专利名称：一种塔径收缩结构及具有该结构的鼓泡塔的制作方法
技术领域：
本发明涉及鼓泡塔反应器，尤其是具有塔径收缩结构的鼓泡塔。
背景技术：
鼓泡反应器液体为连续相，气体和固体为分散相，它具有无运动部件、结构简单、热容量大、传热性能好、温度容易控制及安全性高等优点。然而在表观气速5cm/s以上时，随着小气泡不断合并成大气泡和大气泡不断破裂，反应器流型由均匀鼓泡流进入湍流区，气体向塔中心聚集，因此塔中心出现低密度区，塔内液体出现抛物线型速度分布，即塔中心液体向上流动，近壁区向下流动，造成塔内液体的循环。鼓泡塔的液相轴向返混系数正比于表观气速的0.3～0.5次方以及塔径的1.25～1.5次方，对于一个直径6米的鼓泡塔，可达到完全返混的程度。然而，返混对于具有串联步骤的反应来说是不利的。例如，为减少反应混合物的返混，工业环己烷催化氧化反应采用多级串联方式，以限制氧化产物的停留时间，避免反应产物的深度氧化，从而提高目的产物的选择性和收率。具有串联反应特点的不仅有烃类氧化，还有选择性加氢、费-托合成等体系。
为了改善鼓泡反应器的流动状态，通常采用的解决办法是在塔内径向安装多块挡板或筛板。挡板的作用是迫使流体沿折流路线流动，避免短路。筛板可以有效地对塔内的液体流动起到再分布的作用，消除速度分布。但在高温高压或有固体催化剂存在时，则会出现烧结、堵塞、受热弯曲变形、清洗困难等不少问题，严重影响反应的进行。
为了降低鼓泡塔的返混，人们对鼓泡塔结构进行了各种改进，但基本都采用在塔内设置内构件的方法。例如，文献“A structured catalyticbubble column reactorhydrodynamics and mixing studies”(见CatalysisToday，2001，69105-113)报道了在鼓泡塔内装填Sulzer Chemtech公司生产的KATAPAK-S填料组件可使液相返混降低一个数量级。文献“Liquid-phase back-mixing in bubble columns structured by introduction ofpartition plates”(见Catalysis Today，2001，69165-170)报道了在鼓泡塔内安装多快分隔板可使轴向返混大幅度降低，但是出现气体在隔板下方大量聚集的问题。此外，中国发明专利CN101157606A提出了一种生产芳香酸用分区式鼓泡塔氧化反应器，使鼓泡塔内出现两个不同的反应区，使预反应区处于高浓度状态，主反应区处于低浓度状态，该反应器也采用多孔筛板作为分区手段。与以上结构不同的是，中国发明专利CN 1785495A公开了一种带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器，通过阻尼内构件对流体的流动施加一定的阻碍作用，抑制中心区域过快的气体和液体流速，使速度的径向分布更加均匀。同时，通过阻尼内构件对流场的干扰，促进局部湍动，提高气液传质过程，使过程得到强化。但液体速度分布测定表明，安装阻尼内构件后尽管可使中心处速度下降，但壁处的液体仍然向下流动，且速度大小与无内构件时完全相同。因此，这种结构仍然无法阻止塔内的液相返混。可见，尽管人们在鼓泡塔方面做了大量的研究工作，有效地防止塔内液相返混的最有效手段仍然是多级筛板分割法。
发明内容
根据目前鼓泡塔结构所存在的严重返混问题，本发明提供一种与已有技术不同的鼓泡塔改进结构，在不设置内部构件的前提下，纯靠收缩塔径的方法，大幅度降低鼓泡塔整体的液体轴向返混，同时又能保证局部液体的混合程度不下降。
目前采用的降低鼓泡塔液相返混的方法有两种一种是将鼓泡塔用多孔板分割成多级串联鼓泡塔，一种是通过在塔中心安装阻尼内构件获得均匀的速度分布。本发明认为，这两种方法必须在塔内安装内构件，给设备加工、清洗等带来很多问题。本发明采用不同的原理，该原理认为造成鼓泡塔液相返混的根本原因在于液相在中心区和器壁区之间的内部循环流动，如果将该内循环流动途径阻断，只保留向上的宏观流动，则可解决液相返混问题，无需将塔分割或使液速均匀。
本发明的发明内容如下 一种塔径收缩结构，所述收缩结构包括一体地形成的收缩段和锥形扩展段，所述收缩段是一个圆柱形通道，所述锥形扩展段对称地位于所述圆柱形通道的两端。
具有上述塔径收缩结构的鼓泡塔，所述圆柱形通道的内径占所述鼓泡塔内径的1/3～1/4，所述圆柱形通道的高度是鼓泡塔直径的0.1～0.3倍。
所述锥形扩展段的一端带有法兰，安装在相邻两段塔节之间；另一端不带法兰，置于所述鼓泡塔内部，并贴附于所述鼓泡塔的内壁；所述塔节是指位于相邻的所述收缩结构之间的一段鼓泡塔。
所述锥形扩展段的入口直径和出口直径与所述鼓泡塔的内径相等；所述锥形扩展段带法兰的一端在上，为所述出口；不带法兰一端在下，为所述入口；整个所述收缩结构竖直地安装在所述鼓泡塔内部，形成文丘里型通道。
所述塔径收缩段数为1～10段。在鼓泡塔低于5米高度时，塔径收缩段数以4段以下为宜；鼓泡塔高于5米高度时，塔径收缩段数以4段以上为宜。更好地，所述塔径收缩段数为3～5段。
本发明的实施效果的评价方法如下 本发明采用理论与实验相结合的方法对鼓泡塔及其新型结构进行流体力学性能评价。实验方法采用(1)测定鼓泡塔的径向液体轴向速度分布，获得塔壁附近液体的流动状况；(2)测定液体停留时间分布，如流体在反应器内的停留时间相差很大则表明返混严重。理论方法采用多级全混釜串联模型，通过估算全混釜串联级数判断鼓泡塔的返混程度。
本发明有效地解决了鼓泡塔中液体返混现象，不需要在塔内安装干扰流体流动的内部构件，在降低全塔返混的同时保证气液混合充分，具有操作可靠的特点，适合于各类气-液和气-液-固反应体系。
图1是具有塔径收缩结构的鼓泡塔的结构示意图； 图2是塔径收缩结构示意图； 图3是对比例与实施例1的速度分布曲线；其中 操作条件液速＝0.76cm·s-1，气速＝6.02cm·s-1 对比例1(□)-测量点A； 实施例2
-测量点B；3(△)-测量点C；4(○)-测量点D 图4是对比例与实施例2的速度分布曲线；其中 操作条件液速＝0.76cm·s-1，气速＝6.02cm·s-1 对比例1(□)-测量点A； 实施例2
-测量点B；3(△)-测量点C；4(○)-测量点D 图5是实施例1的加装塔径收缩结构后鼓泡塔液相物料停留时间分布密度曲线；其中 曲线1对比例(没有加装缩径结构，测量点位于塔顶出口处) 曲线2实施例1(加装4个缩径结构，测量点位于塔顶出口处) 图6是实施例2加装塔径收缩结构后鼓泡塔液相物料停留时间分布密度曲线；其中 曲线1对比例(没有加装收缩结构，测量点位于塔顶出口处) 曲线2实施例2(加装4个收缩结构，测量点位于塔顶出口处)。
符号说明 1 气液入口；2 分布器；3 鼓泡塔； 4 锥形扩展段； 5 收缩通道； 6 段间法兰； 7 液体出口；8 气体出口； A，B，C，D-液体流速测量点位置 9 锥形扩展段入口； 10 收缩管； 11 锥形扩展段出口； 12 法兰；D1 锥形扩展段入口直径；D2 收缩管直径； H1 收缩段高度； H2 收缩管高度。
具体实施例方式 下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不仅限于实施例。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。
从鼓泡塔流体力学原理分析可知，周期性收缩塔径可切断液体循环路径，但如何实现这种设想是本发明需要解决的关键问题。因为鼓泡塔通常比较高，且高径比一般在3～15之间，如果将塔径进行多次收缩，将带来塔体折断的严重后果。为了避免此类问题的发生，同时又产生塔径收缩的效果，本发明采用多段塔节组合方式，在两段塔节间安装塔径收缩结构，见图1和2。其中，图1是具有塔径收缩结构的鼓泡塔的结构示意图，对于本发明所采用的直径50cm、高550cm的鼓泡塔反应器来说塔体由高度依次为(自塔底开始)150cm、100cm、100cm、100cm的塔节组成，在两塔节之间的截面处，通过法兰将缩径结构(收缩机构)用螺栓与相邻塔节固定在一起。图2为塔径收缩结构，它具有收缩管和锥形扩展段，上端的锥形扩展段带有与塔节相连的法兰。各部分尺寸的最优取值为锥形扩展段入口直径D1取鼓泡塔内径，收缩管内径D2取鼓泡塔内径的1/3～1/4，收缩段高度H1取鼓泡塔直径的0.6倍(0.5～0.8倍均可)，收缩管高度H2取鼓泡塔直径的0.2倍(0.1～0.3倍均可)。对于本发明所采用的直径50cm的鼓泡塔反应器来说，鼓泡塔内径D1＝48.4cm，收缩管内径D2＝12cm，收缩段高度H1＝30cm，收缩管高度H2＝10cm。
为表述简明起见，本发明采用对比例表示原结构鼓泡塔即没有塔径收缩结构的鼓泡塔(塔径为50cm，高550cm)，实施例1中收缩管(圆柱形通道)的内径为12cm，实施例2中收缩管的内径为23cm。
(一)速度分布曲线 为了说明塔径收缩对塔内速度分布产生的影响，本发明在鼓泡塔的不同高度处进行了液相径向速度分布测量。按图1所示，测量点A处在鼓泡塔的顶部，用于测量整个鼓泡塔的速度分布特性，测量点B处在缩径通道的出口处，用于测量流出收缩通道的液体在整个塔径上的分布，测量点C处在缩径通道的入口处，用于测量液体进入收缩通道前的速度分布变化情况，测量点D位于第一段塔节中部，用于测量收缩通道上游自由塔段空间内的速度分布。由于各塔段的情况类似，因此本发明仅对第一级塔段进行了测定，该结果同样适用于其它各段。以下将描述对比例、实施例1及实施例2的情况，说明鼓泡塔改造前后以及不同收缩段几何尺寸对流体力学性质的影响。
对比例和实施例1中上述各点的液体速度分布测量结果如图3所示。在对比例中鼓泡塔的液体速度分布类似抛物线型，在管中心区域的液体向上流动，在壁附近的液体向下流动，因此出现塔内液体的循环流动，见图3的曲线1所示。塔段间安装缩径结构后，在不同位置处出现不同的速度分布。在远离缩径的塔段上游D点，液体流速仍然呈抛物线型，如图3的曲线4所示；在接近缩径的入口处C点，速度分布发生了质的改变，由抛物线型变为水平，说明液体流速由循环流动变为单向流动，这样返混就被局限在各个塔段内，从而限制了全塔液体的宏观循环流动。在缩径的出口B点处，速度分布出现射流特征，如图3的曲线2所示。
实施例2中各点的液体速度分布测量结果如图4所示。可见，尽管这两种情况下塔径收缩值分别为12cm和23cm，但C点处曲线3的速度分布极其类似，说明塔径收缩时液体以柱塞流向上运动。不同点在于B点处曲线2的速度分布。在实施例1中，除中心区流体以射流形式向上流动外，在其它区域液速几乎为0；但在实施例2中，除中心区流体与实施例1相同外，器壁附近液体有较大的反方向流速，则会带来返混问题。
(二)液相返混 采用脉冲注入KCl为示踪剂的方法，利用电导率在线采集系统测定KCl出口浓度随时间的变化，得到停留时间密度函数曲线。本发明在多种气液流速下对对比例、实施例1和实施例2进行了停留时间分布测定，实验结果见图5和图6及表1。可见图中的曲线1都非常接近于全混流，证实了鼓泡塔反应器中具有强烈的液相返混。曲线2则明显带有平推流特征，说明加入缩径结构后塔内的液相返混得到了有效的缓解。
比较图5和图6可以发现，实施例1与2的液体停留时间分布有所不同，而且实施例1的结果明显好于2。为了使比较能够定量化，本发明计算了两种情况下的停留时间分布密度曲线的方差，并估算出所对应的全混釜串联级数。可见，原鼓泡塔(对比例)相当于1.5级釜串联，实施例1相当于3级釜串联，实施例2相当于2级釜串联。通过方差计算，得到当塔内加装4个缩径结构，通道直径为12厘米时，液相返混情况比未加装时减小了约60％。相比之下，通道直径为23cm时只能将返混程度降低20％～30％。
比较实施例1和2，可认为收缩管的内径达到23cm时对返混的限制效果不够明显，因此应采用内径更小的收缩管。但内径也不能太小，一方面对返混的抑制作用不再增加，另一方面带来过大的流动阻力。从本发明所测量的速度分布曲线来看，收缩管内径为12cm时已经基本可切断液体回流路径，因此可认为收缩管内径取鼓泡塔内径的1/4～1/3较为适宜。
(三)缩径结构对压降的影响 通过液速分布曲线和液体停留时间分布的测定，已经可以看出塔径收缩对减小液相返混有显著的效果，但由于缩径结构的加入，也会不可避免使得流体阻力损失增加。为了说明这一问题，测定了缩径两侧的压降。从表2可以看出，在反应器体系引入缩径结构，即使是中心最小直径只有12厘米的缩径结构，流体经过它时的额外阻力损失只有0.5kPa，这对于一个鼓泡塔来说是可以不必考虑的。
表1鼓泡塔的液相返混表征结果
表2塔径收缩结构产生的压降
权利要求
1、一种塔径收缩结构，其特征在于，所述收缩结构包括一体地形成的收缩段和锥形扩展段，所述收缩段是一个圆柱形通道，所述锥形扩展段对称地位于所述圆柱形通道的两端。
2、具有权利要求1所述的塔径收缩结构的鼓泡塔，其特征在于，所述圆柱形通道的内径占所述鼓泡塔内径的1/3～1/4，所述圆柱形通道的高度是鼓泡塔直径的0.1～0.3倍；所述收缩结构的高度是鼓泡塔直径的0.5～0.8倍。
3、根据权利要求2所述的鼓泡塔，其特征在于，所述锥形扩展段的一端带有法兰，安装在相邻两段塔节之间；另一端不带法兰，置于所述鼓泡塔内部，并贴附于所述鼓泡塔的内壁；所述塔节是指位于相邻的所述收缩结构之间的一段鼓泡塔。
4、根据权利要求3所述的鼓泡塔，其特征在于，所述锥形扩展段的入口直径和出口直径与所述鼓泡塔的内径相等；所述锥形扩展段带法兰的一端在上，为所述出口；不带法兰一端在下，为所述入口；整个所述收缩结构竖直地安装在所述鼓泡塔内部，形成文丘里型通道。
5、根据权利要求2所述的鼓泡塔，其特征在于，所述塔径收缩结构的段数为1～10段。
6、根据权利要求5所述的鼓泡塔，其特征在于，在所述鼓泡塔的高度低于5米时，所述塔径收缩结构的段数为1～4段；在所述鼓泡塔的高度高于5米时，所述塔径收缩结构的段数为4段以上。
7、根据权利要求5所述的鼓泡塔，其特征在于，所述塔径收缩段数为3～5段。
全文摘要
本发明涉及一种塔径收缩结构及具有该结构的鼓泡塔。根据液体流速分布和停留时间分布测定结果，安装4只内径12cm的缩径部件的鼓泡塔可将返混程度降低60％，安装4只内径23cm缩径部件只能将返混程度降低20～30％。本发明有效地解决了鼓泡塔中液体返混现象，不需要在塔内安装干扰流体流动的内部构件，在降低全塔返混的同时保证气液混合充分，具有操作可靠的特点，适合于各类气-液和气-液-固反应体系。
文档编号B01J19/24GK101607187SQ200910054518
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者程振民, 黄子宾, 阳 吴 申请人:华东理工大学