CN116585990A - 一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，包括主体，主体内具有反应腔；反应腔的顶部设置有液体分布器、底部设置有搅拌器；反应腔内布设有过滤器组，过滤器组的上部伸出主体，且过滤器组的顶端设有液体出口；沿过滤器长度方向，布设有折流板；反应腔内且位于过滤器组的下方分别设置有第一气体分布器和第二气体分布器；第一气体分布器为环状且位于反应腔的横截面的外环区域，第二气体分布器为环状且位于反应腔的横截面的内环区域；搅拌器位于第一气体分布器和第二气体分布器的下方；本发明通过双气体分布器、折流板、搅拌器、液体分布器的耦合，强化了反应器整体的多相流动、热质传递及稳定性。

Description

一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器

技术领域

本发明属于鼓泡反应设备技术领域，尤其涉及一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器。

背景技术

鼓泡反应器又称鼓泡塔，是用来完成气液反应的容器。常见的三相鼓泡反应器是在反应壳体内装入过滤器，气体从壳体底部进入、液体从壳体顶部进入，且在壳体内壁面与过滤器外壁面之间装入固相的催化剂，从而完成气液反应。

但是，由于通常的三相鼓泡反应器内部相含率分布不均以及传质不足，导致反应器内不同区域的反应性能出现差异，反应效率降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，以提升反应器内部相含率分布均匀性和强化传质。

本发明采用以下技术方案：一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，其特征在于，包括主体，主体内具有反应腔；

反应腔的顶部设置有液体分布器、底部设置有搅拌器，液体分布器与液体进口连接；

反应腔内布设有过滤器组，过滤器组的上部伸出主体，且过滤器组的顶端设有液体出口；

反应腔内且位于过滤器组的下方分别设置有第一气体分布器和第二气体分布器，第一气体分布器和第二气体分布器分别连接不同的进气口；第一气体分布器为环状且位于反应腔的横截面的外环区域，第二气体分布器为环状且位于反应腔的横截面的内环区域；

搅拌器位于第一气体分布器和第二气体分布器的下方。

进一步的，第二气体分布器位于第一气体分布器的下方。

进一步的，第一气体分布器的外周上开设有若干个第一气孔，且每个第一气孔均朝向斜下方。

进一步的，第二气体分布器的内周上开设有若干个第二气孔，且每个第二气孔均朝向斜下方。

进一步的，过滤器组上由下至上间隔设置有若干个折流板，每个折流板上均开设有若干个通孔。

进一步的，折流板为弯板，弯板相对于反应腔的横截面倾斜设置，且相邻弯板的朝向相对于反应腔的纵向轴线对称。

进一步的，折流板为空心圆台状板，通孔位于空心圆台状板的侧板上，相邻的空心圆台状板的朝向相反。

进一步的，液体分布器为莲蓬头状，液体分布器上均匀开设有若干个进液孔，进液孔的朝向与反应腔的横截面的夹角范围为15°～90°。

进一步的，过滤器组的顶端还开设有反吹气体进口。

进一步的，搅拌器的叶片方向与反应腔的横截面的角度为30～90°。

本发明的有益效果是：本发明通过在反应腔内设计位于外环区域的第一气体分布器和内环区域的第二气体分布器为单独进气，可以调控不同区域的气体流量，利用气体流量差异产生的径向密度差，促进液相的环流流动，从而在促进气液传质性能的同时，还避免了反应器内出现较大的温差，提升反应器的稳定性。

附图说明

图1为本发明一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器的结构示意图；

图2为本发明实施例中第一气体分布器的仰视结构示意图；

图3为本发明实施例中第一气体分布器的侧视结构示意图；

图4为本发明实施例中第二气体分布器的仰视结构示意图；

图5为本发明实施例中第二气体分布器的侧视结构示意图；

图6为本发明实施例中弯板的俯视结构示意图；

图7为本发明实施例中弯板的侧视结构示意图；

图8为本发明实施例中空心圆台状板的俯视结构示意图；

图9为本发明实施例中空心圆台状板的侧视结构示意图；

图10为本发明实施例中应用空心圆台状板时的排布结构示意图；

图11为本发明实施例中莲蓬头的侧视结构示意图；

图12为本发明实施例中莲蓬头的仰视结构示意图；

图13为本发明实施例中搅拌器的结构示意图。

其中：1.主体；2.折流板；3.过滤器组；4.液体分布器；5.第一气体分布器；6.第二气体分布器；7.搅拌器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

近年来，多相鼓泡反应器广泛应用于重油加氢、费托合成、1，4—丁炔二醇合成等石油加工、化工生产领域，受到越来越多的关注。

而在实际应用中，这种多相鼓泡反应器往往存在一些问题，限制了反应器的高效稳定运行。首先，液体原料入口分布不均，使反应器的局部反应物匹配度较差，影响液体入口局部区域的反应；其次，由于是多相体系，相含率存在分布不均的现象，导致反应器内不同区域的反应性能差异，从而出现较大的温度差，不利于装置的稳定运行；再次，相间传质，尤其是气液两相的传质较差，当反应为传质控制时，会导致反应性能受到影响。

总之，目前已公布的多相鼓泡反应器专利和相关文献没有很好地同时解决相含率分布不均、气液传质效率低下等问题，因此，这种多相鼓泡反应器有待于进一步的强化，以实现其稳定和高效的运行。

本发明公开了一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，如图1所示，包括主体1，主体1内具有反应腔；反应腔的顶部设置有液体分布器4、底部设置有搅拌器7，液体分布器4与液体进口连接；反应腔内布设有过滤器组3，过滤器组3的上部伸出主体1，且过滤器组3的顶端设有液体出口；反应腔内且位于过滤器组3的下方分别设置有第一气体分布器5和第二气体分布器6，第一气体分布器5和第二气体分布器6分别连接不同的进气口；第一气体分布器5为环状且位于反应腔的横截面的外环区域，第二气体分布器6为环状且位于反应腔的横截面的内环区域；搅拌器7位于第一气体分布器5和第二气体分布器6的下方，且与第一气体分布器5的纵向距离与主体1直径的比值为0.1-1。

另外，在反应腔内还填充有固相的反应催化剂，当充入反应液体后，固相催化剂会悬浮在反应腔的各个部位，以增加气液反应效率。在主体1的顶部设有气体出口A3，以便于反应后的气体排出反应腔。

本发明通过在反应腔内设计位于外环区域的第一气体分布器5和内环区域的第二气体分布器6为单独进气，可以调控不同区域的气体流量，利用气体流量差异产生的径向密度差，促进液相的环流流动，从而在促进气液传质性能的同时，还避免了反应器内出现较大的温差，提升反应器的稳定性。

在本发明实施例中，该反应器各部件安装完成后，主体1为封闭性反应器。优选的，主体1可以设计为圆柱状，内部具有反应腔，在反应时，主体1为竖向设置的。同时，过滤器组3上部伸出主体1的部分也为封闭形式，以避免液体从该位置渗出。另外，上述的外环区域和内环区域是以反应腔竖向中轴线为基准的。

具体的，本发明的过滤器组3采用若干根炷型过滤器，若干根炷型过滤器均匀分布在反应腔内，每根炷型过滤器的上部均伸出主体1，伸出部分采用封闭管式结构，避免液体渗漏，同时顶端分别开设有液体出口B3和反吹气体进口B2。

在另一个实施例中，第二气体分布器6位于第一气体分布器5的下方，垂直距离与主体1直径的比值为0.1-1，使两个气体分布器控制的局部区域内的气体分布差异更加明显，对浆液的环流作用更强，进一步促进气体分布器区域的气液传质性能。

作为一种更为具体的实现方式，如图1、图2和图3所示，第一气体分布器5与第一进气口A1连通，其外周上开设有若干个第一气孔，且每个第一气孔均朝向斜下方，，倾斜角度30°～90°，促进气体在外环区域的富集。为了使进入反应腔的反应气分布更为均匀，若干个第一气孔在第一气体分布器5上均匀分布。由于第一气体分布器5为环状，所以，以第一气体分布器5的中轴线为基准向外扩散，环状的第一气体分布器5靠近中轴线方向作为内周方向，远离中轴线的方向为外周方向。关于斜上方，指的是在工作过程中，反应气的喷出方向位于反应腔横截面上方且偏向于外周方向。

在另一个实施例中，如图1、图4和图5所示，第二气体分布器6与第二进气口A2连通，其内周上开设有若干个第二气孔，且每个第二气孔均朝向斜下方。倾斜角度为10°～45°，促进气体在内环区域的富集。

同上，为了使进入反应腔的反应气分布更为均匀，若干个第二气孔在第二气体分布器6上均匀分布。由于第一气体分布器6为环状，所以，以第二气体分布器6的中轴线为基准向外扩散，环状的第二气体分布器6靠近中轴线方向作为内周方向，远离中轴线的方向为外周方向。关于斜下方，指的是在工作过程中，反应气的喷出方向位于反应腔横截面下方且偏向于内周方向。

更为优选的，为了反应气的分布更加均匀，反应腔、第一气体分布器5和第二气体分布器6同轴设置，且第一气体分布器5和第二气体分布器6的直径大小根据需要进行设计。第一气体分布器5和第二气体分布器6的开孔率均为1％～10％(开孔率是开孔面积除以环管的外表面积)。

在另一个实施例中，过滤器组3上由下至上间隔设置有若干个折流板2，每个折流板2上均开设有若干个通孔。通孔可以有多种形式，如圆形、椭圆形、方形或三角形等，所有通孔占折流板2在水平面投影面积的5％～40％。通过设置折流板2，可以对从下方浮上来的反应气的气泡进行阻挡和剪切，使得反应气在反应腔内的分布更加均匀。通过折流板2强化了液固两相的返混，增加颗粒分布的均匀性，同时破碎气泡，改变气泡的流动路径，增加气体停留时间，强化气液两相的热质传递面积和时间，优化反应器热质传递性能。同时，将折流板2与过滤器组3固定安装在一起，可以方便检修过程中，将这两个部件整体从反应腔内吊出。通过通孔可以增加局部湍流，同时防止了压降过大。

折流板2与双气体分布器保证一定距离，双气体分布器可以利用相间相互作用，强化反应器内的热质传递，而折流板2的存在会弱化双气体分布器的作用，因此，在气体分布器影响区的范围内没有设置折流板2，从而实现两者的协同强化。

为了便于折流板2和过滤器组3的连接，在折流板2上开设供过滤器组3穿过的通孔。

作为一种具体的实现形式，如图6和图7所示，折流板2为弯板(相对于直板，弯板的压力损失小)，弯板相对于反应腔的横截面倾斜设置，倾斜角度为30°～60°，且相邻弯板的朝向相对于反应腔的纵向轴线对称。由于反应腔内具有固相的催化剂，倾斜设置的弯板可以避免固相催化剂在重力的作用下在其上堆积，从而增加固相催化剂的流动性，间接的增加气液反应面积，提升反应效率。相邻的折流板2之间的纵向间距与主体1直径的比值为0.1-1，最底部的折流板2距离第二气体分布器6的距离与主体1直径的比值为0.1-1。当折流板2为弯板时，还可以将若干个弯板在反应腔内螺旋排布。

作为另一种实现形式，如图8和图9所示，折流板2为空心圆台状板，通孔位于空心圆台状板的侧板上，如图10所示，相邻的空心圆台状板的朝向相反，即空心圆台状板的底面与相邻的空心圆台状板的底面相邻，或空心圆台状板的顶面与相邻的空心圆台状板的顶面相邻。在本实施例中，空心圆台状板即为将一个圆台的中部切除后剩下圆台的侧表面形成的层板。优选的，空心圆台状板的各部位厚度一致。

在一个实施例中，如1、图11和图12所示，液体分布器4可以固定安装在壳体上。液体分布器4为莲蓬头状，莲蓬头状上方在接进液管，进液管的另一端为进液口B1。

液体分布器4上均匀开设有若干个进液孔，莲蓬头开孔率为1％～10％(开孔率是开孔面积除以莲蓬头面积，通过开孔率可以综合控制开孔直径和开孔数目的参数)，莲蓬头直径为壳体直径的30％～75％，进液孔的朝向与反应腔的横截面的夹角范围为15°～90°(可根据需求进行具体选择)，即不同的进液孔的朝向与反应腔的横截面的夹角可能相同也可能不同，但均处于上述角度范围内。通过莲蓬头状的设计，可以是的喷出的气体均匀分布在反应腔的横截面。

另一个实施例中，过滤器组3的顶端还开设有反吹气体进口。通过反吹气体进口，可以将贴附于过滤器组3表面的固相催化剂吹掉，重新悬浮于反应腔内，提升反应效率。

另外，在一个实施例中，搅拌器有电机组和叶片组成，叶片方向与反应腔的横截面的角度为30～90°。叶片个数为2-4个，叶片长度为反应器直径的15％～40％。通过设置搅拌器7，强化液体和催化剂颗粒的相互作用，改变气液固三相的流动方向，促进反应器内相分率的均匀分布。

作为一个具体的实施例，液体分配器4的开孔形状为圆形，开孔率为30％；开孔方向与水平角度为90°；液体分布器直径为壳体直径的40％；折流板2为弯板结构，与水平方向的角度为45°，弧度为150°，折流板2上开设有多个开圆形孔，开孔率为8％，相邻折流板2的垂直间距与主体1直径的比值为0.1，最底部的折流板2距离第二气体分布器6距离与主体1直径的比值为0.1；第二气体分布器6开孔方向与水平方向的夹角为15°，第一气体分布器5开孔方向与水平方向的夹角为60°。如图13所示，搅拌叶片个数为3个，叶片角度为90°，叶片长度为壳体直径的25％，叶片距离第二气体分布器6垂直距离与主体1直径的比值为0.1；液体分布器4利于液体在入口区域的均匀分布；折流板2可以强化液固两相的返混，增加颗粒分布的均匀性；同时，破碎气泡，改变气泡的流动路径，增加气体停留时间，强化气液两相的热质传递面积和时间，倾斜布置抑制了颗粒的局部堆积，开孔防止了过大的压降、增强局部扰动；双气体分布器可以促进液相的径向混合，强化液相传质系数率，通过其与折流板的匹配，可以最大程度的协同强化反应器内的热质传递；搅拌器7可以强化液体和催化剂颗粒的相互作用，改变气液固三相的流动方向，促进相分率的均匀分布。因此，本实施例通过液体分布器4、折流板2、双气体分布器和搅拌器7的科学匹配，可以针对液体入口区域、主反应区域、气体分布器区域进行精准区域强化，同时实现了各个区域之间的协同，最大程度的强化了反应器整体流动、热质传递、反应性能。

在另一个实施例中，折流板2为空心圆台状板，其它结构与上一个实施例类似，不在赘述。空心圆台状板的侧面板进行了开孔，开孔率为10％，相邻折流板2的间距与主体1直径的比值为0.1，最低的折流板距离第一气体分布器5距离与主体1直径的比值为0.1。该形状的折流板2可以更大程度的增强催化剂颗粒和液体的径向混合，从而增强液相热质传递性能，同时，与液体分布器4、双气体分布器、搅拌器7的协同匹配，实现了对气液固三相鼓泡反应器多个区域的协同强化。

综上，本发明通过耦合折流、旋流、环流技术，在液体入口区域设计液体分布器，优化液体入口区域的分布，使液体能够均匀的分布在入口区域。通过设置搅拌器7，强化液体和固相催化剂颗粒的相互作用，改变气液固三相的流动方向，促进相分率的均匀分布。在折流板2的作用下，强化液固两相的返混，改变其流动路径，增加颗粒分布的均匀性；同时，折流板2破碎气泡，改变气泡的流动路径，增加气体停留时间，强化气液热质传递面积和时间，优化反应器热质传递性能。通过调节双气体分布器内的气体流量，形成横向的密度差，从而促进液相的径向混合，强化液相传质系数和热质传递性能。通过液体分布器4、搅拌器7、折流板2和双气体分布器的科学匹配，可实现反应器整体流动、热质传递、反应性能的显著提升。针对反应器进行区域精准强化，同时实现了各个区域之间的协同匹配，强化了反应器整体的多相流动、热质传递和反应性能。

也就是说，本发明的液体分布器4优化了入口区域液体的均匀分布，搅拌器强化了液体和催化剂颗粒的相互作用，改变气液固三相的流动方向，促进主反应区相含率的均匀分布，折流板2强化了液固两相的返混，增加颗粒分布的均匀性；同时，破碎气泡，改变气泡的流动路径，增加气体停留时间，强化气液两相的热质传递面积和时间，优化反应器热质传递性能，同时通过调节双气体分布器内的气体流量，形成横向的密度差，从而促进液相的径向混合，强化液相传质系数，可进一步强化反应器热质传递性能，通过液体分布器4、搅拌器7、折流板2和双气体分布器的耦合协同强化，可显著提升反应器内流动-热质传递-反应的匹配度，解决目前气液固三相鼓泡反应器所面临的问题。

Claims (10)

1.一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，其特征在于，包括主体(1)，所述主体(1)内具有反应腔；

所述反应腔的顶部设置有液体分布器(4)、底部设置有搅拌器(7)，所述液体分布器(4)与液体进口连接；

所述反应腔内布设有过滤器组(3)，所述过滤器组(3)的上部伸出所述主体(1)，且所述过滤器组(3)的顶端设有液体出口；

所述反应腔内且位于所述过滤器组(3)的下方分别设置有第一气体分布器(5)和第二气体分布器(6)，所述第一气体分布器(5)和第二气体分布器(6)分别连接不同的进气口；所述第一气体分布器(5)为环状且位于所述反应腔的横截面的外环区域，所述第二气体分布器(6)为环状且位于所述反应腔的横截面的内环区域；

所述搅拌器(7)位于所述第一气体分布器(5)和第二气体分布器(6)的下方。

2.如权利要求1所述的一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，其特征在于，所述第二气体分布器(6)位于所述第一气体分布器(5)的下方。

3.如权利要求2所述的一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，其特征在于，所述第一气体分布器(5)的外周上开设有若干个第一气孔，且每个所述第一气孔均朝向斜下方。

4.如权利要求3所述的一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，其特征在于，所述第二气体分布器(6)的内周上开设有若干个第二气孔，且每个所述第二气孔均朝向斜下方。

5.如权利要求2-4任一项所述的一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，其特征在于，所述过滤器组(3)上由下至上间隔设置有若干个折流板(2)，每个所述折流板(2)上均开设有若干个通孔。

6.如权利要求5所述的一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，其特征在于，所述折流板(2)为弯板，所述弯板相对于所述反应腔的横截面倾斜设置，且相邻弯板的朝向相对于所述反应腔的纵向轴线对称。

7.如权利要求5所述的一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，其特征在于，所述折流板(2)为空心圆台状板，所述通孔位于所述空心圆台状板的侧板上，相邻的所述空心圆台状板的朝向相反。

8.如权利要求6或7所述的一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，其特征在于，所述液体分布器(4)为莲蓬头状，所述液体分布器(4)上均匀开设有若干个进液孔，所述进液孔的朝向与所述反应腔的横截面的夹角范围为15°～90°。

9.如权利要求8所述的一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，其特征在于，所述过滤器组(3)的顶端还开设有反吹气体进口。

10.如权利要求2-4任一项所述的一种耦合强化的气液固三相鼓泡反应器，其特征在于，所述搅拌器(7)的叶片方向与所述反应腔的横截面的角度为30～90°。