專利名稱：自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于氣、液吸收-解吸過程或者氣、液、固三相催化反應(yīng)-催化劑再生過程的反應(yīng)器系統(tǒng)，特別是涉及一種自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)，屬于化學(xué)工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氣、液吸收-解吸過程，氣、液、固三相催化反應(yīng)-催化劑再生過程是化學(xué)工業(yè)、石化工業(yè)中最常見和最基本的兩個過程。這類過程一般都具有以下特點1)吸收和反應(yīng)過程的效率與氣、液或者氣、液、固三相的混合和相間傳質(zhì)過程密切相關(guān)。2)一般需要至少需要兩個反應(yīng)器完成上述過程，一個反應(yīng)器為吸收或者三相催化反應(yīng)發(fā)生反應(yīng)器，一個是解吸或者催化劑再生反應(yīng)器。總有一部分的物料是在兩反應(yīng)器間循環(huán)的，而循環(huán)過程一般需要依靠泵組件實現(xiàn)。在很多過程中，兩反應(yīng)器間物料循環(huán)耗費了大量的能量。例如，在典型的吸收過程中，吸收溶劑在吸收塔吸收氣體后，被泵送到解吸塔，在解吸塔中吸收溶劑再生，再生的吸收溶劑又被泵送回吸收塔，這樣大量的吸收溶劑在兩塔間不斷的循環(huán)，由此造成的能量消耗成為吸收過程能耗的重要方面之一。
基于鼓泡式反應(yīng)器發(fā)展起來的氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，是在鼓泡反應(yīng)器內(nèi)加入內(nèi)構(gòu)件導(dǎo)流筒，使流體在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生圍繞導(dǎo)流筒的循環(huán)流動，從而實現(xiàn)氣、液、固三相均勻混合，且可獲得較高的相間傳質(zhì)系數(shù)，其在生物發(fā)酵過程、污水處理過程等很多氣、液、固三相反應(yīng)以及氣、液吸收反應(yīng)中有廣泛的應(yīng)用。
氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)流體流動的動力是導(dǎo)流筒內(nèi)外氣、液混相的密度差造成的壓力差。氣體和液體的混相密度比相同狀態(tài)下的純液體的密度低，因而相同高度的氣體和液體的混相液柱比純液體的液柱產(chǎn)生的壓強也小。利用這一壓強差作為兩反應(yīng)器間的流體循環(huán)的推動力，在兩環(huán)流反應(yīng)器間實現(xiàn)自循環(huán)，就可以大幅度減小該過程的能耗、提高生產(chǎn)效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于在氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，提出并建立一種兩個內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器串聯(lián)、反應(yīng)器間流體實現(xiàn)自循環(huán)的串聯(lián)反應(yīng)器系統(tǒng)。該反應(yīng)器系統(tǒng)利用氣、液混相和純液相的密度差造成的壓強差作為兩反應(yīng)器間的流體循環(huán)的推動力，無需泵送系統(tǒng)，即可實現(xiàn)兩反應(yīng)器間流體的循環(huán)交換。所采用的環(huán)流反應(yīng)器氣、液、固三相均勻混合，相間傳質(zhì)系數(shù)高。利用該反應(yīng)器系統(tǒng)可高效、低能耗地實現(xiàn)吸收-解吸過程，氣、液、固三相催化反應(yīng)-催化劑再生過程等過程。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的反應(yīng)器系統(tǒng)由兩個氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器A和B構(gòu)成。每個反應(yīng)器均包括塔身1、導(dǎo)流筒2和氣體分布器3、溢流槽6。在反應(yīng)器的上方設(shè)有流體流出口4、在反應(yīng)器底部設(shè)有流體流入口5。流體流出口4設(shè)在溢流槽6的底部，溢流槽6設(shè)在氣液分離區(qū)7。反應(yīng)器A的流出口和反應(yīng)器B的流入口、反應(yīng)器B的流出口和反應(yīng)器A的流入口之間通過管道8連接，構(gòu)成兩反應(yīng)器間的循環(huán)回路。
本發(fā)明還采用如下的技術(shù)方案1)流體流出口4在導(dǎo)流筒的上方；流體流入口5設(shè)在反應(yīng)器底部、靠近氣體分布器的位置。
2)溢流槽6在反應(yīng)器的導(dǎo)流筒上方的氣液分離區(qū)7內(nèi)，氣、液在溢流槽中進一步分離，自溢流槽底部的流出口4流出的液體中基本無氣泡。
3)流入口伸向?qū)Я魍矁?nèi)部，其高度接近導(dǎo)流筒的下沿，但不高于氣體分布器。
4)一個反應(yīng)器(例如A)的流體流出口4的高度高于另一個反應(yīng)器(例如B)的流體流入口5。
5)塔身A和塔身B的總高與其內(nèi)徑之比為5～15，導(dǎo)流筒2的內(nèi)徑和塔身的內(nèi)徑比為0.4～0.9。
6)反應(yīng)器A和反應(yīng)器B的直徑可不相同。兩者的直徑比由物料在反應(yīng)器A中的停留時間和在反應(yīng)器B中停留時間的比值決定。
7)反應(yīng)器的導(dǎo)流筒2可以是現(xiàn)有技術(shù)提出的各種形式的導(dǎo)流筒，例如可以是單級，也可以是多級的；可以有1個，也可超過1個，在塔身1內(nèi)并列放置。兩個反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)流筒的形式可相同，也可不同。當(dāng)導(dǎo)流筒為多個時，將液體流入口置于其中任何1個導(dǎo)流筒的下沿但不高于氣體分布器的位置即可。
8)兩反應(yīng)器的操作壓力相同。
本發(fā)明提出的自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器組的特點是1)氣體經(jīng)氣體分布器進入反應(yīng)器中的導(dǎo)流筒內(nèi)，由于氣泡在導(dǎo)流筒內(nèi)外的分布不同而產(chǎn)生混相密度差和壓力差，推動流體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)，氣體在氣升式環(huán)流反應(yīng)器中溶解速度快、傳質(zhì)阻力小，因而氣、液吸收反應(yīng)和氣、液、固三相催化反應(yīng)的效率高。
2)從溢流槽流出環(huán)流反應(yīng)器的流體中基本不含氣體，而反應(yīng)器內(nèi)流體中含有一定量的氣體，因此在流入口5處，管道中流體的壓強大于反應(yīng)器內(nèi)的壓強，液體從流入口流入反應(yīng)器的導(dǎo)流筒內(nèi)。因而可在不使用泵送系統(tǒng)的情況下，實現(xiàn)兩反應(yīng)器內(nèi)物料的交換和循環(huán)，節(jié)約了能量。
3)本發(fā)明將流入反應(yīng)器的流體引導(dǎo)入導(dǎo)流筒下方的負(fù)壓區(qū)，從而進一步提高推動兩反應(yīng)器間流體流動的壓差。
4)通過調(diào)整兩反應(yīng)器中氣體的流量，可以改變兩反應(yīng)器中氣體的含量，從而可調(diào)節(jié)兩反應(yīng)器之間流體的循環(huán)速度。


圖1是本發(fā)明提供的自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器組的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1所示反應(yīng)器A的A-A剖視圖，反映反應(yīng)器內(nèi)溢流槽6、導(dǎo)流筒2、氣體分布器3、流體流出口4和流體流入口5的徑向相對位置。反應(yīng)器B的情形是類似的。
圖3是兩個反應(yīng)器均具有2級導(dǎo)流筒的自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)，兩反應(yīng)器中2級導(dǎo)流筒的形式不相同，塔A中的為分段帶有折流板的內(nèi)構(gòu)件，塔B中則是在單級導(dǎo)流筒上開孔。
圖4是其中一個反應(yīng)器A具有3個導(dǎo)流筒的自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)。
圖5是圖1所示自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)的流體流動狀態(tài)圖。
圖6是自反應(yīng)器B中流出的流體(流入反應(yīng)器A的流體)的流量LB隨塔A中氣體體積氣含率εA的變化情況。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖具體說明本發(fā)明的實施方式。
如圖1和2，本發(fā)明由兩個氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器A、B構(gòu)成。兩個反應(yīng)器間通過管道8連接，管道8上包含有閥門等管件。每個反應(yīng)器均包括塔身1、溢流槽6、導(dǎo)流筒2和氣體分布器3。當(dāng)氣體從氣體分布器3噴出后，在氣體分布器3周圍立即產(chǎn)生大量氣泡，也即在分布器3周圍產(chǎn)生稀相區(qū)。稀相區(qū)的密度小于周圍的流體。在密度差和噴出氣體的沖擊作用下，氣泡連同稀相區(qū)的液體、固體顆粒沿導(dǎo)流筒向上運動，并產(chǎn)生環(huán)流運動，如圖5所示。在反應(yīng)器頂部一部分氣體繼續(xù)上升進入氣液分離區(qū)，另一部分氣體則隨流體進入導(dǎo)流筒和反應(yīng)器壁間的下降段。因而在下降段中也存在著一定的氣體含量。這樣氣液接觸的時間較長，吸收和反應(yīng)過程的可充分進行。而在流體流出口4下方的范圍內(nèi)，由于導(dǎo)流筒內(nèi)和環(huán)隙都存在一定含量的氣體，其混相的密度較純液體低，因而在流體流入口5處，液柱產(chǎn)生的壓強P1也比相同高度的純液體液柱產(chǎn)生的壓強低。
在反應(yīng)器頂部氣液分離區(qū)，進入氣液分離區(qū)的氣體繼續(xù)上升，最終從氣液混相中逸出，并從反應(yīng)器頂部的排氣口排出。經(jīng)過氣液分離后的部分液體下降到下降段，繼續(xù)參與環(huán)流；另一部分液體則流入溢流槽6。在溢流槽中，液體相對靜止，液體中含有的少量氣體進一步被分離，因而自溢流槽6底部流出的液體中基本上不含有氣體，為純液體。那么當(dāng)管道8中充滿液體、且不考慮流體的動壓時，由于液體中不含氣體，因此管道8中的液柱在流體流入口5處所產(chǎn)生的壓強P2大于反應(yīng)器中的液柱產(chǎn)生的壓強P1。在壓差的作用下，流體自流出口4，沿管道8和流入口5克服阻力流向另一個反應(yīng)器的導(dǎo)流筒內(nèi)。實際上，由于導(dǎo)流筒內(nèi)氣體和液體的快速向上運動，流入口5外側(cè)的壓強將進一步減小，使得流入口5內(nèi)外兩側(cè)的壓強差進一步提高。
流入口5內(nèi)外兩側(cè)的壓強差和管道8(包括管件)的阻力大小將最終決定流體的在管道8中流動的速率。如果提高反應(yīng)器中氣液混相的氣含率(比如增加進入反應(yīng)器的氣體的流量)，則流入口5內(nèi)外兩側(cè)的壓強差增加，因而流體流動速率提高。如果使用光滑、內(nèi)徑大的管道8連接兩塔，且采用的管件的阻力系數(shù)較小，則流體流動的速率也將會提高。
當(dāng)反應(yīng)器A、B中流入口5內(nèi)外兩側(cè)的壓強差PA和PB不同時，流體從兩個反應(yīng)器流出的流量就可能不一樣。在連接兩個反應(yīng)器的管道的阻力相同的情況下，如果ΔPA＜ΔPB，則從反應(yīng)器A中流出的流體(即流入反應(yīng)器B的流體)的流量LA大于自反應(yīng)器B中流出的流體(流入反應(yīng)器A的流體)的流量LB，則反應(yīng)器A中的液面將下降，而反應(yīng)器B中的液面將上升。這就使得ΔPA增大，而ΔPB減小最終ΔPA＝ΔPB，而LA＝LB；即兩反應(yīng)器中流體交換量相等，反應(yīng)器系統(tǒng)進入穩(wěn)定操作狀態(tài)；反之，如果PA＞PB，則最終反應(yīng)器A中的液面將上升一定高度，而達到LA＝LB的穩(wěn)定操作狀態(tài)。因而，本反應(yīng)器系統(tǒng)具有自調(diào)節(jié)的性能，即在操作參數(shù)偏離穩(wěn)態(tài)時，反應(yīng)器系統(tǒng)將自動通過調(diào)整兩反應(yīng)器中液位，自動進入穩(wěn)態(tài)。
下面介紹本發(fā)明的幾個實施例，但本發(fā)明的保護范圍，并不局限于實施例。
實施例1本實施例為實驗測定的進入反應(yīng)器的氣體流量不同時，兩反應(yīng)器間循環(huán)流體流量的變化。進行實驗測定的反應(yīng)器中的導(dǎo)流筒均為2級。反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。反應(yīng)器的材質(zhì)為有機玻璃，導(dǎo)流筒的材質(zhì)為不銹鋼。管道8為尼龍管道，管道直徑2cm，管道中有流量計。測定所采用的液體為純水，氣體為壓縮空氣，操作壓力為常壓。當(dāng)塔B中的氣體體積氣含率保持不變(6％)，而塔A中氣體的體積氣含率εA不同時，自反應(yīng)器B中流出流體(流入反應(yīng)器A的流體)的流量LB的變化繪制在附圖6中。
表1反應(yīng)器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位mm)

實施例2本實施例為采用本發(fā)明的反應(yīng)器系統(tǒng)，通過吸收反應(yīng)脫除氣體中的硫化氫，并對吸收劑進行再生。該過程應(yīng)用鐵基工藝，以絡(luò)合Fe3+為吸收反應(yīng)的催化劑。其吸收反應(yīng)和絡(luò)合鐵Fe2+的再生反應(yīng)如下吸收反應(yīng)為
再生反應(yīng)為吸收反應(yīng)和再生反應(yīng)分別在環(huán)流反應(yīng)器A的環(huán)流反應(yīng)器B中進行。含硫化氫氣體自反應(yīng)器A的分布器進入反應(yīng)器A，在被A中的溶液吸收并和絡(luò)合Fe3+反應(yīng)后，生成硫磺(S)和絡(luò)合Fe2+；脫除硫化氫的氣體自A頂部排出。反應(yīng)中形成的絡(luò)合Fe2+隨溶液流入反應(yīng)器B，反應(yīng)器B中通入壓縮空氣或氧氣，將絡(luò)合Fe2+重新氧化為絡(luò)合Fe3+，絡(luò)合Fe3+再從反應(yīng)B的流出口流到反應(yīng)器A，如此鐵離子即可不斷循環(huán)使用，而通過入A中的氣體中所含有的硫化氫不斷被吸收并反應(yīng)消除。
權(quán)利要求
1.自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)由兩個氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器A和反應(yīng)器B構(gòu)成；所述反應(yīng)器A和反應(yīng)器B均包括塔身(1)、導(dǎo)流筒(2)、氣體分布器(3)和溢流槽(6)；所述反應(yīng)器A和反應(yīng)器B的上方設(shè)有流體流出口(4)、底部設(shè)有流體流入口(5)；所述反應(yīng)器A的流出口和反應(yīng)器B的流入口、反應(yīng)器B的流出口和反應(yīng)器A的流入口之間通過管道(8)連接，構(gòu)成兩反應(yīng)器間的循環(huán)回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述反應(yīng)器A和反應(yīng)器B流出口(4)設(shè)在溢流槽(6)的底部；流體流入口(5)設(shè)在反應(yīng)器底部、靠近氣液分布器的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述反應(yīng)器A和反應(yīng)器B溢流槽(6)設(shè)在導(dǎo)流筒(3)上方的氣液分離區(qū)(7)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述流體流入口(5)，通過引管伸向?qū)Я魍矁?nèi)部，其高度接近導(dǎo)流筒的下沿，但不高于氣體分布器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于，其中一個反應(yīng)器的流出口(4)的豎直高度高于另一個反應(yīng)器的流入口(5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述反應(yīng)器A和反應(yīng)器B的直徑比由物料在反應(yīng)器A中的停留時間和在反應(yīng)器B中停留時間的比值決定，所述反應(yīng)器A塔身和反應(yīng)器B塔身的總高與其內(nèi)徑之比為5～15，所述導(dǎo)流筒(2)的內(nèi)徑和塔身的內(nèi)徑比為0.4～0.9。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述反應(yīng)器A和反應(yīng)器B的導(dǎo)流筒(2)為各種形式，兩個反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)流筒的形式可相同，也可不同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述反應(yīng)器A和反應(yīng)器B的導(dǎo)流筒(2)包括單級與多級、或單個與多個形式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)，其特征在于，所述反應(yīng)器A和反應(yīng)器B的操作壓力相同。
全文摘要
自循環(huán)串聯(lián)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器系統(tǒng)，屬于化學(xué)工程領(lǐng)域。所述系統(tǒng)由兩個氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器構(gòu)成。每個反應(yīng)器包括塔身1、導(dǎo)流筒2、氣體分布器3和溢流槽6。每個反應(yīng)器溢流槽6底部有流體流出口4、導(dǎo)流筒下沿有流體流入口5。一個反應(yīng)器的流出口和另一反應(yīng)器的流入口之間通過管道8連接，由此構(gòu)成兩反應(yīng)器間的循環(huán)回路。從溢流槽流出的液體中不含氣體，而反應(yīng)器內(nèi)液體中含有一定量氣體，在流入口5處，管道中流體的壓強大于反應(yīng)器內(nèi)的壓強，流體從流入口流入，從而在不使用泵送系統(tǒng)的情況下，實現(xiàn)兩反應(yīng)器內(nèi)物料的交換和循環(huán)，節(jié)約了能量。氣體在氣升式環(huán)流反應(yīng)器中溶解速度快、傳質(zhì)阻力小，氣、液吸收反應(yīng)和氣、液、固三相催化反應(yīng)的效率高。
文檔編號B01J8/22GK1762570SQ20051008643
公開日2006年4月26日 申請日期2005年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者喬永, 蔣國強, 趙洲洋, 丁富新 申請人:清華大學(xué)