一種反應器的強化技術及其裝置的製作方法

2023-06-07 10:57:31 1

專利名稱：一種反應器的強化技術及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種反應器的強化技術及其裝置，屬過程工業、能源、機械科學 技術領域。
背景技術：
反應器是很多工業過程的關鍵設備。反應器中進行的過程不僅有反應過程， 同時還有物理過程。物理過程與化學或生物過程相互影響、相互滲透，影響過 程的特性和反應結果。工業規模的反應器內進行的反應過程比實驗室小反應器 複雜得多，如工業反應器內一般都有溫度、濃度、流速與停留時間等的分布， 往往造成反應器內的物料處於不同溫度與濃度下進行反應，出現不同時間的微 團之間的混合，即返混。特別是連續管式反應器，由於存在速度分布，使反應 物粒子的停留時間存在差異，速度大的一些粒子還未參加反應或未反應完全就
離開了反應器；速度小的一些粒子則由於停留時間太長可能發生逆反應。因此 需要進行反應過程的強化。本申請人曾申請過一項專利"一種工藝過程的強化 技術及其裝置"(申請號200510031285.6)，並將該技術應用於生物柴油的開發，
結果表明這種過程強化技術及其裝置對於提高生物柴油的生產效率、降低其成 本、擴大其規模、控制其組成、提高其轉化率與質量等很有效。
生物柴油的製造是一個很緩慢且可逆的反應過程，目前生物柴油的生產過 程中存在的主要問題是反應物停留時間過長，反應效率不高，從而增加了生物 柴油的成本，限制了生物柴油的生產規模。而提高反應效率可以從改進反應裝 置等方面著手。開發連續生產工藝可使生物柴油的生產效率提高、生產規模擴 大、成本降低，有利於生物柴油的推廣應用。目前製造生物柴油的技術大多為間歇式攪拌方式，效率低，操作不便，且不能控制反應物的組成。必須開發生 物柴油的專有技術，才能使之成為真正具有競爭力的新興產業。
天然石油正日益枯竭，價格不斷飆升對世界經濟形成嚴峻考驗，全球各國 都受到石油價格暴漲的衝擊；傳統燃料對環境的破壞日趨嚴重，尋找可再生而 環保的能源勢在必行。生物柴油(脂肪酸甲酯)是一種可再生、高效、安全的 清潔能源，有許多石化柴油不可企及又是人類迫切所需的優點1、可再生，用 之不盡，將真正實現能源永續利用，維持和促進資源、環境、社會經濟協調持 續發展。各種動物脂肪或廢油亦是生物柴油原料。2、無汙染。與礦物柴油不同， 燃燒後排放的碳氫化合物、CO、 S02、 NOx等有害物質極少。3、儲藏、運輸、 使用等安全、方便。因為不是易燃易爆、有毒物質。4、可促進其他產業，如種 植業、油脂加工業等。5、無須對目前使用礦物柴油的裝置改裝，且因生物柴油 潤滑作用好，對發動機的磨損大大降低。因此，開發生物柴油不僅能擺脫能源 危機，實現能源永續利用，而且有利於構建資源節約型、環境友好型社會，促 進經濟社會全面協調可持續發展，具有顯著的經濟意義和社會意義。如能大規 模商品化生產之，人類渴望再生又潔淨的能源的夙願便可實現。

發明內容
本發明的目的是提供一種反應器的強化技術及其裝置。
本發明解決其技術問題所釆用的技術方案是在反應器1上安裝振蕩裝置， 振蕩裝置與反應器1成密封配合聯接，振蕩增加反應器1內物料質點的碰撞幾 率，形成湍流或充分混合，破壞流動邊界層，改善物料流動狀態，使各質點流 速趨於均勻，避免返混，達到柱塞流，產生有利於反應工藝過程進行的運動， 以強化反應過程；所述物料包括氣體、固體、液體、粉粒體或其混合物；所述 振蕩裝置包括電磁振蕩裝置與機械振蕩裝置，振蕩裝置對稱或非對稱安裝；所述反應器1的形狀為管狀或盆狀，橫截面為圓或非圓，直徑均勻或有變化，安 裝方式為立式或臥式或斜置，強化方式為單級、雙級或多級，管狀包括直管、彎
管、"L"形管、"T"形管、"十"字形管或盤管，可為單管式或多管式。
所述反應器1內可安裝擋板2或填料，擋板或填料與反應器1內物料的運 動相結合產生一種在形成柱塞流的同時，易於熱量、質量和動量傳遞及反應過 程進行的流動形態。所述機械振蕩裝置由彈性密封裝置和對彈性密封裝置施加 振動的動力裝置構成。所述機械振蕩裝置由活塞6與活塞驅動機構構成，活塞6 與反應器1成密封可動配合套裝，活塞6外端與活塞驅動機構成活動聯接或固 定聯接。所述活塞驅動機構包括轉子7、連杆機構、移動凸輪機構39、圓柱凸 輪機構42、齒輪機構、蝸輪蝸杆機構、或螺旋機構；活塞驅動機構對稱或非對 稱安裝。所述活塞驅動機構的速度可調或恆定。所述轉子7包括盤狀轉子和柱 狀轉子，轉子7在其旋轉軸線方向固定或可移動，轉子外表面與活塞外端成點 接觸或切線接觸。所述盤狀轉子7包括圓截面轉子、或非圓截面轉子。所述柱 狀轉子包括圓柱、圓臺、或非圓截面柱體；柱狀轉子的幾何軸線與其旋轉軸線 相交、或交叉、或平行、或重合；柱狀轉子橫截面與其幾何軸線垂直或不垂直; 採用柱狀轉子時，柱狀轉子可兩兩對稱或非對稱固定於同一轉軸8上。通過調 控活塞6的頻率和/或振幅可調控反應器1內物料的流動狀態、或調控物料的停 留時間或生成物的成份組成和/或轉化率；或通過調控活塞6的頻率和/或振幅使 反應器1內的物料達到柱塞流。
本發明的有益效果和優點是用振蕩技術提高和調控流速，達到湍流效果 或充分混合，提高過程效率。湍流程度不依賴於淨流速，而由振蕩裝置調餑， 振蕩裝置可無級地調節振幅和頻率。可在很低的雷諾數(Reynolds Number)下使 流體獲得湍流或充分混合，不僅能提高過程效率，且節約了流體輸送裝置能耗與設備體積。對稱斜置轉子7使兩活塞6反對稱運動，即左活塞6上升，右活 塞6下降；右活塞6上升，左活塞6下降。該技術可擴展為多級強化(任意級 數)。本發明調節彈性大，適應範圍寬，可將間歇過程轉化為連續過程。轉子7 的驅動電機9載荷很小，故其功率極小(比間歇過程中攪拌槳的電機功率小得 多)，因為電機9隻需驅動轉子旋轉，而轉子所受扭矩很小，活塞6的重力並不 對轉子7的轉軸8產生扭矩，因為其作用線過轉軸8，電機9隻需克服較小的摩 擦力矩。強化裝置的通用性大，並不因反應器1大型化而使強化裝置增大，只 要電機9能驅動轉子7旋轉，轉子7就能推動活塞6，尺寸相差不太大的反應器 1可採用同樣大小的轉子7。調節振幅的步進電機只在調振幅的極短時間內工作 一下，振幅調好後即停機，幾乎不需能耗。當最佳頻率和振幅已知，不需要經 常變換振幅時，可按此最佳振幅作為轉子7的偏心距將轉子7設計製造成固定 的偏心距，如圖3、圖4所示，這樣可免去步進電機。通過調控設備的強化參數， 即活塞6的頻率與振幅等，可調控反應器1內物料的流動狀態、或調控物料的 停留時間或生成物的成份組成與轉化率(如，作為生物柴油反應器時，發動機 的性能不同，對於燃料的成份要求可能不同，本發明可以通過調控設備的強化 參數來調控反應器內反應物的停留時間從而調控生物柴油的成份組成)；或通過 調控活塞6的頻率和/或振幅可使反應器1內的物料達到柱塞流，這是一種對反 應過程極為有利的流動狀態。本發明是提高生物柴油或其它產品的生產效率、 降低其成本、擴大其規模、控制其組成、提高其質量等的關鍵技術與設備。


圖l是n級強化方案。
圖2是各種形式的擋板。
圖3是單級強化固定偏心距的轉子。圖4是n級強化固定偏心距的轉子。
圖5是單級強化生物柴油主體裝置。
圖6是生物柴油後處理流程圖。
圖7是採用空心活塞的強化方案。
圖8是非圓截面轉子(空心活塞)強化方案。
圖9是2級強化方案。
圖10是連杆機構驅動活塞的強化方案。'
圖ll、 12、 13是盤管反應器強化方案。
圖14是"十"字形管反應器的強化方案。
圖15是橫截面與轉軸斜交的轉子。
圖16是橫截面與轉軸垂直的轉子。
圖17是圓截面變徑柱狀轉子。
圖18是非圓截面變徑柱狀轉子。
圖19是由一個轉子推動兩個活塞的強化方案。
圖20是幾何異形橫截面兩端大小不同的柱狀轉子。
圖21是分離對稱"凹"形平面移動凸輪機構驅動活塞的示意圖。
圖22是分離對稱"凸"形平面移動凸輪機構驅動活塞的示意圖。
圖23是"凹"形平面移動凸輪機構驅動活塞的示意圖。
圖24是"凸"形平面移動凸輪機構驅動活塞的示意圖。
圖25是"凹"形齒條-蝸杆機構驅動活塞的示意圖。
圖26是"凸"形齒條-蝸杆機構驅動活塞的示意圖。
圖27是曲面移動凸輪機構驅動活塞的示意圖。
圖28是圓柱凸輪機構驅動活塞的示意圖。圖29是蝸輪蝸杆機構驅動活塞強化方案。
圖30(a)是轉子外表面與活塞外端成點接觸的方式。
圖30(b)是轉子外表面與活塞外端成切線接觸的方式。 圖中l.反應器，2.擋板及其支杆，3.物料入(出)口， 4.支架，5.彈簧，6.活塞， 7.轉子，8.轉軸，9.電機，IO.支座兼導軌，ll.離合器，12.滑板，13.軸承座，14. 軸承，15.活塞導筒，16.物料出(入)口， 17,連接管，18.連接閥，19.出口閥， 20.反應物盛裝器皿，21.閥門，22.計量泵，23.加熱器，24.反應物輸入管道，25. 生成物輸出管道，26.含甲醇的粗生物柴油管道，27.清水管道，28.脫甲醇後含水 的粗生物柴油管道，29.濾水器，30.初步脫水的粗生物柴油管道，31.吸水器，32. 充分脫水的生物柴油出口， 33.水洗器，34.排放口， 35.分離器，36.溢流閥，37. 曲柄，38.連杆，39.移動凸輪，40.螺杆，41.蝸杆，42.圓柱凸輪，43.傳動螺母， 44.蝸輪。
具體實施例方式
實施例1，參閱圖5、 6。本例採用倒U形管反應器1，在反應器1的進出 口端安裝振蕩裝置，以對稱斜置固定於同一轉軸8上的圓柱轉子7作為活塞驅 動機構。此種情況下，轉子推動兩活塞作相位差為180°的振動，即左活塞6上 升，右活塞6下降；右活塞6上升，左活塞6下降。反應器1內兩擋板2間的 小空間相當於一個微型攪拌釜，整個反應器1相當於一系列微攪拌釜的連續組 合。可使用的擋板2結構形式多種多樣，有圓環、正方形環、六邊形環、三角 形環板、多孔擋板和"十"字擋板等，如圖2所示。擋板2與振蕩運動相結合， 使反應器1內的物料充分混合。圓柱轉子7由調速電機9驅動以調控活塞6的 運動頻率，滑板12可在支座兼導軌10上移動，以調節活塞6的振幅，從而達 到某生產過程所需的最佳頻率與振幅。以生物柴油的生產為例，大體步驟如下:1) 將製造生物柴油的原料(反應物)分別盛裝在各自的容器20內，參照生 物柴油的化學反應計量關係調節好計量泵22。在反應器l的進、出口處裝有 與之密封配合固聯的振蕩裝置，使反應器1中的物料(反應物)充分混合而 強化反應過程。參閱圖5。
2) 根據本發明所提供的最佳強化效果，調節好頻率、振幅，開啟計量泵22， 利用加熱器23將反應物分別加熱到適當溫度輸入反應器1。
3) 生成物先進入分離器35進行分離，參閱圖6。
4) 分離後的粗生物柴油進入水洗器33，洗去甲醇。
5) 經水洗的生物柴油先經過濾水器29，濾去部分水分，然後進入吸水器31 將所剩水分脫去。
圖6表達了後處理流程與方法。
反應物源源不斷地輸入反應器l，生成物源源不斷地從反應器l流出，這樣 就形成了連續的生產過程。可根據生產量的大小選擇強化級數，不論多少級， 多個轉子7可兩兩對稱固定於同一轉軸8上，如圖l、 4、 9所示。
為了得到不同組成的生物柴油，可改變電機9的轉速(活塞6的頻率)、轉 子7的水平位置(活塞6的振幅)進行生產。
反應器l的直徑較大時，可採用空心活塞6，參閱圖7、 8。
實施例2，需要多級強化時，採用多級強化方式，如圖l、 4、 9等所示；不 需多級強化時，可採用單級強化方式，如圖3、 5、 7、 8、 21、 22等所示。其餘 同實施例1。
實施例3，對於盤管式反應器，其實施方式如圖11、 12、 13等所示，即同 樣是在反應器1的進、出口處安裝強化振蕩裝置以加速和控制反應過程。其中 圖ll、 12為立式，圖13為臥式。其餘同實施例l。實施例4，將圓柱轉子7替換為非圓截面柱狀轉子7，其餘同實施例l,見 圖8、 18、 20等。轉子7橫截面的輪廓曲線形狀可由反應工藝過程需要的最佳 振動規律決定以產生最優的振蕩方式，改變轉子7的橫截面輪廓曲線可得到各 種振動規律。還可通過移動滑板12來調節振幅，或改變電機9的轉速以調節振 動頻率，使振幅和/或頻率滿足反應工藝過程的需要。這給生產過程帶來了很大 方便。將轉子7換成其它活塞驅動機構，如連杆機構、移動凸輪機構39、圓柱 凸輪機構42、齒輪機構、蝸輪蝸杆機構、或螺旋機構等，也是行之有效的。
權利要求
1. 一種反應器的強化技術及其裝置，其特徵是在反應器(1)上安裝振蕩裝置，振蕩裝置與反應器(1)成密封配合聯接，振蕩增加反應器(1)內物料質點的碰撞機率，形成湍流或充分混合，破壞流動邊界層，改善物料流動狀態，使各質點流速趨於均勻，避免返混，達到柱塞流，產生有利於反應工藝過程進行的運動，以強化反應過程；所述物料包括氣體、固體、液體、粉粒體或其混合物；所述振蕩裝置包括電磁振蕩裝置與機械振蕩裝置，振蕩裝置對稱或非對稱安裝；所述反應器(1)的形狀為管狀或盆狀，橫截面為圓或非圓，直徑均勻或有變化，安裝方式為立式或臥式或斜置，強化方式為單級、雙級或多級，管狀包括直管、彎管、「L」形管、「T」形管、「十」字形管或盤管，可為單管式或多管式。
2、 根據權利要求1所述的反應器的強化技術及其裝置，其特徵是所述反 應器(1)內可安裝擋板(2)或填料，擋板或填料與反應器(l)內物料的運動相結合產 生一種在形成柱塞流的同時，易於熱量、質量和動量傳遞及反應過程進行的流 動形態。
3、 根據權利要求1所述的反應器的強化技術及其裝置，其特徵是所述機 械振蕩裝置由彈性密封裝置和對彈性密封裝置施加振動的動力裝置構成。
4、 根據權利要求1所述的反應器的強化技術及其裝置，其特徵是所述機 械振蕩裝置由活塞(6)與活塞驅動機構構成，活塞(6)與反應器(1)成密封可動配合 套裝，活塞(6)外端與活塞驅動機構成活動聯接或固定聯接。
5、 根據權利要求4所述的反應器的強化技術及其裝置，其特徵是所述活 塞驅動機構包括轉子(7)、連杆機構、移動凸輪機構(39)、圓柱凸輪機構(42)、齒 輪機構、蝸輪蝸杆機構、或螺旋機構；活塞驅動機構對稱或非對稱安裝。
6、 根據權利要求4所述的反應器的強化技術及其裝置，其特徵是所述活 塞驅動機構的速度可調或恆定。
7、根據權利要求5所述的反應器的強化技術及其裝置，其特徵是所述轉子(7)包括盤狀轉子和柱狀轉子，轉子(7)在其旋轉軸線方向固定或可移動，轉子 外表面與活塞外端成點接觸或切線接觸。
8、根據權利要求7所述的反應器的強化技術及其裝置，其特徵是所述盤 狀轉子(7)包括圓截面轉子、或非圓截面轉子。
9、 根據權利要求7所述的反應器的強化技術及其裝置，其特徵是所述柱 狀轉子包括圓柱、圓臺、或非圓截面柱體；柱狀轉子的幾何軸線與其旋轉軸線 相交、或交叉、或平行、或重合；柱狀轉子橫截面與其幾何軸線垂直或不垂直; 採用柱狀轉子時，柱狀轉子可兩兩對稱或非對稱固定於同一轉軸(8)上。
10、 根據權利要求4所述的反應器的強化技術及其裝置，其特徵是通過 調控活塞(6)的頻率和/或振幅可調控反應器(l)內物料的流動狀態、或調控物料的 停留時間或生成物的成份組成和/或轉化率；或通過調控活塞(6)的頻率和/或振幅 使反應器(l)內的物料達到柱塞流。
全文摘要
一種反應器的強化技術及其裝置。用於提高產物(如生物柴油)的製造效率、轉化率及組成與品質，解決現有技術效率低、效果不佳、應用範圍不廣、不能連續操作等技術問題。其技術方案要點是在反應器上安裝與之配合的振蕩裝置，振蕩增加反應物料質點的碰撞機率，形成湍流或充分混合，破壞流動邊界層，改善物料流動狀態，使各質點流速趨於均勻，避免返混，達到柱塞流，產生有利於反應工藝過程進行的運動。調控活塞頻率、振幅可調控物料的流動狀態、停留時間、產物的成份與轉化率，或使物料達到柱塞流。強化裝置調節彈性大，適應範圍寬，調節活塞驅動機構的運動速度、幾何形狀與尺寸、空間位置或更換擋板形式就能滿足各種反應條件。
文檔編號B01J19/00GK101284221SQ20081009894
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月18日 優先權日2008年5月18日
發明者朱瑞林 申請人:朱瑞林