CN106219725B - 一种超临界水氧化反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及环保及化工技术领域，具体涉及一种超临界水氧化反应器，包括同轴设置的内壳与外壳；所述内壳分为上部圆柱和下部圆锥；圆柱包括上段无孔管和下段直筒多孔管；圆锥为锥形多孔壁；外壳包括上部连接法兰、中部直筒承压壁和下部锥形承压壁；所述圆柱部分与直筒承压壁、连接法兰之间形成第一环隙；锥形多孔壁与锥形承压壁之间形成第二环隙；在第一环隙和第二环隙间设置分隔环；所述直筒承压壁的上部设置有高温蒸发水注入管；所述锥形承压壁的上部设置有低温蒸发水注入管，锥形承压壁的底部设置出口管；所述连接法兰上同轴设置有喷嘴管，且喷嘴管穿过所述内壳顶部中心。本发明装置使得蒸发水分布均匀，避免工作过程对中心反应的抑制。

Description

一种超临界水氧化反应器
技术领域
本发明涉及环保及化工技术领域，具体涉及一种超临界水氧化反应器。
背景技术
高浓度(化学需氧量COD>2000mg/L)、有毒、难降解有机废水的处理是国内外公认的技术难题。传统的有机废水处理技术(如物化处理技术、生物处理技术、湿式氧化、焚烧等)存在成本高、降解率低、易衍生二次污染等问题。超临界水氧化(Supercritical WaterOxidation，SCWO)作为一种新型的处理有机废水的技术，是有效解决这一难题的方法之一。
超临界水氧化是在超过水的临界点(PC＝22.1MPa，TC＝374℃)的高温高压条件下，采用空气或其他氧化剂，将有机物进行“燃烧”氧化的方法。水的极性是温度和压力的函数，超临界水是一种非极性溶剂。在超临界水的环境下，有机物和气体可完全互溶，气液两相的相界面消失，形成均一相体系，反应速度大大加快。在小于1分钟甚至几秒钟的停留时间内，99.9％以上的有机物迅速燃烧氧化成CO2、H2O和其他无毒无害的终端产物。反应温度一般在400–650℃，避免了SO2、NOx、二恶英等二次污染物的产生。但是当前，腐蚀和盐沉积问题阻碍了该技术的工业化推广。
水膜反应器是综合解决腐蚀和盐沉积问题较为有效的方法。这类反应器一般由承压外壳和多孔内壳组成，有机废液和氧化剂从反应器顶部注入，进行超临界水氧化反应，从而产生高温反应流体。低温蒸发水从反应器侧面注入到内壳与外壳之间的环隙；蒸发水可以平衡反应流体对多孔内壳的压力，使多孔内壳无需承压，同时避免承压外壳与反应流体接触；蒸发水通过多孔内壳渗入到反应器内并在多孔内壁形成一层亚临界水膜，该水膜能阻止无机酸与壁面的接触并能溶解在超临界温度反应区析出的无机盐，可有效缓解反应器内的腐蚀和盐沉积问题。
但由于水膜反应器内的流场特性和蒸发水的注入方式，造成蒸发水分布不均而引起局部的腐蚀和盐沉积，反应器内局部过热(如喷嘴，反应器上部等)。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种有效解决超临界水氧化反应器内的腐蚀、盐沉积和高温过热问题的超临界水氧化反应器。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
本发明的超临界水氧化反应器，包括内壳和外壳；所述内壳同轴设置于所述外壳中；所述内壳分为上部圆柱和下部圆锥两部分；所述圆柱包括上段无孔管和下段直筒多孔管；所述圆锥为锥形多孔壁；
所述外壳包括上部连接法兰、中部直筒承压壁和下部锥形承压壁；
所述内壳的圆柱部分与所述直筒承压壁、连接法兰之间形成第一环隙；所述锥形多孔壁与所述锥形承压壁之间形成第二环隙；
在所述第一环隙和所述第二环隙间设置有分隔环；
所述直筒承压壁的上部设置有高温蒸发水注入管；所述锥形承压壁的上部设置有低温蒸发水注入管，锥形承压壁的底部设置有出口管；
所述连接法兰上同轴设置有喷嘴管，且所述喷嘴管穿过所述内壳顶部中心。
进一步的，所述喷嘴管由内管和外管组成；所述内管伸入反应器内部的长度为20-200mm；所述外管伸入反应器的长度比内管长20-200mm。
进一步的，所述无孔管沿外管的出口下方延伸，延伸的距离为外管内径的2-6倍。
进一步的，所述连接法兰包括上法兰与下法兰；上法兰与下法兰通过两端的螺栓和螺母连接。
进一步的，所述螺栓和螺母连接处设置有垫片；所述上法兰与下法兰之间的连接处还设置有密封圈。
进一步的，所述高温蒸发水注入管沿圆周均布有2-4个；所述低温蒸发水注入管沿圆周也均布有2-4个。
进一步的，所述高温蒸发水注入管的出水口正对所述无孔管中上部；所述低温蒸发水注入管的出水口正对分隔环。
进一步的，所述直筒多孔管下端设置有弹性支撑架，所述弹性支撑架受到分隔环的支撑作用。
进一步的，所述外壳外侧面还设置有翅板。
本发明的有益效果为：
本发明反应器内壳结构，无孔管一方面有利于蒸发水沿圆周方向的均布，避免蒸发水从注入口正对的多孔管集中渗入，分布不均，且剧烈抑制中心反应；另一方面，喷嘴的射流卷吸作用，上部容易出现物料的回流返混，无孔管结构可避免组分扩散至多孔管甚至是直筒多孔管与直筒承压壁之间的环隙。
高温蒸发水注入口位于反应器上部，正对无孔管，依靠重力作用向下流动均布于直筒多孔管；低温蒸发水注入后正对分隔环，避免对下部锥形多孔壁的冲击，并能实现低温蒸发水的均布。
综上，本发明装置使得蒸发水分布均匀，避免工作过程中对中心反应的抑制；同时蒸发水对部分多孔内壳能起到很好的保护作用。
附图说明
图1本发明超临界水氧化反应器的整体结构示意图；
图2为图1中A-1处的局部放大图；
图3为图1中A-2处的局部放大图。
附图标记：01、喷嘴管；101、内管；102、外管；02、螺栓；03、垫片；04、螺母；05、密封圈；06、无孔管；07、翅板；08、直筒多孔管；09、锥形承压壁；10、出口管；11、锥形多孔壁；12、低温蒸发水注入管；13、分隔环；14、弹性支撑架；15、直筒承压壁；16、高温蒸发水注入管；17、下法兰；18、上法兰。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1-图3所示，本发明的超临界水氧化反应器，包括内壳和外壳的双壳结构，其中内壳作为承温部件，外壳作为承压部件，即内壳能够承受高温、腐蚀、盐沉积而不承受压力，而外壳则承受压力而不用承受高温。如此一来，外壳无需选取耐高温和耐腐蚀的材料，从而显著地降低了反应器的成本。
所述内壳同轴设置于所述外壳内部；所述内壳分为中空的上部圆柱和下部圆锥两部分；所述圆柱包括上段无孔管06和下段直筒多孔管08；所述圆锥为锥形多孔壁11；
所述外壳由上部连接法兰、中部直筒承压壁15和下部锥形承压壁09组成；
所述内壳的圆柱部分与所述直筒承压壁15、连接法兰之间形成第一环隙；所述锥形多孔壁11与所述锥形承压壁09之间形成第二环隙；
在所述第一环隙和所述第二环隙间设置有分隔环13；
所述直筒承压壁15的上部设置有高温蒸发水注入管16；所述锥形承压壁09的上部设置有低温蒸发水注入管12，锥形承压壁09的底部设置有出口管10；
所述连接法兰上同轴设置有喷嘴管01，且所述喷嘴管01穿过所述内壳顶部中心。
由于蒸发水在注入口的流速高，分布不均，本发明反应器的内壳结构，在有限数量蒸发水注入管的条件下，上部的无孔管06结构有利于蒸发水沿圆周方向的均布，避免高温蒸发水注入管16的高温蒸发水出水口c正对直筒多孔管08集中渗入而导致分布不均，以致剧烈抑制中心反应的问题产生。
工作过程中，喷嘴具有射流卷吸作用，反应器上部容易出现物料的回流返混，本发明设置无孔管06沿喷嘴管01出口下方延伸，延伸的距离为外管102内径的2-6倍，可避免物料扩散至直筒多孔管08甚至是直筒多孔管08与直筒承压壁15之间的环隙。
所述喷嘴管01由外管102和内管101组成，有机废液从所述内管101的进液口a注入，氧气从内管101和外管102的进气环隙b注入；所述内管101伸入反应器内部的长度为20-200mm；所述外管102伸入反应器的长度比内管101长20-200mm，可避免同轴喷嘴管01过热，同时为有机废液和氧气提供混合及预热空间。有机废液和氧气在同轴喷嘴01的出口开始进行超临界水氧化反应，进而产生高温流体。
所述连接法兰包括上法兰18与下法兰17；上法兰18与下法兰17通过两端的螺栓02和螺母04连接。为进一步紧固螺栓02和螺母04，连接处设置垫片03；所述上法兰18与下法兰17之间还设置有密封圈05，进一步改善反应器内部的密封效果，防止工作过程中漏气现象。
作为优选的，所述高温蒸发水注入管16沿圆周均布有2-4个，具***于中部直筒承压壁15上部，且高温蒸发水出水口c正对所述无孔管06中上部。高温蒸发水注入第一环隙，喷射在内壳的上部无孔管06上时，向上流动的部分蒸发水包裹无孔管06，对无孔管06及喷嘴管01进行冲刷冷却保护；大部分高温蒸发水在水平圆周方向分布后，依靠重力作用向下流动均布，并通过直筒多孔管08渗入反应区，对壁面进行保护，同时冷却反应流体。
所述低温蒸发水注入管12的低温蒸发水出水口d正对分隔环13，具***于锥形承压壁09上部，低温蒸发水注入后正对分隔环13，避免对下部锥形多孔壁11的冲击，并能实现低温蒸发水的均布；低温蒸发水沿圆周及纵向分布后，从锥形多孔壁11渗入反应器，对壁面起到保护的同时，进一步冷却反应流体，经冷却后的反应流体从出口管10的流体出口e流出。
本发明由于反应器从上至下温度逐渐从超临界温度下降至亚临界温度，物料密度逐步上升，容积骤降。将反应器底部设置为锥形，节省反应器空间，同时在物料容积降低时可保持物料流速，避免低速沉积现象发生。
作为优选的，所述直筒多孔管08下端设置有弹性支撑架14，所述弹性支撑架14受到分隔环13的支撑作用，可以保证内壳与反应器出口及喷嘴的准确连接与固定安装。
作为优选的，所述外壳外侧面还设置有翅板07，以便于反应器的吊装及维护。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种超临界水氧化反应器，其特征在于，包括内壳和外壳；所述内壳同轴设置于所述外壳中；所述内壳分为上部圆柱和下部圆锥两部分；所述圆柱包括上段无孔管和下段直筒多孔管；所述圆锥为锥形多孔壁；
所述外壳包括上部连接法兰、中部直筒承压壁和下部锥形承压壁；
所述内壳的圆柱部分与所述直筒承压壁、连接法兰之间形成第一环隙；所述锥形多孔壁与所述锥形承压壁之间形成第二环隙；
在所述第一环隙和所述第二环隙间设置有分隔环；
所述直筒承压壁的上部设置有高温蒸发水注入管；所述锥形承压壁的上部设置有低温蒸发水注入管，锥形承压壁的底部设置有出口管；
所述连接法兰上同轴设置有喷嘴管，且所述喷嘴管穿过所述内壳顶部中心；
所述喷嘴管由内管和外管组成；所述内管伸入反应器内部的长度为20-200mm；所述外管伸入反应器的长度比内管长20-200mm；
所述无孔管沿外管的出口下方延伸，延伸的距离为外管内径的2-6倍；
所述高温蒸发水注入管的出水口正对所述无孔管中上部；所述低温蒸发水注入管的出水口正对分隔环。
2.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述连接法兰包括上法兰与下法兰；上法兰与下法兰通过两端的螺栓和螺母连接。
3.根据权利要求2所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述螺栓和螺母连接处设置有垫片；所述上法兰与下法兰之间的连接处还设置有密封圈。
4.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述高温蒸发水注入管沿圆周均布有2-4个；所述低温蒸发水注入管沿圆周也均布有2-4个。
5.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述直筒多孔管下端设置有弹性支撑架，所述弹性支撑架受到分隔环的支撑作用。
6.根据权利要求1所述的超临界水氧化反应器，其特征在于，所述外壳外侧面还设置有翅板。
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