专利名称：一种反应器的强化技术及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种反应器的强化技术及其装置，属过程工业、能源、机械科学 技术领域。
背景技术：
反应器是很多工业过程的关键设备。反应器中进行的过程不仅有反应过程， 同时还有物理过程。物理过程与化学或生物过程相互影响、相互渗透，影响过 程的特性和反应结果。工业规模的反应器内进行的反应过程比实验室小反应器 复杂得多，如工业反应器内一般都有温度、浓度、流速与停留时间等的分布， 往往造成反应器内的物料处于不同温度与浓度下进行反应，出现不同时间的微 团之间的混合，即返混。特别是连续管式反应器，由于存在速度分布，使反应 物粒子的停留时间存在差异，速度大的一些粒子还未参加反应或未反应完全就
离开了反应器；速度小的一些粒子则由于停留时间太长可能发生逆反应。因此 需要进行反应过程的强化。本申请人曾申请过一项专利"一种工艺过程的强化 技术及其装置"(申请号200510031285.6)，并将该技术应用于生物柴油的开发，
结果表明这种过程强化技术及其装置对于提高生物柴油的生产效率、降低其成 本、扩大其规模、控制其组成、提高其转化率与质量等很有效。
生物柴油的制造是一个很缓慢且可逆的反应过程，目前生物柴油的生产过 程中存在的主要问题是反应物停留时间过长，反应效率不高，从而增加了生物 柴油的成本，限制了生物柴油的生产规模。而提高反应效率可以从改进反应装 置等方面着手。开发连续生产工艺可使生物柴油的生产效率提高、生产规模扩 大、成本降低，有利于生物柴油的推广应用。目前制造生物柴油的技术大多为间歇式搅拌方式，效率低，操作不便，且不能控制反应物的组成。必须开发生 物柴油的专有技术，才能使之成为真正具有竞争力的新兴产业。
天然石油正日益枯竭，价格不断飙升对世界经济形成严峻考验，全球各国 都受到石油价格暴涨的冲击；传统燃料对环境的破坏日趋严重，寻找可再生而 环保的能源势在必行。生物柴油(脂肪酸甲酯)是一种可再生、高效、安全的 清洁能源，有许多石化柴油不可企及又是人类迫切所需的优点1、可再生，用 之不尽，将真正实现能源永续利用，维持和促进资源、环境、社会经济协调持 续发展。各种动物脂肪或废油亦是生物柴油原料。2、无污染。与矿物柴油不同， 燃烧后排放的碳氢化合物、CO、 S02、 NOx等有害物质极少。3、储藏、运输、 使用等安全、方便。因为不是易燃易爆、有毒物质。4、可促进其他产业，如种 植业、油脂加工业等。5、无须对目前使用矿物柴油的装置改装，且因生物柴油 润滑作用好，对发动机的磨损大大降低。因此，开发生物柴油不仅能摆脱能源 危机，实现能源永续利用，而且有利于构建资源节约型、环境友好型社会，促 进经济社会全面协调可持续发展，具有显著的经济意义和社会意义。如能大规 模商品化生产之，人类渴望再生又洁净的能源的夙愿便可实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种反应器的强化技术及其装置。
本发明解决其技术问题所釆用的技术方案是在反应器1上安装振荡装置， 振荡装置与反应器1成密封配合联接，振荡增加反应器1内物料质点的碰撞几 率，形成湍流或充分混合，破坏流动边界层，改善物料流动状态，使各质点流 速趋于均匀，避免返混，达到柱塞流，产生有利于反应工艺过程进行的运动， 以强化反应过程；所述物料包括气体、固体、液体、粉粒体或其混合物；所述 振荡装置包括电磁振荡装置与机械振荡装置，振荡装置对称或非对称安装；所述反应器1的形状为管状或盆状，横截面为圆或非圆，直径均匀或有变化，安 装方式为立式或卧式或斜置，强化方式为单级、双级或多级，管状包括直管、弯
管、"L"形管、"T"形管、"十"字形管或盘管，可为单管式或多管式。
所述反应器1内可安装挡板2或填料，挡板或填料与反应器1内物料的运 动相结合产生一种在形成柱塞流的同时，易于热量、质量和动量传递及反应过 程进行的流动形态。所述机械振荡装置由弹性密封装置和对弹性密封装置施加 振动的动力装置构成。所述机械振荡装置由活塞6与活塞驱动机构构成，活塞6 与反应器1成密封可动配合套装，活塞6外端与活塞驱动机构成活动联接或固 定联接。所述活塞驱动机构包括转子7、连杆机构、移动凸轮机构39、圆柱凸 轮机构42、齿轮机构、蜗轮蜗杆机构、或螺旋机构；活塞驱动机构对称或非对 称安装。所述活塞驱动机构的速度可调或恒定。所述转子7包括盘状转子和柱 状转子，转子7在其旋转轴线方向固定或可移动，转子外表面与活塞外端成点 接触或切线接触。所述盘状转子7包括圆截面转子、或非圆截面转子。所述柱 状转子包括圆柱、圆台、或非圆截面柱体；柱状转子的几何轴线与其旋转轴线 相交、或交叉、或平行、或重合；柱状转子横截面与其几何轴线垂直或不垂直; 采用柱状转子时，柱状转子可两两对称或非对称固定于同一转轴8上。通过调 控活塞6的频率和/或振幅可调控反应器1内物料的流动状态、或调控物料的停 留时间或生成物的成份组成和/或转化率；或通过调控活塞6的频率和/或振幅使 反应器1内的物料达到柱塞流。
本发明的有益效果和优点是用振荡技术提高和调控流速，达到湍流效果 或充分混合，提高过程效率。湍流程度不依赖于净流速，而由振荡装置调饽， 振荡装置可无级地调节振幅和频率。可在很低的雷诺数(Reynolds Number)下使 流体获得湍流或充分混合，不仅能提高过程效率，且节约了流体输送装置能耗与设备体积。对称斜置转子7使两活塞6反对称运动，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。该技术可扩展为多级强化(任意级 数)。本发明调节弹性大，适应范围宽，可将间歇过程转化为连续过程。转子7 的驱动电机9载荷很小，故其功率极小(比间歇过程中搅拌桨的电机功率小得 多)，因为电机9只需驱动转子旋转，而转子所受扭矩很小，活塞6的重力并不 对转子7的转轴8产生扭矩，因为其作用线过转轴8，电机9只需克服较小的摩 擦力矩。强化装置的通用性大，并不因反应器1大型化而使强化装置增大，只 要电机9能驱动转子7旋转，转子7就能推动活塞6，尺寸相差不太大的反应器 1可采用同样大小的转子7。调节振幅的步进电机只在调振幅的极短时间内工作 一下，振幅调好后即停机，几乎不需能耗。当最佳频率和振幅已知，不需要经 常变换振幅时，可按此最佳振幅作为转子7的偏心距将转子7设计制造成固定 的偏心距，如图3、图4所示，这样可免去步进电机。通过调控设备的强化参数， 即活塞6的频率与振幅等，可调控反应器1内物料的流动状态、或调控物料的 停留时间或生成物的成份组成与转化率(如，作为生物柴油反应器时，发动机 的性能不同，对于燃料的成份要求可能不同，本发明可以通过调控设备的强化 参数来调控反应器内反应物的停留时间从而调控生物柴油的成份组成)；或通过 调控活塞6的频率和/或振幅可使反应器1内的物料达到柱塞流，这是一种对反 应过程极为有利的流动状态。本发明是提高生物柴油或其它产品的生产效率、 降低其成本、扩大其规模、控制其组成、提高其质量等的关键技术与设备。
图l是n级强化方案。
图2是各种形式的挡板。
图3是单级强化固定偏心距的转子。图4是n级强化固定偏心距的转子。
图5是单级强化生物柴油主体装置。
图6是生物柴油后处理流程图。
图7是采用空心活塞的强化方案。
图8是非圆截面转子(空心活塞)强化方案。
图9是2级强化方案。
图10是连杆机构驱动活塞的强化方案。'
图ll、 12、 13是盘管反应器强化方案。
图14是"十"字形管反应器的强化方案。
图15是横截面与转轴斜交的转子。
图16是横截面与转轴垂直的转子。
图17是圆截面变径柱状转子。
图18是非圆截面变径柱状转子。
图19是由一个转子推动两个活塞的强化方案。
图20是几何异形横截面两端大小不同的柱状转子。
图21是分离对称"凹"形平面移动凸轮机构驱动活塞的示意图。
图22是分离对称"凸"形平面移动凸轮机构驱动活塞的示意图。
图23是"凹"形平面移动凸轮机构驱动活塞的示意图。
图24是"凸"形平面移动凸轮机构驱动活塞的示意图。
图25是"凹"形齿条-蜗杆机构驱动活塞的示意图。
图26是"凸"形齿条-蜗杆机构驱动活塞的示意图。
图27是曲面移动凸轮机构驱动活塞的示意图。
图28是圆柱凸轮机构驱动活塞的示意图。图29是蜗轮蜗杆机构驱动活塞强化方案。
图30(a)是转子外表面与活塞外端成点接触的方式。
图30(b)是转子外表面与活塞外端成切线接触的方式。 图中l.反应器，2.挡板及其支杆，3.物料入(出)口， 4.支架，5.弹簧，6.活塞， 7.转子，8.转轴，9.电机，IO.支座兼导轨，ll.离合器，12.滑板，13.轴承座，14. 轴承，15.活塞导筒，16.物料出(入)口， 17,连接管，18.连接阀，19.出口阀， 20.反应物盛装器皿，21.阀门，22.计量泵，23.加热器，24.反应物输入管道，25. 生成物输出管道，26.含甲醇的粗生物柴油管道，27.清水管道，28.脱甲醇后含水 的粗生物柴油管道，29.滤水器，30.初步脱水的粗生物柴油管道，31.吸水器，32. 充分脱水的生物柴油出口， 33.水洗器，34.排放口， 35.分离器，36.溢流阀，37. 曲柄，38.连杆，39.移动凸轮，40.螺杆，41.蜗杆，42.圆柱凸轮，43.传动螺母， 44.蜗轮。
具体实施例方式
实施例1，参阅图5、 6。本例采用倒U形管反应器1，在反应器1的进出 口端安装振荡装置，以对称斜置固定于同一转轴8上的圆柱转子7作为活塞驱 动机构。此种情况下，转子推动两活塞作相位差为180°的振动，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。反应器1内两挡板2间的 小空间相当于一个微型搅拌釜，整个反应器1相当于一系列微搅拌釜的连续组 合。可使用的挡板2结构形式多种多样，有圆环、正方形环、六边形环、三角 形环板、多孔挡板和"十"字挡板等，如图2所示。挡板2与振荡运动相结合， 使反应器1内的物料充分混合。圆柱转子7由调速电机9驱动以调控活塞6的 运动频率，滑板12可在支座兼导轨10上移动，以调节活塞6的振幅，从而达 到某生产过程所需的最佳频率与振幅。以生物柴油的生产为例，大体步骤如下:1) 将制造生物柴油的原料(反应物)分别盛装在各自的容器20内，参照生 物柴油的化学反应计量关系调节好计量泵22。在反应器l的进、出口处装有 与之密封配合固联的振荡装置，使反应器1中的物料(反应物)充分混合而 强化反应过程。参阅图5。
2) 根据本发明所提供的最佳强化效果，调节好频率、振幅，开启计量泵22， 利用加热器23将反应物分别加热到适当温度输入反应器1。
3) 生成物先进入分离器35进行分离，参阅图6。
4) 分离后的粗生物柴油进入水洗器33，洗去甲醇。
5) 经水洗的生物柴油先经过滤水器29，滤去部分水分，然后进入吸水器31 将所剩水分脱去。
图6表达了后处理流程与方法。
反应物源源不断地输入反应器l，生成物源源不断地从反应器l流出，这样 就形成了连续的生产过程。可根据生产量的大小选择强化级数，不论多少级， 多个转子7可两两对称固定于同一转轴8上，如图l、 4、 9所示。
为了得到不同组成的生物柴油，可改变电机9的转速(活塞6的频率)、转 子7的水平位置(活塞6的振幅)进行生产。
反应器l的直径较大时，可采用空心活塞6，参阅图7、 8。
实施例2，需要多级强化时，采用多级强化方式，如图l、 4、 9等所示；不 需多级强化时，可采用单级强化方式，如图3、 5、 7、 8、 21、 22等所示。其余 同实施例1。
实施例3，对于盘管式反应器，其实施方式如图11、 12、 13等所示，即同 样是在反应器1的进、出口处安装强化振荡装置以加速和控制反应过程。其中 图ll、 12为立式，图13为卧式。其余同实施例l。实施例4，将圆柱转子7替换为非圆截面柱状转子7，其余同实施例l,见 图8、 18、 20等。转子7横截面的轮廓曲线形状可由反应工艺过程需要的最佳 振动规律决定以产生最优的振荡方式，改变转子7的横截面轮廓曲线可得到各 种振动规律。还可通过移动滑板12来调节振幅，或改变电机9的转速以调节振 动频率，使振幅和/或频率满足反应工艺过程的需要。这给生产过程带来了很大 方便。将转子7换成其它活塞驱动机构，如连杆机构、移动凸轮机构39、圆柱 凸轮机构42、齿轮机构、蜗轮蜗杆机构、或螺旋机构等，也是行之有效的。
权利要求
1. 一种反应器的强化技术及其装置，其特征是在反应器(1)上安装振荡装置，振荡装置与反应器(1)成密封配合联接，振荡增加反应器(1)内物料质点的碰撞几率，形成湍流或充分混合，破坏流动边界层，改善物料流动状态，使各质点流速趋于均匀，避免返混，达到柱塞流，产生有利于反应工艺过程进行的运动，以强化反应过程；所述物料包括气体、固体、液体、粉粒体或其混合物；所述振荡装置包括电磁振荡装置与机械振荡装置，振荡装置对称或非对称安装；所述反应器(1)的形状为管状或盆状，横截面为圆或非圆，直径均匀或有变化，安装方式为立式或卧式或斜置，强化方式为单级、双级或多级，管状包括直管、弯管、“L”形管、“T”形管、“十”字形管或盘管，可为单管式或多管式。
2、 根据权利要求1所述的反应器的强化技术及其装置，其特征是所述反 应器(1)内可安装挡板(2)或填料，挡板或填料与反应器(l)内物料的运动相结合产 生一种在形成柱塞流的同时，易于热量、质量和动量传递及反应过程进行的流 动形态。
3、 根据权利要求1所述的反应器的强化技术及其装置，其特征是所述机 械振荡装置由弹性密封装置和对弹性密封装置施加振动的动力装置构成。
4、 根据权利要求1所述的反应器的强化技术及其装置，其特征是所述机 械振荡装置由活塞(6)与活塞驱动机构构成，活塞(6)与反应器(1)成密封可动配合 套装，活塞(6)外端与活塞驱动机构成活动联接或固定联接。
5、 根据权利要求4所述的反应器的强化技术及其装置，其特征是所述活 塞驱动机构包括转子(7)、连杆机构、移动凸轮机构(39)、圆柱凸轮机构(42)、齿 轮机构、蜗轮蜗杆机构、或螺旋机构；活塞驱动机构对称或非对称安装。
6、 根据权利要求4所述的反应器的强化技术及其装置，其特征是所述活 塞驱动机构的速度可调或恒定。
7、根据权利要求5所述的反应器的强化技术及其装置，其特征是所述转子(7)包括盘状转子和柱状转子，转子(7)在其旋转轴线方向固定或可移动，转子 外表面与活塞外端成点接触或切线接触。
8、根据权利要求7所述的反应器的强化技术及其装置，其特征是所述盘 状转子(7)包括圆截面转子、或非圆截面转子。
9、 根据权利要求7所述的反应器的强化技术及其装置，其特征是所述柱 状转子包括圆柱、圆台、或非圆截面柱体；柱状转子的几何轴线与其旋转轴线 相交、或交叉、或平行、或重合；柱状转子横截面与其几何轴线垂直或不垂直; 采用柱状转子时，柱状转子可两两对称或非对称固定于同一转轴(8)上。
10、 根据权利要求4所述的反应器的强化技术及其装置，其特征是通过 调控活塞(6)的频率和/或振幅可调控反应器(l)内物料的流动状态、或调控物料的 停留时间或生成物的成份组成和/或转化率；或通过调控活塞(6)的频率和/或振幅 使反应器(l)内的物料达到柱塞流。
全文摘要
一种反应器的强化技术及其装置。用于提高产物(如生物柴油)的制造效率、转化率及组成与品质，解决现有技术效率低、效果不佳、应用范围不广、不能连续操作等技术问题。其技术方案要点是在反应器上安装与之配合的振荡装置，振荡增加反应物料质点的碰撞几率，形成湍流或充分混合，破坏流动边界层，改善物料流动状态，使各质点流速趋于均匀，避免返混，达到柱塞流，产生有利于反应工艺过程进行的运动。调控活塞频率、振幅可调控物料的流动状态、停留时间、产物的成份与转化率，或使物料达到柱塞流。强化装置调节弹性大，适应范围宽，调节活塞驱动机构的运动速度、几何形状与尺寸、空间位置或更换挡板形式就能满足各种反应条件。
文档编号B01J19/00GK101284221SQ20081009894
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月18日 优先权日2008年5月18日
发明者朱瑞林 申请人:朱瑞林