[12]发明专利申请公开说明书
[21]申请号02100451.X
[51]Int.CI7
B01J 10/00B01J 8/04
[43]公开日2003年8月13日
[22]申请日2002.02.01[21]申请号02100451.X[71]申请人中国石油天然气股份有限公司
地址100011北京市东城区安德路16号洲际大厦共同申请人清华大学[72]发明人丁富新 袁乃驹 刘铮 马安 乔永
[11]公开号CN 1435275A
[74]专利代理机构北京市中实友专利代理有限责任公
司
代理人金杰
权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 13 页
[54]发明名称
多级环流反应器
[57]摘要
一种用于各类气－液两相和气－液－固三相化学反应多级环流反应器，包括塔身1.导流筒2.气体分布器3，塔身1内有导流筒2，导流筒2的底部有气体分布器3。气泡在塔底一经产生，导流筒内的流体即向上运动，形成大环流套小环流的流动状态；反应器内气－液接触充分，气含率高，局部气含率分布均匀，传质速率高，气体溶解速度快；对气－液－固三相反应体系，固体颗粒在反应器内分布均匀，不会发生局部积累或沉积；热传递效果好，流体与反应器的器壁热交换速度高，由于反应器内物料的充分混合，反应体系内温度分布均匀，不同区域的温差非常小，可广泛应用于氧化反应过程，加氢反应过程，加氢裂化过程，煤液化加氢过程，发酵过程，烃加工反应过程以及活性污泥污水处理过程等各类气－液和气－液－固反应过程中。
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权 利 要 求 书
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1.多级环流反应器，包括塔身(1)、导流筒(2)、气体分布器(3)，其特征在于：塔身(1)内有导流筒(2)，导流筒(2)的底部有气体分布器(3)。
2.根据权利要求1所述的多级环流反应器，其特征在于：塔身(1)总高与反应器内径之比为3-12，导流筒(2)直径与反应器内径之比为0.3-0.9。 3.根据权利要求1所述的多级环流反应器，其特征在于：导流筒(2)为一整体，可以是一段，也可以是两段以上，段间距5～50厘米，以刚性筋条相连，段间加折流板，可在每段导流筒(2)上打孔。
4.根据权利要求1或3所述的多级环流反应器，其特征在于：导流筒(2)沿轴向设有开孔区。
5.根据权利要求1或4所述的多级环流反应器，其特征在于：导流筒(2)上的开孔可以是一处，也可以是一处以上。
6.根据权利要求1所述的多级环流反应器，其特征在于：导流筒(2)上有内构件(4)。
7.根据权利要求1所述的多级环流反应器，其特征在于：导流筒(2)的下端距反应器底部的距离为10-100厘米；导流筒(2)的上端距反应液体的液面10-200厘米。
8.根据权利要求1所述的多级环流反应器，其特征在于：该装置内置有多级导流筒(2)，各级导流筒之间相互同轴固定，之间留有空隙。 9.根据权利要求1所述的多级环流反应器，其特征在于：导流筒(2)可以有1～6根，各导流筒(2)的轴线互相平行，置于反应器内，每根导流筒(2)下均置有气体分布器(3)。
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说 明 书
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多级环流反应器
技术领域
一种用于各类气-液两相和气-液-固三相化学反应的反应器，属于化学工程领域，具体地说，是多级环流反应器。 背景技术
目前气-液或气-液-固反应器广泛应用于化学工业、石化工业以及其它工业过程中。通常，对气-液或气-液-固反应均采用鼓泡式反应器或搅拌釜式反应器。这两类传统反应器效率低，能耗高，应用领域受到反应体系的限制。在这些反应过程中气-液或气-液-固的有效混合、气体和固体颗粒在液相的良好分散、流体的高速定向流动以及较高的传质速率是反应器的重要性能。特别是对于传质是总反应控制步骤和涉及液相或固相催化剂的反应过程，为加快总反应过程，就必须采用某种形式的机械搅拌，以提高传质速率和相同混合。采用机械搅拌，不仅能耗高，而且对于高温、高压、强腐蚀的反应系统，是难以实现的。
基于鼓泡式反应器发展起来的内环流反应器是在鼓泡式反应器内引入导流筒，使流体在反应器内产生循环流动，从而增强了气-液或气-液-固的混合效果，反应器的总体传质速率也高于传统的鼓泡式反应器。 但是，传统的内环流反应器存在一个严重的缺陷，即在导流筒和反应器内壁之间的环隙区域内，由于较大的气泡所受的浮力大于所受的曳力，因此液体环流所产生的曳力不能将较大的气泡拖曳下来，导致环隙气含率小，反应器利用率低，反应器的总体效率低。
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发明内容
本发明的目的在于：在传统的鼓泡式反应器的基础上提出并发展了一种多级环流反应器。这种多级环流反应器采用不同结构的多级导流筒和内构件，完全解决了传统内环流反应器环隙气含率小、反应效率低的缺陷，其流体力学性能优良，气-液或气-液-固混合良好、总传质速率高，反应器内温度分布均匀，可广泛应用于在各类气-液或气-液-固化学反应过程。 本发明是这样实现的：
包括塔身1、导流筒2、气体分布器3，塔身1内有导流筒2，导流筒2的底部有气体分布器3。
本发明还采用如下技术方案：
塔身1总高与反应器内径之比为3-12，导流筒2直径与反应器内径之比为0.3-0.9。
导流筒2为一整体，可以是一段，也可以是两段以上；段间距5～50厘米，以刚性筋条相连；段间加折流板，在每段导流筒2上打孔。 导流筒2沿轴向设有开孔区。
导流筒2上的开孔可以是一处，也可以是一处以上。 导流筒2上有内构件4。
导流筒2的下端距反应器底部的距离为10-100厘米；导流筒的上端距反应液体的液面10-200厘米。
反应器内置有多级导流筒2，各级导流筒之间相互同轴固定，之间留有空隙。
导流筒2可以有1-6根，各导流筒2轴线平行，置于反应器内，每根导流筒2下均置有气体分布器3。
本发明多级环流反应器的特点是：
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①本发明多级环流反应器由塔身、导流筒、内构件和气体分布器构成。导流筒为单段或多段，段间采用多种形式组合和/或添加内构件； ②反应气体经气体分布器进入曝气塔。气泡在塔底一经产生，由于气体的喷射力和密度差，气泡团将带动周围液体向上运动，并且围绕着导流筒各段和导流筒总体进行快速的环流运动，形成大环流套小环流的流动状态； ③由于气-液接触充分，气含率高，局部气含率分布均匀，所以传质速率高，气体溶解速度快；对气-液-固三相反应体系，固体颗粒在反应器内分布均匀，不会发生局部积累或沉积。
④热传递效果好：由于流体在反应器环隙做快速定向运动，流体与反应器的器壁热交换速率高，同时由于反应器内物料的充分混合，反应体系内温度分布均匀，不同区域的温差非常小。 附图说明
附图1是本发明多级环流曝气塔的结构图之一； 附图2是本发明多级环流曝气塔的结构图之二； 附图3是本发明多级环流曝气塔的结构图之三； 附图4是本发明多级环流曝气塔的结构图之四；
附图5是本发明的导流筒间的内构件(折流板)的结构图； 附图6为图1所示的反应器结构中的流体流动状态图； 附图7为图2所示的反应器结构中的流体流动状态图； 附图8为图3所示的反应器结构中的流体流动状态图； 附图9为图4所示的反应器结构中的流体流动状态图；
附图10为多根导流筒多级环流反应器的结构及流动状态图。 具体实施
下面结合附图对本发明进行详细描述：
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如图1所示，由塔身1、导流筒2、和气体分布器3等三部分组成。导流筒可以是一段、二段或多段，段间以刚性筋条相连。
如图2所示：由塔身、导流筒、内构件4、和气体分布器等四部分组成。导流筒可以是一段、二段或多段。
如图3所示：由塔身、带开孔的导流筒2、和气体分布器等三部分组成。沿导流筒轴向可有一处、二处或多处开孔区。
如图4所示，由塔身、导流筒、内构件、和气体分布器等四部分组成。导流筒可以是一段、二段或多段，在每段导流筒上的某个部位设有开孔区。 如图6，流体在塔内围绕着每段导流筒和整个导流筒进行快速的定向运动，形成大环流套小环流的运动模式。
在本发明的多级环流反应器中，反应气体由多级环流反应器底部经气体分布器3进入，并立即在气体分布器3周围产生大量气泡，也即在气体分布器3周围形成稀相区，稀相区的密度小于周围液体，在密度差和气体进入反应器内的冲力作用下，气泡连同稀相区的液体在导流筒内向上运动，而在导流筒2与反应器内壁之间环隙区内的液体会立即流向气体分布器处以进行补充，由此形成快速环流运动。流体向上运动至第一段导流筒2的顶端时，在折流板和/或静压差的作用下，一部分流体会由第一和第二块导流筒之间的空隙流向环隙，并与环隙内向下流动的流体回合；一部分流体仍会向上运动进入到第二根导流筒内，并继续向上运动。如此继续，直到流体运动到最后一根导流筒的顶部，然后折返沿环隙向下运动。
显然，在反应器内的上述流动中，沿每段导流筒2形成若干小环流，沿整个导流筒形成大环流，即形成大环流套小环流的流动状态。这样，在反应器内部各处湍动程度差别不大，气含率分布均匀，沿反应器轴向气泡分布均匀；对气-液-固反应体系，固体颗粒分布均匀。由于气体在反应器内做多级环流运动，虽然平均停留时间保持不变，但气体在逸出反应器之前所流经的路程较长，同时气-液充分接触混合，因此气体在液相的溶解度高。
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该反应器由塔身1、内构件4、导流筒2和底部气体分布器3等四部分组成。本发明的反应器内无机械搅拌部件，流体在反应器内快速定向环流，气-液或气-液-固混合良好，反应器无死角，传质速率高；通过导流筒和内构件的作用，在反应器内形成环流或大环流套小环流的快速运动模式，气泡和固体颗粒均匀分布，气含率和固含率均匀一致，固体颗粒不会在任何部位发生积累；由于在反应器内流体的快速环流运动，反应器内温度分布均匀，流体与反应器壁热交换良好。本发明可广泛应用于氧化反应过程，加氢反应过程，加氢裂化过程，煤液化加氢过程，发酵过程，烃加工反应过程以及活性污泥污水处理过程等各类气-液和气-液-固反应过程中。
多级导流筒可根据反应器的高度，分成二级、三级或若干级。多级导流筒可有不同的形式，包括：导流筒分成多段，段间距5-50厘米；导流筒分成多段，段间加折流板，每段导流筒上在不同部位打孔；导流筒为一段，在不同部位打孔，开孔率由导流筒总长决定。 反应器内在导流筒的下部装有气体分布器。 下面介绍本发明的几个具体实施例。 实施例1：气-液反应
反应器：一级环流反应器；体积：50升
化学反应：α-吡咯烷酮+乙炔→乙烯基吡咯烷酮 反应温度：170℃；反应压力：12atm；催化剂：KOH 连续操作，液体空速：0.25h 实施例2：氧化反应
反应器：二级环流反应器；体积：1m
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化学反应：对硝基乙苯+空气→对硝基苯乙酮
反应温度：140℃；反应压力：5atm；催化剂：醋酸盐 间歇操作，反应时间：11h
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实施例3：氧化反应
反应器：二级环流反应器；体积：20升 化学反应：异丙基甲苯+氧气→CHP 反应温度：106℃；反应压力：5.6atm 间歇操作，反应时间4h实施例4：重质油催化加氢裂化
反应器：二级环流反应器；反应器体积：20m 反应温度：450℃；反应压力：130atm 连续操作，液体空速1h。实施例5：工业污水处理
反应器：二级环流反应器，塔身由碳钢制成；体积：25m。 污水为石油化工综合废水，主要含有苯、甲苯、苯乙烯、环氧氯丙烷和环己酮等，COD为960-1020mg/1，采用连续操作，环境温度为6-20℃，塔内水温为18-25℃，废水在塔内的停留时间为6小时，日处理量为100吨废水/日，活性污泥的浓度为3-6g/l，经处理后水的COD降为80-140。COD去除率为86.2-91.6％。
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说 明 书 附 图
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图2
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图3
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图4
图5
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图6
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图7
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图8
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02100451.X说 明 书 附 图 第12/13页
图9
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