CN107213855A - 一种准确调节与控制液相旋流流速的多相管式旋流反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相管式旋流反应器，它包括流速调节旋流器、气相喷射器、反应管和排料控制阀。所述流速调节旋流器，由进料管、旋流管、旋流切向狭缝、流速调节阀和外夹套构成。液相从进料管进入流速调节旋流器，将轴向流动转变为旋流流动，在旋流反应管内形成旋转和轴向的共同流动；液相的旋流流速由流速调节阀方便、准确调节旋流切向狭缝入口的大小来完成，实现不同反应体系混合强度和在反应管体系内的停留时间；本发明装置结构简单、投资少、操作方便、适应能力强，适用于冶金、化工、材料、污水处理、医药等工业。

Description

一种准确调节与控制液相旋流流速的多相管式旋流反应器

技术领域

本发明涉及一种多相管式旋流反应器，尤其涉及一种准确调节与控制液相旋流流速的多相管式旋流反应器。

背景技术

对于管式或平推流反应器中的多相反应体系，从理论上讲发生的物理、化学反应过程，主要依靠布朗运动或重力作用等因素发生的反应质之间碰撞或接触的几率决定的。因此，在一些情况下，其反应过程动力学较慢、生产效率低，设备较大或反应管长，造成设备用材料和加工费用高。为了提高反应速度或提高生产效率、优化反应条件，需要优化或加强液相（均相或非均相）混合程度，传统的方法是安装机械搅拌或在管壁上安装翼片或挡板等来实现，但前者增加了设备投资和操作费用，后者的混合强度不易调节和预测等现象。

发明内容

本发明提供一种液相旋流和气相微孔喷射技术于一体的多相（液、固、气）管式旋流反应器，它可方便调节和控制液相的旋流流速、气相通入量和形成微小气泡，以及多相体系在反应器内的停留时间，克服了传统管式反应器的缺陷，优化或强化多相反应体系的混合强度，提高了反应效率。

为实现上述目的，多相管式旋流反应器包括流速调节旋流器、气相喷射器、管式反应器和排料控制阀。所述的流速调节旋流器中的旋流管下端与气相喷射器中的旋流管上端连接；气相喷射器旋流管的下端与管式旋流反应器的反应管的上端连接；所述的排料控制阀安装在所述管式反应器的反应管末端；所述的旋流器旋流管、喷射器旋流管和管式反应器的反应管均安装在同一轴心线上。

进一步，所述的流速调节旋流器包括：进料管、旋流器旋流管、流速调节阀和旋流器外夹套。所述的旋流器外夹套由外夹套管、上密封盖和下密封盖构成，所述的旋流器外夹套下端与旋流器旋流管外壁密封连接；在所述的旋流器旋流管中段或位于旋流器外夹套内，均匀开设若干个旋流切向狭缝；所述的旋流切向狭缝为矩形狭缝，其方向相切于旋流器旋流管的内圆。进一步，所述的旋流器旋流管为一直管，在它的上段设置内螺纹。所述的流速调节阀的前段为活塞或圆柱形状，并与旋流管内圆相匹配；其后段设置外螺纹与旋流管的内螺纹相匹配。通过旋转流速调节阀调节旋流切向狭缝的大小，在工作状态下以便调节液相旋流流速。

进一步，所述的进料管分为轴向进料管和侧向进料管。所述的轴向进料管垂直设置在旋流器外夹套的上密封盖中心，其轴心与所述旋流管轴心一致，并且连通旋流器外夹套和旋流器旋流管构成的空腔；所述的侧向进料管，水平设置在旋流器外夹套的中部，与所述的外夹套管内圆相切，并且连通旋流器外夹套和旋流器旋流管构成的空腔。

进一步，所述的气相喷射器由进气管、喷射器旋流管、和喷射器外夹套构成。所述的喷射器外夹套设置在喷射器旋流管外部，其端部均与喷射器旋流管的外壁密封连接；所述的进气管水平设置在所述的喷射器外夹套的中上部，并与所述的喷射器旋流管和所述的喷射器外夹套形成的空腔连通；所述的喷射器旋流管，其内径与流速调节旋流器的旋流管内径和管式反应器的反应管的内径相同。在喷射器旋流管管壁上位于喷射器外夹套内设有微孔，在一定压力条件下，气体通过进气管和该微孔进入喷射器旋流管内，在液相旋流和轴向流动共同切应力的作用下，形成微小气泡并与液相混合，导致气体成分迅速溶入液相或造成气、液大比表面现象，以便于进行多相反应。

进一步，所述的管式反应器的反应管与所述旋流器旋流管和所述喷射器旋流管设置在同一轴心线上；所述的旋流器旋流管、喷射器旋流管和管式反应器的反应管共同构成本发明多相管式旋流反应器的反应体系。所述管式反应器的内径和轴向长度之比，由反应体系的性质和优化操作条件确定。

上述多相管式旋流反应器，能够应用于多级串联反应体系，即把所述的多相管式旋流反应器的反应管下端与下一级多相管式旋流反应器的进料管相接，以此构成二级或多级串联旋流管式反应器。

进一步，根据液相体系物理、化学反应的性质和要求，在单级或多级串联应用中，在所述的每级进料管处，加入相应的化学试剂。

为进一步强化或优化多相反应体系的混合作用，尤其对于大尺寸管式反应器，可以在本发明的多相管式旋流反应器的反应管体系内设置翼叶或挡板。

本发明的优点在于：液相（均相或非均相，如固、液体系）通过流速调节旋流器，由轴向流动转变为旋流流动，实现在旋流器旋流管内旋转和轴向流动的混合作用。由该旋流器中的流速调节阀，方便、准确调节旋流切向狭缝入口的大小或液相旋流流速（R）与轴向流速（L）之比（R/L），或在工作状态下，调节、控制以及优化液相在旋流反应器的旋流流速，适应不同反应体系的混合强度和在该反应器内的停留时间。气体通过气相喷射器的微孔管，在液相旋转和轴向流动的共同切应力的作用下形成微气泡或气、液大比表面体系，创造了多相反应所需要的有利条件、加快了反应进程。

附图说明

图1为本发明的多相管式旋流反应器进料管水平安装（侧向进料）的结构示意图。

图2为图1中A-A向放大示意图。

图3为本发明的多相管式反应器进料管竖直安装（轴向进料）的结构示意图。

图4为图2中A-A向放大示意图。

图5为本发明多级串联“线性”安装示意图。

图6为本发明多级串联“并列”安装示意图。

具体实施方式

如图1-4所示， 准确调节与控制液相旋流流速的多相管式旋流反应器包括：流速调节旋流器1、气相喷射器2、管式反应器3和排料控制阀4。所述的流速调节旋流器1中的旋流管13下端与所述的气相喷射器中的喷射器旋流管22上端通过法兰、焊接或螺丝连接；所述气相喷射器2的喷射器旋流管22下端与所述的管式反应器3的反应管的上端通过法兰、焊接或螺丝连接；所述的排料控制阀4安装在所述的管式反应器3的反应管末端；所述的旋流器旋流管13、喷射器旋流管22和管式反应器3的反应管的内径相同，并且安装在同一轴心线上。

进一步，所述的流速调节旋流器1包括进料管11、旋流器旋流管13、流速调节阀15和旋流器外夹套12。所述的旋流器外夹套12包括外夹套管、上密封盖和下密封盖。所述的旋流器外夹套12与上密封盖通过法兰或螺丝密封链接，所述的旋流器外夹套12下端与下密封盖通过法兰、螺丝或焊接密封链接，并且与旋流器旋流管13外壁密封连接；在所述旋流器旋流管13的进料处、位于旋流器外夹套12内，均匀开设若干个旋流切向狭缝14。所述旋流切向狭缝14为矩形狭缝，其方向相切于旋流器旋流管13的内圆。

进一步，所述的旋流器旋流管13为一直管，在旋流器旋流管13上段设置内螺纹；所述的流速调节阀15的前段为活塞或圆柱形状与旋流管内径相匹配，其后段设置外螺纹与所述的旋流器旋流管13上的外螺纹相匹配。通过旋转流速调节阀15的上、下位置能够调节旋流切向狭缝14的大小。

进一步，所述的进料管11垂直设置在旋流器外夹套12的上密封盖中心，通过焊接或螺丝与之连接，其轴心与所述旋流器旋流管13轴心一致，并且连通旋流器外夹套12和旋流器旋流管13构成的空腔；或者，所述的进料管11水平设置在旋流器外夹套12的中部，通过焊接与之连接，与所述的外夹套管的内圆相切，并且连通旋流器外夹套12和旋流器旋流管13构成的空腔。

进一步，所述气相喷射器2包括进气管21、喷射器旋流管22、和喷射器外夹套23。所述的喷射器外夹套23设置在喷射器旋流管22外部，并且其端部均与喷射器旋流管22的外壁密封连接；所述的喷射器外夹套23由外夹套管、上密封盖和下密封盖组成，所述的外夹套管与上、下密封盖通过螺丝、法兰或焊接密封链接，；所述的进气管21水平设置在所述的喷射器外夹套23的中上部，并与所述的喷射器旋流管22和所述的喷射器外夹套23形成的空腔通过焊接连通；所述的喷射器旋流管22为一直管，在气相喷射器旋流管22管壁上、位于喷射器外夹套23内设置微孔24，气体通过进气管21和微孔管24将气体送入喷射器旋流管22内。

进一步，所述的管式反应器3的反应管的内径与所述的旋流器旋流管13和所述喷射器旋流管22的内径相同，并安装在同一轴心线上；所述的旋流器旋流管13、喷射器旋流管22和管式反应器反应管，共同构成本发明多相管式旋流反应器的反应管体系。

进一步，所述的多相管式旋流反应器的反应管体系内径（R）和轴向长度（L）之比（R/L），由反应体系的性质和优化操作条件确定。

本发明的多相管式旋流反应器的工作原理为：液相（均相或非均相，如固、液体系）通过流速调节旋流器，由轴向流动转变为旋流流动，实现在旋流器旋流管内旋转和轴向混合作用。由该旋流器中的流速调节阀，方便、准确调节旋流切向狭缝入口的大小或液相旋流流速（R）与轴向流速（L）之比（R/L），或在工作状态下，调节、控制以及优化液相在旋流反应器的旋流流速，适应不同反应体系的混合强度和在该反应器内的停留时间。气体通过空气喷射器的微孔管，在液相旋转和轴向流动的共同切应力的作用下形成微气泡或气、液大比表面体系，创造了多相反应所需要的有利条件，如加快了气相成分溶入液相速度、在旋流作用下增加了气泡与液相中微小悬浮颗粒碰撞几率或发生粘附现象等。

如图5-6所示， 上述多相管式旋流反应器应用于多级串联反应体系，即将所述的多相管式旋流反应器的反应管下端与下一级多相管式旋流反应器的进料管11通过法兰、螺丝或焊接相接，以此构成二级或多级串联旋流管式反应器。

进一步，根据多相体系物理、化学反应的要求，在单级或多级串联应用中，在所述的进料管11处加入相应的化学试剂。同时，在气相喷射器2的进气管21处，加入空气或其它参与体系反应的气体。

为进一步强化或优化多相反应体系的混合作用，尤其对于大型反应管体系，可以在所述的旋流反应管体系内，设置翼叶或挡板。

本发明装置结构简单、投资少、操作方便、适应能力强，适用于冶金、化工、材料、污水处理、医药等工业的多相反应体系。

Claims (10)

1.一种准确调节与控制液相旋流流速的多相管式旋流反应器，其特征在于：它包括流速调节旋流器、气相喷射器、管式反应器和排料控制阀；所述的流速调节旋流器中的旋流管下端与所述的气相喷射器中的旋流管上端连接；所述的气相喷射器旋流管下端与所述的管式反应器的反应管的上端连接；所述的排料控制阀安装在所述的管式反应器的反应管末端；所述的流速调节旋流器的旋流管、气相喷射器的旋流管和管式反应器的反应管均安装在同一轴心线上。

2.根据权利要求1所述的多相管式旋流反应器，其特征在于：所述的流速调节旋流器包括轴向和侧向进料管、旋流器旋流管、流速调节阀和旋流器外夹套；所述的旋流器外夹套包括外夹套管、上密封盖和下密封盖；所述的旋流器外夹套下端与旋流器旋流管外壁密封连接；在所述的旋流器旋流管位于旋流器外夹套内，均匀开设若干个旋流切向狭缝，所述的旋流切向狭缝为矩形狭缝，其方向相切于旋流器旋流管的内圆。

3.根据权利要求1-2所述的多相管式旋流反应器，其特征在于：所述的旋流器旋流管为一直管，在旋流器旋流管上段设置内螺纹；所述的流速调节阀的前段为活塞或圆柱形状，与旋流器旋流管的内圆相匹配，其后段设置外螺纹与旋流器旋流管内螺纹相匹配，通过旋转流速调节阀的上、下位置，实现调节所述的旋流切向狭缝的大小。

4.根据权利要求1-3所述的多相管式旋流反应器，其特征在于：所述的轴向进料管，垂直设置在旋流器外夹套的上密封盖中心，其轴心与所述旋流器旋流管轴心一致，并且连通旋流器外夹套和旋流器旋流管构成的空腔。

5.根据权利要求1-3所述的多相管式旋流反应器，其特征在于：所述的侧向进料管水平设置在旋流器外夹套的中部，与所述的外夹套管的内圆相切，并且连通旋流器外夹套和旋流器旋流管构成的空腔。

6.根据权利要求1所述的多相管式旋流反应器，其特征在于：所述的气相喷射器包括进气管、喷射器旋流管和喷射器外夹套；所述的喷射器外夹套设置在喷射器旋流管外部，并且其端部均与喷射器旋流管的外壁密封连接；所述的进气管水平设置在所述的喷射器外夹套的中上部，并与所述的喷射器旋流管和所述的喷射器外夹套形成的空腔连通；所述的喷射器旋流管为一直管，在所述的喷射器旋流管的管壁上、位于喷射器外夹套内设有微孔，气体通过进气管和微孔将进入喷射器旋流管内。

7.根据权利要求1-5任一项所述的多相管式旋流反应器，根据反应体系的性质和优化操作条件，在进料管处和进气管处分别或同时加入相应的化学试剂和气体。

8.一种多级串联管式旋流反应器，由权利要求1-5任一项所述的多相管式旋流反应器串联组成，即所述的多相管式旋流反应器的反应管下端与下一级多相管式旋流反应器的进料管相接，以此构成二级或多级串联多相管式旋流反应器体系。

9.根据权利要求8所述的多级串联管式旋流反应器，根据体系物理、化学反应的要求，在单级或多级串联应用中，在所述相应的进料管和进气管处分别加入化学试剂和气体。

10.根据权利要求8或9所述的多级串联管式旋流反应器，为进一步强化或优化多相反应体系的混合作用，在所述旋流器旋流管内设置翼叶或挡板。