CN114699939B - 一种逐级切割气泡的超重力混气装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逐级切割气泡的超重力混气装置及应用，装置包括电机、旋转轴、壳体、气液进口、补气口、导流件、气液出口、转子以及气泡破碎零件；所述旋转轴作为电机的输出轴自壳体顶端中心延伸至壳体的内部，与转子连接，带动转子旋转；所述壳体外自上而下设置气液出口以及多个补气口；所述转子内装有气体破碎零件，多级转子结构自下而上装载孔径越来越小的气体破碎零件。该装置一方面可以通过调节超重力装置的转速对气泡尺寸实现有效调控，另一方面辅助多级补气，同时通过装载不同孔径的亲/疏水气泡破碎零件的多级转子的协同作用，实现气泡的逐级切割，使得到的气泡尺寸较小、气泡尺寸分布均一。

Description

一种逐级切割气泡的超重力混气装置及其应用

技术领域

本发明属于超重力反应器及其应用领域，尤其是涉及一种逐级切割气泡的超重力混气装置及其应用。

背景技术

气液混合过程广泛存在于化学工业当中。气液混合过程极大地影响气液气液传质过程，气液传质强化技术的研究，对缩短工艺流程、缩小设备尺寸、降低投资和运行成本等具有重要的意义。以旋转床为核心装备的超重力技术，是气液传质过程强化的有效技术之一。

针对氢气、氧气、一氧化碳等难溶性气体参与的气液传质过程，往往存在气液传质差的问题，导致其宏观反应速率受气液传质速率限制。随着近些年气液传质强化技术的发展，通过将大气泡破碎形成微气泡，增大气液相间传质面积进而来强化气液传质过程，使气液传质速率匹配本征反应速率，从而提高宏观反应速率，缩短反应时间，提高***的本质安全性。中国专利201910163989.0公布了一种超重力纳微气泡产生装置及反应***，目前对于实现微气泡尺寸的有效调控的同时，实现大批量制备尺寸小，尺寸分布均一的微气泡仍具有一定难度。因此开发一种设备结构简单，气体通量大，快速可控制备尺寸小且尺寸分布均一的微气泡的装置，对于化工行业改善高能耗、高物耗、高污染“三高”问题，实现国家“节能减排”具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种逐级切割气泡的超重力混气装置；该装置主要针对氢气、氧气、一氧化碳等难溶气体参与的气液传质过程，在该装置中液相作为连续相，气相作为分散相，液相与部分气相通过壳体下部的气液进口进入超重力装置内部，另外一部分气体通过补气口进行多次补气，提高其气含率，经气液进口进入超重力装置的气液混合物，通过电机带动转子高速旋转，装载在转子中的气体破碎零件对气液混合物进行剪切，剪切后的气液混合物与补气口进入的气体一起进入下一级转子进行剪切，且自下而上，转子中装载的气体破碎零件的孔径越来越小，最终气液混合物从气液出口离开该装置。最终实现了10-300μm微气泡的快速大量可控制备，且微气泡的尺寸分布均一。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种逐级切割气泡的超重力混气装置的应用。

为解决上述第一个技术问题，发明采用如下的技术方案：

一种逐级切割气泡的超重力混气装置，包括电机、旋转轴、壳体、气液进口、补气口、气液出口、多级转子和气泡破碎零件；

所述旋转轴作为电机的输出轴自壳体顶端中心延伸至壳体的内部，与转子连接，带动转子旋转；

所述壳体内壁上固定设置有多个导流件，位于各级转子与壳体之间；

所述多级转子内装载气体破碎零件，所述多级转子内装载的气体破碎零件的孔径自下而上越来越小；

所述壳体外上部设置气液出口；在各级转子之间缝隙横向对应的壳体上设置有补气口；

所述壳体底部设置气液进口；

所述转子底部设有方便气液通过的若干孔道。

优选地，所述壳体内多级转子为3-30层，每层之间间距为10-50mm；更优选地，所述壳体内多级转子为3-5层。

优选地，所述补气口为2-29个。

优选地，所述导流件设与转子之间的缝隙为2-10mm。

优选地，所述气体破碎零件表面为亲水性表层或疏水性表层。

优选地，所述气泡破碎零件为纳微米孔的多孔填料、纳微米孔的烧结膜。

优选地，所述多级转子内装载的气体破碎零件的孔径自下而上按等比例递减。

优选地，设置在各级转子底部的若干孔道围绕旋转轴的轴心对称均匀分布。

优选地，所述气液进口处设置有气体流量控制阀。

优选地，所述补气口处均设置有单向阀。

为解决上述第二个技术问题，发明采用如下的技术方案：

上述一种逐级切割气泡的超重力混气装置的应用，所述应用包括在气-液混合过程中或在气-液-固催化反应过程中的气-液混合过程。

优选地，所述气-液混合过程是指难溶气体参与的混合过程；更优选地，所述难溶性气体是氢气、氧气、臭氧、一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、低碳烃中的一种。

本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。

如无特殊说明，本发明中的各原料均可通过市售购买获得，本发明中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。

与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种逐级切割气泡的超重力混气装置，该装置主要针对氢气、氧气、一氧化碳等难溶气体参与的气液传质过程，在该装置中液相作为连续相，气相作为分散相，液相与部分气相通过壳体下部的气液进口进入超重力装置内部，另外一部分气体通过补气口进行多次补气，提高其气含率，经气液进口进入超重力装置的气液混合物，通过电机带动转子高速旋转，装载在转子中的气体破碎零件对气液混合物进行剪切，剪切后的气液混合物与补气口进入的气体一起进入下一级转子进行剪切，且自下而上，转子中装载的气体破碎零件的孔径越来越小，最终气液混合物从气液出口离开该装置；最终实现了10-300μm微气泡的快速大量可控制备，且微气泡的尺寸分布均一；另一方面，对于气-液、气-液-固催化反应过程中气-液混合过程，通过强化气液传质过程，提高了反应速率，减小了反应器体积，提升了反应过程的安全性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明

图1示出本发明逐级切割气泡的超重力混气装置的结构示意图；

图2示出本发明图1中的转子底部的孔道分布示意图；

图3示出本发明图1中的各级转子装载的气体破碎零件的孔径示意图。

图4示出本发明实施例1中的反应***的结构示意图；

图5示出本发明实施例2中的反应***的结构示意图；

图6示出本发明实施例3中的反应***的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种截面图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及他们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

针对氢气、氧气、一氧化碳等难溶性气体参与的气液传质过程，往往存在气液传质差的问题，导致其宏观反应速率受气液传质速率限制。随着近些年气液传质强化技术的发展，通过将大气泡破碎形成微气泡，增大气液相间传质面积进而来强化气液传质过程，使气液传质速率匹配本征反应速率，从而提高宏观反应速率，缩短反应时间，提高***的本质安全性。但是，目前对于实现微气泡尺寸的有效调控的同时，实现大批量制备尺寸小，尺寸分布均一的微气泡仍具有一定难度。

为此，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种逐级切割气泡的的超重力混气装置，通过对传统超重力反应器进行改造，一方面采用多级转子结构，将纳微米孔的零件置于旋转环境以减少聚并，同时自下而上，气体破碎零件的孔径逐渐减小，实现了气泡的逐级精细破碎，另一方面对气泡破碎零件表面进行亲水或疏水表面改性，进一步强化气体破碎零件对气体的分散过程。

本领域技术人员公知的是，超重力场所产生的离心力加速度应当大于10g(即10倍以上重力加速度)，在此不予赘述。

本领域技术人员应当知晓的是，本申请中的“微气泡”指的是微米尺度的气泡，一般认为1μm-1000μm之间。

参见图1所示，本发明提供一种逐级切割气泡的超重力混气装置，包括：

电机1，用于向本发明装置中转子的旋转提供动力；

旋转轴2；用于动力的传输，同时也用于和壳体3内的各级转子4的固定

壳体3，用于本发明装置的各零部件和反应液的容纳；

气液进口6，用于气体和液体物料的进入形成气液混合物；

补气口8，用于对装置中进行补充气体；

气液出口9，用于输出气液混合物；

多级转子4，用于装载气体破碎零件对气体进行破碎；和

气泡破碎零件5，对气体进行破碎；

所述旋转轴2作为电机的输出轴自壳体3顶端中心延伸至壳体3的内部，与各级转子4固定，带动转子4旋转；

所述壳体3内壁上固定设置有多个导流件10，位于各级转子与壳体之间；导流件10用于气液混合物以及从补气口8新补充的气体按照设计要求依次通过转子；

所述多级转子4内装载气体破碎零件5，所述多级转子4内装载的气体破碎零件5的孔径自下而上越来越小；转子的转速可以在100-3000r/min，例如转子的转速可以为400r/min、500r/min、600r/min、700r/min、800r/min、900r/min、1000r/min、2000r/min、3000r/min；通过转子的转速控制纳微气泡的大小，例如转子转速越高，气泡越小。

所述壳体3外上部设置气液出口9；在各级转子4之间缝隙横向对应的壳体3上设置有补气口8；

所述壳体3底部设置气液进口6；

所述转子4底部设有方便气液通过的若干孔道，参见图3所示。

根据本发明的某些实施例，所述壳体3内多级转子为3-30层，每层之间间距为10-50mm；更优选地，所述壳体3内多级转子为3-5层。例如在图1中显示的转子结构设有4层。

根据本发明的某些实施例，所述补气口8为2-29个。例如在图1中显示的补气口为3个。

根据本发明的某些实施例，所述导流件10与转子4之间的缝隙为2-10mm。

根据本发明的某些实施例，所述气体破碎零件表面为亲水性表层或疏水性表层。可以通过气体破碎零件的亲/疏水表面改性控制微气泡的大小，例如针对油相体系，亲水性越好，气泡越小，针对水相体系，疏水性越好，气泡越小。

根据本发明的某些实施例，所述气泡破碎零件5为纳微米孔的多孔填料、纳微米孔的烧结膜。

根据本发明的某些实施例，所述多级转子4内装载的气体破碎零件5的孔径自下而上按等比例递减。下面结合图2对转子中装载的气体破碎零件进行详细介绍。图2示出了各级转子中装载的气体破碎零件的侧视图，从图2中可以看出，随着气液混合物流动状态，气液破碎零件的孔径越来越小。

在优选的实施例中，考虑到转子中装载的气体破碎零件、进入装置的气液比以及实际的应用过程，气体破碎零件应该与转子底部的孔道的孔径进行匹配，随着气体破碎零件的孔径减小，转子底部的孔道的孔径也应该越来越小。因此，所述的孔道直径沿气体流动的方向递增或递减；或所述孔道的孔径沿所述外腔体液体流动的方向递增或递减。这样可以根据整个流动体系调节，使得气体破碎零件的孔径以及转子底部孔道的尺寸与具体体系更加匹配。

根据本发明的某些实施例，设置在各级转子4底部的若干孔道围绕旋转轴的轴心对称均匀分布，例如参见图3所示。

根据本发明的某些实施例，所述气液进口处设置有气体流量控制阀。这样可以通过控制气体的流速进而控制气液混合的比例，当然，本申请并不限制气体流量控制阀是否设置于壳体上，例如气体流量控制阀可以设置在气源上(一般地，每个气体钢瓶上都有气体流量控制阀)，但是对于管路较长的***，从气源处控制气体流量的误差较大，在气体进口处直接控制误差小，可以消除管路本身压差带来的影响。

根据本发明的某些实施例，所述补气口处均设置有单向阀。

本发明逐级切割气泡的超重力混气装置内形成的微气泡平均粒径处于10-300微米之间，具体可以通过可视化、X射线成像技术以及光纤探针或者电导探针的方法来进行检测，本申请不限于此。

基于与本发明第一方面中的逐级切割气泡的超重力混气装置的发明构思，作为本发明的第二个方面提供上述一种逐级切割气泡的超重力混气装置的应用，所述应用包括在气-液混合过程中或在气-液-固催化反应过程中的气-液混合过程。

优选地，所述气-液混合过程是指难溶气体参与的混合过程；更优选地，所述难溶性气体是氢气、氧气、臭氧、一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、低碳烃中的一种。

实施例1

将本发明逐级切割气泡的超重力混气装置作为气液混合设备应用于固定床催化反应过程，包括如下步骤：

参照图4所示，采用图1所示装置应用于催化反应过程，反应***装置包括逐级切割气泡的超重力混气装置-41，氮气钢瓶-11，氢气钢瓶-12，气体质量流量计-13，固定床反应器-14，冷凝罐-15，背压阀-16，气液分离罐-17，球阀-18，原料罐-19，柱塞泵-20，其中逐级切割气泡的超重力混气装置、固定床反应器和原料罐均设有电加热套，反应过程包括如下步骤：

1)在逐级切割气泡的超重力混气装置的气液进口分别连接气体钢瓶和原料罐，在逐级切割气泡的超重力混气装置的气液出口连接固定床反应器，固定床出口连接冷凝罐和气液分离罐，气液分离罐与原料罐连接在一起；(如图4所示)；

2)使用氮气对整个反应***进行吹扫，打开加热装置，加热装置至预定温度；

3)开启柱塞泵，待反应溶液进入逐级切割气泡的超重力混气装置并形成液相循环，***稳定后开启气体钢瓶通入氢气，利用气体质量流量计调节气体流量，利用背压阀调节至预设压力进行气-液-固三相催化反应，反应体系压力由背压阀控制，温度由温控***控制；

4)由步骤3)产生的带有反应产物的气液混合物经冷凝罐和气液分离罐进行分离，气体由放空阀排出，液体流入到原料罐中；另通过控制球阀的开关可以控制***为单程催化反应或循环催化反应，当球阀开启时***为循环催化反应，当球阀关闭时***为单程催化反应；反应后的样品经分离后进行进一步检测。

以α-甲基苯乙烯(AMS)加氢反应为例：在固定床床层中填装好当量直径为3mm的Pd/Al₂O₃催化剂，逐级切割气泡的超重力混气装置的转子级数为3级，转子中装填亲水纳微米孔的多孔填料；以异丙苯为溶剂，配制体积分数为20％的AMS工作液，在温度为50℃，压力为0.3MPa，逐级切割气泡的超重力混气装置转速800r/min条件下，其时空反应速率(STY)达到了5.2mmolAMS·gPd^-1·s^-1；在相同温度、压力条件下，只改变逐级切割气泡的超重力混气装置转速为1500r/min，其时空反应速率(STY)达到了7.8mmolAMS·gPd^-1·s^-1，在相同的实验条件下，不添加逐级切割气泡的超重力混气装置，其时空反应速率(STY)为1.1mmolAMS·gPd^-1·s^-1。

实施例2

将本发明逐级切割气泡的超重力混气装置作为气液混合设备应用于搅拌釜催化反应过程，包括如下步骤：

参照图5所示，采用图1所示装置应用于催化反应过程，反应***装置包括逐级切割气泡的超重力混气装置-41，氮气钢瓶-21，氢气钢瓶-22，气体质量流量计-23，搅拌釜反应器-24，冷凝罐-25，背压阀-26，气液分离罐-27，球阀-28，原料罐-29，柱塞泵-30，其中逐级切割气泡的超重力混气装置和原料罐均设有电加热套，搅拌釜反应器设置有冷却***，反应过程包括如下步骤：

1)在逐级切割气泡的超重力混气装置的气液进口分别连接气体钢瓶和原料罐，在逐级切割气泡的超重力混气装置的气液出口连接搅拌釜反应器，搅拌釜反应器连接冷凝罐和气液分离罐，气液分离罐与原料罐连接在一起；(如图5所示)；

2)使用氮气对整个反应***进行吹扫，打开加热装置，加热装置至预定温度；

3)开启柱塞泵，待反应溶液进入逐级切割气泡的超重力混气装置并形成液相循环，***稳定后开启气体钢瓶通入氢气，利用气体质量流量计调节气体流量，利用背压阀调节至预设压力进行气-液-固三相催化反应，反应体系压力由背压阀控制，温度由温控***控制；

4)由步骤3)产生的带有反应产物的气液混合物经冷凝罐和气液分离罐进行分离，气体由放空阀排出，液体流入到原料罐中；另通过控制球阀的开关可以控制***为单程催化反应或循环催化反应，当球阀开启时***为循环催化反应，当球阀关闭时***为单程催化反应；反应后的样品经分离后进行进一步检测。

以对硝基苯甲醚催化加氢制备对氨基苯甲醚为例：在搅拌釜反应器中加入雷尼镍催化剂，逐级切割气泡的超重力混气装置的转子级数为3级，转子中装填亲水纳微米孔的多孔填料。以甲醇为溶剂，配制质量分数为35％的对硝基苯甲醚工作液。在温度为75℃，压力为1.2MPa，逐级切割气泡的超重力混气装置转速800r/min条件下，反应1h，对硝基苯甲醚的转化率达到90％以上；在相同温度、压力和反应时间的条件下，只改变逐级切割气泡的超重力混气装置转速为1500r/min，对硝基苯甲醚的转化率达到95％以上，在相同的实验条件下，不添加逐级切割气泡的超重力混气装置，对硝基苯甲醚的转化率为60％左右。

实施例3

将本发明逐级切割气泡的超重力混气装置作为气液混合设备应用于浆态床催化反应过程，包括如下步骤：

参照图6所示，采用图1所示装置应用于催化反应过程，反应***装置包括逐级切割气泡的超重力混气装置-41，氮气钢瓶-31，氢气钢瓶-32，气体质量流量计-33，搅拌釜反应器-34，冷凝罐-35，背压阀-36，气液分离罐-37，球阀-38，原料罐-39，柱塞泵-40，其中逐级切割气泡的超重力混气装置和原料罐均设有电加热套，浆态床反应器设置有冷却***，反应过程包括如下步骤：

1)在逐级切割气泡的超重力混气装置的气液进口分别连接气体钢瓶和原料罐，在逐级切割气泡的超重力混气装置的气液出口连接搅拌釜反应器，搅拌釜反应器连接冷凝罐和气液分离罐，气液分离罐与原料罐连接在一起；(如图6所示)；

2)使用氮气对整个反应***进行吹扫，打开加热装置，加热装置至预定温度；

3)开启柱塞泵，待反应溶液进入逐级切割气泡的超重力混气装置并形成液相循环，***稳定后开启气体钢瓶通入氢气，利用气体质量流量计调节气体流量，利用背压阀调节至预设压力进行气-液-固三相催化反应，反应体系压力由背压阀控制，温度由温控***控制；

4)由步骤3)产生的带有反应产物的气液混合物经冷凝罐和气液分离罐进行分离，气体由放空阀排出，液体流入到原料罐中；另通过控制球阀的开关可以控制***为单程催化反应或循环催化反应，当球阀开启时***为循环催化反应，当球阀关闭时***为单程催化反应；反应后的样品经分离后进行进一步检测。

以2-硝基4-乙酰氨基苯甲醚催化加氢制备2-氨基-4-乙酰氨基苯甲醚为例：在浆态床反应器中加入雷尼镍催化剂，逐级切割气泡的超重力混气装置的转子级数为3级，转子中装填亲水纳微米孔的多孔填料。以甲醇为溶剂，配制固含量为30％的2-硝基-4-乙酰氨基苯甲醚工作液。在温度为100℃，压力为1.5MPa，逐级切割气泡的超重力混气装置转速800r/min条件下，反应1h，2-硝基-4-乙酰氨基苯甲醚的转化率达到85％以上；在相同温度、压力和反应时间的条件下，只改变逐级切割气泡的超重力混气装置转速为1500r/min，对硝基苯甲醚的转化率达到92％以上，在相同的实验条件下，不添加逐级切割气泡的超重力混气装置，对硝基苯甲醚的转化率为55％左右。

由此可知，本发明提供的一种逐级切割气泡的超重力混气装置可以作为气液混合设备应用于固定床、搅拌釜、浆态床等反应器参与的催化反应过程，由于微气泡的大量存在使得加氢/氧化反应过程气液接触面积增大，同时提升了待反应溶液的气含率，从而强化气液传质，达到了提高宏观反应速率，缩短反应时间的目的，在石油化工、精细化工、煤化工、生物化工等领域具有重要的工业应用意义。

当然，上述场景仅仅作为示例性说明，本装置可应用于各类气液混合过程，亦或是加氢/氧化反应中的气液混合反应，在此不做穷举，但可以理解，基于本发明的构思所做的反应体系的替换，虽然不一定是加氢或者氧化的其中一种，但仍然属于本申请所限定的范围。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (11)

1.一种逐级切割气泡的超重力混气装置，其特征在于，包括电机、旋转轴、壳体、气液进口、补气口、气液出口、多级转子和气泡破碎零件；

所述旋转轴作为电机的输出轴自壳体顶端中心延伸至壳体的内部，与转子连接，带动转子旋转；

所述壳体内壁上固定设置有多个导流件，位于各级转子与壳体之间；

所述多级转子内装载有多层气体破碎零件，随着气液混合物的流动方向，上一层的气体破碎零件的孔径小于下一层气体破碎零件的孔径；

所述壳体外上部设置气液出口；在各级转子之间缝隙横向对应的壳体上设置有补气口；

所述壳体底部设置气液进口；

所述转子底部设有方便气液通过的若干孔道。

2.根据权利要求1所述的逐级切割气泡的超重力混气装置，其特征在于：所述壳体内多级转子为3-30层，每层之间间距为10-50 mm。

3.根据权利要求2所述的逐级切割气泡的超重力混气装置，其特征在于：所述壳体内多级转子为3-5层。

4.根据权利要求2所述的逐级切割气泡的超重力混气装置，其特征在于：所述补气口为2-29个。

5.根据权利要求1所述的逐级切割气泡的超重力混气装置，其特征在于：所述导流件与转子之间的缝隙为2-10 mm。

6.根据权利要求1所述的逐级切割气泡的超重力混气装置，其特征在于：所述气体破碎零件表面为亲水性表层或疏水性表层。

7.根据权利要求1所述的逐级切割气泡的超重力混气装置，其特征在于：所述气泡破碎零件为纳微米孔的多孔填料、纳微米孔的烧结膜。

8.根据权利要求1所述的逐级切割气泡的超重力混气装置，其特征在于：所述多级转子内装载的气体破碎零件的孔径自下而上按等比例递减。

9.根据权利要求1所述的逐级切割气泡的超重力混气装置，其特征在于：设置在各级转子底部的若干孔道围绕旋转轴的轴心对称均匀分布。

10.根据权利要求1所述的逐级切割气泡的超重力混气装置，其特征在于：所述气液进口处设置有气体流量控制阀。

11.如权利要求1-10中任一所述一种逐级切割气泡的超重力混气装置的应用，其特征在于：所述应用包括在气-液混合过程中或在气-液-固催化反应过程中的气-液混合过程；

所述气-液混合过程是指难溶性气体参与的气液混合过程；所述难溶性气体是氢气、氧气、臭氧、一氧化碳、二氧化碳、一氧化氮、低碳烃中的一种。