一种低停留时间气液反应器的制作方法

本发明属于化学反应设备技术领域，具体涉及一种气液反应器，尤其是一种用于气液剧烈反应的反应器，尤其是一种以低停留时间内收集气相反应产物为主的反应器。可广泛应用于石油、化工、轻工、医药和环境保护等领域的气液反应场合。

背景技术：

气液反应器被广泛地应用于石油、化工、轻工、医药和环境保护等生产过程中，属于化学反应工程领域具有重要意义的研究内容。常用的气液反应器主要有填料反应器、气液搅拌反应和鼓泡反应器等。

若发生的气液反应是瞬时反应，传质过程通常是整个反应过程的控制步骤，则传质速率是反应器设计的关键问题。设法降低传质阻力、提高反应比表面积，是设计高效气液反应器，获得较高经济效益的关键；若上述瞬时剧烈反应的产物为气液两相，且气相产物副反应较多，则气相产物和液相产物的高效、快速分离对于提高该反应的产率或选择性有利，所以采用合理、高效的快速分离结构形式，也是提高反应效率和经济效益的关键。

技术实现要素：

本发明要解决上述现有技术的缺点，提供一种结构合理、使用效果好的新型低停留时间气液反应器。本发明可广泛应用于石油、化工、轻工、医药和环境保护等领域的气液反应场合，尤其是一种以收集气相反应产物为主的气液剧烈反应。

本发明设计结构方案如下所述：

一种低停留时间气液反应器，包括上下两端开口的圆形筒体，圆形筒体的上开口端设有密封上盖(13)，于圆形筒体上部的侧壁面上设有与外部气源相连通的相分散气流入口(10)，于圆形筒体内的下部设有与圆形筒体同轴的密闭环形的气相反应物预混室(7)，气相反应物预混室(7)的壁面上设有与外部气源相连通的气相反应物入口(8)；于环形气相反应物预混室(7)同一径向截面的内侧壁面上由内至外向下开设有2个以上的圆形通孔作为气相分配孔(6)，2个以上的圆形通孔轴线与气相反应物预混室(7)的轴线呈相等的锐角且不相交，圆形通孔轴线于气相反应物预混室(7)的径向截面上的投影，圆形通孔处于气相反应物预混室(7)内部的入口端投影点与气相反应物预混室(7)的径向截面中圆心连线，2个以上的圆形通孔轴线的投影线段与连线呈相等的锐角；

于相分散气流入口(10)和气相分配孔(6)之间的圆形筒体内部设有上端开口、下端密闭的中空筒状气相两室隔断(11)，气相两室隔断(11)下部为倒圆锥台形，气相两室隔断(11)将圆形筒体分隔成上下二个互不连通的腔室，于气相两室隔断(11)内设有一二端开口的圆管，圆形筒体、圆管与倒圆锥台形的气相两室隔断(11)下部同轴，圆管的一开口端A穿过密封上盖(13)与液源相连，圆管的另一开口端B抵接于气相两室隔断(11)的底部、且对应于圆管开口端气相两室隔断(11)的底面上开设有与圆管开口端大小相同的圆形通孔；于靠近圆管开口端B的圆管内部向轴线方向径向设有环形突起，环形突起的轴截面为二个对称的三角形，于圆管开口端B同一径向截面的外侧壁面上由外至内向下开设有2个以上的圆形通孔作为相分散气流分配孔(9)，2个以上的圆形通孔轴线与圆管的轴线呈相等的锐角且不相交，圆形通孔轴线于圆管的径向截面上的投影，圆形通孔处于圆管外部的入口端投影点与圆管的径向截面中圆心连线，2个以上的圆形通孔轴线的投影线段与连线呈相等的锐角；

旋流组件(15)为下端设有圆锥台形盖帽作为分布锥(19)的旋流杆(17)，圆杆从圆管开口端B伸入圆管内，圆锥台形盖帽与环形突起的下表面间、以及旋流杆与圆管内壁面间均留有空隙；于旋流杆(17)上设有一圆柱形旋流子(18),旋流子与旋流杆同轴设置,旋流子侧壁设有与轴线呈相等锐角的2个以上的槽，2个以上槽均向同一方向倾斜。

于圆管内沿径向设有一圆形挡板，圆形挡板的四周边缘与圆管内壁面密闭连接；于圆管上表面向下开设有2个以上的圆形通孔，2个以上的圆形通孔轴线与圆管的轴线呈相等的锐角且不相交，圆形通孔轴线于圆管的径向截面上的投影，圆形通孔处于圆管外部的入口端投影点与圆管的径向截面中圆心连线，2个以上的圆形通孔轴线的投影线段与连线呈相等的锐角；

圆形筒体下方设置有一上端开口、下端密闭的分离段筒体(3)，圆形筒体的下开口端与分离段筒体(1)的上开口端相对密闭连接；分离段筒体(3)上部为圆锥台形、下部为圆柱形，圆锥台形下底面面积与圆柱径向截面面积相等；于圆形筒体下底面中心位置处设有一圆管作为产品气通道(2)，产品气通道(2)伸入圆形筒体内；于圆形筒体下部设有液相出口(1)。于圆形筒体开口端与分离段筒体(3)开口端的边接处的内壁面上设有一圆环形突起作为辅助混合元件(4)；圆环形突起轴向截面为二个对称的顶角倒圆角的等腰三角形，即形成一段拉法尔管。

如上所述的投影线段均处于它们所对应连线的顺时针方向一侧或均处于连线的逆时针方向一侧。

液相反应物入口(14)，旋流组件(15)，气相两室隔断(11)，气相反应物预混室(7)，辅助混合元件(4)，分离段筒体(3)，产品气通道(2)均设置于同一中心轴上。

于圆形筒体下底面中心位置处设有一圆管作为产品气通道(2)，产品气通道(2)伸入圆形筒体内，伸入圆形筒体的开口端为圆锥台形。

圆管的轴向截面与圆锥台形盖帽的侧壁面交线为二条对称的线段A、B、圆管的轴向截面与环形突起的下表面交线为二条对称的线段C、D，且于线段A与线段C平行、线段B与线段D平行。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：

本发明涉及一种新型低停留时间气液反应器，包含上盖13、气室组件5、气相两室隔断11、辅助混合元件4和分离段筒体3。该气液反应器分为相分散区I、反应分离区II和机械分离区III三部分，设置相分散气流入口、气相反应物入口、液相反应物入口，液相出口和产品气出口。

相分散区I包括上盖13、相分散气流入口10、相分散气流预混室12和相分散气流分配孔9。相分散气流和气相反应物通过气相两室隔断11分开，实现载气辅助相分散、气相反应物延迟反应起始时刻之目的。这样，相分散气流辅助液相雾化可以提高反应比表面积，而气相反应物延迟反应起始时刻可有效降低反应产物停留时间。

反应气流和相分散气流通过方位不同的气相分配孔6和相分散气流分配孔9，实现两股流体的同向速度交叉，达到增强传质效果，既强化反应又达到提高反应速率。

反应分离区II包括气相反应物入口8、气相反应物预混室7、气相反应物分配孔6和辅助混合元件4。反应分离区II功能实现了反应的同时进行分离，可有效降低分离停留时间。

辅助混合元件4衔接反应分离区II和机械分离区III，达到提高反应物利用率目的。辅助混合元件4为可拆卸结构，其形式为直管、或拉法尔管，并可根据反应物利用率不同进行不同尺寸和形式的置换。

机械分离区III包括分离段筒体3、产品气通道2和液相出口1。分离段筒体3为锥体加圆筒结构形式，是双导入层塔扩张腔式分离器(中国发明专利CN102600995A和中国实用新型专利CN202516704U)的拓展结构；分离段筒体下部为椭圆或平盖结构，用于收集液相产物，其上设置倾斜的液相出口1，并具备溢流水封结构用于维持分离腔压力平衡。

产品气通道2上下位置可调，可确保大操作弹性下的最佳机械分离效果。

液相反应物通道下游设置的旋流组件15由旋流杆17、旋流子18和分布锥19组成，形成旋流的液相在离心力作用下，进入伞形狭隙，形成伞形液相薄膜被甩向反应器壳体内壁；气相借助于与液相旋流方向成钝角的气相分配孔与伞形液膜相向接触，可强化传质过程。

特别的，本发明中一些关键结构尺寸的说明：①液相反应物入口14设置在上盖13上，液相反应物通道下游设置旋流组件15；旋流组件15由旋流杆17、旋流子18和分布锥19组成；分布锥19和上盖13底部斜面之间的狭隙尺寸为0.01mm至15mm；②辅助混合元件4为可拆卸结构，其形式为直管、或拉法尔管，并可置换；③分离段筒体3为锥体加圆筒结构形式，下部为椭圆或平盖结构，其上设置倾斜的液相出口1；

本发明的优点与效果是：①反应的同时进行分离，可有效降低停留时间，适用于低停留时间气液瞬时反应场合；②双气室设计，尤其适用于含惰性气体保护的气液两相流反应。惰性气体分流用于液相反应物相分散，可提高反应比表面积和转化率；

附图说明

图1是本发明的气液两相反应器简图；

图2是气液反应器局部放大图；

图3是旋流组件示意图。

图中：1-液相出口；2-产品气通道；3-分离段筒体；4-辅助混合元件；5-气室组件；6-气相分配孔；7-气相反应物预混室；8-气相反应物入口；9-相分散气流分配孔；10-相分散气流入口；11-气相两室隔断；12-相分散气流预混室；13-上盖；14-液相反应物入口；15-旋流组件；16-气相通道截断；17-旋流杆；18-旋流子；19-分布锥。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式做进一步说明。

实施例1单种气体与液体的反应器

液相反应物由液相反应物入口14途径通道内设置的旋流组件15中旋流子18得以旋流，经由分布锥19和上盖13底部斜面形成的伞形狭隙时加速，并形成表面积比较大的伞形液膜，在离心力场作用下向反应分离段壁面方向运动。

气相反应物由气相反应物入口8，或相分散气流入口10，或气相反应物入口8和相分散气流入口10，进入设备的气相反应物预混室7或/和相分散气流预混室12，并经由气相分配孔6或/和相分散气流分配孔9的分配与伞形液相薄膜相向或同向相撞，一方面与伞形液相薄膜接触并发生反应，另一方面延迟伞形液相薄膜流向设备内壁面的时间和位置，在设备内进行充分的接触和反应。

气相反应物和液相反应物，以及部分反应产物在超重力场的作用下，边反应边旋流进入反应分离段，拉法尔管结构的辅助混合元件4使得气流压强降低，流速提高。反应完全的混合物旋流进入分离段筒体3内，压力得到恢复，并发生通流形式的分离，气相产物经产品气通道2排出反应器，液相产物经液相出口1排出反应器。

若使用单个气相反应物入口8或相分散气流入口10，则需要用气相通道截断16将闲置气相通道的相分散气流分配孔9或气相分配孔6堵住，保证气液两相通畅地进入反应器内。

实施例2单种气体与液体的反应器

气相反应物由液相反应物入口14途径通道内设置的旋流组件15中旋流子18得以旋流，经由分布锥19和上盖13底部斜面形成的伞形狭隙时加速，并形成表面积比较大的伞形旋流气膜，在离心力场作用下向反应分离段壁面方向运动。

液相反应物由相分散气流入口10，进入设备的相分散气流预混室12，并经由相分散气流分配孔9的分配与伞形旋流气膜相向或同向速度交叉进行动量和质量交换，并发生反应。

气相反应物和液相反应物，以及部分反应产物在超重力场的作用下，边反应边旋流进入反应分离段，拉法尔管结构的辅助混合元件4使得气流压强降低，流速提高。反应完全的混合物旋流进入分离段筒体3内，压力得到恢复，并发生通流形式的分离，气相产物经产品气通道2排出反应器，液相产物经液相出口1排出反应器。

气相反应物入口8无气体输入，需要用气相通道截断16将闲置气相通道的气相分配孔6堵住，保证气液两相通畅地进入反应器内。

实施例3两种气体与液体的反应器

液相反应物由液相反应物入口14途径通道内设置的旋流组件15中旋流子18得以旋流，经由分布锥19和上盖13底部斜面形成的伞形狭隙时加速，并形成表面积比较大的伞形液相薄膜，在离心力场作用下向反应分离段壁面方向运动。

流量小的气相反应物由相分散气流入口10，进入设备的相分散气流预混室12，并经由相分散气流分配孔9与伞形液相薄膜相向或错流相撞，一方面与伞形液相接触并发生反应，另一方面延迟伞形液膜流向设备内壁面的时间和位置，在设备内进行充分的接触和反应。

流量大的气相反应物由气相反应物入口8，进入设备的气相反应物预混室7，并经由气相分配孔6的分配与伞形液相薄膜相向或同向相撞，一方面与伞形液相接触并发生反应，另一方面进一步延迟伞形液膜流向设备内壁面的时间和位置，在设备内进行充分的接触和反应。

气相反应物和液相反应物，以及部分反应产物在超重力场的作用下，边反应边旋流进入反应分离段，拉法尔管结构的辅助混合元件4使得气流压强降低，流速提高。反应完全的混合物旋流进入分离段筒体3内，压力得到恢复，并发生通流形式的分离，气相产物经产品气通道2排出反应器，液相产物经液相出口1排出反应器。

实施例4有惰性气体保护的气体与液体的反应器

液相反应物由液相反应物入口14途径通道内设置的旋流组件15中旋流子18得以旋流，经由分布锥19和上盖13底部斜面形成的伞形狭隙时加速，并形成表面积比较大的伞形液相薄膜，在超重力场的离心力作用下流向设备壁面。

气相反应物由相分散气流入口10，进入设备的相分散气流预混室12，并经由相分散气流分配孔9的分配与伞形液相薄膜相向或同向相撞，一方面与伞形液相接触并发生反应，另一方面延迟伞形液膜流向设备内壁面的时间和位置，在设备内进行充分的接触和反应。

惰性气体由气相反应物入口8，进入设备的气相反应物预混室7，并经由气相分配孔6的分配与伞形液相薄膜相向或错流相撞，进一步约束并延迟伞形液膜流向设备内壁面的时间和位置。

气相反应物和液相反应物，以及部分反应产物在超重力场的作用下，一边反应一边旋流进入辅助混合元件4，降低压强提高流速。上述混合物旋流进入分离段筒体3内压力得到恢复，并发生分离，分离形式为通流分流形式，而非反流形式，气相产物经产品气通道2流出反应器，液相产物经液相出口1排出反应器。

实施例5有惰性气体保护的气体与液体的反应器

气相反应物由液相反应物入口14途径通道内设置的旋流组件15中旋流子18得以旋流，经由分布锥19和上盖13底部斜面形成的伞形狭隙时加速，并形成表面积比较大的伞形旋流气相，在超重力场的离心力作用下流向设备内壁面。

液相反应物由相分散气流入口10，进入设备的相分散气流预混室12，并经由相分散气流分配孔9的分配与伞形旋流气相相向或同向相撞，与伞形旋流气相接触并发生反应。

气相反应物和液相反应物，以及部分反应产物在超重力场的作用下，一边反应一边旋流进入辅助混合元件4，降低压强提高流速。上述混合物旋流进入分离段筒体3内压力得到恢复，并发生分离，气相产物经产品气通道2流出反应器，液相产物经液相出口1排出反应器。

惰性气体由气相反应物入口8，进入设备的气相反应物预混室7，并经由气相分配孔6的分配与气相反应物和液相反应物相向或错流相撞，进一步约束并延迟液膜流向设备内壁面的时间和位置。