CN114890532B - 一种螺旋套管反应器及微通道湿式氧化系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业废水处理技术领域，具体涉及一种螺旋套管反应器及微通道湿式氧化系统，螺旋套管反应器包括：内管为至少一根拧成麻花螺旋状的管，以在外周形成螺旋沟槽；外管套在内管外，外管内壁与螺旋沟槽间形成空腔;微通道湿式氧化系统包括：进料单元和反应单元；反应单元与进料单元连接；反应单元包括：微通道反应器组，一端与进料单元连接；螺旋套管反应器与微通道反应器组的另一端连接。本申请方案提高内管与空腔流体的传热系数，增强传质的效果；强化换热和反应物质的混合效果，提升反应速率，缩短反应时间；反应单元具有耐高温和耐高压性能；不仅强化气液混合及传质效果，减少反应时间，而且减小反应器容积，降低投资并减少占地面积。

Description

一种螺旋套管反应器及微通道湿式氧化系统

技术领域

本发明涉及工业废水处理技术领域，具体涉及一种螺旋套管反应器及微通道湿式氧化系统。

背景技术

工业废水是指工业生产过程中产生的废水、污水和废液，其中含有随水流失的工业生产用料、中间产物、产品以及生产过程中产生的污染物等。工业废水主要来源于化工、医药、纺织和造纸等行业。

工业废水的成分复杂。现阶段对于高浓度难降解的工业废水，普遍采用焚烧或湿式氧化处理工艺。焚烧处理工艺的流程相对简单，一般是在高温条件下，将有机物燃烧分解，但易造成二次污染，需继续配合后续处理工序，方可达标排放，并且运行成本较高。湿式氧化处理工艺，一般是在高温高压的条件下，例如在200~300℃和3~10MPa的条件下，以空气或氧气为氧化剂，将有机物降解为CO₂和H₂O，具有适用范围广、无二次污染、处理效率高和运行成本低的优点。近年来，采用湿式氧化处理高浓度工业废水的工艺得到市场的广泛认可，尤其是在化工、染料、医药和农药等行业内，已有许多施行的案例。

但是，现有的工业化湿式氧化装置，使用空压机或增压机将空气或氧气输送至塔式反应器；工业废水经高压泵输送至预热器预热，再输送至塔式反应器，塔式反应器内的温度提升缓慢，预热工序时间长；工业废水与氧气或空气在塔式反应器内混合，反应时间约1~2h，气液混合的效果差，氧化效率低。而且，塔式反应器具有较大的容积，气液混合物的换热效率低，换热器的换热面积大，总体的占地面积大。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中湿式氧化处理工艺中采用的塔式反应器体积大、反应和换热效率低的缺陷，基于以上情况，开发一种体积小、反应和换热效率高的反应器十分必要。

为了实现上述目的，本发明提供一种螺旋套管反应器，包括：

内管，为至少一根拧成麻花螺旋状的管，以在内管的外周形成螺旋沟槽；

外管，套设在所述内管外，所述外管的内壁与所述螺旋沟槽之间形成空腔。

可选地，还包括：

第一进管，与所述内管的一端连通，以通入工业废水和气体的混合物；

第一出管，与所述内管的另一端连通，以排出工业废水和气体的混合物；

第二进管，与所述空腔的一端连通，以通入热液；

第二出管，与所述空腔的另一端连通，以排出热液。

本发明还提供一种微通道湿式氧化系统，包括：

进料单元，以调控待处理的工业废水和气体；

反应单元，与所述进料单元连接，以进行氧化反应；

所述反应单元包括：

微通道反应器组，一端与进料单元连接，包括多个串联的微通道反应器；

所述的螺旋套管反应器，与所述微通道反应器组的另一端连接。

可选地，所述微通道反应器组包括：串联的第一组微通道反应器和第二组微通道反应器；

在所述第一组微通道反应器和第二组微通道反应器上均设有换热组件；

所述第一组微通道反应器内的温度范围为160~190℃；

所述第二组微通道反应器内的温度范围为190~250℃；

所述螺旋套管反应器内的温度范围为190~250℃。

可选地，还包括：

预热控温单元，与所述反应单元连接，以加热所述反应单元；

所述预热控温单元包括：

热液装置，用于储存热液；

三个温度传感器，分别设置在第一组微通道反应器、第二组微通道反应器和螺旋套管反应器上，以测量温度；

第三调节阀、第四调节阀和第五调节阀，分别设置在热液装置与第一组微通道反应器的换热组件、第二组微通道反应器的换热组件以及螺旋套管反应器的空腔之间；

控制器，与三个温度传感器、第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀均连接，以将温度传感器测定的温度与设定温度比较，调节第三调节阀、第四调节阀和第五调节阀的开度，调节热液的通量，进而控制第一组微通道反应器、第二组微通道反应器和螺旋套管反应器内的温度保持设定温度。

可选地，还包括：

能量回用单元；

所述能量回用单元包括：

微通道换热器，一端与所述螺旋套管反应器的内管连接；

气液分离罐，与所述微通道换热器的另一端连接，以将处理后的工业废水和气体的混合物分离后排出。

可选地，所述预热控温单元还包括：

三个温度显示器件，分别与三个温度传感器连接，以显示温度。

可选地，所述进料单元包括：

压缩机，一端通入气体；

气体缓冲罐，一端连接压缩机的另一端，另一端连接反应单元；

储液罐，一端通入待处理的工业废水；

高压泵，一端连接储液罐，另一端连接反应单元。

可选地，在所述气体缓冲罐与反应单元之间设有第一流量计和第一调节阀；

在所述高压泵与反应单元之间设有第二流量计和第二调节阀。

可选地，所述高压泵与微通道换热器连接，所述微通道换热器与反应单元连接，以便利用余热加热所述工业废水。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1.本发明提供的螺旋套管反应器，包括：内管，为至少一根拧成麻花螺旋状的管，以在内管的外周形成螺旋沟槽；外管，套设在所述内管外，所述外管的内壁与所述螺旋沟槽之间形成空腔;本申请采用上述技术方案，减小内管与空腔流体之间的温度场梯度矢量与速度矢量的协同角度；增大内管与空腔流体的湍流强度和雷诺数，提高内管与空腔流体的传热系数，增强传质的效果；强化反应物质的换热和混合效果，提升反应速率，缩短反应时间。

2.本发明提供的螺旋套管反应器，还包括：第一进管，与所述内管的一端连通，以通入工业废水和气体的混合物；第一出管，与所述内管的另一端连通，以排出工业废水和气体的混合物；第二进管，与所述空腔的一端连通，以通入热液；第二出管，与所述空腔的另一端连通，以排出热液；本申请采用上述技术方案，内管与空腔之间的流体分别具有独立的流通通道，流体之间仅通过管壁进行高效率换热，易于对不同流通通道内的流体分别进行流通控制。

3.本发明提供的微通道湿式氧化系统，包括：进料单元，以调控待处理的工业废水和气体；反应单元，与所述进料单元连接，以进行氧化反应；所述反应单元包括：微通道反应器组，一端与进料单元连接，包括多个串联的微通道反应器；所述的螺旋套管反应器，与所述微通道反应器组的另一端连接；本申请技术方案的反应单元采用的微通道反应器组和螺旋套管反应器，具有耐高温和耐高压性能；不仅强化了气液混合和传质效果，减少反应时间，而且减小了反应器容积和占地面积，从而降低了投资成本。

4.本发明所述微通道反应器组包括：串联的第一组微通道反应器和第二组微通道反应器；在所述第一组微通道反应器和第二组微通道反应器上均设有换热组件；所述第一组微通道反应器内的温度范围为160~190℃；所述第二组微通道反应器内的温度范围为190~250℃；所述螺旋套管反应器内的温度范围为190~250℃；本申请采用上述技术方案，微通道反应器组设有毫米级通道，强化气液混合和传质的效果，提升反应速率；且微通道反应器组集换热、反应为一体，提高换热效率；反应单元降低反应温度至260℃以下。

5.本发明提供的微通道湿式氧化系统，还包括：预热控温单元，与所述反应单元连接，以加热所述反应单元；所述预热控温单元包括：热液装置，用于储存热液；三个温度传感器，分别设置在第一组微通道反应器、第二组微通道反应器和螺旋套管反应器上，以测量温度；第三调节阀、第四调节阀和第五调节阀，分别设置在热液装置与第一组微通道反应器的换热组件、第二组微通道反应器的换热组件以及螺旋套管反应器的空腔之间；控制器，与三个温度传感器、第三调节阀、第四调节阀、第五调节阀均连接，以将温度传感器测定的温度与设定温度比较，调节第三调节阀、第四调节阀和第五调节阀的开度，调节热液的通量，进而控制第一组微通道反应器、第二组微通道反应器和螺旋套管反应器内的温度保持设定温度；本申请通过分段式温度控制，保证在较高反应速率的条件下，温度参数的调整响应迅速，控温便利准确，且可控性强。

6.本发明提供的微通道湿式氧化系统，还包括：能量回用单元；所述能量回用单元包括：微通道换热器，一端与所述螺旋套管反应器的内管连接；气液分离罐，与所述微通道换热器的另一端连接，以将处理后的工业废水和气体的混合物分离后排出；本申请采用上述技术方案，不仅将处理后的工业废水和气体进行有效地分离，而且利用微通道换热器高效地收集余热，以备继续循环利用。

7.本发明所述预热控温单元还包括：三个温度显示器件，分别与三个温度传感器连接，以显示温度；本申请通过多点实时显示反应温度，增加对各反应器件内温度的监测，防止出现意外。

8.本发明所述进料单元包括：压缩机，一端通入气体；气体缓冲罐，一端连接压缩机的另一端，另一端连接反应单元；储液罐，一端通入待处理的工业废水；高压泵，一端连接储液罐，另一端连接反应单元；本申请采用上述技术方案，提前蓄积待处理的工业废水，可以源源不断地处理工业废水；提前蓄积气体，保障反应单元内具有连续流通的反应介质。

9.本发明在所述气体缓冲罐与反应单元之间设有第一流量计和第一调节阀；在所述高压泵与反应单元之间设有第二流量计和第二调节阀；本申请采用上述技术方案，可以方便地监测和控制流入反应单元的工业废水和气体的流量，控制反应介质的混合比例，提高反应效率。

10.本发明所述高压泵与微通道换热器连接，所述微通道换热器与反应单元连接，以便利用余热加热所述工业废水；本申请技术方案充分利用余热对所述工业废水进行提前预热；节约在反应单元继续加热的热量和时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施方式中提供的螺旋套管反应器的主视结构示意图；

图2为本发明实施方式中提供的螺旋套管反应器的侧视结构示意图；

图3为本发明实施方式中提供的螺旋套管反应器的立体结构示意图；

图4为本发明实施方式中提供的内管的局部结构示意图；

图5为图4中的C-C剖视结构示意图；

图6为本发明实施方式中提供的螺旋套管反应器的剖面结构示意图；

图7为本发明实施方式中提供的螺旋套管反应器的局部立体结构示意图；

图8为本发明实施方式中提供的微通道湿式氧化系统的连接结构示意图。

附图标记说明：

1、微通道反应器组；2、螺旋套管反应器；3、微通道换热器；4、热液装置；5、压缩机；6、气体缓冲罐；7、储液罐；8、气液分离罐；9、高压泵；10、第一流量计；11、第二流量计；12、第一调节阀；13、第二调节阀；14、第三调节阀；15、第四调节阀；16、第五调节阀；17、内管；18、外管；19、第一进管；20、第二进管；21、第一出管；22、第二出管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1至图7所示的螺旋套管反应器的一种具体实施方式，包括：内管17和套设在所述内管17外的外管18。

如图4至图7所示，所述内管17由为一根拧成麻花螺旋状的管，以在内管17的外周形成螺旋沟槽。所述外管18的内壁与所述螺旋沟槽之间形成空腔；具体的，内管17中的管壁厚0.5-2mm，管螺旋缠绕的螺距为20-200mm，螺旋沟槽的数量为2-10，内管17中的管与外管18内壁的间隙为0.5-2.5mm;内管17的材质为：不锈钢、哈氏合金、钛合金、钽和铌等。外管18的材质为：不锈钢、哈氏合金、钛合金、钽和铌等。采用螺旋套管反应器，换热面积增大20%以上，总传热系数取值范围为500-3000W/(㎡·℃)。

如图1至图3所示，在所述内管17上设有第一进管19和第一出管21，具体的，内管17与第一进管19、第一出管21均采用焊接密封；所述第一进管19与所述内管17的一端连通，以通入工业废水和气体的混合物；具体的，所述气体为：空气或氧气；所述第一出管21与所述内管17的另一端连通，以排出工业废水和气体的混合物。在所述外管18上设有第二进管20和第二出管22，具体的，外管18与第二进管20、第二出管22均采用焊接密封；所述第二进管20与所述空腔的一端连通，以通入热液；所述第二出管22与所述空腔的另一端连通，以排出热液；进一步的，将所述螺旋套管反应器盘曲环绕，以便减少螺旋套管反应器的体积，加长反应通道的长度，反应更加充分。

如图8所示的微通道湿式氧化系统的一种具体实施方式，包括：依次连接的进料单元、反应单元和能量回用单元，以及与反应单元连接的预热控温单元。

所述进料单元包括：依次连接的压缩机5、气体缓冲罐6、第一流量计10和第一调节阀12，以及依次连接的储液罐7、高压泵9、第二流量计11和第二调节阀13；具体的，所述第一流量计10为气体流量计，以调控气体的流量；所述第二流量计11为液体流量计，以调控待处理工业废水的流量。在压缩机5中通入气体，在储液罐7中通入待处理的工业废水，可以在储液罐7中对所述工业废水进行调节pH值和过滤。

所述反应单元包括：依次连接的微通道反应器组1和螺旋套管反应器2；所述微通道反应器组1包括串联的第一组微通道反应器和第二组微通道反应器；在所述第一组微通道反应器和第二组微通道反应器上均设有换热组件；所述第一组微通道反应器内的温度范围为160~190℃；所述第二组微通道反应器内的温度范围为190~250℃；所述螺旋套管反应器2内的温度范围为190~250℃。在螺旋套管反应器2内的反应时间减少至5~15min。具体的，所述第一组微通道反应器包括：第一微通道反应器，起到预热混合和引发反应的作用；所述第二组微通道反应器包括：第二微通道反应器、第三微通道反应器和第四微通道反应器；第二组微通道反应器起到强化混合反应的作用。微通道反应器可以采用专利公开号为CN111957279A的专利中的微通道反应器。

所述预热控温单元包括：储存热液的热液装置4，分别设置在第一组微通道反应器、第二组微通道反应器和螺旋套管反应器2上的三个温度传感器，分别设置在热液装置4与第一组微通道反应器的换热组件、第二组微通道反应器的换热组件以及螺旋套管反应器2的空腔之间的第三调节阀14、第四调节阀15和第五调节阀16，以及与三个温度传感器、第三调节阀14、第四调节阀15、第五调节阀16均连接的控制器。所述控制器将温度传感器测定的温度与设定温度比较，调节第三调节阀14、第四调节阀15和第五调节阀16的开度，调节热液的通量，进而控制第一组微通道反应器、第二组微通道反应器和螺旋套管反应器2内的温度保持设定温度；具体的，所述热液包括：导热油。

所述能量回用单元包括：依次连接的微通道换热器3和气液分离罐8；所述微通道换热器3的一端与所述螺旋套管反应器2的内管17连接；所述气液分离罐8将处理后的工业废水和气体的混合物分离后排出；具体的，气液分离罐8的上部排出气体，气液分离罐8的底部排出液体。进一步的，所述高压泵9与微通道换热器3连接，所述微通道换热器3与反应单元连接，以便利用余热加热所述工业废水。也可以在所述微通道换热器3中备用通道通入冷却水，以富余热加热冷却水，产生热蒸汽，充分利用热量，节约能源。

本申请所述微通道湿式氧化系统的工作过程简述如下：气体依次经压缩机5、气体缓冲罐6、第一流量计10和第一调节阀12，进入反应单元；待处理的工业废水依次经储液罐7、高压泵9、第二流量计11和第二调节阀13，进入反应单元。气体与待处理工业废水在反应单元中充分混合反应，依次在微通道反应器组1和螺旋套管反应器2进行反应，在反应的同时，预热控温单元保持反应单元各分段内的温度；反应后的气体与工业废水经过微通道换热器3和气液分离罐8排出。微通道换热器3中的余热可以再次利用，用于预热工业废水，或富余热量将冷却水加热为蒸汽。

经过试验，本申请所述微通道湿式氧化系统与现有塔式湿式氧化反应系统比较结果如表1所示。

表1 微通道湿式氧化系统与现有塔式湿式氧化反应系统比较结果表

由上表可知，在同样反应温度和反应压力下，本申请所述微通道湿式氧化系统与现有塔式湿式氧化反应系统相比，反应时间缩短，COD去除率和热利用率大大提高，且占地面积大大缩小。

经过试验，本申请所述微通道湿式氧化系统与仅使用微通道反应器的系统、以及微通道反应器与普通盘管反应器组合的系统的比较结果如表2所示。

表2 微通道湿式氧化系统与仅使用微通道反应器的系统、以及微通道反应器与普通盘管反应器组合的系统的比较结果表

由上表可知，在同样反应温度和反应压力下，采用微通道反应器与普通盘管反应器组合的系统，延长反应时间，COD去除率有所提升，但继续增长反应时间，效果提升不明显；进一步采用本申请集成有螺旋套管反应器的微通道湿式氧化系统，反应时间缩短，COD去除率明显提升，主要是由于螺旋套管反应器的内部螺旋结构，进一步强化混合，提升反应效率，在10~15min的反应时间内，即可有较高的COD去除率。

作为替代的实施方式，根据需要将导热油替换为硅油或合成油等。

作为替代的实施方式，微通道换热器3的余热也可以对所述进料单元气体进行提前预热。

作为替代的实施方式，内管17由多根管螺旋缠绕而成。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种微通道湿式氧化系统，其特征在于，包括：

进料单元，以调控待处理的工业废水和气体；

反应单元，与所述进料单元连接，以进行氧化反应；

所述反应单元包括：

微通道反应器组（1），一端与进料单元连接，包括多个串联的微通道反应器；

螺旋套管反应器（2），与所述微通道反应器组（1）的另一端连接；

所述微通道反应器组（1）包括：串联的第一组微通道反应器和第二组微通道反应器；

在所述第一组微通道反应器和第二组微通道反应器上均设有换热组件；

所述第一组微通道反应器内的温度范围为160~190℃；

所述第二组微通道反应器内的温度范围为190~250℃；

所述螺旋套管反应器（2）内的温度范围为190~250℃；

所述螺旋套管反应器（2）包括：

内管（17），为至少一根拧成麻花螺旋状的管，以在内管（17）的外周形成螺旋沟槽；

外管（18），套设在所述内管（17）外，所述外管（18）的内壁与所述螺旋沟槽之间形成空腔；

第一进管（19），与所述内管（17）的一端连通，以通入工业废水和气体的混合物；

第一出管（21），与所述内管（17）的另一端连通，以排出工业废水和气体的混合物；

第二进管（20），与所述空腔的一端连通，以通入热液；

第二出管（22），与所述空腔的另一端连通，以排出热液。

2.根据权利要求1所述的微通道湿式氧化系统，其特征在于，还包括：

预热控温单元，与所述反应单元连接，以加热所述反应单元；

所述预热控温单元包括：

热液装置（4），用于储存热液；

三个温度传感器，分别设置在第一组微通道反应器、第二组微通道反应器和螺旋套管反应器（2）上，以测量温度；

第三调节阀（14）、第四调节阀（15）和第五调节阀（16），分别设置在热液装置（4）与第一组微通道反应器的换热组件、第二组微通道反应器的换热组件以及螺旋套管反应器（2）的空腔之间；

控制器，与三个温度传感器、第三调节阀（14）、第四调节阀（15）、第五调节阀（16）均连接，以将温度传感器测定的温度与设定温度比较，调节第三调节阀（14）、第四调节阀（15）和第五调节阀（16）的开度，调节热液的通量，进而控制第一组微通道反应器、第二组微通道反应器和螺旋套管反应器（2）内的温度保持设定温度。

3.根据权利要求1或2所述的微通道湿式氧化系统，其特征在于，还包括：

能量回用单元；

所述能量回用单元包括：

微通道换热器（3），一端与所述螺旋套管反应器（2）的内管（17）连接；

气液分离罐（8），与所述微通道换热器（3）的另一端连接，以将处理后的工业废水和气体的混合物分离后排出。

4.根据权利要求2所述的微通道湿式氧化系统，其特征在于，所述预热控温单元还包括：

三个温度显示器件，分别与三个温度传感器连接，以显示温度。

5.根据权利要求3所述的微通道湿式氧化系统，其特征在于，所述进料单元包括：

压缩机（5），一端通入气体；

气体缓冲罐（6），一端连接压缩机（5）的另一端，另一端连接反应单元；

储液罐（7），一端通入待处理的工业废水；

高压泵（9），一端连接储液罐（7），另一端连接反应单元。

6.根据权利要求5所述的微通道湿式氧化系统，其特征在于，

在所述气体缓冲罐（6）与反应单元之间设有第一流量计（10）和第一调节阀（12）；

在所述高压泵（9）与反应单元之间设有第二流量计（11）和第二调节阀（13）。

7.根据权利要求5或6所述的微通道湿式氧化系统，其特征在于，所述高压泵（9）与微通道换热器（3）连接，所述微通道换热器（3）与反应单元连接，以便利用余热加热所述工业废水。

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