CN107008211A - 一种具有独立可调内外循环流率的流化床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种具有独立可调内外循环流率的流化床反应器。该反应装置包括风室(1)、布风板(2)、流化床反应器本体(3)、提升管(4)、过渡段(5)、输运床(6)、旋风分离器(7)、立管(8)、返料阀A(9)、返料阀B(10)，与传统的气固流态化反应装置相比，本发明装置将气固环流反应器与提升管式循环流化床的优点有机的结合起来，从而兼顾了固体物料的内外循环流率，延长了气固接触时间，增强了气固接触效率，并有效利用了反应器稀相区空间。该反应装置可对固体物料的内循环流率和外循环流率进行独立控制和调节，并对反应器稀相区空间进行充分利用。

Description

一种具有独立可调内外循环流率的流化床反应器

技术领域

本发明是应用于能源、化工等领域的一种流化床反应装置，该反应装置可对固体物料的内循环流率和外循环流率进行方便、独立的控制和调节，并对流化床反应器稀相区空间进行充分利用。

背景技术

气固流态化技术自半个多世纪前诞生以来已经在现代能源、化工、石油、轻工、冶金、材料和环保等各个领域发挥了巨大的作用，为适应各个领域中不同生产工艺的特点，气固反应器形式也在不断的发展和完善。

鼓泡流化床反应器是一种被大量应用在工业上的经典的气固密相流化床反应器，它由于气泡流动所引起的强烈搅动，使得气固接触效率较高，密相床层具有良好的传热传质性能，而且床层内部温度均匀。然而也正是这些气泡的存在，使得部分气体反应物以气泡形式通过床层，减少了气-固相之间的接触机会，降低了反应转化率。

环流反应器是在鼓泡流化床反应器的基础上发展而来的。最早一类的环流反应器是一种气-液、气-固-液或液-固的多相反应器，被广泛应用于石油化工、生物、冶金和环境化工等相关领域。环流反应器综合了鼓泡塔和机械搅拌釜的优点，具有气含率高、传质速率快、气液混合好、结构简单等特点。研究者们借鉴了环流反应器的环流原理，将其拓展到气固流态化领域，提出了用于气-固两相体系的气固环流反应器。气固环流反应器的结构与上述环流反应器相似，共同特点都是在常规流化床反应器内部同心设置导流筒，气固环流反应器由于内部导流筒的存在，实现了可控的平推流与有限全混流的有机结合，具有高效的气固接触效率、有序的颗粒流动、可控的颗粒停留时间、优秀的传热、传质性能以及结构简单等诸多优点。

气固环流类型的内循环反应器虽然改善了气固接触效率和传热传质特性，具有较长的固体停留时间，但难以实现固体物料的外循环，因此对于一些需要实现固体物料外循环(比如将失活的催化剂再生、CO₂捕集工艺等)的工艺技术来说，显然是不适用的，而且常规的气固环流类型的内循环反应器其稀相区的空间也未能充分利用。工业上实现固体物料外循环多采用操作气速较高的循环流化床反应器。相对于气固环流类型的内循环反应器，循环流化床反应器可以实现物料外循环流率的有效控制和调节，但由于循环流化床反应器通常处于快速流态化或密相气力输送流态，其较高的操作气速和较大的固体物料循环流率使得气体和固体的停留时间都很短，因此不利于气固反应的深度进行，固体和气体物料的利用转化率不高。同时，在设计该类反应器时，为保证反应所需的气固接触时间，反应器通常设计得较高，导致反应器空间布置不够紧凑；另外，较高的反应器高度也进一步增大了运行中风机能耗，降低了运行的经济性。输运床是在循环流化床的基础上继续提高流化风速而形成的一种新型的流态化反应器，其流型特征是循环流率大，提升管内截面固体净通量都向上，而且固体颗粒间以及气固两相间具有强烈的动量和能量交换，因此与传统的循环流化床反应器相比，输运床技术的床内气固接触好、传热/传质速率快、气固返混小。但是由于该形式的反应器需要的操作风速更高，因此也存在诸如传统的循环流化床物料停留时间短、反应器整体高度高、风机能耗大等缺点。

综上所述，常规的气固环流类型的内循环反应器、循环流化床反应器及新型的输运床都存在着一定的缺点，固体物料的内循环和外循环流率难以兼顾，并且由于气固环流类型的内循环反应器操作气速低，床料夹带量小，导致稀相区物料颗粒浓度低，使得稀相区的空间不能得到充分的利用。因此，常规的气固环流类型的内循环反应器和提升管式循环流化床并不能满足一些工艺技术对可控的固体物料内循环流率和外循环流率的需求，而且常规的气固环流类型的内循环反应器反应器稀相区空间也未能得到充分的利用，降低了生产工艺的经济性。但是目前并没有看到相关可对内循环流率和外循环流率进行独立控制和调节，并能够对反应器稀相区空间进行充分利用的反应器类型的报道。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的一项技术问题是提供一种具有独立可调内外循环流率的流化床反应器，该反应装置可对固体物料的内循环流率和外循环流率进行独立控制和调节，并对反应器稀相区空间进行充分利用。

技术方案：本发明是一种具有独立可调内外循环流率的流化床反应器，该反应装置包括风室、布风板、流化床反应器本体、提升管、过渡段、输运床、旋风分离器、立管、返料阀A、返料阀B；

流化床反应器本体内的上部为稀相区，下部为密相区，密相区的下部为布风板，布风板的下部为风室，流化床反应器本体的顶端通过过渡段与输运床连接，输运床的上部与旋风分离器的上部入口连通，旋风分离器的下部物料出口通过立管与返料阀A和返料阀B入口连接，返料阀A的出口与流化床反应器本体稀相区中段连通，返料阀B的出口与流化床反应器本体密相区连通；多根提升管贯穿风室和布风板，提升管入口位于风室外侧，提升管出口位于流化床反应器本体中的稀相区。

该流化床反应器还包括CO₂脱附反应器、返料管A、返料管B；所述的立管下部连接一个CO₂脱附反应器，该CO₂脱附反应器通过返料管A接返料阀A，同样，该CO₂脱附反应器通过返料管B接返料阀B；返料阀A的出口与流化床反应器本体稀相区中段连通，返料阀B的出口与流化床反应器本体密相区连通。

所述的提升管根据实际需要布置两根或两根以上，并采用高提升管与低提升管高低搭配的布置方式，高提升管的出口位于流化床反应器本体稀相区靠近过渡段处，低提升管的出口位于流化床反应器本体稀相区下部，提升管的出口管径可根据需要适当扩径，使得提升管所夹带的物料能够均匀弥散在稀相区。

所述的提升管管壁在靠近布风板处布有多个进料小孔。

提升管内提升风的速度高于流化床反应器本体密相区的表观气速。

所述的流化床反应器本体、过渡段、输运床为整体结构。

所述的流化床反应器本体、过渡段、输运床同轴线设置。

上述一种具有独立可调内外循环流率的流化床反应器的工作原理是：该装置运行时，通过控制通入高低提升管的风速和通入流化床反应器本体内流化风的风速，使得提升风的风速高于流化风的风速，从而在提升管小孔内外侧形成差压，使得流化反应器密相区的物料在差压的推动下，经提升管小孔进入提升管内，然后在提升风的夹带下向上运动提升至流化床反应器本体稀相区。较低提升管出口位于流化床反应器本体稀相区下部，提升风携带的颗粒在进入稀相区的过程中被减速，然后在重力的作用下向下运动，形成物料的内循环，进而流化床反应器本体稀相区的物料颗粒浓度大量增加；较高提升管出口位于流化床反应器本体稀相区上部靠近过渡段部分，提升风携带的部分颗粒会继续向上运动，经过渡段的加速进入输运床被输运风输送从而形成物料的外循环。因此可以通过改变流化床反应器本体的流化风的风速以及高低提升管提升风的风速对高低提升管固体物料的输送量进行调节，从而有效的控制固体物料的内循环和外循环量。该流化床反应器的返料通过返料阀A和返料阀B实现，其中返料阀A的出口位于流化床反应器本体稀相区中段，可进一步的增加稀相区颗粒浓度，强化气固接触。

上述具有独立可调内外循环流率的流化床反应器的工作过程是：从风室出来的流化风经布风板进入流化床反应器本体，并将流化床反应器本体中的固体物料流化，使其处于鼓泡态或者湍动流化的状态，提升管中通入较高气速的提升风，使得提升管提升风的风速高于流化床反应器本体中的表观气速，这样在提升管小孔的内外侧形成差压，流化反应器密相区的物料在差压的推动下，经提升管小孔进入提升管内，然后在提升风的夹带下向上运动，较低提升管出口位于流化床反应器本体稀相区下部，提升风携带的颗粒主要形成物料的内循环，进而流化床反应器本体稀相区下部的物料颗粒浓度大量增加；较高提升管出口位于流化床反应器本体稀相区靠近过渡段部分，提升风携带的部分颗粒会继续向上运动经过渡段的加速进入输运床，输运床处于气力输送或快速流态化，被气流带出输运床的物料，其中的大部分的颗粒物料被旋风分离器捕集，经由立管和返料阀A和返料阀B分别返送至流化床反应器本体稀相区中段和流化床反应器本体密相区，少量未被旋风分离器捕集的细小颗粒经旋风分离器出口排出。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.具有独立可调的内循环流率和外循环流率，通过可控的内循环流率，增强了气固接触，并充分利用了反应器稀相区空间。与传统的气固流态化反应装置相比，本发明装置将气固环流反应器与提升管式循环流化床的优点有机的结合起来，从而兼顾了固体物料的内外循环流率，延长了气固接触时间，增强了气固接触效率，并有效利用了反应器稀相区空间。本发明装置中，提升管贯穿风室和布风板，其出口位于流化床反应器本体稀相区，入口位于风室外侧，提升管管壁在高于布风板高度处布有多个进料小孔，出口位于流化床反应器本体稀相区，提升管中通入提升风，提升管提升风的风速高于流化床反应器本体中的表观气速，提升管小孔的内外侧形成差压，流化反应器密相区的物料在差压的推动下，经提升管小孔进入提升管内，然后在提升风的夹带下向上运动，较低提升管出口位于流化床反应器本体稀相区下部，提升风携带的颗粒在进入稀相区的过程中被减速，然后在重力的作用下向下运动，形成物料的内循环，进而流化床反应器本体稀相区的物料颗粒浓度大量增加；较高提升管出口位于流化床反应器本体稀相区上部靠近过渡段部分，提升风携带的部分颗粒会继续向上运动，经过渡段的加速进入输运床被输运风输送从而形成物料的外循环。因此通过控制不同高度的提升管中提升风风量，可分别对颗粒内外循环流率进行灵活有效的控制。

2.结构简单、紧凑。本发明由风室、布风板、流化床反应器本体、提升管，过渡段、输运床、旋风分离器、立管、返料阀A、返料阀B。结构简单，整体高度低，空间布局紧凑，有效利用了流化床反应器本体的稀相区空间，前期投资小。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明另一种实施例的结构示意图；

图中有：风室1、布风板2、流化床反应器本体3、提升管4、过渡段5、输运床6、旋风分离器7、立管8、返料阀A9、返料阀B10、CO₂脱附反应器11、返料管A12、返料管B13。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明方案进行详细的技术说明，但是本发明的保护范围并不局限于实施例。

如图1所示，该具有独立可调内外循环流率的流化床反应器包括风室1、布风板2、流化床反应器本体3、提升管4、过渡段5、输运床6、旋风分离器7、立管8、返料阀A9、返料阀B10。

流化床反应器本体3由密相区和稀相区构成，其底端与布风板2相连，布风板2与风室1的顶端连接，流化床反应器本体3的顶端通过过渡段5与输运床6连接，输运床6的上部与旋风分离器7的入口连通，旋风分离器7的物料出口通过立管8与返料阀A9和返料阀B10入口连接，返料阀A9的出口与流化床反应器本体3稀相区连通，返料阀B10的出口与流化床反应器本体3密相区连通；布风板2连接在流化床反应器本体3和风室1之间；流化床反应器本体3可采用鼓泡床或者湍动床的操作方式，提升管4可以采用气力输送的操作方式，输运床6可采用气力输送或者快速床的操作方式，风室1的壁面设置有流化风入口，流化风通过流化风入口通入风室1中，然后再通过布风板2进入流化床反应器本体3；多根提升管4贯穿风室1和布风板2，并采用高低搭配布置，提升管4固定连接在风室1壁面和布风板2上，并且连接处密封。提升管4入口位于风室1外侧，较高提升管出口位于流化床反应器本体3稀相区靠近过渡段5，较低提升管4出口位于流化床反应器本体3稀相区中，提升管4通入提升风。

该流化床反应器还包括CO₂脱附反应器11、返料管A12、返料管B13；所述的立管8下部连接一个CO₂脱附反应器11，该CO₂脱附反应器11通过返料管A12接返料阀A9，同样，该CO₂脱附反应器11通过返料管B13接返料阀B10；返料阀A9的出口与流化床反应器本体3稀相区中段连通，返料阀B10的出口与流化床反应器本体3密相区连通。

所述的一种具有独立可调内外循环流率的流化床反应器提升管4根据实际情况布置两根或者若干根，并采用高低搭配的布置方式，提升管4管壁靠近布风板2处布有多个进料小孔，较高提升管4的出口位于流化床反应器本体3稀相区靠近过渡段5处，较低提升管4的出口位于流化床反应器本体3稀相区下部，出口管径可根据需要适当扩径，使得提升管所夹带的物料能够均匀弥散在稀相区。这种高低设计可以更好的形成物料的内外循环，并极大的提高稀相区颗粒物料浓度，延长气固接触时间，增强气固接触，充分利用流化床反应器本体3稀相区空间。

所述的提升管4提升风的风速高于流化床反应器本体3中的表观气速。这样更有利于提升管4小孔的内外侧形成差压，使得流化床反应器本体3密相区的物料在差压的推动下进入提升管4。

所述的流化床反应器本体3、过渡段5、输运床6呈整体结构。整体式结构一方面方便制造，另一方面有利于提高部件连接的稳定性

所述的流化床反应器本体3、过渡段5和输运床6同轴设置。这样更有利于稀相区和过渡段5的物料进入输运床6。

所述的输运床6管径小于流化床反应器本体3的管径，从而提高了输运床6内的表观气速，便于其达到气力输送或快速流态化的状态。

所述的返料阀A9的出口位于流化床反应器本体3稀相区中段，以便进一步的增加稀相区颗粒浓度，强化气固接触。

所述的提升管4提升风可根据该发明装置的应用领域掺有一定量的反应风，由于提升管4处于气力输送的状态，气固混合剧烈，这样可以使得该反应气体在提升管4内可以与颗粒物料进行较为充分的反应从而提高了反应速率。

下面结合实施例，将本发明的一种新型流化床反应器应用到二氧化碳连续吸附-脱附综合实验装置中：

本发明的一种新型流化床反应器主要作为CO₂吸附反应器使用。二氧化碳连续吸附-脱附综合实验装置包括风室1、布风板2、流化床反应器本体3、提升管4、过渡段5、输运床6、旋风分离器7、立管8、返料阀A9、返料阀B10、CO₂脱附反应器11。流化床反应器本体3的底端与布风板2相连，布风板2与风室1的顶端连接，流化床反应器本体3的顶端通过过渡段5与输运床6连接，输运床6的上部与旋风分离器7的入口连通，旋风分离器7的物料出口通过立管8与CO₂脱附反应器11连接，返料阀A9和返料阀B10入口分别通过返料管A12和返料管B13与CO₂脱附反应器11密相区连接，返料阀A9的出口与流化床反应器本体3稀相区连通，返料阀B10的出口与流化床反应器本体3密相区连通；风室1的壁面设置有流化风入口，流化风通过流化风入口通入风室1中，然后再通过布风板2进入流化床反应器本体3；多根提升管4贯穿风室1和布风板2，并采用高低搭配布置，提升管4固定连接在风室1壁面和布风板2上，并且连接处密封。提升管4入口位于风室1外侧，较高提升管4出口位于流化床反应器本体3稀相区靠近过渡段5，较低提升管4出口位于流化床反应器本体3稀相区下部，提升管4通入提升风，提升管4管壁在高于布风板2高度处布有多个进料小孔，便于流化反应器密相区的物料进入提升管4，较高提升管4的出口位于流化床反应器本体3稀相区上部靠近过渡段5处，较低提升管4的出口位于流化床反应器本体3稀相区下部，出口管径可根据需要适当扩径，使得提升管所夹带的物料能够均匀弥散在稀相区。这种高低搭配可以更好的形成物料的内外循环，并极大的提高稀相区颗粒浓度，加强气固接触，充分利用流化床反应器本体3稀相区空间。

CO₂吸附反应器中流化床反应器本体3采用鼓泡流化床的操作方式，流化床反应器本体3内的物料为CO₂吸附剂，CO₂吸附反应器中流化床反应器本体3的流化风为经过脱硫脱硝和增压处理后的烟气，提升管4的提升风来自流化风的旁路，CO₂脱附反应器11的流化风为循环利用的纯CO₂。

该装置运行时，经增压处理的烟气形成的流化风通过布风板2进入CO₂吸附反应器，将反应器中高活性的固体胺吸附剂流化，使其吸附烟气中的CO₂。同时调节流化风风速，使反应器在鼓泡流化床状态下运行，以延长固体胺吸附剂在反应器中的停留时间。同时调节高低提升管4内提升风的风速，使得提升管4提升风的风速高于流化床反应器本体3中的表观气速，这样在提升管4小孔的内外侧形成差压，流化反应器密相区的固体胺吸附剂在差压的推动下，经提升管4小孔进入提升管4内，然后在提升风的夹带下向上运动，较低提升管4出口位于流化床反应器本体3稀相区下部，提升风携带的物料在进入稀相区的过程中被减速，然后在重力的作用下向下运动，形成物料的内循环，进而流化床反应器本体3稀相区的固体胺吸附剂颗粒浓度大量增加，进一步延长气固接触时间，增强脱碳效率；较高提升管4出口位于流化床反应器本体3稀相区上部靠近过渡段5部分，提升风携带的部分吸收剂会继续向上运动经过渡段5的加速进入输运床6，输运床6处于气力输送或快速流态化，因此进入输运床6的吸收剂全部随气流带入旋风分离器7，被旋风分离器7捕集的固体胺吸附剂经由旋风分离器立管8进入CO₂脱附反应器11脱附，在CO₂脱附反应器11中再生好的固体胺吸附剂通过返料管A12和返料管B13分别进入返料阀A9和返料阀B10，然后被分别返送至流化床反应器本体3稀相区中段和流化床反应器本体3密相区。脱附过程中生成的CO₂和H₂O的混合气体，经冷凝器脱水后，可获得高纯度的CO₂，其中的一部分CO₂可以作为CO₂脱附反应器11的流化风，剩余的CO₂可以填埋储存或者进行工业应用。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种具有独立可调内外循环流率的流化床反应器，其特征在于，该反应装置包括风室(1)、布风板(2)、流化床反应器本体(3)、提升管(4)、过渡段(5)、输运床(6)、旋风分离器(7)、立管(8)、返料阀A(9)、返料阀B(10)；

流化床反应器本体(3)内的上部为稀相区，下部为密相区，密相区的下部为布风板(2)，布风板(2)的下部为风室(1)，流化床反应器本体(3)的顶端通过过渡段(5)与输运床(6)连接，输运床的上部(6)与旋风分离器(7)的上部入口连通，旋风分离器(7)的下部物料出口通过立管(8)与返料阀A(9)和返料阀B(10)入口连接，返料阀A(9)的出口与流化床反应器本体(3)稀相区中段连通，返料阀B(10)的出口与流化床反应器本体(3)密相区连通；多根提升管(4)贯穿风室(1)和布风板(2)，提升管(4)入口位于风室(1)外侧，提升管(4)出口位于流化床反应器本体(3)中的稀相区。

2.根据权利要求1所述的具有独立可调内外循环流率的流化床反应器，其特征在于该流化床反应器还包括CO₂脱附反应器(11)、返料管A(12)、返料管B(13)；所述的立管(8)下部连接一个CO₂脱附反应器(11)，该CO₂脱附反应器(11)通过返料管A(12)接返料阀A(9)，同样，该CO₂脱附反应器(11)通过返料管B(13)接返料阀B(10)；返料阀A(9)的出口与流化床反应器本体(3)稀相区中段连通，返料阀B(10)的出口与流化床反应器本体(3)密相区连通。

3.根据权利要求1或2所述的具有独立可调内外循环流率的流化床反应器，其特征在于所述的提升管(4)根据实际需要布置两根或两根以上，并采用高提升管与低提升管高低搭配的布置方式，高提升管的出口位于流化床反应器本体(3)稀相区靠近过渡段处，低提升管的出口位于流化床反应器本体(3)稀相区下部，提升管(4)的出口管径可根据需要适当扩径，使得提升管所夹带的物料能够均匀弥散在稀相区。

4.根据权利要求1或2所述的具有独立可调内外循环流率的流化床反应器，其特征在于所述的提升管(4)管壁在靠近布风板(2)处布有多个进料小孔。

5.根据权利要求1或2所述的具有独立可调内外循环流率的流化床反应器，其特征在于提升管(4)内提升风的速度高于流化床反应器本体(3)密相区的表观气速。

6.根据权利要求1或2所述的具有独立可调内外循环流率的流化床反应器，其特征在于所述的流化床反应器本体(3)、过渡段(5)、输运床(6)为整体结构。

7.根据权利要求1或2所述的具有独立可调内外循环流率的流化床反应器，其特征在于所述的流化床反应器本体(3)、过渡段、输运床同轴线设置。