CN109603693B - 一种多相反应装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多相反应装置及系统，包括：具有容纳腔的壳体；气体导向器，在所述壳体内形成沿所述壳体高度方向，向靠近所述壳体底部方向运动的第二方向气流；以及气体折流器，固定于所述壳体内部，使沿所述壳体高度方向，向远离所述壳体底部方向运动的第一方向气流产生至少一次错位。本发明通过设置气体折流器，产生错位的气流，错位气流一方面增加了气体在固相或液相中的停留时间，另一方面，气体折流器改变了气体的流动方向，使得气体能够产生方向与第一方向大致相反的回流，再次与固相或者液相接触，增大了相间的接触面积，提高了反应效率。

Description

一种多相反应装置及系统

技术领域

本发明涉及反应器技术领域。更具体地，涉及一种多相反应装置及系统。

背景技术

反应过程中，例如气液接触面积及气相在液相中的停留时间对反应效果具有重要影响。如何实现相间的充分接触提高反应效率一直是化工生产过程中的核心问题。为了强化反应物之间的接触，流化床反应器通常采用气体扰动实现液固相流态化，相间接触不够充分，分散、混合、传递效果不佳。一般的反应釜采用机械搅拌实现固相在液相中的均匀分散，而无法将气体分散为微小的气泡，降低了气液界面的接触面积，严重影响相间传质和反应物的转化率。因此，现有技术中的多相反应装置仍然存在不足。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明的第一方面提供一种多相反应装置，包括：

具有容纳腔的壳体；

气体折流器，固定于所述壳体内部，使沿所述壳体高度方向，向远离所述壳体底部方向运动的第一方向气流产生至少一次错位。

在一个优选的实施例中，所述装置进一步包括：气体导向器，在所述壳体内形成沿所述壳体高度方向，向靠近所述壳体底部方向运动的第二方向气流。

在另一个优选的实施例中，所述气体导向器包括：

设置于沿所述壳体高度方向的轴线上的中空轴、与所述中空轴远离所述壳体底部方向的端部结合固定的转动器以及结合固定在所述中空轴靠近所述转动器一端的端部侧壁上的涡轮；

所述涡轮包括结合固定在所述中空轴侧壁上的叶片，所述转动器驱动所述涡轮，使所述叶片转动；

所述中空轴靠近所述壳体底部方向的端部表面设置有贯通的第一孔道，所述中空轴固定所述叶片的侧壁上具有通道，所述壳体内的气体在所述叶片转动下通过所述通道进入所述中空轴，并向下运动形成所述第二方向气流。

在又一个优选的实施例中，所述装置进一步包括：

气体分散器，位于所述壳体靠近其底部方向的端部位置，用于将所述第一方向气流分散为若干连续流体，或者形成为若干气泡流。

在又一个优选的实施例中，所述装置进一步包括：

气体分散器，固定于所述中空轴靠近所述壳体底部的端部侧壁上，用于将所述第一方向气流分散为若干连续的气体流，或者形成为若干气泡流；

其中，该气体分散器为与所述中空轴同轴设置的圆盘结构，所述气体分散器上包括若干贯通的第二孔道。

在又一个优选的实施例中，所述气体分散器与所述壳体靠近其底部方向的端部侧壁结合固定；

其中，该气体分散器为与沿所述壳体高度方向的轴线同轴设置的圆盘结构，所述气体分散器上包括若干贯通的第二孔道。

在又一个优选的实施例中，所述气体折流器包括位于同一平面的若干流通部和若干隔挡部，若干隔挡部阻挡所述第一方向气流运动，使该第一方向气流流向所述隔挡部周边的流通部，形成错位的气流，所述气流包括若干连续的气体流或者若干气泡流。

在又一个优选的实施例中，所述气体折流器为多个，每个气体折流器沿所述壳体高度方向等距设置。

在又一个优选的实施例中，所述气体折流器包括位于同一平面的若干流通部和若干隔挡部，若干隔挡部阻挡所述第一方向气流运动，使该第一方向气流流向所述隔挡部周边的流通部，形成错位的气流，所述气流包括若干连续的气体流或者若干气泡流；

所述气体折流器为圆盘结构，该圆盘的侧壁与所述壳体内侧壁结合固定，所述流通部为所述气体折流器上设置的贯通的第三孔道。

在又一个优选的实施例中，所述气体折流器为多个；

每个气体折流器沿所述壳体高度方向等距设置，和/或

相邻两个气体折流器的流通部相互错位设置，所述错位设置被配置为其中一个气体折流器的每个流通部至少部分遮挡相邻气体折流器上与其对应的流通部。

本发明第二方面提供一种多相反应系统，包括上述装置。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种多相反应装置及系统，通过设置气体折流器，产生错位的气流，错位气流一方面增加了气体在固相或液相中的停留时间，另一方面，气体折流器改变了气体的流动方向，使得气体能够产生方向与第一方向大致相反的回流，再次与固相或者液相接触，增大了相间的接触面积，提高了反应效率。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有技术中的传统搅拌反应器的示意图。

图2示出本发明第一方面的一些具体实施例中的多相反应装置内气体流向示意图之一。

图3示出本发明第一方面的一些具体实施例中的多相反应装置内气体流向示意图之二。

图4示出本发明第一方面的一些具体实施例中的多相反应装置内气体流向示意图之三。

图5示出本发明第一方面的一些具体实施例中的多相反应装置内气体折流的原理示意图。

图6示出本发明第一方面的一些具体实施例中的多相反应装置结构示意图。

图7示出图6中气体折流器的结构示意图之一。

图8示出图6中气体折流器的结构示意图之二。

图9示出本发明第二方面一些具体实施例中的多相反应系统结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种截面图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及他们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在如图1所示的现有技术，传统的搅拌反应器包括具有容纳腔的壳体1、沿所述壳体高度方向的轴线设置的驱动电机5和搅拌桨2，反应器运行时，搅拌桨2在电机5的带动下转动，搅拌桨2的叶片使液体产生转动，从而实现流体的快速混合。当需要气体参与反应时，搅拌反应器进一步包括气体导向器3，将气体导入壳体1内部，气体导入器一般插入壳体1底部，形成气泡流4。

但是，现有的搅拌反应器存在诸多不足，例如利用搅拌反应器进行化学反应的动力学研究时需要消除搅拌带来的外扩散的影响，或者搅拌反应器随着流体转动半径的增大，反应器内的流体受力不均匀，使得流体混合不均匀，产物物化性质差异较大，同时由于边缘受力大，气体无法进入反应的中间位置。并且，当需要气体参与反应时，搅拌反应器的搅拌增加了气体的逃逸速度，不利于气体与液体、固体的充分混合和接触。因此，现有技术通常采用流化床反应器，通过气体扰动实现液固相流态化，但是现有的流化床相间接触不够充分，分散、混合、传递效果不佳，气体逃逸速度快，导致反应效率较低。

有鉴于此，为了解决上述问题的至少一个，本发明提供一种多相反应装置及系统，通过使多相反应装置内的气体形成至少一个错位的气流，从而增加了气体与反应物的接触面积，并延长了气体在反应物中停留的时间，提高反应效率。

本发明的第一方面提高一种多相反应装置，该多相反应装置包括：具有容纳腔的壳体；以及气体折流器，固定于所述壳体内部，使沿所述壳体高度方向，向远离所述壳体底部方向运动的第一方向气流产生至少一次错位。所述气体折流器包括位于同一平面的若干流通部和若干隔挡部，若干隔挡部阻挡所述第一方向气流运动，使该第一方向气流流向所述隔挡部周边的流通部，形成错位的气流，所述气流包括若干连续的气体流或者若干气泡流。

显然，本方面的装置可以用于气体为外循环的反应体系，即气体为连续流通，装置的气体进口和出口均为导通状态。

进一步的，本装置还可以用于内循环的密封环境反应体系，即气体只有进口，当达到一定压力后不再通入气体，气体密封在装置内。当本装置用于内循环体系时，该装置进一步包括气体导向器，在所述壳体内形成沿所述壳体高度方向，向靠近所述壳体底部方向运动的第二方向气流。

其中，本领域技术人员明了，当气流流速过快时，气流为若干连续的流体，即气体流，当气流流速较慢时，气流为气泡流。

本方面提供的多相反应装置，气体导向器将壳体上部的气流压入壳体底部，使得壳体内的气体形成循环，在气体折流器的作用下，产生错位的气流，错位气流一方面增加了气体在固相或液相中的停留时间，另一方面，气体折流器改变了气体的流动方向，使得气体能够产生方向与第一方向大致相反的回流，再次与固相或者液相接触，增大了相间的接触面积，提高了反应效率。

请参见图2所示的多相反应装置内部的气体流向示意图之一，其中，第二方向气流201从所述气体导向器的上端进入气体导向器，在气体导向器内部形成第二方向气流201，第一方向气流202从所述气体导向器靠近装置壳体底部的端部溢出，在力的作用下向上运动，即形成围绕所述气体导向器向上运动的第一方向气流202。

在一些具体的实施例中，如图3所示的多相反应装置内部的气体流向示意图之二，错位的意思为将直线运动的第一方向气流转变为位置相错，但方向不变的气流，其中，301为第二方向气流，302为第一方向气流；或者，如图4所示的多相反应装置内部的气体流向示意图之三，错位的意思为将垂直向上运动的第一方向气流的方向改变为斜向向上，其中，401为第二方向气流，402为第一方向气流；或者是上述两种的组合，本发明不再赘述。

应当理解，图中表示气流方向的箭头的个数仅仅是示例性的，根据实现需要，可以形成任意个数的气体流。

优选的，所述气体折流器为多个，每个气体折流器沿所述壳体高度方向等距设置。气体折流器能够改变气体的流动方向，气体会产生一个反方向的回流，或者方向大致相反(两者小于180°)的斜向回流，当流速一定时，上述回流会产生一个气体往复多次运动的回流区。结合图5所示的一个具体实施例的原理，第一方向气流501在气体折流器530的作用下，受到了阻挡，因此在气流的中心位置产生部分方向完全相反的第一回流502，而在气流的旁边位置，由于受到其他气流的作用力，产生了斜向的第二回流503，第二回流503通过气体折流器，根据气流方向形成向四周分散的小气流504，诸多小气流504统一综合形成与第一方向气流501错位的气流505，完成一次错位，并形成回流区506。

在一些更优选的实施例中，每个气体折流器的距离大致与流速处于正常范围内时产生的回流区所限定的区域相一致，能够使反应器内的回流区数量最大化，即形成回流区的层数最多，同时避免相邻回流区之间的影响。

进一步的，当气体折流器为多个时，将相邻两个气体折流器的流通部相互错位设置，所述错位设置被配置为其中一个气体折流器的每个流通部至少部分遮挡相邻气体折流器上与其对应的流通部。当错位的流通部的数量越多，形成回流区的数量即越多，因此越有利于气体与反应物的充分接触，提高反应效率。

此外，每个气体折流器之间可以设置连接相邻气体折流器的固定棒，防止反应中的阻力使气体折流器产生形变。

为了适应加热反应，所述多相反应装置可以在其外部增加加热罩，加热罩可以采用电加热、油浴加热以及微波加热等。

根据一些具体的实验需要，本装置还可以进一步增加传统反应器、流化床上的可选仪器，例如温度计、压力检测计等，此外本装置还可以设计为耐高压、耐高温以及耐腐蚀等，本发明不再赘述。

优选的，所述装置进一步包括：气体分散器，位于所述壳体靠近其底部方向的端部位置，用于将所述第一方向气流分散为若干连续流体，或者形成为若干气泡流。

气体分散器将第一方向气流分散为多个小气流，或者多个气泡流，使得气体在反应体系中分散均匀，有利于相间气液、气固的充分接触，提高反应效率。

可选的，形成气流的气体包括与反应物反应的反应气，或与反应物不反应的非反应气。例如，在一个具体的实施例中，气体可以为参与催化反应的氨气，或者不参与催化反应的惰性气体，如Ar(氩气)等。当反应物为反应气时，本装置能够增大气相与液相、固相之间的接触面积和停留时间，提高反应效率，当气体为非反应气时，本装置能够代替搅拌，提高反应物之间的混合效果，相当于流化床通过气体扰动进行反应物的混合，并且，该装置还能够用于气相体系的快速混合，例如对于气-气反应，本装置同样能够代替搅拌实现反应气体之间的快速混合，即本装置可用于气-液、气-固、液-固、液-液、固体颗粒-固体颗粒、气-气、气-液-固等等所有能够用于传统搅拌反应器以及流化床的反应。当然，本发明所述的固相最好为纳米或者微米级的颗粒状固体，该些颗粒能够被气体的扰动所带动，例如参与反应的颗粒尺寸在5纳米-1000微米之间。

下面以图6中示出的错位为位置相错，但方向不变为例，如图6和图7所示，在一些具体的实施例中，气体导向器包括：设置于沿所述壳体61高度方向的轴线上的中空轴64、与所述中空轴64远离所述壳体61底部方向的端部结合固定的转动器65以及结合固定在所述中空轴64靠近所述转动器65一端的端部侧壁上的涡轮62；所述涡轮62包括结合固定在所述中空轴64侧壁上的叶片63，所述转动器65驱动所述涡轮62，使所述叶片63转动；所述中空轴64靠近所述壳体61底部方向的端部表面设置有贯通的第一孔道，所述中空轴64固定所述叶片的侧壁上具有通道，所述壳体61内的气体在所述叶片63转动下通过所述通道进入所述中空轴64，并向下运动形成所述第二方向气流。

在本实施例中，转动器65能够带动中空轴64转动，从而使得固定在中空轴64上的叶片63转动，从而将壳体61上方的气体压入中空轴64内，并驱动气体向中空轴64底部运动，形成第二方向气流，由中空轴64底部的孔道向上运动的气体形成第一方向气流。为了说明本发明的气体导向器，在一些可选的实施例中，气体导向器还可以是类似于空气压缩机的结构，或者在壳体内部设置气泵，本发明不限于此。

可选的，转动器65可以为驱动电机、磁力驱动电机等。

同样，进一步的，请继续参见图6所示，在一些优选的实施例中，本装置包括固定于所述中空轴64靠近所述壳体61底部的端部侧壁上的气体分散器67，其中，该气体分散器67为与所述中空轴64同轴设置的圆盘结构，所述气体分散器67上包括若干贯通的第二孔道。显然，通过第二孔道，该气体分散器67能够将第一方向气流分散为若干连续的气体流或者若干气泡流，其关键因素在于第一方向气流的流速，本发明不再赘述。

在本发明的另一些优选的实施例中，气体分散器还可以与所述壳体靠近其底部方向的端部侧壁结合固定，即气体分散器可以固定于中空轴上，也可以固定于壳体上，其必然的条件仅仅为中空轴的底部设置于气体分散器的下方位置，使得中空轴底部溢出的气流分散为气体流或者气泡流。

当然，更进一步的，在一个实施例中，本装置可以仅仅包括气体导向器和气体折流器，气体折流器为多个，其中，最低位置的一个气体折流器设置于中空轴的底部上方，因此，该气体折流器起到了气体分散器的作用，可以节约本装置的制作工艺，使气体折流器和气体分散器在同一工艺中形成。

此外，在一个具体实施例中，请再次参见图6，所述气体折流器66包括位于同一平面的若干流通部661和若干隔挡部662，若干隔挡部662阻挡所述第一方向气流运动，使该第一方向气流流向所述隔挡部662周边的流通部661，形成错位的气流，所述气流包括若干连续的气体流或者若干气泡流；所述气体折流器66为圆盘结构，该圆盘的侧壁与所述壳体内侧壁结合固定，所述流通部661为所述气体折流器66上设置的贯通的第三孔道。圆盘结构一方面结构简单，制作成本低，另一方面，圆盘结构具有显著的格挡作用，能够减小气体从圆盘周边溢出的气量。

优选的，该圆盘结构为表面粗糙的圆盘或者波浪形圆盘，图7示出表面粗糙的圆盘，图8示出波浪形圆盘，在该优选的实施例中，当反应需要搅拌时，或者需要进一步加强混合效果时，表面粗糙或者波浪形的圆盘结构能够产生水平方向的阻挡，进而使液体、气体或者固体颗粒具有水平方向转动的受力，从而产生转动，进一步加强了反应物之间的混合，提高了反应效率。尤其在固体颗粒的反应体系中，使得固体颗粒不会沉积于壳体底部而影响固体颗粒与反应物接触。

第一孔道一般较大，其甚至可以为贯穿整个中空轴的底部表面形成，第二孔道和第三孔道大小可以相同，也可以不同，本发明不限于此，比如在一个具体实施例中，第一孔道的直径为4mm，第二和第三孔道的直径为1mm，更优选的，气体分散器的小孔可以将气体分散为微米或者纳米尺寸的小气泡，此外，该些孔道可以为圆形、椭圆形、长方形或者其他可能的形状及上述任意两种及以上的组合，甚至可以为与中空轴同心设置的环形、跑道型等。

本发明第二方面提供一种多相反应系统，如图9所示出的一个具体的实施例，其为一种催化加氢多相反应系统，包括氢气和氮气混合气源700以及本多相反应装置710，该系统根据具体的催化加氢需要，还设置有减压阀701，废气处理器703，气体缓存罐704，球阀702，其中氢气,为反应气体，氮气起保压和稀释氢气的作用，不参与反应；将混合气通过第一气体接口714接入多相反应装置710中，多相反应装置710内放置乙醇溶液、肉桂醛以及纳米镍粉颗粒，纳米镍粉颗粒的尺寸的平均粒径为60nm，保持压力为2Mpa，在多相反应装置710内部，氢气和氮气的混合气形成循环气体，并形成折流，该折流一方面使得反应环境中的纳米镍粉跟随气流方向持续往复运动，因此不会在反应的初期沉积在多相反应装置的底部区域，此外，折流的氢气使得其与液相的肉桂醛、乙醇以及固相的纳米镍粉的接触面积增大，从而提高了反应效率。

应当理解，本方面提供的实施例为如上所述的“外循环”多相反应系统，但通过阅读上文即可知晓。本发明的装置同样可以用于“内循环”多相反应系统，在此不再举例。

当然，本方面的多相反应系统，不仅仅局限于上述反应，凡是可以在传统搅拌反应器、流化床甚至是微反应器等中反应的反应体系，均为本方面的多相反应系统，进一步的，本方面的多相反应系统能够更好地应对气-液-固三相反应，以及纳米、微米催化剂或者颗粒参与反应的反应体系。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列器件、装置或系统没有限定于已列出的器件，而是可选地还包括没有列出的器件，或可选地还包括对于这些装置或系统固有的器件、部件，例如本发明中的装置，一般还可以包括进液口，气体收集器等等。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种多相反应装置，其特征在于，包括：

具有容纳腔的壳体；以及

气体折流器，固定于所述壳体内部，使沿所述壳体高度方向，向远离所述壳体底部方向运动的第一方向气流产生多次错位；

所述气体折流器包括位于同一平面的若干流通部和若干隔挡部，若干隔挡部阻挡所述第一方向气流运动，使该第一方向气流流向隔挡部周边的流通部，形成错位的气流，所述气流包括若干连续的气体流或者若干气泡流；

所述气体折流器为多个；

每个气体折流器沿所述壳体高度方向等距设置，相邻两个气体折流器的流通部相互错位设置，所述错位设置被配置为其中一个气体折流器的每个流通部至少部分遮挡相邻气体折流器上与其对应的流通部；

所述装置进一步包括：

气体导向器，在所述壳体内形成沿所述壳体高度方向，向靠近所述壳体底部方向运动的第二方向气流；

所述气体导向器包括：

设置于沿所述壳体高度方向的轴线上的中空轴、与所述中空轴远离所述壳体底部方向的端部结合固定的转动器以及结合固定在所述中空轴靠近所述转动器一端的端部侧壁上的涡轮；

所述涡轮包括结合固定在所述中空轴侧壁上的叶片，所述转动器驱动所述涡轮，使所述叶片转动；

所述中空轴靠近所述壳体底部方向的端部表面设置有贯通的第一孔道，所述中空轴固定所述叶片的侧壁上具有通道，所述壳体内的气体在所述叶片转动下通过所述通道进入所述中空轴，并向下运动形成所述第二方向气流。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置进一步包括：

气体分散器，位于所述壳体靠近其底部方向的端部位置，用于将所述第一方向气流分散为若干连续流体，或者形成为若干气泡流。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置进一步包括：

气体分散器，固定于所述中空轴靠近所述壳体底部的端部侧壁上，用于将所述第一方向气流分散为若干连续的气体流，或者形成为若干气泡流；

其中，该气体分散器为与所述中空轴同轴设置的圆盘结构，所述气体分散器上包括若干贯通的第二孔道。

4.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述气体分散器与所述壳体靠近其底部方向的端部侧壁结合固定；

其中，该气体分散器为与沿所述壳体高度方向的轴线同轴设置的圆盘结构，所述气体分散器上包括若干贯通的第二孔道。

5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述气体折流器为圆盘结构，该圆盘的侧壁与所述壳体内侧壁结合固定，所述流通部为所述气体折流器上设置的贯通的第三孔道。

6.一种多相反应系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述装置。

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