CN107540079B

CN107540079B - 穿透混合旋流管式反应器

Info

Publication number: CN107540079B
Application number: CN201711034277.6A
Authority: CN
Inventors: 孟继安
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2037-10-30
Also published as: CN107540079A

Abstract

本发明公开了一种穿透混合旋流管式反应器，穿透混合旋流管式反应器包括：外壳；支撑件，支撑件设在外壳内；多个穿透混合旋流管式反应单元，多个穿透混合旋流管式反应单元设在支撑件上且依次相连；主反应物料进出口接管，主反应物料进出口接管包括主反应物料进口接管和主反应物料出口接管；辅反应物料进出口接管，辅反应物料进出口接管包括添加物料进口接管和反应气出口接管；穿透混合旋流管式反应单元包括反应单元管和设在反应单元管内的内插扭曲孔带强化件，内插扭曲孔带强化件上设有扭曲孔带。根据本发明的穿透混合旋流管式反应器，主反应物料与添加物料可充分混合，流动均匀无涡流死区，实现了物料充分的自搅拌，使得物料反应均匀且高效。

Description

穿透混合旋流管式反应器

技术领域

本发明涉及污水或污泥处理技术领域，特别是涉及一种穿透混合旋流管式反应器。

背景技术

相关技术中，湿式氧化工艺用于城镇污水污泥处理，特别是部分湿式氧化的Wetox工艺，是一种洁净且资源可最大化利用的先进工艺。部分湿式氧化的Wetox工艺:采用一种卧式反应釜(罐)，反应釜内设置4-6个连续搅拌的阶梯降液的槽池，每个槽池还设置了搅拌和曝气装置。

然而，上述卧式反应釜也存在一些不足：其一，承压受限(一般为2MPa左右)，工艺参数(温度、压力)偏低，难以实现更高承压和温度的工艺参数，如亚临界和超临界水氧化工艺，使得反应效率偏低和反应时间过长；其二，设置了多个机械搅拌，搅拌很容易出现泄露、故障甚至安全事故，槽池的搅拌也存在不充分和不均等，影响反应效率和反应时间，能耗也增加；其三，反应釜内设置的多个连续搅拌的阶梯降液的槽池，其槽池内还存在低速区、涡流死区等，特别是对于污泥的高粘性和粘结性等，严重影响了总反应效率也延长了反应时间，以及严重影响了反应产物的质量，由于上述原因等，使得其反应效率较低，反应时间较长；其四，反应效率较低和反应时间较长，也使得其结构尺寸较大和占地面积较大，设备投资偏高。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种穿透混合旋流管式反应器，所述穿透混合旋流管式反应器可提高反应速率，且安全性好。

根据本发明实施例的穿透混合旋流管式反应器，包括：外壳；支撑件，所述支撑件设在所述外壳内；多个穿透混合旋流管式反应单元，所述多个穿透混合旋流管式反应单元设在所述支撑件上且依次相连；主反应物料进出口接管，所述主反应物料进出口接管包括主反应物料进口接管和主反应物料出口接管，所述主反应物料进口接管设在所述穿透混合旋流管式反应器的入口处并与所述穿透混合旋流管式反应单元连通，所述主反应物料出口接管设在所述穿透混合旋流管式反应器的出口处并与所述穿透混合旋流管式反应单元连通；辅反应物料进出口接管，所述辅反应物料进出口接管包括添加物料进口接管和反应气出口接管，所述添加物料进口接管与所述穿透混合旋流管式反应单元连通，所述反应气出口接管与所述穿透混合旋流管式反应单元连通；其中，所述穿透混合旋流管式反应单元包括反应单元管和设在所述反应单元管内的内插扭曲孔带强化件，所述内插扭曲孔带强化件上设有扭曲孔带。

根据本发明实施例的穿透混合旋流管式反应器，通过设置在反应单元管内的内插扭曲孔带强化件，使得流体流动为螺旋旋转流动加多孔穿透混合流动的复杂流动。穿透混合旋流管式反应单元内的主反应物料与添加物料能够充分混合，流动均匀无涡流死区，实现了物料充分的自搅拌，因而使得物料反应均匀且高效。

另外，根据本发明上述实施例的穿透混合旋流管式反应器还具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，还包括：反应单元间连接件，所述反应单元间连接件设在相邻的两个穿透混合旋流管式反应单元之间以连接多个所述穿透混合旋流管式反应单元。

根据本发明的一些实施例，所述扭曲孔带为螺旋扭曲片，且所述螺旋扭曲片上设有多个通孔，所述内插扭曲孔带强化件还包括：扭曲孔带连接件，所述扭曲孔带连接件与所述扭曲孔带相连。

进一步地，所述扭曲孔带连接件与所述扭曲孔带焊接或铆接。

根据本发明的一些实施例，所述扭曲孔带为连续扭曲孔带，所述扭曲孔带连接件位于所述连续扭曲孔带的内侧。

根据本发明的一些实施例，所述扭曲孔带为间断扭曲孔带，所述间断扭曲孔带包括多个子扭曲孔带，所述扭曲孔带连接件设在相邻的两个子扭曲孔带之间。

可选地，所述扭曲孔带为多头螺旋扭曲孔带或单头连续扭曲孔带。

根据本发明的一些实施例，所述内插扭曲孔带强化件以焊接、销接或者螺栓连接中的任一种方式设在所述反应单元管内。

根据本发明的一些实施例，所述添加物料进口接管形成于所述主反应物料进口接管、所述穿透混合旋流管式反应单元和所述反应单元间连接件中的至少一个上。

可选地，所述多个穿透混合旋流管式反应单元布置成M*N的矩阵形式。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的穿透混合旋流管式反应器的结构示意图；

图2是图1的侧视结构示意图；

图3是根据本发明实施例的穿透混合旋流管式反应单元的横截面结构示意图；

图4是根据本发明实施例的穿透混合旋流管式反应单元的局部剖视三维结构示意图；

图5是根据本发明实施例的一种内插扭曲孔带强化件(间断扭曲型)的结构示意图；

图6是根据本发明实施例的另一种内插扭曲孔带强化件(连续扭曲型)的结构示意图。

附图标记：

100：穿透混合旋流管式反应器；

1：外壳；

2：支撑件；

3：穿透混合旋流管式反应单元；31：反应单元管；32：内插扭曲孔带强化件；321：扭曲孔带；3211：通孔；3212：子扭曲孔带；322：扭曲孔带连接件；

4：主反应物料进出口接管；41：主反应物料进口接管；42：主反应物料出口接管；

5：辅反应物料进出口接管；51：添加物料进口接管；52：反应气出口接管；

6：反应单元间连接件；

7：保温件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

随着我国城镇化的不断推进和环境保护要求的不断提高，污水和污泥的处理越来越受到重视。污水污泥处理的湿式氧化工艺(Wet Air Oxidation，简称WAO)，是在高温(150℃-370℃)、高压(0.2-20MPa)下，利用氧化剂与催化剂(如空气中的氧、臭氧、过氧化氢等氧化剂，Cu系、Mn系、Fe系及复合催化剂)将污水污泥中的有机物氧化成二氧化碳和水等，从而达到去除污染物的目的。

然而，相关技术中的湿式氧化工艺存在一定的不足，为此，本发明提出了一种穿透混合旋流管式反应器100。下面结合附图描述根据本发明实施例的穿透混合旋流管式反应器100。

如图1-图6所示，根据本发明实施例的穿透混合旋流管式反应器100，包括：外壳1、支撑件2、多个穿透混合旋流管式反应单元3、主反应物料进出口接管4以及辅反应物料进出口接管5。

具体而言，支撑件2设在外壳1内；多个穿透混合旋流管式反应单元3设在支撑件2上，并且多个穿透混合旋流管式反应单元3依次相连(连通)。使得待反应物料可以依次经由多个穿透混合旋流管式反应单元3充分反应后再进一步排出。

穿透混合旋流管式反应单元3的数量，是根据待反应物料的成分、反应后产物的性能要求、反应参数(主要为温度和压力)、反应添加物性质等情况确定。

主反应物料进出口接管4包括主反应物料进口接管41和主反应物料出口接管42，主反应物料进口接管41设在穿透混合旋流管式反应器100的入口处，并且主反应物料进口接管41与穿透混合旋流管式反应单元3连通，主反应物料出口接管42设在穿透混合旋流管式反应器100的出口处，并且主反应物料出口接管42与穿透混合旋流管式反应单元3连通。

所述的主反应物料是指需要进行湿式氧化反应的待反应主物料及其反应后主产物，如污水或者污泥，本实施例的待反应主物料为污泥，反应后主产物为湿式氧化反应后的反应后污泥，反应后主产物待后续处置工艺(如过滤脱水等)进一步处置。

辅反应物料进出口接管5包括添加物料进口接管51和反应气出口接管52，添加物料进口接管51与穿透混合旋流管式反应单元3连通，反应气出口接管52与穿透混合旋流管式反应单元3连通。

所述的辅反应物料是指向所述主反应物料中添加的氧化剂与催化剂物料(如空气、由空气制备的富氧空气、臭氧、过氧化氢等氧化剂，Cu系、Mn系、Fe系及复合催化剂，简称添加物料)及其反应后气体产物(如CO₂、N₂、过剩O₂等，简称反应气)。

其中，穿透混合旋流管式反应单元3包括反应单元管31和设在反应单元管31内的内插扭曲孔带强化件32，内插扭曲孔带强化件32上设有扭曲孔带321。由此，通过设置在反应单元管31内的内插扭曲孔带强化件32，使得流过反应单元管31内的流体在产生螺旋旋转流动的同时，还能穿透流过扭曲孔带321，其流体流动为螺旋旋转流动加多孔穿透混合流动的复杂流动。

穿透混合旋流管式反应单元3内的物料所产生的这种“螺旋旋转流动加多孔穿透混合流动的复杂流动”，使得主反应物料与添加物料充分混合，流动均匀无涡流死区，实现了物料充分的自搅拌，因而使得物料反应均匀且高效。

穿透混合旋流管式反应单元3的承压部件为反应单元管31，且由于实现了物料充分的自搅拌，无需设置类似搅拌器的转动部件，管道式结构的反应单元管31可以承受超高压和高温(如可实现亚临界和超临界水氧化工艺参数)，显著提高了反应速率和缩减了反应时间，而且安全可靠，可以实现长周期、安全、无泄露、稳定、高效运行。

根据本发明实施例的穿透混合旋流管式反应器100，通过设置在反应单元管31内的内插扭曲孔带强化件32，使得流体流动为螺旋旋转流动加多孔穿透混合流动的复杂流动。穿透混合旋流管式反应单元3内的主反应物料与添加物料能够充分混合，流动均匀无涡流死区，实现了物料充分的自搅拌，因而使得物料反应均匀且高效。

参照图2并结合图1，根据本发明的一些实施例，还包括：反应单元间连接件6，反应单元间连接件6可以包括弯头、三通等管件。反应单元间连接件6设在相邻的两个穿透混合旋流管式反应单元3之间以连接多个穿透混合旋流管式反应单元3。也就是说，穿透混合旋流管式反应单元3之间由反应单元间连接件6连接，通过反应单元间连接件6便于将多个穿透混合旋流管式反应单元3连接起来，有利于减小穿透混合旋流管式反应器100的占地面积，缩小占用空间。

根据本发明的一些实施例，内插扭曲孔带强化件32以焊接、销接或者螺栓连接中的任一种方式设在反应单元管31内。如此，能够保证内插扭曲孔带强化件32与反应单元管31的连接可靠性。

参照图4，根据本发明的一些实施例，内插扭曲孔带强化件32包括：扭曲孔带321以及扭曲孔带连接件322。扭曲孔带321为螺旋扭曲片，并且螺旋扭曲片上设有多个通孔3211，多个通孔3211可以形成为密集的阵列孔。扭曲孔带连接件322与扭曲孔带321相连。通过扭曲孔带连接件322便于将扭曲孔带321连接起来。

进一步地，扭曲孔带连接件322与扭曲孔带321可以焊接或铆接。由此，有利于保证扭曲孔带连接件322与扭曲孔带321的连接可靠性。

参照图4，根据本发明的一些实施例，扭曲孔带321可以为连续扭曲孔带，扭曲孔带连接件322可以位于连续扭曲孔带321的内侧。例如，扭曲孔带连接件322可以为管状或柱状等。

具体而言，在本发明的一些实施例中，如图3和图4所示，内插扭曲孔带强化件32设置在反应单元管31内，内插扭曲孔带强化件32与反应单元管31相连，连接方式可以是焊接、销接或者螺栓连接等。内插扭曲孔带强化件32包括扭曲孔带321和扭曲孔带连接件322。扭曲孔带321为螺旋扭曲片，并在螺旋扭曲片上设置有密集的阵列孔。

参照图5，根据本发明的一些实施例，扭曲孔带321也可以为间断扭曲孔带，间断扭曲孔带包括多个子扭曲孔带3212，扭曲孔带连接件322设在相邻的两个子扭曲孔带3212之间。由此，通过扭曲孔带连接件322能够将多个子扭曲孔带3212连接起来，从而形成间断扭曲孔带。由此，有利于进一步降低流动阻力，提高反应效果。

根据本发明的一些实施例，如图4所示，内插扭曲孔带强化件32上设置的扭曲孔带321为连续扭曲孔带，即“连续扭曲孔带型”内插扭曲孔带强化件32，扭曲孔带321也可以为非连续扭曲孔带，即“间断扭曲孔带型”内插扭曲孔带强化件32，如图5所示。在图5中，多节扭曲孔带321由多个扭曲孔带连接件322连接为一体，其连接方式可以是焊接、铆接等。设置扭曲间断型的内插扭曲孔带强化件32的主要目的是进一步降低流动阻力，但在某些情况下可能会降低反应性能(在具体设计时可以适当进行平衡)。为了结构更为简洁，在图5中未标出扭曲孔带上设置的密集阵列孔结构。

可选地，扭曲孔带321为多头螺旋扭曲孔带或单头连续扭曲孔带。便于选择且有利于成本的控制。

根据本发明的一些实施例，如图4所示，扭曲孔带321为多头螺旋扭曲孔带，也可以为单头连续扭曲孔带，如图6所示。两者结构的不同有可能带来反应和流阻性能的不同。为了结构更为简洁，在图6中未标出扭曲孔带上设置的密集阵列孔结构。

参照图1和图2，根据本发明的一些实施例，添加物料进口接管51形成于主反应物料进口接管41、穿透混合旋流管式反应单元3和反应单元间连接件6中的至少一个上。由此，便于添加物料进口接管51的设置，且有利于通过添加物料进口接管51向穿透混合旋流管式反应单元3内添加氧化剂与催化剂物料，提高反应效率。

为了反应更加均匀，提高反应效率，减少流动输送阻力，本实施例的穿透混合旋流管式反应器100，设置了多个添加物料进口接管51和多个反应气出口接管52。添加物料从设置多个添加物料进口接管51添加到反应器中主反应物料中，反应气从设置的多个反应气出口接管52及时排出，有利于提高反应效率和降低流动输送阻力。

一般地，穿透混合旋流管式反应器100可以设置一个或者多个添加物料进口接管51，并设置一个或者多个反应气出口接管52。添加物料进口接管51与反应气出口接管52可以一一对应。

当然，添加物料进口接管51和反应气出口接管52也可以设置在与穿透混合旋流管式反应器100相连接的管道或者设备上。

根据本发明实施例的穿透混合旋流管式反应器100，包括：多个穿透混合旋流管式反应单元3、反应单元间连接件6、主反应物料进出口接管4、辅反应物料进出口接管5，其中，穿透混合旋流管式反应单元3包括反应单元管31和设置在反应单元管31内的内插扭曲孔带强化件32，在内插扭曲孔带强化件32上设置有扭曲孔带321。

本发明可显著增强了反应物料的混合，提高反应工艺参数，从而可显著提高反应效率、减少反应时间，且可实现安全、无故障、无泄漏、长周期、高效运行。

结合图1和图2，可选地，多个穿透混合旋流管式反应单元3布置成M*N的矩阵形式(其中，M和N均为大于等于1的整数)。由此，使得穿透混合旋流管式反应器100的结构更加紧凑、节省占用空间。

具体地，为了实现较高的反应效率，通常需要将多个穿透混合旋流管式反应单元3连接为一种穿透混合旋流管式反应器100，以实现紧凑布置。

本实施例为污泥部分湿式氧化，添加物为空气制备的含60％左右的O₂，在本发明的一个具体实施例中，穿透混合旋流管式反应器100设置了8x12阵列的穿透混合旋流管式反应单元3，共计96个阵列的穿透混合旋流管式反应单元3，并且96个穿透混合旋流管式反应单元3由多个反应单元间连接件6连接。

另外，参照图1和图2，根据本发明实施例的穿透混合旋流管式反应器100还包括保温件7，保温件7可以设在外壳1内，并且保温件7可以位于相邻的两个穿透混合旋流管式反应单元3之间。由此，通过保温件7能够减少热量的散失，保温效果好，从而有利于提高反应效率。

下面结合附图详细描述根据本发明实施例的穿透混合旋流管式反应器100，如图1至图4所示，包括：多个穿透混合旋流管式反应单元3、反应单元间连接件6、主反应物料进出口接管4、辅反应物料进出口接管5、支撑件2、外壳1以及保温件7，其中，穿透混合旋流管式反应单元3包括反应单元管31和设置在反应单元管31内的内插扭曲孔带强化件32，在内插扭曲孔带强化件32上设置有扭曲孔带321。

穿透混合旋流管式反应单元3的流体流动和强化反应的原理为：设置在反应单元管31内的内插扭曲孔带强化件32，使得流过反应单元管31内的流体，产生螺旋旋转流动的同时，流体穿透流过在内插扭曲孔带强化件32上设置的密集阵列孔，其流体流动为螺旋旋转流动加多孔穿透混合流动的复杂流动。

本实施例中，由于采用了上述结构，穿透混合旋流管式反应单元3内的物料所产生“螺旋旋转流动加多孔穿透混合流动的复杂流动”，显著增强了反应物料(如污水、污泥等)与添加物料的混合，也同时能够有效的改善反应物料在反应器中的流动状态，无涡流死区，从而可显著提高反应效率和减少反应时间；穿透混合旋流管式反应单元3的承压部件为管道式结构的反应单元管31，且由于实现了物料充分的自搅拌，无需设置类似搅拌器的转动部件，管道式结构的反应单元管31可以承受超高压和高温，能够显著提高反应工艺参数(温度、压力)，从而可显著提高反应效率和减少反应时间；实现了高效自搅拌，无机械搅拌，可实现安全、无故障、无泄漏、长周期、高效运行；由于可显著提高反应效率和减少反应时间，设备投资和运行成本也可明显降低。

根据本发明实施例的穿透混合旋流管式反应器100的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种穿透混合旋流管式反应器，其特征在于，包括：

外壳；

支撑件，所述支撑件设在所述外壳内；

多个穿透混合旋流管式反应单元，所述多个穿透混合旋流管式反应单元设在所述支撑件上且依次相连；

主反应物料进出口接管，所述主反应物料进出口接管包括主反应物料进口接管和主反应物料出口接管，所述主反应物料进口接管设在所述穿透混合旋流管式反应器的入口处并与所述穿透混合旋流管式反应单元连通，所述主反应物料出口接管设在所述穿透混合旋流管式反应器的出口处并与所述穿透混合旋流管式反应单元连通；

辅反应物料进出口接管，所述辅反应物料进出口接管包括添加物料进口接管和反应气出口接管，所述添加物料进口接管与所述穿透混合旋流管式反应单元连通，所述反应气出口接管与所述穿透混合旋流管式反应单元连通；

其中，所述穿透混合旋流管式反应单元包括反应单元管和设在所述反应单元管内的内插扭曲孔带强化件，所述内插扭曲孔带强化件上设有扭曲孔带，所述扭曲孔带为螺旋扭曲片，且所述螺旋扭曲片上设有多个通孔，所述内插扭曲孔带强化件还包括：扭曲孔带连接件，所述扭曲孔带连接件与所述扭曲孔带相连。

2.根据权利要求1所述的穿透混合旋流管式反应器，其特征在于，还包括：反应单元间连接件，所述反应单元间连接件设在相邻的两个穿透混合旋流管式反应单元之间以连接多个所述穿透混合旋流管式反应单元。

3.根据权利要求1所述的穿透混合旋流管式反应器，其特征在于，所述扭曲孔带连接件与所述扭曲孔带焊接或铆接。

4.根据权利要求1所述的穿透混合旋流管式反应器，其特征在于，所述扭曲孔带为连续扭曲孔带，所述扭曲孔带连接件位于所述连续扭曲孔带的内侧。

5.根据权利要求1所述的穿透混合旋流管式反应器，其特征在于，所述扭曲孔带为间断扭曲孔带，所述间断扭曲孔带包括多个子扭曲孔带，所述扭曲孔带连接件设在相邻的两个子扭曲孔带之间。

6.根据权利要求1所述的穿透混合旋流管式反应器，其特征在于，所述扭曲孔带为多头螺旋扭曲孔带或单头连续扭曲孔带。

7.根据权利要求1所述的穿透混合旋流管式反应器，其特征在于，所述内插扭曲孔带强化件以焊接、销接或者螺栓连接中的任一种方式设在所述反应单元管内。

8.根据权利要求1所述的穿透混合旋流管式反应器，其特征在于，所述添加物料进口接管形成于所述主反应物料进口接管、所述穿透混合旋流管式反应单元和所述反应单元间连接件中的至少一个上。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的穿透混合旋流管式反应器，其特征在于，所述多个穿透混合旋流管式反应单元布置成M*N的矩阵形式。