CN105964214A - 一种新型多相流板式塔反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种新型多相流板式塔反应器，包括塔体，其特点为塔体的底部设计一个浆液沉淀池或搅拌池，池底采用锥形设计，在最低端开一个固体出料口;塔体的底部侧面位于浆液沉淀池或搅拌池上方设有进气通道，进气通道与气体分布装置连接，塔体的中间段采用多层塔板结构，每层塔板之间留有层间距供气体通过，并避免两层浆液之间形成连续流动通路；在塔体的多层塔板上方设置一个浆液喷淋装置，浆液喷淋装置与浆液进料口连接；在浆液喷淋装置上方设置一个除雾器。本发明能实现浆液在宏观上的均匀分散；通过控制塔板上固液通道的孔径大小、形状（或控制塔板上三角形板片坡度），可以设计成适用于不同流变学性质的浆液；有效提高塔的利用效率。

Description

一种新型多相流板式塔反应器
技术领域
本发明属于化工或生物化工或湿法冶金领域。
背景技术
多相流反应中不同相态之间均匀分散一直是一个难点。对于快速和中速反应，为了使得不同相态均匀分散，一般采用流化床、固定床、滴流床、淤浆床、搅拌釜等传统反应器。这种方式不得不消耗大量的机械能来保证不同相态之间的持续均匀混合接触，但是对于慢速反应而言，大量的机械能消耗无形中增加了巨大的运行成本。对于气液固多相流生物反应过程而言，除了运行成本的增加，剧烈混合产生的强剪应力也会破坏微生物细胞壁，导致微生物的死亡，反而降低反应速率。
在湿法冶金领域中，如含硫化物的精金矿的生物氧化预处理工艺，硫化锌矿、硫化铜矿等硫化矿的生物氧化提取金属工艺等，若采用传统的堆浸工艺，存在占地面积广、堆浸耗时长等导致生产效率低下的弊端；若采用搅拌釜反应器，为了使得气液固混合均匀、反应热及时移除，则需要加大搅拌速率、增加曝气量，由此剧烈混合产生的强剪应力会破坏细菌的细胞壁，不利于细菌的生长，同时不断搅拌和曝气需要消耗大量的能量，运行成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用几何构造实现的静态气液固分散***，减少在低速反应过程中能量消耗、降低***中混合剪应力的新型反应器。
本发明的目的是这样实现的，所述的一种新型多相流板式塔反应器，即滞流反应器（Fluid holdup reactor），其特征在于包括：
适用于气液固多相流体反应操作的板式塔反应器；
塔内部采用特制的新型塔板（持流板Fluid holdup plate），利用塔板设计和板间空隙的调整，使得液固两相可以借助塔板的支撑作用均匀分散在塔板中的引流通道和塔板上方，在宏观上显示出气体和液固相混合物交错分布，所述引流通道包括固液通道和气体通道，或者所述引流通道采用气液固通道；
塔板主要起到抵消固液两相混合物所受的重力作用，而不是像传统塔板那样主要起到强化传质、传热的作用；
在重力作用下，下层塔板上的浆液无法回到上层塔板，因此塔板间的液固两相基本不存在返混；
气相停留时间与液固两相不存在关联；但液固两相因形成较稳定的混合浆液，停留时间具有一定的相互关联，通过控制浆液的浓度、表面张力、粘度等参数可实现液、固停留时间相同或不同。
所述板式塔反应器液固两相是分散相，气相是连续相，液固两相借助塔板的支撑作用分散在引流通道和塔板上方，并与塔板间的气相接触进行化学反应，适用于慢速反应（如生物反应）。
所述塔板减缓了固液两相的流动，但不会阻止固液两相向下流动，固液两相停留时间分布由浓度、粘度、表面张力、堆积特征、外力干扰和塔板几何特征决定。
所述的板式塔反应器，液固两相借助塔板的支撑作用均匀分散在塔板中的引流通道和塔板上方，塔板的实现方式有两种：一、设计成多孔平板结构，借助孔径0.1-10mm的微孔的毛细管效应，及浆液的粘性和表面张力作用，使得浆液可以在塔板下方一定高度内悬挂一定量的浆液滴，从而浆液可以连续分布在塔板上方、微孔及塔板下方一定高度内；二、设计成多片三角形板结构，借助塔板上表面0.5-30°的倾斜角度及浆液的粘性和表面张力作用，实现浆液分布在塔板上表面和通道处的塔板下缘位置。气体则可以均匀分散在没有浆液的塔板间隙和气体通道中，在宏观尺度上显示出气液固均匀分散的效果。
所述的板式塔反应器，为了保证塔板持流性能，避免上层塔板浆液与下层塔板浆液之间形成块状或丝状流动，塔板间隙高度应不低于10mm。
包括塔体，塔体的底部设计一个浆液沉淀池或搅拌池，池底采用锥形设计，在最低端开一个固体出料口;塔体的底部侧面位于浆液沉淀池或搅拌池上方设有进气通道，进气通道与气体分布装置连接，塔体的中间段采用多层塔板结构，每层塔板之间留有层间距供气体通过，并避免两层浆液之间形成连续流动通路；在塔体的多层塔板上方设置一个浆液喷淋装置，浆液喷淋装置与浆液进料口连接；在浆液喷淋装置上方设置一个除雾器。
所述的塔板以单位面积支撑的固体、液体质量总和计算具有较大的持桨性能，第一种塔板单片塔板厚度控制在1-50mm之间，第二种塔板单片板宽度不小于4mm。
本发明的优点为：所采用的塔板可以实现浆液在宏观上的均匀分散，而无需像搅拌釜那样采用搅拌输入机械能实现；塔板上的固液通道采用竖直孔设计，可以减少因结垢导致固体堆积阻塞浆液向下移动；通过控制塔板上固液通道的孔径大小、形状（或控制塔板上三角形板片坡度），可以设计成适用于不同流变学性质的浆液；通过控制浆液浓度很容易改变浆液的流变学性质，并根据反应速率调节浆液的停留时间，有效提高塔的利用效率；通过控制气体通入量和温度，很容易强化传质和传热，调节***反应温度，提高反应速率，增加气体的利用效率，避免资源浪费；与传统的大高径比的搅拌釜反应器（或淤浆床反应器）相比，设备底部的溶液压力低，可以采用非压力容器设计，减少设备设计和制造难度；在湿法冶金中与传统的堆浸过程先比，具有反应速度快（反应时间可控制在15日以内），占地面积小的特点；在微生物反应器中，通过控制循环浆液量还可以增加微生物反混量，提高自催化反应速率；不同塔设备还可以采取串联或并联方式提高生产能力。
因此，该类型反应器具有广阔的市场应用前景和良好的经济效益。表现为：
（1）应用领域广。对所有多相流体系低速反应体系均适用，特别是微生物反应过程，还可以降低因混合剪应力造成的微生物细胞壁破坏，因此具有特别重要的意义，可以产生广泛市场应用前景。
（2）能源消耗低。与传统的流化床、固定床、滴流床、淤浆床、搅拌釜等传统反应器相比，无需持续大量输入的机械能保证固体均匀悬浮和气体均匀分散。
（3）设备制造难度低。***压力低，无需压力容器，采用塔体和塔板分别制造，现场组装，制造容易。
（4）运行成本低。生产过程中由于无需大量输入能力确保气液固多相保持均匀混合，因而具有可观的效益回报。
（5）生产效率高。针对湿法冶金，反应速度快，反应时间短，可控制在15日以内。
（6）占地面积小。针对湿法冶金，与传统堆浸工艺相比，占地面积小。
附图说明
图1是本发明的塔式反应器结构设计示意图。
图2是塔板为多孔平板的塔式反应器减缓浆液流动的塔板微结构示意图。
图2-1是塔板为单片三角形板的塔式反应器减缓浆液流动的塔板微结构示意图。
图3是塔板为多孔平板的塔式反应器气液固通路及设计尺寸示意图。
图3-1是塔板为单片三角形板的塔式反应器气液固通路及设计尺寸示意图。
图4是塔板为多孔平板的塔板结构俯视图。
图4-1是塔板为单片三角形板的塔板结构俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细说明：
参见附图，本发明提供一种新型多相流板式塔反应器，（1）塔式反应器的设计包括塔体，塔体的底部侧面位于浆液沉淀池（或搅拌池）1上方设有进气通道，进气通道与气体分布装置连接，塔体的底部设计一个浆液沉淀池（或搅拌池）1作为固液分离池，池底采用锥形设计，在最低端开一个固体出料口2。塔体的中间段采用多层塔板结构，每层塔板3之间留下一个适当的层间距供气体通过，并避免两层浆液之间形成连续流动通路。在塔体的塔板层上方设置一个浆液喷淋装置4，浆液喷淋装置4与浆液进料口5连接，用于调节浆液浓度和流变学性质，控制浆液停留时间。在浆液喷淋装置4上方设置一个除雾器6，除去废气中的液滴，减少物料损失。
（2）塔板间隙的设计：塔板间隙高度C不低于10mm。
（3）塔板的设计：塔板的实现方式有两种：一、设计成多孔平板结构，单片塔板厚度h控制在1-50mm之间，图2是塔板为多孔平板的塔式反应器减缓浆液流动的塔板微结构示意图，每层塔板之间留下一个适当的层间距（即塔板间隙高度C）供气体通过，固液通道7为竖直圆形或六边形孔且孔径d1为0.1-10mm，作为浆液流动通道，塔板上气体通道8为圆形竖直孔且孔径d3为10-100mm,孔间距d2为1-3mm，供气体流动通道；二、设计成多片三角形板结构，单片三角形板的塔板厚度h控制在1-50mm之间，图3是塔板为多孔平板的塔式反应器气液固通路及设计尺寸示意图，单片三角形板上表面设计成0.5-45°的倾斜角度A，单片三角形板上表面以及相邻间的气液固通道9作为浆液流动通道，单片板宽度d4不小于4mm，板片间d5距离4-100mm，上下两单片三角形板之间以及相邻间的气液固通道作为气体流动通道。

Claims (8)

1.一种新型多相流板式塔反应器，其特征在于包括：
适用于气液固多相流体反应操作的板式塔反应器；
塔内部采用特制的新型塔板，利用塔板设计和板间空隙的调整，使得液固两相能借助塔板的支撑作用均匀分散在塔板中的引流通道和塔板上方，在宏观上显示出气体和液固相混合物交错分布，所述引流通道包括固液通道和气体通道，或者所述引流通道采用气液固通道；
塔板主要起到抵消固液两相混合物所受的重力作用，而不是像传统塔板那样主要起到强化传质、传热的作用；
在重力作用下，下层塔板上的浆液无法回到上层塔板，因此塔板间的液固两相基本不存在返混；
气相停留时间与液固两相不存在关联；但液固两相因形成较稳定的混合浆液，停留时间具有一定的相互关联，通过控制浆液的浓度、表面张力、粘度等参数可实现液、固停留时间相同或不同。
2.根据权利要求1所述的新型多相流板式塔反应器，其特征在于所述板式塔反应器液固两相是分散相，气相是连续相，液固两相借助塔板的支撑作用分散在引流通道和塔板上方，并与塔板间的气相接触进行化学反应，适用于慢速反应。
3.根据权利要求1所述的新型多相流板式塔反应器，其特征在于所述塔板减缓了固液两相的流动，但不会阻止固液两相向下流动，固液两相停留时间分布由浓度、粘度、表面张力、堆积特征、外力干扰和塔板几何特征决定。
4.根据权利要求1所述的新型多相流板式塔反应器，其特征在于所述的板式塔反应器，液固两相借助塔板的支撑作用均匀分散在塔板中的引流通道和塔板上方，塔板的实现方式有两种：一、设计成多孔平板结构，借助孔径0.1-10mm的微孔的毛细管效应，及浆液的粘性和表面张力作用，使得浆液可以在塔板下方一定高度内悬挂一定量的浆液滴，从而浆液可以连续分布在塔板上方、微孔及塔板下方一定高度内；二、设计成多片三角形板结构，借助塔板上表面0.5-30°的倾斜角度及浆液的粘性和表面张力作用，实现浆液分布在塔板上表面和通道处的塔板下缘位置。
5.气体则可以均匀分散在没有浆液的塔板间隙和气体通道中，在宏观尺度上显示出气液固均匀分散的效果。
6.根据权利要求1所述的新型多相流板式塔反应器，其特征在于所述的板式塔反应器，为了保证塔板持流性能，避免上层塔板浆液与下层塔板浆液之间形成块状或丝状流动，塔板间隙高度应不低于10mm。
7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的新型多相流板式塔反应器，其特征在于：包括塔体，塔体的底部设计一个浆液沉淀池或搅拌池，池底采用锥形设计，在最低端开一个固体出料口;塔体的底部侧面位于浆液沉淀池或搅拌池上方设有进气通道，进气通道与气体分布装置连接，塔体的中间段采用多层塔板结构，每层塔板之间留有层间距供气体通过，并避免两层浆液之间形成连续流动通路；在塔体的多层塔板上方设置一个浆液喷淋装置，浆液喷淋装置与浆液进料口连接；在浆液喷淋装置上方设置一个除雾器。
8.根据权利要求4的新型多相流板式塔反应器，其特征在于所述的塔板以单位面积支撑的固体、液体质量总和计算具有较大的持桨性能，第一种塔板单片塔板厚度控制在1-50mm之间，第二种塔板单片板宽度不小于4mm。
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