CN221182786U - 多级搅拌直立管式反应器 - Google Patents

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CN221182786U CN202323156886.2U CN202323156886U CN221182786U CN 221182786 U CN221182786 U CN 221182786U CN 202323156886 U CN202323156886 U CN 202323156886U CN 221182786 U CN221182786 U CN 221182786U
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丁兴成
龚斌彬
高立江
金新闯
张争争
杜志超
何江伟
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Zhejiang Runtu Institute Co ltd
Zhejiang Runtu Co Ltd
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Abstract

提供了一种多级搅拌直立管式反应器,其包括釜式反应部、管式反应部、动力部和搅拌部。所述釜式反应部包括釜体和进料口,所述进料口设置于所述釜体的顶部。所述管式反应部包括内管和排放口,所述内管连接到所述釜体,从而所述釜体内的物料能够进入所述内管进行反应,所述排放口设置于所述内管的下部。所述动力部包括电机,所述搅拌部包括搅拌轴和多个搅拌桨,所述多个搅拌桨连接到所述搅拌轴。所述搅拌轴直接或间接连接到所述电机,所述搅拌轴延伸至所述釜体和所述内管的内部。

Description

多级搅拌直立管式反应器
技术领域
本申请涉及化学反应设备技术领域,且特别涉及一种多级搅拌直立管式反应器。
背景技术
反应器是化学反应工艺中的核心设备,反应器按照结构类型大致可分为管式、釜式、塔式、固定床式等种类。其中塔式和固定床式反应器一般只适用于特殊物料之间的反应,如气液之间或含固体催化剂物料之间的反应。
釜式反应器是传统的生产设备,在化工生产领域应用较多,市场供应量较大。釜式反应器又称为罐式反应器,其直径通常较大,釜体高径比一般小于3,属于全混流反应器,一般设置有搅拌装置。釜式反应器中物料的浓度和温度基本保持一致,而物料质点在反应器内停留时间不一致,存在不同停留时间的物料混合的现象,即物料返混程度比较大。反应器内的物料组成受到返混现象的影响,物料组成的变化可能进一步影响反应效率,进而可能会影响整个反应器内的反应情况。
综合来说,釜式反应器具有适用范围广,投产容易,易于移走反应热,技术相对成熟的优点。同时具有比表面积小、物料停留时间不一致、设备直径和容积相对较大、容积效率较低等缺点。
近年来,管式反应器在化工生产中逐渐被重视,其应用也越来越广泛。管式反应器是一种呈管状、长径比较大(一般≥10)的连续操作反应器,理想的管式反应器属于平推流反应器,流体在可以管道内呈活塞式流动,由单根(直管、盘管或U形管)或者多根平行排列的管子组成。管式反应器的外部通常设有套管,其形状各异,应用范围较窄。
管式反应器内的反应物分子在反应器内停留时间基本相等,所以在反应器内任何一点上的反应物浓度和化学反应速度主要随管长变化而变化。反应器内的物料能够以稳定的流量由反应器的一端连续进入,流动的同时进行化学反应,最终从反应器的另一端出料。管式反应器的管道轴向一般不容易形成流体的混合,而管道的径向容易发生流体的混合。
相较于釜式反应器,管式反应器的返混影响较小,在物料流速较低的情况下,其管道内的流体的流型接近于理想流体。管式反应器适用于液相反应、气相反应、加压反应等。管式反应器较难带走其产生的反应热,在管内反应速率较低时,需要较长的管道进行反应。管式反应器的管径相对较小,管道可能较为曲折,流体的流动动力通常由管外的流体输送泵提供,管式反应器的管道内部难以设置搅拌器对物料进行推进或混合。管式反应器的管道细长,较难清洗,故不宜应用于含有固体物料的化学反应。
CN212942877U公开了一种动态管式反应器,其包括搅拌轴、筒体及外夹套。搅拌轴内设有第一冷却腔,第一冷却腔内用于通入冷却介质,搅拌轴的相对两端分别设有第一连接端头与第二连接端头。筒体套设在搅拌轴外,且筒体的相对两端分别对应连接在第一连接端头与第二连接端头,筒体与搅拌轴之间形成第一反应腔。外夹套套设在筒体外,且外夹套的相对两端也分别对应连接在第一连接端头与第二连接端头,外夹套与筒体之间形成第二冷却腔,第二冷却腔也用于通入冷却介质。
上述实用新型公开的动态管式反应器仅靠夹套换热,无外置换热器,当化学反应放热量比较大时,其换热面积明显不足,所以不适合有剧烈放热反应的场合。反应物或反应产物含有固体物料时,其管道内壁易结块,不易清洗。该动态管式反应器没有设置物料内循环结构,当反应物一次反应转化率不足、产品不合格时,只能重新进行反应,故无法实现大规模连续化生产。
CN112156724A公布了一种管式反应器,管式反应器中的第一渐变区段位于内管壁靠近输入流体的第一端,其在涡旋流管的纵向上具有第一长度和第一横截面。第一横截面随着第一渐变区段在纵向上扭转第一预定角度的同时由半径为R的圆形光滑渐变为叶片形状。第一横截面随着第一渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第一预定角度。第三横截面随着第二渐变区段在纵向上扭转第三预定角度的同时由叶片形状光滑渐变为半径为R的圆形。第三横截面随着第二渐变区段在纵向上非线性渐变地扭转第三预定角度,第三横截面的横截面面积保持不变。
上述发明专利申请公开的管式反应器内无搅拌装置,流体动力仅靠进料端输送泵的流体动力,由于重力和摩擦作用,流动趋势随管长逐渐衰减。无冷却装置,亦无法实现在线检测和控制,当反应物剧烈放热时,降温效果不佳,无法控制;当有含固物料时,堵塞不易清洗,无法实现大规模连续化生产。
CN219252619U公开了一种管道式反应器,其包括釜体、蒸汽管、搅动装置、至少一个反应管、进料管和出料管,釜体中设有内腔,内腔中装有液体。蒸汽管部分位于内腔中,蒸汽管用于接入蒸汽并将蒸汽注入内腔中以加热内腔中的液体。搅动装置的至少一部分伸入内腔中并用于搅动内腔中的液体以使液体在内腔中流动。反应管安装在内腔中并至少部分浸没在内腔中的液体中。进料管与反应管的一端部相连并用于向反应管中注入物料。出料管与反应管的另一端部相连并用于排出反应管中的物料。
上述实用新型公布了一种管道式反应器,该设备结构类似釜式反应器,该设备连接有蒸汽管,使用蒸汽给内腔物料加热,是纯加热型的反应器,无冷却系统,不易排出化学反应热。其反应管呈螺旋状盘绕,并浸没在釜体内腔液体中,液体返混现象严重,仅适用于液-液反应。反应器的上部是平盖结构,该结构承受容器内压的能力较差。
实用新型内容
鉴于上述现有技术的状态而做出本申请。本申请的目的在于提供一种多级搅拌直立管式反应器,该反应器兼有釜式反应部和管式反应部,相较传统的管式反应器适用范围更广。
本申请提供一种多级搅拌直立管式反应器,其包括釜式反应部、管式反应部、动力部和搅拌部,
所述釜式反应部包括釜体和进料口,所述进料口设置于所述釜体的顶部,
所述管式反应部包括内管和排放口,所述内管连接到所述釜体,从而所述釜体内的物料能够进入所述内管进行反应,所述排放口设置于所述内管的下部,
所述动力部包括电机,所述搅拌部包括搅拌轴和多个搅拌桨,所述多个搅拌桨连接到所述搅拌轴,
所述搅拌轴直接或间接连接到所述电机,所述搅拌轴延伸至所述釜体和所述内管的内部。
在至少一个可能的实施方式中,所述管式反应部还包括外夹套管、换热介质入口和换热介质出口,
所述外夹套管套设于所述内管的外部,
所述外夹套管和所述内管之间用于填充换热介质,
所述换热介质入口和所述换热介质出口设置于所述外夹套管并与所述外夹套管连通。
在至少一个可能的实施方式中,
所述釜式反应部还包括循环物料入口,
所述管式反应部还包括循环物料出口,
所述管式反应部内的物料能够由所述循环物料出口流出后再由所述循环物料入口流入所述釜式反应部。
在至少一个可能的实施方式中,所述管式反应器还包括换热部,所述换热部包括换热器和循环泵,
所述换热器和所述循环泵设置于所述循环物料出口至所述循环物料入口之间的管路,所述物料流经所述换热器时吸收或放出热量。
在至少一个可能的实施方式中,所述管式反应部还包括取样口,所述取样口设置于所述循环物料出口的下游管路。
在至少一个可能的实施方式中,所述循环物料入口的进料角度沿所述釜体的壁面的切线方向倾斜设置,以冲刷所述釜体的内壁。
在至少一个可能的实施方式中,单个所述动力部驱动单个搅拌轴,所述单个搅拌轴同时伸入所述釜式反应部和所述管式反应部。
在至少一个可能的实施方式中,所述釜体包括上方的筒形部和下方的锥形部,所述锥形部连接所述内管。
在至少一个可能的实施方式中,所述搅拌桨为双斜叶桨,所述搅拌桨包括两个主桨叶,所述主桨叶的端部还设置有副桨叶,所述搅拌桨的主桨叶倾角为30至60度,
所述多个搅拌桨等间距分布于所述搅拌轴,相邻的所述搅拌桨的桨叶延伸方向成90度夹角。
在至少一个可能的实施方式中,所述管式反应部还包括反应器连接口,以串联和/或并联多个所述管式反应器。
本申请提供的多级搅拌直立管式反应器,兼有釜式反应部和管式反应部,相较传统的管式反应器适用范围更广,相较传统的釜式反应器返混现象影响较小。
附图说明
图1为根据本申请的一个实施方式的多级搅拌直立管式反应器的结构示意图。
附图标记说明
10 釜式反应部
11 釜体
12 进料口
13 液位计
14 第一测温仪表
15 循环物料入口
20 管式反应部
21 内管
22 外夹套管
23 反应器连接口
24 第二测温仪表
25 循环物料出口
26 换热介质入口
27 换热介质出口
28 取样口
29 排放口
30 动力部
31 电机
32 变速箱
33 机架
40 换热部
41 换热器
411 换热器换热介质入口
412 换热器换热介质出口
42 循环泵
50 搅拌部
51 搅拌轴
52 搅拌桨
53 搅拌轴支座
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解,这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请,而不用于穷举本申请的所有可行的方式,也不用于限制本申请的范围。
本申请的实施方式提供一种多级搅拌直立管式反应器(下面简称为“管式反应器”),如图1所示,该管式反应器可以包括釜式反应部10、管式反应部20、动力部30、冷却部40和搅拌部50。
具体的,釜式反应部10可以包括釜体11、进料口12、液位计13、第一测温仪表14和循环物料入口15。釜体11可以包括上方的筒形部和下方的锥形部。进料口12、液位计13可以设置于釜体11的顶部。第一测温仪表14和循环物料入口15可以设置于釜体11的侧壁。
优选的,进料口12可以设置有多个。多个进料口12距釜体11的顶部中心的距离可以相同。
优选的,液位计13可以为雷达液位计。
优选的,釜体11的顶部还可以设置有压力表口、安全阀口等,用于设置或通过压力表、安全阀等。
进一步的,管式反应部20可以包括内管21、外夹套管22、反应器连接口23、第二测温仪表24、循环物料出口25、换热介质入口26、换热介质出口27、取样口28和排放口29。管式反应部20可以连接到釜式反应部10的底部,即管式反应部20的内管21的顶部开口可以连接到釜式反应部10的釜体11(特别是锥形部)的底部开口。外夹套管22可以套设于内管21的外部,外夹套管22与内管21之间可以填充换热介质。可以理解,换热介质可以包括冷却介质或加热介质,以分别对物料进行冷却或加热。内管21与外夹套管22之间可以设置有隔板等以隔离内管21与外夹套管22,避免内管21内的物料与外夹套管22内的换热介质混合。
可以理解,在实际工作时,釜体11和内管21是主要的物料混合及化学反应区。反应物在釜体11内为全混流状态,反应物在釜体11初步混合后进入内管21,反应物在釜体11内的停留时间较短。相比于传统的釜式反应器,本实施方式提供的管式反应器采用釜式反应部10和管式反应部20结合的方式,有效的降低了返混现象。
反应器连接口23可以设置于管式反应部20的下部并与内管21连通,用于将多个管式反应器串联或者并联,以实现规模化生产。一个或多个第二测温仪表24可以设置于管式反应部20的侧壁,并且第二测温仪表24可以伸入内管21而检测内管21内的物料温度。可以理解,该管式反应器的釜式反应部10可以设置有一个或多个第一测温仪表14,管式反应部20可以设置有一个或多个第二测温仪表24,多个测温仪表可以分别测量不同区域、管段内的物料温度,并可以依此辅助该管式反应器的远程控制。
循环物料出口25可以设置于管式反应部20的下部并与内管21连通。管式反应器内的物料可以由循环物料出口25排出后再由循环物料入口15再次进入管式反应器。物料可以通过上述方式使物料循环进入管式反应器,直至反应产物合格、达到预定的转化率为止。
换热介质入口26可以设置于外夹套管22的下部并与外夹套管22连通,换热介质出口27可以设置于外夹套管22的上部并与外夹套管22连通。可以经由换热介质入口26和换热介质出口27使换热介质循环进出外夹套管22,增强外夹套管22的换热效果。
取样口28可以设置于循环物料出口25的下游管道,可以实时提取物料样品。排放口29可以设置于管式反应部20的下部(特别是底部),以将达到标准的物料(包括反应物和/或产物)通过排放口29排出,输送到后续工艺的设备中。
优选的,内管21和外夹套管22的长径比可以为10至50。
优选的,管式反应部20的工作压力可以为0至10MPa(兆帕;表压),工作温度可以为-20至300℃(摄氏度)。
优选的,循环物料出口25的下游管道还可以设置有温度计口,以安装或通过温度计,以监测循环物料出口25附近的物料温度。
优选的,循环物料入口15连接到釜体11的角度可以使物料沿釜体11的壁面的切线方向进入釜体11,以冲刷釜体11的内壁,避免物料沉积。
换热部40可以包括换热器41和循环泵42,换热器41和循环泵42可以设置于循环物料出口25与循环物料入口15之间的管路上。优选的,循环泵42可以设置于换热器41与循环物料出口25之间的管路上。当仅使用外夹套管22不足以达到换热要求时,可以通过循环泵42将管式反应器内的物料输送至换热器41中进一步换热。换热器41可以形成有换热器换热介质入口411和换热器换热介质出口412,以便对换热器41内(特别是换热器的壳程内)的换热介质进行循环。
优选的,换热器41可以是列管式换热器,列管式换热器可以包括管程(列管内部)和壳程(列管和外壳之间)。
动力部30可以包括电机31、变速箱32和机架33。电机31可以与变速箱32连接,可以通过机架33将电机31及变速箱32连接到釜式反应部10。动力部30可以设置于釜式反应部10的顶部,即机架33连接到釜式反应部10的顶部。
优选的,动力部30与釜式反应部10之间,特别是釜体11的顶部和变速箱32(可以包括部分搅拌轴51)之间可以形成有密封结构,特别是机械密封结构。
优选的,电机31可以是阻燃防爆型电机。电机31可以连接变频器以实现电机的变频调速。
搅拌部50可以包括搅拌轴51和一个或多个搅拌桨52,搅拌轴51可以连接到动力部30。在本实施方式中搅拌轴51可以连接到变速箱32的输出轴,可以理解,在一些工况下也可以不设置变速箱而将直接将搅拌轴51连接到电机31的输出轴。
可以理解,在一些工作条件下,也可以由两个电机31分别驱动一个搅拌部。两个搅拌部分别设置于釜式反应部10和管式反应部20,能够以不同的功率在釜体11和内管21内分别进行搅拌作业。
搅拌轴51可以穿过釜体11延伸至内管21的底部,内管21的底部还可以设置有搅拌轴支座53,搅拌轴51可以连接到搅拌轴支座53。一个或多个搅拌桨32可以连接到搅拌轴51,搅拌桨32可以随搅拌轴51一起转动。
可以理解,搅拌轴支座53可以平衡搅拌轴51、增加搅拌轴51的稳定性等。搅拌轴支座53(特别是搅拌轴支座53和搅拌轴51的接触部分)可以采用耐磨损、耐腐蚀、耐高温材料。
可以理解,反应物可以在搅拌桨52和/或循环泵42的作用下进入内管21,反应物在内管21内处于平推流状态,进一步完成化学反应。
优选的,搅拌桨52可以是双斜叶桨。即每个搅拌桨52包括2个主桨叶,桨叶的倾角(桨叶叶面与搅拌轴轴线的夹角)可以为30至60度,特别是45度。主桨叶的长度方向的端部还可以设置有副桨叶,副桨叶的叶面可以与主桨叶的叶面垂直,即副桨叶的叶片倾角方向可以与主桨叶的叶片倾斜方向相反。
优选的,多个搅拌桨52可以等间距分布于搅拌轴51。
优选的,沿搅拌轴51相邻的两个搅拌桨52的桨叶延伸方向可以互成90度夹角分布。
优选的,搅拌桨52的转速可以为1至20米每秒。搅拌桨52的转速可以调节,特别是,搅拌桨52的转速调节可以选用变频调速技术。可以理解,搅拌桨采用上述转速范围时既适合低粘度物料的搅拌与混合,又适合高粘度物料的搅拌与混合。搅拌桨低速时以产生环向流和轴向流为主,搅拌桨高速时以径向流和轴向流为主,搅拌桨可在层流区和湍流区操作。
优选的,根据该管式反应器的应用的反应物及产物的种类,其主要结构例如釜体11、内管21、外夹套管22等结构的材料可以为普通碳素钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢或哈氏合金等。
可以理解,本实施方式提供的管式反应器可以分批次进料进行化学反应,也可以连续进料进行化学反应。
可以理解,本实施方式提供的管式反应器可以适用于气-液之间,液-液之间,液-固之间或气-液-固三相之间等物料的混合与化学反应。
下面提供一个实施例说明本申请的上述实施方式的工作过程。
在某染料生产的连续硝化反应工艺中,原料为混酸(硝酸A和硫酸B)以及某固体有机物C,反应产物为硝化料混合有机物D和E。管式反应部20(特别是内管21)的长径比为15,工作温度为10至60℃,工作压力为0.3MPa(表压)。使用三个本申请的实施方式提供的管式反应器串连连接(即管式反应器的排放口29或者反应器连接口23与下一级管式反应器的进料口12连接),形成三级反应装置。
原料混酸A和B按一定比例混合后可以由输料泵输送至一级管式反应器的釜式反应部10的进料口12,可以由多个进料口12向釜体11内加入原料。原料加至釜体11的最高液位高度后,启动动力部30使搅拌部50开始运转。开启换热介质入口26和换热介质出口27,以冷冻盐水作为冷却剂(换热介质),外夹套管22对内管21进行冷却。检查管式反应器的各项指标是否正常,例如温度压力是否在规定的范围内,设备有无异常声响。如果发现异常指标,则停止加料,停止设备进行检修;如果各项指标均正常,可以进行下一步工作。
原料C(固体微粒)可以由气力输送装置输送至进料口12处,再进入釜体11的内部。此时釜体11内的开始进行化学反应(放热反应),放热反应产生的热量可以由外夹套管22内的冷却剂带走。
开启循环泵42,物料自循环物料出口25送至换热器41中,反应热进一步由外置列管式换热器41的壳程中的冷却剂带走,物料则流经管程冷却。经降温后的反应物可以由循环物料入口15沿釜体11的壁面切线进入釜体11。如此循环往复进行化学反应,一边反应一边由冷却剂给系统不断降温。
在化学反应进行的过程中,可以由第一侧温仪表14、第二测温仪表24、液位计13、压力表等不断检测系统的各项工艺指标是否在规定范围内。
一级管式反应器完成第一步化学反应,可以由取样口28取样检测反应物是否合格。取样合格后,物料可以由一级管式反应器的排放口29(或者反应器连接口23)由泵输入二级管式反应器的进料口12中,在二级管式反应器内继续进行化学反应。二级反应完成后,由二级管式反应器的排放口29(或者反应器连接口23)进入三级管式反应器的进料口12中进行三级反应。三级反应后的合格物料经三级管式反应器底部的排放口29进入后续工艺的处理设备中去。可以理解,三台串连的管式反应器的结构与工作流程基本相同。
当该管式反应器需要清洗时,例如釜体11的内壁结有固体沉渣或积料时,可以分别拆开釜式反应部10与动力部30的连接处和/或管式反应部20的底部盖体,定期对管式反应器的内部进行人工或机械清洗。
下面简单说明本申请的上述实施方式的部分有益效果。
本申请的实施方式提供的多级搅拌直立管式反应器可以适用于气-液之间、液-液之间、液-固之间、气-液-固三相之间的化学反应。可以采用多个管式反应器串联或并联以实现规模化、连续化生产。该管式反应器可以适用于常压操作或加压操作。相比于普通的釜式反应器或管式反应器,本实施方式提供的管式反应器具有工艺简单、操作简便、反应速度快、容积较小、产量高、返混小、比表面积大、换热效率高、安全性高等优点。
可以理解,在本申请中,未特别限定部件或构件的数量时,其数量可以是一个或多个,这里的多个是指两个或更多个。对于附图中示出和/或说明书描述了部件或构件的数量为例如两个、三个、四个等的具体数量的情况,该具体数量通常是示例性的而非限制性的,可以将其理解为多个,即两个或更多个,但是,这不意味着本申请排除了一个的情况。
应当理解,上述实施方式仅是示例性的,不用于限制本申请。本领域技术人员可以在本申请的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变,而不脱离本申请的范围。

Claims (10)

1.一种多级搅拌直立管式反应器,其特征在于,包括釜式反应部、管式反应部、动力部和搅拌部,
所述釜式反应部包括釜体和进料口,所述进料口设置于所述釜体的顶部,
所述管式反应部包括内管和排放口,所述内管连接到所述釜体,从而所述釜体内的物料能够进入所述内管进行反应,所述排放口设置于所述内管的下部,
所述动力部包括电机,所述搅拌部包括搅拌轴和多个搅拌桨,所述多个搅拌桨连接到所述搅拌轴,
所述搅拌轴直接或间接连接到所述电机,所述搅拌轴延伸至所述釜体和所述内管的内部。
2.根据权利要求1所述的多级搅拌直立管式反应器,其特征在于,所述管式反应部还包括外夹套管、换热介质入口和换热介质出口,
所述外夹套管套设于所述内管的外部,
所述外夹套管和所述内管之间用于填充换热介质,
所述换热介质入口和所述换热介质出口设置于所述外夹套管并与所述外夹套管连通。
3.根据权利要求1所述的多级搅拌直立管式反应器,其特征在于,
所述釜式反应部还包括循环物料入口,
所述管式反应部还包括循环物料出口,
所述管式反应部内的物料能够由所述循环物料出口流出后再由所述循环物料入口流入所述釜式反应部。
4.根据权利要求3所述的多级搅拌直立管式反应器,其特征在于,还包括换热部,所述换热部包括换热器和循环泵,
所述换热器和所述循环泵设置于所述循环物料出口至所述循环物料入口之间的管路,所述物料流经所述换热器时吸收或放出热量。
5.根据权利要求3所述的多级搅拌直立管式反应器,其特征在于,所述管式反应部还包括取样口,所述取样口设置于所述循环物料出口的下游管路。
6.根据权利要求3所述的多级搅拌直立管式反应器,其特征在于,所述循环物料入口的进料角度沿所述釜体的壁面的切线方向倾斜设置,以冲刷所述釜体的内壁。
7.根据权利要求1所述的多级搅拌直立管式反应器,其特征在于,单个所述动力部驱动单个搅拌轴,所述单个搅拌轴同时伸入所述釜式反应部和所述管式反应部。
8.根据权利要求1所述的多级搅拌直立管式反应器,其特征在于,所述釜体包括上方的筒形部和下方的锥形部,所述锥形部连接所述内管。
9.根据权利要求1所述的多级搅拌直立管式反应器,其特征在于,所述搅拌桨为双斜叶桨,所述搅拌桨包括两个主桨叶,所述主桨叶的端部还设置有副桨叶,所述搅拌桨的主桨叶倾角为30至60度,
所述多个搅拌桨等间距分布于所述搅拌轴,相邻的所述搅拌桨的桨叶延伸方向成90度夹角。
10.根据权利要求1所述的多级搅拌直立管式反应器,其特征在于,所述管式反应部还包括反应器连接口,以串联和/或并联多个所述管式反应器。
CN202323156886.2U 2023-11-22 2023-11-22 多级搅拌直立管式反应器 Active CN221182786U (zh)

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