专利名称：流场均匀无壁效应循环流化床反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种循环流化床反应器，特别是涉及一种流场均匀无壁效应循环流化床反应器，属于气固两相流反应器。
循环流化床是近年来发展起来的一种气固两相流反应器，被广泛应用于化工、能源、冶金和材料等工业中，根据反应器中所进行反应过程的不同，循环床反应器大体可分为两种一种是气体和颗粒均为反应物，因此需不断供给气体和颗粒(如煤的燃烧)；另一种是颗粒为催化剂，在反应器内循环使用(如石油催化裂化)。关于循环床发展现状和流动结构的综述可见(J.R.Grace，Chem.Eng.Sci.，Vol.45，No.5，p，1953-1966，1990)。本实用新型反应器属后一种形式的循环床反应器，其结构如
图1所示，它主要由反应器主体(2)，第一级旋风分离器(3)，第二级旋风分离器(4)、固体颗粒循环料腿(6)(也作为催化剂再生器，一般为鼓泡流化床)以及连结反应器主体和循环料腿的连通管(8)等部分所组成。连通管(8)通常包含颗粒流量调节装置。反应气体经位于反应器主体下部的进气口(1)进入反应器主体(2)，在催化剂的作用下发生反应，并夹带催化剂颗粒进入第一级旋风分离器(3)和第二级旋风分离(4)，分离后的催化剂在循环料腿(6)中再生后，经连通管(8)重新进入反应器主体(2)的底部，重复以上过程。分离后的气体经由第二级旋风分离器(4)上部的气体出口(5)进入下一步处理过程。
颗粒浓度沿径向不均匀分布是循环床反应器(特别是对催化裂化反应)的主要弊端之一，在已有的循环床反应器中，中心区和壁面区颗粒浓度差可达一个数量级，中心为低浓度区，气体夹带颗粒高速向上运动，而壁面区为高浓度区，仅有少量气体通过，颗粒速度很低，有时甚至向下运动，使得气体与催化剂接触产生两极分化，这种流型严重影响反应器的性能，降低产品的收率和质量，尤其是对反应时间短和易发生二次反应的反应器，这一问题尤为突出，因而一直是循环床反应器研究和设计的焦点。尽管已采取了多种措施，如内构件，并流下行等，但效果并不明显，并带来一些加工和操作的困难。寻求一种彻底解决不均匀分布，消除壁面效应，产生均匀气固悬浮物的途径是一项极其重要的工作。
本实用新型的目的在于为了解决现有循环流化床中颗粒浓度沿径向分布不均匀，消除壁面效应，而设计出一种流场均匀无壁面效应循环流化床反应器。
本实用新型与现有的循环床反应器，主要都由反应器主体，第一级旋风分离器，第二级旋风分离器，固体颗粒循环料腿以及连结反应器主体和循环料腿的连通管所组成，其特点是反应器主体采用由原来直管反应器改变为能够在壁面附近产生气垫以消除壁面效应，形成均匀流场的横截面为交替渐缩渐扩的反应器。
已有的循环床反应器径向不均匀分布形成的原因是壁面对颗粒的作用与颗粒为保持最小位能的趋势一致，因而促进了不均匀分布的形成，并造成了中心区和壁面区颗粒与流体相互作用强度的差别。因此，为避免不均匀结构的产生，必须不断改变颗粒或者气流的自然运动趋势，破坏能量最小化过程，消除产生气固作用强度差别的因素，为此，本实用新型的反应器主体采用截面为交替渐扩和渐缩的反应器。
以下将结合附图来具体描述本实用新型。
图1为已有的循环床反应器的结构示意图。
图2为本实用新型“流场均匀无壁效应循环流化床反应器”的结构示意图。
图3为本实用新型与已有循环床反应器结构和相应颗粒浓度分布的比较示意图。
图3－a为本实用新型的反应器主体结构和颗粒浓度径向分布示意图。
图3－b为传统循环床反应器结构和颗粒浓度径向分布示意图。
图中1－反应气体入口2－反应器主体3－第一级旋风分离器4－第二级旋风分离器5－气体出口6－固体颗粒循环料腿(也作为催化剂再生器，一般为鼓泡流化床)7－维持料腿中颗粒流动的气体入口8－连结反应器主体和循环料腿的连通管由附图可见，本实用新型主要由反应器主体(2)，第一级旋风分离器(3)、第二级旋风分离器(4)、固体颗粒循环料腿(6)以及反应器主体和循环料腿的连通管(8)所组成。反应器主体(2)由原来直管改变为横截面交替渐缩和渐扩的反应器。由于渐缩和渐扩的结果，就形成了收缩段和扩大段交替存在的反应器主体(2)。图2也是本实用新型的一个实施例，该反应器主体(2)的横截面渐缩渐扩的尺寸变化范围为扩大段和收缩段的内径比D／d＝1.25～2.0，两收缩段之间的截距L与收缩段内径d之比为L／d＝2.0～4.0。收缩段的作用是改变颗粒和气流原有运动趋势，破坏能量最小化过程，使气流和颗粒充分相互作用，形成均匀悬浮物；扩大段的作用是由于颗粒惯性，扩大段内颗粒仍能保持原有运动方向，避免与壁面接触，扩大段壁面与颗粒均匀分布的柱形区域之间形成一气垫，无颗粒存在，从而消除壁面效应，并仍保持均匀流场。
图3中，ε表示气体所占的体积份额，所以1－ε表示颗粒所占体积份额，即颗粒浓度。r代表反应器主体横截面的不同位置与中心处的距离，在截面中心处r＝0，从图3－a中看出，在收缩段内径d＝52mm的截面上颗粒浓度基本均匀，扩大段内径D＝99mm的截面上，在等于缩口面积(d＝52mm)的范围内，颗粒浓度也基本均匀，其余截面上几乎无颗粒存在，即形成气垫，颗粒仅从截面为缩口截面积的柱形区域通过，与壁面无接触，因此，消除了壁面效应。图3中两收缩段之间的截距L为130mm。从图3－b中也可看出，中心区域和壁面区域浓度差别很大，分布很不均匀，壁面处颗粒浓度远高于中心区颗粒浓度。
本实用新型反应器与现有循环床反应器比较，具有显著的优点和效果，由于本实用新型反应器的反应器主体，采用横截面交替渐缩渐扩的反应器来代替原来的直管反应器，缩口处和扩大处颗粒浓度分布均匀，全部颗粒均匀分布于截面为缩口截面的柱形区内，达到消除壁面效应，实现颗粒均匀分布的目的，大大改善了反应器的性能，可提高产品的收率和质量。同时，本实用新型避免使用内部构件等措施，使得反应器加工简单，操作方便，能广泛应用于化工、能源、冶金和材料等工业中。
权利要求1.一种循环流化床反应器，主要由反应器主体，第一级旋风分离器，第二级旋风分离器、固体颗粒循环料腿以及连结反应器主体和循环料腿的连通管所组成，其特征在于反应器主体采用能够在壁面附近产生气垫以消除壁面效应，形成均匀流场的横截面为交替渐缩渐扩的反应器。
2.按照权利要求1所述的循环流化床反应器，其特征在于反应器主体的扩大段与收缩段内径比为D／d＝1.25～2.0，两收缩段之间的截距L与收缩段内径d之比为L／d＝2.0～4.0。
专利摘要本实用新型涉及一种流场均匀无壁效应循环流化床反应器，主要由反应器主体、两级旋风分离器、固体颗粒循环料腿以及连接反应器主体和循环料腿的连通管所组成，其特点是反应器主体由原来的直管反应器改变为横截面交替渐缩和渐扩的反应器。在本反应器内，壁面附近形成气垫，可消除壁面效应，颗粒全部均匀分布于截面为缩口截面的柱形区内，大大改善了反应器的性能，可提高产品的收率和质量，能广泛应用于化工、能源、冶金和材料等工业中。
文档编号B01J8/24GK2093031SQ9121616
公开日1992年1月15日 申请日期1991年6月17日 优先权日1991年6月17日
发明者李静海, 别如山, 郭慕孙, 吴文渊, 杨励丹 申请人:中国科学院化工冶金研究所, 哈尔滨工业大学