CN110090613B - 一种大流量高效多相反应器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大流量高效多相反应器及其应用。所述多相反应器的动盘同轴间隔设于定盘上部，动盘的底部与定盘的顶部形成间隙混合反应室，动盘近中心轴的盘面设有多个连通底部的通气/液孔，动盘上部设有密闭的顶盖，风/液管穿过顶盖的底部与通气/液孔连通，出气/液管、进气/液管分设于顶盖顶部或侧部，定盘近中心轴的盘面设有多个连通顶面的进液孔并与进液管连通，出液管设于定盘的底部并与定盘外缘侧形成的导流槽连通，动盘通过中心轴与驱动装置的驱动端连接。所述应用包括气‑液或液‑液两相以及气‑液‑液、气‑液‑固或液‑液‑固多相的混合。本发明具有处理量大、传质和传热速率高、可用于两相及多相的混合、可控制反应条件的特点。
Description
技术领域
本发明属于化工设备技术领域，具体涉及一种处理量大、传质和传热速率高、可用于两相及多相、可控制反应条件的大流量高效多相反应器及其应用。
背景技术
在冶金、化学、化工、石化、医药和食品等众多领域，大多数化学反应都涉及气液或液液多相混合传质，特别是各大钢铁厂、有色金属冶炼厂、火电厂和化工厂等产业的废气废水处理，由于产量大处理难导致很多行业达不到国家排放标准。承需一种处理量大、效率高和能耗低的设备。在化学反应过程中，只有提高反应物间的传热和传质速率，才能提高化学反应速率。
传统的化学反应设备有填充塔、板式塔、喷淋塔、固定床和反应釜等，但是存在以下问题：1、两相接触时间短、传质距离长，难以达到反应平衡；2、两相接触表面更新不够；3、设备庞大，投资大，运行成本高。
现有技术中，也有通过超重力设备和旋转填充床设备使填料高速旋转的力量来切割液滴或气泡，形成液丝和液膜，起到增加两相接触面积和两相界面不断更新的目的，从而可强化了传质效果。但超重力设备和旋转填充床设备技术也存在两相接触时间短、旋转速度很高而造成能耗高的难题。
当然，发明人为了解决上述传质过程的缺陷，也研究出了CN106111047及CN106111037两种单项及多项传真盘或反应装置，虽然有效提高了混合轻度和传质效率，但也存在着诸如由于传质盘进液口靠近轴的附近，造成空间小，进液和进气孔数量较少，处理量难以扩大；此外，由于结构限制，造成传质盘较小，处理量增大后就会造成接触时间变短的问题。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种处理量大、传质和传热速率高、可用于两相及多相、可控制反应条件的大流量高效多相反应器，第二目的在于提供一种大流量高效多相反应器的应用。
本发明的第一目的是这样实现的：包括出气/液管、进气/液管、风/液管、顶盖、动盘、定盘、进液管、出液管，所述动盘同轴间隔设置于定盘上部，所述动盘的底部与定盘的顶部形成间隙混合反应室，所述动盘近中心轴的盘面设置有多个连通底部的通气/液孔，所述动盘的上部设置有密闭的顶盖，所述风/液管穿过顶盖的底部与通气/液孔连通，所述出气/液管、进气/液管分别设置于顶盖的顶部或侧部，所述定盘近中心轴的盘面设置有多个连通顶面的进液孔并与进液管连通，所述出液管设置于定盘的底部并与定盘外缘侧形成导流槽连通，所述动盘通过中心轴与驱动装置的驱动端连接。
本发明的第二目的是这样实现的：包括用于气-液或液-液两相的混合，以及气-液-液、气-液-固或液-液-固多相的混合。
本发明的有益效果：
1、本发明利用转动的动盘高速旋转与固定的定盘所相对产生的剪切、破碎作用，将进入混合反应室的液相和/或固相切割成微米级物理尺寸的微滴，从而高效扩大使两相接触的比表面积，且两相微滴在两盘之间的运动轨迹由环形内侧向外侧呈渐开螺旋线状移动，不仅可以强化两相或多相微滴混合和表面更新，而且通过两盘之间的相对运动使得混合反应室内的物料流会在其中发生打旋形成湍流，延长了物料之间接触的反应时间，从而大大提高了传质和传热速率，增强了反应速率。
2、本发明根据需要可设置一个或多个进液管及对应的进液孔，从而不仅能处理气-液或液-液两相，也能处理气-液-液、气-液-固或液-液-固多相，具有应用领域广的优点。
3、本发明可根据不同的化学反应条件，通过调节各项物料进入混合反应室的流量、动盘的转速、动盘与定盘之间的间距，从而可控制反应物的混合强度、混合时间、反应温度，从而具有较强的适应能力。
4、本发明混合反应后的生成物液相通过动盘高速旋转呈渐开螺旋线状移动到定盘的边缘，随重力自定盘外缘流下进入导流槽并自出液管自然流出，而气相从动盘顶部的出气/液管自然排出，并不需要额外的动力，因此整体能耗较低。
5、本发明可根据处理量，通过增加动盘内的通气/液孔、定盘内的进液孔及排液孔的通道数量，调整动盘与定盘之间的混合反应室距离和动盘的转速，以及扩大动盘及定盘的直径，都可以有效提高处理量，处理量的适应弹性较高。
附图说明
图1为本发明之结构原理示意图；
图2为图1之轴测图；
图3为图1之动盘与定盘配合结构示意图
图4为图3之动盘的盘面方向三维剖切结构示意图；
图5为图3之动盘的背面方向三维剖切结构示意图；
图6为图3之定盘三维剖切结构示意图；
图中：1-出气/液管，2-进气/液管，3-风/液管，4-顶盖，5-动盘，501-通气/液孔，502-环形凹槽，503-气相缓冲室，504-筋板Ⅰ，6-定盘，601-进液孔，602--导流沟，603-导流槽，604-筋板Ⅱ，7-进液管，8-出液管，9-轴承座、10-传动机构，11-电机，12-机架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
如图1至图6所示，本发明之大流量高效多相反应器包括出气/液管1、进气/液管2、风/液管3、顶盖4、动盘5、定盘6、进液管7、出液管8，所述动盘5同轴间隔设置于定盘6上部，所述动盘5的底部与定盘6的顶部形成间隙混合反应室，所述动盘5近中心轴的盘面设置有多个连通底部的通气/液孔501，所述动盘5的上部设置有密闭的顶盖4，所述风/液管3穿过顶盖4的底部与通气/液孔501连通，所述出气/液管1、进气/液管2分别设置于顶盖4的顶部或侧部，所述定盘6近中心轴的盘面设置有多个连通顶面的进液孔601并与进液管7连通，所述出液管8设置于定盘6的底部并与定盘6外缘侧形成导流槽603连通，所述动盘5通过中心轴与驱动装置的驱动端连接。
所述定盘6的上表面设置有至少两层绕中心轴且每层多个均匀分布的导流筋或导流沟602，所述动盘5的下表面近中心轴处设置有多层的环形凹槽502。
所述环形凹槽502的深度为40.5~8.0mm且外倾角为40~80°，相邻各层凹槽的间距为5~30mm。
所述定盘6绕中心轴设置有至少一层且每层多个均匀分布的进液孔601，所述动盘5绕中心轴设置有至少一层且每层多个均匀分布的通气/液孔501。
所述定盘6上的导流筋或导流沟602为直条形或抛物线形结构，所述定盘6上的直条形导流筋或导流沟602为直轮辐形或倾斜轮辐形分布。
所述动盘5的盘面上部设置有绕中心轴且密闭的气相缓冲室503，所述风/液管3与气相缓冲室503连通，所述通气/液孔501设置于气相缓冲室503内的动盘5盘面。
所述动盘5的盘面在气相缓冲室503外设置有多个连通出气/液管1的排气孔。
所述动盘5与定盘6之间的混合反应室间距为0.5～10mm，所述通气/液孔501和/或进液孔601的直径为0.2～10mm。
所述定盘6绕中心轴均布设置有至少两组相互独立的进液孔601并与对应的不同进液管7连通，所述进液孔601均布对应于动盘5盘面直径的1/3处。
所述动盘5的转速为50～5000r/min，所述的动盘5和/或定盘6的直径为300～10000mm。
所述动盘5的上表面近边缘的一侧设置有平衡调节孔，所述平衡调节孔中镶嵌或螺钉紧固有平衡调节块。
本发明之大流量高效多相反应器的应用，包括用于气-液或液-液两相的混合，以及气-液-液、气-液-固或液-液-固多相的混合。
所述驱动装置包括电机11、传动机构10，所述电机的驱动轴与传动机构10的输入轴连接，所述传动机构10的输出轴与动盘5的中心轴连接。
所述传动机构10为锥齿轮传动机构或涡轮蜗杆传动机构。
本发明工作原理：
本发明利用转动的动盘高速旋转与固定的定盘所相对产生的剪切、破碎作用，将进入混合反应室的液相和/或固相切割成微米级物理尺寸的微滴，从而高效扩大使两相接触的比表面积，且两相微滴在两盘之间的运动轨迹由环形内侧向外侧呈渐开螺旋线状移动，不仅可以强化两相或多相微滴混合和表面更新，而且通过两盘之间的相对运动使得混合反应室内的物料流会在其中发生打旋形成湍流，延长了物料之间接触的反应时间，从而大大提高了传质和传热速率，增强了反应速率；根据需要可设置一个或多个进液管及对应的进液孔，从而不仅能处理气-液或液-液两相，也能处理气-液-液、气-液-固或液-液-固多相，具有应用领域广的优点；可根据不同的化学反应条件，通过调节各项物料进入混合反应室的流量、动盘的转速、动盘与定盘之间的间距，从而可控制反应物的混合强度、混合时间、反应温度，从而具有较强的适应能力；本发明混合反应后的生成物液相通过动盘高速旋转呈渐开螺旋线状移动到定盘的边缘，特别是气相混合反应，液相自定盘底部的进液管进入与从上部动盘进入的气相混合反应，混合完的流体从两盘之间的间隙最外缘流下进入导流槽，之后气相向上从动盘顶部的出气/液管自然流出反应器，而液相则随重力自导流槽及出液管自然流出反应器，从而实现气液相分离，分离机流出过程并不需要额外的动力，因此整体能耗较低；可根据处理量，通过增加动盘内的通气/液孔、定盘内的进液孔及排液孔的通道数量，调整动盘与定盘之间的混合反应室距离和动盘的转速，以及扩大动盘及定盘的直径，都可以有效提高处理量，处理量的适应弹性较高。进一步，定盘的上表面设置有至少两层绕中心轴且每层多个均匀分布的导流筋或导流沟，解决了因动盘的离心力造成微滴向外滑动而出现短路的无效流动问题；而且导流沟或导流筋能够配合动盘将微滴切割成为尺寸极小的液滴，使得微滴比表面积急剧增大，进而大大加强混合强度和传质速率，增强反应速率。进一步，动盘的下表面近中心轴处设置有多层环形凹槽，通过多层环形凹槽可以使剪切、破碎的微滴形成湍流，从而有效延长各项之间接触的反应时间。更进一步，定盘绕中心轴设置有至少一层且每层多个均匀分布的进液孔，动盘绕中心轴设置有至少一层且每层多个均匀分布的通气/液孔，通过多层及多个均布的物料通孔，可以根据需要有效增加反应项的进出量，从而有效提高整体的处理量。进一步，动盘的盘面上部设置有绕中心轴且密闭的气相缓冲室，通过气相缓冲室可以有效缓冲进气/液管的气流量波动及混合反应室内的压力变化，从而使混合反应室的反应平稳舒缓，以提高混合反应产物的质量。更进一步，动盘的上表面近边缘的一侧设置有平衡调节孔且镶嵌或螺钉紧固有平衡调节块，通过平衡调节块可有效调节动盘的动平衡，而且也能提高混合反应室内的稳定性，从而提高混合反应物的批次均匀性。综上所述，本发明具有处理量大、传质和传热速率高、可用于两相及多相、可控制反应条件的特点。
实施例1
动盘和定盘直径为1.5m，采用稀碱液加氧化剂溶液体系，开展了其后端低浓度NOx的单级溶液吸收实验，处理气量达到3500m3/h，在气液体积比高达50:1的条件下，研究结果发现可将浓度为457.9ppm的NOx（其中NO2151.6ppm、NO 306.3ppm）降低到58.1ppm（其中NO252.9ppm、NO 5.2ppm）。取得了很好的效果。测试结果发现，吸收NOx装置吸收低浓度NOx的效率可达87.31%。
实施例2
动盘和定盘直径为2m，采用尿素溶液，开展贵金属溶解工序中产生的氮氧化物吸收实验，后端低浓度NOx的单级溶液吸收实验，处理气量达到9800m3/h，在气液体积比高达30:1的条件下，研究结果发现可将浓度为500.6ppm的NOx（其中NO2142.6ppm、NO 358.0ppm）降低到50.1ppm（其中NO235.0ppm、NO 15.1ppm）。取得了很好的效果。测试结果发现，吸收NOx装置吸收低浓度NOx的效率可达89.99%。
实施例3
动盘和定盘直径为1.5m，采用稀碱液加氧化剂溶液体系，开展了其后端低浓度NOx的单级溶液吸收实验，处理气量达到5600m3/h，在气液体积比高达40:1的条件下，研究结果发现可将浓度为481.5ppm的NOx（其中NO2126.4ppm、NO 355.1ppm）降低到47.8ppm（其中NO243.4ppm、NO 4.4ppm）。取得了很好的效果。测试结果发现，吸收NOx装置吸收低浓度NOx的效率可达90.07%。
实施例4
动盘和定盘直径为2m，采用稀碱液加臭氧溶液，开展了贵金属溶解工序中产生的氮氧化物吸收实验，后端低浓度NOx的单级溶液吸收实验，处理气量达到9800m3/h，在气液体积比高达60:1的条件下，研究结果发现可将浓度为472.9ppm的NOx（其中NO2143.1ppm、NO329.8ppm）降低到55.3ppm（其中NO240.6ppm、NO 14.7ppm）。取得了很好的效果。测试结果发现，吸收NOx装置吸收低浓度NOx的效率可达88.31%。
Claims (10)
1.一种大流量高效多相反应器，其特征在于，包括出气/液管（1）、进气/液管（2）、风/液管（3）、顶盖（4）、动盘（5）、定盘（6）、进液管（7）、出液管（8），所述动盘（5）同轴间隔设置于定盘（6）上部，所述动盘（5）的底部与定盘（6）的顶部形成间隙混合反应室，所述动盘（5）近中心轴的盘面设置有多个连通底部的通气/液孔（501），所述动盘（5）的上部设置有密闭的顶盖（4），所述风/液管（3）穿过顶盖（4）的底部与通气/液孔（501）连通，所述出气/液管（1）、进气/液管（2）分别设置于顶盖（4）的顶部或侧部，所述定盘（6）近中心轴的盘面设置有多个连通顶面的进液孔（601）并与进液管（7）连通，所述出液管（8）设置于定盘（6）的底部并与定盘（6）外缘侧形成导流槽（603）连通，所述动盘（5）通过中心轴与驱动装置的驱动端连接，所述驱动装置包括电机（11）、传动机构（10），电机的驱动轴连接传动机构（10）的输入轴，传动机构（10）的输出轴与动盘（5）的中心轴连接。
2.根据权利要求1所述大流量高效多相反应器，其特征在于，所述定盘（6）的上表面设置有至少两层绕中心轴且每层多个均匀分布的导流筋或导流沟（602），所述动盘（5）的下表面近中心轴处设置有多层的环形凹槽（502）。
3.根据权利要求2所述大流量高效多相反应器，其特征在于，所述定盘（6）绕中心轴设置有至少一层且每层多个均匀分布的进液孔（601），所述动盘（5）绕中心轴设置有至少一层且每层多个均匀分布的通气/液孔（501）。
4.根据权利要求3所述大流量高效多相反应器，其特征在于，所述定盘（6）上的导流筋或导流沟（602）为直条形或抛物线形结构，所述定盘（6）上的直条形导流筋或导流沟（602）为直轮辐形或倾斜轮辐形分布。
5.根据权利要求3所述大流量高效多相反应器，其特征在于，所述动盘（5）的盘面上部设置有绕中心轴且密闭的气相缓冲室（503），所述风/液管（3）与气相缓冲室（503）连通，所述通气/液孔（501）设置于气相缓冲室（503）内的动盘（5）盘面。
6.根据权利要求3、4或5所述大流量高效多相反应器，其特征在于，所述动盘（5）与定盘（6）之间的混合反应室间距为0.5~10mm，所述通气/液孔（501）和/或进液孔（601）的直径为0.2~10mm。
7.根据权利要求6所述大流量高效多相反应器，其特征在于，所述定盘（6）绕中心轴均布设置有至少两组相互独立的进液孔（601）并与对应的不同进液管（7）连通，所述进液孔（601）均布对应于动盘（5）盘面直径的1/3处。
8.根据权利要求6所述大流量高效多相反应器，其特征在于，所述动盘（5）的转速为50~5000r/min，所述的动盘（5）和/或定盘（6）的直径为300~10000mm。
9.根据权利要求6所述大流量高效多相反应器，其特征在于，所述动盘（5）的上表面近边缘的一侧设置有平衡调节孔，所述平衡调节孔中镶嵌或螺钉紧固有平衡调节块。
10.一种权利要求1至9任意一项所述大流量高效多相反应器的应用，包括用于气-液或液-液两相的混合，以及气-液-液、气-液-固或液-液-固多相的混合。
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2019
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