CN110420609A - 一种微纳尺度多相流过程强化反应装置 - Google Patents
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Abstract
一种微纳尺度多相流过程强化反应装置，包括压缩机、给料泵、微纳多相流发生装置、多相流过程强化反应器。根据微纳多相流发生装置内的流体通量或者水力负荷，所述的多相流过程强化反应器可由2个以上微纳多相流微元发生器并联构成。所述的多相流过程强化反应器内部设有弥散介质发生器和基座。与常规的鼓泡塔、填充床、搅拌釜式气‑液反应器相比，本发明所产生的多相流体可将气‑液两相比表面积提高1‑2个数量级至104‑105m2/m3，可将受液膜控制的气‑液两相反应中液侧总体积传质系数kLα值显著提高至0.5‑10s‑1的区间，在相间微观传递效率、分子扩散传递速率、气‑液比相界面积、比能量输入密度、综合能效、装置运行稳定性、安全性保障等方面都有明显的竞争优势。
Description
技术领域
本发明属于多相流反应过程强化技术领域，具体涉及一种微纳尺度多相流过程强化反应装置。
背景技术
化工反应过程强化技术是指在生产和加工过程中，应用新技术和新设备，减小设备体积，或增加设备生产能力的一种高效、节能、清洁的新技术。该技术强调在生产能力不变的情况下，在生产和加工过程中运用新技术和设备，减小设备体积或者提高设备的生产能力，提升能量效率，减少废物排放。该技术是解决现代工业发展所产生的“发展-污染”的矛盾的有效手段，也是未来化工技术进步的重要方向之一。化工过程强化的基本原理就是综合运用物系内部和物系(多相流)之间的传递原理和反应原理及相关平衡特性，通过新设备和新工艺，提高过程速率。实现传递速率与反应速率匹配、传热性能与产热速率匹配、停留时间与反应速率匹配、反应器形式与反应类型匹配，最大限度地发挥化学系统或催化剂全部潜能，实现化工过程的“更小、更快速、更安全、更持续、更便宜”实际上，化工过程主要涉及多相流之间发生的化学反应和传递过程，包括动量传递、热量传递和质量传递以及相互间的作用，即“三传一反”。而化工过程强化关键核心设备及高效率、低能耗化工工艺开发的基础就是化学反应速率和微观界面间的传递速率的协同匹配性提升。化工过程所涉及的主化学反应不仅受到反应动力学的限制，往往动量传递(流体力学及混合)、传热和传质过程决定着整个反应过程。反应过程强化强调实现传递速率与反应速率的匹配，或者将传递过程速率提高到远比反应动力学速率快得多的程度，这将使得反应过程强化接近或达到了化学反应动力学极限，这时化学动力学完全可以控制反应过程目标。
如前所述，化工过程强化主要是基于新设备和新工艺两个方面，即化工过程强化技术包括过程强化设备(硬件)和过程强化方法(软件)两个方面。设备强化的方法与分类，可以依据是否涉及化学反应分为反应器和单元操作设备；也可依据设备从事的具体化工操作进一步分类，如混合器、萃取器、吸收装置、蒸发设备；也可以依据外场作用(离心场、超声波、微波、电场等)分类，如超重力反应器、超重力精馏装置、超声波设备、微波反应器等；也可以依据流体的流动状态进行分类，如静态混合器、静态反应器、动态混合器、撞击流混合器等；也可以依据设备的体积分类，如微混合器、微(化工)反应器等。工艺方法强化方法与分类，可以依据反应与分离耦合方法分类，如膜反应器、反应精馏、反应萃取等；可依据分离方法耦合进行分类，如膜蒸馏、吸附蒸馏、膜萃取等；可依据外场作用(离心场、超声波、微波、电场等)分类，如超重力技术、超声波技术、等离子技术等，依据流体状态(介质变化)分类，如超临界流体技术、离子液体等。
虽然上述化工过程强化技术中部分设备、工艺已经应用于实际工业生产中，也取得了一定的应用效果，但仍不同程度地存在过程效率提升幅度不明显、设备结构复杂、设备投资较高、技术经济竞争力较低、能耗降低幅度有限、应用技术领域较窄、放大效应明显、与现有化工过程改造幅度较大等不足之处，因此亟需开发一种新型高效化工过程强化设备及工艺方法集成系统，可从根本上解决现有化工过程强化技术设备、工艺存在的问题，并从过程强化反应器结构优化设计与微观层面分子级混合、传递过程强化与反应动力学、热力学之间的构效关系入手，开发出一种新型的化工传递过程强化与强化过程工艺体系，为大规模工业应用提供了基础保障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够明显强化现有反应体系中的热、质传递效率，在实现反应过程强化的同时，大幅提高化工过程原料利用率、目标产物综合收率、目标产物品质、装置产能强度、工艺技术经济性指标的微纳尺度多相流过程强化反应装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括微纳多相流发生装置、多相流过程强化反应器；
所述的微纳多相流发生装置内部设有微纳多相流发生器，底端与液相给料泵相连，侧壁气相入口射流喷嘴与气相升压装置相连，顶部出口与多相流过程强化反应器上端的微纳多相流入口喷嘴相连；
所述的多相流过程强化反应器包括自上而下依次连通的气相产物集流区、多相流强化反应区、微纳多相流弥散区、产物排放区；
所述的气相区通过节流器及管路与气相后处理系统相连，产物排放区通过管路与液相后处理系统相连；
所述的产物排放区内设有与气相升压装置经节流器、管道相连的弥散介质发生器和基座。
所述的微纳多相流发生器下端与微纳多相流发生装置的底部液相入口相连接，顶部与微纳多相流发生装置出口相连接，根据微纳多相流发生装置内的流体通量或者水力负荷，由2个以上微纳多相流微元发生器并联构成。
所述的气相经升压装置提压后分为两个支路：一个支路通过节流器经管道与微纳多相流发生装置侧壁上的射流喷嘴相连，并通过射流喷嘴进入微纳多相流发生器的外腔环隙，另外一个支路通过节流器经管道与多相流过程强化反应器底部的基座相连接。
所述的流经节流器的气相支流与经节流器的液相之间的撞击夹角α为15°～45°。
所述的液相经升压装置提压后通过节流器及相应管道连接至微纳多相流发生装置底部并上行进入微纳多相流发生器内腔，微纳多相流发生装置的出口与多相流过程强化反应器顶端的微纳多相流入口喷嘴相连接，微纳多相流体通过入口喷嘴的后再经导流管进入微纳多相流弥散区，喷嘴、导流管与多相流过程强化反应器同轴。
所述的微纳多相流弥散区纵向位置位于多相流过程强化反应器轴向高度的H/6～4H/5处，其中H为多相流过程强化反应器的内部总高。
所述的基座顶部出口相连接的弥散流发生器由2个以上两端封闭的弥散流发生器单体并联组成，气相支流由基座底部入射喷嘴进入介尺度弥散流发生器产生的弥散流上行进入微纳多相流弥散区。
所述的全系统工作温度为0～800℃，工作压力为0～30MPaG。
所述的液相相对密度为0.5～1.5，动力粘度为0.5～5mm2/s，液相中固体颗粒浓度范围为0～10％(w/w)。
所述的微纳多相流弥散区中微纳尺度多相流中气含率为40～60％(v/v)，多相流微元的当量Sauter直径为100～500μm。
本发明与常规的化工过程强化设备如撞击流式反应器、静态混合反应器、超重力吸收反应器、微反应器、超声波分离混合设备等相比，可产生以下有益的结果：
1)工业应用范围更加广。本发明的微纳尺度多相流过程强化反应装置围绕受分子混合/传递限制的复杂多相快速反应及反应分离体系，可广泛应用于石油化工、精细化工、材料、医药、环保等各个工业领域中所涉及的不同化工单元操作、反应/分离设备、工业过程中，如常见的加氢、氧化、酰胺化、羰基化、烷基化、缩合、磺化、聚合、贝克曼重排等反应过程。
2)过程强化效果明显。本发明的微纳尺度多相流过程强化反应装置无大型动设备，能耗水平较低，可在反应体系中产生当量直径介于0.1μm≤dm＜1mm区间的微纳尺度微气泡、微液滴等多相流微元体系，可在微观层面实现反应过程的分子混合、传递过程强化，显著提高原料利用率、反应效率、目标产物分布优化调控及产物时空收率；
3)设备易于实现工业放大及应用。本发明的微纳尺度多相流过程强化反应装置核心反应器内部结构简单，无复杂内构件，易于操作维护，工业放大效应较小，设备及工艺过程集成化程度高，与常规化工工艺过程相容性高，工业应用限制性因素较少，可实现大范围工业应用；
4)核心设备无复杂内构件，核心设备集约化程度高，操作运行苛刻度低，装置运行稳定性、安全性保障等方面有较强竞争优势，运行维护成较低。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图中，11、气相升压装置；12、13、22、41、节流器；21、液相给料泵；30、微纳多相流发生装置；31、微纳多相流发生器；32、多相流过程强化反应器入口喷嘴；38、导流管；40、多相流过程强化反应器；42、气相产物集流区；43、多相流强化反应区；44、微纳多相流弥散区；45、弥散介质发生器；46、产物排放区；47、多相流过程强化反应器基座；50、55、60、射流喷嘴；100、气相进料；200、液相进料；300、气相后处理系统；400、液相后处理系统。
具体实施方式
为了使本发明所申请公开的装置更加清楚明晰，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
参见图1，本发明包括微纳多相流发生装置30和多相流过程强化反应器40，所述的微纳多相流发生装置30内部设有微纳多相流发生器31，微纳多相流发生器31下端与微纳多相流发生装置30的底部液相入口55相连接，顶部与微纳多相流发生装置30出口58相连接，根据微纳多相流发生装置30内的流体通量或者水力负荷，可由2个以上微纳多相流微元发生器并联构成；多相流过程强化反应器40包括自上而下依次连通的气相产物集流区42、多相流强化反应区43、微纳多相流弥散区44和产物排放区46，其中混合流体分离区43位于多相流过程强化反应器40的顶部轴向高度的H/6～4H/5处，其中H为多相流过程强化反应器40的高度，在产物排放区46底部安装有基座47，基座47顶部出口安装有弥散流发生器45，弥散流发生器45由2个以上两端封闭的弥散流发生器单体45并联组成，气相100经升压装置11提压后分为两个支路：一个支路通过节流器12经管道与微纳多相流发生装置30侧壁上的射流喷嘴50相连后进入微纳多相流发生器31的外腔环隙，经节流器12的气相100支流与经节流器22的液相200之间的撞击夹角α为15°～45°，另外一个支路通过节流器13经管道与多相流过程强化反应器40底部的基座47相连接，气相100支流由基座47底部入射喷嘴60进入介尺度弥散流发生器45内腔，产生的弥散流上行进入微纳多相流弥散区44。相对密度为0.5～1.5，动力粘度为0.5～5mm2/s，固含量为0～10％(w/w)的液相200经升压装置21提压后通过节流器22及相应管道连接至微纳多相流发生装置30底部并上行进入微纳多相流发生器31内腔，微纳多相流发生装置30出口通过管道与多相流过程强化反应器40顶端的微纳多相流入口喷嘴32相连接，微纳多相流体通过入口喷嘴32的后再经导流管38进入微纳多相流弥散区44，喷嘴32、导流管38与多相流过程强化反应器40同轴。所述的气相产物集流区42还通过节流器41及管路与气相后处理系统300相连，产物排放区46通过节流器48及管路与液相后处理系统400相连。
本发明所产生的多相流体可将气-液两相比表面积提高1-2个数量级至104-105m2/m3，可将受液膜控制的气-液两相反应中液侧总体积传质系数kLα值显著提高至0.5-10s-1的区间，与微通道反应器、超重力反应器、射流反应器、微波/磁场强化反应器等新型化工过程强化反应器相比，在相间微观传递效率、分子扩散传递速率、气-液比相界面积、比能量输入密度、综合能效、装置运行稳定性、安全性保障等方面都有明显的竞争优势。
Claims (10)
1.一种微纳尺度多相流过程强化反应装置，其特征在于：包括微纳多相流发生装置(30)、多相流过程强化反应器(40)；
所述的微纳多相流发生装置(30)内部设有微纳多相流发生器(31)，底端与液相(200)给料泵(21)相连，侧壁气相入口射流喷嘴(50)与气相(100)升压装置(11)相连，顶部出口与多相流过程强化反应器(40)上端的微纳多相流入口喷嘴(32)相连；
所述的多相流过程强化反应器(40)包括自上而下依次连通的气相产物集流区(42)、多相流强化反应区(43)、微纳多相流弥散区(44)、产物排放区(46)；
所述的气相区(42)通过节流器(41)及管路与气相后处理系统(300)相连，产物排放区(46)通过管路与液相后处理系统400相连；
所述的产物排放区(46)内设有与气相(100)升压装置(11)经节流器(13)、管道相连的弥散介质发生器(45)和基座(47)。
2.根据权利要求1所述的微纳尺度反应过程强化装置，其特征在于：所述的微纳多相流发生器(31)下端与微纳多相流发生装置(30)的底部液相入口(55)相连接，顶部与微纳多相流发生装置(30)出口(58)相连接，根据微纳多相流发生装置(30)内的流体通量或者水力负荷，由2个以上微纳多相流微元发生器并联构成。
3.根据权利要求2所述的微纳尺度反应过程强化装置，其特征在于：所述的气相(100)经升压装置(11)提压后分为两个支路：一个支路通过节流器(12)经管道与微纳多相流发生装置(30)侧壁上的射流喷嘴(50)相连，并通过射流喷嘴(50)进入微纳多相流发生器(31)的外腔环隙，另外一个支路通过节流器(13)经管道与多相流过程强化反应器(40)底部的基座(47)相连接。
4.根据权利要求2所述的微纳尺度反应过程强化装置，其特征在于：所述的流经节流器(12)的气相(100)支流与经节流器(22)的液相(200)之间的撞击夹角α为15°～45°。
5.根据权利要求2所述的微纳尺度反应过程强化装置，其特征在于：所述的液相(200)经升压装置(21)提压后通过节流器(22)及相应管道连接至微纳多相流发生装置(30)底部并上行进入微纳多相流发生器(31)内腔，微纳多相流发生装置(30)的出口与多相流过程强化反应器(40)顶端的微纳多相流入口喷嘴32相连接，微纳多相流体通过入口喷嘴(32)的后再经导流管(38)进入微纳多相流弥散区(44)，喷嘴(32)、导流管(38)与多相流过程强化反应器(40)同轴。
6.根据权利要求1所述的微纳尺度反应过程强化装置，其特征在于：所述的微纳多相流弥散区(43)纵向位置位于多相流过程强化反应器(40)轴向高度的H/6～4H/5处，其中H为多相流过程强化反应器(40)的内部总高。
7.根据权利要求1所述的微纳尺度反应过程强化装置，其特征在于：所述的基座(47)顶部出口相连接的弥散流发生器(45)由2个以上两端封闭的弥散流发生器单体并联组成，气相(100)支流由基座(47)底部入射喷嘴(60)进入介尺度弥散流发生器(45产生的弥散流上行进入微纳多相流弥散区(44)。
8.根据权利要求1所述的微纳尺度反应过程强化装置，其特征在于：所述的全系统工作温度为0～800℃，工作压力为0～30MPaG。
9.根据权利要求1所述的微纳尺度反应过程强化装置，其特征在于：所述的液相(200)相对密度为0.5～1.5，动力粘度为0.5～5mm2/s，液相中固体颗粒浓度范围为0～10％(w/w)。
10.根据权利要求1所述的微纳尺度反应过程强化装置，其特征在于：所述的微纳多相流弥散区(44)中微纳尺度多相流中气含率为40～60％(v/v)，多相流微元的当量Sauter直径为100～500μm。
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