CN104436736A

CN104436736A - 多层逆流式旋转填充床

Info

Publication number: CN104436736A
Application number: CN201310429918.3A
Authority: CN
Inventors: 陈奕宏
Original assignee: HIGEE Co Ltd
Current assignee: HIGEE Co Ltd
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明公开一种多层逆流式旋转填充床装置，该装置包括一密闭的圆柱壳体、一贯穿该圆柱壳体的心轴、与两个以上的旋转填充床。该旋转填充床包括一个多孔内环、一个多孔外环、一界定于该多孔内环及该多孔外环之间之腔体、一个中空上盖、及一个底盘固定于该心轴上，和该旋转填充床的腔体内填充固体填充物质。每一个旋转填充床上方搭配一个管式散水盘，该管式散水盘包含一个中空圆环、一个中空圆盘、与一根以上的散水管。该中空圆环连接于该中空圆盘上，该散水管连接于该中空圆环的下方，该散水管的出水口位于该旋转填充床的多孔内环之内侧。本发明建构一多层逆流式旋转填充床装置，成功增加了气液质量传送的区域而提升气液质量传送的效果。

Description

多层逆流式旋转填充床

技术领域

本发明涉及一种气液接触装置，具体为一种多层逆流式旋转填充床，可应用于进行气液之间的质量传送等相关程序。

背景技术

超重力技术是强化气液质量传送程序之创新技术，利用超重力的环境来提高气液接触的比表面积与降低气液之间的质量传送阻力，达到提升气液质量传送速率与减少反应器体积之目的。超重力技术的主要作用机制为在比地球重力场高出数百倍至数千倍的离心加速度下，液体会在填充物的表面与孔隙处形成微小的液滴、液膜、及液丝进行由内径向外径的流动，一方面增加了气液接触的比表面积，也因为气液之间的微观混合作用而提高质量传送系数。一般来说相较于传统的气液接触装置，超重力反应器单位体积的质量传送速率可提高数十倍至数百倍，而显著减少反应器的设备体积。

然而传统所使用的旋转填充床反应器皆为单层旋转填充床装置，在相同的表面气体速度与表面液体速度下，若要提高气液之间的质量传送效果，通常只能增加旋转填充床的尺吋，然而过大的旋转半径会造成心轴与轴承的机械负担而容易坏损，因此使得单层旋转填充床装置的应用受到了限制。若能开发一种多层逆流式旋转填充床，则可显著增加其气液质量传送的区域进而提高质量传送的效率。

中国专利CN1325137C提出多层折流式旋转床装置，然而使用折流板可能会浪费部分填充床的空间，而使得反应器单位体积的质量传送效果较差。中国专利CN101306258B提出多层错流式旋转填充床，利用受液盘与降液管来将液体导入下一层的错流式旋转填充床中，但是错流式旋转填充床的质量传送效果通常都比逆流式旋转填充床来得差，而且所使用的降液管会经过壳体的外部而比较容易造成热能的损失。CN101745245B揭露一种多级逆流式旋转床反应精馏装置及其应用，其旋转盘上沿径向间隔设有一组同心且直径各异的动填料环，各动填料环之间的环形间隙内有固定于静止盘上的静环；动填料环中填料包括催化剂填料或丝网填料。此一技术虽然对于习知技术有所贡献，惟其技术手段及功效仍具有改善的空间。

发明内容

本发明提出一种多层逆流式旋转填充床装置，解决传统单层旋转填充床的气液质量传送区域受到限制的情况，可以大幅增加气液质量传送的区域，而达到提高气液质量传送效率之目的。

本发明采用的技术方案：

一种多层逆流式旋转填充床装置，该装置包括一密闭的圆柱壳体与一贯穿该圆柱壳体的心轴，两个以上的旋转填充床由上而下依序排列在该圆柱壳体内。该圆柱壳体由上盖、中空圆柱外壳、及底板所构成，该中空圆柱外壳的下方侧壁有一个气体进入口与该底板有一个液体排出口，该上盖有一个气体排出口与一个液体进入口。该旋转填充床包括一个多孔内环、一个多孔外环、一个中空上盖、及一个底盘固定于该心轴上，和该旋转填充床的腔体内填充固体填充物质。每一个旋转填充床上方搭配一个管式散水盘，该管式散水盘包含一个中空圆环、一个中空圆盘、与一根以上的散水管。该中空圆环连接于该中空圆盘上，该散水管连接于该中空圆环的下方，该散水管的出水口位于该旋转填充床的多孔内环之内侧。该心轴系利用一马达进行驱动，使得该旋转填充床可以相对该圆柱壳体进行旋转。

本案提供之旋转填充床装置，将可藉由下列实施方式说明及附图而进一步了解。

附图说明

图1是多层逆流式旋转填充床装置之结构示意图。

图2是管式散水盘之结构示意图。

图3是多层逆流式旋转填充床装置进行水中氨氮气提的***示意图。

具体实施方式

本发明的多层逆流式旋转填充床装置结构如图1所示，包括：密闭且较佳为圆柱形之壳体100；若干／至少两个旋转填充床200，其设于该壳体100内，且可相对于该壳体100旋转。

壳体100包括上盖110、中空外壳120、及底板130；上盖110及底板130分别与中空外壳120之上缘、下缘结合。中空外壳120之外形配合上盖110及底板130，而使壳体100较佳呈圆柱形。一心轴140穿过该圆柱壳体100正中央，贯穿该上盖110及底板130。该心轴140系利用一马达驱动进行旋转，使得该旋转填充床200可相对于该圆柱壳体100进行旋转。该心轴140在通过该上盖110和底板130处设有轴封150。一气体进入口122设于该壳体100的下方(或更明确言之，中空外壳120的下方)之一侧壁上。该底板130设有一个液体排出口132。该上盖110设有一液体进入口112及一气体排出口114。

各旋转填充床200包括一个多孔内环210、一个多孔外环220、一个中空上盖230、及一个底盘240。该多孔内环210、多孔外环220、中空上盖230、及底盘240可受该心轴140带动而相对于壳体100进行旋转。根据本发明一较佳实施例，该多孔外环220及该多孔内环210则与该底盘240耦合、而该底盘240与该心轴140耦合。该旋转填充床200具有一腔体，该腔体内以固体填充物260填充，该固体填充物260的材质可选用不锈钢、纤维、氧化铝、树脂、塑料、沸石、硅胶、活性炭、铁氟龙等至少其中之一，其中以不锈钢材质较佳。该多孔内环210与该多孔外环220之间藉由若干孔洞相互连通。每一个散水盘下方都搭配一个旋转填充床200，该散水盘用以接收来自于上方的液体。该散水盘较佳为管式散水盘270。各管式散水盘270上的一用来接收液体的接收空间与下方该旋转填充床200之腔体间以一第一流体路径形成流体连通，而允许管式散水盘270上的液体，经由该第一流体路径进入该旋转填充床200之腔体。该腔体界定一第二流体路径，该第二流体路径之第一端透过多孔内环210与第一流体路径流体连通，且该第二流体路径之第二端透过多孔外环220与一位于中空外壳120与旋转填充床200间之一收集空间流体连通。藉此，来自第一流体路径的液体，可藉由旋转填充床200旋转时的离心力，流经第二流体路径穿过多孔外环220而喷洒在收集空间之一收集壁上，以便收集。图1所示较佳实施例中，该中空外壳120之内壁为该收集壁。旋转填充床200之数量依实际需求而定。图式中之实施例为三个由上而下依序排列在该圆柱壳体100内之旋转填充床200。

请同时参照图1及图2。如图2所示，该管式散水盘270较佳包含一个中空圆环272、一个中空圆盘274、与若干界定该第一流体路径之散水管276。管式散水盘270在中空圆盘274上方设有该可让气体通过与用来接收液体之接收空间。该中空圆盘274连接于该中空圆环272上。该中空圆环272的下方与该中空上盖230之间较佳设有轴封250。该散水管276之一第一端连接于该中空圆环272，该第一端之孔口278通过该中空圆环272而与该用来接收液体之接收空间相连通，使该中空圆盘274上的液体能进入该散水管276中。如图1所示，该散水管276的一第二端向下延伸至该旋转填充床的多孔内环210之内侧，而使该第二端之孔口位于该旋转填充床的多孔内环210之内侧。此结构确保散水管276的第二端与进入该旋转填充床200之腔体流体相连通。藉此，该散水管276的该第二端与该腔体所界定的第二流体路径形成流体连通。图式中散水管276向下配置，为实施本案之一较佳实施例。为达到更好的液体分散效果，较佳每根散水管276的第二端之孔口位置不同，以确实将液体进行分散并导入该旋转填充床200之腔体中。图中所示之散水管276有十根，仅为示意；实际数量可因应不同需求调整。根据前述实施例，随着旋转填充床200运转时，来自管式散水盘270的液体在通过该散水管276所形成的第一流体路径向下流动后，进入该旋转填充床200后藉离心力而径向流经第二流体路径，而喷洒在中空外壳120之内壁，完成液体之处理以供收集。该腔体内之固体填充物260有助于该旋转填充床200运转时使该腔体内的液体能平均分布。

本发明用于气提水中氨氮的程序，可参考图3之***所示。首先，将氨氮水溶液储槽310中的液体藉由帮浦320与液体流量计330控制液体流量，并导入多层逆流式旋转填充床340内。同时利用一台送风机350将空气抽入该多层逆流式旋转填充床340中，藉由此气提程序将水中的氨氮传输至空气中，处理后的水溶液收集至出流水储水槽360中。

实施例

使用本发明进行多层(三层)逆流式旋转填充床气提水中氨氮的试验，床内固体填充物为不锈钢丝网；旋转填充床内直径240mm、外直径580mm、每一个旋转填充床200的轴向高度(h)150mm。可计算旋转填充床200的平均半径r_avg，如式(一)所示：

r_avg=2(r₁ ²+r₁r₂+r₂ ²)/[3(r₁+r₂)] 式(一)

其中，r₁与r₂分别为旋转填充床200的内半径与外半径。旋转填充床的径向平均截面积可计算为2πr_avg h。

表面气体速度=气体流量/平均截面积；表面液体速度=液体流量/平均截面积。超重力因子定义为旋转填充床200之离心加速度与重力加速度(g)的比值，超重力因子的计算式为ω²r_avg/g，其中ω为旋转填充床200转速(rad/s)。

首先在氨氮水溶液储槽310中，配置浓度为2,410-3,195mg/L-N的氯化铵水溶液，并加入液碱将pH值调整至11.5-12.0之间，使其转换成氨氮(NH₃-N)形式。利用马达驱动使旋转填充床200以600rpm进行旋转。开启送风机350将空气抽入该多层逆流式旋转填充床340中，藉由气体流量计370控制空气流量在10,000-12,000L/min。最后藉由帮浦320与液体流量计330，将氨氮水溶液储槽310中的液体导入多层逆流式旋转填充床340中进行气提试验，所得相关试验数据如表1所示。

表1

对照组

以传统单层旋转填充床进行水中氨氮的气提试验，床内填充物为不锈钢丝网；旋转填充床内直径71mm、外直径165mm、轴向高度21.5mm。配置浓度为919-1,045mg/L-N的氯化铵水溶液，并加入液碱将pH调整至11.5-12.0之间。操作参数：气体流量30-90L/min、液体流量0.025-0.1L/min、与转速1,200rpm，最后将液体藉由帮浦导入单层旋转填充床进行气提，所得相关试验数据如表2所示。

表2

由表1及表2可知，本发明的实施例相较于对照组有较大的表面气体速度与表面液体速度，表示本发明的实施例施予较大的氨氮处理负荷量，由实验结果可发现本发明显著获得较佳的水中氨氮气提去除率。举例而言在气液比为1,447和1,909的操作条件下，本发明水中氨氮气提的去除率为84.0%和91.8%，而传统单层旋转填充床在气液比为1,800时，水中氨氮气提的去除率仅为70.1%，证实本发明相较于传统单层旋转填充床因为能提供较大的气液质量传送区域，而获得较佳的水中氨氮气提去除率。

主要组件符号说明

100 壳体

110 上盖

112 液体进入口

114 气体排出口

120 中空圆柱外壳

122 气体进入口

130 底板

132 液体排出口

140 心轴

150 轴封

200 旋转填充床

210 多孔内环

220 多孔外环

230 中空上盖

240 底盘

250 轴封

260 固体填充物

270 管式散水盘

272 中空圆环

274 中空圆盘

276 散水管

278 孔口

310 氨氮水溶液储槽

320 帮浦

330 液体流量计

340 多层逆流式旋转填充床

350 送风机

360 出流水储水槽

370 气体流量计

Claims

1.一种多层逆流式旋转填充床装置，包括：

一密闭之壳体(100)，其界定一中空外壳(120)，并设有至少一液体进入口(112)及一气体排出口(114)；

一贯穿该密闭之壳体的心轴(140)；

若干旋转填充床(200)，其设于该密闭之壳体(100)内、并在该心轴上形成多层配置、且可相对于该密闭之壳体(100)旋转；

其特征在于：

每一旋转填充床(200)包括：

一散水盘(270)，具有一用来接收来自上方液体之接收空间；

一旋转填充床(200)之腔体，该腔体内以固体填充物(260)填充之；

其中：

该散水盘之该接收空间与下方该旋转填充床(200)之该腔体间以一第一流体路径流体连通；

该腔体界定一径向之第二流体路径，该第二流体路径之一第一端与该第一流体路径流体连通；该第二流体路径之一第二端与一收集空间流体连通，该收集空间包括一收集壁。

2.如权利要求1之多层逆流式旋转填充床装置，其中：

该壳体进一步包括一气体进入口(122)及一液体排出口(132)。

3.如权利要求1之多层逆流式旋转填充床装置，其中：

该散水盘为管式散水盘，该管式散水盘包括界定该第一流体路径之若干散水管，每一散水管具有一第一端及一第二端。

4.如权利要求1之多层逆流式旋转填充床装置，其中：

该第一流体路径为向下延伸。

5.如权利要求3之多层逆流式旋转填充床装置，其中：

该管式散水盘进一步包括相互连接之一中空圆环及一中空圆盘，该散水管之该第一端连接于该中空圆环，而与该接收空间流体连通；且

该每一散水管的该第二端延伸到接近下方旋转填充床之该多孔内环而与旋转填充床之该腔体流体相连通。

6.如权利要求1-5之任一项之多层逆流式旋转填充床装置，其中：

该收集空间位于该中空外壳与该旋转填充床间，该中空外壳之一内壁界定该收集壁。

7.如权利要求1-5之任一项之多层逆流式旋转填充床装置，其中：

该固体填充物系选自从下列材质构成之群组的至少其中之一：不锈钢、纤维、氧化铝、树脂、塑料、沸石、硅胶、活性炭、铁氟龙。

8.如权利要求3之多层逆流式旋转填充床装置，其中：

各散水管的该第二端的位置不同。

9.一种多层逆流式旋转填充床装置，包括：

一贯穿该密闭之壳体的心轴(140)；

若干旋转填充床(200)，其设于该密闭之壳体(100)内、并安装于该心轴上、且可相对于该密闭之壳体(100)旋转；

其特征在于：

每一旋转填充床(200)包括：

一多孔内环(210)、一多孔外环(220)、及一界定于该多孔内环(210)及该多孔外环(220)之间之腔体；

一管式散水盘(270)，其包括一用来接收来自上方液体之接收空间；该管式散水盘(270)包括界定该第一流体路径之若干散水管(276)，每一散水管(276)具有一第一端及一第二端。

其中：

该管式散水盘(270)之该接收空间与下方旋转填充床(200)之该腔体之间藉由该散水管(276)流体连通；

该腔体与一形成于该腔体及该中空外壳(120)之一收集空间流体连通，该收集空间包括一收集壁。

10.一种旋转填充床(200)，系用于安装于一多层逆流式旋转填充床装置之一心轴(140)，并可受该心轴(140)带动而相对于该多层逆流式旋转填充床装置之一壳体(100)旋转，

其特征在于：

该旋转填充床(200)包括：

一多孔内环(210)、一多孔外环(220)、一界定于该多孔内环(210)及该多孔外环(220)之间之腔体、一中空上盖(230)、及一底盘(240)；其中：

该多孔内环(210)耦合于该中空上盖(230)及该底盘(240)；

该多孔外环(220)耦合于该中空上盖(230)及该底盘(240)；

一设于该腔体之外侧之管式散水盘(270)，其包括：

相互连接之一中空圆环(272)及一中空圆盘(274)；

若干散水管(276)，每一散水管(276)具有一第一端及一第二端；该第一端连接于该中空圆环(272)以接受来自上方之液体，该第二端延伸到下方该多孔内环(210)之内侧而与该旋转填充床(200)之该腔体流体相连通。