一种用于颗粒升温的导气式反应装置的制作方法

[0001]
本发明涉及工业生产固体物料加工领域，具体为一种用于颗粒升温的导气式反应装置。


背景技术：

[0002]
固体颗粒物料的升温操作属于常见工业生产过程，受固体物料的热反应特性及工艺生产条件制约，有些颗粒在升温过程中自身会反应生成大量气体，而有些工艺过程需要通入适当气体以满足工艺要求。在物料的升温过程中，有时要求严格控制升温程序，以减少副反应的发生，这就需要对反应器内传热进行控制。目前常用的反应器类型有固定床、回转窑等。
[0003]
固定床反应器是常用的间歇式颗粒升温反应器，固体颗粒物料加入床层后，在外加热炉作用下加热，根据工艺条件可选择是否通入载气。载气的通入会促进床层内轴向的传热过程，但是由于热量由外壁向中心传递过程更多的是靠热传导过程，因此同一截面处，外壁与中心的温度差异较大，整个床层径向温差较大，为了保证床层物料均能达到设定温度，通常采用增加外壁温度或延长加热时间的方式，因而能耗较高。同时，由于外壁温度过高，会引起外侧物料反应条件发生变化，因此难以保持物料品质的均匀性。
[0004]
回转窑是工业常用的连续式物料升温反应器，物料加入回转窑后，沿倾斜角度随窑体的转动而由入口段向出口段移动。根据加热介质与颗粒的接触情况，可分为直接接触式与间接接触式加热。直接接触式加热方式下，高温烟气在窑体内与颗粒物料逆向接触换热，直接对颗粒进行升温。由于工艺条件限制，有些颗粒物料在升温过程中应尽量避免与杂质气接触，因此这种加热类型的应用受到限制。同时，在直接接触升温过程中，难以准确控制物料的升温过程参数，特别是升温速率和终温，因此难以满足工艺要求。外加热式回转窑，一般采用在旋转运动的窑体外设置固定的加热装置。由于需要动、静设备间的配合，设备加工及组装要求较高，因而造价相对较高。另外，由于回转窑的运行特点，窑体内物料填充度仅1/3左右，存在大量空间空置，而这部分空间的散热损失极大，造成能耗的加大。


技术实现要素：

[0005]
为优化以上工艺系统中存在的不足，本发明提供了一种构造简单，运行可靠，效果稳定，能耗小，能够实现颗粒物料的可控升温及物料品质均匀的用于颗粒升温的导气式反应装置，具体的技术方案为：
[0006]
包括反应器、集气腔，集气腔设置在反应器内部中心位置，二者通过导气管连接，导气管下部伸入集气腔，上部伸出反应器。
[0007]
进一步的，反应器包括外壁、法兰盖板、密封机构及底部载气进气管路，其中，外壁设置在四周，法兰盖板设置在外壁上部，密封机构设置在外壁的底部，底部载气进气管路开设在外壁下侧部。
[0008]
进一步的，集气腔为底部开口的空腔结构，包括设置在四周的边壁及设置在顶部
的顶板。
[0009]
进一步的，边壁为多孔板。
[0010]
进一步的，反应器与集气腔之间间隔保持恒定。
[0011]
优选的，反应器和集气腔为方形结构。
[0012]
优选的，反应器和集气腔为圆柱形结构。
[0013]
优选的，密封机构为闸阀。
[0014]
优选的，密封机构为插板阀。
[0015]
本发明提供的上述导气式反应装置中，能够通过设计气流导向，强化热量由外围向中心传递，从而强化传热，达到快速升温的目的；并通过调整集气腔与反应器外壁之间的距离，减少料层的径向厚度，从而使物料间传热迅速、受热充分，品质均匀。
附图说明
[0016]
图1为本发明实施例提供的一种用于颗粒升温的导气式反应装置的示意图；
[0017]
图2为本发明实施例提供的一种用于颗粒升温的导气式反应装置中集气腔及导管示意图；
[0018]
图3为本发明实施例提供的一种用于颗粒升温的导气式反应装置中组件的组装示意图；
[0019]
图4为本发明实施例提供的一种用于颗粒升温的导气式反应装置中外加热装置为圆柱形炉时的实施例的示意图。
[0020]
图中：1/11-反应器；2/12-集气腔；3/13-导气管；4-边壁；5/15-顶板；6/16-法兰盖板；7-外壁；8/18密封机构；9/19-底部载气进气管路,10/20-外加热装置。
具体实施方式
[0021]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0022]
如图1、图3所示，本实施例提供的一种用于颗粒升温的导气式反应装置，包括安装在外加热装置10内的反应器1和集气腔2，反应器1垂直设置，应根据工艺条件选择加工材质，应与外加热装置10保持一定的贴合度，以满足受热需求，同时应考虑保温及反应器受热变形对外加热装置10的影响，反应器1截面形状可以为方型、矩形或圆形，反应器1应加工严密，确保无气体泄漏。
[0023]
具体地，本实施例提供的一种用于颗粒升温的导气式反应装置包括反应器1、集气腔2，集气腔2设置在反应器1内部中心位置，反应器1和集气腔2通过导气管3连接，导气管3的一端延伸至集气腔2的内部，导气管3的另一端延伸至反应器1的外部；反应器1和集气腔2之间设置有待升温处理的颗粒，反应器1上还设置有与载气进气管9配合的通孔；载气被传输至反应器1和集气腔2之间待升温处理的颗粒，并且反应器1的外部设置有外加热装置10(例如，加热炉)，载气或待升温处理的颗粒受热而生成的气体，在颗粒物料间流动而引起对流传热的热量传递；并且至少部分载气或待升温处理的颗粒受热而生成的气体在反应器1的径向方向流入至集气腔2内部，通过导气管3排出至反应器1的外部。
[0024]
反应器1下端应考虑物料卸出方式，采用收口结构，并在底部安装有具有密封性能
的密封机构8，包括但不限于闸阀、插板阀等。反应器1的顶盖由法兰连接，为法兰盖板6，确保密封。而且集气腔底部同反应器外轮廓相似，为收口结构，且下部为敞口设计，以方便清理腔体内混入的物料；集气腔顶板不开孔，即气流不会经顶板进入集气腔。
[0025]
具体地，如图1、图2、图3所示，反应器1包括第一壳体和第二壳体，第一壳体(例如，上部的长方体)的上方截面形状和第一壳体的下方截面形状相同，第二壳体(例如，侧面为梯形对应的壳体)的上方截面形状和第一壳体下方截面形状相同，第二壳体的下方截面形状为第二壳体的上方截面形状按照预定比例缩小后的形状；第一壳体的上部设置有与导气管配合的通孔，导气管与第一壳体上部的通孔密封连接；第二壳体侧壁的通孔与载气进气管密封连接，并且第二壳体的底部被密封。集气腔2包括第三壳体和第四壳体，第三壳体的上方截面形状和第三壳体的下方截面形状相同，第四壳体的上方截面形状和第三壳体下方截面形状相同，第四壳体的下方截面形状为第四壳体的上方截面形状按照预定比例缩小后的形状；第四壳体的上部设置有与导气管配合的通孔，并且第三壳体的侧壁由导气面构成，第三壳体的上表面由封闭面构成；第三壳体的下方为开口，第四壳体的上方为开口，并且第三壳体的下方与第四壳体的上方连接，第四壳体的侧壁也由导气面构成；第四壳体的下表面为开口。
[0026]
其中，上述导气面可以由多孔筛板拼接而成，也可以由过气材料粘贴在侧壁为开口的框架上形成导气面；还可以根据不同需求，设置成导气面由可以更换的不同导气孔径的材料制成，从而可以更好满足多种工业需求。作为一种优选的实施方式，集气腔由多孔筛板焊接而成，筛板上小孔直径应小于颗粒尺寸。集气腔顶板为不开孔板，其中心接有导气管，导气管伸至集气腔中心位置，上端穿过反应器顶盖后与风机连接。反应器底部侧壁安装有输气管，用于输入载气。
[0027]
基于上述尺寸排布，反应器1和集气腔2之间的待升温处理的颗粒，在第一壳体和第三壳体之间的间隙，对应反应器1与集气腔2径向方向之间的间隔恒定，更加有利于形成纵向气流，且可以放置较多的待升温处理的颗粒；而第二壳体和第四壳体采用上述尺寸布局，可以形成收口结构，更利于待升温处理的颗粒的卸出。四壳体的下表面为开口、载气从侧壁引入，可以更利于气体导入，形成对集气腔的压力，促成气体从导气管3排出，这样更利于待升温处理的颗粒不断沿着径向方向集气腔2内部形成气流。
[0028]
其中，集气腔2位于反应器1中心位置，制备材质由工艺条件决定，集气腔2由多孔筛板拼接而成的周壁多孔的空腔结构，形成边壁4，集气腔2的外轮廓与反应器1的外壁7间应保持恒定的间隔，间隔范围在5-30cm，应根据工艺条件及物料属性加以确定，集气腔2底部同反应器1外轮廓相似，为收口结构，且下部为敞口设计，以方便清理腔体内混入的物料，集气腔2的顶板5为钢板结构，导气管3由集气腔2的顶板5伸入集气腔2，并和集气腔2焊接在一起，气流不会经顶板5进入集气腔2，导气管3的用途是将集气腔2内气体导出反应器1，并向上穿出反应器1的法兰盖板6，导气管3应按照工艺条件进行设计，以导出气流速度不超过20m/s来设计管径，导气管3还对集气腔2起到支撑作用。
[0029]
以典型的颗粒催化剂煅烧过程为例，描述本实施例提供的一种用于颗粒升温的导气式反应装置的运行如下：
[0030]
固体颗粒由反应器上部装入，装料位置在反应器与集气腔中间区域，装料时注意颗粒沿集气腔均布，反应器内装料位置与集气腔顶板平齐。反应器密封后，检查气密性无误
后，准备加热。将载气自反应器下部输气管输入，并开启与导气管相连接风机，保持反应器内压力恒定。开启加热炉，按照预定要求完成升温，将加热升至设定温度，并通过温度控制仪观察塔内料层温度，确保按照正常升温程序进行。由于煅烧过程中固体颗粒释放大量气体，通过塔内压力显示及时调整与载气进气管9连接的风机功率，将生成气体及时自导管引出。反应完毕后，停止加热并继续通载气降温，调整风机功率，以适应反应器内压力变化。待物料降至室温时，停通载气，打开底部盲板及插板阀，将物料自反应器底部卸出。
[0031]
本实施例提供导气式反应装置的工作原理：
[0032]
处于反应器1内固体颗粒接收热量升温主要靠热传导、对流及辐射三种方式。热量由反应器1的外壁7传递给紧贴器壁的外围颗粒，而外围颗粒向中心区域传热主要靠热传导的方式，这种方式传热速率很慢。反应器1的外壁7在外加热装置10作用下形成高温壁面，其对内部物料进行辐射传热，由于辐射传热受温度影响很大，在多数工况下辐射传热的强度不高。由于载气或颗粒受热而生成的气体在颗粒物料间流动而引起的热量传递为对流传热，其成为调控反应器内颗粒温度场分布的主要方式。由于气流通常沿轴向流动，因此固定床内颗粒的轴向温度分布相对均匀，但径向差异很大，为减少径向温差，本实施例通过调整气体流向的方式，将气流由四周汇集至中央，通过气流的径向流动，促进径向的热量传递，从而使床层内颗粒物料受热均匀。集气腔2内的气体在自身压力或外在真空的吸引下由导气管3引出。
[0033]
本实施例应用的场合是伴有气流通过的固体颗粒升温过程，气流可以是提供惰性气氛的外加气体，可以是参与反应的原料气，也可以是颗粒受热过程中新生成的气体，或者是这些气体的组合气。固体为颗粒态，且受热不会粘结或转为其他不利于气流通过的状态，颗粒堆积在床层内，床层空隙率在0.2-0.6，保证气体能顺利通过。系统热源来自于外加热热源，最终形成的效果是反应器1的外壁7形成稳定的热源，并可以对内传热。
[0034]
本实施例的工作流程：
[0035]
固体颗粒由反应器1上部装入，装料位置在反应器1与集气腔2中间区域，装料时注意颗粒沿集气腔2均布，反应器1内装料位置与集气腔2的顶板5平齐。反应器1密封后，检查气密性无误后，准备加热。将载气自底部载气进气管路9输入，并开启与导气管3相连接风机，保持反应器1内压力恒定。开启加热装置，通过程序升温，将电炉升至设定温度，并通过温度控制仪观察塔内料层温度，确保按照正常升温程序进行。由于煅烧过程中固体颗粒释放大量气体，通过塔内压力显示及时调整风机功率，将生成气体及时自导气管3引出。反应完毕后，停止加热并继续通载气降温，调整风机功率，以适应反应器1内压力变化。待物料降至室温时，停通载气，打开密封机构8，将物料自反应器1底部卸出。
[0036]
实施例1
[0037]
如图1-3所示，外加热装置10为方型炉，因此反应器1截面设计为矩形，下部为缩口结构，倾斜角度为45
°
，出口为矩形管，安装有插板阀，插板阀下带有盲板。集气腔2为矩形结构，集气腔2的边壁4距离反应器1的内壁距离为15cm。集气腔2由多孔筛板焊接而成，筛板上小孔直径应小于颗粒尺寸。集气腔2的顶板5为不开孔板，其中心接有导气管3，导气管3伸至集气腔2中心位置，上端穿过反应器1的法兰盖板6后与风机连接。反应器1底部侧壁安装有底部载气进气管路9，用于输入载气。
[0038]
在本实施例中，由于温度较高且反应过程中有腐蚀性气体释放，因此反应器、集气
腔及导气管均由304不锈钢制造；采用本实施例的上述技术方案，物料升温时间大大缩短，功耗降低，而且生成的产品品质均匀，可以实现节能增效的目标。
[0039]
实施例2
[0040]
如图4所示，外加热装置20为圆柱形炉，反应器11为管式结构，垂直安装，底部缩口后接圆管，下部安装闸阀。集气腔12为多孔圆管，底部为缩口结构并开有圆口，顶部为不开孔顶板15。集气腔12顶板15中心开孔并焊接导气管13，导气管13上端穿过反应器11的法兰盖板16；反应器11底部侧壁安装有底部载气进气管路19，用于输入载气；反应器11底部安装有密封机构18。
[0041]
本实施例的有益效果是：
[0042]
1.反应器内颗粒物料升温速度加快，减少加热时间；
[0043]
2.反应器内颗粒物料径向温差减小，避免物料受热不均；
[0044]
3.减少加热功耗，具有节能效果；
[0045]
4.仅对反应器进行改造，减少加工难度。
[0046]
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。