多功能用途的多级旋转填充床反应器装置及利用该装置进行多相多组分反应的方法
【专利摘要】本发明公开了一种多功能用途的多级旋转填充床反应器装置及方法，装置包括电机、联轴器、轴承座、底座和多级旋转填充床；所述电机的输出轴与联轴器固定连接，联轴器的输出轴穿过轴承座与多级旋转填充床的旋转轴固定同轴连接，所述电机、轴承座和多级旋转填充床设置在底座上；所述多级旋转填充床包括壳体、多级转子和旋转轴；所述多级转子的每一级内缘处设有液体分布器；所述多级转子的每一级下方的壳体上设有液体出口，在最后一级转子周围的壳体上设有气体进口，在第一级转子的周围的壳体上设有气体出口；所述多级转子之间设有分隔板。本发明适用于分离、吸收、除尘、精馏、反应等化工场合，更适用于多组分吸收、多相反应等。
【专利说明】多功能用途的多级旋转填充床反应器装置及利用该装置进行多相多组分反应的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种旋转填充床反应器及方法，尤其是涉及一种多功能用途的多级旋转填充床反应器装置及利用该装置进行多相多组分反应的方法。
【背景技术】
[0002]19世纪70年代，英国帝国化学公司首次提出了超重力的概念，并在此概念上构造了超重力设备——旋转填充床。旋转填充床以电机为动力，带动转子高速旋转，从而产生巨大的离心力，用离心力来模拟超重力环境，实现了在地球上克服重力场的作用来强化化工过程。随着旋转填充床日积月累的发展，以及旋转填充床在某些化工单元操作过程中的成功应用，科研工作者对旋转填充床的热情被大大激发了，从而诞生了一门新兴技术，即超重力技术。
[0003]超重力技术作为过程强化技术的典型代表，持续受到科研工作者的关注。在旋转填充床的发明之初，其目的是为了强化精馏等分离过程。1983年，英国帝国化学公司Ramshaw教授领导了旋转填充床首个中试规模的工业应用，将旋转填充床用于乙醇与异丙醇的精馏分离。实验结果表明，当转子离心加速度为200?IOOOg时，理论塔板达到40块，无论是分离能力还是设备的运行状态，都达到了不错的效果。1995年，陈建峰博士发现了超重力环境下分子混合数百倍强化的现象，率先提出了将旋转填充床作为反应器，用于纳米材料制备等反应过程，从而拓展了旋转填充床的应用范围。目前，在所有科研工作者的努力下，在基础研究方面，旋转填充床内部的流体流动、传质、传热等研究工作已经开展多年；在应用研究方面，旋转填充床已经广泛应用于工业现场，如尾气SO2脱除、烟气CO2捕集、精馏、纳米材料制备、废水处理等。
[0004]多相多组分的“三传一反”过程大量存在于化工过程中。传统的旋转填充床，一般仅具有单一的液体进口、液体出口、气体进口和气体出口，在一定程度上限制了旋转填充床的使用。本发明的多功能用途的多级旋转填充床反应器装置能有效解决上述问题，实现多相多组分的分离、吸收等反应过程。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的第一个技术问题是提供一种多功能用途的多级旋转填充床反应器装置；该装置通过在多级转子上设置气体进口和液体出口，以及多级转子间的气体出口和与液体出口相连的换热系统和泵压系统，能实现多相多组分接触系统的需要，适用于分离、吸收、除尘、精馏、反应等化工场合；与传统的超重力旋转床装置相比，其更适用于多组分吸收、多相反应等。
[0006]本发明要解决的第二个技术问题是提供一种利用上述多功能用途的多级旋转填充床反应器装置进行多相多组分反应的方法。适用于多组分吸收和多相反应。
[0007]为解决上述第一个技术问题，本发明一种多功能用途的多级旋转填充床反应器装置，包括电机、联轴器、轴承座、底座和多级旋转填充床；所述电机的输出轴与联轴器固定连接，联轴器的输出轴穿过轴承座与多级旋转填充床的旋转轴固定同轴连接，所述电机、轴承座和多级旋转填充床设置在底座上；所述多级旋转填充床包括壳体、多级转子和旋转轴；所述多级转子的每一级内缘处设有液体分布器；所述多级转子的每一级下方的壳体上设有液体出口，在最后一级转子周围的壳体上设有气体进口，在第一级转子的周围的壳体上设有气体出口 ；所述多级转子之间设有分隔板，多级转子形成串联的气相走向通道。
[0008]优选地，所述轴承座与转子内腔之间有密封系统。
[0009]优选地，第一级转子与壳体之间设有密封件；所述分隔板和转子之间设有密封件。
[0010]优选地，在相邻两级转子之间设有两块分隔板，在每一级转子周围的壳体上均设有气体进口和气体出口，每一级转子形成单独的气相走向通道。
[0011]优选地，所述多级旋转填充床的旋转轴为卧式安装。
[0012]优选地，所述多级转子同轴连接且转子级数为2?4。
[0013]为解决上述第二个技术问题，本发明一种利用上述多功能用途的多级旋转填充床反应器装置进行多相多组分反应的方法，包括如下步骤:
[0014]液体从第一级原料罐通过第一泵和第一阀进入第一级转子，液体在离心力的作用下，穿过第一级转子从第一级液体出口流出进入第一级液体回收罐；液体若需要升温或者降温，则通过第二阀的控制输送到换热器，在第二泵的作用下泵入第二级转子；液体从第二级转子流出后，经过第二级液体出口流入第二级液体回收罐；若液体不需要换热，则通过第三阀的控制，在第二泵的作用下泵入第二级转子；若第二级转子需要使用不同于第一级转子的液体，异种液体从第二级原料罐，在第四阀的控制下，通过第二泵的作用泵入第二级转子；最后，液体从第二级转子液体出口流入第二级液体回收罐；当多级转子超过2极时，依次类推。
[0015]优选地，每一级转子都有单独的气体进口和气体出口 ；气相从第一级气体进口进入，然后从第一级气体出口排出；气相从第二级气体进口进入，然后从第二级气体出口排出；当多级转子超过2极时，依次类推。
[0016]优选地，所述升温或者降温是对液体温度调节范围为-50°C?500°C，优选-5V?200。。。
[0017]上述的级间泵压系统易于调控进入下一级转子的液体流量，在泵压的作用下，能保证进入每一级转子的液体在转子内缘高度方向上的均匀分布。
[0018]所述的液体，可选择每级进相同组分的液体，也可选择每级进不同组分的液体。
[0019]本发明具有具有如下有益效果:
[0020]本发明通过在多级转子上设置气体进口和液体出口，以及多级转子间的气体出口和与液体出口相连的换热系统和泵压系统，能实现多相多组分接触系统的需要，适用于分离、吸收、除尘、精馏、反应等化工场合。与传统的超重力旋转床装置相比，其更适用于多组分吸收、多相反应等。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是本发明的单一气体进口的多级旋转填充床反应器装置结构示意图；
[0022]图2是本发明的多个气体进口的多级旋转填充床反应器装置结构示意图；[0023]图3是本发明的单一气体进口的多级旋转填充床反应器装置多相多组分反应的工艺流程图；
[0024]图4是本发明的多个气体进口的多级旋转填充床反应器装置多相多组分反应的工艺流程图；
[0025]其中:
[0026]1-第二级液体出口，2-第一级液体出口，301-第一级转子，4-第二密封件，
[0027]5-第一级气体出口，6-第一级液体分布器，7-壳体，8-第一密封件，
[0028]9-分隔板，302-第二级转子，10-第二级气体进口，
[0029]11-第二级液体分布器，12-旋转轴，13-密封系统，14-轴承座，15-联轴器，
[0030]16-电机，17-底座，18-第三密封件，19-第一级气体进口，
[0031]20-第二级气体出口，21-换热器，22-第二阀，23-第一级液体回收罐，
[0032]24-第一级原料罐，25-第一泵，26-第一阀，27-第二级液体回收罐，
[0033]28-第二级原料--!，29-第四阀，30-第二栗,31-第二阀，32-第五阀，
[0034]33-第六阀。
【具体实施方式】
[0035]实施例1
[0036]参见图1所示，一种多功能用途的多级旋转填充床反应器装置，包括电机16、联轴器15、轴承座14、底座17和多级旋转填充床；所述电机16的输出轴与联轴器15固定连接，联轴器15的输出轴穿过轴承座14与多级旋转填充床的旋转轴固定同轴连接，所述电机16、轴承座14和多级旋转填充床设置在底座17上；所述多级旋转填充床包括壳体7、第一级转子301、第二级转子302和旋转轴12 ;第一级转子301、第二级转子302内均设有吸附填料；所述第一级转子301内缘处设有第一级液体分布器6，所述第二级转子302内缘处设有第二级液体分布器11 ;所述第一级转子301下方的壳体上设有第一级液体出口 2，所述第二级转子302下方的壳体上设有第二级液体出口 I ;在第一级转子301左侧的壳体上设有第一级气体出口 5 ;所述第一级转子301、第二级转子302之间设有分隔板9 ;气体从第二级气体入口 10进入壳体7内，经过第二级转子302内的吸附填料，进入第二级转子302中部空腔，再经过第一级转子301内的吸附填料，进入第一级转子301中部空腔，然后气体从第一气体出口 5排出；第二级气体入口 10、第二级转子302、第一级转子301和第一级气体出口 5形成串联的气相走向通道；当转子级数大于2时，依次类推。
[0037]所述轴承座14与壳体7内腔之间设有密封系统13 ；
[0038]第一级转子301与壳体7之间设有第二密封件4 ;分隔板9和第二级转子302之间设有第一密封件8 ；
[0039]所述多级旋转填充床的旋转轴12为卧式安装。
[0040]实施例2
[0041]参见图2所示,重复实施例1,其不同之处在于:
[0042]在第一级转子301左侧的壳体上设有第一级气体出口 5，在第一级转子301上方的壳体上设有第一级气体入口 19 ;在第2级转子302周围的壳体上部设有第二级气体进口10，在第一级转子301和第二级转子302之间设有两块分隔板9，该两块分隔板9之间形成通道，该通道在壳体7上的开口为第二级气体出口 20 ;左侧分隔板和旋转轴12之间设有第三密封件18。本实施例与实施例1的不同在于:在第一级转子周围的壳体上设有第一级气体进口 19 ;通过两块分隔板的设置，使得第一级气体入口、第一级转子和第一级气体出口成为单独的气体通道；使得第二级气体入口、第二级转子和第二级气体出口成为单独的气体通道。
[0043]实施例3
[0044]参见图1、图3所示，一种利用上述多功能用途的多级旋转填充床反应器装置进行多相多组分反应的方法，包括如下步骤:
[0045]液体从第一级原料罐24通过第一泵25和第一阀26进入第一级转子301,液体在离心力的作用下，穿过第一级转子301从第一级液体出口 2流出进入第一级液体回收罐23 ；液体若需要升温或者降温(所述升温或者降温是对液体温度调节范围为_50°C?500°C，优选-5°C?200°C )，则通过第二阀22的控制输送到换热器21，经过第五阀32，在第二泵30的作用下泵入第二级转子302 ;换热器下方设第六阀33，液体从第二级转子302流出后，经过第二级液体出口 I流入第二级液体回收罐27 ;若第一级液体回收罐23内液体不需要换热，则通过第三阀31的控制，在第二泵30的作用下泵入第二级转子302 ;若第二级转子302需要使用不同于第一级转子301的液体，则该异种液体从第二级原料罐28，在第四阀29的控制下，通过第二泵30的作用泵入第二级转子302 ;最后，液体从第二级转子302液体出口流入第二级液体回收罐27 ;当多级转子超过2极时，依次类推。上述的级间泵压系统易于调控进入下一级转子的液体流量，在泵压的作用下，能保证进入每一级转子的液体在转子内缘高度方向上的均匀分布。
[0046]本实施例例如可适用于MDEA (N-甲基二乙醇胺)+PZ (哌嗪)溶液深度捕集C02。配置质量分数为35%的MDEA+15%的PZ溶液置于第一级原料罐24，通过泵的作用泵入第一级转子301 ;体积分数为3%的CO2与空气的混合气从第二级气体入口 10进入第二级转子；从第一级转子流出的吸收液经过换热器21进行降温操作，通过第二泵30进入第二级转子；在转速为700rpm，气液比为150的操作条件下，CO2出口浓度为0.81%。
[0047]本实施例也可适用于水煤气除尘和脱除H2S;其中，第二级转子除尘，第一级转子吸收H2S ;含尘水煤气从第二级气体入口 10进入第二级转子，在气液比为100、转速为IOOOrpm的操作条件下，除尘率达到98%以上，能完全去除3微米以上的颗粒；除尘之后的气体继续进入第一级转子，H2S进口含量为2180mg/m3，使用含铁络合脱硫剂，气液比200，转速为IOOOrpm的操作条件下，H2S出口含量小于17.8mg/m3。
[0048]本实施例也可适用于烟气中除尘和脱除S02。其中，第二级转子除尘，第一级转子脱除SO2 ;含SO2烟气从第二级气体入口 10进入第二级转子，在气液比为100、转速为IOOOrpm的操作条件下，除尘率达到98%以上，能完全去除3微米以上的颗粒；除尘之后的气体继续进入第一级转子，SO2进口含量为6798mg/m3，使用含铁络合脱硫剂，气液比250，转速为IOOOrpm的操作条件下，SO2出口含量小于108mg/m3。
[0049]实施例4
[0050]参见图2、图4所示，重复实施例3，其不同之处仅在于，第一级转子301都有单独的第一级气体进口 19和第一级气体出口 5 ;气相从第一级气体进口 22进入，然后从第一级气体出口 5排出；第二级转子302有单独的第二级气体进口 10和第二级气体出口 20 ;气相从第二级气体进口 10进入，然后从第二级气体出口 20排出；当多级转子超过2级时，依次类推。
[0051]本实施例适用于CO2吸收和解吸，第一级用于吸收，第二级用于解吸；C02含量为5%的气体从第二级气体进口 10进入第二级转子302，采用苯菲尔溶液(K2CO3)为吸收剂，吸收温度为360K，气量0.5mol/m3,吸收液流量为80L/h，转速为1200rpm，CO2吸收率为92% ；吸收完的富液通过换热器21进行换热，通过泵30进入第二级转子，在温度为393K，气液质量比为1.7，转速为1200rpm，吸收剂中KHCO3质量分数降至8%，符合贫液要求。
[0052]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
【权利要求】
1.一种多功能用途的多级旋转填充床反应器装置，包括电机、联轴器、轴承座、底座和多级旋转填充床；所述电机的输出轴与联轴器固定连接，联轴器的输出轴穿过轴承座与多级旋转填充床的旋转轴固定同轴连接，所述电机、轴承座和多级旋转填充床设置在底座上；其特征在于: 所述多级旋转填充床包括壳体、多级转子和旋转轴；所述多级转子的每一级内缘处设有液体分布器；所述多级转子的每一级下方的壳体上设有液体出口，在最后一级转子周围的壳体上设有气体进口，在第一级转子的周围的壳体上设有气体出口；所述多级转子之间设有分隔板，多级转子形成串联的气相走向通道。
2.根据权利要求1所述的多级旋转填充床反应器装置，其特征在于:优选地，所述轴承座与转子内腔之间有密封系统。
3.根据权利要求1所述的多级旋转填充床反应器装置，其特征在于:优选地，第一级转子与壳体之间设有密封件；所述分隔板和转子之间设有密封件。
4.根据权利要求1-3中任一所述的多级旋转填充床反应器装置，其特征在于:优选地，在相邻两级转子之间设有两块分隔板，在每一级转子周围的壳体上均设有气体进口和气体出口，每一级转子形成单独的气相走向通道。
5.根据权利要求4所述的多级旋转填充床反应器装置，其特征在于:优选地，所述多级旋转填充床的旋转轴为卧式安装。
6.根据权利要求4所述的多级旋转填充床反应器装置，其特征在于:优选地，所述多级转子同轴连接且转子级数为2?4。
7.利用上述权利要求1-3中任一多级旋转填充床反应器装置进行多相多组分反应的方法，其特征在于，包括如下步骤: 液体从第一级原料罐通过第一泵和第一阀进入第一级转子，液体在离心力的作用下，穿过第一级转子从第一级液体出口流出进入第一级液体回收罐；液体若需要升温或者降温，则通过第二阀的控制输送到换热器，在第二泵的作用下泵入第二级转子；液体从第二级转子流出后，经过第二级液体出口流入第二级液体回收罐；若液体不需要换热，则通过第三阀的控制，在第二泵的作用下泵入第二级转子；若第二级转子需要使用不同于第一级转子的液体，异种液体从第二级原料罐，在第四阀的控制下，通过第二泵的作用泵入第二级转子；最后，液体从第二级转子液体出口流入第二级液体回收罐；当多级转子超过2极时，依次类推。
8.根据权利要求7所述的多相多组分反应的方法，其特征在于:优选地，每一级转子都有单独的气体进口和气体出口 ；气相从第一级气体进口进入，然后从第一级气体出口排出；气相从第二级气体进口进入，然后从第二级气体出口排出；当多级转子超过2极时，依次类推。
9.根据权利要求7所述的多相多组分反应的方法，其特征在于:优选地，所述升温或者降温是对液体温度调节范围为_50°C?500°C，优选_5°C?200°C。
10.根据权利要求7所述的多相多组分反应的方法，其特征在于:进入每一级转子的液体在转子内缘高度方向上均匀分布。
【文档编号】B01J19/28GK103521160SQ201310454946
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】陈建峰, 鱼潇, 初广文, 罗勇, 赵宏, 邹海魁 申请人:北京化工大学