专利名称：自循环串联气升式内环流反应器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于气、液吸收-解吸过程或者气、液、固三相催化反应-催化剂再生过程的反应器系统，特别是涉及一种自循环串联气升式内环流反应器系统，属于化学工程领域。
背景技术：
气、液吸收-解吸过程，气、液、固三相催化反应-催化剂再生过程是化学工业、石化工业中最常见和最基本的两个过程。这类过程一般都具有以下特点1)吸收和反应过程的效率与气、液或者气、液、固三相的混合和相间传质过程密切相关。2)一般需要至少需要两个反应器完成上述过程，一个反应器为吸收或者三相催化反应发生反应器，一个是解吸或者催化剂再生反应器。总有一部分的物料是在两反应器间循环的，而循环过程一般需要依靠泵组件实现。在很多过程中，两反应器间物料循环耗费了大量的能量。例如，在典型的吸收过程中，吸收溶剂在吸收塔吸收气体后，被泵送到解吸塔，在解吸塔中吸收溶剂再生，再生的吸收溶剂又被泵送回吸收塔，这样大量的吸收溶剂在两塔间不断的循环，由此造成的能量消耗成为吸收过程能耗的重要方面之一。
基于鼓泡式反应器发展起来的气升式内环流反应器，是在鼓泡反应器内加入内构件导流筒，使流体在反应器内产生围绕导流筒的循环流动，从而实现气、液、固三相均匀混合，且可获得较高的相间传质系数，其在生物发酵过程、污水处理过程等很多气、液、固三相反应以及气、液吸收反应中有广泛的应用。
气升式内环流反应器内流体流动的动力是导流筒内外气、液混相的密度差造成的压力差。气体和液体的混相密度比相同状态下的纯液体的密度低，因而相同高度的气体和液体的混相液柱比纯液体的液柱产生的压强也小。利用这一压强差作为两反应器间的流体循环的推动力，在两环流反应器间实现自循环，就可以大幅度减小该过程的能耗、提高生产效率。
发明内容
本发明的目的在于在气升式内环流反应器的基础上，提出并建立一种两个内环流反应器串联、反应器间流体实现自循环的串联反应器系统。该反应器系统利用气、液混相和纯液相的密度差造成的压强差作为两反应器间的流体循环的推动力，无需泵送系统，即可实现两反应器间流体的循环交换。所采用的环流反应器气、液、固三相均匀混合，相间传质系数高。利用该反应器系统可高效、低能耗地实现吸收-解吸过程，气、液、固三相催化反应-催化剂再生过程等过程。
本发明是这样实现的反应器系统由两个气升式内环流反应器A和B构成。每个反应器均包括塔身1、导流筒2和气体分布器3、溢流槽6。在反应器的上方设有流体流出口4、在反应器底部设有流体流入口5。流体流出口4设在溢流槽6的底部，溢流槽6设在气液分离区7。反应器A的流出口和反应器B的流入口、反应器B的流出口和反应器A的流入口之间通过管道8连接，构成两反应器间的循环回路。
本发明还采用如下的技术方案1)流体流出口4在导流筒的上方；流体流入口5设在反应器底部、靠近气体分布器的位置。
2)溢流槽6在反应器的导流筒上方的气液分离区7内，气、液在溢流槽中进一步分离，自溢流槽底部的流出口4流出的液体中基本无气泡。
3)流入口伸向导流筒内部，其高度接近导流筒的下沿，但不高于气体分布器。
4)一个反应器(例如A)的流体流出口4的高度高于另一个反应器(例如B)的流体流入口5。
5)塔身A和塔身B的总高与其内径之比为5～15，导流筒2的内径和塔身的内径比为0.4～0.9。
6)反应器A和反应器B的直径可不相同。两者的直径比由物料在反应器A中的停留时间和在反应器B中停留时间的比值决定。
7)反应器的导流筒2可以是现有技术提出的各种形式的导流筒，例如可以是单级，也可以是多级的；可以有1个，也可超过1个，在塔身1内并列放置。两个反应器内导流筒的形式可相同，也可不同。当导流筒为多个时，将液体流入口置于其中任何1个导流筒的下沿但不高于气体分布器的位置即可。
8)两反应器的操作压力相同。
本发明提出的自循环串联气升式内环流反应器组的特点是1)气体经气体分布器进入反应器中的导流筒内，由于气泡在导流筒内外的分布不同而产生混相密度差和压力差，推动流体在反应器内循环，气体在气升式环流反应器中溶解速度快、传质阻力小，因而气、液吸收反应和气、液、固三相催化反应的效率高。
2)从溢流槽流出环流反应器的流体中基本不含气体，而反应器内流体中含有一定量的气体，因此在流入口5处，管道中流体的压强大于反应器内的压强，液体从流入口流入反应器的导流筒内。因而可在不使用泵送系统的情况下，实现两反应器内物料的交换和循环，节约了能量。
3)本发明将流入反应器的流体引导入导流筒下方的负压区，从而进一步提高推动两反应器间流体流动的压差。
4)通过调整两反应器中气体的流量，可以改变两反应器中气体的含量，从而可调节两反应器之间流体的循环速度。
图1是本发明提供的自循环串联气升式内环流反应器组的结构示意图。
图2是图1所示反应器A的A-A剖视图，反映反应器内溢流槽6、导流筒2、气体分布器3、流体流出口4和流体流入口5的径向相对位置。反应器B的情形是类似的。
图3是两个反应器均具有2级导流筒的自循环串联气升式内环流反应器系统，两反应器中2级导流筒的形式不相同，塔A中的为分段带有折流板的内构件，塔B中则是在单级导流筒上开孔。
图4是其中一个反应器A具有3个导流筒的自循环串联气升式内环流反应器系统。
图5是图1所示自循环串联气升式内环流反应器系统的流体流动状态图。
图6是自反应器B中流出的流体(流入反应器A的流体)的流量LB随塔A中气体体积气含率εA的变化情况。
具体实施例方式
下面结合附图具体说明本发明的实施方式。
如图1和2，本发明由两个气升式内环流反应器A、B构成。两个反应器间通过管道8连接，管道8上包含有阀门等管件。每个反应器均包括塔身1、溢流槽6、导流筒2和气体分布器3。当气体从气体分布器3喷出后，在气体分布器3周围立即产生大量气泡，也即在分布器3周围产生稀相区。稀相区的密度小于周围的流体。在密度差和喷出气体的冲击作用下，气泡连同稀相区的液体、固体颗粒沿导流筒向上运动，并产生环流运动，如图5所示。在反应器顶部一部分气体继续上升进入气液分离区，另一部分气体则随流体进入导流筒和反应器壁间的下降段。因而在下降段中也存在着一定的气体含量。这样气液接触的时间较长，吸收和反应过程的可充分进行。而在流体流出口4下方的范围内，由于导流筒内和环隙都存在一定含量的气体，其混相的密度较纯液体低，因而在流体流入口5处，液柱产生的压强P1也比相同高度的纯液体液柱产生的压强低。
在反应器顶部气液分离区，进入气液分离区的气体继续上升，最终从气液混相中逸出，并从反应器顶部的排气口排出。经过气液分离后的部分液体下降到下降段，继续参与环流；另一部分液体则流入溢流槽6。在溢流槽中，液体相对静止，液体中含有的少量气体进一步被分离，因而自溢流槽6底部流出的液体中基本上不含有气体，为纯液体。那么当管道8中充满液体、且不考虑流体的动压时，由于液体中不含气体，因此管道8中的液柱在流体流入口5处所产生的压强P2大于反应器中的液柱产生的压强P1。在压差的作用下，流体自流出口4，沿管道8和流入口5克服阻力流向另一个反应器的导流筒内。实际上，由于导流筒内气体和液体的快速向上运动，流入口5外侧的压强将进一步减小，使得流入口5内外两侧的压强差进一步提高。
流入口5内外两侧的压强差和管道8(包括管件)的阻力大小将最终决定流体的在管道8中流动的速率。如果提高反应器中气液混相的气含率(比如增加进入反应器的气体的流量)，则流入口5内外两侧的压强差增加，因而流体流动速率提高。如果使用光滑、内径大的管道8连接两塔，且采用的管件的阻力系数较小，则流体流动的速率也将会提高。
当反应器A、B中流入口5内外两侧的压强差PA和PB不同时，流体从两个反应器流出的流量就可能不一样。在连接两个反应器的管道的阻力相同的情况下，如果ΔPA＜ΔPB，则从反应器A中流出的流体(即流入反应器B的流体)的流量LA大于自反应器B中流出的流体(流入反应器A的流体)的流量LB，则反应器A中的液面将下降，而反应器B中的液面将上升。这就使得ΔPA增大，而ΔPB减小最终ΔPA＝ΔPB，而LA＝LB；即两反应器中流体交换量相等，反应器系统进入稳定操作状态；反之，如果PA＞PB，则最终反应器A中的液面将上升一定高度，而达到LA＝LB的稳定操作状态。因而，本反应器系统具有自调节的性能，即在操作参数偏离稳态时，反应器系统将自动通过调整两反应器中液位，自动进入稳态。
下面介绍本发明的几个实施例，但本发明的保护范围，并不局限于实施例。
实施例1本实施例为实验测定的进入反应器的气体流量不同时，两反应器间循环流体流量的变化。进行实验测定的反应器中的导流筒均为2级。反应器的主要结构参数如表1。反应器的材质为有机玻璃，导流筒的材质为不锈钢。管道8为尼龙管道，管道直径2cm，管道中有流量计。测定所采用的液体为纯水，气体为压缩空气，操作压力为常压。当塔B中的气体体积气含率保持不变(6％)，而塔A中气体的体积气含率εA不同时，自反应器B中流出流体(流入反应器A的流体)的流量LB的变化绘制在附图6中。
表1反应器的主要结构参数(单位mm)
实施例2本实施例为采用本发明的反应器系统，通过吸收反应脱除气体中的硫化氢，并对吸收剂进行再生。该过程应用铁基工艺，以络合Fe3+为吸收反应的催化剂。其吸收反应和络合铁Fe2+的再生反应如下吸收反应为
再生反应为吸收反应和再生反应分别在环流反应器A的环流反应器B中进行。含硫化氢气体自反应器A的分布器进入反应器A，在被A中的溶液吸收并和络合Fe3+反应后，生成硫磺(S)和络合Fe2+；脱除硫化氢的气体自A顶部排出。反应中形成的络合Fe2+随溶液流入反应器B，反应器B中通入压缩空气或氧气，将络合Fe2+重新氧化为络合Fe3+，络合Fe3+再从反应B的流出口流到反应器A，如此铁离子即可不断循环使用，而通过入A中的气体中所含有的硫化氢不断被吸收并反应消除。
权利要求
1.自循环串联气升式内环流反应器系统，其特征在于所述系统由两个气升式内环流反应器A和反应器B构成；所述反应器A和反应器B均包括塔身(1)、导流筒(2)、气体分布器(3)和溢流槽(6)；所述反应器A和反应器B的上方设有流体流出口(4)、底部设有流体流入口(5)；所述反应器A的流出口和反应器B的流入口、反应器B的流出口和反应器A的流入口之间通过管道(8)连接，构成两反应器间的循环回路。
2.根据权利要求1所述的自循环串联气升式内环流反应器系统，其特征在于，所述反应器A和反应器B流出口(4)设在溢流槽(6)的底部；流体流入口(5)设在反应器底部、靠近气液分布器的位置。
3.根据权利要求1所述的自循环串联气升式内环流反应器系统，其特征在于，所述反应器A和反应器B溢流槽(6)设在导流筒(3)上方的气液分离区(7)中。
4.根据权利要求1所述的自循环串联气升式内环流反应器系统，其特征在于，所述流体流入口(5)，通过引管伸向导流筒内部，其高度接近导流筒的下沿，但不高于气体分布器。
5.根据权利要求1所述的自循环串联气升式内环流反应器系统，其特征在于，其中一个反应器的流出口(4)的竖直高度高于另一个反应器的流入口(5)。
6.根据权利要求1所述的自循环串联气升式内环流反应器系统，其特征在于，所述反应器A和反应器B的直径比由物料在反应器A中的停留时间和在反应器B中停留时间的比值决定，所述反应器A塔身和反应器B塔身的总高与其内径之比为5～15，所述导流筒(2)的内径和塔身的内径比为0.4～0.9。
7.根据权利要求1或6所述的自循环串联气升式内环流反应器系统，其特征在于，所述反应器A和反应器B的导流筒(2)为各种形式，两个反应器内导流筒的形式可相同，也可不同。
8.根据权利要求1或6所述的自循环串联气升式内环流反应器系统，其特征在于，所述反应器A和反应器B的导流筒(2)包括单级与多级、或单个与多个形式。
9.根据权利要求1所述的自循环串联气升式内环流反应器系统，其特征在于，所述反应器A和反应器B的操作压力相同。
全文摘要
自循环串联气升式内环流反应器系统，属于化学工程领域。所述系统由两个气升式内环流反应器构成。每个反应器包括塔身1、导流筒2、气体分布器3和溢流槽6。每个反应器溢流槽6底部有流体流出口4、导流筒下沿有流体流入口5。一个反应器的流出口和另一反应器的流入口之间通过管道8连接，由此构成两反应器间的循环回路。从溢流槽流出的液体中不含气体，而反应器内液体中含有一定量气体，在流入口5处，管道中流体的压强大于反应器内的压强，流体从流入口流入，从而在不使用泵送系统的情况下，实现两反应器内物料的交换和循环，节约了能量。气体在气升式环流反应器中溶解速度快、传质阻力小，气、液吸收反应和气、液、固三相催化反应的效率高。
文档编号B01J8/22GK1762570SQ20051008643
公开日2006年4月26日 申请日期2005年9月16日 优先权日2005年9月16日
发明者乔永, 蒋国强, 赵洲洋, 丁富新 申请人:清华大学