和壁面的传热。同时，对于具有强烈粘附性的潮湿物料等易于粘结的颗粒，搅拌可以抑制颗粒聚集，减少甚至避免颗粒之间的聚团、结块及颗粒在床壁面上的粘附现象。
中国专利201110136868.0公布了制备超细铁粉的搅拌流化床反应器，搅拌能有效破碎聚团，抑制沟流，显著改善超细氧化铁粉的流化质量，床层中氧化铁颗粒以聚团鼓泡形式实现完全流化。在550℃下用氢气还原该氧化铁粉的时，由于铁粉颗粒的粒径比氧化铁粉小，存在颗粒烧结和粘结成团现象，搅拌桨与水平挡板组合，破碎超细铁粉还原金属铁过程因粘结而形成的大聚团，可解决超细氧化铁粉还原过程的失流问题。
中国专利94192687公开了一种搅拌流化床装置用于烯烃聚合，其特点为搅拌器内部为中空，内部通入气体介质，从搅拌桨叶片上的孔导入反应器。高速喷出的气体冲洗反应器壁并改善了流化和床中颗粒的搅拌作用。此方法只能防止聚合物颗粒粘附于反应器的内表面。
美国专利4366123公开了丙烯气相聚合的新工艺，该工艺在流化床聚合反应器内采用了锚式搅拌装置，具有靠近流化床壁的竖直长叶片和靠近轴的竖直短叶片。此方法避免了聚合物的粘壁。
上述专利主要适用于较低粘结力的颗粒流态化。对于高粘结性颗粒，液体桥力、固体桥力远远大于范德华力。普通聚烯烃其颗粒间的固体桥力最弱，其可不采用带搅拌机构的流化床。对于高抗冲聚丙烯颗粒间的固体桥力稍强，其一般需要采用带搅拌机构的流化床。
但对于例如乙丙橡胶、聚丁二烯、聚异戊二烯、聚烯烃弹性体等气相聚合过程，此类方法在美国专利4944534，5304588，5453471，5652304中，颗粒间的固体桥力更强，即便采用带搅拌机构的流化床，颗粒仍会聚团，粘附在搅拌桨上和流化床壁上，从而导致流化失败。
中国专利201310572519.2提出了一种搅拌流化床，其流化床直筒段内设有垂直安装的转轴和搅拌桨叶，并且在直筒段壁内设有挡板，挡板与搅拌桨叶相配合打碎颗粒聚团。但直筒段壁内设置的挡板为静止构件，其与搅拌桨叶可实现互相啮合，但是可调节参数很少，只有搅拌转速可调，适用性受限。
发明内容
为了克服背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种双轴搅拌立式流化床反应器，通过搅拌桨的旋转来搅拌和剪切反应器中的气体和固体颗粒，促使高粘结性颗粒的流态化。
本发明采用的技术方案是：
该反应器从下至上依次由相同的两个气室、两个流化床直筒段和两个流化床扩大段拼接连通成一体，两个流化床扩大段顶部分别开有气体出口；两个气室与两个流化床直筒段间装有一个气体分布板，两个气室侧面分别开有循环气体进口，左、右电机分别经各自的减速机安装在气室外的下方，两根搅拌轴的一端分别与各自的减速机连接，两根搅拌轴的另一端分别从各自气室中心底部插入后，穿过各自气室、一个气体分布板上的各自密封直至各自流化床直筒段，位于流化床直筒段内的两根搅拌轴上等距、交叉安装有一层或多层搅拌桨叶片，两根搅拌轴上搅拌桨叶之间相互嵌合，流化床直筒段上部开有进料口，位于流化床直筒段下部开有出料口。
所述两根搅拌轴上的搅拌桨叶片形状呈“山”字形，“山”字形的中间凸出部分分别与各自的搅拌轴垂直连接。
所述两根搅拌轴上的搅拌桨叶之间相互嵌合的间隙为1～20mm，优选为2～8mm。
所述搅拌桨叶片的剪切刃横截面为菱形或等腰三角形。
所述剪切刃的刃口角度为10°～60°，优选为10°～45°。
所述两根搅拌轴上的顶层搅拌桨叶的高度大于流化后颗粒床层的高度。
本发明具有的有益的效果是：
本发明的流化床反应器中，使用了两套安装在搅拌轴上的搅拌桨组成的相互嵌合的系统，通过此相互嵌合的系统，在搅拌桨叶的四周、轴的表面、流化床内壁面，都可以避免颗粒的粘附。适用于表面具有高粘结性的流化颗粒体系和气固相流化床反应。本发明的装备既能防止高粘结性的聚合物颗粒之间形成大的聚团，又能防止聚合物颗粒粘附于反应器的内表面，同时可以产生有效的搅拌混合作用和改进流化稳定性。适用于粘结性流化颗粒体系的气固相流化床反应和湿颗粒体系的干燥过程。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的A-A局部示意图。
图3是本发明的“山”型搅拌桨叶片结构放大示意图。
图4是图3的“山”型搅拌桨叶片菱形横截面结构B-B示意图。
图5是图3的“山”型搅拌桨叶片等腰三角形横截面结构B-B示意图。
图中：1、电机，2、减速机，3、循环气体进口，4、气室，5、气体分布板，6、搅拌桨叶片，7、密封，8、搅拌轴，9、流化床直筒段，10、流化床扩大段，11、气体出口，12、进料口，13、出料口，14、剪切刃。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的反应器从下至上依次由相同的两个气室4、两个流化床直筒段9和两个流化床扩大段10拼接连通成一体，两个流化床扩大段10顶部分别开有气体出口11；两个气室4与两个流化床直筒段9间装有一个气体分布板5，两个气室4侧面分别开有循环气体进口3，左、右电机1分别经各自的减速机2安装在气室外的下方，两根搅拌轴8的一端分别与各自的减速机2连接，两根搅拌轴8的另一端分别从各自气室4中心底部插入后，穿过各自气室4、一个气体分布板5上的各自密封7直至各自流化床直筒段9，位于流化床直筒段内的两根搅拌轴8上等距、交叉安装有一层或多层搅拌桨叶片6，两根搅拌轴8上搅拌桨叶之间相互嵌合，位于搅拌桨叶片上部的流化床直筒段上开有进料口12，位于搅拌桨叶片下部的流化床直筒段上开有出料口13。
搅拌桨可采用多种不同的构型，例如水平梳状或者竖直梳状。所述两根搅拌轴8上的搅拌桨叶片形状呈“山”字形，“山”字形的中间凸出部分分别与各自的搅拌轴垂直连接。
所述两根搅拌轴8上的搅拌桨叶之间相互嵌合的间隙为1～20mm，优选为2～8mm。间隙越小，搅拌桨叶间产生的剪切力越大，对颗粒团聚的破碎效果越好，同时降低物料颗粒对搅拌桨叶的粘附；但间隙过小，对设备的制造和安装精度要求过高。搅拌桨的相互嵌合可以使得该流化床反应器特别适用于强粘结性颗粒的反应体系。所采用的搅拌转速的范围3～300rpm，优选5～150rpm。搅拌转速的设置应考虑流化床直径大小、电机功率等因素。
搅拌桨叶的搅拌方向可以双向改变，双轴搅拌桨叶的旋转方向可改变，实现双轴的相向、背向、同向旋转。这样可对复杂颗粒聚团情况下进行搅拌桨叶的自清洁。
如图4、图5所示，所述搅拌桨叶片的剪切刃14横截面为菱形或等腰三角形。菱形适用于搅拌旋转方向可改变的应用场合，等腰三角形只适用于搅拌旋转方向不变场合。剪切刃指向搅拌转动方向，剪切刃14的刃口角度为10°～60°，优选为10°～45°。此角度应根据颗粒的直径、表面粘结强度、表面光滑程度等加以调整。
搅拌桨可采用多种不同的构型，例如水平梳状或者竖直梳状。如图3所示，为“山”型搅拌桨叶片结构示意图。“山”型搅拌桨叶片中心的横向支撑杆末端焊接在轴套上，以便灵活在搅拌轴的径向上精确定位。合理的搅拌桨分布方式，可以有效的起到相互清洁、破碎气泡、提高流化性能的作用。可以根据实际颗粒床层高度来调整搅拌桨层数。
所述两根搅拌轴8上的顶层搅拌桨叶6的高度大于流化后颗粒床层的高度。
反应气体等形成的循环气流经过气体进口3后在气室4内向四周分布，然后进入气体分布板5，气体分布均匀。气体分布板5的开孔率、开孔数目、喷嘴倾斜角度及孔径，结合反应器的结构参数和床层压降来优化设计，保证流化床反应器处于优化操作状态。所采用的通气量大于颗粒的最小流化速度2～50倍。考虑到颗粒聚团的存在，优选通气速度为最小流化速度的5～30倍。
按照本发明的具体实施方案，可以用于气相聚合流化床反应器，可以均聚或共聚，适宜的单体有乙烯、丙烯、丁二烯、苯乙烯、丁烯等烯烃和其它单体，也可适用于湿颗粒的干燥。
应用例：
在直径为280mm实验流化床中，主体床高1600mm，按照本发明提出的搅拌流化床实施方案，对过程进行试验模拟。流化颗粒采用石蜡颗粒，其平均直径为3.2mm，其初始软化温度约45℃。流化气体采用经过空气加热器预热后的热空气，通过加热功率调整空气的温度，进而调整石蜡颗粒的表面粘结性。所采用的流化通气量大于颗粒的最小流化速度5倍。
采用普通流化床、配置锚式桨的搅拌流化床、配置水平梳状搅拌桨-挡板的搅拌流化床、本发明实施例所设计的搅拌流化床，分别进行不同温度热空气的流态化实验，考察流态化状态和颗粒结块特性。
在流化床底部区域得到的颗粒粒径分布，对安装本发明提出的方案和普通流程的方案进行对比，如表1所示。实验结果中，随着空气温度升高，普通流化床很快死床，颗粒结成大块状，沉积在流化床底部，气体短路通过流化床。配置锚式桨的搅拌流化床，则在温度稍高时，也形成死床。水平梳状搅拌桨-挡板方案最高可在60℃温度条件下可正常运行。而本发明实施例所设计的搅拌流化床则可达到63℃温度条件下正常运行，远大于石蜡颗粒的软化温度，仍能够实现颗粒的流态化。这说明本发明可有效地处理高表面粘结颗粒的流态化，将有助于气固化学反应或湿颗粒干燥的正常进行。
表1本发明的实施效果

Claims (8)

1.一种双轴搅拌立式流化床反应器，其特征在于：该反应器从下至上依次由相同的两个气室、两个流化床直筒段和两个流化床扩大段拼接连通成一体，两个流化床扩大段顶部分别开有气体出口；两个气室与两个流化床直筒段间装有一个气体分布板，两个气室侧面分别开有循环气体进口，左、右电机分别经各自的减速机安装在气室外的下方，两根搅拌轴的一端分别与各自的减速机连接，两根搅拌轴的另一端分别从各自气室中心底部插入后，穿过各自气室、一个气体分布板上的各自密封直至各自流化床直筒段，位于流化床直筒段内的两根搅拌轴上等距、交叉安装有一层或多层搅拌桨叶片，两根搅拌轴上搅拌桨叶片之间相互嵌合，流化床直筒段上部开有进料口，位于流化床直筒段下部开有出料口。
2.根据权利要求1所述的一种双轴搅拌立式流化床反应器，其特征在于：所述两根搅拌轴上的搅拌桨叶片形状呈“山”字形，“山”字形的中间凸出部分分别与各自的搅拌轴垂直连接。
3.根据权利要求1所述的一种双轴搅拌立式流化床反应器，其特征在于：所述两根搅拌轴上的搅拌桨叶片之间相互嵌合的间隙为1～20mm。
4.根据权利要求1所述的一种双轴搅拌立式流化床反应器，其特征在于：所述搅拌桨叶片的剪切刃横截面为菱形或等腰三角形。
5.根据权利要求4所述的一种双轴搅拌立式流化床反应器，其特征在于：所述剪切刃的刃口角度为10°～60°。
6.根据权利要求1所述的一种双轴搅拌立式流化床反应器，其特征在于：所述两根搅拌轴上的顶层搅拌桨叶片的高度大于流化后颗粒床层的高度。
7. 根据权利要求3所述的一种双轴搅拌立式流化床反应器，其特征在于：所述相互嵌合的间隙为2～8mm。
8.根据权利要求5所述的一种双轴搅拌立式流化床反应器，其特征在于：所述刃口角度为10°～45°。
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