CN104602803A - 用于流化床反应器的改进的内部旋风分离器 - Google Patents

用于流化床反应器的改进的内部旋风分离器 Download PDF

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Abstract

一种流化床反应器，包括：反应柱，其具有流体部分；气体流入装置，其用于使气体向上从反应柱的所述流体部分流动；粒子进给装置，其用于将粒子进给到反应柱的流体部分；以及，旋风分离器，其能从来自反应柱的流体部分的向上流动的气体分离粒子，旋风分离器位于反应柱内并且与向上流动的气体连通，其中旋风分离器包括旋风分离器主体，旋风分离器主体具有入口、气体出口和粒子降落端口；以及，粒子排放管，其具有与旋风分离器主体的粒子降落端口连接的上部分，以及下部分，其中粒子排放管基本上位于反应柱外侧。

Description

用于流化床反应器的改进的内部旋风分离器
相关申请的交叉引用
根据35 U.S.C. § 119(e)，本申请要求保护在2012年8月30日提交的美国临时专利申请No. 61/695, 179的优先权，其公开以全文引用的方式并入到本文中。
技术领域
本发明涉及一种配备有内部旋风分离器的改进的流化床反应器，内部旋风分离器连接到基本上位于反应柱外侧的粒子排放管。
背景技术
流化床反应器（FBR）为一种反应器设备类型，这种反应器设备可以用于执行多种多相化学反应。在这种类型的反应器中，流体（气体或液体）以足够高的速度穿过颗粒固体材料（通常可能成形为微小球体的催化剂）以使固体悬浮并且使之表现为它就像流体那样。也被称作流化/流体化的这个过程赋予流化床反应器许多重要优点。因此流化床反应器可以用于许多工业应用中。流化床反应器常常用于产生汽油和其它燃料，以及许多其它化学品。使用流化床反应器技术来制造许多工业上生产的聚合物，诸如橡胶、氯乙烯、聚乙烯、苯乙烯和聚丙烯。流化床反应器用于各种用途，例如用于核电站以及水和废物处理设置；流化床反应器也用于煤的气化。用于这些应用的流化床反应器考虑到了比先前标准反应器技术更清洁和更高效的过程。
在常规流化床反应器中，内部旋风分离器常常用于在其标准操作期间从在流化床反应器中向上移动的气体分离细粒。这种内部旋风分离器优于位于反应器外部的旋风分离器的优点在于内部旋风分离器能被过程气体加热到过程温度而无需外部热源。此外，由于过程气体的高温，内部旋风分离器的入口将不易于堵塞。
旋风分离器常常连接到位于流化床反应器内的排放管并且向后朝向反应器底部导送所俘获的粒子。这种类型设置的缺陷在于向上流动的流化气体可以绕开旋风分离器的入口并且经由其排放管进入内部旋风分离器。另一缺陷在于在必须要接近排放管并且因为排放管堵塞而清洁排放管的情况下，整个流化床反应器系统必须停工。此外，从这些类型的系统移除所俘获的细粒常常是较难的。
因此，仍然需要一种具有改进的设计的流化床反应器，其在流化床反应器仍操作的同时允许对堵塞的排放管进行清洁。本发明解决这种需要。
发明内容
本发明提供一种流化床反应器，包括：反应柱，其具有流体部分；气体流入装置，其用于使气体向上穿过反应柱的流体部分流动；粒子进给装置，其用于将粒子进给到反应柱的流体部分；以及，旋风分离器，其能从反应柱的流体部分向上流动的气体分离出粒子。旋风分离器位于所述反应柱内并且与向上流动的气体相连通；并且旋风分离器包括旋风分离器主体，旋风分离器主体具有气体引入开口、气体流出开口和粒子降落端口。该旋风分离器还具有粒子排放管，粒子排放管具有与旋风分离器主体的粒子降落端口相连接的上部分，以及下部分；其中粒子排放管基本上位于反应柱外侧。
在本发明的某些实施例中，流化床反应器还包括：气液分离罐（knock-out pot），其附连到粒子排放管的下部分并且位于反应柱外侧，其中气液分离罐能收集从粒子排放管排放的粒子。
在本发明的其它实施例中，流化床反应器还包括振动器，其附连到粒子排放管并且位于反应柱外侧，其中振动器能移除已积聚于粒子排放管中的固体。
在本发明的另外实施例中，流化床反应器还包括：高压N2净化管线，其附连到粒子排放管并且位于反应柱外侧，其中高压N2净化管线能移除粒子排放管中的严重堵塞。
在本发明的另外实施例中，粒子排放管或气液分离罐或二者包括用于绝热的装置。
本发明还提供一种生产UF4的方法，包括在上文所讨论的流化床反应器中的任一个中使UO2与HF气体起反应。
附图说明
图1表示根据本发明带有内部旋风分离器的改进的流化床反应器的截面图。
具体实施方式
本发明涉及一种配备了旋风分离器的改进的流化床反应器，旋风分离器位于流化床反应器的反应柱内并且连接到基本上位于所述反应柱外侧的粒子排放管。由于这种修改，因为能在流化床反应器仍操作时清洁所述粒子排放管，本发明的流化床反应器更高效地操作。
现将参考附图（图1）来详细描述根据本发明而构造的流化床反应器的实施例。
在图1中，由附图标记1所标注的流化床反应器根据本领域普遍已知的流化床原理而操作。流化床反应器具有反应柱2，反应柱2基本上竖直地延伸，并且其具有相对较大直径圆柱形状的自由宽部3、倒置截头圆锥管状的锥形部分4、和相对较小直径圆柱形状的流体部分5。反应柱2的下端部设有气体流入装置6。气体流入装置6包括安置于反应柱2下端部处的气体腔室7，和与气体腔室7相连接的气体流入管8。气体通过气体流入管8而被进给到气体腔室7，并且然后通过气体分配器26向上流动并且进入到反应柱2内侧。反应柱2还设有粒子进给装置9。粒子进给装置9包括粒子进给管10，粒子进给管10通过反应柱2的自由宽部4的周围壁前移到反应柱2内并且向下延伸到反应柱2的流体部分5内。粒子进给管10连接到粒子进给源11，粒子进给源11以预定速率向粒子进给管10供应粒子，粒子进给管10将粒子进给到反应柱2的下部分内，即流体部分5。因此，粒子的主流化床12形成于反应柱2的流体部分5中。反应柱2，气体流入装置6（包括气体腔室7和气体流入管8）和粒子进给管10可以由任何合适材料诸如不锈钢或高镍合金制成。
反应柱2还配备旋风分离器13。旋风分离器13包括旋风分离器主体14，旋风分离器主体14连接到粒子排放管15。在图1中，旋风分离器主体14完全安置于反应柱2内，而粒子排放管5基本上位于反应柱2外侧。旋风分离器主体14具有接近圆柱形上部分16（较宽端）和圆锥形下部分17（窄端）。气体引入开口18位于旋风分离器主体14的上部分16的周围壁中，并且气体流出开口19位于上部分16的顶壁中。旋风分离器主体14定位于反应柱2的上部分中，即，自由宽部3，并且其气体引入开口18朝向反应柱2的自由宽部3敞开。出口管20连接到旋风分离器主体14的气体流出开口19，并且这个出口管20穿过反应柱2的顶壁延伸。旋风分离器主体14的下部分17的底壁完全打开以形成粒子掉落端口21。粒子排放管15由细长地延伸的圆柱形构件形成，并且其上端连接到粒子掉落端口21。因此，粒子排放管15的上端与旋风分离器主体14的粒子掉落端口21相连通。旋风分离器主体和粒子排放管可能由任何合适材料诸如不锈钢或高镍合金制成。
流化床反应器1还配备有气液分离罐22，气液分离罐22在反应柱22外侧连接到粒子排放管15的下部分以用于收集从粒子排放管排放的粒子。流化床反应器1还可以包括振动器23，振动器23在反应柱2外侧附连到粒子排放管15以用于移除在排放管中的任何积聚固体。流化床反应器1还可优选地包括高压N2净化管线21，高压N2净化管线21在反应柱外侧附连到粒子排放管15用于移除在管中的任何严重堵塞。气液分离罐22还可包括N2冲击器/冲压件(N2 bump)25， 其用于周期性地释放在气液分离罐内侧的空间。在反应柱外侧的流化床反应器的粒子排放管15和气液分离罐22能被良好地绝热和/或伴热（heat traced）以防止气体冷凝和低沸点化合物蒸发。
使用二氧化铀(UO2)到四氟化铀（UF4）的氢氟化作用作为示例而描述了上文所描述的流化床反应器的工作。当氟化氢气体（HF）通过气体流入管8流入到反应柱2内并且进入气体腔室7内时，其在反应柱2内侧上升经过UO2粒子的主流化床12。在气体穿过反应柱2中的主流化床12上升时，固体UO2与气态HF起反应以根据下反应式产生固体UF4和H2O气体：UO2 (s) + 4HF (g)→ UF4 (s) + 2H2O (g)。构成主流化床12的UO2和UF4的相对较小直径粒子伴随上升气流，并且从主流化床12向上流动。当气体跨过具有向上逐渐增加的截面积的锥形部分4向上移动时，气体的线性速度逐渐减小。因此，除了显著较小粒子之外的粒子与上升气流分离，并且落回到主流化床12内。在反应柱2的自由宽部3中，伴随着小直径UO2和UF4粒子的气体通过气体引入开口18进入旋风分离器主体14。在旋风分离器主体14中，伴随着气体的小直径粒子由旋风分离器13与气体分离，旋风分离器13基于本领域中通常已知的原理而工作并且因此不在本文中进一步展开描述。仅伴有细微粒子的气体通过出口管20通过气体流出开口19排放。在旋风分离器主体14中与气体分离开的小直径粒子通过粒子掉落端口21掉落并且到粒子排放管15，粒子排放管15基本上位于反应柱2外侧。
在本发明的优选实施例中，气液分离罐22在反应柱2外侧附连到粒子排放管15的下部分并且用于收集从粒子排放管排放的粒子；气液分离罐22也提供密封，其防止过程气体通过旋风分离器从反应器系统逸散出。在本发明的某些实施例中，气液分离罐22还包括N2冲击器/冲压件25以用于周期性地释放在气液分离罐内侧的空间。在本发明的某些实施例中，气液分离罐22还包括通风管（在图1中未示出），通风管用于当需要时释放压力积聚或者用于维护目的。
在本发明的某些实施例中，振动器23在反应柱2外侧附连到粒子排放管15并且用于从排放管移除任何积聚的固体。
在本发明的某些实施例中，高压N2净化管线24在反应柱外侧附连到粒子排放管15并且用于移除管中的任何严重堵塞的目的。
在本发明的某些实施例中，在反应柱外侧的旋风分离器的粒子排放管15和气液分离罐22被良好地绝热和/或伴热以防止气体冷凝和低沸点化合物蒸发。
在本发明的优选实施例中，旋风分离器主体14紧邻于反应柱2的壁安装以减小在反应柱内侧的腿长度。旋风分离器的底部圆锥形部段将被进行如下修改：在抵靠反应器壁的侧部上为直的并且在另一侧上为成角度的从而使得细粒能以较小障碍流出到排放管15。N2净化管线24将安装成防止在排放腿中的任何插塞/塞紧（pluggage）。气液分离罐22将被周期性地冲击以释放在气液分离罐内侧的空间。通风管也将适用于在紧急情况下释放压力积聚或者用于维护目的。
在本发明中，能基于实际操作条件来计算旋风分离器的尺寸，实际操作条件诸如气体流率、在气体流动中的固体保持/阻塞和旋风分离器的固体俘获效率。

Claims (6)

1.一种流化床反应器，包括：
反应柱，其具有流体部分；
气体流入装置，其用于使气体向上流动穿过所述反应柱的所述流体部分；
粒子进给装置，其用于将粒子进给到所述反应柱的所述流体部分；以及
旋风分离器，其能将粒子从由所述反应柱的所述流体部分向上流动的气体分离开，所述旋风分离器位于所述反应柱内并且与所述向上流动的气体相连通；其中所述旋风分离器包括旋风分离器主体，所述旋风分离器主体具有气体引入开口、气体流出开口、和粒子降落端口；以及
粒子排放管，其具有与所述旋风分离器主体的所述粒子降落端口相连接的上部分，以及下部分；其中所述粒子排放管基本上位于所述反应柱外侧。
2.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，其还包括气液分离罐，气液分离罐附连到所述粒子排放管的所述下部分上并且位于所述反应柱外侧，其中所述气液分离罐能收集从所述粒子排放管所排放的粒子。
3.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，其还包括振动器，其附连到所述粒子排放管并且位于所述反应柱外侧，其中所述振动器能移除已积聚于所述粒子排放管中的固体。
4.根据权利要求1所述的流化床反应器，其特征在于，其还包括高压N2净化管线，其附连到所述粒子排放管并且位于所述反应柱外侧，其中所述高压N2净化管线能移除所述粒子排放管中的严重堵塞。
5.根据权利要求2所述的流化床反应器，其特征在于，所述粒子排放管或所述气液分离罐或二者包括用于绝热的装置。
6.一种用于产生UF4的方法，其包括在根据前述权利要求中任一项的流化床反应器中使UO2与HF气体起反应。
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