CN101862632B - 一种半循环式气液多相流接触方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半循环式气液多相流接触方法，特别涉及一种包括使用气相引入及分散***、半循环管路及其控制***、相接触及分离***的气液多相流接触方法。通过本发明方法，可以让多台相接触及分离设备间既具有串联关系，又同时具有并联关系。本发明方法可用于有气体参与的石油、化工、环保等领域的非均相接触过程。

Description

一种半循环式气液多相流接触方法

技术领域

本发明涉及一种半循环式气液多相流接触方法，特别涉及一种包括使用气相引入及分散***、半循环管路及其控制***、相接触及分离***的气液多相流接触方法。本发明可用于气体吸收、气—液非均相反应、以气体为介质的液相组分吹脱等有气体参与的石油、化工、环保等领域的非均相接触过程。

背景技术

在化工生产和环保处理等实验和生产中，经常会遇到有气体参与的非均相过程，目前的实现办法主要是采用管式、塔式或多级串联的鼓泡釜式工艺。但是，由于具体应用物系的不同及过程目的的不同，这些方法在实际应用中往往会具有一定的局限性。

目前工业应用中具有代表性的气液接触过程主要有氯化反应(如以氯气或氯化氢为原料气的氯化过程)、加氢反应、氧化反应、原料气纯化(如原料气脱硫、脱二氧化碳等)、废气净化(如排放气脱氯酚、脱硫醇等)、料液气提脱杂(如氮气吹脱料液中的氯化氢等)等。为实现气液相接触及分散，需要克服静压阻力和流动传输阻力，这往往要求气相入口具有较高的压力。在从入口到出口有限的距离中，气液相平均接触时间短，气相路径单一且不可控，一旦气相从出口流出，由于压力降的存在，便难以返回到原来的相接触***。为提高气液两相的传质程度和效果，充分提高或降低目的物在气相中的浓度，尤其当气相为氯气、氯化氢等有毒有害气体时，只能据传质速度控制情况，采用降低气体进入速度、增大气液相界面或延长平均气液接触时间等手段。

在气液多相流接触过程中，气液接触的相界面面积、气体在液相中的平均保留时间是两个关键的指标，而这两个指标综合表现为过程气体单耗的多少和设备处理能力的大小，进而影响到最终产品的质量与成本，甚至会导致整个生产工艺的不可行。吾满江等设计了一种用于气液反应的装置(ZL200520004702.3)，采用鼓泡填料柱来实现气液接触反应，但在应用过程中，气体在填料柱不同部位的充分供应和充分吸收难以两全，这将直接影响到设备的设计和使用控制。张金刚等设计了一种气液/气液固反应装置(ZL200820124219.2)，利用搅拌形成的负压来实现气液的充分接触，肖进等人设计了一个离心式气液反应装置，利用离心风机来向液体中引入气体，二者均存在设备结构复杂、气体吸入量小且难以控制等问题。此外，如何实现多级串联反应釜的气体充分供应与利用，这些报道也没有考虑。

构建一个具有较好适用性、可控且高效的气液多相流接触方法，不仅可以提高原有生产的效率，还能进一步拓展气液多相流过程在化工、环保等领域的工业化应用范围，甚至解决有关的工业化瓶颈问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种半循环式气液多相流接触方法。本发明可用于气体吸收、气—液非均相反应、以气体为介质的液相组分吹脱等有气体参与的石油、化工、环保等领域的非均相接触过程。

本发明的半循环式气液多相流接触方法，包括使用气相引入及分散***，半循环管路及其控制***，相接触及分离***。所述的气液多相流可以是气体(或蒸汽)—液体所形成的两相流，也可以是包含有部分固形物(如催化剂)的气体(或蒸汽)—液体—固体所形成的多相流。

本发明所述方法所用到的气相引入及分散***，包括水冲泵(喷射泵)或气体压缩机，以及配套的管道、阀门等部件。气体引入功能可以利用水冲泵(喷射泵)或气体压缩机所产生的正向压差来实现。引入得到的气体可以通过水冲泵所产生的剪切力在液相中进行分散；当气体压力较大时，也可以通过曝气头以鼓泡形式在液相中进行分散。

本发明所述方法所用到的半循环管路及其控制***，除了包括流体输送所使用的管道、阀门，还可包括实际起到流体传输作用的其它设备空间。通过管路设置和阀门调节，可以让多台相接触设备间既具有串联关系，又同时具有并联关系，从而既能因串联关系而提高最终两相物质交换的程度，也能因并联关系避免流体供应的不足。同时这种半串半并关系的管路设置，还可实现多台设备间的压力平衡等功能。

本发明所述方法所用到的相接触及分离***可以是简单的具有一定容积及形状的容器设备***，也可以是在此基础上具有上述分散/分离功能强化装置的设备***。在相接触及分离***中，进入液相气体的分散程度也可以通过搅拌、泵动循环、附加挡板、设置导流筒等装置进行强化，同时也可延长气体在液相中的平均保留时间。当气液两相分离过程中因相互夹带可能会影响到生产时，可在相接触及分离***中设置气液分离区域划分挡板(或附件等)、添加气液分离器等来避免。

在各级相接触及分离设备中，液相可使用同一料液经与气相类似的液相半循环管路及其控制***来实现多级相接触，也可使用不同料液分别在各级相接触及分离***中与气相实现相接触。液相物料在釜间传递，可以采用液位差溢流形式或压差输送形式来实现。此外，各流体温度可通过设备夹套、盘管及管道换热器进行控制。

本方法的实现步骤为：

1)气体从气相半循环管路入口进入，在第一级气相引入及分散***作用下，气相被部分或全部引入，然后被分散并送入第一级相接触及分离***；

2)在相接触及分离***，气液多相流维持一定的相界面，完成设计的传质、传热及反应任务后实现分离，气相重新回到气相半循环管路；

3)在气相半循环管路及其控制***作用下，气相可部分返回第一级气相引入及分散***、部分进入下一级气相引入***，也可全部返回第一级气相引入及分散***或进入下一级气相引入及分散***；

4)在气相半循环管路及其控制***作用下，各级气相引入及分散***和相接触及分离***均进行相似的操作，分别完成各自设计的传质、传热及反应任务，最终气相经气相半循环管路及其控制***出口排出。

需注意的是，本发明所述方法的技术基础是半循环管路及其控制***。前面的过程表述是在分散相为气相，连续相为液相基础上进行的。本发明所述的半循环式气液多相流接触方法还包括分散相为液相(如喷淋、喷雾)或两相均为连续相(如升膜、降膜)的情况。此时，在半循环管路及其控制***基础上，通过调整各相流体引入方式、相接触主体设备即可实现。

本发明的有益效果是：1)以气体吸入***为动力，可引入低压气体到料液体系，当引入设备为喷射泵时，还可同时实现供气、破碎气泡和搅拌三个功能；2)在气体吸入***和循环管路及其控制***作用下，未吸收气体可在单台相接触及分离设备内循环，其中可凝性组分可经冷凝器去除；3)当液相为同一料液时，由于反应吸收和尾气排放的作用，通过半循环管路及其控制***，单台相接触及分离设备内循环的气相又可在相接触及分离设备间与溢流液相呈逆流流动；4)除去逆流流动的气体，每个相接触及分离设备内反应所需的气体的欠缺部分可由半循环管路及其控制***以并联形式提供，这既保证了气体供应，又避免了循环气量过大导致的气体吸入设备高负荷和过多能耗；5)通过半循环管路及其控制***，平衡了各级相接触及分离设备内的压力，为溢流过程的实现及稳定运行提供了保障。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是采用水冲泵(喷射泵)为气相提供动力的流程框图。

图2是采用气体压缩机为气相提供动力的流程框图。

图3是采用喷淋强化气液接触的流程框图。

图中，01、气相总管单元入口，02、单元循环气入口，03、反应设备气相入口，04、气相分散口，05、反应设备气相出口，06、单元循环气出口，07、气相总管出口，08、单元液相入口，09、单元循环液相出口，10、气相循环设备液相入口，11、液相内循环出口，12、单元液相出口，13、反应设备，14、液相循环泵，15、气相循环设备，1#、气液接触***第一单元，2#、气液接触***第二单元，3#、气液接触***第三单元。

具体实施方式

以图1为例：

如图1，气体从管路气相总管单元入口01进入半循环式气液多相流接触***的气液接触***第一单元，可经单元循环气入口02由反应设备气相入口03进入气相循环设备15，与液体一起从气相分散口04冲入反应设备13，在此完成气液接触后，从反应设备气相出口05流向单元循环气出口06完成一次循环，并可经气相总管出口07流向半循环式气液多相流接触***的后继单元或环节。液体从单元液相入口08进入反应设备13，在液相循环泵14的驱动下，可从单元液相入口09抽出，在气相循环设备液相入口10进入气相循环设备15，与气体一起从液相内循环出口11，此时液相内循环出口11与气相分散口04重合，冲入反应设备13完成1次循环，在此完成气液接触后，可从单元液相出口12流出，进入后继单元或环节。这里的气相循环设备15为水冲泵。

在具体应用中，单元循环气入口02到反应设备气相入口03管路可直接与反应设备13相通，并可视情况对管路进行简化或调整，如可将液相循环泵14设于反应设备13内部，单元循环气入口02直接与反应设备13；据情况可将单元循环气入口02和单元循环气出口06的位置进行调整，如位置交换；气体管路反应设备气相出口05到单元循环气出口06段可设置换热器，以控制气体温度，并可冷凝和分离所夹带的部分液相组分，分离出的液相可返回反应设备13或做它用；气体管路反应设备气相出口05到单元循环气出口06段还可设置气体干燥或净化装置，以保持气体的质量，避免由此带来的生产问题，如腐蚀设备管路，毒害催化剂等；气相管路单元循环气入口02到反应设备气相入口03段、反应设备气相出口05到单元循环气出口06段、单元循环气入口02到单元循环气出口06段、单元循环气出口06到气相总管出口07段可分别设置控制阀门，从而实现对***内压力、气体流向及气体流量的控制，当所设置阀门为常关时，可对其进行简化或调整，如不再设置该管段；液相循环管路单元液相入口09到气相循环设备液相入口10段可设置换热器，以更好地控制***温度；料液的进口单元液相入口08和单元液相入口09可据情况开在反应设备13的适当部位或单元液相入口09到气相循环设备液相入口10段管路上，以满足进排料的要求；各单元间可使用相互独立的液相体系，也可通过管路连接共用同一料液体系；反应设备13可设置气液分离器、导流筒、挡板、换热盘管、夹套、搅拌等功能强化装置，并据需要设置有关设备孔和口。半循环式气液多相流接触***可由多单元所构成，图1中是由两个单元构成的，各单元流程可完全相同或据实际情况分别进行简化或调整。

以图2为例：

气体从气相总管单元入口01进入半循环式气液多相流接触***的气液接触***第一单元，可以在气相循环设备15的驱动下由单元循环气入口02流向反应设备气相入口03，然后从气相分散口04冲入反应设备13，在此完成气液接触后，从反应设备气相出口05流向单元循环气出口06完成一次循环，并可以经气相总管出口07流向半循环式气液多相流接触***的后继单元或环节。液体从单元液相入口08进入反应设备13，在此完成气液接触后，可从09口流出，进入后继单元或环节。这里的气相循环设备15为压缩机。

在具体应用中，据情况可将单元循环气入口02到单元循环气出口06的位置进行调整，如位置交换；气体管路反应设备气相出口05到单元循环气出口06段可设置换热器，以控制气体温度，并可冷凝和分离所夹带的部分液相组分，分离出的液相可返回相接触及分离设备1或做它用；气体管路反应设备气相出口05到单元循环气出口06段还可设置气体干燥或净化装置，以保持气体的质量，避免由此带来的生产问题(如腐蚀设备管路，毒害催化剂等)；气相管路单元循环气入口02到反应设备气相入口03段、反应设备气相出口05到单元循环气出口06段、单元循环气入口02到单元循环气出口06段、单元循环气出口06到气相总管出口07段可分别设置控制阀门，从而实现对***内压力、气体流向及气体流量的控制，当所设置阀门为常关时，可对其进行简化或调整(如不再设置该管段)；气体的反应设备气相入口03和出口05可据情况开在反应设备13的适当部位，以满足进排气的要求；料液的单元液相入口08和反应设备气相出口05可据情况开在反应设备13的适当部位，以满足进排料的要求；各单元间可使用相互独立的液相体系，也可通过管路连接共用同一料液体系；反应设备13可设置喷头、气液分离器、导流筒、挡板、换热盘管、夹套、搅拌、填料、筛板、降液面或升液面等功能强化装置，并据需要设置有关设备孔和口；反应设备13还可配备循环泵、循环管路及喷头，以喷淋式设备出现。半循环式气液多相流接触***可由多单元所构成，如图2中由两个单元构成的，各单元流程可完全相同或据实际情况分别进行简化或调整。

下面通过3个实施例说明本发明。

实施例1

某车间排出含氯苯酚的有毒气体，使用具有两个处理单元的半循环式气液多相流接触***处理，吸气设备为水冲泵，吸收液为5％氢氧化钠水溶液，流程可参考附图1。

氯苯酚含量为500ppm的常压气体从管路气相总管单元入口01进入处理***的气液接触***第一单元，流量为300m³/h。气相循环设备15为水冲泵，水冲泵的吸气量为500m³/h，原料气经单元循环气入口02由反应设备气相入口03进入水冲泵，与氢氧化钠溶液一起从气相分散口04冲入吸收罐1，气体在罐内经气液分离后从反应设备气相出口05流向单元循环气出口06，在单元循环气出口06部分气体流向单元循环气入口02，部分气体流向气相总管出口07并进入第二处理单元，此时气体中氯苯酚的含量为10ppm。在气液接触***第二处理单元重复与气液接触***第一单元类似的气液接触过程，最后气体在气液接触***第二单元的气相总管出口07排出，排出气体中氯苯酚含量为0.1ppm。液体以串联形式与气体的总体流向呈逆流流动，从气液接触***第二单元的吸收罐进，至气液接触***第一单元的吸收罐出，控制流出液中氯苯酚的含量在30000ppm左右，流出液去车间回收氯苯酚。

实施例2

某设备排出含氨气的有毒气体，使用具有两个处理单元的半循环式气液多相流接触***处理，气液接触***第一单元的吸收液为水，气液接触***第二单元的吸收液为5％稀硫酸，吸气设备为鼓风机，气液多相流接触流程可参考附图2。

氨气含量为15％(v/v)的常压气体从管路气相总管单元入口01进入处理***的气液接触***第一单元，流量为200m³/h。气相循环设备15为鼓风机，鼓风机的鼓气量为300m³/h，风压为3.5m水柱，原料气经单元循环气入口02进入鼓风机，从反应设备气相入口03到达吸收罐下部的气相分散口04，经气相分散口04鼓泡分散于吸收罐底部，气体在罐内经气液分离后从反应设备气相出口05流向单元循环气出口06，在单元循环气出口06部分气体流向单元循环气入口02，部分气体流向气相总管出口07并进入气液接触***第二单元，此时气体中氨气的含量为2％(v/v)。在气液接触***第二单元重复与第一单元类似的气液接触过程，在气液接触***第二单元的气相总管出口排出的气体中氨气含量为0％(v/v)。气液接触***第一单元和气液接触***第二单元的料液各自独立调控，控制气液接触***第一单元料液中氨水浓度为20％，气液接触***第二单元料液中硫酸浓度为5％。气液接触***第一单元吸收罐流加吸收液为去离子水，流出液为20％氨水；气液接触***第二单元吸收罐流加吸收液为浓硫酸，定期清除吸收罐底部沉积的固体硫酸铵，并排出部分废液，循环泵出口设换热器控制料液温度为20℃。

实施例3

某设备排出含氯化氢的有毒气体，使用具有三个处理单元的半循环式气液多相流接触***处理，气液接触***第一单元和气液接触***第二单元的吸收液为水，气液接触***第三单元的吸收液为5％氢氧化钠水溶液，吸气设备为鼓风机，气液多相流接触流程可参考附图3。

氯化氢含量为30％(v/v)的常压气体从管路气相总管单元入口01进入处理***的气液接触***第一单元，流量为100m³/h。气相循环设备15为鼓风机，鼓风机的鼓气量为150m³/h，风压为3m水柱，反应设备13为喷淋吸收塔，原料气经单元循环气入口02进入鼓风机，由设于喷淋吸收塔下部的反应设备气相入口03进入，经0气相分散口4分散于喷淋吸收塔底部，气体在罐内经气液分离后从反应设备气相出口05流向单元循环气出口06，在单元循环气出口06部分气体流向单元循环气入口02，部分气体流向气相总管出口07并进入气液接触***第二单元，此时气体中氯化氢的含量为3％(v/v)。在第二和第三处理单元重复与第一单元类似的气液接触过程，在气液接触***第二单元的气相总管出口排出的气体中氯化氢含量为0.1％(v/v)，气液接触***第三单元的气相总管出口07排出的气体中氯化氢含量为0。气液接触***第一单元和气液接触***第二单元的料液串联流动，水从喷淋塔顶进入气液接触***第二单元，经循环泵支路打至气液接触***第一单元喷淋塔顶，最后该喷淋塔的循环泵支路以副产盐酸形式打回车间使用。气液接触***第三单元的稀碱独立调控，补充30％wt的工业液碱，定期清除喷淋塔底部沉积的固体氯化钠，并排出部分废液，循环泵出口设换热器控制料液温度为25℃。控制气液接触***第一单元料液中氯化氢浓度为30％，气液接触***第二单元料液中氯化氢浓度为10％，气液接触***第三单元料液中氢氧化钠浓度为5％。

Claims (5)

1.一种半循环式气液多相流接触方法，它包括使用气相引入***，半循环管路及其控制***，相接触及分离***，其步骤为：

1)气体从气相半循环管路入口进入，在第一级气相引入***作用下，气相被部分或全部引入，然后被分散并送入第一级相接触及分离***；

2)在相接触及分离***，气液多相流维持一定的相界面，完成设计的传质、传热及反应任务后实现分离，气相重新回到气相半循环管路；

3)在气相半循环管路及其控制***作用下，气相可部分返回第一级气相引入***、部分进入下一级气相引入***，或者全部返回第一级气相引入***或进入下一级气相引入***；

4)在气相半循环管路及其控制***作用下，各级气相引入***和相接触及分离***均进行相似的操作，分别完成各自设计的传质、传热及反应任务，最终气相经气相半循环管路及其控制***出口排出。

2.根据权利要求1所述的一种半循环式气液多相流接触方法，其特征是，所述气相引入***中引入功能利用水冲泵或气体压缩机实现，分散功能利用曝气头或流体剪切实现。

3.根据权利要求1所述的一种半循环式气液多相流接触方法，其特征是，所述相接触及分离***是具有搅拌、挡板、导流筒、气液分离器或区域划分装置的设备***。

4.根据权利要求1所述的一种半循环式气液多相流接触方法，其特征是，所述气液多相流是气体或蒸汽-液体所形成的两相流、包含有部分固形物的气体/蒸汽-液体-固体所形成的多相流。

5.根据权利要求1所述的一种半循环式气液多相流接触方法，其特征是，在各级所述相接触及分离***中，液相使用同一料液经与气相类似的液相半循环管路及其控制***实现多级相接触，或者使用不同料液分别在各级相接触及分离***中与气相实现相接触。

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