一種控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的裝置和方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的裝置及方法。所述裝置包括承壓外管、開(kāi)有若干分布孔的分布管和多孔內(nèi)管；分布管介于承壓外管和多孔內(nèi)管之間，采用可拆卸的密封件密封管與管之間兩端的環(huán)隙；多孔內(nèi)管的內(nèi)部為超臨界水氧化反應(yīng)區(qū)；承壓外管上開(kāi)有邊界流體的進(jìn)料口。所述方法包括以下步驟：(1)反應(yīng)液預(yù)熱至374~550℃從多孔內(nèi)管的一端進(jìn)入反應(yīng)區(qū)；(2)邊界流體以常溫~374℃從承壓外管上的進(jìn)料口進(jìn)入，依次穿過(guò)分布管和多孔內(nèi)管進(jìn)入反應(yīng)區(qū)；(3)邊界流體和反應(yīng)物料在反應(yīng)區(qū)混合、反應(yīng)，最后從多孔管的另一端排出。本發(fā)明有效解決了邊界流體分布不均，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、改進(jìn)繁瑣等問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的控制裝置及方法，具體涉及一種可應(yīng)用于超臨界水氧化技術(shù)中的反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的控制裝置和方法，屬于環(huán)保、化工【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]超臨界水氧化技術(shù)是以超臨界水(T > 373.9460C> P > 22.064MPa)為反應(yīng)介質(zhì)，在氧化劑(如H202、O2、空氣等)存在的條件下，將有機(jī)污染物氧化降解的技術(shù)。該技術(shù)一般在I分鐘內(nèi)能將幾乎所有的有機(jī)物徹底氧化降解為H2OXO2等無(wú)毒小分子物質(zhì)，被譽(yù)為是最有前途的污染物末端處理技術(shù)。但在該技術(shù)誕生的30余年里，存在于設(shè)備內(nèi)的腐蝕和堵塞問(wèn)題一直未能得到很好的解決，嚴(yán)重限制了其工業(yè)化應(yīng)用。
[0003]反應(yīng)器作為該項(xiàng)技術(shù)的核心部分，一直是研究的熱點(diǎn)。蒸發(fā)壁式反應(yīng)器是眾多反應(yīng)器中最有潛力的超臨界水氧化反應(yīng)器之一。該類(lèi)反應(yīng)器由實(shí)體的承壓外管和多孔的內(nèi)管組成，通過(guò)雙層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)承壓管和反應(yīng)區(qū)的隔離；同時(shí)邊界流體(此處單指水)在多孔內(nèi)管內(nèi)表面形成一層持續(xù)更新的保護(hù)膜，以減緩甚至消除高溫反應(yīng)液對(duì)多孔內(nèi)管的侵蝕和無(wú)機(jī)鹽的附著沉積，即該類(lèi)反應(yīng)器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)“防腐蝕”和“抗堵塞”的效果。
[0004]但現(xiàn)有研究表明，控制邊界流體(此處單指水)形成一層持續(xù)更新的保護(hù)膜并不容易，而這正是蒸發(fā)壁反應(yīng)器的核心。中國(guó)專(zhuān)利(200710048051.1)公開(kāi)了采用蒸發(fā)壁反應(yīng)器處理高濃度丙烯酸廢水的方法，但沒(méi)有針對(duì)邊界流體控制的介紹。中國(guó)專(zhuān)利(200910022341.8)公開(kāi)了 一種逆流罐式蒸發(fā)壁反應(yīng)器，設(shè)置有多個(gè)邊界流體(此處單指水)進(jìn)口，但不能分別控制每一進(jìn)口的邊界流體(此處單指水)流量。中國(guó)專(zhuān)利(200710113212.0)公開(kāi)了一種新型蒸發(fā)壁式反應(yīng)器，通過(guò)托環(huán)和彈簧環(huán)將承壓外管和多孔內(nèi)管間的環(huán)隙分為多個(gè)獨(dú)立的區(qū)，分別控制每一個(gè)區(qū)的邊界流體(此處單指水)流量和溫度，但系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。中國(guó)專(zhuān)利(201210007515.5)公開(kāi)了采用空氣代替水作為邊界流體的新型蒸發(fā)壁反應(yīng)器，但具體的邊界流體控制方法未見(jiàn)詳細(xì)描述。
[0005]此外，以上專(zhuān)利的共同不足之處在于:(I)僅通過(guò)幾個(gè)(一般在10個(gè)以?xún)?nèi))邊界流體進(jìn)口難以真正實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界流體的分流；(2)鑒于反應(yīng)器的尺寸和空間結(jié)構(gòu)，設(shè)備運(yùn)行完畢后難以獲取承壓外管內(nèi)壁的腐蝕和鹽沉積情況；(3)若需對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行邊界流體控制的優(yōu)化改進(jìn)，需對(duì)整套設(shè)備進(jìn)行拆卸和組裝，工程量大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有蒸發(fā)壁式反應(yīng)器內(nèi)部邊界流體控制難，控制系統(tǒng)復(fù)雜等問(wèn)題，提出了 一種新的邊界流體控制裝置及方法。
[0007]本發(fā)明所述的控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的裝置，包括承壓外管、分布管和多孔內(nèi)管，分布管介于承壓外管和多孔內(nèi)管之間，承壓外管與分布管之間的環(huán)隙稱(chēng)為第一環(huán)隙，分布管與多孔內(nèi)管之間的環(huán)隙稱(chēng)為第二環(huán)隙，第一環(huán)隙和第二環(huán)隙的寬度(即管與管之間的間距)在I?100毫米的范圍以?xún)?nèi)；承壓外管管壁上開(kāi)有I?10個(gè)邊界流體的進(jìn)口 ；分布管的管壁壁厚為I~30毫米，管壁上開(kāi)有任意形狀的分布孔，分布孔的數(shù)量范圍為:每100平方厘米的分布管表面上開(kāi)I~50個(gè)分布孔，其孔隙率(即孔隙面積與整個(gè)分布管表面積之比)在I~40%范圍內(nèi)；分布孔可以是任意形狀，只要能讓邊界流體通過(guò)的形狀都可以，優(yōu)選圓形，直徑為0.1~10毫米，若為其他形狀，最大邊長(zhǎng)或最大內(nèi)徑為0.1~10毫米；多孔內(nèi)管上的微孔孔徑在0.1~1000微米之間，孔隙率在I~40%范圍內(nèi)；第一環(huán)隙和第二環(huán)隙的兩端采用密封件密封，從而使得承壓外管、分布管和多孔內(nèi)管僅在徑向上通過(guò)管上的孔相互貫通。
[0008]優(yōu)選地，第一環(huán)隙和第二環(huán)隙的兩端采用可拆卸密封件密封，該可拆卸式的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)備運(yùn)行完畢后拆卸下分布管和多孔內(nèi)管觀測(cè)其腐蝕和鹽沉積情況。
[0009]承壓外管由耐壓、耐高溫的材料制作，在常溫~800°C的溫度范圍內(nèi)最高能耐受5OMPa的壓力。
[0010]分布管和多孔內(nèi)管均由耐高溫、耐腐蝕的材料制作，耐受溫度在常溫~800°C的范圍以?xún)?nèi)；優(yōu)選的材料為316L、C-276、Inconel合金或陶瓷等。多孔內(nèi)管的內(nèi)管腔為超臨界水氧化反應(yīng)的反應(yīng)區(qū)。
[0011 ] 本發(fā)明還提供了一種采用上述裝置控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的方法，過(guò)程如下:
[0012]采用上述裝置，邊界流體從承壓外管的進(jìn)料口進(jìn)入，依次通過(guò)分布管上的分布孔和多孔內(nèi)管上的微孔，進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，并與從多孔內(nèi)管的任一端進(jìn)入反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)液混合、反應(yīng)，最后從多孔內(nèi)管的另一端排出。
[0013]邊界流體可以是以下流體中的一種或多種的混合物:水、空氣、氧氣等超臨界水氧化反應(yīng)所需的組分或氮?dú)?、氬氣、二氧化碳等惰性流體。
[0014]控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的工藝參數(shù)的理論推導(dǎo)如下:
[0015]要實(shí)現(xiàn)邊界流體對(duì)多孔管管內(nèi)反應(yīng)液的“密封”，即防止腐蝕性的反應(yīng)液回滲至環(huán)隙腐蝕承壓外管，需保證邊界流體所產(chǎn)生的靜壓頭(P#)要高于多孔內(nèi)管管內(nèi)反應(yīng)液所產(chǎn)生的靜壓頭(P @)，即:
[0016]P 外>卩內(nèi)(O
[0017]靜壓頭的公式如下:
[0018]P=Pgh(2)
[0019]對(duì)于多孔內(nèi)管上的任何一點(diǎn)，其管長(zhǎng)高度h對(duì)管內(nèi)外的流體來(lái)說(shuō)都是一樣的，結(jié)合式I和式2可得:
[0020]P 外> P 內(nèi)(3)
[0021]即要求邊界流體的密度要高于反應(yīng)區(qū)反應(yīng)液的密度。
[0022]由此，根據(jù)上述邊界流體種類(lèi)，結(jié)合反應(yīng)系統(tǒng)的壓力，通過(guò)控制邊界流體和反應(yīng)液(以水為主)的進(jìn)口溫度，進(jìn)而控制二者的密度，以達(dá)到公式(3)的要求。因此可以得出:
[0023]優(yōu)選的邊界流體的初始溫度在常溫~374°C的范圍內(nèi)。 [0024]優(yōu)選的反應(yīng)液的初始溫度在374~550°C的范圍內(nèi)。
[0025]本發(fā)明在現(xiàn)有蒸發(fā)壁式超臨界水氧化反應(yīng)器的承壓外管和多孔內(nèi)管間增設(shè)分布管，有效解決了邊界流體分布不均，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、改進(jìn)繁瑣等問(wèn)題；同時(shí)通過(guò)理論推導(dǎo)明確給出了邊界流體的工藝參數(shù)優(yōu)選辦法?！緦?zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)邊界流的控制裝置縱剖面圖；
[0027]圖2是分布管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3是在28MPa、不同溫度下，空氣、氮?dú)?、氧氣和水的密度?br> [0029]附圖中的數(shù)字標(biāo)記分別是:
[0030]1、分布孔；2、進(jìn)料口； 3、邊界流體；4、承壓外管；
[0031]5、分布管；6、多孔內(nèi)管；7、反應(yīng)區(qū)； 8、第二環(huán)隙；
[0032]9、第一環(huán)隙。
【具體實(shí)施方式】[0033]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0034]如圖1所示，控制邊界流體的裝置主要由承壓外管4、分布管5和多孔內(nèi)管6組成。承壓外管4與分布管5之間的環(huán)隙為第一環(huán)隙9，分布管5與多孔內(nèi)管6之間的環(huán)隙為第二環(huán)隙8，第一環(huán)隙9和第二環(huán)隙8的寬度均為I~100毫米；承壓外管4管壁上開(kāi)有I~10個(gè)邊界流體的進(jìn)口 2 ;分布管5結(jié)構(gòu)如圖2所示，其管壁壁厚為I~30毫米，管壁上開(kāi)有任意形狀的分布孔I，分布孔I可以是能使邊界流體通過(guò)的任意形狀，優(yōu)選圓形，分布孔I的直徑為0.1~10毫米，如為其他形狀，如矩形、正方形、橢圓形、三角形等，則最大邊長(zhǎng)或最大內(nèi)徑為0.1~10毫米；分布孔I的數(shù)量范圍為--每100平方厘米的分布管表面上開(kāi)I~50個(gè)分布孔，其孔隙率，即孔隙面積與整個(gè)分布管表面積之比，在I~40%范圍內(nèi)；多孔內(nèi)管6上的微孔孔徑在0.1~1000微米之間，孔隙率在I~40%范圍內(nèi)；多孔內(nèi)管6的內(nèi)管腔為超臨界水氧化反應(yīng)區(qū)7 ;第一環(huán)隙和第二環(huán)隙的兩端采用密封件密封，該密封件可以是可拆卸的密封件。
[0035]邊界流體3從進(jìn)料口 2進(jìn)入第一環(huán)隙9，經(jīng)過(guò)分布管5上的分布孔I分流后進(jìn)入第二環(huán)隙8，最后通過(guò)多孔內(nèi)管6上的微孔進(jìn)入反應(yīng)區(qū)7。
[0036]反應(yīng)液從多孔內(nèi)管6的任意一端進(jìn)入，與邊界流體在反應(yīng)區(qū)7混合、反應(yīng)，最后從多孔內(nèi)管6的另一端排出。
[0037]承壓外管由耐壓、耐高溫的材料制作，在常溫~800°C的溫度范圍內(nèi)最高能耐受5OMPa的壓力。
[0038]分布管和多孔內(nèi)管均由耐高溫、耐腐蝕的材料制作，耐受溫度在常溫~800°C范圍內(nèi)；優(yōu)選的材料為316L、C-276、Inconel合金或陶瓷等耐高溫、耐腐蝕的材料。
[0039]在本行業(yè)內(nèi)，超臨界水氧化技術(shù)處理的污染物都是以水為主的溶液或懸浮液，在物性選擇時(shí)一般將其視為水進(jìn)行簡(jiǎn)化處理；而邊界流體則為水的臨界溫度(374°C)以下的流體。由此，結(jié)合圖3，當(dāng)水達(dá)到超臨界態(tài)時(shí)，隨著溫度的增加，其密度顯著降低；當(dāng)超過(guò)某一溫度時(shí)，其密度將低于同溫同壓下的其他邊界流體(空氣、氧氣、氮?dú)?的密度，且在超臨界水氧化常采用的壓力范圍(23~30MPa)內(nèi)，都具有如圖3所示相同的趨勢(shì)。通過(guò)給定的系統(tǒng)壓力，給定的邊界流體種類(lèi)，即可確定出邊界流體和反應(yīng)器的初始溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)邊界流體對(duì)反應(yīng)液的“密封”。
[0040]實(shí)施例1[0041]系統(tǒng)壓力23MPa，邊界流體為空氣，反應(yīng)液為水與污染物的混合物(此混合物的物性與水相近，采用水的物性近似代替此混合物的物性)。查閱水與空氣的物性參數(shù)，當(dāng)溫度超過(guò)438°C時(shí)，空氣密度高于超臨界水的密度。由此工藝參數(shù)選擇為:反應(yīng)液預(yù)熱至450°C左右進(jìn)入反應(yīng)器；由于溫度越低，空氣密度越大，且空氣熱容小，在第一和第二環(huán)隙會(huì)被預(yù)熱，因此，邊界流體(空氣)以常溫進(jìn)入反應(yīng)器。由于空氣和分布管的保護(hù)，承壓外管內(nèi)壁上未見(jiàn)腐蝕和鹽沉積。
[0042]實(shí)施例2
[0043]系統(tǒng)壓力25MPa，邊界流體為水，反應(yīng)液為水與污染物的混合物(此混合物的物性與水相近，采用水的物性近似代替此混合物的物性)。查閱水的物性參數(shù)，當(dāng)溫度超過(guò)385°C時(shí)，水的密度急劇下降。由此工藝參數(shù)選擇為:反應(yīng)液預(yù)熱至395°C左右進(jìn)入反應(yīng)器；由于水的比熱容大，初始溫度過(guò)低將會(huì)對(duì)反應(yīng)區(qū)造成溫度擾動(dòng)，因此邊界流體以250°C左右進(jìn)入反應(yīng)器。由于亞臨界水和分布管的保護(hù)，承壓外管內(nèi)壁上未見(jiàn)腐蝕和鹽沉積。
[0044]實(shí)施例3
[0045]系統(tǒng)壓力28MPa，邊界流體為氮?dú)?，反?yīng)液為水與污染物的混合物(此混合物的物性與水相近，采用水的物性近似代替此混合物的物性)。查閱水和氮?dú)獾奈镄詤?shù)，當(dāng)溫度超過(guò)499°C時(shí)，氮?dú)獾拿芏雀哂谒拿芏?。由此工藝參?shù)選擇為:反應(yīng)液預(yù)熱至510°C左右進(jìn)入反應(yīng)器；由于溫度越低，氮?dú)饷芏仍酱螅业獨(dú)鉄崛菪?，在第一和第二環(huán)隙會(huì)被預(yù)熱，因此邊界流體(氮?dú)?以常溫進(jìn)入反應(yīng)器。由于氮?dú)夂头植脊艿谋Ｗo(hù)，承壓外管內(nèi)壁上未見(jiàn)腐蝕和鹽沉積。
【權(quán)利要求】
1.一種控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的裝置，包括承壓外管和多孔內(nèi)管，其特征在于:在承壓外管和多孔內(nèi)管間設(shè)有分布管，承壓外管與分布管之間的環(huán)隙稱(chēng)為第一環(huán)隙，分布管與多孔內(nèi)管之間的環(huán)隙稱(chēng)為第二環(huán)隙，第一環(huán)隙和第二環(huán)隙的寬度均為I?100毫米；承壓外管管壁上開(kāi)有I?10個(gè)邊界流體的進(jìn)口 ；分布管的管壁壁厚為I?30毫米，管壁上開(kāi)有任意形狀的分布孔，分布孔直徑或最大邊長(zhǎng)或最大內(nèi)徑為0.1?10毫米，分布孔的數(shù)量范圍為:每100平方厘米的分布管表面上開(kāi)I?50個(gè)分布孔，其孔隙率在I?40%范圍內(nèi)；多孔內(nèi)管上的微孔孔徑在0.1?1000微米之間，孔隙率在I?40%的范圍內(nèi)；第一環(huán)隙和第二環(huán)隙的兩端采用密封件密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的裝置，其特征在于，所述密封件為可拆卸式的密封件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的裝置，其特征在于，承壓外管由耐壓、耐高溫材料制作，在常溫?800°C的溫度范圍內(nèi)最高能耐受50MPa的壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的裝置，其特征在于，分布管和多孔內(nèi)管由耐高溫、耐腐蝕的材料制作，耐受溫度在常溫?800°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的裝置，其特征在于，分布管和多孔內(nèi)管優(yōu)選的材料為316L、C-276、Inconel合金或陶瓷等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的裝置，其特征在于，分布孔形狀優(yōu)選圓形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的裝置控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的方法，其特征在于:邊界流體從承壓外管的進(jìn)料口進(jìn)入，依次通過(guò)分布管上的分布孔和多孔內(nèi)管上的微孔，進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，并與從多孔內(nèi)管的任一端進(jìn)入反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)液混合、反應(yīng)，最后從多孔內(nèi)管的另一端排出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的方法，其特征在于，邊界流體可以是以下流體中的一種或多種的混合物:水、空氣、氧氣等超臨界水氧化反應(yīng)所需的組分或氮?dú)?、氬氣、二氧化碳等惰性流體。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的方法，其特征在于，邊界流體的初始溫度為常溫?374°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制超臨界水氧化反應(yīng)器內(nèi)部邊界流的方法，其特征在于，反應(yīng)液的初始溫度為374?550°C。
【文檔編號(hào)】B01J10/00GK103877917SQ201410158904
【公開(kāi)日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】徐愿堅(jiān), 陳忠, 王光偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院