一种用于超临界水氧化反应耦合的流动腐蚀-盐沉积装置的制作方法

本发明属于能源、化工、环保、材料技术领域，特别涉及一种用于超临界水氧化反应耦合的流动腐蚀-盐沉积装置。

背景技术：

超临界水氧化处理范围广泛，几乎含有机物的废弃物都可以采用这一技术来处理。该技术在酚类化合物、多氯联苯有机物、农药及燃料中间体苯胺、污泥处理和人类代谢物等污染物的处理方面均有极佳的效果。不管是从环境的可持续发展角度来讲，还是从工业发展的角度来看，超临界水氧化技术都是一项很有前景的绿色环保新技术。

超临界水氧化处理技术具有以下独特优势：

1、反应速度极快，去除率高。在超临界水氧化过程中，有机物、空气(或氧)在超临界水中均能互溶，相间界面消失，扩散系数是普通液态水的10倍～100倍，传热传质速率高，因此反应速率极快，在很短的停留时间(几秒至几分钟)内，大多数有机物的去除率可高达99.99％以上。

2、无二次污染。碳氢化合物最终可被氧化成为co2和h2o，有机废物中的氮被氧化成为n2及n2o等物质；杂原子，如硫、氯、磷等则分别转化为相应的无机酸(如硫酸根、盐酸根和磷酸根)，与碱液中和后成为相应的无机盐；阳离子形成氧化物或者与酸根离子结合生成无机盐。不产生任何污染气体、彻底降解去除有毒废物和病原体达到无害化处理的要求。一些学者已经研究证实了包括二噁英、多氯联苯、氰化物、酚类等一系列毒性物质在超临界水中氧化降解的可能性。

3、能耗低。当废水中有机物质量分数大于2～5％时，即可以依靠反应过程中释放的反应热来维持反应所需的热量平衡，无需外部热源或者燃料；废水中有机物含量更高时，还可以向系统外提供热量。

4、产物易分离、回收。无机盐、金属氧化物在超临界水中的溶解度很低，在超临界水氧化处理有机废弃物时，无机盐、金属氧化物往往以晶体形式析出，容易以固体的形式被分离出来，并可以回收利用。反应产物经降温降压后，可直接回收co2并出售，低成本地实现co2的捕集的同时获得一定的经济效益。

但是该技术是在高温，高压，高氧浓度氧的环境中进行的，这种苛刻的条件很容易对设备带来腐蚀并且在设备中形成盐沉淀。腐蚀不仅会降低设备的寿命，还使反应产物中含有某些金属离子(如铬等)影响了超临界水氧化技术的处理效果。沉积下来的固体盐类形成团聚物覆盖在设备表面轻者会降低换热率、增加系统压力，严重时还会引起反应器和系统管路的堵塞，造成超临界水氧化系统无法正常运行，此外，团聚物覆盖下的壁面上还常常会发生严重的腐蚀。因此为了能使这一工艺经济实用，就要解决腐蚀和盐沉积等瓶颈问题。

目前，抑制腐蚀的基本方法为根据不同材质的耐腐蚀特性，选择基础金属将其运用在系统的不同部分。此外还包括对反应器的特殊设计，对设备局部部位腐蚀易发区增加防腐蚀措施，如装设内套筒、对与强腐蚀性流体直接接触进行表面喷涂料或者预氧化处理。此外，从物料的角度出发，还可以采用物料预中和技术、物料冷态喷入以及稀释物料等方式来抑制管道、设备材料的腐蚀。目前，解决盐沉积引起反应器堵塞的基本方法为采用特殊的操作技术和特殊的反应器结构，具体包括采用机械刷、旋转刮刀、过滤、添加剂、高流速、均相沉积、极高压力、逆流釜式反应器、蒸发壁式反应器、逆流釜式蒸发壁反应器、逆流管式反应器、冷壁反应器、离心反应器等。但是现有的抑制腐蚀和解决盐沉积的方法均存在各自的不足，没有一种结构设计或操作技术具有显著的优势。主要原因在于在高温高压的超临界水严苛条件下，很难探究材料腐蚀的微观特性和无机盐的结晶沉积特性，从而无法掌握其行为规律，无法对症下药。

技术实现要素：

为了解决超临界水氧化中存在的腐蚀和盐沉积问题，探究材料腐蚀的微观特性和无机盐的结晶沉积特性，本发明的目的在于提供一种用于超临界水氧化反应耦合的流动腐蚀-盐沉积装置，可通过氧化剂混合器和有机物混合器的发明和设计，实现超临界水氧化反应的耦合环境；通过可拆卸内衬套的设置，实现超临界水氧化过程中腐蚀产物和无机盐结晶沉积产物的捕捉和收集，便于后期取样进行测试分析；通过电加热器和冷却水套的设置，形成不同温度的热/冷壁面条件，从而影响流体的腐蚀和盐结晶沉积特性；通过三组热电偶和取压口的设置，可实现对超临界水氧化过程中温度场和压力场的实时测试和分析，从而便于判断氧化反应放热及管道堵塞的进程。本发明能够直观的掌握材料腐蚀的微观特性和无机盐的结晶沉积特性，进而进行针对性的防控技术的开发，最终解决超临界水氧化技术的材料腐蚀、无机盐结晶沉积和管道堵塞问题，实现系统的安全、长期、稳定运行，提高系统的经济型和安全性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于超临界水氧化反应耦合的流动腐蚀-盐沉积装置，包括超临界水氧化耦合段、流动腐蚀-盐沉积测试段和连接管道段，其中：

超临界水氧化耦合段包括主体管段及设于主体管段外部的有机物混合器3和氧化剂混合器22，主体管段内部为由自前向后依次连通的渐缩空腔18、喉口空腔23和渐扩空腔24组成的物料通道，其中，渐缩空腔18连接物料喷管1，喉口空腔23连通有机物混合器3的出口和氧化剂混合器22的出口，渐扩空腔24后端设置有热电偶一5与取压口一n4；

流动腐蚀-盐沉积测试段包括测试管段11，测试管段11的内壁设置有内衬套12，外部前段设置有电加热器9，外部后段设置有冷却水套13，测试管段11与渐扩空腔24的后端直接连通，测试管段11在电加热器9和冷却水套13之间的位置设置有热电偶二10和取压口二n5；

连接管道段包括连接管道27，连接管道27与测试管段11的后端直接连通，连接管道27上设置有热电偶三17和取压口三n7。

所述渐缩空腔18的前端封闭物料喷管1从封闭区轴心穿过，伸入渐缩空腔18中，物料喷管1周向表面上分布有等距排列倾斜设置的物料喷孔19，物料喷孔19的倾斜方向是顺流方向。

所述有机物混合器3为一空心的圆柱形壳体，中间内径小于两端外径，套在渐缩空腔18与喉口空腔23之间的外表面，形成环形的有机物混合腔2，有机物混合腔2与喉口空腔23通过倾斜的有机物喷孔20连接，有机物喷孔20的倾斜方向是顺流方向。

所述氧化剂混合器22为一空心的圆柱形壳体，中间内径小于两端外径，套在喉口空腔23的外表面，形成环形的氧化剂混合腔4，氧化剂混合腔4与喉口空腔23通过倾斜的氧化剂喷孔21连接，氧化剂喷孔21的倾斜方向是顺流方向。

所述渐缩空腔18的渐缩角度大于渐扩空腔24的渐扩角度，喉口空腔23的长度大于渐缩空腔18和渐扩空腔24的长度。

所述内衬套12为可拆卸替换结构，所述测试管段11内壁上有2～4条长槽，其内部紧贴设置的内衬套12上有相同数量的长肋，测试管段11上的长槽和内衬套12上的长肋精密配合。

所述电加热器9和冷却水套13均位于测试管段11的外部，内衬套12的尾端位于冷却水套13尾端的后部；热电偶二10和取压口二n5位于电加热器9与冷却水套13之间且靠近电加热器9的尾端；冷却水入口n2位于冷却水套13尾端的顶部，冷却水出口n6位于冷却水套13前端的底部。

所述主体管段外部尾端设置有高压法兰一7，所述测试管段11外部前端设置有高压法兰二8，外部后端设置有高压法兰三14，连接管道27外部前端设置有高压法兰四15，主体管段与测试管道11通过紧固螺栓一6、高压法兰一7和高压法兰二8连接，主体管段与测试管道11接触面上填充有密封垫圈一25，测试管道11与连接管道27通过高压法兰三14、高压法兰四15和紧固螺栓二16连接，测试管道11与连接管道27接触面上填充有密封垫圈二26。

所述热电偶一5、热电偶二10热电偶三17的测试端均位于相应管道的壁面附近，取压口一n4、取压口二n5和取压口三n7分别与热电偶一5、热电偶二10热电偶一17对向布置。

所述热电偶三17和取压口三n7位于连接管道27前段靠近冷却水套13的位置。

本发明能够直观的掌握材料腐蚀的微观特性和无机盐的结晶沉积特性，进而进行针对性的防控技术的开发，最终解决超临界水氧化技术的材料腐蚀、无机盐结晶沉积和管道堵塞问题，实现系统的安全、长期、稳定运行，提高系统的经济型和安全性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)物料、有机物和氧化剂喷孔为倾斜通道，进入反应通道后具有水平和垂直分速度，与此同时反应通道由渐缩空腔、喉口空腔和渐扩空腔组成，使得物料、有机物和氧化剂能充分混合，物料在超临界水氧化中具有良好的耦合氧化环境。

(2)内衬套可拆卸替换，内衬套前后设置有电加热器和冷却水套，并且电加热器前、电加热器与冷却水套之间、冷却水套之后设置有三组热电偶和取压口，通过调节电加热器功率和冷却水流量使内衬套不同部位具有不同温度，因此可以获得不同温度和压力下超临界水氧化反应的腐蚀和盐结晶沉积特性，通过替换不同材料的内衬套，可以通过对内衬套壁面样品的测试分析得到不同材料的超临界水氧化的腐蚀和盐结晶沉积特性，进而进行针对性的防控技术的开发，最终解决超临界水氧化技术的材料腐蚀、无机盐结晶沉积和管道堵塞问题，实现系统的安全、长期、稳定运行，提高系统的经济型和安全性。

(3)通过三组热电偶和取压口的设置，可实现对超临界水氧化过程中温度场和压力场的实时测试和分析，从而便于判断氧化反应放热及管道堵塞的情况。

附图说明

图1为本发明的超临界水氧化反应耦合的流动腐蚀-盐沉积装置示意图；

其中：1为物料喷管；2为有机物混合腔；3为有机物混合器；4为氧化剂混合腔；5为热电偶一；6为紧固螺栓一；7为高压法兰一；8为高压法兰二；9为电加热器；10为热电偶二；11为测试管段；12为内衬套；13为冷却水套；14为高压法兰三；15为高压法兰四；16为紧固螺栓二；17为热电偶三；18为渐缩空腔；19为物料喷孔；20为有机物喷孔；21为氧化剂喷孔；22为氧化剂混合器；23为喉口空腔；24为渐扩空腔；25为密封垫圈一；26为密封垫圈二；27为连接管道；n1为氧化剂入口；n2为冷却水入口；n3为有机物入口；n4为取压口一；n5为取压口二；n6为冷却水出口；n7为取压口三。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，一种用于超临界水氧化反应耦合的流动腐蚀-盐沉积装置，包括超临界水氧化耦合段、流动腐蚀-盐沉积测试段和连接管道段，其中：

超临界水氧化耦合段包括主体管段及设于主体管段外部的有机物混合器3和氧化剂混合器22，主体管段内部为由自前向后依次连通的渐缩空腔18、喉口空腔23和渐扩空腔24组成的物料通道，其中，渐缩空腔18连接物料喷管1，喉口空腔23连通有机物混合器3的出口和氧化剂混合器22的出口，渐扩空腔24后端设置有热电偶一5与取压口一n4；

流动腐蚀-盐沉积测试段包括测试管段11，测试管段11的内壁设置有内衬套12，外部前段设置有电加热器9，外部后段设置有冷却水套13，测试管段11与渐扩空腔24的后端直接连通，测试管段11在电加热器9和冷却水套13之间的位置设置有热电偶二10和取压口二n5；更具体地，电加热器9和冷却水套13均位于测试管段11的外部，内衬套12的尾端位于冷却水套13尾端的后部；热电偶二10和取压口二n5位于电加热器9与冷却水套13之间且靠近电加热器9的尾端；冷却水入口n2位于冷却水套13尾端的顶部，冷却水出口n6位于冷却水套13前端的底部；

连接管道段包括连接管道27，连接管道27与测试管段11的后端直接连通，连接管道27上设置有热电偶三17和取压口三n7。

作为基础支持，主体管段外部尾端设置有高压法兰一7，所述测试管段11外部前端设置有高压法兰二8，外部后端设置有高压法兰三14，连接管道27外部前端设置有高压法兰四15，主体管段与测试管道11通过紧固螺栓一6、高压法兰一7和高压法兰二8连接，主体管段与测试管道11接触面上填充有密封垫圈一25，测试管道11与连接管道27通过高压法兰三14、高压法兰四15和紧固螺栓二16连接，测试管道11与连接管道27接触面上填充有密封垫圈二26。

根据以上结构，反应物料从物料喷管1进入渐缩空腔18，然后进入喉口空腔23，物料速度变大，与此同时有机物与氧化剂分别通过有机物混合器3和氧化剂混合器22进入喉口空腔23，物料、有机物与氧化剂混合。混合后的反应物料再通过测试管道11，通过调节电加热器9的功率和冷却水套13的流量可以使得测试管道11的不同部位具有不同温度，从而得到超临界水氧化反应在内衬套12上的腐蚀和盐结晶沉积特性。

在本发明更优化的实施例中，所述渐缩空腔18的前端封闭物料喷管1从封闭区轴心穿过，伸入渐缩空腔18中，物料喷管1周向表面上分布有等距排列倾斜设置的物料喷孔19，物料喷孔19的倾斜方向是顺流方向。

物料从倾斜的物料喷孔19喷入，可使喷入的流体更加分散雾化，使其与有机物和氧化剂的混合效果更加好。

在本发明更优化的实施例中，所述有机物混合器3为一空心的圆柱形壳体，中间内径小于两端外径，套在渐缩空腔18与喉口空腔23之间的外表面，形成环形的有机物混合腔2，有机物混合腔2带有有机物入口n3，有机物混合腔2与喉口空腔23通过倾斜的有机物喷孔20连接，有机物喷孔20的倾斜方向是顺流方向。所述氧化剂混合器22为一空心的圆柱形壳体，中间内径小于两端外径，套在喉口空腔23的外表面，形成环形的氧化剂混合腔4，氧化剂混合腔4带有氧化剂入口n1，氧化剂混合腔4与喉口空腔23通过倾斜的氧化剂喷孔21连接，氧化剂喷孔21的倾斜方向是顺流方向。

有机物与氧化剂分别通过有机物入口n3和氧化剂入口n1进入有机物混合腔2和氧化剂混合腔4，再通过倾斜设置的有机物喷孔20和氧化剂喷孔21进入喉口空腔23，此时有机物与氧化剂具有水平和垂直分速度，使得物料、有机物与氧化剂之间能够形成充分混合。

在本发明更优化的实施例中，所述渐缩空腔18的渐缩角度大于渐扩空腔24的渐扩角度，喉口空腔23的长度大于渐缩空腔18和渐扩空腔24的长度。渐缩角度更大能够更快地对物料进行加速，渐扩角度较小能够较慢的使物料减速，二者同时提高混合效率。

在本发明更优化的实施例中，内衬套12为可拆卸替换结构，测试管段11内壁上有2～4条长槽，其内部紧贴设置的内衬套12上有相同数量的长肋，测试管段11上的长槽和内衬套12上的长肋精密配合。

内衬套12可以拆卸替换，使得便于从内衬套12壁面上取样进行测试分析，从而能够研究超临界水氧化反应的腐蚀和盐结晶沉积特性。

在本发明更优化的实施例中，热电偶一5、热电偶二10热电偶三17的测试端均位于相应管道的壁面附近，取压口一n4、取压口二n5和取压口三n7分别与热电偶一5、热电偶二10热电偶一17对向布置。所述热电偶三17和取压口三n7位于连接管道27前段靠近冷却水套13的位置，可实现对超临界水氧化过程中温度场和压力场的实时测试和分析，从而便于判断氧化反应放热及管道堵塞的情况。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。