專利名稱：內(nèi)環(huán)流疊管式溶出反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁土礦溶出過程所用的管式反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一水硬鋁石型鋁土礦溶出過程所用的一種內(nèi)環(huán)流疊管式溶出反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
氧化鋁工業(yè)是一個典型的流程工業(yè)，涉及到礦石的溶出、沉降分離、蒸發(fā)、和分解等工序。其中，鋁土礦的溶出是拜爾法生產(chǎn)氧化鋁的最主要的工藝過程與耗熱工序，溶出指標的好壞將直接影響氧化鋁生產(chǎn)的產(chǎn)能和能耗指標。因此，尋求強化溶出過程的溶出工藝與裝置一直是國內(nèi)外氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要課題。近幾年，我國所引進和消化吸收的技術(shù)和裝備都是西方國家為適應(yīng)三水鋁石原料而研究設(shè)計的。盡管對它們也進行了針對一水硬鋁石原料的消化創(chuàng)新，但是一些主要設(shè)備至今還不是適應(yīng)一水硬鋁石原料的最佳生產(chǎn)設(shè)備。例如，引進的法國立管式溶出器和德國的單管道溶出設(shè)備，從已進行的多年生產(chǎn)實際可看出，對硅高、鈦高的原料結(jié)疤問題至今沒有得到很好的解決。高溫溶出生成結(jié)疤的傳熱系數(shù)只有1.2～1.6，僅為鋼材的1/35左右，嚴重影響了設(shè)備的傳熱效果，因此，我國氧化鋁企業(yè)現(xiàn)有的溶出設(shè)備，無論進口的或是進口改造的，其熱能利用率都很低。這一問題一直困擾著我國氧化鋁工業(yè)，使我國氧化鋁工業(yè)能耗大大高于國外企業(yè)，缺乏國際競爭能力。
我國的鋁土礦資源99％屬于難溶性一水硬鋁石型礦，這是一種高鋁高硅的難溶礦石，礦石的鋁硅比(A/S)低，溶出性能差。從動力學(xué)角度分析，傳熱表面結(jié)疤基本上可以分成三步，一是結(jié)疤物質(zhì)在液相中的析出，二是結(jié)疤物質(zhì)向傳熱表面?zhèn)鬏?，三是結(jié)疤物質(zhì)在傳熱表面沉積。其中，第二、三步取決于動力學(xué)過程，控制動力學(xué)條件，也就是控制結(jié)疤物質(zhì)向傳熱面的遷移和沉積，延緩結(jié)疤。而現(xiàn)有的管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，是在反應(yīng)器管的兩端分別安裝有輸入和輸出接管，多相流通過輸入接管進入反應(yīng)器進行反應(yīng)，通過輸出接管流出。此結(jié)構(gòu)決定了其不能有效控制動力學(xué)過程，導(dǎo)致結(jié)疤生成。特別是在我國氧化鋁工業(yè)鋁土礦管道化溶出過程中，管壁結(jié)疤問題嚴重、設(shè)備運轉(zhuǎn)率降低、清理結(jié)疤困難以及溶出管道長度較長、占空間大、設(shè)備投資增加等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種內(nèi)環(huán)流疊管式溶出反應(yīng)器，它是通過疊管式設(shè)計及增加攪拌裝置，通過加強液體攪拌增加多相反應(yīng)介質(zhì)在流動過程中的湍流程度，縮短均勻混合時間和反應(yīng)時間，強化傳熱傳質(zhì)和多相反應(yīng)過程。起攪拌作用的刮板能持續(xù)刮擦壁面從而有效控制結(jié)疤物在傳熱面附著，達到防止結(jié)疤的目的。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)采用疊管式設(shè)計，各相鄰反應(yīng)器管上下疊放，之間通過接管3連接，每個反應(yīng)器管1的輸入和輸出接管3上下相間，分別設(shè)置在反應(yīng)器管的兩端，其上一反應(yīng)器管的輸出接管即為下一反應(yīng)器管的輸入接管，且接管3與反應(yīng)器管1的一側(cè)相切(如圖5所示)，在各反應(yīng)器管中設(shè)有攪拌裝置，如圖1所示；其攪拌裝置是由一系列等間距的攪拌刮板4通過固定軸5聯(lián)接在攪拌軸6上構(gòu)成，刮板4與反應(yīng)器管壁相接觸，能持續(xù)刮擦反應(yīng)器管壁各處，固定軸5聯(lián)接在攪拌軸6上，攪拌軸6穿過法蘭7與電機相連，通過電機帶動其轉(zhuǎn)動。如圖4所示，為保證刮板在攪拌過程中互不干擾，固定軸5在攪拌軸6上沿軸向和徑向均勻分布，相鄰固定軸5之間互成90度角，為保證刮板在刮擦反應(yīng)器管壁過程中不留死角，刮板4長度大于或等于固定軸5的間距，如圖4所示。刮板4與固定軸5垂直，即刮板4與攪拌軸6保持平行或成任意角度，根據(jù)實際需要自行調(diào)整，這樣能改變流動狀態(tài)，增強混合效果。固定軸5的長度保證刮板4與反應(yīng)器管壁接觸，與管壁接觸的刮板4的端面為平面或曲面。固定軸5與攪拌軸6的聯(lián)接方式為固定聯(lián)接或非固定聯(lián)接，其非固定聯(lián)接方式是在固定軸5與攪拌軸6之間安裝彈簧10，固定軸5通過套管9固定在攪拌軸6上，如圖3所示，在彈簧作用下，固定軸5的長度可自由伸縮，使刮板4與反應(yīng)器管1的管壁面柔性接觸，利于刮板4刮擦反應(yīng)器管壁。其中攪拌轉(zhuǎn)速根據(jù)實際需要可自行調(diào)整。
本發(fā)明的工作過程多相流8通過接管3沿管切線，從上層反應(yīng)器管流入下層反應(yīng)器管，在攪拌裝置攪拌的作用下，多相流8以螺旋路線在管內(nèi)環(huán)流前進，在管內(nèi)壁形成流動膜。
本發(fā)明的優(yōu)點是1.借助攪拌裝置增加液固兩相流動介質(zhì)在流動過程中的湍流程度，強化傳質(zhì)傳熱和多相反應(yīng)過程；2.具有刮板功能的新型攪拌裝置能持續(xù)刮擦管壁各處，可防止并破壞結(jié)疤在傳熱面的附著，從而達到防止結(jié)疤的目的；3.在攪拌的作用下，多相流介質(zhì)呈內(nèi)環(huán)流流動方式，與現(xiàn)有管道化反應(yīng)器相比，其混合時間大大縮短，從而能夠增加設(shè)備產(chǎn)能。4.獨特的疊管式設(shè)計節(jié)省了反應(yīng)器的占地面積，減少設(shè)備投資。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)示意圖，圖2是本發(fā)明的固定軸與攪拌軸固定聯(lián)接的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是本發(fā)明的固定軸與攪拌軸非固定聯(lián)接的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是本發(fā)明的刮板與固定軸在反應(yīng)器中的排布方式示意圖，
圖5是圖4的A-A剖視圖，圖6是本發(fā)明實施例1中的停留時間分布曲線，圖7是本發(fā)明實施例1中的混合時間曲線，圖8是本發(fā)明實施例2中的停留時間分布曲線，圖9是本發(fā)明實施例2中的混合時間曲線，圖10是本發(fā)明實施例3中的停留時間分布曲線，圖11是本發(fā)明實施例3中的混合時間曲線，圖中1反應(yīng)器管，2攪拌裝置，3接管，4刮板，5固定軸，6攪拌軸，7法蘭，8多相流，9套管，10彈簧。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步分析和說明。
實施例1如圖1所示，各相鄰反應(yīng)器管上下疊放，之間通過接管3連接，每個反應(yīng)器管1的輸入和輸出接管3上下相間分別設(shè)置在反應(yīng)器管的兩端，其上一反應(yīng)器管的輸出接管即為下一反應(yīng)器管的輸入接管，且接管3與反應(yīng)器管1的一側(cè)相切，各反應(yīng)器管中設(shè)有攪拌裝置，通過電機帶動其工作。如圖2、圖4、圖5所示，攪拌裝置的刮板4與固定軸5固定連接，固定軸5沿軸向和徑向均勻焊接在攪拌軸6上，相鄰固定軸5之間互成90度角，固定軸5的長度保證刮板4與反應(yīng)器管1的管壁接觸。本實施例中刮板4與固定軸5之間通過焊接聯(lián)接，刮板4長度等于固定軸5的間距為110mm，刮板4與固定軸5垂直，刮板與攪拌軸保持平行。
其主要參數(shù)如下表所示

對此種反應(yīng)器進行了停留時間分布實驗和混合時間實驗，實驗中選取NaCl水溶液作為示蹤劑，根據(jù)刺激-響應(yīng)技術(shù)，采用脈沖示蹤法來測定停留時間分布曲線，如圖6所示，根據(jù)停留時間分布曲線，按以下兩式計算平均停留時間t和無因次方差σ2。
t‾=∫0∞tE(t)dt∫0∞E(t)dt]]>σ2=∫0∞θ2E(θ)dθ-1]]>
計算結(jié)果如下表所示

其中1號實驗流量1m3/h，轉(zhuǎn)速200rpm2號實驗流量1.25m3/h，轉(zhuǎn)速150rpm3號實驗流量1.5m3/h，轉(zhuǎn)速250rpm其中t——時間，θ——無因次時間E(t)——停留時間分布密度函數(shù)L/s，其中L為單位升，s為單位秒同樣以NaCl水溶液作示蹤劑來測定混合時間定義開始加入NaCl溶液至輸出信號達到最終穩(wěn)定值的95％所經(jīng)過的時間為管式反應(yīng)器的混勻時間tm，圖7中的混合時間曲線分別是在不同的攪拌轉(zhuǎn)速下測量得到的，由混合曲線計算得到的混合時間如下表所示

實施例2如圖1所示，各相鄰反應(yīng)器管上下疊放，之間通過接管3連接，每個反應(yīng)器管1的輸入和輸出接管3上下相間分別設(shè)置在反應(yīng)器管的兩端，其上一反應(yīng)器管的輸出接管即為下一反應(yīng)器管的輸入接管，且接管3與反應(yīng)器管1的一側(cè)相切，各反應(yīng)器管中設(shè)有攪拌裝置，通過電機帶動其工作。如圖2、圖3、圖4、圖5所示，攪拌裝置的刮板4與固定軸5固定連接，固定軸5沿軸向和徑向均勻分布在攪拌軸6上，相鄰固定軸5之間互成90度角，固定軸5的長度保證刮板4與反應(yīng)器管1的管壁接觸。本實施例中攪拌裝置的固定軸5與攪拌軸6之間為非固定聯(lián)接在刮板4與固定軸5之間安裝彈簧10，固定軸5通過套管9固定在攪拌軸6上。刮板4長度大于固定軸5的間距，為165mm，刮板4與固定軸5垂直，刮板與攪拌軸保持平行。

對此種反應(yīng)器進行了停留時間分布實驗和混合時間實驗，實驗中選取NaCl水溶液作為示蹤劑，根據(jù)刺激-響應(yīng)技術(shù)，采用脈沖示蹤法來測定停留時間分布曲線，如圖8所示，根據(jù)停留時間分布曲線，按以下兩式計算平均停留時間t和無因次方差σ2。
t‾=∫0∞tE(t)dt∫0∞E(t)dt]]>σ2=∫0∞θ2E(θ)dθ-1]]>計算結(jié)果如下表所示

其中1號實驗流量1m3/h，轉(zhuǎn)速150rpm2號實驗流量1.25m3/h，轉(zhuǎn)速250rpm3號實驗流量1.5m3/h，轉(zhuǎn)速200rpm其中t——時間，θ——無因次時間E(t)——停留時間分布密度函數(shù)L/s，其中L為單位升，s為單位秒同樣以NaCl水溶液作示蹤劑來測定混合時間定義開始加入NaCl溶液至輸出信號達到最終穩(wěn)定值的95％所經(jīng)過的時間為管式反應(yīng)器的混勻時間tm，圖9中的混合時間曲線分別是在不同的攪拌轉(zhuǎn)速下測量得到的，由混合曲線計算得到的混合時間如下表所示

實施例3如圖1所示，各相鄰反應(yīng)器管上下疊放，之間通過接管3連接，每個反應(yīng)器管1的輸入和輸出接管3上下相間分別設(shè)置在反應(yīng)器管的兩端，其上一反應(yīng)器管的輸出接管即為下一反應(yīng)器管的輸入接管，且接管3與反應(yīng)器管的一側(cè)相切，各反應(yīng)器管中設(shè)有攪拌裝置，通過電機帶動其工作。如圖2、圖4、圖5所示，攪拌裝置的刮板4與固定軸5固定連接，固定軸5沿軸向和徑向均勻焊接在攪拌軸6上，相鄰固定軸5之間互成90度角，固定軸5的長度保證刮板4與反應(yīng)器管1的管壁接觸。本實施例中攪拌裝置的刮板4與固定軸5之間通過焊接聯(lián)接，刮板4長度等于固定軸5的間距為110mm，刮板4與固定軸5垂直，刮板與攪拌軸成30度角。

對此種反應(yīng)器進行了停留時間分布實驗和混合時間實驗，實驗中選取NaCl水溶液作為示蹤劑，根據(jù)刺激-響應(yīng)技術(shù)，采用脈沖示蹤法來測定停留時間分布曲線，如圖10所示，根據(jù)停留時間分布曲線，按以下兩式計算平均停留時間t和無因次方差σ2。
t‾=∫0∞tE(t)dt∫0∞E(t)dt]]>σ2=∫0∞θ2E(θ)dθ-1]]>計算結(jié)果如下表所示

其中1號實驗流量0.5m3/h，轉(zhuǎn)速150rpm2號實驗流量0.75m3/h，轉(zhuǎn)速150rpm3號實驗流量1m3/h，轉(zhuǎn)速150rpm其中t——時間，θ——無因次時間E(t)——停留時間分布密度函數(shù)L/s，其中L為單位升，s為單位秒同樣以NaCl水溶液作示蹤劑來測定混合時間定義開始加入NaCl溶液至輸出信號達到最終穩(wěn)定值的95％所經(jīng)過的時間為管式反應(yīng)器的混勻時間tm，圖11中的混合時間曲線分別是在不同的攪拌轉(zhuǎn)速下測量得到的，由混合曲線計算得到的混合時間如下表所示

上述三個實施例的停留時間分布實驗和混合時間實驗表明，反應(yīng)器內(nèi)流體流動型態(tài)接近活塞流，攪拌裝置的加入大大改善了管式反應(yīng)器內(nèi)的混合特性，縮短了混合時間。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)環(huán)流疊管式溶出反應(yīng)器，包括反應(yīng)器管，其特征在于各相鄰反應(yīng)器管上下疊放，之間通過接管(3)連接，每個反應(yīng)器管的輸入和輸出接管(3)上下相間，分別設(shè)置在反應(yīng)器管的兩端，其上一反應(yīng)器管的輸出接管即為下一反應(yīng)器管的輸入接管，且接管與反應(yīng)器管的一側(cè)相切，各反應(yīng)器管中分別設(shè)有攪拌裝置，通過電機帶動其工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)環(huán)流疊管式溶出反應(yīng)器，其特征在于所述的攪拌裝置由一系列等間距的刮板(4)通過固定軸(5)聯(lián)接在攪拌軸(6)上構(gòu)成，刮板(4)與反應(yīng)器管壁相接觸，固定軸(5)聯(lián)接在攪拌軸(6)上，攪拌軸(6)穿過法蘭(7)與電機相連，通過電機帶動其轉(zhuǎn)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)環(huán)流疊管式溶出反應(yīng)器，其特征在于所述固定軸(5)在攪拌軸(6)上沿徑向和軸向均勻分布，相鄰固定軸(5)之間互成90度角，刮板與固定軸垂直，即刮板與攪拌軸保持平行或成任意角度，刮板長度大于或等于固定軸間距，固定軸長度保證刮板與反應(yīng)器管壁接觸，與管壁接觸的刮板端面為平面或曲面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的內(nèi)環(huán)流疊管式溶出反應(yīng)器，其特征在于所述的固定軸與攪拌軸之間的聯(lián)接方式為固定聯(lián)接或非固定聯(lián)接，非固定聯(lián)接方式是在攪拌裝置的固定軸與攪拌軸之間安裝彈簧，固定軸通過套管固定在攪拌軸上。
全文摘要
本發(fā)明一種內(nèi)環(huán)流疊管式溶出反應(yīng)器，屬于一種鋁土礦溶出過程所用的管式反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域。包括反應(yīng)器管，各相鄰反應(yīng)器管上下疊放，之間通過接管(3)連接，每個反應(yīng)器管的輸入和輸出接管(3)上下相間分別設(shè)置在反應(yīng)器管的兩端，其上一反應(yīng)器管的輸出接管即為下一反應(yīng)器管的輸入接管，且接管(3)與反應(yīng)器管(1)的一側(cè)相切，各反應(yīng)器管中設(shè)有攪拌裝置，通過電機帶動其工作。本發(fā)明優(yōu)點是增加液固兩相流動介質(zhì)在流動過程中的湍流程度，加強傳質(zhì)傳熱和多相反應(yīng)過程；對已經(jīng)生成的結(jié)疤具有破壞和去除的作用，從而達到防止結(jié)疤的目的；大大縮短混合時間，增加設(shè)備產(chǎn)能；節(jié)省占地面積，減少設(shè)備投資。
文檔編號C01F7/00GK1762814SQ200510047338
公開日2006年4月26日 申請日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者張廷安, 趙秋月, 豆志河, 赫冀成 申請人:東北大學(xué)