專利名稱：內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
反應(yīng)器是化學(xué)反應(yīng)工藝中的核心設(shè)備，它按結(jié)構(gòu)大致可分為管式、釜式、塔式、固定床等，廣泛用于氣、液、固相的化學(xué)混合反應(yīng)。管式反應(yīng)器適用于快速反應(yīng)，強(qiáng)放熱、易燃、 易爆的反應(yīng)工藝，尤其是在高溫、高壓條件下具有良好的使用效果。工業(yè)生產(chǎn)中常見的強(qiáng)放熱反應(yīng)有硝化、磺化、氧化、重氮化等反應(yīng)，它們都是放熱量較大，有些還伴隨有大量氣體生成的化學(xué)反應(yīng)。在這些反應(yīng)中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)混合物中的氣體生成量越來越多，氣泡含率越來越高。若采用普通的管式反應(yīng)器進(jìn)行此類化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)混合物在反應(yīng)管中較易形成氣塞現(xiàn)象，產(chǎn)生段塞流，導(dǎo)致反應(yīng)液體流動(dòng)困難， 流出及破壞氣阻所需要的時(shí)間隨著反應(yīng)的進(jìn)行而增加，甚至于最終堵塞反應(yīng)管，造成反應(yīng)器不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于上述狀況，有必要對(duì)已有技術(shù)中的管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。本發(fā)明針對(duì)一些硝化反應(yīng)進(jìn)行時(shí)大量生成氣體的特點(diǎn)，提供一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、操作性能好、傳熱效率高、可以消除氣泡的管式反應(yīng)器，以利于此類反應(yīng)的進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器，適用于在反應(yīng)過程中生成氣體，形成氣液兩相流的反應(yīng)過程，能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器包括熱交換載體進(jìn)口、左封頭、殼體、蛇型反應(yīng)管、管法蘭、 水平直管、彈簧、金屬細(xì)桿、反應(yīng)物料出口、右封頭、熱交換載體出口、反應(yīng)物料進(jìn)口、折流板和U型連接管；左封頭和右封頭為橢圓形封頭，左封頭上設(shè)有熱交換載體進(jìn)口，右封頭上設(shè)有熱交換載體出口，左封頭和右封頭與殼體之間通過法蘭連接，殼體上下分別設(shè)有反應(yīng)物料出口和反應(yīng)物料進(jìn)口，殼體內(nèi)部具有蛇型反應(yīng)管、彈簧、折流板，蛇型反應(yīng)管包括水平直管和U型連接管，水平直管和U型連接管之間通過管法蘭連接，水平直管內(nèi)固定有彈簧，管法蘭內(nèi)嵌有金屬細(xì)桿，蛇型反應(yīng)管一端與反應(yīng)物料出口相連，蛇型反應(yīng)管另一端與反應(yīng)物料進(jìn)口相連。所述的管法蘭中心處刻有卡槽，金屬細(xì)桿內(nèi)嵌在卡槽里，并通過左右兩片法蘭卡緊固定。所述的彈簧是分段彈簧元件，端部?jī)啥螐椈捎山饘偌?xì)桿定位，彈簧的兩端繞緊于細(xì)桿上，其它若干段彈簧則不加固定，各段之間留有間隙。所述的彈簧的軸心線與水平直管的軸心線不重合。所述的彈簧圈直徑與管內(nèi)徑比為0. 6 1. 0，進(jìn)一步優(yōu)選為0. 8。所述的彈簧的螺距與管內(nèi)徑比為0. 3 3. 0。所述的彈簧的材料直徑與管內(nèi)徑比為0. 03 0. 25。所述的折流板不僅可以加強(qiáng)殼程熱交換載體的對(duì)流傳熱，也可以起到固定蛇型反應(yīng)管的作用。
所述的蛇型反應(yīng)管放置在殼體內(nèi)部，通過殼體內(nèi)的換熱介質(zhì)為蛇型反應(yīng)管提供加熱、冷卻或保溫條件。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是由于管程液體在管內(nèi)的流動(dòng)受到彈簧的阻礙和導(dǎo)向而產(chǎn)生螺旋線流動(dòng)，同時(shí)由于彈簧的軸心線與管的軸心線不重合，管內(nèi)將產(chǎn)生一股偏心的螺旋環(huán)流。這種螺旋環(huán)流和彈簧形成的漩渦共同作用使彈簧發(fā)生隨機(jī)振動(dòng)。此外，在流體的作用下，各段彈簧之間相互發(fā)生彈性碰撞，彈簧很容易產(chǎn)生顯著的徑軸向振動(dòng)，沿軸向還會(huì)產(chǎn)生往復(fù)穿梭式的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，各小段彈簧本身也較易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)(固定于端部的兩段彈簧除外)。彈簧的徑向隨機(jī)振動(dòng)、軸向振動(dòng)、穿梭運(yùn)動(dòng)和環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)的共同作用，大大增加了對(duì)流體的擾動(dòng)， 加強(qiáng)了攪拌，使得反應(yīng)過程中生成的氣泡得到了刮掃和撞擊，新形成的氣泡快速破碎，起到了消除氣泡，破壞段塞流形成的作用。另外，彈簧本身增加了湍流，破壞了層流和傳熱邊界層，強(qiáng)化了對(duì)流傳熱。因此，本發(fā)明專門設(shè)計(jì)的內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器具有比普通管式反應(yīng)器更優(yōu)良的傳熱性能，且能有效地防止氣泡的聚并和氣液兩相段塞流的形成，能夠在流體氣含量較高的情況下長(zhǎng)期穩(wěn)定操作。即使在平均流速較低的條件下，也具有良好的反應(yīng)效果。


圖1是內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明附圖1中的/部分的放大剖視圖； 圖3是本發(fā)明附圖2的A-A剖視圖中熱交換載體進(jìn)口 1、左封頭2、殼體3、蛇型反應(yīng)管4、管法蘭5、水平直管6、彈簧7、 金屬細(xì)桿8、反應(yīng)物料出口 9、右封頭10、熱交換載體出口 11、反應(yīng)物料進(jìn)口 12、折流板13、 U型連接管14。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖通過實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不受其限制。如圖所示，內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器包括熱交換載體進(jìn)口 1、左封頭2、殼體3、蛇型反應(yīng)管4、管法蘭5、水平直管6、彈簧7、金屬細(xì)桿8、反應(yīng)物料出口 9、右封頭10、熱交換載體出口 11、反應(yīng)物料進(jìn)口 12、折流板13、U型連接管14 ；左封頭2和右封頭10為橢圓形封頭，左封頭2上設(shè)有熱交換載體進(jìn)口 1，右封頭10上設(shè)有熱交換載體出口 11，左封頭2和右封頭10與殼體3之間通過法蘭連接，殼體3上下分別設(shè)有反應(yīng)物料出口 9和反應(yīng)物料進(jìn)口 12，殼體3內(nèi)部具有蛇型反應(yīng)管4、彈簧7、折流板13，蛇型反應(yīng)管4包括水平直管6和U型連接管14，水平直管6和U型連接管14之間通過管法蘭5連接，水平直管內(nèi)固定有彈簧7， 管法蘭5內(nèi)嵌有金屬細(xì)桿8，蛇型反應(yīng)管4 一端與反應(yīng)物料出口 9相連，蛇型反應(yīng)管4另一端與反應(yīng)物料進(jìn)口 12相連。蛇型反應(yīng)管由多根水平直管串聯(lián)或并聯(lián)組成，以提供足夠的反應(yīng)空間和停留時(shí)間。管法蘭5中心處刻有卡槽，金屬細(xì)桿8內(nèi)嵌在卡槽里，并通過左右兩片法蘭卡緊固定。彈簧7是分段彈簧元件，端部?jī)啥螐椈捎山饘偌?xì)桿8定位，彈簧7的兩端繞緊于細(xì)桿8 上，其它若干段彈簧則不加固定，各段之間適當(dāng)留有間隙。
彈簧7的軸心線與水平直管6的軸心線不重合。彈簧7的圈直徑與管內(nèi)徑比為 0. 6 1. 0，進(jìn)一步優(yōu)選為0. 8。彈簧7的螺距與管內(nèi)徑比為0. 3 3. 0。彈簧7的材料直徑與管內(nèi)徑比為0. 03 0. 25。殼體3內(nèi)的折流板13不僅可以加強(qiáng)殼程熱交換載體的對(duì)流傳熱，也可以起到固定管式反應(yīng)器的作用。蛇型反應(yīng)管4放置在殼體3內(nèi)部，通過殼體3內(nèi)的換熱介質(zhì)為蛇型反應(yīng)管4提供加熱、冷卻或保溫條件。此管式反應(yīng)器特別適用于在反應(yīng)過程中生成氣體，形成氣液兩相流的反應(yīng)過程。反應(yīng)器工作時(shí)，反應(yīng)流體流經(jīng)反應(yīng)管內(nèi)部，管程液體在管內(nèi)的流動(dòng)受到彈簧的阻礙和導(dǎo)向而產(chǎn)生螺旋線流動(dòng)，同時(shí)由于彈簧的軸心線與管的軸心線不重合，管內(nèi)將產(chǎn)生一股偏心的螺旋環(huán)流。這種螺旋環(huán)流和彈簧形成的漩渦共同作用使彈簧發(fā)生隨機(jī)振動(dòng)。 此外，在流體的作用下，各段彈簧之間相互發(fā)生彈性碰撞，彈簧很容易產(chǎn)生顯著的徑軸向振動(dòng)，沿軸向還會(huì)產(chǎn)生往復(fù)穿梭式的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，各小段彈簧本身也較易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)(固定于端部的兩段彈簧除外)。彈簧的徑向隨機(jī)振動(dòng)、軸向振動(dòng)、穿梭運(yùn)動(dòng)、和環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)的共同作用， 大大增加了對(duì)流體的擾動(dòng)，加強(qiáng)了攪拌，使得反應(yīng)過程中生成的氣泡得到了刮掃和撞擊，新形成的氣泡快速破碎，起到了消除氣泡，破壞段塞流形成的作用。另外，彈簧本身增加了湍流，破壞了層流和傳熱邊界層，強(qiáng)化了對(duì)流傳熱。即使在平均流速較低的條件下，也能有效地強(qiáng)化反應(yīng)流體和傳熱介質(zhì)之間的對(duì)流傳熱。內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器的以上特征能夠?yàn)榉磻?yīng)過程中生成氣體，并形成氣液兩相流的反應(yīng)體系提供有利的反應(yīng)環(huán)境，并且能有效地防止氣泡的聚并和氣液兩相段塞流的形成，在流體氣含量較高的情況下也能長(zhǎng)期穩(wěn)定操作。
實(shí)施例內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器的蛇型反應(yīng)管內(nèi)徑為150mm，內(nèi)襯有Teflon (如聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物或聚氟烷氧)的非粘性涂料，用于使用過量硝酸的硝化反應(yīng)。管式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參見附圖1至附圖3。反應(yīng)段由6根反應(yīng)直管串聯(lián)組成，以提供足夠的反應(yīng)空間和停留時(shí)間。多根反應(yīng)直管之間用U型連接管連接。管法蘭中心處刻有卡槽，不銹鋼金屬細(xì)桿內(nèi)嵌在卡槽里，并通過左右兩片法蘭卡緊固定。各根反應(yīng)管內(nèi)的彈簧分為6段，其中端部?jī)啥螐椈捎山饘偌?xì)桿定位，彈簧的兩端繞緊于細(xì)桿上，其它4段彈簧則不加固定，各段之間適當(dāng)留有間隙。彈簧的軸心線稍微低于反應(yīng)管的軸心線，彈簧的圈直徑與管內(nèi)徑比為0. 8，彈簧的螺距與管內(nèi)徑比為1. 2。彈簧材料的線直徑與管內(nèi)徑比為0. 05。殼體內(nèi)設(shè)置有兩塊折流板，折流板的高度為殼體直徑的80 %。殼體內(nèi)通40°C的熱水，用于對(duì)反應(yīng)管內(nèi)的物料進(jìn)行加熱保溫。反應(yīng)管和反應(yīng)管內(nèi)的所有構(gòu)件全部采用不銹鋼 316L制造。殼體和殼體內(nèi)的折流板采用碳鋼制造。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器，其特征在于它包括熱交換載體進(jìn)口( 1 )、左封頭(2)、 殼體(3)、蛇型反應(yīng)管(4)、管法蘭(5)、水平直管(6)、彈簧(7)、金屬細(xì)桿(8)、反應(yīng)物料出口(9)、右封頭(10)、熱交換載體出口( 11)、反應(yīng)物料進(jìn)口( 12)、折流板(13)和U型連接管 (14);左封頭(2)和右封頭(10)為橢圓形封頭，左封頭(2)上設(shè)有熱交換載體進(jìn)口(1)，右封頭(10)上設(shè)有熱交換載體出口(11)，左封頭(2)和右封頭(10)與殼體(3)之間通過法蘭連接，殼體(3)上下分別設(shè)有反應(yīng)物料出口(9)和反應(yīng)物料進(jìn)口(12)，殼體(3)內(nèi)部具有蛇型反應(yīng)管(4)、彈簧(7)、折流板(13)，蛇型反應(yīng)管(4)包括水平直管(6)和U型連接管(14)，水平直管(6 )和U型連接管(14 )之間通過管法蘭(5 )連接，水平直管內(nèi)固定有彈簧(7 )，管法蘭(5)內(nèi)嵌有金屬細(xì)桿(8)，蛇型反應(yīng)管(4) 一端與反應(yīng)物料出口(9)相連，蛇型反應(yīng)管(4) 另一端與反應(yīng)物料進(jìn)口( 12)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器，其特征在于所述的管法蘭(5) 中心處刻有卡槽，金屬細(xì)桿(8)內(nèi)嵌在卡槽里，并通過左右兩片法蘭卡緊固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器，其特征在于所述的彈簧(7)是分段彈簧元件，端部?jī)啥螐椈捎山饘偌?xì)桿(8)定位，彈簧的兩端繞緊于細(xì)桿上，其它若干段彈簧則不加固定，各段之間留有間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器，其特征在于所述的彈簧(7)的軸心線與水平直管(6)的軸心線不重合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器，其特征在于所述的彈簧(7)的圈直徑與管內(nèi)徑比為0. 6 1. 0。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器，其特征在于所述的彈簧(7)的圈直徑與管內(nèi)徑比為0.8。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器，其特征在于所述的彈簧(7)的螺距與管內(nèi)徑比為0.3 3.0。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器，其特征在于所述的彈簧(7)的線材料直徑與管內(nèi)徑比為0. 03 0. 25。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種內(nèi)置彈簧的管式反應(yīng)器。殼體封頭上設(shè)有熱交換載體進(jìn)出口，封頭和殼體之間通過法蘭連接，殼體上設(shè)有反應(yīng)物料進(jìn)出口，殼體內(nèi)部具有蛇型反應(yīng)管、彈簧、折流板，蛇型反應(yīng)管包括水平直管和U型連接管，水平直管和U型連接管之間通過管法蘭連接，水平直管內(nèi)固定有彈簧，管法蘭內(nèi)嵌有金屬細(xì)桿，蛇型反應(yīng)管一端與反應(yīng)物料出口相連，蛇型反應(yīng)管另一端與反應(yīng)物料進(jìn)口相連。優(yōu)點(diǎn)具有比普通管式反應(yīng)器更優(yōu)良的傳熱性能，且能有效地防止氣泡的聚并和氣液兩相段塞流的形成，能夠在流體氣含量較高的情況下長(zhǎng)期穩(wěn)定操作。即使在平均流速較低的條件下，也具有良好的反應(yīng)效果。本發(fā)明適用于在反應(yīng)過程中生成氣體，形成氣液兩相流的反應(yīng)過程。
文檔編號(hào)B01J19/00GK102160986SQ20111006201
公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者何潮洪, 吳可君, 周俊超, 車圓圓 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)