摊铺式控压控温控传质反应器的制作方法

本发明涉及矿物、化工原料和生物原材料的动量传递、热量传递和质量传递的方法，属于化工、环保、材料和生物处理工程技术领域。

背景技术：

目前常用的反应器类型有：①釜式反应器。由长径比较小的圆筒形容器构成，常装有机械搅拌或气流搅拌装置，可用于液相单相反应过程和液液相、气液相、气液固相等多相反应过程。用于气液相反应过程的称为鼓泡搅拌釜（见鼓泡反应器）；用于气液固相反应过程的称为搅拌釜式浆态反应器。②管式反应器。由长径比较大的空管或填充管构成，可用于实现气相反应和液相反应。③有固体颗粒床层的反应器。气体或(和)液体通过固定的或运动的固体颗粒床层以实现多相反应过程，包括固定床反应器、流化床反应器、移动床反应器、涓流床反应器等。④塔式反应器。用于实现气液相或液液相反应过程的塔式设备，包括填充塔、板式塔、鼓泡塔等（见彩图）。⑤喷射反应器。利用喷射器进行混合，实现气相或液相单相反应过程和气液相、液液相等多相反应过程的设备。⑥其他多种非典型反应器。如回转窑、曝气池等。

以上反应器都涉及到热量传递，釜式反应器传热效率很低，原因在于加热体积相对于加热面积太大；管式反应器传热效率很高，主要采用辐射、传导传热；有固体颗粒床层的反应器、塔式反应器、喷射反应器主要采用强制对流、辐射传热，传热效率也很高；回转窑可以采用传导、辐射、热对流传热，曝气池采用主要对流传热。

对于压力控制，上述反应器很容易用于加压环境中的反应，对于在负压工艺就比较困难，大都采用釜式反应器，包括把多个小型的反应釜（反应的盛料盘）组装在一个密封的反应壳体内，也有把迷宫式的液体流动通道（属于管式反应器）密封在外壳内。

质量传递方面，釜式反应器无法实现高效连续进出料，常用间歇式进出料；迷宫式的管式反应器可以实现液体（浆体）的高效连续进出料，但无法实现固体（粉体）的连续进出料。

技术实现要素：

如前所述，现行的真空反应器处理固体物料时，只能采用间歇进出料的釜式反应器，生产效率低、能耗高、设备复杂且体积较大等问题阻碍了真空蒸馏技术以及低压反应技术的应用。釜式反应器内的原料装在高径比大于1的圆筒内，由于料层高，即使采用机械、电磁搅拌，固体物料的传热方式基本上通过单一的热传导完成，传热效率低；其次，由于体积大，热量损失也大；而且，为了使远离热源的物料达到反应温度，靠近热源的物料需要更大的过热度。相比较而言，管式反应器传热传质效率高，但是应用于固体料反应时，很容易堵管，也很难实现固物料传递，因此现在的管式反应器多用于气液、气气相反应。

本技术设计的摊铺式反应器（5）克服了釜式和管式反应器缺点，同时又汲取了两者的优点：将管式反应器的料层宽度延长形成扁平的层状料层，因此摊铺式反应器（5）具备管式传热传质效率高的优点，很小的过热度就可以将反应区的料层加热到目标值，气化/液化物料进出料层途径短、效率高。同时摊铺反应器（5）比管式反应器具有较大的宽度空间，因此不易堵塞；摊铺式反应器（5）在长度或宽度方面可以认为是釜式反应器，同理可以采取搅拌作用实现固体物料在真空环境中的连续进出功能，搅拌方式包括往复运动的刮送叶片、螺旋推送蜗杆、机械振动、改变倾斜角、磁力搅拌。附图是振动连续下料的摊铺式反应器的设计图，电动振动马达安装在振动底座上（3），物料输送速度可以通过振幅、振动频率调节。

因为摊铺式反应器（5）反应区的物料比釜式反应器、管式反应器的小得多，因此浪费的空间也少，需要保持真空的空间也小，更加有利于真空环境中的反应器设计，仅只需要较小排气量的真空泵就可以获得较大的真空度。对于加压反应也有同样效果。

因为摊铺式反应器质量小，易于实现整体振动、叶片刮送、螺杆推送，倾斜送料功能；进/出料口尺寸较小，有利于料层密封。进料口（1）、出料口（4）、压力控制口（2）和摊铺式反应器（5）设计成一个整体或者部分设计成整体，减少了密封元件，从而实现反应器无需水冷密封元件，大幅节能；同时进料口（1）、出料口（4）、压力控制口（2）可以和反应器（5）一起振动，或者采用一个螺旋推进器，提高可靠性。

在细长的进料口（1）、出料口（4）内，料层容易被压缩，实现物料密封功能，原料和产物压实密封的方法有螺旋推进法、振动法、活塞推进法。同时，如果进料口（1）、出料口（4）设计在反应器（5）的侧面，呈一条直线，就可以实现一个螺旋推进器完成进料压缩、反应物料运输、产物压缩。

物料的密封性能与压实性能有关，还与物料颗粒形状、大小、表面特性有关，不一定能达到所需的密封效果，因此根据需要采用二次密封，二次密封功能通过堵盖（6）、活塞、阀门、滑板实现。一次料层密封完成后，二次密封承受的压力并不大，便以打开完成进出料；打开时，泄露的气体对反应器内部的压力环境影响不大，对反应物的影响需要根据工艺具体评价。

压力控制管道为0～N个，如果反应器内部的压力不需要外部控制，可以不设计压力控制管道。压力管道可以连接压力泵、密封盲管、真空泵、挥发物出料口或者作为第二加料口，控制口可以根据工艺需要设计N个，完成抽气、加压、加料功能，也可以附加控温装置。

摊铺式反应器（5）底面积大，便于实现外部加热，吸热效率高，例如直接采用火焰对反应器（5）底板外部加热；同样也可以将加热装置安装在反应器内部，加温方法可以采用电阻、电弧、等离子、固体燃料、气体燃料、气体燃料、微波、太阳能、热泵、热液、热气或几种组合方式。

摊铺式反应器体积小巧，根据工艺，可以水平放置或者与水平成0～90°放置，便于物料输送和控温。还可以设计成摇摆式，对物料进行大幅振荡。

具体实施方式：最典型的控压反应包括真空蒸馏和低压还原反应。

实施例1, 二次铝灰真空挥发（蒸馏）处理技术:

铝灰是合金熔铸过程中熔炼炉产生的渣及处理后的收尘粉，由于生产中加入了打渣剂和精炼剂，使铝灰中的氟和氯元素含量较高。过去铝行业处置的方法多是将铝灰中的金属铝尽量多的分离后，作为净水剂原料外卖。现在铝灰已被国家列为危险废弃物，如何处置成为铝行业急需解决的问题。

云南铝业公司二次铝灰的物相组成（wt%）：

成分 Al₂O₃: 40.82-56.35; Al:4.2-5.98; NaAl₇O₁₁: 2.36-10.85; NaCl: 2.51-10.78;KMgAlF₆:2.37-2.45; Al_3.21Si_0.47: 2.2-4.95; AlN: 3.42-4.97; Fe₂TiO₄: 0.56-0.74; MgAl₂O₄: 12.5-21.99; 其他:5.

采用真空蒸馏原理分离二次铝灰中的氟化物和氯化物，原料采用云南铝厂提供的4#铝灰，每日处理量为1000kg，采用振动输料，振动器为50W的普通二相电动振动电机，加热温度：950～1180℃，采用液化石油气（LPG）空气鼓风炉作为加热设备，真空度：150～300Pa，日处理量为1000kg。二次铝灰经粗筛分离铝灰结块后，直接加入进料口（1），进过蜗杆压实进入摊铺式反应器（5），在反应器内的刮板叶片搅拌作用下摊铺成薄料层，并在刮板叶片带动下逐步移动到出料口（4），刮板叶片转速为0.2转/min，无需二次密封。生产数据如下：

原料成分：54.82wt% Al₂O₃；5.98wt% Al；7.60 wt% NaAl₇O₁₁；8.50wt% NaCl；2.37wt% KMgAlF₆；2.20 wt% Al_3.21Si_0.47；4.90wt% AlN；0.56wt% Fe₂TiO₄；18.9wt% MgAl₂O₄。

残留产物：95wt% Al₂O₃，4wt% AlN，1wt% 其它，产出率81%；

挥发产物：52wt% NaCl，39wt% KMgAlF₃，7wt% Al，2wt% 其它，产出率15%。

注：1.原料含量为厂家资料；2.分离料均采用wt%；3.产出率=残留物质量/总原料质量。

从残留产物的含量分析结果可知所含的氟和氯化合物已是微量。

实施例2, 连续皮江法炼镁:

皮江法是1940 年左右发展起来的一种炼镁方法是金属镁冶炼最具代表性、应用最广泛的硅热还原法工艺。但是也不能连续进出料，导致炼镁成本高。

将煅烧后的白云石、萤石和硅铁按一定配比磨成200～300目的细粉，无需压成团块，直接装入进料口内（1），在振动和重力的作用下，连续进入耐热合金制成的摊铺式反应器(5)内，采用堵盖（6）完成二次密封。反应器内工艺参数如下：

反应温度：1150～1200℃；

还原压力：1.33～10Pa；

日生产量：1000kg；

在真空条件下还原得到镁蒸气, 冷凝结晶成固态镁，反应式如下：

2CaO(s) + 2MgO(s) + Si(s)= 2Mg(g) + 2CaO + SiO₂ (s)

镁蒸汽通过压力控制管（2）收集，冷凝后得到金属镁，纯度可以达到99%以上，反应剩下的硅酸钙渣残留在摊铺式反应器底板，经振动后连续排到出料口（4）。

附图说明：

图1是振动下料的摊铺式反应器顶视图；

图2是振动下料的摊铺式反应器前视刨面图；

图3是振动下料的摊铺式反应器立体图。