一种带针型翅片列管束的浆态鼓泡塔反应器

摘要

本发明公开的带针型翅片列管束的浆态鼓泡塔反应器，在圆筒型反应器内安装有多根垂直换热列管，垂直换热列管的下端与固定在容器下方的液体分配器连接，上端与固定在容器上方的集液器连接，在换热列管的外壁安装有水平的针型翅片，每米换热列管上安装的针翅数目为80～800根，针型翅片的直径为1～10mm，长度在10～125mm的范围。采用带有针型翅片的换热管，一方面，可以增加换热面积，强化反应器换热能力；另一方面，换热列管外壁分布的针型翅片对塔内浆料与气泡的流动具有阻碍作用，可遏制垂直换热列管造成的流动陡峭化效应，改善浆态床中的流速分布，实现强化传热与改善流动的双重功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种带有针型翅片列管束的浆态鼓泡塔反应器，适用于化工生产过程的气液/气液固多相强放热/吸热反应过程。

背景技术

气液鼓泡塔或气液固三相鼓泡反应器(也称浆态床反应器)是一种在化工、能源、环境、生化等许多领域应用很广的反应装置，例如费托合成、加氢液化、羰基化、氧化、卤化、发酵、气体吸收等过程。浆态床反应器的设计与放大主要有两方面问题，一是移热，二是返混。对于反应器的移热问题，工业浆态床反应器多采用在反应器内安装垂直列管的方法来增强换热，但是，文献[1，2]中发现垂直列管束加入后，浆态床中的流速分布和气含率分布将变得更为陡峭，导致床内流体返混加剧，反应器性能降低。为此，专利[3，4]和文献[5，6]中提出了“阻尼内构件”的概念，提出在塔中心流速较高的区域设置一定密度的水平丝网，抑制塔中心区过高的流体速度，减少返混。上述措施虽然能够改善带列管的浆态床中的速度分布，但中心速度降低后也有可能使列管束的换热效率下降，而目前的办法是将筛网阻尼构件与列管换热元件进行简单组合，将阻尼功能与换热功能由不同的构件分别承担，筛网与列管两种构件之间缺乏协同增强作用，因此难以兼顾强化换热与调控流动两方面的功能。

另一方面，近年来在管—壳式换热器的研究中为了强化列管束的换热性能，提出了一种针型翅片换热列管技术，在换热管外壁安装密集的针型翅片，以提高换热面积和增强换热能力。在文献[7～10]和专利[11～13]中都详细介绍了此类技术在管壳换热器、锅炉、空调和制冷设备等方面的应用情况，以及相关的针翅管设计方法。但是，目前为止这种技术仅限于在均相流体的列管换热器中使用，未见其应用于浆态床反应器。浆态床反应器与普通列管换热器的情况有很大的不同，普通换热器中的流动是压力驱动的均相流体流动，换热管外翅片的增加一般都使换热系数单方向增大，不会使流速及其分布发生显著改变，除了增加一定的流动阻力和制造成本外，不会带来其它副作用。而鼓泡塔中的流动是气泡浮升驱动的多相流动，塔中心区域向上，近壁区向下，在换热列管上安装针翅将带来两方面相互矛盾的效应：一方面增加了列管换热面积，有利于提高换热效率，一方面又会降低塔中的流速，降低列管换热系数。因此，作为一种新型的反应器，在浆态床中采用针型翅片列管换热需要兼顾流动调控与换热强化两方面的效应，求得最佳总体效果，而目前文献与专利中还没有这方面的研究与技术报道。

参考文献与专利

[1]Bernemann K.，Zur Fluiddynamik und zum Vermischungsverhalten derFluessigen Phase in Blasensaeulen mit Laengsangestroemten Rohrbuendeln.1989，Dissertation，University Dortmund.

[2]Larachi F，Desvigne D，Donnat L，Schweich D，Simulating the effects of liquidcirculation in bubble columns with internals，Chemical Engineering Science，2006，61：4195—4206.

[3]李希，陈斌，王丽雅，王丽军，成有为，带有阻尼内构件的鼓泡塔反应器，发明专利CN200510061602.9。

[4]带换热列管和网格型阻尼内构件的浆态鼓泡塔反应器，申请号200810162467

[5]陈斌，王丽雅，李希。带阻尼内构件鼓泡塔的研究(I)：内构件对流速分布的影响。化学反应工程与工艺，2006，22(4)：317-323.

[6]王丽军，王丽雅，张煜，周青钠，李希，带阻尼内构件鼓泡塔的研究(II)：内构件对气液传质速率的影响，化学反应工程与工艺，2007，23(4)：109～113

[7]钱颂文，岑汉钊，江楠，马小明，方江敏，换热器管束流体力学与传热，中国石化出版社，2002年，北京。

[8]朱冬生，钱颂文，强化传热技术及其技术应用，化工装备技术，2000，21(6)：1-9.

[9]方江敏，马小明，李华，钱颂文，Sunrod针翅管的优化与强化传热性能研究，石油化工设备，2002，31(4)：10-13.

[10]A.Aziz，Kraus，D.Allan，Extended surface heat transfer，John Wiley，2001，NewYork.

[11]王励端，高莉萍，钱颂文，岑汉钊等，一种针翅管，实用新型CN2253460Y

[12]Balint，Endre Water tube boiler PN WO92/18806

[13]Andersson，Erik A heat exchanger tube with surface enlarging elements PNWO90/02916

发明内容

本发明的目的是提供一种同时具有换热强化与流动调控功能的带针型翅片列管束的浆态鼓泡塔反应器，以实现浆态床反应器换热和返混性能的双重提高。

本发明的带针型翅片列管束的浆态鼓泡塔反应器，包括一个圆筒型容器，容器内安装有多根垂直换热列管，垂直换热列管的下端与固定在容器下方的液体分配器连接，上端与固定在容器上方的集液器连接，在液体分配器的下方设有气体分布器，容器上设有物料进出管，介质进出管和气体进出管，其特征是在换热列管的外壁安装有水平的针型翅片，每米换热列管长度上安装的针翅数目为80～800根，针型翅片的直径为1～10mm，长度为10～125mm。

本发明采用带有针型翅片的换热管代替目前鼓泡塔或浆态床反应器中普通采用的光滑换热管。一方面，固定在列管上的针翅可以增加换热面积，强化反应器换热能力；另一方面，针翅片也可为是一种横向的阻尼构件，对反应器内浆料与气泡的流动有阻碍作用，可遏制垂直换热列管造成的流动陡峭化效应，改善浆态床中的流速分布。因此，带针翅的列管是一种双功能内构件，兼具强化传热、改善流动的双重功能。本发明适用于各种塔径、高径比、以及带扩大段和其它内构件的鼓泡塔结构。

附图说明

图1是带针型翅片列管束的浆态鼓泡塔反应器示意图；

图2是圆形辐射分布针型翅片示意图，图中3为换热列管，2为针型翅片；

图3是矩形辐射分布针型翅片的示意图，图中3为换热列管，2为针型翅片；

图4是加装环形阻尼圈的辐射型针型翅片示意图，图中3为换热列管，2为针型翅片，14为环形固定圈；

图5是计算得到的针翅长度与密度对带换热列管的浆态床中心液速的影响关系；横坐标为针型翅片的长度与直径的比值，表示针翅长的影响；图中的针翅密度为每米每根换热管上安装的针型翅片数目，纵坐标为鼓泡塔中心轴线上的液体速度。

图6是模型计算给出的针翅长度与密度对换热管传热系数的影响关系，纵坐标为针翅管换热系数与光滑管换热系数的比值，表示加针翅以后换热系数增加的倍数；横坐标为针型翅片的长度与直径的比值，表示针翅长的影响；图中的针翅密度为每米每根换热管上安装的针型翅片数目。

图7是中心布置针翅换热管，环隙布置光滑换热管的示意图，1为鼓泡塔器壁，2为带针翅的换热管，3为光滑换热管；

图8是测定的液体轴向速度的径向分布图，测定平面位于气体分布器上方2250mm处，横坐标r/R为无量纲径向位置，r为径向坐标，R为鼓泡塔半径，r/R＝0为中心位置，r/R＝1为壁面位置；纵坐标为测定的轴向速度，速度为正值表示向上流动，负值表示向下流动。

具体实施方式

参照图1，本发明的带针型翅片列管束的浆态鼓泡塔反应器，包括反应器，反应器是一个圆筒型的容器1，内部安装有多根垂直换热列管3和固定在列管外壁沿水平方向延伸的针型翅片2，以及气体分布器4和进出料管线。换热列管束3的下端与固定在塔体下方的液体分配器11连接，上端与固定在塔体上方的集液器12连接。作为本发明主要特征的针型翅片是一种直径比换热列管小得多的金属细杆，垂直安装于换热列管外壁，针翅的根部固定在换热管的外表面，多根针翅在外表面呈辐射状均匀分布。在工作状态下，反应器内部装有气液两相或气液固三相反应浆料，操作液位示于5处，针型翅片2和换热管3及气体分布器4均浸没在反应浆料中，针翅杆2和换热列管3位于气体分布器4上方。气体通过气体输入管6从塔底的气体分布器4鼓泡通入塔内，与反应浆料接触后离开液位5，从尾气管7输出塔外。液固相反应浆料通过进料管8加入塔内，与气体反应物进行接触并发生化学反应，反应产物由出料管9输出，冷却水或加热介质通过换热介质入口管10和液体分配器11进入换热管3，通过管壁及针型翅片2与床内浆料换热后再通过集液器12至换热介质出口管13输出塔外。塔内的气液固三相反应物在气泡的搅动下处于湍动鼓泡流状态，固体悬浮及液体混合良好，温度与浓度分布均匀。

针型翅片2与换热列管3之间的连接细节进一步由图2～4说明。针翅的根部固定在换热列管外壁，针翅和换热管都由金属材料制成，具有较好的导热性能。在工作状态下，换热管3不仅可以通过光滑壁面与浆料进行换热，还可以通过针翅2进行换热，这就大大地增加了换热介质与反应浆料之间的换热面积，提高了反应器的换热能力。另一方面，针翅又是一种横向内构件，具有阻碍流动的功能，可用于调控流速分布、防止中心区域气体发生短路，改善气液相返混。带针翅的换热列管设计参数包括：换热管的管径和管间距、针翅的形状、长度、直径及安装密度等。合适的换热管的管径为20mm～80mm、管间距60mm～250mm。针翅的横截面形状一般是圆形，也可以是椭圆形、矩形、菱形等任意几何形状。针翅杆的直径应当充分地细以提供足够大的换热面积，但又要考虑机械强度和长度方面的要求。本发明给出的合适的针型翅片的直径为1～10mm，优化的直径为4～10mm。从流动调控的角度考虑，针翅的长度与换热管间距有关，以充分填充换热管之间的间隙为原则，长度过短会留下过大的列管间隙，不利于对流动形成阻碍和调控作用，而长度过长又会使不同换热管上的针翅相互重叠碰撞，不利于安装和维修。合适的针翅长度约为列管间距(外壁间距)的一半，对于一般的工业气液鼓泡塔或气液固浆态床，针翅片长在10～125mm的范围，优化的长度为20～80mm。此外，不同朝向的针翅也可能会有不同的长度，与换热管束的布置形式有关。当列管之间为正三角形分布时，针翅可采用如图2所示的等长的圆形辐射图案布置；当列管间为矩形分布时，则可采用如图3所示的矩形辐射分布，使针翅能够覆盖列管之间的所有空隙。辐射型分布的针翅中心面积密度大而外围面积密度小，为了使针翅的面积密度分布趋于平均，可在每层辐射分布的针翅上加装如图4所示的环形固定圈14。

针型翅片长度和数量密度的设计除了考虑流体阻力效应之外，还要注意其对换热的双重影响。针型翅片的作用在鼓泡塔反应器中与在一般管—壳式换热器不同：鼓泡塔反应器中心处的液体向上流，边壁液体向下流，横向的针型翅片不仅提供了换热面积，同时也提供了阻碍流体运动的阻尼作用，当在鼓泡塔反应器中安装针型翅片时，流速及其分布会发生改变，中心液速与脉动速度会降低，导致总的流体运动速度降低，换热管传热系数下降。因此，对于鼓泡塔中带翅片换热管的传热过程，存在两种相互矛盾的效应：一方面针型翅片的加入使传热面积增大，换热效率提高；另一方面翅片对流动的阻碍作用又导致流速下降，换热效率降低。本发明的相关实验表明，反应器中心区平均速度的降幅与针翅阻尼面积密度(即垂至于流动方向的横截面面积/流体体积)的2/3次方成正比，脉动速度的降幅与阻尼面积的1/4次方成正比。这样，针翅长度和数量密度增加后，列管换热面积的增加与流体速度的下降形成相反的效应，使得以光滑列管表面积计算的换热系数呈现出一个极大值。合适的针翅设计参数为：每米列管长度上安装的针翅数目为80～800根，针型翅片的直径为1～10mm，长度为10～125mm。

图5与图6给出了不同针翅数目密度条件下，改变针翅长度对流体中心速度和换热系数的影响。计算实例系针对的鼓泡塔中安装有30支4米长的带针翅换热列管的情况，图6中的纵坐标为针翅管换热系数与光滑管换热系数的比值，表示加针翅以后换热系数增加的倍数；横坐标为针型翅片的长度与直径的比值，表示针翅长的影响；图中的针翅密度为每米每根换热管上安装的针型翅片数目。由图5看到，随着针翅长度和针翅密度的增加，流体中心速度单调下降，这意味着全塔中的流动速度也会随之下降，导致换热管换热系数降低。由图6可以看到，在不同的针翅数密度条件下，带针翅的列管换热系数随针翅长度的增加都会出现一个最大值。在针翅较短时，其长度或换热面积的增加对传热的促进作用显著，超过了流体速度降低引起的传热减缓效应，使得换热系数随针翅长度增加而增大。在针翅长度增大到一定程度之后，其对传热的促进作用趋于平缓，而流动的阻尼作用则趋于显著，使得换热系数随针翅长度增加(导致流速降低)而下降。从图6中还可以看到，针翅数目越多，换热系数就会越大，同时随针翅长度变化的幅度也越大。因此，从换热的角度考虑，应该选择较高的针翅密度和较短的针翅长度以获得最大的换热系数。但是，考虑到流动调控的要求，针翅的长度还要受列管间距的约束，调节余地不大，因此针翅密度的选择就必须根据其长度来确定合适的范围，应权衡面积增加与流速降低两种效应的制约作用，在满足一定的流动调控要求下，获得较高的换热系数。针翅密度的大小通过翅化度来表示，翅化度定义为换热管上的针型翅片外表面积/光滑列管的表面积。

鼓泡塔中针型翅片的设计除了考虑换热强化方面的因素之外，还要兼顾流动调控的阻尼要求。针翅对流体的阻碍作用通过阻尼面积密度来表示，定义为换热列管上所有针型翅片在水平方向(即垂直于流动方向)的总横截面积/包围换热列管的浆料体积。阻尼面积密度的大小要满足对浆料流动“阻而不挡”的原则，既要施加一定的阻力使流速分布趋于均匀，又不能阻碍过度以至形成局部流动不良区域。合适的阻尼面积密度值为1.0～10m²/m³。针翅密度在塔横截面上的分布可以是均匀的，也可以是不均匀的。对于流动调控方面的要求来说，优化的分布形式是在塔中心区密集、外围区域稀疏的分布，如图7所示，这是因为塔中心区域速度较高，将针翅集中布置在中心区域可以最大地发挥其阻尼作用，采用较少的针翅即可达到较好的流动调控效果。

本发明适用于的表观气速(＝进入塔内的气体体积流量/(塔横截面积—光滑换热管总截面积)范围是0.08m/s～1.0m/s，在该气速范围条件下反应器处于湍动鼓泡状态。针翅密度的配置与表观气速和换热管密度有关，列管束越密集，气速越高，针翅的阻尼的作用越明显，达到相同的阻尼效果所需针翅阻尼面积越少。

实施例

浆态鼓泡塔反应器装置如图1所示，直径为500mm、液位高4000mm，底部安装多孔板气体分布器。塔内均匀布置30根长4000mm、直径为25mm的带针型翅片的换热圆管，管间距为70mm。针翅为圆型金属细杆，在换热管上的布置如图2所示，针型翅片的结构参数列于表1。测定的鼓泡塔中心液速与计算的换热系数列于表2。

表1 带针翅的换热管结构参数

 

针翅密度(支/米)             针翅直径(mm)针翅长度        (mm)    针翅阻尼面积            密度(m²/m³) 5004176.375004134.855714104.265714104.26

表2 带针翅换热管鼓泡塔中针翅列管换热系数和塔中心液速

 

表观气速(m/s)   针翅管换热系数，(kW/℃·m²)     塔中心液速，(m/s)       0.128.570.450.198.750.530.319.300.610.6210.450.84

对比例

为了比较鼓泡塔中带针翅的换热管与光滑管在换热能力和液速分布两方面的差异，本对比例采用光滑换热管代替实施例中的针翅换热管，实验装置与实验方法与实施例基本相同。表3中给出了装有同样30根针翅换热管与光滑换热管的中心液速和换热系数，图8中进一步给出了空塔、光滑换热管、针翅换热管三种情况下鼓泡塔中测定的液体速度径向分布。

表3 鼓泡塔中装有与实施例相同数目光滑换热管的鼓泡塔相关参数

 

表观气速(m/s)   光滑管换热系数(kW/℃·m²)   针翅管换热系数，(kW/℃·m²)     光滑管塔中心液速(m/s)   针翅管塔中 心液速(m/s)0.126.688.511.030.450.196.948.751.150.530.317.349.301.300.610.628.3010.451.790.84

比较实施例与对比例可以看出：

1.带有针翅的列管换热系数比不带针翅的光滑管换热系数提高了约27％，这意味着加装针翅以后换热管的换热能力提高了1/4以上，在同样的换热负荷下，可以用较少的针翅换热列管代替较多的光滑换热管，例如对于本例，可以用30根针翅换热管代替38根光滑管。

2.针翅换热管所对应的鼓泡塔中心液速比光滑管情况下的中心液速下降了53～56％，这将显著地改善塔中的速度分布，减少气液相返混，提高反应器效率。图8给出了塔中测定的速度分布，从中可以看到，在无任何换热列管的空塔中，速度分布较为平坦；加入光滑换热列管后，速度分布趋于陡峭；列管上加装针翅后，速度分布趋于平坦，获得了比空塔时更均匀的速度分布。

上述实施例与对比例的结果说明，鼓泡塔中带针型翅片的换热管一方面能够显著提高换热能力，一方面又可以抑制塔中流速的非均匀分布，具有强化换热与改善流动的双重功能。