專(zhuān)利名稱：錐形螺旋管式射流反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化工反應(yīng)器，特別是涉及一種利用錐形螺旋管實(shí)現(xiàn)氣液或液液射流混合的反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
靜態(tài)反應(yīng)器及射流反應(yīng)器是化工、石油等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的兩種類(lèi)型反應(yīng)器。這兩種反應(yīng)器具有各自的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)，比如靜態(tài)反應(yīng)器屬于平推流反應(yīng)器，反應(yīng)過(guò)程無(wú)返混副產(chǎn)物少，并且通過(guò)改變流速或反應(yīng)管長(zhǎng)度可以控制不同的反應(yīng)停留時(shí)間，但靜態(tài)反應(yīng)器長(zhǎng)徑比比較大，混合元件在強(qiáng)化反應(yīng)的同時(shí)也使流動(dòng)阻力顯著增加。而射流反應(yīng)器主要利用高速流體與低速流體之間的卷吸作用實(shí)現(xiàn)流體之間高效、快速混合，流體流動(dòng)阻力小，但流體之間強(qiáng)烈混合的時(shí)間很短，反應(yīng)停留時(shí)間很難人為控制，對(duì)于停留時(shí)間較長(zhǎng)的反應(yīng)適應(yīng)性較差。本發(fā)明綜合利用了以上兩種反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及流動(dòng)特點(diǎn)，同時(shí)具備了射流混合、對(duì)流混合及分布混合三種強(qiáng)化機(jī)理。該反應(yīng)器既有靜態(tài)反應(yīng)器承壓能力高、容積小、比表面積大、返混少、反應(yīng)參數(shù)易于控制等優(yōu)點(diǎn)，又具有射流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊、操作可靠、混合效果好等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種錐形螺旋管式射流反應(yīng)器，該反應(yīng)器比表面積大、壓力波動(dòng)小、反應(yīng)參數(shù)易于控制，能有效地將傳統(tǒng)釜式滴加反應(yīng)的間歇生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)換為連續(xù)生產(chǎn)方式，特別適合于氣液比較大的反應(yīng)過(guò)程。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
錐形螺旋管式射流反應(yīng)器，包括錐形螺旋射流管、反應(yīng)器管體、反應(yīng)器夾套、反應(yīng)器錐殼、反應(yīng)器出口管、主流入口管、反應(yīng)器法蘭蓋及射流入口管；錐形螺旋射流管由多個(gè)錐段構(gòu)成，其螺旋管最大直徑與最小之間的過(guò)渡段為一個(gè)錐段，錐段大端直徑等于或小于反應(yīng)器管體內(nèi)直徑，錐段小端直徑根據(jù)主流的低速流體及射流的高速流體流動(dòng)特性確定；錐形螺旋射流管的螺距根據(jù)主流流體的流動(dòng)特性確定，保證主流流體在錐形螺旋射流管的擾流作用下形成徑向流動(dòng)，在層流狀態(tài)下取1/8 1/4反應(yīng)管內(nèi)直徑，在湍流狀態(tài)下取1/Γ1/2反應(yīng)管內(nèi)直徑；錐形螺旋射流管的直徑及壁厚取f 3mm。所述的錐形螺旋管式射流反應(yīng)器，錐形螺旋射流管內(nèi)壁及外壁上、沿回轉(zhuǎn)軸線垂直方向開(kāi)有通孔，即射流孔，射流孔在螺旋管上，沿圓周方向等角度均布。所述的錐形螺旋管式射流反應(yīng)器，在反應(yīng)器入口端，錐形螺旋射流管與射流入口管焊接連接，射流入口管與反應(yīng)器法蘭蓋之間采用焊接或活套螺紋連接；在反應(yīng)器出口端，錐形螺旋射流管的端部焊接封死，射流流體全部由射流孔流出。所述的錐形螺旋管式射流反應(yīng)器，主流流體通過(guò)主流入口管進(jìn)入反應(yīng)器管體內(nèi)并充滿后，射流流體由射流入口管進(jìn)入錐形螺旋射流管通過(guò)射流孔沿反應(yīng)器半徑方向噴射到主流流體中，射流流體向外噴射到反應(yīng)器管體內(nèi)壁，向內(nèi)噴射到反應(yīng)器管體軸線。
進(jìn)一步說(shuō)明如下:
錐形螺旋管式射流反應(yīng)器，包括錐形螺旋管、反應(yīng)器管體、反應(yīng)器夾套、反應(yīng)器錐殼、反應(yīng)器出口管、主流入口管、反應(yīng)器法蘭蓋及射流入口管等。錐形螺旋射流管是該反應(yīng)器的核心關(guān)鍵部件，由直徑較小的金屬管螺旋盤(pán)繞而成，在反應(yīng)管內(nèi)形成三個(gè)或三個(gè)以上的錐管段(螺旋管最大回轉(zhuǎn)直徑與最小回轉(zhuǎn)直徑之間的過(guò)渡段稱為一個(gè)錐段)。錐形螺旋管大端回轉(zhuǎn)直徑等于或略小于反應(yīng)管內(nèi)直徑，其主要作用是支撐錐形螺旋管并使其與反應(yīng)管對(duì)中。錐形螺旋管小端回轉(zhuǎn)直徑為反應(yīng)管內(nèi)直徑的1/4左右，其具體值取決于射流流體與主流流體的流速及粘度，要保證最小回轉(zhuǎn)直徑處的射流流體能夠快速到達(dá)反應(yīng)器軸線。錐形螺旋射流管的螺距根據(jù)主流流體(低速流體)的流動(dòng)特性確定，螺距大小主要影響反應(yīng)器內(nèi)螺旋管錐段數(shù)量，進(jìn)而影響錐形螺旋管對(duì)流體的擾流強(qiáng)度。隨著螺距的減小螺旋射流管對(duì)主流的擾流作用增強(qiáng)，但當(dāng)螺距減小到一定程度后，主流流體繞過(guò)螺管徑向流動(dòng)阻力顯著增大，反而降低了流體的湍動(dòng)程度及混合效果。錐形螺旋管沿回轉(zhuǎn)軸線垂直方向在管內(nèi)外兩側(cè)開(kāi)有射流孔，射流孔在螺旋管上沿圓周方向等角度排列。射流孔數(shù)量及射流孔直徑確定的原則是每個(gè)射流孔內(nèi)噴射出來(lái)的流體在主流中的徑向影響范圍要達(dá)到反應(yīng)管內(nèi)壁及反應(yīng)管軸線，軸向影響范圍要連接到相鄰軸向射流孔射流影響范圍。該反應(yīng)器可使參與反應(yīng)的流體實(shí)現(xiàn)三種混合作用，分別為射流混合、對(duì)流混合以及分布混合。首先，射流流體在自身壓力作用下通過(guò)射流孔沿反應(yīng)器徑向高速射入主流流體，射流流體和主流流體相互摻雜、卷吸，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)流體的射流混合；其次，所用射流混合流體及其它未混合流體在 錐形螺旋射流管的阻礙、分割、旋流作用下，湍動(dòng)程度增加，流體微體進(jìn)一步混合，完成了對(duì)流混合；第三，射流流體由很多個(gè)射流孔同時(shí)噴射出來(lái)，與不同位置的主流流體進(jìn)行混合，這種結(jié)構(gòu)不僅解決了傳統(tǒng)靜態(tài)混合器氣液反應(yīng)壓力波動(dòng)大、難控制等缺點(diǎn)，而且還從空間位置角度實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)流體的分布混合。本反應(yīng)器由于具有以上三種混合作用，所以其反應(yīng)強(qiáng)化效果明顯提高。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與效果是:
1.傳質(zhì)效率高，反應(yīng)流體在射流混合、對(duì)流混合以及分散混合的共同作用下，混合均勻快速，傳質(zhì)系數(shù)高；
2.承壓能力強(qiáng)，該反應(yīng)器管徑較小，可以承受較高的介質(zhì)壓力，可以應(yīng)用到高壓反應(yīng)工況；
3.可有效解決氣液或液液反應(yīng)的熱效應(yīng)問(wèn)題，反應(yīng)器截面溫度均勻，反應(yīng)效果好，并可實(shí)現(xiàn)沿管長(zhǎng)方向的變溫控制；
4.反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造成本低，便于維修。


圖1為錐形螺旋管式射流反應(yīng)器裝配結(jié)構(gòu)示意 圖2為錐形螺旋射流管主視 圖3為錐形螺旋射流管側(cè)視 圖4為錐形螺旋射流管部分軸向剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖1-4所示:本發(fā)明所提供的錐形螺旋管式射流反應(yīng)器，包括錐形螺旋射流管
1、反應(yīng)器管體2、反應(yīng)器夾套3、反應(yīng)器錐殼4、反應(yīng)器出口管5、主流入口管6、反應(yīng)器法蘭蓋7及射流入口管8等。反應(yīng)器管體亦可為筒體。錐形螺旋射流管可由直徑較小的金屬管或非金屬管螺旋盤(pán)繞而成，在反應(yīng)管內(nèi)形成三個(gè)或三個(gè)以上的錐管段。對(duì)于塑性較好的金屬管可直接冷彎成形，而非金屬管可熱熔成形。錐形螺旋射流管大端回轉(zhuǎn)直徑
Dmax等于或略小于反應(yīng)管內(nèi)直徑，兩者間歇應(yīng)小于2mm。錐形螺旋管小端回轉(zhuǎn)直徑Dram為
反應(yīng)管內(nèi)直徑的1/4左右，要保證最小回轉(zhuǎn)直徑處的射流流體能夠快速到達(dá)反應(yīng)器軸線。錐形螺旋射流管的結(jié)構(gòu)類(lèi)似與錐形彈簧，若成形后的錐形螺旋射流管剛度較差，可采用相應(yīng)的夾持固定件來(lái)保持射流管的螺距并防止工作過(guò)程中產(chǎn)生參數(shù)振動(dòng)摩擦，比如對(duì)于金屬材質(zhì)射流管可利用直徑較小的鋼筋緊貼錐形螺旋射流管內(nèi)側(cè)外壁面進(jìn)行點(diǎn)焊固定。錐形螺旋射流管的螺距//根據(jù)主流流體(低速流體)的流動(dòng)特性確定，一般在層流狀態(tài)下取1/8 1/4反應(yīng)管內(nèi)直徑，在湍流狀態(tài)下取1/Γ1/2反應(yīng)管內(nèi)直徑。錐形螺旋射流管的壁厚在滿足成形及腐蝕要求的前提下應(yīng)盡可能小，一般取廣3_。錐形螺 旋管沿回轉(zhuǎn)軸線垂直方向(見(jiàn)圖4)在管內(nèi)外兩側(cè)開(kāi)有射流孔，射流孔在螺旋管上沿圓周方向等角度排列(見(jiàn)圖3)。射流孔的直徑及其排布方式直接影響到反應(yīng)
器的混合效果，射流孔直徑一般取射流管直徑的1ΑΓ1/10，射流孔間隔角度# 一般取
30。 60。。在反應(yīng)器入口端，錐形螺旋射流管與射流入口管焊接連接，射流入口管與反應(yīng)器法蘭蓋之間采用焊接或活套螺紋連接；在反應(yīng)器出口端，錐形螺旋射流管的端部焊接封死，保證射流流體全部由射流孔流出。本發(fā)明的另一種實(shí)施方案是當(dāng)反應(yīng)器直徑較大時(shí)，可以采用同心雙螺旋或多螺旋錐形射流管(即圖1所示的錐形螺旋射流管在反應(yīng)器進(jìn)行嵌套多個(gè))，各錐形螺旋射流管之間可采用串聯(lián)或并聯(lián)方式連接。本發(fā)明的錐形螺旋管式反應(yīng)器可廣泛用于連續(xù)進(jìn)行氣液或液液反應(yīng)的場(chǎng)合，可替代現(xiàn)有的攪拌釜式反應(yīng)器、釜式反應(yīng)器或塔式反應(yīng)器。本發(fā)明的反應(yīng)器對(duì)于液液反應(yīng)可垂直布置、水平布置、傾斜布置；對(duì)于氣液反應(yīng)宜垂直布置；可單一使用也可串聯(lián)或并聯(lián)使用，串聯(lián)或并聯(lián)使用時(shí)可采用對(duì)接或采用連接管連接，連接方式可采用焊接或法蘭連接。
實(shí)施例本實(shí)施例為本發(fā)明在硝基苯磺化方面的一個(gè)實(shí)例。本發(fā)明的錐形螺旋管式反應(yīng)器用作硝基苯磺化反應(yīng)器，以三氧化硫?yàn)樯淞髁黧w(高速流體)，以間硝基苯為主流流體(低速流體)，兩者進(jìn)行生成間硝基苯磺酸的磺化反應(yīng)。反應(yīng)器直徑為DNlOOmm,長(zhǎng)度為1000mm,錐形螺旋管長(zhǎng)度為750mm,具有三個(gè)錐形段,螺旋管直徑10mm，射流孔直徑2mm，射流孔間隔角度為30°。三氧化硫在計(jì)量泵的作用下進(jìn)入錐形螺旋射流管，間硝基苯在計(jì)量泵作用下進(jìn)入反應(yīng)管。三氧化硫由錐形螺旋管的射流孔高速噴射到間硝基苯中，兩者在射流混合的同時(shí)釋放出大量的熱,反應(yīng)過(guò)程中夾套內(nèi)通入冷卻水及時(shí)有效地?cái)y出反應(yīng)器中的反應(yīng)熱,反應(yīng)溫度控制在85°C。兩種流體沿著反應(yīng)器軸線方向在螺旋管的作用下繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到反應(yīng)器出口時(shí)反應(yīng)結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)得到液態(tài)間硝基苯磺酸，主組分含量大于96%，硝基砜質(zhì)量含量3.5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本反應(yīng)器極大地提高了反應(yīng)器的空時(shí)產(chǎn)率，使原有的間隔的釜式反應(yīng)變成了連續(xù)管式反應(yīng)，提高了生產(chǎn)的本質(zhì)安全性，并可獲得穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.錐形螺旋管式射流反應(yīng)器，其特征在于:包括錐形螺旋射流管(I)、反應(yīng)器管體(2)、反應(yīng)器夾套(3)、反應(yīng)器錐殼(4)、反應(yīng)器出口管(5)、主流入口管(6)、反應(yīng)器法蘭蓋(7)及射流入口管(8);錐形螺旋射流管(I)由多個(gè)錐段構(gòu)成，其螺旋管最大直徑與最小之間的過(guò)渡段為一個(gè)錐段，錐段大端直徑等于或小于反應(yīng)器管體(2)內(nèi)直徑，錐段小端直徑根據(jù)主流的低速流體及射流的高速流體流動(dòng)特性確定；錐形螺旋射流管(I)的螺距根據(jù)主流流體的流動(dòng)特性確定，保證主流流體在錐形螺旋射流管(I)的擾流作用下形成徑向流動(dòng)，在層流狀態(tài)下取1/8 1/4反應(yīng)管內(nèi)直徑，在湍流狀態(tài)下取1/Γ1/2反應(yīng)管內(nèi)直徑；錐形螺旋射流管Cl)的直徑及壁厚取廣3_。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐形螺旋管式射流反應(yīng)器，其特征在于:錐形螺旋射流管(I)內(nèi)壁及外壁上、沿回轉(zhuǎn)軸線垂直方向開(kāi)有通孔，即射流孔，射流孔在螺旋管上，沿圓周方向等角度均布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐形螺旋管式射流反應(yīng)器，其特征在于:在反應(yīng)器入口端，錐形螺旋射流管(I)與射流入口管(8 )焊接連接，射流入口管(8 )與反應(yīng)器法蘭蓋(7 )之間采用焊接或活套螺紋連接；在反應(yīng)器出口端，錐形螺旋射流管(I)的端部焊接封死，射流流體全部由射流孔流出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐形螺旋管式射流反應(yīng)器，其特征在于:主流流體通過(guò)主流入口管(6 )進(jìn)入反應(yīng)器管體(2 )內(nèi)并充滿后，射流流體由射流入口管(8 )進(jìn)入錐形螺旋射流管(I)通過(guò)射流孔沿反應(yīng)器半徑方向噴射到主流流體中，射流流體向外噴射到反應(yīng)器管體(2)內(nèi)壁，向內(nèi)噴射到反 應(yīng)器管體(2)軸線。
全文摘要
錐形螺旋管式射流反應(yīng)器，涉及一種新型反應(yīng)器，包括錐形螺旋射流管(1)、反應(yīng)器管體(2)、反應(yīng)器夾套(3)、反應(yīng)器錐殼(4)、反應(yīng)器出口管(5)、主流入口管(6)、反應(yīng)器法蘭蓋(7)及射流入口管(8)等。錐形螺旋射流管(1)由多個(gè)錐段構(gòu)成，其螺旋管最大直徑與最小之間的過(guò)渡段為一個(gè)錐段，錐段大端直徑等于或小于反應(yīng)器管體(2)內(nèi)直徑，錐段小端直徑根據(jù)主流的低速流體及射流的高速流體流動(dòng)特性確定。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)，傳質(zhì)效果好，能有效地將傳統(tǒng)釜式滴加反應(yīng)的間歇生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)換為連續(xù)生產(chǎn)方式，特別適合于氣液比范圍較大的反應(yīng)過(guò)程。
文檔編號(hào)B01J19/24GK103212362SQ20131013978
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者王宗勇, 吳劍華, 孟輝波, 張春梅, 田瑞, 朱軍 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)化工大學(xué)