CN217490402U - 高压变流量循环雾化碳化反应器 - Google Patents

Abstract

本方案公开了一种高压变流量循环雾化碳化反应器，包括三相均化罐，还包括气液混合器；气液混合器为管状结构，从上游至下游依次包括进口段、收敛段和出口段，进口段的侧壁开孔连接气体进口管，收敛段的管径小于进口段和出口段的管径；三相均化罐与气液混合器通过管道形成循环回路；三相均化罐的下端设有浆液出口，浆液出口通过高压循环泵连接至气液混合器的上游端；气液混合器的下游端连接安装有雾化分布器；雾化分布器设于三相均化罐内，位于反应液体上方的空间内。本方案的有益效果是：可以有效的提升二氧化碳的吸收效率，减少能源消耗和无效二氧化碳排放，提高产品品质。

Description

高压变流量循环雾化碳化反应器

技术领域

本实用新型涉及无机化工生产设备领域，具体是一种高压变流量循环雾化碳化反应器，主要应用在亚微米级轻质碳酸钙的生产中。

背景技术

轻质碳酸钙的工业化生产工艺主要有复分解法和碳化法两种，前者以可溶性钙盐(氯化钙、柠檬酸钙等)为钙源，以碳酸盐或碳酸氢盐为碳源在液相中完成沉淀反应，具有反应速度快、产物纯度高等优点，但生产成本相对较高，仅适用于食品或药品级轻质碳酸钙的生产；而碳化法具有生产成本低、物料循环利用率高、产物指标灵活可调等优点，是当前生产轻质碳酸钙的主流工艺。根据碳化塔的传质方式和特点，又分为二氧化碳气体扰动式弱剪切鼓泡碳化工艺，和改进型外力扰动式(如机械搅拌、高速射流、微气泡乳化等)高剪切鼓泡碳化工艺。传统鼓泡碳化三相传质过程仅依靠二氧化碳气流推动，存在反应速度慢，反应死角多等诸多缺陷，已经逐渐被改进型外力扰动式高剪切碳化工艺所取代。但现有外力扰动型鼓泡碳化工艺均存在碳化反应装置结构复杂、生产能耗高、碳排放高等问题，制约工业化生产碳酸钙的效率和效益。中国专利文献CN103537248A，于2013年10月30日公开了“一种混合碱回收的文丘里喷射式反应装置”，包括筒体，上封头和锥封头，上封头上设有进气口，上封头封装于筒体顶端，锥封头呈倒锥状封装于筒体底端，锥封头倒锥底端设有出料口，所述筒体下部侧壁设有循环出液口，循环出液口依次经循环泵，循环管，喷嘴和文丘里喷射管连通穿接在上封头或筒体上伸入筒体内的尾管，上封头上设有分别连通筒体内腔和文丘里喷射管的吸气管，循环泵上连接有进液管。将筒体内的混合碱液向文丘里喷射管内打循环，配合CO₂向文丘里喷射管进气反应生成Na₂CO₃晶体析出，沉降并排出，最终实现碱系统内钾钠比的调节和Na₂CO₃晶体的回收。类似利用文丘里效应强化气液反应的专利还有，中国专利文献CN111217686A“正戊醛制备方法及专用文丘里喷射器”。从反应模式和机理上看，上述装置可以通过文丘里效应增强气液接触速率和效率，但仍没有摆脱鼓泡碳化法的限制，表现在三个方面，一是采用单一文丘里管式反应器，CO₂气体在液相中形成的气泡尺寸较大，有效吸收和反应面积难以得到几何倍增加；二是液相经过文丘里装置吸纳CO₂后，直接被高速喷射进入下游水相中完成反应，反应有效时间短，CO₂的利用率相对较低；三是在反应器垂直方向上的物料分布差异化大，反应条件不均一，对收窄生成物粒径分布具有负面影响。

发明内容

基于以上问题，本实用新型提供了一种高压变流量循环雾化碳化反应器，可以有效的提升二氧化碳的吸收效率，减少能源消耗和无效二氧化碳排放，提高产品品质。

为了实现发明目的，本实用新型采用如下技术方案：一种高压变流量循环雾化碳化反应器，包括三相均化罐，

还包括气液混合器；气液混合器为管状结构，从上游至下游依次包括进口段、收敛段和出口段，进口段的侧壁开孔连接气体进口管，收敛段的管径小于进口段和出口段的管径；

三相均化罐与气液混合器通过管道形成循环回路；

三相均化罐的下端设有浆液出口，浆液出口通过高压循环泵连接至气液混合器的上游端；

气液混合器的下游端连接安装有雾化分布器；

雾化分布器设于三相均化罐内，位于反应液体上方的空间内。

作为优选，收敛段的形状为锥尖相对的双圆锥体或由内凹圆弧线绕轴旋转形成的空间体。

作为优选，气体进口管的形状为L形，本体部分连通进口段的侧壁内外，末端的轴线与进口段的轴线重合。

作为优选，进口段的管径和出口段的管径均为φ1，收敛段最窄处的管径为φ2，φ1为φ2的5～10倍。

作为优选，气体进口管的管径为φ3，φ3为φ2的1～1.2倍。

作为优选，气液混合器的数量为两个，按照上、下游串联布置；雾化分布器设于下游侧的气液混合器的下游端。

作为优选，气体进口管连接至可编程气体流量阀。

作为优选，三相均化罐上安装有在线电导率仪，在线电导率仪通过PLC与高压循环泵、可编程气体流量阀信号连接。

作为优选，还包括雾化腔室；雾化腔室固定在三相均化罐上方，侧壁密封，上端开孔，下端面上贯通有阵列排列的通孔；雾化分布器设于雾化腔室内，气液混合器下游端的管道通过上端开孔伸入至雾化腔室内，与雾化分布器连接。

本方案设计的高压变流量循环雾化碳化反应器，物料的承装容器是三相均化罐，反应完毕的产物也在三相均化罐内。三相均化罐上端设有浆液进口以便灌入待处理浆液，设有气体出口以避免内部压力增加。三相均化罐下端设计有浆液出口，浆液出口通过管道和泵连接气液混合器，气液混合器同时还连接气体进口管，下游则通过管道回流至三相均化罐内的上方。

其中，泵为高压循环泵，反应时驱动物料在三相均化罐和气液混合器之间不断循环，反应完毕则通过相应的开关选择，实现三相均化罐内反应完成物料的出料。

气液混合器从上游至下游依次包括进口段、收敛段和出口段。进口段连接在高压循环泵的下游，进口段的侧壁还通过通孔连接气体进口管，气体进口管则通过气体管道连接二氧化碳气源，管道上有可编程气体流量阀以便控制。进口段和出口段的管径是相同的，而收敛段的管径则要小的多，通常情况进口段的管径是收敛段的管径的5～10倍。通过收敛段产生的压缩——扩张的过程，气液混合器可以很好的实现固、液、气三相的高速混合。为了提高效率，减少反应时间，本方案还采用了两个气液混合器上、下游串联的布置方式。

气体进口管被设计为L形，主体部分基本延气液混合器的径向设置，通过侧壁上的通孔伸入进口段的内部，末端则向气体进口管的下游方向弯折，末端的轴线与进口段的轴线重合，使二氧化碳气体的排出方向与浆液的流动方向一致，形成顺流。根据研究可知，顺流布置下气体在激射后形成的气泡更小更密集，就本方案而言，可以让二氧化碳更好的被吸收。

在下游侧的气液混合器的下游端，连接安装了雾化分布器。三相均化罐上方安装有雾化腔室，雾化分布器设于雾化腔室内。雾化腔室侧壁密封上端开孔，供连接雾化分布器的管道伸入。雾化腔室的下端面即为三相均化罐的上端面，在雾化腔室的下端面贯通的设有若干细小的通孔，呈阵列排列。由气液混合器高速混合喷出的固、液、气三相混合物由雾化分布器喷出形成雾状物，弥漫在雾化腔室内，并在雾化腔室内进行后续反应，二氧化碳被进一步吸收，物料反应完全了才从雾化腔室向下滴落，回到三相均化罐内。

为了提高生产效率、精确控制反应效果，本方案配设有PLC控制器，对应的，三相均化罐上安装有在线电导率仪，可用来实时监控三相均化罐内物料的导电率，从而推算出反应程度。在线电导率仪、高压循环泵和可编程气体流量阀均与PLC信号连接，可实现自动精确控制，无需人工干预。

综上所述，本方案的有益效果是：采用结构优化设计的两次串联气液混合器，通过多次的压力集聚与释放过程形成剧烈震荡显著增大CO₂在反应液相中的溶解度和碳酸化速率，反应物相从气液混合器喷射进入雾化腔室，经雾化器雾化形成细密的气雾，进一步增大三相反应面积，延长CO₂的吸收时间，强化碳酸化过程，之后反应物料流入均化罐得到均化，完成后续循环碳化。同时，针对碳酸化法合成碳酸钙的特点，对CO₂气体流量实施程序化可控调节，减少CO₂的无效供给，最大程度得实现了碳中和，减少碳排放。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是气液混合器和气体进口管的配合关系示意图；

图3是本实施例与常规鼓泡碳化塔的反应过程对比图。

其中：1浆液进口，2三相均化罐，3浆液出口，4高压循环泵，5气液混合器，51进口段，52收敛段，53出口段，6气体进口管，7雾化分布器，8在线电导率仪，9可编程气体流量阀，10气体出口，11雾化腔室。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。

如图1所示的实施例，是一种高压变流量循环雾化碳化反应器，包括一个三相均化罐2。三相均化罐2的形状上部为圆筒形，下部为端部位于下方的圆锥形。浆液进口1设在三相均化罐2的上端，浆液出口3设在三相均化罐2下方圆锥形的最下方。三相均化罐2的上端还设有气体出口10。

浆液出口3通过管道连接高压循环泵4，高压循环泵4的下游则连接气液混合器5。

参见图2，气液混合器5是一个变径的管状结构，从上游至下游依次包括进口段51、收敛段52和出口段53，进口段51和出口段53的管径均为φ1，收敛段52的形状为由内凹圆弧线绕轴旋转形成的空间体，收敛段52最窄处的管径为φ2，本例中φ1为φ2的10倍。进口段51的侧壁还通过开口连接气体进口管6，气体进口管6的管径为φ3，本例中φ3等于φ2。

气体进口管6通过管道连接至二氧化碳气源。气体进口管6的形状为L形，主体部分延气液混合器5的径向延伸(即图2中向左延伸)，通过侧壁上的通孔伸入进口段51内，末端则弯折向上，末端的轴线与进口段51的轴线重合。在管道上还有可编程气体流量阀9进行控制。

本例中，气液混合器5按照上、下游串联的方式布置了两个，同样，气体管路也是两路。

位于下游侧的气液混合器5的下游端通过管道连接有雾化分布器7。雾化分布器7设于雾化腔室11内，而雾化腔室11则安装在三相均化罐2上方，雾化腔室11的底板即为三相均化罐2的顶板。雾化腔室11是一个圆筒形结构，侧壁封闭，上端开一个孔，供连接雾化分布器7的管道伸入，下端端面上阵列布置有若干细小的通孔。

本例中还包括有PLC控制器(图中未示出)，三相均化罐2上还安装有在线电导率仪8，在线电导率仪8、高压循环泵4和可编程气体流量阀9均信号连接至PLC控制器。

本例的高压变流量循环雾化碳化反应器在工作时，适量的待反应的氢氧化钙浆液从浆液进口1注入三相均化罐2，开启高压循环泵4以形成物料循环，氢氧化钙浆液中的固、液二相同气体进口管6内引入的二氧化碳通过气液混合器5产生高高速混合和喷射，两次混合后，混合的三相混合物从雾化分布器7喷出至雾化腔室11内，形成雾状混合物，在雾化腔室11内二氧化碳进一步被浆液吸收，吸收完的浆液从雾化腔室11向下滴落至三相均化罐2，而多余的气体则从气体出口10排除，如此形成物料的反应循环。由于采用了PLC控制，因此在线电导率仪8的实时数据可推导出反应状况，从而通过对高压循环泵4和可编程气体流量阀9的控制，实现对反应循环的精确控制。

图3为在其他条件均相同的情况下，本实施例与常规鼓泡碳化塔的反应过程对比图，其中，

σ₁----采用本实施例的碳化过程电导率曲线

σ₂----采用常规鼓泡碳化塔的碳化过程电导率曲线。

下表是在其他条件均相同的情况下，本实施例与常规鼓泡碳化塔的生产技术指标对比

从图3和上表可见，由于本例结构的改进，对二氧化碳的利用率大幅增加，因此处理相同浆液反应的循环次数要显著少于现有技术，对生产效率的提升、对能源的节约均有益处。

Claims (9)

1.一种高压变流量循环雾化碳化反应器，包括三相均化罐（2），其特征是，

还包括气液混合器（5）；气液混合器（5）为管状结构，从上游至下游依次包括进口段（51）、收敛段（52）和出口段（53），进口段（51）的侧壁开孔连接气体进口管（6），收敛段（52）的管径小于进口段（51）和出口段（53）的管径；

三相均化罐（2）与气液混合器（5）通过管道形成循环回路；

三相均化罐（2）的下端设有浆液出口（3），浆液出口（3）通过高压循环泵（4）连接至气液混合器（5）的上游端；

气液混合器（5）的下游端连接安装有雾化分布器（7）；

雾化分布器（7）设于三相均化罐（2）内，位于反应液体上方的空间内。

2.根据权利要求1所述的一种高压变流量循环雾化碳化反应器，其特征是，收敛段（52）的形状为锥尖相对的双圆锥体或由内凹圆弧线绕轴旋转形成的空间体。

3.根据权利要求1或2所述的一种高压变流量循环雾化碳化反应器，其特征是，气体进口管（6）的形状为L形，本体部分连通进口段（51）的侧壁内外，末端的轴线与进口段（51）的轴线重合。

4.根据权利要求1或2所述的一种高压变流量循环雾化碳化反应器，其特征是，进口段（51）的管径和出口段（53）的管径均为φ1，收敛段（52）最窄处的管径为φ2，φ1为φ2的5~10倍。

5.根据权利要求4所述的一种高压变流量循环雾化碳化反应器，其特征是，气体进口管（6）的管径为φ3，φ3为φ2的1~1.2倍。

6.根据权利要求1或2所述的一种高压变流量循环雾化碳化反应器，其特征是，气液混合器（5）的数量为两个，按照上、下游串联布置；雾化分布器（7）设于下游侧的气液混合器（5）的下游端。

7.根据权利要求1或2所述的一种高压变流量循环雾化碳化反应器，其特征是，

气体进口管（6）连接至可编程气体流量阀（9）。

8.根据权利要求7所述的一种高压变流量循环雾化碳化反应器，其特征是，三相均化罐（2）上安装有在线电导率仪（8），在线电导率仪（8）通过PLC与高压循环泵（4）、可编程气体流量阀（9）信号连接。

9.根据权利要求1或2所述的一种高压变流量循环雾化碳化反应器，其特征是，还包括雾化腔室（11）；雾化腔室（11）固定在三相均化罐（2）上方，侧壁密封，上端开孔，下端面上贯通有阵列排列的通孔；雾化分布器（7）设于雾化腔室（11）内，气液混合器（5）下游端的管道通过上端开孔伸入至雾化腔室（11）内，与雾化分布器（7）连接。

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