一种超重力浆态床装置及其应用

1.本发明属于多相催化反应器及其应用领域，尤其是涉及一种超重力浆态床装置及其应用。


背景技术：

2.针对石油化工、精细化工、煤化工、生物化工等领域中氢气、氧气等难溶性气体参与的催化反应过程，往往存在气液传质差的问题，导致其宏观反应速率受气液传质速率限制。工业上一般采用增大反应压力，提高气体循环量的方法来强化气液传质过程，但效果十分有限且本质安全性较低。
3.随着近些年气液传质强化技术的发展，通过将大气泡破碎形成微气泡，增大气液相间传质面积进而来强化气液传质过程，使气液传质速率与本征反应速率进行匹配，从而提高宏观反应速率，缩短反应时间，提高系统地本质安全性。尽管申请号为201910163989.0的中国专利申请已经公开了一种超重力纳微气泡产生装置及反应系统，但该专利中，微气泡发生装置产生的气泡经过管道输运至反应装置，一方面可能会存在微气泡在长管道输送过程中发生聚并，导致在满足气液传质速率匹配时，产生气泡所需的能耗较高；另一方面非一体化设备投资相对较高，因此开发一种能够实现微气泡产生和反应一体化装置，具有重要的现实意义和工业应用价值。


技术实现要素：

4.本发明要解决的第一个技术问题是提供一种超重力浆态床装置。该装置针对氢气、氧气、一氧化碳等难溶气体参与的反应过程，由微气泡发生单元和浆态床反应单元组成；在微气泡发生单元中，气体与待反应液相在装置外混合后进入到装置超重力微气泡发生单元转子内腔分布器中，在分布器上微孔的作用下，对气液混合物进行初步分布并对其中大气泡进行破碎后，在超重力微气泡发生单元转子转动所产生的的强大的离心力作用，内部填料与气泡不断接触碰撞并进行剪切并极大的促进了气液相间湍动，使气体在待反应液相中的快速饱和，并形成尺寸为微米级别(1μm-1000μm)的气泡，稳定的存在于液相中，形成高气泡密度的气液混合物；经壳体中部催化剂分隔膜进一步破碎后，进入到含有催化剂的浆态床反应单元，实现催化反应。该装置一方面将超重力微气泡产生和催化反应在同一设备中同步进行，不仅减少了设备投资，实现了含微气泡的气液混合物，对反应中被消耗气体的快速补给，另一方面，高密度的微米气泡充斥在浆态床反应单元，提供了更大的气液接触面积，有效弥补了传统搅拌釜反应器在气液传质方面的短板。
5.本发明要解决的第二个技术问题是提供一种超重力浆态床装置的应用。
6.为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案：
7.一种超重力浆态床装置，包括壳体；
8.所述壳体内部由催化剂分隔膜分为上下两部分，壳体内上部为浆态床反应单元，壳体内下部为超重力微气泡发生单元；
9.所述浆态床反应单元包括搅拌装置电机、第一转轴、搅拌桨、第一挡板、催化剂装填口、催化剂卸载口和气液出口；
10.所述超重力微气泡发生单元包括超重力装置电机、第二转轴、填料、转子、动密封、分布器、第二挡板、气液进口和排液口；
11.所述第一转轴穿过壳体顶端中心延伸至壳体的内部，第一转轴的下端头上连接搅拌桨；
12.所述第二转轴穿过壳体底部中心延伸至壳体的内部，第二转轴的上端头上固定连接转子；所述转子内部固定填料；
13.所述气液进口通过管道通向设置在填料中部的空腔中的分布器；
14.所述转子的下边缘处和壳体的底部之间设置动密封。
15.优选地，所述催化剂分隔膜为微孔膜；所述微孔膜包括陶瓷膜或耐腐蚀的高分子膜；该微孔膜孔径为0.01-500微米；更优选地，所述微孔膜孔径为50-200微米。
16.优选地，所述浆态床反应单元内部装的催化剂为粉末催化剂，催化剂粒径在0.5-800微米之间。
17.优选地，所述搅拌桨为推进式搅拌桨或涡轮式搅拌桨；所述搅拌桨包括1层或多层桨叶；每层桨叶数量3-6个。
18.优选地，所述超重力微气泡发生单元内转子级数为1-5级；所述转子上装填有金属丝网填料、耐腐蚀的塑料丝网填料、尼龙丝网填料、波纹板条填料或泡沫金属填料中的任意一种。
19.优选地，所述分布器为微孔分布器。该微孔分布器可以初步分布进入其中的气液混合物，并破碎其中的大气泡；微孔的形状可以是圆形、矩形或则其它形状，数量和大小沿轴向分布可以是均匀或则递增或则递减。
20.优选地，所述第一挡板围绕第一转轴的轴心对称分布，所述第一挡板的数量为3-4个；所述第二挡板围绕第二转轴的轴心对称分布，所述第二挡板的数量为3-4个。
21.更优选地，所述第一挡板上设有围绕第一转轴对称分布的多列孔道；孔的数量和大小可以沿垂直第一转轴方向均匀或则递增或则递减；所述第二挡板上设有围绕第二转轴对称分布的多列孔道；孔的数量和大小可以沿垂直第二转轴方向均匀或则递增或则递减。
22.为解决上述第二个技术问题，本发明采用如下的技术方案：
23.一种超重力浆态床装置的应用，包括如下步骤：
24.s1.将催化剂由催化剂装填口加入到浆态床反应单元，然后将待反应液体和气体经气液进口进入后输送到分布器，气液混合物经过分布器上的微孔时，气泡被初步破碎，开启超重力装置电机旋转后，在超重力微气泡发生单元内的转子转动产生的的强大的离心力作用，填料与气泡不断接触碰撞并进行剪切，极大的促进了气液相间湍动，使气体在待反应液相中的快速饱和，形成尺寸为微米级别(约10μm-500μm)的气泡，稳定的存在于液相中，形成高气泡密度的气液混合物；
25.s2.经s1中超重力微气泡发生单元处理过的气液混合物经壳体中部的催化剂分隔膜进一步破碎后，进入到含有催化剂的浆态床反应单元，在反应温度达到预设温度时，开启搅拌装置电机进行搅拌，反应随即开始，反应后的物料经气液出料口作为产物采出；
26.优选地，所述超重力微气泡发生单元中，所述气液混合物分布器上微孔当量直径
范围为0.1-10mm；优选微孔当量直径范围为0.5-5mm。
27.优选地，所述超重力微气泡发生单元32内形成的微气泡平均粒径处于20-200微米之间。
28.优选地，所述超重力微气泡发生单元的一般操作条件为：气液比范围为1:1-60:1，优选气液比范围为1:1-20:1；反应温度范围为20-500℃，优选反应温度范围为30-110℃；气体压力范围为0.1-20mpa，优选气体压力范围为0.1-5mpa；超重力微气泡发生单元转子转速范围为0-3000r/min，优选转速范围为800-2400r/min。
29.优选地，所述的浆态床反应单元中，所述催化剂分隔膜为冶金粉末、陶瓷或塑料等材料制备而成的微孔膜，微孔膜孔径应小于实际使用催化剂的最小粒径。
30.优选地，所述的浆态床反应单元中，所述催化剂为粉状催化剂，所使用的催化剂粒径范围为0.5-300微米，比表面积范围为50-700m2/g。
31.优选地，所述的浆态床反应单元中，进行气-液-固三相催化反应；所述催化反应是难溶气体参与的反应过程；所述难溶气体是氢气、氧气、一氧化碳、二氧化碳等。
32.本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
33.如无特殊说明，本发明中的各原料均可通过市售购买获得，本发明中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。
34.与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
35.本发明提供的超重力浆态床装置，主要针对于氢气、氧气、一氧化碳、二氧化碳等难溶气体参与的反应过程，该装置由微气泡发生单元和浆态床反应单元组成；在微气泡发生单元中，气体与待反应液相在装置外混合后进入到装置超重力微气泡发生单元转子内腔分布器中，在分布器上微孔的作用下，对气液混合物进行初步分布并对其中大气泡进行破碎后，在超重力微气泡发生单元转子转动所产生的的强大的离心力作用，内部填料与气泡不断接触碰撞并进行剪切并极大的促进了气液相间湍动，使气体在待反应液相中的快速饱和，并形成尺寸为微米级别(10μm-500μm)的气泡，稳定的存在于液相中，形成高气泡密度的气液混合物；经壳体中部催化剂分隔膜进一步破碎后，进入到含有催化剂的浆态床反应单元，实现催化反应；该装置一方面将超重力微气泡产生和催化反应在同一设备中同步进行，不仅减少了设备投资，实现了含微气泡的气液混合物，对反应中被消耗气体的快速补给；另一方面，高密度的微米气泡充斥在浆态床反应单元，提供了更大的气液接触面积，有效弥补了传统搅拌釜反应器在气液传质方面的短板；将超重力浆态床装置应用于精细化工、石油化工等领域中，能够达到强化气液传质，提高宏观反应速率，提高气体利用效率和节约成本的目的，具有重要的现实意义和工业应用价值。
附图说明
36.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明
37.图1示出本发明超重力浆态床装置的结构示意图；
38.图2示出本发明图1中的挡板分布示意图；
39.图3示出本发明图1中的挡板孔分布示意图。
具体实施方式
40.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
41.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种截面图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及他们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
42.本发明中，通过调节超重力微气泡发生单元的转速实现对气泡特征尺寸的有效调控，并实现了超重力微气泡产生和催化反应在同一设备中同步进行，一方面减少了设备投资并有效弥补了釜式搅拌反应器在气液传质方面的短板，另一方面，避免了微气泡在长管道输运过程中可能存在的聚并问题。
43.本领域技术人员公知的是，超重力场所产生的离心力加速度应当大于10g(即10倍以上重力加速度)，在此不予赘述。
44.作为本发明的一个方面，参见图1所示，本发明一种超重力浆态床装置，包括壳体3；
45.所述壳体3内部由催化剂分隔膜9分为上下两部分，壳体3内上部为浆态床反应单元31，壳体内下部为超重力微气泡发生单元32；
46.所述浆态床反应单元31包括：
47.搅拌装置电机1，用于向本发明装置浆态床反应单元中搅拌桨提供动力；
48.第一转轴4，用于电机和搅拌桨叶之间的动力的传输；
49.搅拌桨6，用于增大浆态床反应单元的湍动程度，强化传质，同时也避免催化剂向下沉积；
50.第一挡板70，用于增大浆态床反应单元31内气液相间湍动程度；
51.催化剂装填口2，用于在反应开始前装载反应所需的催化剂；
52.催化剂卸载口8，用于在反应完毕后卸载反应后的催化剂；
53.气液出口5；用于输出产物气液混合物；
54.所述超重力微气泡发生单元32包括：
55.超重力装置电机17，用于向本发明装置超重力微气泡发生单元提供动力；
56.第二转轴14，用于超重力装置电机17和转子10之间的动力的传输；
57.填料11，用于破碎气泡，增加气液相间湍动；
58.转子10，用于提供超重力环境；
59.动密封13，用于避免气液混合原料不经过填料直接进入到浆态床反应单元；
60.分布器12，用于初步分布进入其中的气液混合物，并破碎其中的大气泡；
61.第二挡板71，用于增大超重力微气泡发生单元32内气液相间湍动程度；
62.气液进口16，用于气体和液体物料的进入形成气液混合物；
63.排液口15；用于在反应完毕后排出反应器中剩余液体，同时也可以在清洗反应器时作为排液口；
64.所述第一转轴4穿过壳体3顶端中心延伸至壳体3的内部，第一转轴4的下端头上连接搅拌桨6；
65.所述第二转轴14穿过壳体3底部中心延伸至壳体3的内部，第二转轴14的上端头上固定连接转子10；所述转子10内部固定填料11；
66.所述气液进口16通过管道通向设置在填料11中部的空腔中的分布器12；
67.所述转子10的下边缘处和壳体3的底部之间设置动密封13。
68.作为本发明的一个实施例，所述催化剂分隔膜9为微孔膜；所述微孔膜包括陶瓷膜或耐腐蚀的高分子膜(比如：纤维素酯类膜)；该微孔膜孔径为0.01-500微米；更优选地，所述微孔膜孔径为50-200微米。
69.作为本发明的一个实施例，所述浆态床反应单元31内部装的催化剂为粉末催化剂，催化剂粒径在0.5-800微米之间。
70.作为本发明的一个实施例，所述搅拌桨6为推进式搅拌桨或涡轮式搅拌桨；所述搅拌桨包括多层桨叶；每层桨叶数量3-6个。
71.作为本发明的一个实施例，所述超重力微气泡发生单元32内转子10级数为1-5级；所述转子10内部装填有金属丝网填料、耐腐蚀的塑料丝网填料、尼龙丝网填料、波纹板条填料或泡沫金属填料中的任意一种。
72.作为本发明的一个实施例，所述分布器12为微孔分布器。该微孔分布器可以初步分布进入其中的气液混合物，并破碎其中的大气泡；微孔的形状可以是圆形、矩形或则其它形状，数量和大小沿轴向分布可以是均匀或则递增或则递减。
73.作为本发明的一个实施例，参见图2所示，所述第一挡板70围绕第一转轴4的轴心对称分布，所述第一挡板70的数量为3-4个；所述第二挡板71围绕第二转轴14的轴心对称分布，所述第二挡板71的数量为3-4个。
74.作为本发明的一个实施例，参见图3所示，所述第一挡板70上设有围绕第一转轴4对称分布的多列孔道；孔的数量和大小可以沿垂直第一转轴4方向均匀或则递增或则递减；所述第二挡板71上设有围绕第二转轴14对称分布的多列孔道；孔的数量和大小可以沿垂直第二转轴14方向均匀或则递增或则递减。
75.作为本发明的另一个方面，本发明一种超重力浆态床装置的应用，包括如下步骤：
76.s1.将催化剂由催化剂装填口2加入到浆态床反应单元31，然后将待反应液体和气体经气液进口16进入后输送到分布器12，气液混合物经过分布器12上的微孔时，气泡被初步破碎，开启超重力装置电机17旋转后，在超重力微气泡发生单元32内的转子10转动产生的的强大的离心力作用，填料11与气泡不断接触碰撞并进行剪切，极大的促进了气液相间湍动，使气体在待反应液相中的快速饱和，形成尺寸为微米级别(约10μm-500μm)的气泡，稳定的存在于液相中，形成高气泡密度的气液混合物；
77.s2.经s1中超重力微气泡发生单元32处理过的气液混合物经壳体3中部的催化剂分隔膜9进一步破碎后，进入到含有催化剂的浆态床反应单元31，在反应温度达到预设温度时，开启搅拌装置电机1进行搅拌，反应随即开始，反应后的物料经气液出口5作为产物采出；
78.作为本发明的一个实施例，所述超重力微气泡发生单元32中，所述气液混合物分布器上微孔当量直径范围为0.1-10mm；优选微孔当量直径范围为0.5-5mm。由于气泡的尺寸
与气泡的稳定性存在密切的关系，且气泡尺寸越小越有利于气体在液相的快速溶解和稳定存在，因此，在本超重力微气泡发生单元中，在超重力微气泡发生单元转子转动所产生的的强大的离心力作用下，内部填料与气泡不断接触碰撞并进行剪切并极大的促进了气液相间湍动，使得气泡尺寸显著减小，可形成微米级的气泡，有利于气体在短时间内的饱和溶解和在液相以微气泡形式的稳定存在。
79.作为本发明的一个实施例，所述超重力微气泡发生单元32内形成的微气泡平均粒径处于20-200微米之间。
80.作为本发明的一个实施例，所述超重力微气泡发生单元的一般操作条件为：气液比范围为1:1-60:1，优选气液比范围为1:1-20:1；反应温度范围为20-500℃，优选反应温度范围为30-110℃；气体压力范围为0.1-20mpa，优选气体压力范围为0.1-5mpa；超重力微气泡发生单元转子转速范围为0-3000r/min，优选转速范围为800-2400r/min。
81.作为本发明的一个实施例，所述的浆态床反应单元31中，所述催化剂分隔膜9为冶金粉末、陶瓷或塑料等材料制备而成的微孔膜，微孔膜孔径应小于实际使用催化剂的最小粒径。气液混合物进入浆态床反应单元后，在搅拌桨和气液混合物的向上流动的的共同作用下，与催化剂颗粒接触发生反应；同时稳定存在于液相的高密度微米气泡分散于浆态床反应单元中，其巨大的气液接触面积有效弥补了传统搅拌釜在气液传质方面的不足，实现了对反应消耗氢气的快速补给；同时，遍布浆态床反应单元的气泡也有效解决了死区问题，提高了宏观反应速率，使反应气体得到了高效地利用。
82.作为本发明的一个实施例，所述的浆态床反应单元31中，所述催化剂为粉状催化剂，所使用的催化剂粒径范围为0.5-300微米，比表面积范围为50-700m2/g。
83.作为本发明的一个实施例，所述的浆态床反应单元31中，进行气-液-固三相催化反应；所述催化反应是难溶气体参与的反应过程；所述难溶气体是氢气、氧气、一氧化碳、二氧化碳等。
84.实施例1
85.一种使用上述超重力浆态床装置进行对硝基苯甲醚加氢反应，包括如下条件：
86.在超重力浆态床中浆态床反应单元中装填雷尼镍催化剂和溶剂甲醇；以甲醇为溶剂，配制质量分数为20％的对硝基苯甲醚工作液，在温度为75℃，压力1.2mpa，超重力浆态床转速为1500r/min，搅拌转速为500r/min条件下，20分钟其转化率达到了100％。相同实验条件下，无超重力微气泡的普通搅拌釜需要90分钟其转化率达到100％。
87.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。