本申請涉及流化反應(yīng)器，尤其涉及一種多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)及其加熱控制方法。

背景技術(shù)：

1、近年來光熱催化技術(shù)在能源和環(huán)境領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。該過程成依賴催化劑吸收光能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能來驅(qū)動反應(yīng)，避免了反應(yīng)器的整體加熱，使得反應(yīng)條件更為溫和。同時，光的輔助作用也使得催化劑展現(xiàn)出顯著高于單純的光催化或熱催化活性的性能。然而，現(xiàn)有的光熱反應(yīng)器多為固定床式，存在受光面積小、傳熱效率低等問題，難以實現(xiàn)光熱催化產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。而流化床反應(yīng)器（fluidized?bed?reactor，fbr）是一種通過氣體或液體高速通過固體顆粒（通常是催化劑或反應(yīng)物）而使其懸浮在類流體狀態(tài)的反應(yīng)設(shè)備，在流化床中，氣固相反應(yīng)主要發(fā)生在顆粒物料與反應(yīng)氣體之間的界面上。由于顆粒的不斷運動和混合，反應(yīng)界面不斷更新，從而減少了催化劑對光的遮擋，提高了光的利用效率。

2、現(xiàn)有光熱流化床反應(yīng)器為單級結(jié)構(gòu)，不適用于化學(xué)鏈反應(yīng)過程。因此，提供一種能夠適用于化學(xué)鏈反應(yīng)過程的高效光熱反應(yīng)系統(tǒng)，是本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明第一方面的一個目的是提供一種多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)鏈反應(yīng)的高效進(jìn)行和催化劑的循環(huán)利用。

2、本發(fā)明的另一個目的是充分發(fā)揮光熱協(xié)同作用。

3、本發(fā)明的進(jìn)一步的一個目的是適應(yīng)多場景化學(xué)鏈催化過程和大規(guī)模生產(chǎn)。

4、本發(fā)明第二方面的一個目的是提供一種用于上述多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)的加熱控制方法，能夠在保證反應(yīng)高效進(jìn)行的同時，節(jié)省能耗。

5、本發(fā)明的實施例提供了一種多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)，包括：

6、再生器，用于通入催化劑和第一反應(yīng)氣體，所述催化劑在所述第一反應(yīng)氣體作用下形成流化床層并進(jìn)行再生，所述再生器設(shè)有用于透過光照的第一透光區(qū)域；

7、第一加熱器，用于加熱所述再生器；

8、提升管反應(yīng)器，與所述再生器通過第一管道連接，以通入所述催化劑，所述第一管道上設(shè)有第一控制閥，所述提升管反應(yīng)器還用于通入第二反應(yīng)氣體，以生成下游產(chǎn)品，所述提升管反應(yīng)器設(shè)有用于透過光照的第二透光區(qū)域；

9、第二加熱器，用于加熱所述提升管反應(yīng)器；

10、沉降器，與所述提升管反應(yīng)器相連，用于沉降所述催化劑和排出所述下游產(chǎn)品，所述沉降器還通過第二管道與所述再生器連接，以將所述催化劑回流至所述再生器，所述第二管道上設(shè)有第二控制閥。

11、進(jìn)一步地，多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)還包括旋風(fēng)分離器，其兩端與所述再生器均連通，所述旋風(fēng)分離器用于分離氣體和所述催化劑。

12、進(jìn)一步地，多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)還包括用于存儲所述催化劑的存儲罐，所述存儲罐與所述再生器通過第三管道相連，所述第三管道上設(shè)有第三控制閥。

13、進(jìn)一步地，多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)還包括：

14、第一流量計，用于檢測所述第一反應(yīng)氣體的流量；

15、第一壓力傳感器，用于檢測所述再生器內(nèi)的壓力；

16、第一溫度傳感器，用于檢測所述再生器內(nèi)的溫度；

17、第二流量計，用于檢測所述第二反應(yīng)氣體的流量；

18、第二壓力傳感器，用于檢測所述提升管反應(yīng)器內(nèi)的壓力；

19、第二溫度傳感器，用于檢測所述提升管反應(yīng)器內(nèi)的溫度。

20、進(jìn)一步地，所述第一透光區(qū)域和所述第二透光區(qū)域的材料為石英。

21、進(jìn)一步地，所述第一加熱器和所述第二加熱器均為加熱套。

22、進(jìn)一步地，所述第一加熱器和所述第二加熱器均設(shè)置為可升降的。

23、特別地，本發(fā)明的一個實施例還提供了用于上述任一項所述的多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)的加熱控制方法，包括：

24、檢測所述再生器內(nèi)的第一當(dāng)前溫度、所述提升管反應(yīng)器內(nèi)的第二當(dāng)前溫度以及當(dāng)前的光照強度；

25、根據(jù)所述第一當(dāng)前溫度和光照強度的變化控制所述第一加熱器的目標(biāo)加熱功率和目標(biāo)高度；

26、根據(jù)所述第二當(dāng)前溫度和光照強度的變化控制所述第二加熱器的目標(biāo)加熱功率和目標(biāo)高度。

27、進(jìn)一步地，根據(jù)所述第一當(dāng)前溫度和光照強度的變化控制所述第一加熱器的目標(biāo)加熱功率和目標(biāo)高度的步驟中，以所述第一加熱器的目標(biāo)加熱功率和高度變化所需要的功率的和最小為控制目標(biāo)。

28、進(jìn)一步地，根據(jù)以下公式確定所述第一加熱器的目標(biāo)加熱功率和目標(biāo)高度：

29、；

30、；

31、；

32、；

33、其中，為反應(yīng)溫度對應(yīng)的需求熱量，是當(dāng)前的光照強度，是變化后的光照強度，是第一透光區(qū)域的高度，是當(dāng)前第一加熱器覆蓋所述第一透光區(qū)域的高度，是所述第一加熱器的目標(biāo)高度，是當(dāng)前光照提供的熱量，是光照功率系數(shù)，是當(dāng)前所述第一加熱器提供的熱量，是當(dāng)前所述第一加熱器的功率，是加熱功率系數(shù)，是所述第一加熱器從升高至所需的功率，提升功率系數(shù)。

34、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)，通過將流化床（即再生器內(nèi)的形態(tài)）和提升管反應(yīng)器的耦合設(shè)計，實現(xiàn)了化學(xué)鏈反應(yīng)的高效進(jìn)行和催化劑的循環(huán)利用。該系統(tǒng)可以耦合氣固相流化床（即再生器）和提升管反應(yīng)器，使得反應(yīng)氣與催化劑充分接觸，具有傳質(zhì)傳熱效率高的優(yōu)點。

35、進(jìn)一步地，由于再生器和提升管反應(yīng)器分別設(shè)有透光區(qū)域和加熱器，因此能夠充分發(fā)揮光熱協(xié)同作用，同時解決現(xiàn)有光熱流化床反應(yīng)器無法適用于化學(xué)鏈反應(yīng)的痛點問題，例如化學(xué)鏈反應(yīng)合成氨的問題。

36、進(jìn)一步地，該系統(tǒng)還可實現(xiàn)催化劑反應(yīng)—再生、吸熱—放熱等耦合過程，適用于光催化、熱催化、光熱協(xié)同催化反應(yīng)等多種場景的化學(xué)鏈催化過程，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

37、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，還提供了一種上述多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)的加熱控制方法，通過提前標(biāo)定的各個功率與熱量之間的關(guān)系，確定出相應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)，然后以每個加熱器的目標(biāo)加熱功率與高度變化所需要的功率的和最小為控制目標(biāo)，得出各個加熱器的目標(biāo)加熱功率和目標(biāo)高度，從而實現(xiàn)保持反應(yīng)溫度恒定和輸入功率最小化的目的，從而在保證反應(yīng)高效進(jìn)行的同時，降低了輸入能耗，節(jié)省了能耗。

技術(shù)特征：

1.一種多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，還包括旋風(fēng)分離器，其兩端與所述再生器均連通，所述旋風(fēng)分離器用于分離氣體和所述催化劑。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于存儲所述催化劑的存儲罐，所述存儲罐與所述再生器通過第三管道相連，所述第三管道上設(shè)有第三控制閥。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，還包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透光區(qū)域和所述第二透光區(qū)域的材料為石英。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一加熱器和所述第二加熱器均為加熱套。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一加熱器和所述第二加熱器均設(shè)置為可升降的。

8.一種用于權(quán)利要求1-7中任一項所述的多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)的加熱控制方法，其特征在于，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的加熱控制方法，其特征在于，根據(jù)所述第一當(dāng)前溫度和光照強度的變化控制所述第一加熱器的目標(biāo)加熱功率和目標(biāo)高度的步驟中，以所述第一加熱器的目標(biāo)加熱功率和高度變化所需要的功率的和最小為控制目標(biāo)。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的加熱控制方法，其特征在于，根據(jù)以下公式確定所述第一加熱器的目標(biāo)加熱功率和目標(biāo)高度：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種多級流化循環(huán)反應(yīng)系統(tǒng)及其加熱控制方法，屬于流化反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括：再生器，用于通入催化劑和第一反應(yīng)氣體，催化劑在第一反應(yīng)氣體作用下形成流化床層并進(jìn)行再生，再生器設(shè)有第一透光區(qū)域；第一加熱器，用于加熱再生器；提升管反應(yīng)器，與再生器通過第一管道連接，第一管道上設(shè)有第一控制閥，提升管反應(yīng)器還用于通入第二反應(yīng)氣體，以生成下游產(chǎn)品，提升管反應(yīng)器設(shè)有第二透光區(qū)域；第二加熱器，用于加熱提升管反應(yīng)器；沉降器，與提升管反應(yīng)器相連，用于沉降催化劑和排出下游產(chǎn)品，沉降器還通過第二管道與再生器連接，第二管道上設(shè)有第二控制閥。本發(fā)明夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)鏈反應(yīng)的高效進(jìn)行和催化劑的循環(huán)利用。

技術(shù)研發(fā)人員：張曉宏,馮凱,肖夢琦,何樂
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8