流化床反應器及其應用的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種流化床反應器及其應用。其中，流化床反應器包括反應管，所述反應管內設置有擾流部件；所述擾流部件包括多組擾流葉片；所述多組擾流葉片沿豎直方向固定在所述反應管的內部。本發明的流化床反應器，在反應管內部增加了擾流部件，該擾流部件會對反應管內部的流體產生強制干擾，使流體充分返混，形成局部渦流，從而使氣-固相接觸更加均勻，提高了流化床反應器的傳質傳熱效率，進而提高了產率和產物質量；并且，該擾流部件結構簡單，易于加工制造，便于使用過程中的維護。
【專利說明】流化床反應器及其應用

【技術領域】
[0001] 本發明涉及反應設備【技術領域】，特別是涉及一種流化床反應器及其應用。

【背景技術】
[0002] 流化床反應器是一種將固體顆粒懸浮于氣體或液體之中，并進行氣固相反應或液 固相反應的反應器，廣泛應用于工業生產及科研實驗。目前，在很多氣固相反應中，如納米 碳材料的制備過程中，現有的流化床存在以下弊端：反應氣和載氣以平推流的形式通過反 應區，返混效果差，導致反應器的傳質傳熱效率低，最終影響到反應的產率。


【發明內容】

[0003] 本發明提供了一種能夠提高傳質傳熱效率的流化床反應器。
[0004] 為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0005] -種流化床反應器，包括反應管，所述反應管內設置有擾流部件；
[0006] 所述擾流部件包括多組擾流葉片；
[0007] 所述多組擾流葉片沿堅直方向固定在所述反應管的內部。
[0008] 在其中一個實施例中，每組所述擾流葉片包括固定件和2?20個葉片；
[0009] 每個所述葉片包括自由端和固定端；
[0010] 每個所述葉片通過所述固定端固定在所述固定件的四周。
[0011] 在其中一個實施例中，所述2?20個葉片以所述固定件為中心對稱分布。
[0012] 在其中一個實施例中，每個所述葉片為平面結構；
[0013] 所述平面結構的葉片傾斜固定在所述固定件上。
[0014] 在其中一個實施例中，每個所述葉片所在的平面與所述固定件的軸線之間的夾角 為 15° ?65°。
[0015] 在其中一個實施例中，每個所述葉片為曲面結構；
[0016] 所述曲面結構的葉片堅直或傾斜固定在所述固定件的四周。
[0017] 在其中一個實施例中，所述多組擾流葉片固定在所述反應管的內側壁。
[0018] 在其中一個實施例中，所述擾流部件還包括擾流軸；
[0019] 所述擾流軸固定在所述反應管的軸線上；
[0020] 所述多組擾流葉片固定在所述擾流軸上。
[0021] 在其中一個實施例中，相鄰兩組所述擾流葉片之間的距離相等。
[0022] -種所述的流化床反應器的在納米碳材料制備中的應用。
[0023] 本發明的有益效果如下：
[0024] 本發明的流化床反應器，在反應管內部增加了擾流部件，該擾流部件會對反應管 內部的流體產生強制干擾，使流體充分返混，形成局部渦流，從而使氣-固相接觸更加均 勻，提高了流化床反應器的傳質傳熱效率，進而提高了產率和產物質量；并且，該擾流部件 結構簡單，易于加工制造，便于使用過程中的維護。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明的流化床反應器一實施例的結構示意圖；
[0026] 圖2為圖1所示流化床反應器的擾流部件的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0027] 以下對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體 實施方式僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。
[0028] 本發明提供了一種流化床反應器，與以往的流化床反應器相比，本發明的流化床 反應器能夠增加流體的返混，提高傳質傳熱效率。
[0029] 參見圖1，本發明的流化床反應器包括反應管100,反應管100內設置有擾流部件 200。擾流部件200包括多組擾流葉片210 ;多組擾流葉片210沿堅直方向固定在反應管100 的內部。一般地，擾流葉片210設置在反應管內部的反應區域。
[0030] 其中，擾流葉片210的數量根據反應管100的長度進行設置。作為優選，相鄰兩組 擾流葉片210的堅直距離相等。
[0031] 此外，本發明的流化床反應器還包括其他常規組件，如進氣法蘭400、尾氣法蘭 300、布氣板500、氣固分離篩網600、加熱組件700等。其中，進氣法蘭安400裝在反應管 100的下端口處，進氣法蘭400上設置有進氣管410,進氣管410主要用于通入載氣和反應 氣；尾氣法蘭300安裝在反應管100的上端口處，尾氣法蘭300上設置有尾氣管310,尾氣 管310主要用于排出反應的尾氣；布氣板500設置在反應管100的下部區域；氣固分離篩網 600安裝在反應管100的上部區域；加熱組件700設置在反應管100的反應區域的外圍。
[0032] 本發明的流化床反應器，在反應管100內部增加了擾流部件200,該擾流部件200 會對反應管100內部的流體產生強制干擾作用，使流體充分返混，形成局部渦流，從而使 氣-固相接觸更加均勻，提高了流化床反應器的傳質傳熱效率，進而提高了產率和產物質 量；并且，擾流部件200結構簡單，易于加工制造，便于使用過程中的維護。
[0033] 參見圖2,本發明的流化床反應器中，每組擾流葉片210包括固定件212和多個葉 片214。每個葉片214包括自由端2142和固定端2144 ;每個葉片214通過固定端2144固 定在固定件212的四周。
[0034] 每組擾流葉片210中，葉片214的數目不限，優選為2?20個。每個葉片214的大 小可根據具體的反應管100進行設計，優選地，葉片214的長度略小于反應管100的半徑， 以保證葉片能夠最大程度的發揮擾流作用
[0035] 上述的擾流葉片210中，葉片214可通過焊接的方式固定在固定件212的四周，也 可通過一體成型的方式固定。固定件212可為固定環，也可為固定軸等能將葉片以輻射的 形式固定在一起的組件。
[0036] 為了使得反應管100中的流體流動更加均勻，作為優選，每組擾流葉片210中，多 個葉片214以固定件212為中心對稱分布。
[0037] 葉片214的作用為干擾反應管100內的流體，使得流體具有較好的返混效果，形成 局部渦流，從而提高傳質傳熱效率。因此，葉片214的形狀可以為能促進反應管100內的流 體出現局部渦流的任何形狀。
[0038] 作為一種可實施方式，葉片214為平面結構；平面結構的葉片214傾斜固定在固定 件212上。當葉片214為平面結構時，若葉片214堅直設置，不能起到擾流的作用，此時，需 要將葉片214傾斜設置，用傾斜面來干擾流體流態。
[0039] 作為優選，當葉片214為平面結構時，葉片214所在的平面與固定件212的軸線之 間的夾角為15°?65°。該角度范圍下，既能實現較好的擾流效果，又不會影響流體的運 動，可顯著提高傳質傳熱效率。
[0040] 作為另一種可實施方式，葉片214為曲面結構；曲面結構的葉片214堅直或傾斜固 定在固定件212的四周。
[0041] 本發明的流化床反應器中，擾流葉片210可直接固定在反應管100的內側壁上。例 如，可通過焊接的方式將擾流葉片210固定在反應管100的內側壁上。在其中一個實施例 中，可將擾流葉片210中的某一個或某幾個葉片214的自由端2142焊接在反應管100的內 側壁上。
[0042] 需要說明的是，多組擾流葉片210可以以相同的角度固定在反應管100的內側壁 上（多組擾流葉片在水平面上的投影重合），也可交錯固定在反應管100的內側壁上（多組 擾流葉片在水平面上的投影不重合）。
[0043] 參見圖1，本發明的擾流部件還包括擾流軸220 ;擾流軸220固定在反應管100的 軸線上；多組擾流葉片210固定在擾流軸220上。該方式可直接對現有的流化床反應器進 行改進，可將固定有多個擾流葉片210的擾流軸220直接固定在現有的流化床反應器中即 可，節約了制造成本。
[0044] 作為一種可實施方式，每組擾流葉片210可通過固定件212固定在擾流軸220上； 此時，固定件212優選為帶有卡扣的固定環，可將該固定環直接套裝在擾流軸220上，并通 過卡扣固定。該方式操作簡單，易于實現。
[0045] 繼續參見圖1，擾流軸220包括堅直部和固定部；固定部設置在堅直部的頂端。當 反應管100為變徑反應管時，可將固定部直接卡設在反應管100內部的直徑變化區，實現擾 流軸220的固定；當反應管100為同徑反應管時，可將固定部焊接在反應管100的內側壁 上，實現擾流軸220的固定。
[0046] 需要說明的是，在其他實施例中，每組擾流葉片210可以只包括多個葉片214,而 不包括固定件212,多個葉片214可通過焊接等方式直接固定在擾流軸220上。在此實施方 式中，擾流軸220同時起到了固定件212的作用。
[0047] 利用CFD模型對現有的流化床反應器和本發明的流化床反應器進行模擬，模擬條 件如下：
[0048] 忽略化學反應；忽略固體粉末顆粒的作用；氣體處理為理想不可壓縮氣體；進氣 管處的體積流速為1. 〇m3/min ;尾氣管處的恒定壓力為latm ;反應管的反內部溫度為750攝 氏度。
[0049] 通過模擬可發現：與現有的流化床反應器相比，本發明的流化床反應器能夠明顯 改進反應管內部的溫度場和速度場，反應管內的高溫區域更大，反應管內部的溫度場和速 度場分布更加均勻。均勻的溫度場和速度場有助于提高反應的產率，并有利于反應產物的 質量的提1?。
[0050] 本發明的流化床反應器，通過在反應管100內部增加擾流部件200,使得反應管 100內部的流體可實現最大程度的返混，形成局部渦流，提高流化床反應器的傳質傳熱效 率，進而提高反應產率；并且，本發明中的擾流部件200結構簡單，易于加工制造，便于使用 過程中的維護。
[0051] 本發明的流化床反應器，廣泛應用于氣固相反應，尤其適用于納米碳材料的制備。
[0052] 為了更好地理解本發明，下面通過具體的實施例對本發明的流化床反應器及其應 用進一步說明。
[0053] 實施例1
[0054] 利用化學氣相沉積制備碳納米管，反應設備采用圖1所示的流化床反應器（該流 化床反應器為變徑流化床反應器）。
[0055] 將一定粒徑的生長碳納米管的催化劑粒子從反應管100的進氣管410處投入流化 床反應器內部的布氣板500上；在進氣管410處通入載氣，調整載氣流速，使布氣板500上 的催化劑粒子能夠在反應管100的加熱區形成返混良好的渦流化流體；開啟加熱組件700， 然后在載氣中加入化學氣相沉積所需的含碳原料氣體；調節氣體流速，使得生成的碳納米 管顆粒能夠持續流化。由于生成的碳納米管顆粒密度小于催化劑粒子的密度，因此，生成的 碳納米管顆粒會浮動到反應管1〇〇的上部，但由于反應管1〇〇的在此處直徑變大，流體速度 降低，所以生成的碳納米管顆粒在此處重力與浮力平衡重新達到穩定的流化狀態。反應結 束后，首先停止含碳原料氣體的通入，然后關閉加熱組件700,再停止載氣的通入，最后取出 反應產物。此方法適合小批量制備碳納米管。
[0056] 此外，可將流化床反應器中的氣固分離篩網600去除，在尾氣管310后端連接旋風 分離裝置，由進氣管410噴入催化劑，從而實現碳納米管的連續制備，進行大規模的工業化 生產。
[0057] 通過本發明的流化床反應器制備的碳納米管，與以往相比，具有更高的轉化效率， 得到的碳納米管的大小分布更均勻。
[0058] 實施例2
[0059] 利用熱裂解法制備多孔碳，反應設備采用圖1所示的流化床反應器（該流化床反 應器為變徑流化床反應器）。
[0060] 將一定粒徑的制備多孔碳的前驅體粒子從從反應管100的進氣管410處投入流化 床反應器內部的布氣板500上；在進氣管410處通入載氣，調整載氣流速，使布氣板500上 的前驅體粒子能夠在反應管100的加熱區形成返混良好的渦流化流體；開啟加熱組件700， 調節至熱裂解的反應溫度。由于生成的多孔碳顆粒密度小于前驅體粒子的密度，因此，生成 的多孔碳顆粒會浮動到反應管100的上部，但由于反應管100的在此處直徑變大，流體速度 降低，所以生成的多孔碳顆粒在此處重力與浮力平衡重新達到穩定的流化狀態。反應結束 后，首先關閉加熱組件，然后停止載氣的通入，再取出反應產物。此方法適合小批量制備多 孔碳。
[0061] 此外，可將流化床反應器中的氣固分離篩網600去除，在尾氣管310后端連接旋風 分離裝置，由進氣管410噴入前驅體粒子，從而實現多孔碳的連續制備，進行大規模的工業 化生產。
[0062] 通過本發明的流化床反應器制備的多孔碳，與以往相比，具有更高的轉化效率，得 到的多孔碳的孔徑分布更均勻。
[0063] 以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并 不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保 護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1. 一種流化床反應器，包括反應管，其特征在于，所述反應管內設置有擾流部件； 所述擾流部件包括多組擾流葉片； 所述多組擾流葉片沿堅直方向固定在所述反應管的內部。
2. 根據權利要求1所述的流化床反應器，其特征在于，每組所述擾流葉片包括固定件 和2?20個葉片； 每個所述葉片包括自由端和固定端； 每個所述葉片通過所述固定端固定在所述固定件的四周。
3. 根據權利要求2所述的流化床反應器，其特征在于，所述2?20個葉片以所述固定 件為中心對稱分布。
4. 根據權利要求2所述的流化床反應器，其特征在于，每個所述葉片為平面結構； 所述平面結構的葉片傾斜固定在所述固定件上。
5. 根據權利要求4所述的流化床反應器，其特征在于，每個所述葉片所在的平面與所 述固定件的軸線之間的夾角為15°?65°。
6. 根據權利要求2所述的流化床反應器，其特征在于，每個所述葉片為曲面結構； 所述曲面結構的葉片堅直或傾斜固定在所述固定件的四周。
7. 根據權利要求1?6任一項所述的流化床反應器，其特征在于，所述多組擾流葉片固 定在所述反應管的內側壁。
8. 根據權利要求1?6任一項所述的流化床反應器，其特征在于，所述擾流部件還包括 擾流軸； 所述擾流軸固定在所述反應管的軸線上； 所述多組擾流葉片固定在所述擾流軸上。
9. 根據權利要求1所述的流化床反應器，其特征在于，相鄰兩組所述擾流葉片之間的 距離相等。
10. -種權利要求1?9任一項所述的流化床反應器的在納米碳材料制備中的應用。
【文檔編號】C23C16/26GK104096519SQ201410362776
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】諶春林, 張建, 陳翔, 王新昕 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所