CN105617975A - 一种在内部实现气体产物热交换的超临界反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，其包括筒体、上端封头、折流挡板、热交换装置及喷烧嘴，筒体上端安装上端封头，上端封头下表面设置折流挡板，折流挡板下部固装热交换装置，反应器的喷烧嘴穿过热交换装置进入筒体；热交换装置包括套筒及盘管，套筒包括最内层筒、最外层筒和中间层筒，相邻两层筒之间的空间用于容纳一层盘管；上端封头设置有气相出口，上端封头设置有的液相入口、液相出口、物料入口及燃料入口。本发明在反应器内部完成超临界蒸汽与盘管内低温流体的热交换，可对反应器内部温度进行调整控制，减少外部热交换的热量损失，有利于能量回收；经过热交换的超临界蒸汽温度控制在300℃左右，便于后续处理。

Description

一种在内部实现气体产物热交换的超临界反应器

技术领域

本发明涉及一种高温高压的化工设备，特别是一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器。

背景技术

超临界水氧化(SCWO)技术最早是在20世纪80年代中期由美国学者Modell提出的一项能完全地、彻底地将有机物结构破坏的深度氧化技术。美国国家关键技术所列的六大领域之一“能源与环境”中指出，最有前途的废物处理技术是SCWO法。

超临界水(SCW)是指温度超过374.15℃，压力超过22.12Mpa的特殊状态的水，该条件下水的介电系数大大降低，氧化剂和多种有机物质在水体系中形成均一相，消除传质阻力，使本来发生在液相、固相、气相之间的多相反应转化为在SCW中的均相氧化反应，反应速率更快，停留时间更短。而且大多不需使用催化剂，氧化效率很高，大部分有机物的去除率可达99％以上，产物为无机盐、二氧化碳和水。由于反应在封闭的反应器中进行，符合全封闭处理的要求。反应温度远低于焚烧且无二次污染物的产生。

由于超临界水氧化反应过程中放出大量的热，使得反应器内部的温度和压力急剧升高，高温高压的气体产物加剧了对反应器本身的腐蚀性，且高温气体易发生***，两种因素叠加起来对设备壳体内壁及内部零部件产生严重的腐蚀破坏。因此进行超临界水氧化反应的反应器材料往往需要耐高温、高压、腐蚀，造成生产成本居高不下。

除了对设备的损坏之外，通常气体产物需要输出至反应器外部冷却后排放，热交换过程在反应器外部的管道中完成，一方面热量在管道输送过程中散失，另一方面高温高压的工作状态更是对管道的材质、密封、强度等提出了很高的要求，进而增加了制造费用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在反应器内部降低气体产物的温度的同时对反应物料进行加热，有利于热量回收利用、降低反应器材料要求、降低***复杂度的在内部进行气体产物热交换的超临界反应器。

本发明决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，其特征在于：包括筒体、上端封头、折流挡板、热交换装置及喷烧嘴，筒体上部安装上端封头，上端封头下设置折流挡板、折热交换装置，反应器的喷烧嘴自上端封头穿过热交换装置的中部进入筒体的燃烧区域；所述热交换装置包括套筒及盘管，套筒包括最内层筒、最外层筒和中间层筒，相邻两层筒之间的空间用于容纳一层盘管，最内层筒和最外层筒的底部封闭连接，最内层筒的顶部与折流挡板连接，最外层筒的顶部边沿与折流挡板之间留有窗口；最内层筒与次内层筒之间的折流挡板上设置排气通道，中间层筒与最内层筒、最外层筒一起，在热交换装置的内部形成一个相对封闭的折流气路。

所述的最内层筒和最外层筒的底部通过环形板封闭连接。

所述的中间层筒分为顶部与折流挡板连接的第一组筒和底部与环形板连接的第二组筒，且第一组筒和第二组筒交错设置。

所述的盘管包括一个或多个由一条管盘成的双层盘管，各盘管的入口、出口之间为并联关系。

所述的最内层筒、最外层筒和中间层筒之间通过连接块进行加强连接。

所述的最外层筒的底部设置一个或多个冷凝水导流管，所述冷凝水导流管的自由端靠近筒体内壁表面。

在所述的最外层筒、中间层筒上均设有等压孔。

导热片设置在最内层筒的底部与喷烧嘴的出口段之间。

上端封头设置有与盘管入口连通的液相入口、与盘管出口连通的液相出口，上端封头还设置有物料入口及燃料入口。

所述的盘管的液相出口连接反应器的蒸发壁水进口和/或物料预处理装置中的热交换器。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，在反应器内部完成超临界蒸汽与盘管内的低温流体之间的热交换，可用于对反应器内部温度进行调整和控制，且低温流体被加热成高温流体，可继续作为超临界蒸发壁用水或物料的预处理还可进行其他的工业利用，减少外部热交换造成的热量损失，有利于能量回收；且超临界蒸汽输出反应器时已经呈低温状态，便于对超临界蒸汽进行后续处理，降低了管道对材料的耐高温、密封要求。

2、本发明的在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，中间层筒与最内层筒、最外层筒一起，在热交换装置的内部形成一个相对封闭的连续的气路，中间层筒分为顶部与折流挡板连接的第一组筒和底部与环形板连接的第二组筒，且第一组筒和第二组筒交错设置，在最小的空间范围内，尽量加大换热面积，使超临界蒸汽与盘管内的低温流体之间充分换热。

3、本发明的在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，最内层筒、最外层筒和中间层筒之间通过间隔的连接块进行加强连接，最内层筒和中间层筒的顶部与折流挡板固定，最内层筒内壁连接喷烧嘴，使热交换装置的上下两端都能够固定，避免在超临界蒸汽的流动过程中因冲击力过大造成的振动。

4、本发明的在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，在外筒周身设有等压孔，用以保持热交换装置的内部压力与筒体的内部压力相等。

5、本发明的在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，在套筒底部积蓄的水具有保护喷烧嘴的出口边缘段的作用，当喷烧嘴的出口温度达到峰值，热量通过导热片导入套筒底部，通过底部积蓄的水能够吸收出口的高温，保护喷烧嘴的边缘段不受高温腐蚀。

6、本发明的在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，经过盘管外表面冷凝的蒸汽经导流管流向蒸发壁形成薄膜，对蒸发壁形成保护。

7、本发明的在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，结构简单易于加工制造、便于维修更换制造费用低、占用空间小。

8、本发明的在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，凝结的少量液态水输出到壳体内壁，保护壳体；冷却效果好，保证了产物气体的输出温度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的一个实施方式的热交换装置的结构示意图。

附图标记说明

1-筒体、2-上端封头、3-折流挡板、4-热交换装置、5-气相出口、6-冷凝水导流管、7-导热片、8-套筒、9-盘管、10-内筒、11-中筒、12-外筒、13-喷烧嘴、14-环形板、15-窗口、16-连接块、17-等压孔。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1所示，一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，它包括筒体1、上端封头2、折流挡板3和热交换装置4，其中筒体1为一密封腔体，顶部由上端封头2密封，底部设置有超临界反应的无机盐等产物出口。折流挡板3固定在上端封头2下方的筒体1内，热交换装置4固定在折流挡板3的下方，反应器的喷烧嘴13自上端封头1穿过热交换装置4的中部进入筒体1的燃烧区域。上端封头2上设置一个或多个气相出口5、液相入口和液相出口，除此之外上端封头2上还设置用于输入反应物料的物料入口和用于输入燃料的燃料入口。

热交换装置4包括套筒8和盘管9，套筒8可分为最内层筒、最外层筒和中间层筒，盘管9也可以包括多个由一条管盘成的双层盘管，各盘管的入口、出口之间为并联关系，盘管9的入口连通液相入口，盘管9的出口连通液相出口。相邻两层筒之间的空间用于容纳一层盘管，流经盘管9的液体在套筒8内与超临界蒸汽完成热交换。最内层筒和最外层筒的底部之间通过环形板14连接，最内层筒的顶部与折流挡板3连接，阻止超临界蒸汽通过出口溢出；最外层筒的顶部边沿与折流挡板3之间留有窗口15，用于超临界蒸汽进入套筒；最内层筒与次内层筒之间的折流挡板3上设置连通气相出口5的排气通道。

中间层筒分为顶部与折流挡板3连接的第一组筒和底部与环形板14连接的第二组筒，且第一组筒和第二组筒交错设置，与最内层筒、最外层筒一起，在热交换装置4的内部形成一个相对封闭的连续的气路。超临界蒸汽通过窗口15进入，在各层之间折流，并与盘管9进行换热之后，由气相出口5输出。

如图2所示，本实施例优选套筒8为三层套筒，自内而外分为内筒10、中筒11和外筒12，内筒10和中筒11的顶部与折流挡板3固定，外筒12的顶部与折流挡板3之间留有窗口15，内筒10中的空间用于设置喷烧嘴13。盘管9为由一条管盘成的双层盘管，内筒10和中筒11之间容纳内层盘管，中筒11和外筒12之间容纳外层盘管。

如图2所示，为了使套筒8的结构更加紧凑，便于安装，本实施例在内筒10和中筒11的顶部之间设置连接块16，加之内筒10和中筒11的顶部与折流挡板3固定，最内层筒的内侧面连接喷烧嘴13，使热交换装置4的上下两端都能够固定，避免在超临界蒸汽的流动过程中因冲击力过大造成的振动。

由于反应器内产生剧烈的化学反应，超临界蒸汽的成分复杂，如氮气、二氧化碳、水蒸气等，其中的水蒸气遇冷容易凝结成液态水，故在套筒8的外筒12的底部设置冷凝水导流管6，该冷凝水导流管6的固定端与外筒12连通，自由端贴近筒体内壁表面。以防止水蒸气在流经盘管9的表面时，由于温度降低，水蒸气凝结为液态水而囤积在套筒9的底部。冷凝后的液态水经冷凝水导流管6，引出到筒体1的内壁上，液态水在内壁上流动还具有防止温度过高烧坏筒体1的保护作用。

本实施例还在内筒10的底部与喷烧嘴13的出口段之间设置导热片7，用以防止喷烧嘴13的出口段温度过高。并在外筒12周身设有等压孔17，用以保持热交换装置4的内部压力与筒体1的内部压力相等，在压力平衡的状态下，气体流度性好，热交换装置4状态稳定。

当在喷烧嘴13的出口空间进行化学反应，产生超临界蒸汽时，超临界蒸汽向上流动到筒体1顶部后，通过窗口15进入到套筒8中。同时在盘管9内通入一定量的低温流体，使超临界气体在热交换装置4内部进行折流的同时与盘管9内的低温流体进行热交换，对超临界蒸汽进行迅速降温，同时加热盘管9内的流体。通过套筒8的层数和盘管9的壁面积，对超临界蒸汽热交换前后的温度差进行控制，这样既节省的冷却的装置占用空间，同时保证超临界蒸汽在流出筒体1后的温度降低，降低管道选材的温度指标。

由于在套筒8底部冷凝后的液态水经冷凝水导流管6引到筒体1的内壁上，液态水在筒体1的内壁上流动形成水膜，水膜具有保护筒体1的作用，防止温度过高烧坏筒体1。同时在套筒8底部积蓄的水具有保护喷烧嘴13的作用，当喷烧嘴13的出口温度达到峰值，物料急剧反应，易发生回流反应，造成喷烧嘴13出口边缘腐蚀破坏成锯齿状结构，这时喷烧嘴13的出口热量通过导热片7导入套筒8底部，底部积蓄的水能够吸收出口的高温，保护喷烧嘴13的边缘段不受高温腐蚀。

盘管9内部通入的液体和外部高温气体进行换热以后，高温液体可作为超临界反应器的蒸发壁水进入蒸发壁或对进入反应器的物料进行加热的预处理，还可应用于其他工业、民生领域，达到资源最大化利用。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (10)

1.一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，其特征在于：包括筒体、上端封头、折流挡板、热交换装置及喷烧嘴，筒体上部安装上端封头，上端封头下设置折流挡板、折热交换装置，反应器的喷烧嘴自上端封头穿过热交换装置的中部进入筒体的燃烧区域；所述热交换装置包括套筒及盘管，套筒包括最内层筒、最外层筒和中间层筒，相邻两层筒之间的空间用于容纳一层盘管，最内层筒和最外层筒的底部封闭连接，最内层筒的顶部与折流挡板连接，最外层筒的顶部边沿与折流挡板之间留有窗口；最内层筒与次内层筒之间的折流挡板上设置排气通道，中间层筒与最内层筒、最外层筒一起，在热交换装置的内部形成一个相对封闭的折流气路。

2.根据权利要求1所述的一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，其特征在于：所述的最内层筒和最外层筒的底部通过环形板封闭连接。

3.根据权利要求2所述的一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，其特征在于：所述的中间层筒分为顶部与折流挡板连接的第一组筒和底部与环形板连接的第二组筒，且第一组筒和第二组筒交错设置。

4.根据权利要求1所述的一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，其特征在于：所述的盘管包括一个或多个由一条管盘成的双层盘管，各盘管的入口、出口之间为并联关系。

5.根据权利要求1所述的一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，其特征在于：所述的最内层筒、最外层筒和中间层筒之间通过连接块进行加强连接。

6.根据权利要求1所述的一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，其特征在于：所述的最外层筒的底部设置一个或多个冷凝水导流管，所述冷凝水导流管的自由端靠近筒体内壁表面。

7.根据权利要求1所述的一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，其特征在于：在所述的最外层筒、中间层筒上均设有等压孔。

8.根据权利要求1-7之一所述的一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，其特征在于：导热片设置在最内层筒的底部与喷烧嘴的出口段之间。

9.根据权利要求1所述的一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，其特征在于：上端封头设置有与盘管入口连通的液相入口、与盘管出口连通的液相出口，上端封头还设置有物料入口及燃料入口。

10.根据权利要求1或9所述的一种在内部进行气体产物热交换的超临界反应器，其特征在于：所述的盘管的液相出口连接反应器的蒸发壁水进口和/或物料预处理装置中的热交换器。