一种微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置

摘要

本发明公开了一种微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置，包括三相反应床、扰动热颗粒、流化气分布装置、液相喷射装置、微波场发射装置、电磁场产生装置；本发明在气流场和重力场的基础上同时耦合微波场与电磁场，使床内部分颗粒在多场中运动和加热，优化了传统反应器的加热模式和均流方式，实现了均流过程中的加热功能，使该装置具有多功能性；在气流场的基础上耦合电磁场，加强床内扰动，增加了气、液、固三相的接触面，有利于反应的顺利进行；在电磁场的基础上叠加微波场，明显提高了反应器的加热效率和加热速率；通过重质扰动热颗粒和轻质扰动热颗粒，实现了颗粒的微波加热和磁化运动。

说明书

技术领域

 本发明属于生物质热化学转化过程中涉及的多相流技术领域，具体涉及一种微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置。

背景技术

气液固三相反应装置是一类具有重要工业应用价值的多相物理操作装置或化学和生物反应器。气液固三相反应装置由气相、液相和固相三相组成，其中液相是连续相，气相是离散相，固体颗粒悬浮在气相和液相中。当气液固三相反应装置作为化学反应器时，无论是气相作为惰性气体，还是固相作为催化剂，强化反应器内扰动，加强相与相之间的接触，对于促进化学反应快速有效地进行具有重要意义。

与气固两相流化床不同，气液固三相床中，气体仅能以气泡的形式穿过床层，这对于气相与其他两相的接触是非常不利的，尤其是对于床内由于布风不均，出现大气泡和局部死区的情况，因为当气泡通过床层时，仅有气泡界面的气体与周围固液两相接触，而气泡内部的气体却不能与他们直接接触，当气泡快速穿过床层时，这部分气体以短路形式逃离床层。为了，目前一般采取两种措施来加强气液固三相的混合。第一种措施是合理设计气体分布系统，确保流化均匀。当气体随气流通过气体分布系统进入液相时，气泡就形成了。气泡的大小受许多因素的影响，如气体、液体及固体颗粒的物理性质，床层的操作条件和反应器的几何结构，反应器的几何结构主要就是指布风系统。同时，当布风不均时，床内易出现局部死区，死区的出现也会极大的抑制气液固三相的混合。第二种措施是在床内安装内构件。在气泡向上运动过程中，一方面小气泡会合并长大成大气泡，另一方面，大气泡会变形、破裂而成小气泡，也就是说，气泡的合并与破裂是并存的。内构件的作用就是破坏气泡生长的平衡状态，使大气泡分裂成小气泡的机制超过小气泡合并成大气泡的机制，从而促进更多小气泡的生长。

此外，为了促进反应的进行，实际的化学反应都是在一定温度下进行的，这就需要对反应器进行加热。传统的加热模式不外乎两种方式。第一种是外部加热，在反应器外部缠绕电热丝或者加装夹套以流过热烟气，很显然，这种加热方式传热效率低，加热速率慢，而且也不便于反应器的放大。第二种是内部加热，主要是将导热管采用蛇形管的方式伸入床内，再在管内通蒸汽，通过蒸汽间接加热床内反应物。虽然这种加热方式在加热效率和速率上都有很大改善，但管子伸入床内会很大程度上影响床内流体的流动特性，进一步影响反应进行，同时，在物料流化过程中固体颗粒会不断摩擦管壁，对管子的磨损严重，会影响设备的安全运行。

因此，需要一种微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中热态气液固三相反应能耗高、效率慢的缺陷，提供一种能耗低、效率高的微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置采用如下技术方案：

一种微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置，包括三相反应床、扰动热颗粒、流化气分布装置、液相喷射装置、微波场发射装置、电磁场产生装置；所述三相反应床包括床体，所述床体上设置有排气口、出料口和卸料口；所述扰动热颗粒包括重质扰动热颗粒和轻质扰动热颗粒，所述扰动热颗粒设置在所述床体中；所述电磁场产生装置包括电流转换器和电磁铁，所述电流转换器连接所述电磁铁，所述电磁铁对称分布在所述床体的四周；所述微波场发射装置包括微波发射器、波导管、位于所述床体内侧上部的滤波板，所述滤波板上设置有滤波孔，所述微波发射器设置在所述床体的四个角上，所述波导管连接所述微波发射器和所述床体；所述液相喷射系统设置在所述床体的内侧上部，所述液相喷射装置包括液相喷射管，所述液相喷射管伸入所述床体并设置在所述滤波板的下方，所述液相喷射管上设置有喷射孔，所述液相喷射管伸入所述床体的一端封闭；所述流化气分布装置设置在所述床体的内侧下部，所述的流化气分布装置包括母管、布风管和调节阀，所述布风管的一端连接所述母管的侧面，所述布风管的另一端伸入所述床体，位于所述床体内侧的所述布风管上设置有气孔，位于所述床体外侧的布风管上设置有所述调节阀。

更进一步的，所述床体为长方体床体或立方体床体。

更进一步的，所述重质扰动热颗粒包括第一空心球形钢丸和碳化硅，所述碳化硅设置在所述第一空心球形钢丸中。所述第一空心球形钢丸包括两个半球形钢丸，两个所述半球形钢丸通过第一高温粘合剂闭合在一起。所述轻质扰动热颗粒包括第二空心球形钢丸和极性分子液体，所述第二空心球形钢丸上设置有注射孔，所述极性分子液体设置在所述第二空心球形钢丸中。所述第二空心球形钢丸包括两个半球形钢丸，两个所述半球形钢丸通过第二高温粘合剂闭合在一起。采用具有极高介电常数和不同密度的碳化硅和极性液体作为极性分子材料，制成了不同密度的扰动热颗粒，这一方面保证了颗粒被快速加热，另一方面也促使扰动热颗粒在流化过程中保持轴向分布均匀，保证了在不同高度都能实现对三相的加热和气泡的击碎。

更进一步的，所述布风管上所述气孔的朝向为竖直向上或竖直向下，相邻所述布风管上所述气孔的方向相反。相邻布风管的小孔朝向相反，避免了固相颗粒在反应器底部的沉积。

更进一步的，沿流化风流动方向，所述气孔的孔径逐渐增大。通过在布风管上开设小孔，且沿流化风流动方向小孔孔径逐渐增大，使流化气的流动阻力相等，保证了同一布风管上每个小孔喷射出来的流化气流量相等，有利于床内气、液、固三相的均匀流化，消除了死区。

更进一步的，沿喷射液流动方向，所述喷射孔的孔径逐渐增大。这样可以保证喷射液在喷射孔处的压降都相等，保证了喷射液从喷射孔喷射出的流量相等。

更进一步的，所述床体内侧设置有管托，所述喷射管和布风管伸入所述床体的一端均放置在所述管托上。

有益效果：本发明的微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置具有以下优点：

1、本发明在气流场和重力场的基础上同时耦合微波场与电磁场，使床内部分颗粒在多场中运动和加热，优化了传统反应器的加热模式和均流方式，实现了均流过程中的加热功能，使该装置具有多功能性；

2、在气流场的基础上耦合电磁场，使颗粒在竖直方向受到重力和流体曳力的同时受到水平方向的电磁力，并在以一定频率改变磁场方向的磁场力作用下水平来回运动，这样可以打碎大气泡，加强床内扰动，增加了气、液、固三相的接触面，有利于反应的顺利进行；

3、在电磁场的基础上叠加微波场，通过微波快速加热在不断运动着的扰动热颗粒，使颗粒在反应器内部以点热源方式直接迅速加热周围流体和固体颗粒，改变了在反应器外部用电热丝加热和通过导热管间接加热的传统加热模式，明显提高了反应器的加热效率和加热速率；

4、通过重质扰动热颗粒和轻质扰动热颗粒，实现了颗粒的微波加热和磁化运动。

附图说明

图1是本发明的微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置的结构示意图；

图2是本发明的微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置B-B面的截面图；

图3是本发明的微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置A-A面的截面图；

图4是本发明的微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置重质扰动热颗粒示意图；

图5是本发明的微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置轻质扰动热颗粒示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1、图2和图3所示，本发明的微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置，包括三相反应床、扰动热颗粒、流化气分布装置、液相喷射装置、微波场发射装置、电磁场产生装置。三相反应床包括床体1，床体1上设置有排气口8、出料口9和卸料口17。床体1为长方体床体或立方体床体。床体1尺寸为：宽度W=990mm，深度D=900mm，高度H=1500mm。固体颗粒13采用催化剂颗粒，液相反应物5为水相生物油，温度为60℃，流化气为氢气，温度为25℃。液体反应物5和固体颗粒13放置在床体1内。

电磁场产生装置包括电流转换器18和电磁铁6，电流转换器18连接电磁铁6，电磁铁6对称分布在床体1的四周。具体的，电磁铁6对称布置在床体1四周，通过导线19与电流转换器18相连；通过电源转换器的自动切换，在床体四周对称布置的电磁铁以频率f=1/(5W)~1/W产生正负极电磁场，其中，W为床体宽度，扰动热颗粒在电磁场的作用下在床层截面上来回迂回运动。

微波场发射装置包括微波发射器22、波导管21、位于床体1内侧上部的滤波板2，滤波板2上设置有滤波孔3，微波发射器22设置在床体1的四个角上，波导管21连接微波发射器22和床体1。微波发射器22布置在床体1的四个角上，一端与波导管相连，产生的微波通过波导管21向床体1内发射，发射的微波通过床体1壁面和滤波板2在床内空间来回反射，加热扰动热颗粒，扰动热颗粒再通过对流和传导方式把热量传递给床内液体反应物和固体颗粒，滤波板上开设滤波孔，孔径在5~10mm之间。

液相喷射系统设置在床体1的内侧上部，液相喷射装置包括液相喷射管10，液相喷射管10伸入床体1并设置在滤波板2的下方，液相喷射管10上设置有喷射孔4，液相喷射管10伸入床体1的一端封闭。具体的，液相喷射管10穿过床体1左侧壁面进入床体1内，进入床体1的一端放置在与床体1右内侧上部相连的管托7上；在液相喷射管10上以距离30~50mm等距开设喷射孔4，相邻喷射孔4的方向与竖直面夹角为±30°，沿液体流动方向，喷射孔4孔径逐渐增大；靠近床体1前后侧壁面的液相喷射管10与壁面距离为50~80mm，相邻液相喷射管10之间的间距为80~150mm。

床体1内侧设置有管托7，液相喷射管10和布风管14伸入床体1的一端均放置在管托7上。其中，管托1分布在床体1内侧下部和内侧上部。

流化气分布装置设置在床体1的内侧下部，流化气分布装置包括母管16、布风管14和调节阀15，布风管14的一端连接母管16的侧面，布风管14的另一端伸入床体1，位于床体1内侧的布风管14上设置有气孔20，位于床体1外侧的布风管14上设置有调节阀15。布风管14上气孔20的朝向为竖直向上或竖直向下，相邻布风管14上气孔20的朝向相反。具体的，流化气分布装置的母管16与每根布风管14的一端相连，流化风通过母管16均匀分配至各布风管14，并通过安装在布风管14上的调节阀15调节流量；布风管14穿过床体1右侧壁面进入床体1内，另一端放置在与床体1左内侧下部相连的管托7上；在布风管14上，以距离30~50mm等距开设气孔，沿流化风流动方向，气孔孔径逐渐增大；靠近床体1前后侧壁面的布风管14与壁面距离为40~75mm，布风管14上开设的气孔20朝向为竖直向下或竖直向上，相邻布风管14上的小孔朝向相反，布风管14之间的间距为80~150mm，其余布风管14依次并列且气孔朝向错列布置。相邻布风管14的气孔20朝向相反，避免了固相颗粒在反应器底部的沉积。沿流化风流动方向，气孔20的孔径逐渐增大。通过在布风管上开设气孔，且沿流化风流动方向气孔孔径逐渐增大，使流化气的流动阻力相等，保证了同一布风管上每个小孔喷射出来的流化气流量相等，有利于床内气、液、固三相的均匀流化，消除了死区。

请参阅图4和图5所示，扰动热颗粒包括重质扰动热颗粒11和轻质扰动热颗粒12，扰动热颗粒设置在床体1中。

重质扰动热颗粒11包括第一空心球形钢丸23和碳化硅25，碳化硅25设置在第一空心球形钢丸23中。第一空心球形钢丸23包括两个半球形钢丸，两个半球形钢丸通过第一高温粘合剂24闭合在一起。具体制作步骤：重质扰动热颗粒11的粒径在10~20mm之间呈正态分布，由半球形钢丸制成。制作时，先将碳化硅25分别装入半球钢丸，然后在钢丸边缘处涂抹第一高温粘合剂24，再将两个填满碳化硅25的半球形钢丸闭合，并放入干燥箱，在80℃的温度下干燥5个小时，这种制成的重质扰动热颗粒11密度在4500~6400kg/m³之间。采用具有极高介电常数和高密度的碳化硅作为极性分子材料，制成了重质扰动热颗粒11。

轻质扰动热颗粒12包括第二空心球形钢丸26和极性分子液体29，第二空心球形钢丸26上设置有注射孔28，极性分子液体29设置在第二空心球形钢丸26中。第二空心球形钢丸26包括两个半球形钢丸，两个半球形钢丸通过第二高温粘合剂27闭合在一起。具体制作步骤：轻质扰动热颗粒12的粒径在5~15mm之间呈正态分布，由半球形钢丸制成。制作时，先在两个半球形钢丸边缘处涂抹第二高温粘合剂27，然后闭合，并放入干燥箱，在80℃的温度下干燥5个小时，然后再将钢球拿出，采用注射器把极性分子液体29通过注射孔28注入钢球，等注满后，再用第二高温粘合剂27封闭注射孔28，并放入干燥箱，在80℃的温度下干燥3个小时，这样制成的轻质扰动热颗粒密度12在2000~3600kg/m³之间。采用具有极高介电常数和低密度的极性液体作为极性分子材料，制成了轻质扰动热颗粒12。

采用具有极高介电常数和不同密度的碳化硅和极性液体作为极性分子材料，制成了不同密度的扰动热颗粒，这一方面保证了颗粒被快速加热，另一方面也促使扰动热颗粒在流化过程中保持轴向分布均匀，保证了在不同高度都能实现对三相的加热和气泡的击碎。

具体实验步骤：

首先将催化剂颗粒和扰动热颗粒按4:1比例放入床体1内，开启液相喷射装置引入水相生物油。10根液相喷射管10从床体1左侧穿过床体1壁面进入床体1内，液相喷射管10伸入床体1一端封闭后放置在与床体1右内侧上部相连的管托7上，并与右侧壁面保持5mm的距离，靠近床体1前后侧壁面的液相喷射管10与壁面距离为45mm，而相邻液相喷射管10之间的距离为90mm，在每根液相喷射管10的管壁上开设喷射孔4，靠近床体1左侧壁面的喷射孔4直径为4mm，然后沿喷射液流动方向逐渐增加，直到靠近床体1右侧壁面，喷射孔4直径为8mm，这样，喷射液在喷射孔4处的压降都相等，保证了水相生物油从喷射孔4喷射出的流量相等。在管端的喷射孔4与管壁距离为45mm，相邻喷射孔4间距为50mm，相邻喷射孔4的方向与竖直面夹角为±30°。

同时，将流化气氢气引入母管16，母管16再将氢气分配至每根布风管14。布风管14从床体1右侧穿过床体1壁面进入床体1内，另一端封闭后放置在与床体1左内侧下部相连的管托7上，并与左侧壁面保持5mm的距离。这样，在床体1内的布风管14长度为985mm，靠近床体1前后侧壁面的布风管14与壁面距离为45mm，而相邻布风管14之间的距离为90mm，同时，在每根布风管14的管壁上开设气孔20，靠近床体1右侧壁面的气孔20直径为2mm，然后沿流化气流动方向逐渐增加，直到靠近床体左侧壁面，气孔20直径为6mm，这样，流化气在气孔20处的压降都相等，保证了氢气从小孔20喷射出的流量相等。在管端的气孔20与管壁距离为45mm，相邻气孔20间距为50mm。相邻布风管14的气孔20朝向不同，最接近壁面的布风管14气孔20朝向为竖直向下，而与其相邻的布风管14气孔20朝向为竖直向上，如此样交错布置。氢气通过气孔15进入床体1内，保持表观截面气速为0.5~2m/s间变化，这样床层开始流化，氢气以气泡形式穿过床层，固体颗粒悬浮在气流和液流中。

然后，在床体1四周壁面对称布置电磁铁6，并通过导线19与电流转换器18相连。启动电源后，电源转换器18以频率f=0.2Hz自动切断电流流向，使前后左右对称布置的电磁铁6不断改变正负极，这样，在床体1内产生的电磁场也以频率f=0.2Hz自动改变。由于床层流化时气泡主要作向上运动，因此，床体1内固体颗粒沿轴向扩散强烈，而在径向扩散较微弱，但在不断改变大小和方向的电磁力作用下，扰动热颗粒的径向扩散明显增强，在在床体1内沿径向快速运动，在运动过程中，破坏向上运动的气泡并使其破裂，这样，床体1内的流化质量得到了显著提高。与此同时，将微波发射器22布置在床体1的四个角落，一端与波导管21相连，并在安装在床体1上部的滤波板2上开设直径为8mm的滤波孔3。启动时，产生的微波通过波导管21向床内发射，发射的微波通过床体1壁面和滤波板2在床内空间来回反射，加热扰动热颗粒，扰动热颗粒再通过对流和传导方式把热量传递给床内液体反应物和固体颗粒，由于重质扰动热颗粒与轻质扰动热颗粒的极性材料不同，因此，他们在同样微波场强度下温度也不同。通过改变微波发生器22的功率大小，微波场的强度可随之改变，当微波场强度大时，扰动热颗粒的温度高，当微波场强度小时，扰动热颗粒的温度低，最终，使床内物料温度保持在130~150℃之间。在这个温度范围内，床内水相生物油和氢气在催化剂的作用下，快速完全发生化学反应，生成多组分含氧液体燃料，并从出料口9排出。

本发明的微波场与电磁场相互耦合的热态气液固三相反应装置具有以下优点：

1、本发明在气流场和重力场的基础上同时耦合微波场与电磁场，使床体内部分颗粒在多场中运动和加热，优化了传统反应器的加热模式和均流方式，实现了均流过程中的加热功能，使该装置具有多功能性。

2、在气流场的基础上耦合电磁场，使颗粒在竖直方向受到重力和流体曳力的同时受到水平方向的电磁力，并在以一定频率改变磁场方向的磁场力作用下水平来回运动，这样可以打碎大气泡，加强床内扰动，增加了气、液、固三相的接触面，有利于反应的顺利进行。

3、在电磁场的基础上叠加微波场，通过微波快速加热在不断运动着的扰动热颗粒，使颗粒在反应器内部以点热源方式直接迅速加热周围流体和固体颗粒，改变了在反应器外部用电热丝加热和通过导热管间接加热的传统加热模式，明显提高了反应器的加热效率和加热速率。

4、通过在布风管上开设小孔，且沿流化风流动方向小孔孔径逐渐增大，使流化气的流动阻力相等，保证了同一布风管上每个气孔喷射出来的流化气流量相等，有利于床内气、液、固三相的均匀流化，消除了死区，同时，相邻布风管的小孔朝向相反，也避免了固相颗粒在反应器底部的沉积。

5、通过空心磁性钢球与极性分子材料的完美结合构建扰动热颗粒，实现了颗粒的微波加热和磁化运动，同时，采用具有极高介电常数和不同密度的碳化硅和极性液体作为极性分子材料，制成了不同密度的扰动热颗粒，这一方面保证了颗粒被快速加热，另一方面也促使扰动热颗粒在流化过程中保持轴向分布均匀，保证了在不同高度都能实现对三相的加热和气泡的击碎。