CN106732308A - 一种微鼓泡气液反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种化工设备，特别是涉及一种用于化学吸收或化学反应的微鼓泡气液反应器。该微鼓泡气液反应器，包括反应器壳体、液体分布器、气体分布器、溢流槽、液体出口气体出口，其中气体分布器上装有至少一个微气泡发生装置。本发明在低液体雷诺数下实现高效的气液混合和传质，大幅度减小液体返混，可以替代传统的搅拌鼓泡釜式反应器。

Description

一种微鼓泡气液反应器
技术领域
本发明涉及一种化工设备，特别是涉及一种用于化学吸收或化学反应的微鼓泡气液反应器。
背景技术
气液反应器广泛应用于氢化、氯化、磺化、烷基化、羰基化、尾气吸收等多种化工生产过程中。典型的气液反应器包括鼓泡塔反应器、搅拌鼓泡釜式反应器、板式反应器、填料塔式反应器、管式反应器、喷射反应器等。各种气液反应器的适用范围及优缺点各不相同，应根据化工过程的特点选择合适的反应器类型。其中，搅拌鼓泡釜式反应器是使用较多的一类气液反应器。然而，对于高温、高压的化学反应过程而言，搅拌釜式反应器中搅拌设备与设备壳体之间的连接密封是技术难点所在，长时间运行时存在易泄露、难维护等问题，运行、维护成本非常高。特别是对于带有腐蚀性介质的化工过程，这一问题更为突出。
利用气液射流的高速剪切作用和高效混合能力，可以替代传统的机械搅拌。中国专利CN101885678A使用液体循环替代机械搅拌，消除了机械搅拌带来的不稳定因素，实现了反应器内气液的高效混合，但是存在返混严重等问题。中国专利CN104815593A提出了一种带导流筒、置于塔底下部封头的气液分布器和液相喷射进料装置的鼓泡反应器，据称可以较好的解决返混问题。中国专利CN102019158提出了一种旋流与喷射同步的管式反应器，使得气液喷射混合与旋流静态混合同步进行，兼具管式反应器和喷射反应器的优点。该反应器利用气体压力推动液体流动，不适用于气液比较小的反应过程。无论是机械搅拌还是气液射流，必然会形成剧烈的液体湍流，造成较严重的返混。通过设置导流筒等方式可以在一定程度上缓解返混，但是不能完全解决该问题。
通过对传统鼓泡塔内传质过程的强化，也可以替代传统的机械搅拌。中国专利CN102489238提出了一种高效气液自混合反应器，通过特殊的三层环式气体分布器设计，实现了无搅拌情况下气液两相的均匀分布，而且可以调节反应停留时间，但是其混合、传质能力弱于传统的搅拌釜式反应器。究其原因，在于所形成的气泡尺寸较大，混合和传质能力较弱。因此，需要开发新型的传质过程强化方法，提高其混合和传质能力，解决返混问题。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供一种新型的微鼓泡气液反应器，通过使用多个具有微气泡发生功能的气体分布器，在低液体雷诺数下实现高效的气液混合和传质，大幅度减小液体返混，可以替代传统的搅拌鼓泡釜式反应器。
本发明提供了一种微鼓泡气液反应器，包括反应器壳体、液体分布器、气体分布器、溢流槽、液体出口和气体出口，其特征在于，气体分布器上装有至少一个微气泡发生装置。
基于上述技术方案，还可以进一步采用如下几方面的优选方式，且各优选方式中的技术特征在没有相互冲突的情况下均可进行相互组合，不构成限制。
作为一种优选方式，所述的微气泡发生装置由空心管和微孔材料组成，微孔材料具有纳米级或微米级的通道，包括但不限于烧结陶瓷、烧结金属、微孔塑料、微孔橡胶等；微气泡发生装置产生的平均气泡直径为1nm～10mm，优选为30μm～1mm；微孔材料为平面型、柱面型或球面型，优选平面型。
作为另一种优选方式，所述的微气泡发生装置数量按照如下原则确定：对气体分布器进气量Qgi与微气泡发生装置额定通气量Qg0的比值取整，此数值即为气体分布器上微气泡发生装置的数量ni，其中Qg0与微气泡发生装置出口的平均气泡直径有关，对确定体系为常数，且所述的微气泡发生装置在气体分布器上均匀分布。
作为另一种优选方式，所述的单个气体分布器上多个微气泡发生装置的安装方式有多种，通过调整安装方式，可以控制微气泡发生装置所产生的气泡的大小以及相邻微气泡发生装置之间的相互影响，从而更好地调整气泡的形态。下述方式可以通过调整三方面的参数来实现，第一方面是气体分布器表面与水平面的角度，第二方面是微气泡发生装置的延伸方向与气体分布器表面的角度，第三方面是微气泡发生装置以其底端为锥面顶点并沿锥面进行转动。一种优选的方式是气体分布器以及水平方向之间的角度相同，优选为0°～90°。此时，气体分布器与水平面平行，而不同微气泡发生装置与气体分布器的表面所成夹角相同，且微气泡发生装置的朝向可以相同也可以不同。另一种优选的方式是多个微气泡发生装置与气体分布器之间的角度相同，与水平方向之间的角度不同。此时，气体分布器与水平面呈一定角度设置，而不同微气泡发生装置与气体分布器的表面所成夹角相同，但微气泡发生装置可以通过以气体分布器表面的法线为中心轴旋转，从而在保持与气体分布器间的角度不变的同时，调整其与水平面间的角度。一种更优选的方式是多个微气泡发生装置与气体分布器之间的角度不同，与水平方向之间的角度相同。此时，气体分布器与水平面呈一定角度设置，而不同微气泡发生装置与气体分布器的表面水平面所成夹角相同，微气泡发生装置通过以水平面的法线(即铅垂线)为中心轴旋转，从而在保持与水平面间的角度不变的同时，调整其与气体分布器间的角度。
作为另一种优选方式，所述的液体分布器的数量至少为1个，优选位于反应器的下部，液体从反应器底部进入，从反应器上部经溢流槽后侧向排出；所述的气体分布器的数量至少为1个，优选为2～5个，且至少有1个气体分布器位于液体分布器的下方。未反应完的气体从反应器顶部排出，气液两相并流向上。如果只有一个液体分布器，则优选的方案是只有一个气体分布器位于液体分布器的下方；如果有多个液体分布器，则优选的方案是气体分布器和液体分布器交错排列，且保证最下面是气体分布器。
作为另一种优选方式，所述的气体分布器为圆环形、直管型、树枝型、圆板型，优选圆板型。所述的微气泡发生装置在气体分布器上均匀分布，优选的排布方式为正三角形排列或正方形排列。
作为另一种优选方式，通过调整相邻两个气体分布器之间的距离Hi和位于下方的气体分布器的进气量Qg，在微鼓泡的条件下保证Qg略大于实际反应消耗的气体量Qr，即可满足混合和传质的需求。相邻两个气体分布器之间的高度Hi满足如下条件：位于下方的气体分布器的进气量Qg大于或等于高度Hi反应区域内反应消耗的气体量Qr，优选为Qg≥1.2Qr。
作为另一种优选方式，如果多个气体分布器等间距排布，则沿气液流动方向布置的多个气体分布器的进气量Qg逐渐减小，安装的微气泡发生装置的数量也逐渐减少；如果多个气体分布器的进气量相同，则沿气液流动方向的相邻两个气体分布器的间距逐渐增大，安装的微气泡发生装置的数量相同。
在本发明提供的微鼓泡气液反应器中，利用微气泡比表面积大、气含率高、上升速度小、溶解速度快和传质效果好等特点，来强化鼓泡塔中的混合和传质。通过设置多个微鼓泡气体分布器和/或多个液体分布器，实现分段补气，在保证混合和传质效果的前提下，使得每段反应区具有较低的雷诺数，最大程度的减少了液体返混和气体消耗量。
本发明提供的技术方案具有如下优点：反应器结构简单，无动设备，不存在动机械密封问题；通气量小，反应器内流体分布均匀，混合效果好，传质效率高，液体返混小，有效避免了副反应的发生；能耗、单耗相对较低；可以替代传统的搅拌鼓泡釜式反应器、射流反应器和鼓泡反应器。
附图说明
图1是本发明提供的一种微鼓泡气液反应器的结构示意图；
图2是本发明提供的一种优选的微鼓泡气液反应器的结构示意图；
图3是本发明提供的另一种优选的微鼓泡气液反应器的结构示意图；
图4是本发明提供的另一种优选的微鼓泡气液反应器的结构示意图；
图5是本发明提供的一种微气泡发生装置的三种结构示意图。
具体实施方式
以下结合图1-5对本发明提供的微鼓泡气液反应器进行详细的说明。
如图1所示，本发明所提供的微鼓泡气液反应器的基本结构包括反应器壳体1、液体分布器2、气体分布器3、溢流槽4、微气泡发生装置5、液体出口6和气体出口7。其中，微气泡发生装置5安装在气体分布器3上。液体从位于反应器下部的液体分布器2进入，从位于上部的溢流槽4侧向排出；气体从位于反应器下部的气体分布器3进入，经微气泡发生装置5形成微气泡后进入液体床层，未反应完的气体从反应器顶部气体出口7排出。气液两相并流向上，利用气体分布器的分散作用和微气泡比表面积大、气含率高、溶解速度快和传质效果好的特点，实现良好的混合，达到较高的传质效率。由于气液流速较小，反应器内流体雷诺数较低，液体返混也较小。气体分布器3可以放置在液体分布器2上方，也可以放置在液体分布器2下方。为了提高反应器的容积利用率，优选的方案是将气体分布器3放置在液体分布器2下方。
本发明所指的微气泡一般是直径在1μm～1mm范围内的气泡。如果气泡直径小于1μm，则可称之为纳气泡。理论上来看，气泡直径直接影响气液反应器的混合和传质性能，微气泡发生装置产生的气泡尺寸越小，对混合和传质越有利，但是能耗也越大，而且纳尺度气泡不能稳定存在。为了达到较好的混合和传质效果，推荐的气泡直径为1nm～10mm，优选为30μm～1mm。
微气泡发生装置一般由空心管和微孔材料组成。微孔材料具有纳米级或微米级的通道，包括但不限于烧结陶瓷、烧结金属、微孔塑料、微孔橡胶等；微孔材料主要制成平面型、柱面型或球面型，如图5所示，优选为平面型。
一般而言，当微气泡发生装置所使用的材质、结构尺寸以及温度、压力等条件确定时，所产生的气泡尺寸与气体流量成正比。也就是说额定通气量Qg0与平均气泡尺寸之间存在一一对应关系。为了保证微气泡发生装置的出口气泡尺寸在要求的范围内，其通气量应该小于或等于额定通气量Qg0。根据这一原则，每个气体分布器上微气泡发生装置的数量按照如下步骤确定：
1.根据所要求的气泡尺寸确定微气泡发生装置额定通气量Qg0；
2.对气体分布器进气量Qgi与微气泡发生装置额定通气量Qg0的比值取整，此数值即为气体分布器上微气泡发生装置的数量ni。
如果只有一个液体分布器，则优选的方案是只有一个气体分布器位于液体分布器的下方；如果有多个液体分布器，则优选的方案是气体分布器和液体分布器交错排列，且保证最下面是气体分布器。
所述的单个气体分布器上多个微气泡发生装置的安装方式有多种。一种优选的方式是气体分布器以及水平方向之间的角度相同，优选为0°～90°；另一种优选的方式是多个微气泡发生装置5与气体分布器3之间的角度相同，与水平方向之间的角度不同；一种更优选的方式是多个微气泡发生装置与气体分布器之间的角度不同，与水平方向之间的角度相同。
所述的液体分布器2的数量至少为1个，优选位于反应器的下部，液体从反应器底部进入，从反应器上部经溢流槽后侧向排出；所述的气体分布器3的数量至少为1个，优选为2～5个，且至少有1个气体分布器3位于液体分布器的下方。未反应完的气体从反应器顶部排出，气液两相并流向上。如果只有一个液体分布器，则优选的方案是只有一个气体分布器3位于液体分布器的下方；如果有多个液体分布器，则优选的方案是气体分布器和液体分布器交错排列，且保证最下面是气体分布器。
所述的气体分布器为圆环形、直管型、树枝型、圆板型，优选圆板型；所述的微气泡发生装置在气体分布器上均匀分布，优选的排布方式为正三角形排列或正方形排列。
通过调整相邻两个气体分布器之间的距离Hi和位于下方的气体分布器的进气量Qg，在微鼓泡的条件下保证Qg略大于实际反应消耗的气体量Qr，即可满足混合和传质的需求。相邻两个气体分布器之间的高度Hi满足如下条件：位于下方的气体分布器的进气量Qg大于或等于高度Hi反应区域内反应消耗的气体量Qr，优选为Qg≥1.2Qr。
如果多个气体分布器等间距排布，则沿气液流动方向布置的多个气体分布器的进气量Qg逐渐减小，安装的微气泡发生装置的数量也逐渐减少；如果多个气体分布器的进气量相同，则沿气液流动方向的相邻两个气体分布器的间距逐渐增大，安装的微气泡发生装置的数量相同。
以下通过实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
采用如图2所示的微鼓泡气液反应器，包括反应器壳体1、液体分布器2、气体分布器3、溢流槽4、微气泡发生装置5、液体出口6和气体出口7。其中，所述的液体分布器为一个，位于反应器的下部，液体从反应器底部进入，从位于上部的溢流槽侧向排出；所述的气体分布器为三个，且只有一个气体分布器位于液体分布器的下方，气体从位于反应器下部的气体分布器进入，经微气泡发生装置形成微气泡后进入液体床层，未反应完的气体从反应器顶部排出，气液两相并流向上；所述的微气泡发生装置与气体分布器以及水平方向之间的角度均为90°，且按正三角形排列方式在气体分布器上均匀分布。相邻两个气体分布器之间的距离Hi相等，沿气液流动方向布置的多个气体分布器的进气量Qg逐渐减小，安装的微气泡发生装置的数量相同。
实施例2
采用如图3所示的微鼓泡气液反应器，包括反应器壳体1、液体分布器2、气体分布器3、溢流槽4、微气泡发生装置5、液体出口6和气体出口7。其中，所述的液体分布器为一个，位于反应器的下部，液体从反应器底部进入，从位于上部的溢流槽侧向排出；所述的气体分布器为三个，且只有一个气体分布器位于液体分布器的下方，气体从位于反应器下部的气体分布器进入，经微气泡发生装置形成微气泡后进入液体床层，未反应完的气体从反应器顶部排出，气液两相并流向上；所述的微气泡发生装置与气体分布器以及水平方向之间的角度均为90°，且按正三角形排列方式在气体分布器上均匀分布。沿气液流动方向的相邻两个气体分布器的间距逐渐增大，沿气液流动方向布置的多个气体分布器的进气量Qg逐渐减小，安装的微气泡发生装置的数量也逐渐减少。
实施例3
采用如图4所示的微鼓泡气液反应器，包括反应器壳体1、液体分布器2、气体分布器3、溢流槽4、微气泡发生装置5、液体出口6和气体出口7。其中，所述的液体分布器为两个，位于反应器的下部，液体从反应器底部进入，从位于上部的溢流槽侧向排出；所述的气体分布器为三个，气体分布器和液体分布器交错排列，且保证最下面是气体分布器，气体从位于反应器下部的气体分布器进入，经微气泡发生装置形成微气泡后进入液体床层，未反应完的气体从反应器顶部排出，气液两相并流向上；所述的微气泡发生装置与气体分布器以及水平方向之间的角度均为90°，且按正三角形排列方式在气体分布器上均匀分布。相邻两个气体分布器之间的距离Hi相等，沿气液流动方向布置的多个气体分布器的进气量Qg相同，安装的微气泡发生装置的数量也相同。
综上所述实施例，采用气液两相并流向上，利用气体分布器的分散作用和微气泡比表面积大、气含率高、溶解速度快和传质效果好的特点，实现良好的混合，达到较高的传质效率。由于气液流速较小，反应器内流体雷诺数较低，液体返混也较小。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求中。

Claims (10)

1.一种微鼓泡气液反应器，其特征在于，包括反应器壳体(1)、液体分布器(2)、气体分布器(3)、溢流槽(4)、液体出口(6)和气体出口(7)，气体分布器上装有至少一个微气泡发生装置(5)。
2.根据权利要求1所述的微鼓泡气液反应器，其特征在于，气体分布器进气量Qgi与微气泡发生装置额定通气量Qg0的比值取整所得的数值即为微气泡发生装置的数量ni，其中Qg0与微气泡发生装置出口平均气泡直径有关，对确定体系为常数，且所述的微气泡发生装置在气体分布器上均匀分布。
3.根据权利要求1-2所述的微鼓泡气液反应器，其特征在于，微气泡发生装置由空心管和微孔材料组成，微孔材料具有纳米级或微米级的通道，包括但不限于烧结陶瓷、烧结金属、微孔塑料、微孔橡胶，微气泡发生装置产生的平均气泡直径为1nm～10mm，优选为30μm～1mm。
4.根据权利要求1-3所述的微鼓泡气液反应器，其特征在于，多个微气泡发生装置与气体分布器以及水平方向之间的角度相同；或者多个微气泡发生装置与气体分布器之间的角度相同，与水平方向之间的角度不同；或者多个微气泡发生装置与气体分布器之间的角度不同，与水平方向之间的角度相同。
5.根据权利要求1-4所述的微鼓泡气液反应器，其特征在于，微孔材料为平面型、柱面型或球面型，优选平面型。
6.根据权利要求1-5所述的微鼓泡气液反应器，其特征在于，液体分布器的数量至少为1个，气体分布器的数量至少为1个，优选为2～5个，且至少有1个气体分布器位于液体分布器的下方。
7.根据权利要求1-6所述的微鼓泡气液反应器，其特征在于，气体分布器为圆环形、直管型、树枝型、圆板型，优选圆板型。
8.根据权利要求1-7所述的微鼓泡气液反应器，其特征在于，在气液流动方向依次布置的多个气体分布器上安装的微气泡发生装置的数量相等或逐渐减少。
9.根据权利要求1-8所述的微鼓泡气液反应器，其特征在于，相邻两个气体分布器之间的高度Hi满足如下条件：位于下方的气体分布器的进气量Qg大于或等于高度Hi反应区域内反应消耗的气体量Qr，优选为Qg≥1.2Qr。
10.根据权利要求1-9所述的微鼓泡气液反应器，其特征在于，多个气体分布器等间距排布，沿气液流动方向布置的多个气体分布器的进气量和微气泡发生装置的数量均逐渐减小；或多个气体分布器的进气量和微气泡发生装置的数量相同，沿气液流动方向的相邻两个气体分布器的间距逐渐增大。
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