CN113750926B - 一种适用于强放热体系的反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于强放热体系的反应装置，该反应装置为多级列管式分布结构，计量泵连接总管，每根总管连接2^n‑1条支路管，一根总管的支路管与另一根总管的支路管通过预混合器连接n级列管，2^n‑1根n级列管两两组合通过静态混合器连接n‑1级列管，以此规律递减连接，直到2根2级列管通过静态混合器1根1级列管，静态混合器为三通管结构，三通管结构的入口两端设有喷嘴，两根列管间物料每一次的撞击混合增强了反应体系的混合效果，且可以均化物料配比，减少对反应的影响。静态混合器的出口处的内壁为圆弧凸起结构，减少静态混合器中混合腔体积，加强混合效果。本发明结构简单，混合效果好，传热传质效果好。

Description

一种适用于强放热体系的反应装置

技术领域

本发明属于混合反应装置技术领域，具体涉及一种适用于强放热体系的反应装置。

背景技术

在化工生产过程中，涉及的化学反应大多数都具有较强的热效应。如：硝化反应、聚合反应、氧化反应、酯化反应、溴化反应、缩合反应、重排反应和重氮化反应等。一般的在这一类反应过程中，人们为了保证产品的收率、品质以及***的稳定性，通常在反应器内加入搅拌设备以及冷却***，加强反应体系内的传热及传质过程。否则，当反应***内的热量无法及时移除时，反应产生的热量便会在***内蓄积，使温度升高或是造成局部热点降低产品收率及质量，使得反应产生副反应，反应选择性下降，而温度的升高将进一步加快反应速率，积聚的热量越来越多，将造成反应失控引起***和火灾事故。

现有的间歇釜式反应器存在反应时间长，能耗大等缺点，而且对于强放热反应，如果热量不能及时转移，会局部积聚，进而引发***，甚至造成人员伤亡和财产损失等风险。现有的管式反应器内由于混合效率低而出现局部的热扰动因素时，将引起反应器局部高温甚至引发“飞温”事故，对生产带来较大的安全风险。而普通的列管式反应器因其多根列管并联，则会因为管道阻力，使用过程变形等原因造成局部物料之间的配比不均，反应转化率低，反应不完全等问题。因此，开发一种适合强放热体系的反应装置是很有必要的。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种适用于强放热体系的反应装置。

为达到上述目的，提出以下技术方案：

一种适用于强放热体系的反应装置，该反应装置为多级列管式分布结构，计量泵分别连接各自的总管，每根总管连接2^n-1条支路管，一根总管的支路管与另一根总管的支路管通过预混合器两两连接，预混合器连接n级列管，2^n-1根n级列管两两组合通过静态混合器连接，静态混合器连接n-1级列管，以此规律递减连接，直到2根2级列管通过静态混合器连接，静态混合器连接1根1级列管。此反应装置为总管分支成多条支路再两两混合成各级列管的反应装置。

进一步地，所述的预混合器和静态混合器为三通管结构，三通管结构的入口两端设有喷嘴，喷嘴的喷口相对，喷嘴与喷嘴之间的流体出口处的内壁为圆弧凸起结构。

进一步地，所述的列管为直管、螺旋管、波节管或波纹管。

进一步地，n随着生产能力大小和反应体系的绝热温升而改变。

进一步地，预混合器和静态混合器中的喷嘴内径由喷嘴出口处雷诺数决定，静态混合器的两个喷嘴内径相同，当两相物流容易分层时，雷诺数的范围为3000～6000；当两相物流不容易分层时，雷诺数的范围为1000～2300；预混合器中的两个喷嘴间距为D＝d_{较大喷嘴口径}×(5～30)，静态混合器中的两个喷嘴间距为D＝d_喷嘴口径×(5～30)。

进一步地，n级列管的最大允许内径的计算公式为

K为n级列管的传热系数，T_a为n级列管外的流体介质温度，-ΔH_R为反应热，T_max为反应体系最大允许温度，-r_A，n为n级列管中允许的最大反应速率，根据n级列管的进口浓度计算可以得到最大反应速率，从而得到n级列管的最大允许内径。

进一步地，n级列管内径，n-1级列管内径，n-2级列管内径……1级列管内径比为1：2^1/2～1：2^1～2：……

根据n级列管的最大允许内径以及列管之间的比例关系可以得到其它列管的内径，根据内径和最大允许内径的计算公式可以得到各列管的进出口浓度。

进一步地，摩尔衡算方程为

式(2)中，d_n为列管内径，L为管长，v₀为体积流率，C_A为物料的浓度；

能量衡算方程为

式(3)中，m为反应体系的质量流率，C_p为反应体系平均比热容，T_max是根据反应体系，体系中的关键组分取的最大反应温度，即安全温度，-ΔH_R是根据不同反应体系的反应热，根据式(2)和式(3)，采用数值计算方法通过软件结合摩尔衡算方程和能量衡算方程计算得到所对应的管长L，代入相对应的列管的最大允许内径作为d_n，即得到相应的列管的最短管长L_n，min。在此基础上，建立了一个安全反应控制***，依靠数值配合软件计算，温度监测完成流量控制。

进一步地，各级列管出口处都设有温度仪表。

本发明的有益效果在于：

1)本发明适用于强放热反应，反应初始阶段反应剧烈，放热量大，反应物料刚开始接触时列管采用较细的内径，有较高的比表面积利于传热，符合强放热反应的反应特点，其内径可根据反应体系的绝热温升而改变，绝热温升越大，可采用更细的内径，可采用螺旋管，波纹管或波节管作为n级列管，传质传热效果较直管佳。

2)传统列管式反应器，在总配比一定的情况下，由于管道阻力、设备变形等原因，会出现局部配比异常，导致反应体系局部配比不均，从而影响反应的转化率，导致反应不完全，收率降低等问题，而此装置采用多级分布方式，由两根总管分别分支成2^n-1条支路后两两混合进入n级列管，n级列管再两两混合，以此规律，最终从1根1级列管流出物料，可以均化物料之间的配比，进一步强化液液相间传质，减少对反应体系的影响，最大限度地向理想反应靠近。

3)两种物料在静态混合器的喷嘴下，喷嘴流体出口处静态混合器内壁弯曲，可引导引流，减少返混，且流体碰撞处的混合器部分混合腔体积减小，加强了混合效果，物料之间混合更加均匀，加强了传质效率，保证物料在快速反应阶段反应效果好。

4)由传热基本方程，摩尔衡算得出的n级列管长度，可以保证强放热反应在强放热段n级列管处反应充分，反应效果好，且防止由于强放热，列管内温度到达临界热点温度，局部热量堆积，导致温度急速上升，使得反应选择性降低，甚至产生飞温现象，使得反应失控，容易产生***等事故。

5)n级列管通过静态混合器与n-1级列管相连，n-1级列管通过静态混合器与n-2级列管相连······2级列管通过静态混合器与1级列管相连，反应物料每一次在静态混合器下混合就是一次新的碰撞，加强了混合效果，物料之间混合更加均匀，且加强了传质效率。

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为本发明的静态混合器内的剖视图；

图3为实施例1的理论出口温度和实验出口温度的比较图；

图4为实施例2的理论出口温度和实验出口温度的比较图；

图5为实施例3的理论出口温度和实验出口温度的比较图；

图中：1、计量泵；2、预混合器；3、总管；4、支路管；5、静态混合器；6、n级列管；7、n-1级列管；8、n-2级列管；9、2级列管；10、1级列管；11、温度仪表。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步地说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

如图1所示，一种适用于强放热体系的反应装置，包括2个计量泵1、2根总管3、每根总管3分别连接2^n-1条支路管4、2^n-1根n级列管6、2^n-2根n-1级列管7、2^n-3根n-2级列管8……2根2级列管9和1根一级列管10，图中的n为5，两种物料经过计量泵1分别进入2根总管3，分别分支成2^n-1条支路管4后通过预混合器2两两混合进入n级列管6，2^n-1根n级列管6两两组合通过静态混合器5进入n-1级列管7，以此规律递减，最后，2根2级列管9通过静态混合器5进入1根1级列管10后出料，各级列管上均设有温度仪表11；可通过改变计量泵1的流量和列管级数来改变生产能力的大小。各级列管为直管、螺旋管、波节管或波纹管。

如图2所示，预混合器2和静态混合器5为三通管结构，三通管结构的入口两端设有喷嘴，喷嘴的喷口相对，喷嘴与喷嘴之间的流体出口处的内壁为圆弧凸起结构，可减小混合腔体积，加强混合效果。

实施例1

本实施例中，原料为体积浓度为50％的红色基KD溶液和体积浓度为24％的亚硝酸钠溶液，流量分别为100L/h，128L/h，反应装置置于恒温冰水浴中，控制温度为T_a＝0℃，最大温度设置为T_max＝10℃，反应速率方程为

其中反应活化能E为72.88kJ/mol，气体常数单位R为8.314J/(mol·K)，X为转化率，反应热-ΔH_R为95kJ/mol，传热系数K为200w/(m²·℃)，C_p平均比热容为484J/(mol·K)，红色基KD溶液和亚硝酸钠溶液分别通过计量泵1流入两根总管3中分支成2^n-1条支路，后通过预混合器2进入2^n-1条n级列管6，混合后的初始浓度C_A，n为1087mol/m³，C_B，n为2030mol/m³，由公式(4)计算得到可能最大反应速率-r_A，n为41.3mol/m³·s(计算时温度T采用T_max)，由公式(1)计算得到d_max＝2.04×10^-3m，取内径为2mm，选取2.4×0.2mm的不锈钢管，取n级列管6流速为0.7m/s，可得n级列管6根数为28.8，取32根，即2^n-1＝32，即n＝6，为6级列管，各级列管采用螺旋管状。

由公式(1)可得每级列管的进出口浓度，从而由(2)、(3)、(4)公式可得每级列管的最小长度，各级列管相关参数与列管中喷嘴相关参数由表1，表2可见：

表1各级列管相关参数

表2各级列管中喷嘴相关参数

级数	两喷嘴口径/mm	两喷嘴处雷诺数	喷嘴间距/mm
				6	0.4，0.9	4145，4087	10
5	1，1	4700，4700	15
				4	2，2	4700，4700	20
3	4，4	4700，4700	30
				2	8，8	4700，4700	40
1	16，16	4700，4700	80

当1级列管10中转化率达到40％时，此时，计算得到1级列管10出口处，红色基KD的浓度为62mol/m³，装置的总体转化率达到了94.3％，产物红色基KD重氮盐选择性为90％。

装置实际稳定运行1h后，收集1级列管10的出料，测得红色基KD的浓度为60mol/m³，装置的总体转化率达到了94.5％，产物红色基KD重氮盐选择性为91％，各级列管出口温度与理论出口温度比较如下图3所示。

实施例2

本实施例中，原料为体积浓度为55％的红色基KD溶液和体积浓度为25％亚硝酸钠溶液，流量分别为400L/h，512L/h。其他条件与实施例1相同，总的初始浓度C_A，n为1200mol/m³，C_B，n为1862mol/m³，由公式(4)计算得到可能最大反应速率-r_A，n为41.8mol/m³·s(计算时温度T采用T_max)，由公式(1)计算得d_max为2.02×10^-3m，取内径为2mm，选取2.4×0.2mm的不锈钢管，取n级列管6流速为0.7m/s，可得n级列管6根数为115，取128根，即2^n-1＝128，即n＝8，为8级列管6，各级列管采用波节管状。

由公式(1)可得每级列管的进出口浓度，从而由(2)、(3)、(4)公式可得每级列管的最小长度，各级列管相关参数与列管中喷嘴相关参数由表3，表4可见：

表3各级列管相关参数

表4各级列管中喷嘴相关参数

级数	两喷嘴口径/mm	两喷嘴处雷诺数	喷嘴间距/mm
				8	0.5，1	3316，3678	15
7	1.2，1.2	3920，3920	15
				6	2.4，2.4	3920，3920	20
5	4，4	4704，4704	30
				4	7，7	5376，5376	35
3	14，14	5376，5376	90
				2	30，30	5018，5018	150
1	60，60	5018，5018	300

当1级列管10转化率为22％，计算得到，一级列管10出口处，红色基KD的浓度为104.4mol/m³，装置的总体转化率达到了91.3％，产物红色基KD重氮盐选择性为93％。

装置实际稳定运行1h后，收集1级列管10的出料，测得红色基KD的浓度为103mol/m³，装置的总体转化率达到了91.4％，产物红色基KD重氮盐选择性为93.5％，各级列管出口温度与理论出口温度比较如图4。

实施例3

本实施例中，原料为体积浓度为60％的红色基KD溶液和体积浓度为20％亚硝酸钠溶液，流量分别为200L/h，256L/h，其他条件与实施例1相同，初始浓度C_A，n为1304mol/m³，C_B，n为1690mol/m³，由公式(4)计算得到可能最大反应速率-r_A，n为41.8mol/m³·s(计算时温度T采用T_max)，由公式(1)计算得d_max为2.02×10^-3m，取内径为2mm，选取2.4×0.2mm的不锈钢管，取n级列管6流速为0.7m/s，可得n级列管6根数为59，取64根，即2^n-1＝64，即n＝7，为7级列管6，各级列管采用波纹管状。

由公式(1)可得每级列管的进出口浓度，从而由(2)、(3)、(4)公式可得每级列管的最小长度。各级列管相关参数与列管中喷嘴相关参数由表5，表6可见：

表5各级列管相关参数

表6各级列管中喷嘴相关参数

级数	喷嘴口径/mm	喷嘴处雷诺数	喷嘴间距/mm
				7	0.3，0.7	5530，5250	15
6	0.9，0.9	5230，5230	15
				5	1.6，1.6	5880，5880	20
4	3.5，3.5	5376，5376	25
				3	7，7	5376，5376	35
2	15，15	5018，5018	80
				1	30，30	5018，5018	150

当1级列管10转化率为40％，计算得到，1级列管10出口处，红色基KD的浓度为67.8mol/m³，装置的总体转化率达到了94.8％，产物红色基KD重氮盐选择性为92％。

装置实际稳定运行1h后，收集1级列管10的出料，测得红色基KD的浓度为64mol/m³，装置的总体转化率达到了95.1％，产物红色基KD重氮盐选择性为92.7％，各级列管出口温度与理论出口温度比较如图5所示。

对比例：

本实施例中，原料为体积浓度60％的红色基KD溶液和体积浓度20％亚硝酸钠溶液，反应装置于恒温冰水槽中，控制温度为0℃，红色基KD溶液通过计量泵1的流量为200L/h，亚硝酸钠溶液通过计量泵1的流量为256L/h，均流入总管3中后分别分支成1条支路混合通过预混合器2进入一段直管后出料，预混合器2中没有喷嘴，直管的内径为2mm，在于实施例3相同的停留时间下出料，直管出口处上温度仪表11显示稳定在273K左右，直管出口处红色基KD转化率达到42.35％，产物红色基KD重氮盐选择性达到75.3％。

结论：由理论计算结果与实际实验结果对比，可以得出，实际实验时，各级列管的出口温度趋势基本符合理论计算结果，且装置的实际转化率与选择性均略大于理论值，说明此套装置可适用于强放热体系，传热传质效果好，混合效果佳，减少了物料配比对实验的影响，产物选择性好，并且大大提高了安全性。

Claims (7)

1.一种适用于强放热体系的反应装置，其特征在于，该反应装置为多级列管式分布结构，计量泵(1)分别连接各自的总管(3)，每根总管(3)连接2^n-1条支路管(4)，一根总管(3)的支路管(4)与另一根总管(3)的支路管(4)通过预混合器(2)两两连接，预混合器(2)连接n级列管(6)，2^n-1根n级列管(6)两两组合通过静态混合器(5)连接，静态混合器(5)连接n-1级列管(7)，以此规律递减连接，直到2根2级列管(9)通过静态混合器(5)连接，静态混合器(5)连接1根1级列管(10)；

n级列管(6)的最大允许内径的计算公式为

K为n级列管(6)的传热系数，T_a为n级列管(6)外的流体介质温度，-ΔH_R为反应热，T_max为反应体系最大允许温度，-r_A，n为n级列管(6)中允许的最大反应速率；

n级列管(6)内径，n-1级列管(7)内径，n-2级列管(8)内径……1级列管(10)内径比为1：2^1/2～1：2^1～2：……

2.如权利要求1所述的一种适用于强放热体系的反应装置，其特征在于，所述的预混合器(2)和静态混合器(5)为三通管结构，三通管结构的入口两端设有喷嘴，喷嘴的喷口相对，喷嘴与喷嘴之间的流体出口处的内壁为圆弧凸起结构。

3.如权利要求1所述的一种适用于强放热体系的反应装置，其特征在于，所述的列管为直管、螺旋管、波节管或波纹管。

4.如权利要求1所述的一种适用于强放热体系的反应装置，其特征在于，n随着生产能力大小和反应体系的绝热温升而改变。

5.如权利要求2所述的一种适用于强放热体系的反应装置，其特征在于，预混合器(2)和静态混合器(5)中的喷嘴内径由喷嘴出口处雷诺数决定，静态混合器(5)的两个喷嘴内径相同，当两相物流容易分层时，雷诺数的范围为3000～6000；当两相物流不容易分层时，雷诺数的范围为1000～2300；预混合器(2)中的两个喷嘴间距为D＝d_{较大喷嘴内径}×(5～30)，静态混合器(5)中的两个喷嘴间距为D＝d_喷嘴内径×(5～30)。

6.如权利要求1所述的一种适用于强放热体系的反应装置，其特征在于，摩尔衡算方程为

式(2)中，d_n为列管内径，L为管长，v₀为体积流率，C_A为物料的浓度，-r_A为反应速率；

能量衡算方程为

式(3)中，m为反应体系的质量流率，C_p为反应体系平均比热容，-r_A为反应速率，根据式(2)和式(3)，采用数值计算方法计算得到所对应的管长L，代入相对应的列管的最大允许内径作为d_n，即得到相应的列管的最短管长L_n，min。

7.如权利要求1所述的一种适用于强放热体系的反应装置，其特征在于，各级列管出口处都设有温度仪表(11)。

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