CN210045215U

CN210045215U - 低压气液强化乳化床反应装置

Info

Publication number: CN210045215U
Application number: CN201920155612.6U
Authority: CN
Inventors: 张志炳; 李大鹏; 周政; 门存贵; 孟为民; 黄传峰; 罗华勋; 高亚男; 王宝荣; 高伟; 张锋; 李磊
Original assignee: Nanjing Institute of Microinterface Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Institute of Microinterface Technology Co Ltd
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2020-02-11
Anticipated expiration: 2029-01-29

Abstract

本实用新型公开了低压气液强化乳化床反应装置，包括反应器主体；其顶部设有气液出料口；至少一个气泡破碎器；气泡破碎器上设有进气口、进液口和出料口，出料口连接反应器主体；气液分离器；连接反应器主体的气液出料口；所述气液分离器顶部设有排气口，底部设有出液口；循环泵；连接气液分离器的出液口；换热器；连接循环泵的出口管路；所述换热器上设有液体出料口，液体出料口分别连接液体出料管路和循环液管路，所述循环液管路连接气泡破碎器进液口。本实用新型的装置具有操作压力低，气液传质相界面积大，表观反应速度快，气体利用率高，投资少，能耗低，工艺灵活等优点。

Description

低压气液强化乳化床反应装置

技术领域

本实用新型涉及低压气液强化乳化床反应装置。

背景技术

能源、石化、精细化工等领域广泛存在气液、气液固等气液反应过程。如氧化、加氢、氯化等气液多相反应，其宏观反应速率一般受制于传质过程。气液反应的体积传质系数主要受到传质系数及气液相界面积的共同影响。已有研究表明，相界面积对体积传质系数的影响程度较大，且容易调控。因此，增大相界面积被视为提高气液宏观反应速率的有效途径。

鼓泡反应器和搅拌−鼓泡反应器是目前常用的气液反应器。如PX氧化制TA的塔式鼓泡反应器，气泡直径通常大于3mm，乃至厘米级，其传质界面面积有限。为提高宏观反应速率，必须通过增加鼓气量来促进液体湍流，使气泡破裂加剧以增加气泡数目，进而增大界面面积。而此举必然降低气体利用率，增大压缩机功率和尾气排放，导致能耗过渡和物料损失及环境污染。搅拌−鼓泡式气液反应器内多形成对气泡宏观运动有影响而对气泡破碎影响较小的大涡，气泡不能有效破碎，故直径偏大，传质面积受限，以致反应效率偏低。为强化气液传质，塔式鼓泡反应器一般在塔内增设塔板、静态混合器等内件以加强混合，而搅拌釜则需安装不同结构的搅拌桨或内筒等结构，以增加液层的含气量。这两种反应器，由于所得气泡直径通常为3~20mm，所提供的相界面积和传质系数（液侧、气侧、固液）有限，故反应性能较难获得突破性的提高。

气泡直径（Sauter 直径）d₃₂是决定相界面积大小的关键参数，是决定气液反应速率的核心因素。d₃₂逐渐减小时，体积传质系数逐渐增大；特别是当d₃₂小于1mm时，体积传质系数随d₃₂的减小以类似于指数形式快速增大。因此，将d₃₂减小到微米级，能够大幅度强化气液反应。直径在1μm ～1 mm之间的气泡可称为微气泡，由微气泡形成的相界面称为微界面，微气泡群形成的相界面体系，称为微界面体系。根据Yang-Laplace方程，气泡的内压与其半径成反比，故微气泡也有利于提高气泡内压，提高气体的溶解度。因此气液反应过程中，微界面体系能够强化气液传质，进而加快气液反应。微气泡具有刚性特征，独立性好，不易聚并，因此微气泡体系的气液充分混合，可获得含有大量微气泡的乳化液，并在反应器内形成高相界面积，高反应效能的乳化床。乳化床的形成、运行和利用需要高效能的破碎器将气体分割为微米级气泡。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种气液强化乳化床反应装置，适用于含气液反应体系。利用气液体系1μm～1mm之间的气泡尺度形成乳化体系，从而大幅度地提高体系气含率和气液传质面积，加速多相反应进程，提高气体利用率，改善过量排放造成的环境问题，并解决传统气液反应过程中高温、高压、高物耗、高投资、高安全风险等问题，由此降低设备的投资成本和运行费用。

本实用新型具体采用如下技术方案实现上述技术目的：

一种低压气液强化乳化床反应装置，包括：

反应器主体；其顶部设有气液出料口；

至少一个气泡破碎器；气泡破碎器上设有进气口、进液口和出料口，出料口连接反应器主体；

气液分离器；连接反应器主体的气液出料口；所述气液分离器顶部设有排气口，底部设有出液口；

循环泵；连接气液分离器的出液口；

换热器；连接循环泵的出口管路；所述换热器上设有液体出料口，液体出料口分别连接液体出料管路和循环液管路，所述循环液管路连接气泡破碎器进液口。

本实用新型所述的气泡破碎器根据能量输入方式或气液比分为气动式、液动式和气液联动式，其中气动式气泡破碎器采用气体驱动，输入气量远大于液体量；液动式气泡破碎器采用液体驱动，输入气量一般小于液体量，气液联动式气泡破碎器则是气体和液体共同驱动。采用多个气泡破碎器时，可以将气动式、液动式气泡破碎器串联形成一组气泡破碎器。一个反应体系可以串联或并联的结合多个气泡破碎器。

气泡破碎器可以选择安装在反应器主体的上方（上置式，气液乳化物自上而下进入主体）、或者主体下方（下置式，气液乳化物自下而上进入主体）、或者主体侧面（侧置式，气液乳化物从侧方进入主体）。气泡破碎器的三种布置形式（上置式、下置式和侧置式）可单独使用，也可根据需要两两组合或全部使用。

气泡破碎器根据能量输入方式或气液比分为气动式、液动式和气液联动式，其中气动式气泡破碎器采用气体驱动，输入气量远大于液体量；液动式气泡破碎器采用液体驱动，输入气量一般小于液体量。气液联动式则是气体和液体共同驱动。采用多个气泡破碎器时，可以将气动式、液动式气泡破碎器串联形成一组气泡破碎器。一个反应体系可以串联或并联的结合多个气泡破碎器。气泡破碎器可将进入其中的气体和液体充分混合，气液持续碰撞作用，使气泡被粉碎，得到平均直径在1μm-1mm之间的微气泡。乳化物中微气泡尺度为微米级，类似于刚性小球，在乳化床反应装置主体中不容易聚并，仅随反应过程中气泡内成分的消耗或外部压力变化而变化。因此乳化床反应装置可使气液相界面积提高到1000m²/m³以上，从而显著减少多相反应时间，大幅降低能耗与物耗。需要注意的是，乳化床反应器中，由于气泡比较小，因为气液分离较慢，所以需要在反应器后设置专用的高效气液分离器（如悬液分离器）以实现微气泡与液体的分离。分离后的液体可作为驱动液体由循环泵送至液动式气泡破碎器。

作为本实用新型的进一步改进，所述反应器内设有导流筒。导流筒可促进气液充分混合。

作为本实用新型的进一步改进，所述反应器主体上部设有气泡破碎器时，上部与反应器主体的气泡破碎器出料口连接气液混合管路，上部破碎器内的气液乳化物经气液混合管路进入反应器主体。

作为本实用新型的进一步改进，所述气泡破碎器设置于反应器主体的顶部或侧壁；所述反应器主体下部设置清渣口。

作为本实用新型的进一步改进，所述气泡破碎器设置于反应器主体的顶部，所述气泡破碎器选用液动式气泡破碎器。

作为本实用新型的进一步改进，所述气泡破碎器中的微米级气泡体系平均气泡直径为1μm-1mm。

本实用新型的装置适用于含气液反应体系。它可以将气液体系的气泡尺度由传统的3-10mm，破碎缩小至1μm-1mm，从而大幅度地提高体系气含率和气液相界传质面积，加速多相反应进程，提高气体利用率，改善过量排放造成的环境问题，并解决传统气液反应过程中高温、高压、高物耗能耗、高投资、高风险等问题，由此降低设备的投资成本和运行费用。

本实用新型的反应体系由于气泡比较小，而导致的气液分离较慢，所以需要再反应器后设置专用的高效气液分离器（如悬液分离器）以实现微气泡与液体的分离。

本实用新型的反应体系，为保证气泡破碎器内体系进入反应器，气泡破碎器操作温度、压强略高于反应器内操作温度、压强，在气泡破碎器内气泡大小较小时，更利于反应进行，可进一步降低反应器内操作温度、压强。

本实用新型相较于传统的气液反应器的优点在于：

1. 能耗低。传统的固定床气液反应器通过高压来提高气体原料在液体原料中的溶解度，以加强传质。而本实用新型则是通过气体破碎成微气泡体系，进而形成乳化床，可大幅增大气液两相的相界面积，达到强化传质的效果。因此可以适当调低压力，从而降低了能耗。

2. 气液比低。传统气液反应器为了保证液体原料能充分反应，气液比一般控制在2000-3000:1。本装置由于大幅度强化传质，因此可大幅减小气液比，这不但减少了气体的物耗，同时也降低了后续气体循环压缩的能耗。

3. 工艺配置灵活，生产安全性高，吨产品成本低，市场竞争力强。

附图说明

图1为低压气液强化乳化床反应装置（下置式）结构示意图；

图2为低压气液强化乳化床反应装置（侧置式）结构示意图；

图3为低压气液强化乳化床反应装置（上置式）结构示意图；

图4为低压气液强化乳化床反应装置（上下对冲式）结构示意图；

图中：1反应器主体； 2气液分离器； 3循环泵；4换热器；1-1液动式破碎器；1-2 气动式气泡破碎器；1-3 气体原料管路；1-4 液动式气泡破碎器进气管路；1-5 初级乳化液管路；1-6 气动式气泡破碎器进气管路；1-7 液体原料管路；1-8 气液出料管路；1-9 清渣管路；1-10 气液混合管路；1-11 导流筒；1-12-气液联动式气泡破碎器；2-1 出液管路；2-2排气管路；3-1出口管路；4-1 液体出料管路；4-2 循环液管路。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不限制本实用新型的范围。

实施例1

如图1所示的低压气液强化乳化床反应装置，包括反应器主体1；其顶部设有气液出料口，连接气液出料管路1-8；

一组气泡破碎器；由液动式气泡破碎器1-1和气动式气泡破碎器1-2串联组成。气动式气泡破碎器1-2上设有进气口，连接气体原料管路1-3；进液口，连接液体原料管路1-7；液动式气泡破碎器1-1上设有进液口，连接循环液管路4-2；进气口，连接液动式气泡破碎器进气管路1-4；本实施例的气泡破碎器设置于反应器主体1的下部；

气液分离器2；连接气液出料管路1-8；气液分离器2顶部设有排气口，连接排气管路2-2，底部设有出液口，连接出液管路2-1；

循环泵3；连接出液管路2-1；

换热器4；连接循环泵3的出口管路3-1；换热器4上设有液体出料口，连接液体出料管路4-1和循环液管路4-2。

氢气和常压渣油以一定体积配比分别通过气体原料管路1-3、液体原料管路1-7进入气泡破碎器中。渣油由液体原料管路1-7送到气动式气泡破碎器1-2；从气体原料管路1-3进入的氢气分为两路，一路经气动式气泡破碎器进气管路1-6送入气动式气泡破碎器1-2作为破碎驱动力，另一路经液动式气泡破碎器进气管路1-4进入液动式气泡破碎器1-1，在气泡破碎器1-1内被循环液管路4-2送来的循环液破碎成初级乳化液，所得初级乳化液经初级乳化管路1-5进入气动式气泡破碎器1-2，在气泡破碎器1-2中，氢气和渣油充分混合形成微气泡和气液乳化体系后，进入反应器主体1形成平推流继续反应，乳化体系停在反应器主体内停留2.5h后，经顶部气液出料管路1-8进入气液分离器2中，分离所得气体经排气管路2-2送至后续处理，所得液体经出液管路2-1进入循环泵3。循环泵3送出的液体经出口管路3-1进入换热器4后，一部分由液体出料管路4-1送去后续处理，其余则作为气泡破碎动力由循环液管路4-2送至液动式气泡破碎器1-1。气泡破碎器下置能够形成平推流乳化床反应体系，有利于产物选择性的提高。

气泡破碎器1-1和1-2可以组合使用，也可以根据需要单独使用。如气液反应迅速，放热量大的体系，需要将反应产物循环冷却以降低体系温度时，宜将气泡破碎器1-1和1-2组合使用；若反应气液比较大（>200），则可单独使用气泡破碎器1-2；若气体需求量小或气体利用率要求高，则可单独使用气泡破碎器1-1。

实施例2

本实施例的装置如图2所示，与实施例1的不同之处在于，气泡破碎器设置于反应器主体1侧部；反应器主体1下部设有排渣口，连接清渣管路1-9。液体原料由液体原料管路1-7送到气动式气泡破碎器1-2；从气体原料管路1-3进入的气体原料分为两路，一路经气动式气泡破碎器进气管路1-6送入气动式气泡破碎器1-2作为破碎驱动力，另一路经液动式气泡破碎器进气管路1-4进入液动式气泡破碎器1-1，在气泡破碎器1-1内被经管路4-2送来的循环液破碎成初级乳化液，所得初级乳化液经初级乳化液管路1-5进入气动式气泡破碎器1-2，在气动式气泡破碎器1-2中，气液充分混合形成微气泡和气液乳化体系后，在反应器主体内停留一段时间，之后经气液出料管路1-8送入气液分离器2中，分离所得气体经排气管路2-2送至后续处理，所得液体经出液管路2-1进入循环泵3。循环泵3送出的液体经出口管路3-1进入换热器4后，一部分由液体出料管路4-1送去后续处理，其余则作为破碎动力由循环液管路4-2送至液动式气泡破碎器。清空时，反应器内的物料可由反应器主体1清渣管路1-9排出。侧置式的特点是气液乳化物从侧面进入反应器，可以在反应器内形成旋涡流，有利于宏观的传质和传热，加快反应速率。

气泡破碎器1-1和1-2可以组合使用，也可以根据需要单独使用。如气液反应迅速，放热量大的体系，需要将反应产物循环冷却以降低体系温度时，宜将气泡破碎器1-1和1-2组合使用；若反应气液比较大（>200），则可单独使用气泡破碎器1-2；若气体需求量小或气体利用率要求高，则可单独使用气泡破碎器1-1。如反应器体积较大（>10m³），可以在侧面布置2-4套气泡破碎器，从四个进口送入反应器主体内。

实施例3

实施例3的装置与实施例1不同之处在于，气泡破碎器为气液联动式气泡破碎器1-12，设置于反应器主体1上部。气泡破碎器出料口经气液混合管路1-10进入反应器主体1，反应器主体1内垂直设置导流管1-11；反应器主体1下部设有排渣口，连接清渣管路1-9。

液体原料和气体原料分别经液体原料管路1-7和气体原料管路1-3进入气泡破碎器1-12内，在气泡破碎器1-12内被经循环液管路4-2送来的循环液破碎成微气泡气液体系，所得气液乳化物经气液混合管路1-10进入反应器主体1后，冲入导流筒1-11。气液混合物沿导流筒1-11到达反应器主体1底部，而后沿反应器主体壁面向上运动，一部分在导流筒1-11上端被卷吸入导流筒，形成循环流，其余则自气液出料管路1-8送入气液分离器2中，分离所得气体经排气管路2-2送至后续处理，所得液体经出液管路2-1进入循环泵3。循环泵3送出的液体经出口管路3-1进入换热器4后，一部分由液体出料管路4-1送去后续处理，其余则作为破碎动力由循环液管路4-2送至气液联动式气泡破碎器1-12。清空时，反应器内的物料可由反应器主体下部的清渣管路1-9排出。上置式的特点是反应器主体内为全混流型，有利于宏观的传质和传热，可加快反应速率。

鉴于反应器主体内流体混合需要，上置式装置优先使用液动式气泡破碎器。

实施例4

实施例4的装置如图4所示，和实施例1的不同之处在于，液动式气泡破碎器1-1和气动式气泡破碎器1-2分别设置于反应器主体1的上部和下部，形成上下对冲状。液动式气泡破碎器1-1出料口经气液混合管路1-10进入反应器主体1，反应器主体1内垂直设置导流管1-11。

从气体原料管路1-3进入的气体原料分为两路，一部分经气动式气泡破碎器进气管路1-6进入设置在反应器主体1底部的气动式气泡破碎器1-2，破碎成微气泡后，上升进去反应器主体1内。液体原料和其余气体原料分别经液动式气泡破碎器进气管路1-4和液体原料管路1-7进入液动式气泡破碎器1-1内，在液动式气泡破碎器1-1内被经循环液管路4-2送来的循环液破碎成微气泡气液体系，所得气液乳化物经气液混合管路1-10进入反应器主体后，冲入导流筒1-11。气液混合物沿导流筒1-11到达反应器主体1底部，与从反应器主体1底部设置的气泡破碎器1-2产生的微气泡流相向撞击混合后，沿反应器主体1壁面一起向上运动，上升微气泡流一部分在导流筒1-11上端被卷吸入导流筒，形成循环流，其余则自气液出料管路1-8送入气液分离器2中，分离所得气体经管路2-2送至后续处理，所得液体经出液管路2-1进入循环泵3。循环泵送出的液体经出口管路3-1进入换热器4后，一部分由液体出料管路4-1送去后续处理，其余则作为破碎动力由循环液管路4-2送至液动式气泡破碎器1-1。气泡破碎器上下对冲式布置的特点是适合于大气量且气液转化率要求高的反应物系。反应器主体1内的导流筒1-11，有利于宏观的传质和传热，可加快反应速率。

Claims

1.一种低压气液强化乳化床反应装置，其特征在于，包括：

反应器主体；其顶部设有气液出料口；

循环泵；连接气液分离器的出液口；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气泡破碎器设置于反应器主体的顶部、下部或侧壁。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气泡破碎器为气液联动式气泡破碎器、气动式气泡破碎器、液动式气泡破碎器或其串联组合组成。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应器内设有导流筒。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应器主体上部设有气泡破碎器时，上部与反应器主体的气泡破碎器出料口连接气液混合管路，上部破碎器内的气液乳化物经气液混合管路进入反应器主体。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气泡破碎器设置于反应器主体的顶部或侧壁；所述反应器主体下部设置清渣口。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气泡破碎器设置于反应器主体的顶部，所述气泡破碎器选用液动式气泡破碎器。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气泡破碎器中的微米级气泡体系平均气泡直径为1μm-1mm。