一种气液反应装置的制作方法

1.本实用新型属于气液反应技术领域，尤其涉及一种气液反应装置。


背景技术：

2.反应物系中存在气相和液相的一种多相反应过程，通常是气相反应物溶解于液相后，再与液相中另外的反应物进行反应；也可能是反应物均存在于气相中，它们溶解于含有催化剂的溶液以后再进行反应。气液相反应主要用于:
①
直接制取产品,例如使乙烯在pdcl2‑
cu2cl2的醋酸溶液中进行氧化以制取乙醛，用空气氧化异丙苯以制取过氧化氢异丙苯等；
②
化学吸收，用以脱除气相中某一种或几种组分，例如用碱液脱除半水煤气中的二氧化碳和硫化氢等酸性气体，用铜氨溶液脱除合成气中的一氧化碳等。
3.为了提高反应设备的反应效率，工业上一般采用气体外循环、液体外循环和气体内循环三种方式，而且这几种反应技术已经在磁力反应釜，加氢反应釜，磁力驱动反应釜得到充分的应用。气液内循环反应釜就相当于自吸式反应设备，它是气/液反应装置的核心技术之一，是一种不用额外的气体输送机械而能自行吸入反应釜上部空间气体进行气液接触的反应装置。通过反应釜特殊设计的空心涡轮搅拌器，三角铁芯绕线机在料液混合的同时不断吸入液面上的反应气体，达到气液循环与分散目的，同时，组合使用的高效轴流桨能将气体与固体催化剂均匀地弥散在反应釜内，达到快速反应的目的。而外循环反应釜正好相反，它是在离心泵的作用下将反应液体从反应釜底部抽出，通过文丘里管抽吸反应器气相空间内的反应气体，在一文丘里管内充分混合与分散，可得到十分细小的气泡，大幅度提高气液相接触面积和反应速率。气体外循环反应釜的作业方式是先将反应气体从气相空间引出，气体通过压缩机增压后再从反应釜底部通入；然后在磁力搅拌器的配合下，可得到较大的持气量和相接触面积，从而提高反应釜反应速率，同时还可以得到任意的气体循环量。
4.但是反应釜的气液接触界面小，换热面积小，且存在局部温度高的现象，移热问题限制了反应的效率。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种气液反应装置，本实用新型设计的反应装置结构简单，气液两相接触面积大，无机械搅拌部件，不易泄漏，具备反应温度精确控制、良好的传质与传热性能、反应压力可调范围大、反应时间可调节、反应过程物料存量少、安全性强、可实现连续化生产、广泛的适应性等性能。
6.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
7.本实用新型提供了一种气液反应装置，所述的气液反应装置包括壳体，所述壳体内设置有沿反应液流向依次连接的气体分散模块和反应模块。
8.所述的反应模块包括至少两个反应管件，所述的反应管件并联连接或沿反应液流向依次串联连接。
9.所述的反应管件采用串联连接方式时，沿反应液流向，所述的气体分散模块接入
第一个反应管件的入口端，气体原料和液相原料经气液分散器分散均匀后依次流经各个反应管件。
10.本实用新型提供的气液反应装置分为气液两相流体混合区和主反应区，气体分散模块位于气液两相流体混合区，可实现大规模生产中不互溶的两种流体的快速高效混合反应，同时可快速移热，抑制副反应，提高产品的选择性，处理量大且能耗小；反应管件位于主反应区，当需要增加气
‑
液多相物料反应时间时，可以根据需要加长反应管件的长度或提高反应管件的数量。本实用新型设计的反应装置结构简单，气液两相接触面积大，无机械搅拌部件，不易泄漏，具备反应温度精确控制、良好的传质与传热性能、反应压力可调范围大、反应时间可调节、反应过程物料存量少、安全性强、可实现连续化生产、广泛的适应性等性能。可实现大规模生产中气液两种流体的快速高效混合反应，同时通过反应条件的精确控制抑制副反应，提高产品的选择性。可广泛用于石油化工领域，特别适用于涉及气液多相反应，如合成四氢苯酐反应等。
11.作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的气体分散模块包括外壳，所述的外壳内设置有微孔膜组件，所述的微孔膜组件的一端封口，另一端连通进气管，所述的进气管的入口端伸出外壳。
12.优选地，所述的微孔膜组件的一端通过封闭端盖封口。
13.优选地，所述的外壳侧壁连通进液管，气相原料和液相原料分别通过进气管和进液管通入外壳，气相原料穿过微孔膜组件后形成微气泡并扩散至液相原料中得到反应液。
14.优选地，所述的进液管的轴线与外壳相切，液体沿外壳的切向进料。
15.优选地，所述的外壳顶部连通排料管。
16.优选地，所述的微孔膜组件由微孔膜围成。
17.优选地，所述的微孔膜的膜材料包括高分子聚合物、陶瓷或金属中的任意一种。
18.优选地，所述的微孔膜的孔径为0.1~100μm，例如可以是0.1μm、1μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
19.优选地，所述的微孔膜组件为倒置的圆台形结构。
20.优选地，所述的微孔膜组件的圆台母线与水平面的夹角为0~180
°
，例如可以是1
°
、10
°
、20
°
、30
°
、40
°
、50
°
、60
°
、70
°
、80
°
、90
°
、100
°
、110
°
、120
°
、130
°
、140
°
、150
°
、160
°
、170
°
或180
°
，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步优选为45~135
°
。
21.在本实用新型中，所有反应原料按照状态分成气相和液相两部分，液相原料从进液管引入外壳中，同时气相原料作为分散相从进气管引入外壳中；气相原料经过微孔膜组件后形成微米级微气泡，迅速扩散至外壳中与液相混合，在一定压力和温度下从气体分散模块的排料管进入反应管件内并流进行反应，生成的反应产物排出。
22.本实用新型通过气体分散模块的微孔膜结构使气相原料以微气泡的形式均匀分散进入液相原料中，气液之间的相界面比传统反应器增大10倍以上，并且可以通过对微孔膜组件的孔径调整，调节微气泡的直径控制相接触面积，进而实现反应系统的微型化和高效化；气液混合后的反应原料进入反应管件，通过反应管件的扰流挡件或填充填料保证控制反应管件的高效运行，提高反应效率。
23.作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的反应管件包括由内至外依次同轴嵌套的内管体和外管体，所述的内管体通入换热介质，所述的内管体和外管体之间形成环形通道。
24.优选地，所述的环形通道两端封口，所述的内管体两端敞口，所述的外管体上开设有进料口和出料口，通过外管体上的进料口向环形通道内通入反应液，反应液与内管体中的换热介质换热。
25.优选地，所述的环形通道的径向宽度为1~30mm，例如可以是1mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm或30mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
26.气液混合后的反应原料进入反应管件，通过反应管件的扰流挡件或填充填料保证控制反应管件的高效运行，提高反应效率。反应装置的壳体内部注满换热介质，换热面积是一般反应器的10倍以上，可实现快速传热，精确控制反应温度。以合成四氢苯酐反应为例，本实用新型反应器增大了丁二烯与顺丁烯二酸酐的气液相界面，确保两相充分接触，快速反应。通过对微孔膜组件的孔径调整，调控丁二烯气泡直径并使其均匀的进入顺丁烯二酸酐液相中，在环形通道内进行反应，通过扰流挡件进一步强化气相原料和液相原料之间的混匀程度，从而提高传质效率，实现连续化生产，具有处理量大且能耗小的卓越特点。
27.作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的环形通道内沿径向间隔设置有至少两组扰流组件。
28.优选地，每组扰流组件均包括沿环形通道周向设置的至少三个扰流挡件。
29.优选地，相邻的两组扰流组件中包括的扰流挡件交错分布。
30.优选地，所述扰流挡件的形状包括圆柱、棱柱、圆锥、棱锥、立方体或长方体中的任意一种或至少两组的组合。
31.优选地，所述扰流挡件的材质包括高分子聚合物、陶瓷或金属中的任意一种或至少两组的组合。
32.本实用新型提供的扰流挡件的作用在于：（1）严格控制外管件和内管件之间的间距，确保外管件和内管件的同心度，使流体不发生沟流效应；（2）环形通道内的扰流挡件可以防止气泡或液滴在流动过程中发生聚并，同时对流体起到紊流的作用，增加其流动过程中的气液表面更新和传质，提高反应效率。
33.优选地，所述的环形通道内还装填有填料。
34.优选地，所述的填料形状包括球形、环形、格栅形、波纹形或鞍形中的任意一种或至少两组的组合。
35.优选地，所述的填料材质包括高分子聚合物、陶瓷或金属中的任意一种或至少两组的组合。
36.本实用新型设置填料的目的与扰流挡件的目的相同，均用于防止气泡或液滴在流动过程中发生聚并，同时对流体起到紊流的作用，增加其流动过程中的气液表面更新和传质，提高反应效率。因此可以理解的是，在本实用新型提供的反应管件中可以同时使用填料和扰流挡件，也可以只采用填料或扰流挡件。
37.作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的壳体顶部和底部分别开设有换热介质出口和换热介质入口。
38.优选地，所述的壳体包括筒体和位于筒体两端的封头，所述的封头与筒体可拆卸连接。
39.优选地，所述的封头与筒体通过法兰对接。
40.优选地，所述的壳体立式布置，所述的反应管件纵向并排设置于壳体内部。
41.优选地，所述的反应管件的两端分别设置有固定支架，所述的固定支架用于将反应管件固定于壳体内。
42.作为本实用新型一种优选的技术方案，所述的反应管件采用并联连接，所述的反应模块还包括进料主管和出料主管，所述的反应管件的进口端和出口端分别接入进料主管和出料主管。
43.优选地，所述气体分散模块的排料管接入进料主管，经气体分散模块排出的反应液由排料管通入进料主管，并分配流入各个反应管件的环形通道。
44.优选地，所述的反应管件采用串联连接方式时，沿反应液流向，所述的气体分散模块的排料管接入第一个反应管件的进料口，第一个反应管件的出料口连接下一个反应管件的进料口，按此连接方式，各反应管件沿反应液流向依次串联，经气体分散模块排出的反应液由排料管通入第一个反应管件，随后依次流经各个反应管件的环形通道。
45.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
46.本实用新型提供的气液反应装置分为气液两相流体混合区和主反应区，气体分散模块位于气液两相流体混合区，可实现大规模生产中不互溶的两种流体的快速高效混合反应，同时可快速移热，抑制副反应，提高产品的选择性，处理量大且能耗小；反应管件位于主反应区，当需要增加气
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液多相物料反应时间时，可以根据需要加长反应管件的长度或提高反应管件的数量。本实用新型设计的反应装置结构简单，气液两相接触面积大，无机械搅拌部件，不易泄漏，具备反应温度精确控制、良好的传质与传热性能、反应压力可调范围大、反应时间可调节、反应过程物料存量少、安全性强、可实现连续化生产、广泛的适应性等性能。可实现大规模生产中气液两种流体的快速高效混合反应，同时通过反应条件的精确控制抑制副反应，提高产品的选择性。可广泛用于石油化工领域，特别适用于涉及气液多相反应，如合成四氢苯酐反应等。
附图说明
47.图1为本实用新型一个具体实施方式提供的气体分散模块的结构示意图；
48.图2为本实用新型一个具体实施方式提供的反应管件的结构示意图；
49.图3为本实用新型一个具体实施方式提供的气液反应装置的结构示意图；
50.其中，1
‑
微孔膜组件；2
‑
封闭端盖；3
‑
排料管；4
‑
外壳；5
‑
进液管；6
‑
进气管；7
‑
外管体；8
‑
内管体；9
‑
环形通道；10
‑
扰流挡件；11
‑
进料口；12
‑
出料口；13
‑
换热介质入口；14
‑
法兰；15
‑
壳体；16
‑
固定支架；17
‑
换热介质出口；18
‑
反应管件；19
‑
气体分散模块。
具体实施方式
51.需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗
示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
52.需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
53.本领域技术人员理应了解的是，本实用新型中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本实用新型的主要发明点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型进可以自行增设布局，本实用新型对此不做特殊要求和具体限定。
54.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
55.在一个具体实施方式中，本实用新型提供了一种气液反应装置，所述的气液反应装置如图3所示，包括壳体15，壳体15内设置有沿反应液流向依次连接的气体分散模块19和反应模块，反应模块包括至少两个反应管件18，反应管件18并联连接或沿反应液流向依次串联连接。壳体15顶部和底部分别开设有换热介质出口17和换热介质入口13。壳体15包括筒体和位于筒体两端的封头，封头与筒体可拆卸连接，进一步地，封头与筒体通过法兰14对接。壳体15立式布置，反应管件18纵向并排设置于壳体15内部。反应管件18的两端分别设置有固定支架16，固定支架16用于将反应管件18固定于壳体15内。
56.反应管件18采用并联连接方式时，反应模块还包括进料主管和出料主管，反应管件18的进口端和出口端分别接入进料主管和出料主管，气体分散模块19接入进料主管，气体原料和液相原料经气液分散器分散均匀后流入进料主管，并由进料主管分配进入各个反应管件18。
57.反应管件18采用串联连接方式时，沿反应液流向，气体分散模块19接入第一个反应管件18的入口端，气体原料和液相原料经气液分散器分散均匀后依次流经各个反应管件18。
58.如图1所示，气体分散模块19包括外壳4，外壳4内设置有微孔膜组件1，微孔膜组件1的一端封口，另一端连通进气管6，进气管6的入口端伸出外壳4。进一步地，微孔膜组件1的一端通过封闭端盖2封口。外壳4侧壁连通进液管5，气相原料和液相原料分别通过进气管6和进液管5通入外壳4，气相原料穿过微孔膜组件1后形成微气泡并扩散至液相原料中得到反应液。进液管5的轴线与外壳4相切，液体沿外壳4的切向进料。外壳4顶部连通排料管3。
59.微孔膜组件1由微孔膜围成，微孔膜的膜材料包括高分子聚合物、陶瓷或金属中的任意一种，微孔膜的孔径为0.1~100μm。微孔膜组件1为倒置的圆台形结构，微孔膜组件1的圆台母线与水平面的夹角为0~180
°
。
60.如图2所示，反应管件18包括由内至外依次同轴嵌套的内管体8和外管体7，内管体8通入换热介质，内管体8和外管体7之间形成环形通道9。环形通道9两端封口，内管体8两端
敞口，外管体7上开设有进料口11和出料口12，通过外管体7上的进料口11向环形通道9内通入反应液，反应液与内管体8中的换热介质换热。环形通道9的径向宽度为1~30mm。
61.环形通道9内沿径向间隔设置有至少两组扰流组件，每组扰流组件均包括沿环形通道9周向设置的至少三个扰流挡件10，相邻的两组扰流组件中包括的扰流挡件10交错分布。扰流挡件10的形状包括圆柱、棱柱、圆锥、棱锥、立方体或长方体中的任意一种或至少两组的组合，扰流挡件10的材质包括高分子聚合物、陶瓷或金属中的任意一种或至少两组的组合。环形通道9内还装填有填料，填料形状包括球形、环形、格栅形、波纹形或鞍形中的任意一种或至少两组的组合，填料材质包括高分子聚合物、陶瓷或金属中的任意一种或至少两组的组合。
62.反应管件18采用并联连接，气体分散模块19的排料管3接入进料主管，反应管件18的进料口11分别接入进料主管，经气体分散模块19排出的反应液由排料管3通入进料主管，并分配流入各个反应管件18的环形通道9。
63.反应管件18采用串联连接方式时，沿反应液流向，气体分散模块19的排料管3接入第一个反应管件18的进料口11，第一个反应管件18的出料口12连接下一个反应管件18的进料口11，按此连接方式，各反应管件18沿反应液流向依次串联，经气体分散模块19排出的反应液由排料管3通入第一个反应管件18，随后依次流经各个反应管件18的环形通道9。
64.在另一个具体实施方式中，本实用新型提供了一种采用上述具体实施方式提供的气液反应装置进行气液反应的方法，所述的方法具体包括如下步骤：
65.（1）气相原料和液相原料分别通入气体分散模块19中，气相原料以0.1~25m/s的线速度穿过微孔膜组件1后形成微气泡并扩散至液相原料中得到反应液；
66.（2）反应液以0.05~10m/s的线速度流入反应管件18的环形通道9，同时向反应管件18的内管体8中通入换热介质，反应液与换热介质接触换热，通过换热介质的温度控制反应温度。
67.申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。