一种强化传热的流化床反应器的制作方法

本发明涉及一种强化传热的流化床反应器，尤其涉及一种流化床反应器的气体分布板。

技术背景

流化床反应器由于具有较高的传质和传热效率，被广泛地应用于各种工业生产中。在一些生产工艺中，由于反应放热效应较强，仅通过器壁传热及流化气带出热量不能维持合适的反应操作温度。为实现这一部分反应在流化床反应器中进行操作，通过向流化床中喷入有机溶剂等冷凝液，通过冷凝液蒸发所需潜热吸收多余的热量。

在现有冷凝技术中，冷凝液引入反应器后，液滴容易覆盖在分布板表面和流化床内壁面上形成液膜，当喷淋冷凝液的过程中存在局部不均匀喷入时，积液现象尤为严重。由于液膜比表面积较小，液膜蒸发速率较慢。液膜覆盖在分布板上表面和内壁面上时，增大了传热阻力，降低了流化床与外界的传热效率。同时，由于液体的存在使得流化床内固体颗粒之间因液桥力而团聚，致使这些颗粒粘结成块，并堵塞分布板的进气孔，导致分布板的阻力增大，对流化床的运行产生极为不利的影响。

因此，开发新型气体分布板以解决内壁面液膜积累和分布板进气孔的堵塞问题，对于稳定工业生产，提高聚乙烯产品质量具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种强化传热的流化床反应器，其示意图如图1所示。为克服现有技术的缺陷，本发明所采用的技术手段是：

在流化床反应区侧壁设置有喷嘴作为液相进料口。通过喷嘴向流化床中喷入相应的冷凝液。当冷凝液蒸发时吸收热量，实现反应器内过量热量的带出。喷嘴可以为椭圆形喷嘴、方形喷嘴、实心锥形喷嘴、扇形喷嘴。喷嘴数量不少于1个。

在流化床反应器的内壁面和气体分布板上表面涂覆一层超疏液的固体表面，以实现冷凝液积液增发速率的加快。

在现有技术中，由于液膜比表面积较小，液膜蒸发速率较慢。为实现液膜蒸发速率的增强，通过改变反应器表面与液膜间的接触方式使得积液在表面上一液滴形式存在，增加了液体的比表面积，增大液膜蒸发速率。

本专利中使用的超疏液的固体表面与冷凝液的前进接触角大于140°，后退接触角大于135°。

进一步地，超疏液固体表面为特殊结构，由若干结构单元排列在分布板上表面构成。上述结构单元的形状可为锥体或柱体，且椎体的底面或柱体的其中一个底面与气体分布板上表面相连。

更进一步地，结构单元的高度为100μm～800μm，优选为800μm；锥体底面直径优选为10μm～90μm，优选为90μm。锥体的扩径比优选为0.05～0.2；结构单元间距优选为10μm～400μm，优选为200μm。

椎体或柱体优选为垂直排列，并在分布板上表面排列成矩形、方形或圆形的阵列。

本发明的另一目的在于提供一种上述超疏液固体表面的制备方法。制备方法可为相分离方法、模板印刷法、店纺法、溶胶-凝胶法、模板挤压法、激光和等离子体刻蚀法、拉伸法或腐蚀法中的一种。更进一步地，制备超疏液固体表面所用的溶剂可为含氟有机溶剂。

经分析该超疏液表面的超疏液性质实现原理如图1所示：冷凝液以液滴的形态在超疏液表面铺展。与液体在分布板上的膜状相比，超疏液分布板表面上的滴状模式具有高出一个数量级的传热效率。液滴在重力作用下，向结构单元间隙运动，由于结构单元间隙较小，液相在毛细管力的作用下被弹回栅格表面，液滴与壁面间的接触状态由wenzal状态向cassie状态转换。

与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

采用特殊处理的材质作为分布板表面和反应气内壁面，冷凝液以液滴的形式分散在表面，且使得液滴的润湿状态为悬挂在结构上的cassie模式、而非陷在结构内的wenzel模式，极大地增大了液相的比表面积、提高了传热速率，在一定程度上解决了分布板进气孔堵塞的问题，有利于工业装置的长周期操作。

附图说明

图1为强化传热的流化床反应器示意图

图2中，(a)为wenzal润湿状态的示意图，(b)为cassie润湿状态的示意图；

图3为气体分布板上表面的超疏液固体表面结构示意图；

图4为气体分布板的结构示意图(小圆圈为进气孔)。

图中，1-气相进料口；2-液相进料口；3-气相出口；4-侧壁超疏液固体表面；5-气体分布板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例作进一步说明。在此需要说明的是这些实施例的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外。下面所描述的本发明各个实施例中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示为本发明的强化传热的流化床反应器的示意图，流化床反应器具有气相进料口1和气相出口3；流化床反应器在流化床反应器侧壁设置有液相进料口2；所述流化床反应器的气体分布板5上表面及反应器器壁内表面具有超疏液的固体表面4。

实施例1

在图2所述的一种抗液体沉积的气体分布板，气体分布板上设有进气孔，且开孔率为5％。气体分布板的上表面采用模板挤压法将聚乙烯醇滴在气体分布板上表面，干燥后得到疏液表面。随后再用线切割机得到正方形方格。如图3所示，经特殊加工后，在气体分布板上表面形成了一种特殊结构，即大量形状尺寸相似的方椎体呈阵列状紧密排布。本实施例中，各锥体的高度为800μm，锥形结构单元的上表面圆的直径从上而下由20μm到90μm线性增加，中心距200μm。方锥顶部采用化学腐蚀法产生纳米花纹，纳米结构花纹平均直径为3μm。其中其形状可以是棱锥、圆柱或棱柱等；结构单元的尺寸可在高度为100μm～800μm调节，锥形结构单元的上表面圆的直径可为10μm～50μm，锥形结构单元的扩径比例可为0.05～0.2，结构单元间距可为10μm～400μm。

经测试，冷凝液在该气体分布板上的前进接触角θadv＝168°±2°，后退接触角θrec＝160°±2°，这表明该结构具有良好的超疏液性质，达到了预期的效果。

实施例2

实施例2为强化传热的流化床反应器在聚乙烯生产工艺的应用。对流化床内壁面和气体分布板采用实施例1中所述的制作方法进行超疏液处理后，在冷凝态下操作，生产线性低密度聚乙烯，并对其实际性能进行测试，结果如下：

1)线性低密度聚乙烯产品运行数据

反应原料：乙烯，1-丁烯，氢气

循环气中冷凝液体积含量：5-6％

2)连续运行18个月的情况

循环气及冷凝液流量稳定，无明显波动现象，气体分布板压差无增长现象，表明气体分布板无堵塞现象。

3)连续运行24个月后的检查情况：

气体分布板上无团聚颗粒及结块、无粉末沉积、粘附等情况，分布板洁净，气体分布板表面栅格结构未被破坏，气体分布板1上856个的进气孔无堵塞，如图4所示。

结果表明，使用本发明的流化床反应器进行生产，未检测到生产运行的操作问题和产品的不利影响。液膜以液滴的形式分散在气体分布板表面，由于比表面积较小，蒸发速率较快，从而解决了聚合物粉料堵塞气体分布板进气孔的问题，流化床稳定生产的周期提高，在保证循环气量不变的条件下均可以安全稳定运行。