CN117695913A - 复合结构的气液鼓泡发生装置及其应用 - Google Patents

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赵用明
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Abstract

本发明提供复合结构的气液鼓泡发生装置及其应用，所述气液鼓泡发生装置结构简单、易于加工组装和安装，能够有效减小气泡尺寸，显著改善微米级气泡的尺寸均一性。所述气液鼓泡发生装置，包括第一文丘里结构和第二文丘里结构；所述第一文丘里结构用于使液相物料对气相物料进行挤压和剪切以得到含有微气泡的第一气液混合流；所述第二文丘里结构与所述第一文丘里结构连通，用于使所述第一气液混合流中的微气泡得到再次挤压和剪切以得到第二气液混合流；所述第二文丘里结构包括泡罩结构、内部中空的第二收缩段和内部中空的第二扩张段；所述泡罩结构包括泡罩壳体，所述泡罩壳体内形成有引流通道、缓冲空间和位于所述引流通道***的环隙通道。

Description

复合结构的气液鼓泡发生装置及其应用
技术领域
本发明涉及能够适用于化工行业中特别是气液相反应体系或气液相鼓泡传质中应用的微气泡发生装置，具体涉及一种复合结构的气液鼓泡发生装置、气液鼓泡反应装置及其应用。
背景技术
化工行业中的众多气液相反应，比如加氢、氧化、羰基化、烷基化、硝化、卤化、重排等多在传统的气液鼓泡反应装置中进行，普遍存在反应时间长、设备体积大、安全风险高、投资和设备占地面积大等缺点。上述不足的存在主要是由于在传统的气液鼓泡装置中，气泡的尺寸过大，在高表观气速下，大气泡的上浮导致液相体系湍动剧烈，反应过程控制困难，安全风险高；并且气液相湍动程度高造成过程能耗高，导致投资和设备占地面积过大；同时气泡尺寸大使得气泡上浮速度过大，导致气相停留时间过短，反应时间过长、过程传质效率低。
若气泡被破碎成微米尺度时，不仅其大小与形状通过肉眼已无法辨别，同时其数量也会呈几十、几百、上千倍增加，单位体系中气泡数量高达109～1011/m3，其气液相界面积也将达到103～105m2/m3量级；而传统的气液鼓泡床反应器的气液相界面积一般为102m2/m3量级。同时气液反应体系是较为缓和的均匀泡状流，气泡尺寸越小，气泡流动越稳定，流动体系缓和，流动过程中的能耗也会有所下降。另外，气泡尺寸的减小使得气泡的上浮速度降低，提高了气液相接触时间，并且气液相传质与反应更为缓和，气液鼓泡流相当于多个微型反应器串联在一起，能更好地控制气液相反应，降低反应过程安全风险。为解决传统气液鼓泡装置存在的传质效率低、过程控制难、能耗高的问题，一系列的微气泡的发生和制备技术迎刃而来，目前微气泡发生装置多采用文丘里结构。
专利文献CN1188208C中提供的方案是将液相旋流技术与文丘里发生气泡技术耦合在一起，可容易地以工业规模生成细微气泡，且制作比较小型、简单的装置，用于池塘、湖泊、河流等水域的水净化处理，同时可以提高水产养殖和水培液中氧气和溶氧量从而提高收获率等；但是上述方法产生的气泡尺寸分散度很大(即尺寸均一性较差)，有微米级的气泡同时也伴随有大量毫米级的气泡，不利于对化学反应的控制，同时，加工技术难度高，因此并未在化工领域得到应用与推广。
专利文献CN103041723B公开了一种微细气泡发生装置，相当于两个文丘里结构嵌套在一起，主要用于水产养殖与污水处理，同时可以为气液反应槽的液体提供大量微细气泡，由于其结构复杂，并未在高温高压下进行过化学反应的研究，因此未能应用在传统的气液鼓泡反应装置中。
专利文献CN107744732A公开了一种耦合导流叶片及微孔板的文丘里结构的管式微细气泡发生器，综合运用微孔成泡、文丘里成泡和旋流成泡技术，同时通过环形注气机提高了气相在水流中的分布均匀性；内环微孔板的设计避免了水流与微孔表面的直接冲刷，解决了微孔成泡技术中气孔易堵塞的问题，三种技术的耦合提高了水流对于气泡的剪切破碎程度，结构紧凑、维护成本低并且能够产生不同粒径微气泡。该装置主要应用在排水工程领域或者工业污水的净化处理，但是由于其加工难度大，同时气泡尺寸均一性比较差，在化学反应中难以控制，并未在化工领域得到推广。
专利文献CN109200839A公开了一种文丘里式微气泡发生装置，包括前扩散段、整流段、文丘里管、过渡段和后收缩段依次连接，利用液体经过文丘里管喉部区域时形成的高速水流剪切与渐扩段时产生的高强度涡流扰动，气泡产生效率高、数量大、节约能耗，应用在水质净化领域及改善鱼类及水生动物的生存环境，由于该方法产生的气泡尺寸均一性差，在化学反应中难以实现良好控制，并未在化工领域得到应用。
专利文献CN109966939A提供了一种将旋流成泡与文丘里成泡技术组合的微气泡发生器及包含该微气泡发生器的气液反应器。微气泡发生器主要包括文丘里管、进气孔和旋流装置组成。文丘里管至少包括渐缩段、喉管段和渐扩段。渐扩段设置一个旋流装置，进气管位于文丘里管的喉管处。旋流装置由螺旋型内构件、切向管和旋流板组合而成。在气液反应器内安装该微气泡发生器后，气泡在液相中的停留时间大幅增加，气泡尺寸明显减小，微气泡分率增加，气液传质效率得到显著提升。但由于旋流组件的不同，微气泡分率能占到58％～80％，说明气液相中仍然存在有毫米级以上的大气泡，影响传质。
专利文献CN111450719A公开了一种复合文丘里式微气泡发生装置，包括一级文丘里通道和二级文丘里通道，气泡在一级文丘里通道的旋流区域完成破碎以后，再利用二级文丘里通道实现进一步破碎，这样可以进一步实现气泡尺寸的减小，以获得微米级的气泡。虽然可以获得微米级气泡，但是由于没有外动力的介入，气含率较低。二次破碎件的结构较复杂，加工难度较大，并且其产生的气泡尺寸难以控制。
专利文献CN111203142A提供了一种将旋流成泡、文丘里成泡技术和超声技术耦合的微米气泡发生器，微米级气泡经过气液间的物理剪切作用和超声波的二次作用后，尺寸更小，数量更多，该微米级气泡发生器应用于碳三馏分液相加氢反应中，能够提高液相与氢气间的传质效率。但是超声作用影响下，微气泡也容易发生团聚，会影响气泡尺寸。另外，由于在微气泡发生装置筒体端口连接有超声波管道，并设置超声波振子，加工和维修方面难度增加。
上述专利文献均涉及到单一文丘里结构或者文丘里复合结构的微气泡发生装置，存在共性问题是气泡尺寸均一性有待改善，气相分率(也就是微细气泡在单位液体中的气泡含量)有待改善。有些方案还存在二次破碎件的结构较复杂，加工/维修难度较大等弊端。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种复合结构的气液鼓泡发生装置、基于该气液鼓泡发生装置的气液鼓泡反应装置以及它们的应用。本发明提供的气液鼓泡发生装置结构简单、易于加工组装和安装，能够有效减小气泡尺寸，而且能够显著改善微米级气泡的尺寸均一性。
本发明为达到其目的，提供如下技术方案：
本发明提供一种复合结构的气液鼓泡发生装置，包括第一文丘里结构和第二文丘里结构；所述第一文丘里结构包括用于通入液相物料的液相进口、用于通入气相物料的气相进口和用于释放第一气液混合流的第一气液混合流出口，所述第一文丘里结构用于使所述液相物料对由所述气相进口卷吸进入的所述气相物料进行挤压和剪切以得到含有微气泡的所述第一气液混合流；所述第二文丘里结构与所述第一文丘里结构连通，用于使所述第一气液混合流中的微气泡得到再次挤压和剪切以得到第二气液混合流；
所述第二文丘里结构包括泡罩结构、内部中空的第二收缩段和内部中空的第二扩张段；由所述第二收缩段的进口端至所述第二收缩段的出口端的方向，所述第二收缩段的内径逐渐减小；所述第二收缩段的进口端与所述第一气液混合流出口之间通过多个连通孔互相连通；所述第二扩张段套设于所述第二收缩段***，所述第二扩张段整体呈扩径结构，且在所述第二扩张段的内径大的一端设有用于释放所述第二气液混合流的第二气液混合流出口；所述泡罩结构位于所述第二扩张段的内腔中，所述泡罩结构包括泡罩壳体，所述泡罩壳体内形成有引流通道、缓冲空间和位于所述引流通道***的环隙通道；所述引流通道的进口与所述第二收缩段的出口端连通，所述引流通道的出口与所述缓冲空间的入口连通；所述环隙通道的入口端与所述缓冲空间的出口连通，所述环隙通道的出口端设有多个微释孔，并通过所述微释孔与所述第二扩张段的内腔连通。
一些实施方式中，所述引流通道的内径小于等于所述第二收缩段的出口端的内径，所述缓冲空间的容积分别大于所述引流通道和所述环隙通道的容积；
优选的，所述缓冲空间的容积为所述引流通道或所述环隙通道的容积的2-6倍。
一些实施方式中，通过在所述环隙通道的出口端设置多孔板或多孔介质以提供所述微释孔；或者直接在所述泡罩壳体上对应于所述环隙通道的出口端的位置开设所述微释孔；优选的，所述微释孔的当量直径小于1000μm。
和/或，通过在所述第二收缩段的进口端和所述第一气液混合流出口的交界处设置多孔板以提供所述连通孔，或者，直接在所述第二收缩段对应于所述第二收缩段的进口端的端面上开设所述连通孔或直接在所述第一扩张段对应于所述第一气液混合流出口的端面上开设所述连通孔；优选的，所述连通孔的当量直径为2～5mm。
一些实施方式中，所述环隙通道的通道内径是均等的，或者，由所述环隙通道的入口端至所述环隙通道的底部的方向，所述环隙通道的通道内径整体呈减小的趋势。
一些实施方式中，顺着所述引流通道的进口至所述引流通道的出口的方向，所述缓冲空间的内径呈逐渐减小的趋势；所述缓冲空间的出口和所述缓冲空间的入口的开设位置与所述引流通道的出口位于同侧；
优选的，所述缓冲空间整体呈锥形或大致呈锥形；或者，所述缓冲空间整体呈梯形或大致呈梯形。
一些实施方式中，所述环隙通道的出口端位于所述环隙通道的底部或靠近所述环隙通道的底部的位置。
一些实施方式中，所述第二收缩段和所述第二扩张段同轴布置；
优选的，在沿着所述第二文丘里结构的中心轴所形成的截面上，所述第二收缩段的侧壁的轮廓线之间形成的第一夹角为15～45°，更优选20～30°；
在沿着所述第二文丘里结构的中心轴所形成的截面上，所述第二收缩段的侧壁的轮廓线和所述第二扩张段的侧壁的轮廓线之间形成的第二夹角为15～45°，优选20～30°；
进一步优选的，所述第一夹角和所述第二夹角相等。
一些实施方式中，所述第一文丘里结构包括内部中空的第一收缩段、气液混合段和第一扩张段；
所述第一收缩段设有所述液相进口和液相出口，由所述液相进口至所述液相出口的方向，所述第一收缩段的内径逐渐减小；
所述第一扩张段设有气液流入口和所述第一气液混合流出口，由所述气液流入口至所述第一气液混合流出口的方向，所述第二扩张段的内径逐渐增大；
所述气液混合段的两端分别开设进液口和气液流出口，所述进液口与所述第一收缩段的液相出口连通，所述气液流出口与所述第一扩张段的所述气液流入口连通，所述气相进口设于所述气液混合段的侧壁上；
所述气相进口上连通有气相通入管。
一些实施方式中，所述第一收缩段的液相进口和所述气液混合段的进液口的截面积之比为8:1～2:1，优选6:1～3:1；
所述第一扩张段上设有所述第一气液混合流出口的端面和所述气液混合段的气液流出口的截面积之比为6:1～2:1，优选3.0:1～1.5:1。
一些实施方式中，所述气相通入管的内径与长度的比值为0.01～0.1，优选0.01～0.05。
一些实施方式中，所述第一文丘里结构中，所述第一收缩段的容积大于所述第一扩张段的容积；
所述第二扩张段的容积大于所述第一收缩段的容积，所述第二收缩段的容积小于所述第一收缩段的容积。
一些实施方式中，所述第一收缩段、所述气液混合段、所述第一扩张段、所述第二收缩段、所述泡罩结构和所述第二扩张段呈同轴布置。
本发明还提供一种气液鼓泡反应装置，包括塔体，所述塔体的内腔中设有反应室和气室，所述塔体上设有气相进料口和液相进料口；
所述气室内安装有上文所述的气液鼓泡发生装置；
所述气液鼓泡发生装置的所述气相进口与所述气相进料口连通，所述气液鼓泡发生装置的所述液相进口与所述液相进料口连通，所述气液鼓泡发生装置的所述第二气液混合流出口与所述反应室连通。
一些实施方式中，所述气室和所述反应室之间设有气液分布板，所述气液分布板上开设有用于连通所述气室和所述反应室的分布孔，所述气液鼓泡发生装置的所述第二气液混合流出口与所述气液分布板的分布孔的位置对应并互相连通；
优选的，所述气液鼓泡发生装置的数量与所述气液分布板的分布孔的数量一致；
优选的，所述气液分布板上分布孔的开孔率为0.3～0.7％，更优选0.3％～0.5％。
本发明还提供一种应用，将上文所述的气液鼓泡发生装置或上文所述的气液鼓泡反应装置应用于气液相反应体系或气液相鼓泡传质中。
一些实施方式中，所述气液鼓泡反应装置的气相进料口的内表观气速大于0.01m/s，所述气液鼓泡反应装置的液相进料口的液相物料流速大于0.1m/s，所述泡罩结构的环隙通道内的雷诺数Re不小于5000；
所述气液鼓泡反应装置的液相进料口的液相体积流量与气相进料口的气相体积流量的比值为1～100，优选为20～70。
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
本发明提供的复合结构的气液鼓泡发生装置，能够通过气相物料和液相物料获得尺寸小且尺寸均一性高的微气泡，而且该气液鼓泡发生装置结构简单，易于组装，可以容易地根据需要在气液鼓泡反应装置内布置所需数量的气液鼓泡发生装置。将本发明提供的气液鼓泡反应装置应用于气液鼓泡反应装置中，与传统的气液鼓泡反应装置相比，能够提供尺寸小且尺寸均一性高的微气泡，且有助于气液混合体系中含气率的提高。在气液两相反应体系中以及气液鼓泡传质中，采用本发明的气液鼓泡发生装置，能够获得尺寸小且尺寸均一性高的微气泡，有效提高气液相接触面积，均一性高的微米级气泡延长了气液相接触时间，提高了气相的停留时间，利于达到强化传质与反应的目的。将本发明的气液鼓泡发生装置用于气液鼓泡反应装置中，有助于解决目前气液鼓泡反应装置产生的气泡尺寸均一性较差、传质效率低、能耗高等问题。
附图说明
图1为一种实施方式中复合结构的气液鼓泡发生装置的结构示意图；
图2为图1中的气液鼓泡发生装置的结构示意图；
图3为一种实施方式中的泡罩结构示意图；
图4为另一种实施方式中的泡罩结构示意图；
图5为又一种实施方式中的泡罩结构示意图；
图6为一种实施方式中的气液鼓泡反应装置示意图；
图7为一种实施方式中的气液鼓泡反应装置中的多个气液鼓泡发生装置的布置示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合实施例对本发明作进一步的说明。应当理解，下述实施例仅是为了更好的理解本发明，并不意味着本发明仅局限于以下实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文可能使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在本文中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明一方面提供一种复合结构的气液鼓泡发生装置。下文将中结合图1-5对复合结构的气液鼓泡发生装置进行示例性描述，其中图2与图1的区别仅是进行不同位置的标记，以利于清晰展示和描述图1所示的气液鼓泡发生装置。参见图1-3，该气液鼓泡发生装置100主要包括第一文丘里结构200和第二文丘里结构300。第一文丘里结构200包括用于通入液相物料的液相进口11，用于通入气相物料的气相进口21和第一气液混合流出口32。第一文丘里结构200用于使液相物料对由气相进口21卷吸进入的气相物料进行挤压和剪切，从而得到含有微气泡的第一气液混合流。含有微气泡的第一气液混合流通过第一气液混合流出口32释放至第二文丘里结构300中，第二文丘里结构300能够使第一文丘里结构200释放的第一气液混合流中的微气泡得到再次挤压和剪切，由此得到第二气液混合流，第二气液混合流通过第二文丘里结构300的第二气液混合流出口61释放至下游，例如释放至气液鼓泡反应装置的反应室内。
其中，第二文丘里结构300主要包括泡罩结构7、内部中空的第二收缩段5和内部中空的第二扩张段6。
第二收缩段5设有进口端51和出口端52，第二收缩段5整体呈缩径结果，具体的，由第二收缩段5的进口端51至第二收缩段5的出口端52的方向，第二收缩段5的内径逐渐减小。第二收缩段5的进口端51与第一文丘里结构200的第一气液混合流出口32之间通过多个连通孔(图中未示出)互相连通；具体而言，第一文丘里结构200的第一气液混合流出口32释放的含有微气泡的第一气液混合流，经连通孔首先进入第二收缩段5内。
第二扩张段6套设于第二收缩段5***，第二扩张段6整体呈扩径结构，且在第二扩张段6的内径大的一端设有第二气液混合流出口61，通过该第二气液混合流出口61释放在第二文丘里结构300中得到的第二气液混合流。较佳的，第二扩张段6的内径小的一端和第二收缩段5的内径大的一端(即第二收缩段5的进口端51)连接，第二收缩段5整***于第二扩张段6的内腔中。
泡罩结构7位于第二扩张段6的内腔中。参见图3，泡罩结构7包括泡罩壳体74，泡罩壳体74内形成有引流通道71、缓冲空间72和环隙通道73，其中，环隙通道73位于引流通道71的***；引流通道71的进口与第二收缩段5的出口端52连通，引流通道71的出口与缓冲空间72的入口连通；环隙通道73的入口端与缓冲空间72的出口连通，环隙通道73的出口端75设有多个微释孔(图中未示出)，并通过多个微释孔与第二扩张段6的内腔连通。即，泡罩结构7通过引流通道71与第二收缩段5的出口端52连通，使得第一气液混合流流经第二收缩段5后进入泡罩结构7内，并依次流经引流通道71、缓冲空间72和环隙通道73。
当从第一文丘里结构200释放的第一气液混合流经第二收缩段5的进口端51，并经第一气液混合流出口和第二收缩段的交界面处的多个连通孔进入第二收缩段5时，气液混合流中的气泡会受到挤压和剪切，气泡尺寸进一步减小；气液混合流在缩径结构的第二收缩段5中继续流动，之后进入泡罩结构7中的引流通道71，在流动过程中气泡受到挤压和剪切，后续继续进入缓冲空间72内，并在环隙通道73的导流下转变流动方向，在进入狭窄的环隙通道73后，持续受到挤压和剪切；之后经环隙通道73出口端75的多个微释孔流出进入第二扩张段6，在由环隙通道73流过其出口端75的多个微释孔时，气泡得到进一步的剪切，最终获得第二气液混合流。在气液混合流流经泡罩结构7过程中，泡罩结构7内引流通道71、缓冲空间72和环隙通道73组合构成的特定流道结构，能够有效降低前端文丘里结构带来的压力波动，能够起到稳压效果。本发明提供的气液鼓泡发生装置结构简单，容易加工和组装，不涉及复杂结构，而且通过在气液鼓泡反应装置中配置本发明提供的气液鼓泡发生装置，能获得尺寸均一性改善的微米级气泡，容易实现含气率的提高。
进一步的，第二文丘里结构300中，泡罩结构7中的引流通道71的内径小于等于第二收缩段5的出口端52的内径，缓冲空间72的容积分别大于引流通道71的容积和环隙通道73的容积，有助于气液混合流中在第二文丘里结构300中得到强化的挤压剪切效果，同时有助于更好的降低前端文丘里结构带来的压力波动。优选的，缓冲空间72的容积为引流通道71或所述环隙通道72的容积的2-6倍；更优选的，缓冲空间72的容积为引流通道71或所述环隙通道72的容积的2-4倍；采用优选的容积比例，有利于进一步改善气泡的挤压剪切效果。一些较佳实施方式中，引流通道71的内径等于第二收缩段5的出口端52的内径。具体的，引流通道71可为直管通道。
一些实施方式中，通过在环隙通道73的出口端75设置多孔板或多孔介质以提供与第二扩张段6的内腔连通的微释孔，即通过多孔板或多孔介质上的通孔来提供微释孔，具体的，例如出口端75敞口，在其上安装多孔板或者多孔介质，通过多孔板或多孔介质上的孔来提供微释孔。多孔介质例如但不限于陶瓷类的多孔介质材料或烧结金属的多孔材料等。在环隙通道73内流动的气液混合流流过多孔板或多孔介质上的通孔的方式进入第二扩张段6的内腔中，之后再由第二扩张段6上的第二气液混合流出口61向外释放。在具体应用中，可以通过调节环隙通道73的出口端75的微释孔的孔径大小和微释孔数量，对气液混合流中的气泡进行尺寸调控，例如通过选用目标开孔孔径的多孔板或满足目标孔径要求的多孔介质来实现微释孔的孔径大小和微释孔数量的灵活调节。较佳的，微释孔的当量直径小于1000μm。气液混合流在由环隙通道73流过环隙通道出口端75的多孔板或多孔介质时会得到再次的挤压和剪切。具体的，环隙通道73的出口端75的设置位置可以位于环隙通道73的底部，或位于靠近环隙通道73的底部的位置，例如位于靠近环隙通道73的底部的环隙通道侧壁。图1中所示意的泡罩结构中，环隙通道73的出口端75的设置位置位于环隙通道73的底部。关于微释孔的形状没有特别限制，可以是圆形、三角形、正方形、长方形等。具体的，还可以在泡罩壳体对应于环隙通道73的出口端75的位置直接开设所需孔径的微释孔。
一些实施方式中，通过在第二收缩段5的进口端51和第一气液混合流出口32的交界处设置多孔板以提供二者之间连通的连通孔，即多孔板上的开孔作为连通孔；即，第一气液混合流流过多孔板后进入第二收缩段5。优选的，连通孔的当量直径为2～5mm。其中，文中提及的多孔板包括各种开设有多个孔的板件，包括穿孔板等。具体的，连通孔的形状没有特别限制，例如可以为圆形、三角形、正方形、长方形中的至少一种。多个连通孔之间的排布型式没有特别限制，例如可以是三角形排布、正方形排布或均匀分布等。一些实施方式中，连通孔的数量为3-6个。一些实施方式中，也可以直接在第二收缩段5对应于第二收缩段的进口端51的端面上开设多个通孔，或直接在第一扩张段3对应于第一气液混合流出口32的端面上开设多个通孔，这些通孔作为使第一扩张段3与第二收缩段5连通的连通孔。
一些实施方式中，环隙通道73的通道内径是均等的，如图3所示。一些实施方式中，如图4、5所示，由环隙通道73的入口端至环隙通道73的底部的方向，环隙通道73的通道内径整体呈减小的趋势，这样通过流道的渐变使得流动更加缓和，有利于降低流动过程产生的能量损失。环隙通道73的内壁轮廓形状没有特别限制，例如为可以是弧形(如图5所示)，或者是直形的，或者带有转折的直形(如图3、4所示)。
一些较佳实施方式中，顺着引流通道71的进口至引流通道71的出口的方向，缓冲空间72的内径呈逐渐减小的趋势；缓冲空间72的出口和缓冲空间72的入口的开设位置与引流通道71的出口位于同侧。具体的，如图1-5所示，缓冲空间72的出口环绕于引流通道71的出口的***。一些较佳实施方式中，如图3所示，缓冲空间72整体呈锥形或大致呈锥形；或者，如图4、5所示，缓冲空间72整体呈梯形或大致呈梯形。一些具体方式中，如图3所示，泡罩壳体整体呈锥形或大致呈锥形。一些具体方式中，如图4、5所示，泡罩壳体整体呈梯形或大致呈梯形。
较佳的，如图1所示，第二收缩段5和第二扩张段6同轴布置。优选的，如图1所示，在经过第二文丘里结构300的中心轴所形成的的截面上，第二收缩段5的侧壁的轮廓线之间形成的第一夹角γ为15～45°，优选20～30°，第二收缩段5的侧壁的轮廓线和第二扩张段6的侧壁的轮廓线之间形成的第二夹角α、β分别为15～45°，优选20～30°；采用优选的夹角设计，有利于强化第二文丘里结构300对气液混合流中的气泡的挤压和剪切效果，从而利于获得尺寸进一步减小且尺寸均一性更佳的微气泡。更进一步优选的，第一夹角和第二夹角相等，即α、β、γ相等；不仅利于改善气泡的挤压和剪切效果，而且第二文丘里结构300的加工和组装更为简便。
一些实施方式中，第一文丘里结构200主要包括内部中空的第一收缩段1、气液混合段2和第一扩张段3。其中，第一收缩段1设有液相进口11和液相出口12，由液相进口11至液相出口12的方向，第一收缩段1的内径逐渐减小，即第一收缩段1整体呈缩径结构。第一扩张段3设有气液流入口31和第一气液混合流出口32，由气液流入口31至第一气液混合流出口32的方向，第一扩张段3的内径逐渐增大，即第一扩张段3整体呈扩径结构。气液混合段2的两端分别开设进液口22和气液流出口23，进液口22与第一收缩段1的液相出口12连通，气液流出口23与第一扩张段3的气液流入口31连通，气相进口21设于所述气液混合段2的侧壁上，气相进口21上连通有气相通入管4。在应用过程中，一定流速的液相物料由液相进口11进入第一收缩段1，然后由液相出口12进入气液混合段2，之后进入第一收缩段3，然后进入后续的第二文丘里结构300，在液相物料流动过程中将使得气液混合段2形成负压；外部的气相物料将受负压作用通过气相通入管4经由气相进口21卷吸进入气液混合段2，并在其中被以一定速度流动的液相物料挤压和剪切，产生微气泡，获得含有微气泡的第一气液混合流，该第一气液混合流经第一扩张段3释放至第二文丘里结构300，在流向第二文丘里结构300过程中，在流至第二收缩段5的进口端51和第一扩张段3的第一气液混合流出口的交界处时，通过该处的多个连通孔流入第二收缩段5，气泡受到挤压和剪切；之后在缩径结构的第二收缩段继续流动，之后依次进入泡罩结构7内的引流通道71、缓冲空间72和环隙通道73，并经环隙通道73出口端75的多个微释孔流入到第二扩张段6；气液混合流在特定通道路径的整个流动过程中，气液混合流中的气泡经历多次的挤压和剪切作用，气泡尺寸得到大幅减小和均一，最终得到尺寸均一性大幅改善的微气泡。
较佳的实施方式中，第一收缩段1的液相进口11和气液混合段2的进液口22的截面积之比为8:1～2:1，优选6:1～3:1；第一扩张段3上设有第一气液混合流出口32的端面和气液混合段2的气液流出口23的截面积之比为6:1～2:1，优选3.0:1～1.5:1。采用优选比例的结构设计，能够提升气泡的挤压剪切效果，利于获得尺寸小且均一性改善的微气泡。
一些较佳的实施方式中，气相通入管4的内径与长度的比值为0.01～0.1，优选0.01～0.05；一些实施方式中，气相通入管4的内径为1～10mm，优选1～6mm，气相通入管4的长度为3～8cm,优选4～6cm；采用优选长径比的气相通入管，可以使得气体更好地通过负压作用卷吸入气泡发生组件中。
进一步的，第一文丘里结构200中的第一收缩段1的容积大于第一扩张段3的容积，气液混合段2的容积最小，第二扩张段6的容积大于第一收缩段1的容积，第二收缩段5的容积小于第一收缩段1的容积。
较佳的，第一收缩段1、气液混合段2、第一扩张段3、第二收缩段5、泡罩结构7和第二扩张段6呈同轴布置。一些具体实施方式中，泡罩结构7的中心轴位于引流通道71的中心轴。
本发明提供的上述复合结构的气液鼓泡发生装置100，特别适用于在气液反应体系或气液相鼓泡传质中应用，基于本发明的气液鼓泡发生装置100，能够通过气相物料和液相物料获得尺寸小且尺寸均一性高的微气泡，而且该气液鼓泡发生装置结构简单，安装方便，可以容易地根据需要在气液鼓泡反应装置布置所需数量的气液鼓泡发生装置；基于本发明的气液鼓泡反应装置，能够容易的实现含气率的提高。在气液两相反应体系中以及气液鼓泡传质中，采用本发明的气液鼓泡发生装置，能够获得尺寸小且尺寸均一性高的微气泡，有效提高气液相接触面积，均一性高的微米级气泡延长了气液相接触时间，提高了气相的停留时间，利于达到强化传质与反应的目的。
本发明还提供一种基于本发明提供的上述复合结构的气液鼓泡发生装置100的气液鼓泡反应装置400。该气液鼓泡反应装置400中配置有本发明提供的上述复合结构的气液鼓泡发生装置100。具体的，该气液鼓泡反应装置400包括塔体404，塔体404的内腔中设有反应室410和气室403，塔体404上设有气相进料口402和液相进料口401；气室403内安装有上述气液鼓泡发生装置100。气液鼓泡发生装置100的气相进口21与气相进料口402连通，气液鼓泡发生装置的液相进口11与液相进料口401连通，气液鼓泡发生装置的第二气液混合流出口61与反应室410连通。气液鼓泡反应装置400上设有反应室出口405。
进一步具体的，气室403和反应室410之间设有气液分布板408，气液分布板408上开设有用于连通气室403和反应室410的分布孔(图中未示出)，气液鼓泡发生装置100的第二气液混合流出口61与气液分布板408的分布孔的位置对应。气液鼓泡发生装置100在气室403内的布置数量根据实际需要能够灵活的调整和确定，可以通过气液鼓泡发生装置100的数量调整来调节气相分布，进而能容易的根据需求调节气液反应体系中所需的具体气含量等。当设有多个气液鼓泡发生装置100时，多个气液鼓泡发生装置100在气室内的排布方式没有特别限制，例如可以是均布的，或者是以某一特定形态排布的，例如呈正方形形态、三角形形态等等，图7所示为在气室403内呈正方形形态排布的多个气液鼓泡发生装置100的截面示意图，图7中的虚线所示为四个气液鼓泡发生装置100构成的一个正方形单元500。较佳的，气液鼓泡发生装置100的数量与气液分布板408的分布孔的数量一致；优选的，气液分布板408上分布孔的开孔率为0.3～0.7％，更优选0.3％～0.5％。具体的，在气室403的顶部设有上述气液分布板408，底部设有另一安装板409，该安装板409上开设有多个安装孔(图中未示出)，气液鼓泡发生装置100的液相进口11和安装孔的位置相对应，气液鼓泡发生装置可拆卸的安装在气液分布板408和安装板409之间。
关于气液鼓泡反应装置的结构未进行进一步说明之处，均属于本领域气液鼓泡反应装置所具有的常规结构，对此不再逐一赘述。
本发明还提供一种应用，将上文所述的气液鼓泡发生装置100或上文所述的气液鼓泡反应装置400应用于气液反应体系或气液相鼓泡传质中。较佳的实施方式中，气液鼓泡反应装置400的气相进料口402的内表观气速大于0.01m/s，气液鼓泡反应装置400的液相进料口401的液相物料流速大于0.1m/s，泡罩结构7的环隙通道内的雷诺数Re不小于5000；气液鼓泡反应装置400的液相进料口401的液相体积流量为气相进料口402的气相体积流量的1～100倍，优选为20～50倍。
上述气液鼓泡反应装置400在应用过程中，将液相物料从液相进料口401通入气液鼓泡反应装置的内腔中，之后通过气液鼓泡发生装置的液相进口11进入第一收缩段1，依次向后续通道流动；气相物料从气相进料口402通入气室403内，并由于液相物料在气液鼓泡反应装置100中流动过程中形成的高速负压作用，气相物料被卷吸进入气相通入管4，并经气相进口21进入气液混合段2；被流过的液相物料挤压和剪切，在第一扩张段3形成初始的微气泡，得到含有微气泡的第一气液混合流。从第一扩张段3释放的第一气液混合流首先流经第二收缩段5和第一扩张段3的交界面，在流过该处的多个连通孔时气泡受到一定的挤压和剪切，气泡尺寸进一步减小；然后流入泡罩结构7的导流通道71，在导流通道71的导流作用下继续流动并进入缓冲空间72，以及由缓冲空间72进入导流通道71***的环隙通道73，在此过程中，气泡进一步会受到来自液相的挤压和剪切，气泡尺寸进一步减小，同时在该流动过程中，在缓冲空间72的作用下，使得前端文丘里结构带来的压力波动得到降低，获得稳压效果；之后气液混合流流过环隙通道73出口端75的多个微释孔并释放至第二扩张段6，在流过微释孔的过程中，气泡得到再次剪切挤压。由此过程得到第二气液混合流，第二气液混合流由第二扩张段6的第二气液混合流出口61释放至反应室410内。
本发明提供的气液鼓泡发生装置采用文丘里复合泡罩结构，用于气液鼓泡反应装置，能较好地解决目前气液鼓泡反应装置产生的气泡尺寸均一性较低、传质效率低、能耗高等问题。同时可更好地应用于气液鼓泡反应装置中，一定程度上优化了气液鼓泡反应工艺。另外，此复合结构易于加工和组装，安装方便灵活，维修更换简单方便。
下面通过实施例对本发明方案作进一步示例性说明。
以下涉及的检测方法说明如下：
反应室的气液混合体系中的总气含率：根据下文所列文献[1]、文献[2]中报道的床层塌陷法来确定反应室的气液混合体系中的总气含率，具体操作方法为：在鼓泡塔运行稳定时，记录反应室的动态液位高度Hd，由此计算运行时反应室内气液总体积Vd，然后快速切断气、液进料，由于气体逸出，床层高度随之下降，稳定后记录静态液位高度Hs，再由此计算反应室内液体体积Vs，便可计算反应室的气液混合体系中的总气含率。计算公式如下：
文献[1]：Guan X,Gao Y,Tian Z,Wang L,Cheng Y,Li X.Hydrodynamics inbubble columns with pin-fin tube internals[J].Chemical Engineering Research&Design,2015,102:196-206.
文献[2]：Guan X,Yang N,Li Z,Wang L,Cheng Y,Li X.Experimentalinvestigation of flow development in large-scale bubble columns in the churn-turbulent regime[J].Industrial&Engineering Chemistry Research,2016,55(11):3125-3130.
实施例1
本实施例采用如图6所示的安装有复合结构的气液鼓泡发生装置的气液鼓泡反应装置。其中复合结构的气液鼓泡发生装置的结构示意图参见图1，其中的泡罩结构的示意图参见图3。关于气液鼓泡发生装置、气液鼓泡反应装置的结构说明未做特别说明指出，均参照前文描述，在此不再逐一赘述。
本实施例中，在气液鼓泡反应装置400中的气液分布板408上的分布孔的开孔率约为0.4％，气室403内安装有8个气液鼓泡发生装置100，其中各个气液鼓泡发生装置100之间的排布形态为正方形形态，具体可参照图6的方式进行排布，不同在于数量减少为8个。
沿着气液鼓泡发生装置100的中心轴的方向，气液鼓泡发生装置100的总长度为200mm，第一收缩段1的长度为80mm，第一扩张段3的长度为20mm，第二扩张段6长度为90mm，气液混合段2的长度为10mm，泡罩结构7的长度为50mm。气相通入管4采用圆管，个数为1，直径为3mm，长度为3cm。液相进口11的直径为40mm，气液混合段2的直径为20mm，液相进口11与气液混合段的进液口22的截面积之比为4:1。第一扩张段上的第一气液混合流出口32的端面和气液混合段的气液流出口23的截面积之比为4:1。缓冲空间72的容积为引流通道71的容积的3倍左右，缓冲空间72的容积为环隙通道73的容积的3倍左右。
在沿着第二文丘里结构300的中心轴所形成的截面上，第二收缩段5的侧壁的轮廓线之间形成的第一夹角γ为30°，第二收缩段5的侧壁的轮廓线和第二扩张段6的侧壁的轮廓线之间形成的第二夹角α、β均为30°。
第二收缩段5的进口端51和第一扩张段3的第一气液混合流出口32的交界处设多孔板，该多孔板上的开孔作为第二收缩段5和第一扩张段3之间的连通孔，连通孔为直径5mm的圆孔，数量为3个，连通孔之间呈三角形排布。泡罩结构7的环隙通道73的出口端75开设的微释孔为当量直径0.5mm的圆形孔。
以空气-水体系作为模拟实验介质。
将流量为20m3/h的水从鼓泡反应装置400的液相进料口401通入，并经气液鼓泡发生装置100的液相进口11进入第一收缩段1。流量为0.3m3/h的压缩空气从鼓泡反应装置的气相进料口进402入到气室403，由于水在气液鼓泡发生装置100中流动过程中将在气液混合段2形成负压，空气被卷吸进入气相通入管4，并经气相进口21进入气液混合段2，在气液混合段2气相受到液相的挤压和剪切，在第一扩张段3形成初始的微气泡；从第一文丘里结构200出来的含有微气泡的第一气液混合流经过第一扩张段3与第二收缩段5之间的多孔板构成的交界面时，受到挤压和剪切，气泡的尺寸会进一步减小，然后在第二收缩段5继续流动；含有微气泡的气液混合流随后在第二收缩段5的出口端52进入泡罩结构7的引流通道71内，并依次流入缓冲空间72和环隙通道73，在泡罩结构7中的各通道流动过程中，气泡受到来自液相的挤压和剪切，气泡尺寸进一步减小；气液混合流之后从环隙通道73的出口端75上的多个微释孔流出，进入第二扩张段6，经第二扩张段6的第二气液混合流出口61释放进入到气液鼓泡反应装置400的反应室410中。在实施过程中，气液鼓泡反应装置的气相进料口的内表观气速为0.02m/s，气液鼓泡反应装置的液相进料口的液相物料流速为0.2m/s，泡罩结构的环隙通道内的雷诺数Re为5500。
通过检测，本实施例的反应室内的气液混合体系中，总气含率为50％，反应室的气液混合体系中气泡的尺寸分布采用粒度仪进行检测，其中直径400-500微米的气泡占气液混合体系内气泡总体积的85％。
实施例2
本实施例参照实施例1进行，对于相同之处不再赘述。下面仅对不同之处进行说明：
泡罩结构采用图4中示出的泡罩结构，环隙通道73的出口端75通过设置多孔介质来提供微释孔，当量直径为0.1mm。
通过检测，本实施例的反应室内的气液混合体系中，总气含率为45％，反应室的气液混合体系中的气泡的尺寸分布采用粒度仪进行检测，其中直径为450-600微米的气泡占气液混合体系内气泡总体积的80％。
对比例1
本对比例参照实施例1进行，对于相同之处不再赘述。下面仅对不同之处进行说明：
本对比例中，在气液鼓泡反应装置中的气液鼓泡发生装置和实施例1不同，和实施例1所用的气液鼓泡发生装置相比，没有在第二扩张段的内腔中设置泡罩结构7。
通过检测，本对比例的反应室内的气液混合体系中，总气含率为30％。反应室的气液混合体系中气泡的尺寸分布采用粒度仪进行检测，其中直径0.5-1mm的气泡占气液混合体系中气泡总体积的30％，直径1-5mm的气泡占气液混合体系中气泡总体积的50％，说明气泡尺寸的均一性较差，且尺寸分布范围较大，明显含有大量毫米级的气泡，会降低气液相界面积，进而影响传质效果。与实施例1和实施例2相比，气含率明显降低，是因为大气泡上浮速度快，小气泡停留时间长，小气泡数量较实施例1和实施例2少，且气泡尺寸的均一性较差，故造成气含率偏低。
从以上实验结果可见，利用本发明的复合结构的气液鼓泡发生装置，不仅利于降低气泡尺寸，得到微米级气泡，而且微米级气泡的尺寸均一性高，利于气液两相体系中气液相接触时间的延长，利于提高气相的停留时间，达到强化传质与反应的目的；在气液鼓泡反应装置中应用本发明的气液鼓泡发生装置，有助于解决目前气液鼓泡反应装置产生的气泡尺寸均一性较差、传质效率低、能耗高等问题。
容易理解的，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并不意味着本发明仅局限于此。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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种复合结构的气液鼓泡发生装置，其特征在于，包括第一文丘里结构和第二文丘里结构；所述第一文丘里结构包括用于通入液相物料的液相进口、用于通入气相物料的气相进口和用于释放第一气液混合流的第一气液混合流出口，所述第一文丘里结构用于使所述液相物料对由所述气相进口卷吸进入的所述气相物料进行挤压和剪切以得到含有微气泡的所述第一气液混合流；所述第二文丘里结构与所述第一文丘里结构连通，用于使所述第一气液混合流中的微气泡得到再次挤压和剪切以得到第二气液混合流；
所述第二文丘里结构包括泡罩结构、内部中空的第二收缩段和内部中空的第二扩张段；由所述第二收缩段的进口端至所述第二收缩段的出口端的方向，所述第二收缩段的内径逐渐减小；所述第二收缩段的进口端与所述第一气液混合流出口之间通过多个连通孔互相连通；所述第二扩张段套设于所述第二收缩段***，所述第二扩张段整体呈扩径结构，且在所述第二扩张段的内径大的一端设有用于释放所述第二气液混合流的第二气液混合流出口；所述泡罩结构位于所述第二扩张段的内腔中，所述泡罩结构包括泡罩壳体，所述泡罩壳体内形成有引流通道、缓冲空间和位于所述引流通道***的环隙通道；所述引流通道的进口与所述第二收缩段的出口端连通，所述引流通道的出口与所述缓冲空间的入口连通；所述环隙通道的入口端与所述缓冲空间的出口连通，所述环隙通道的出口端设有多个微释孔，并通过所述微释孔与所述第二扩张段的内腔连通。
2.根据权利要求1所述的气液鼓泡发生装置，其特征在于，所述引流通道的内径小于等于所述第二收缩段的出口端的内径，所述缓冲空间的容积分别大于所述引流通道和所述环隙通道的容积；优选的，所述缓冲空间的容积为所述引流通道或所述环隙通道的容积的2-6倍。
3.根据权利要求2所述的气液鼓泡发生装置，其特征在于，通过在所述环隙通道的出口端设置多孔板或多孔介质以提供所述微释孔；或者直接在所述泡罩壳体上对应于所述环隙通道的出口端的位置开设所述微释孔；优选的，所述微释孔的当量直径小于1000μm。
和/或，通过在所述第二收缩段的进口端和所述第一气液混合流出口的交界处设置多孔板以提供所述连通孔，或者，直接在所述第二收缩段对应于所述第二收缩段的进口端的端面上开设所述连通孔或直接在所述第一扩张段对应于所述第一气液混合流出口的端面上开设所述连通孔；优选的，所述连通孔的当量直径为2～5mm。
4.根据权利要求1所述的气液鼓泡发生装置，其特征在于，所述环隙通道的通道内径是均等的，或者，由所述环隙通道的入口端至所述环隙通道的底部的方向，所述环隙通道的通道内径整体呈减小的趋势；
和/或，所述环隙通道的出口端位于所述环隙通道的底部或靠近所述环隙通道的底部的位置；
和/或，顺着所述引流通道的进口至所述引流通道的出口的方向，所述缓冲空间的内径呈逐渐减小的趋势；所述缓冲空间的出口和所述缓冲空间的入口的开设位置与所述引流通道的出口位于同侧；优选的，所述缓冲空间整体呈锥形或大致呈锥形，或者，所述缓冲空间整体呈梯形或大致呈梯形。
5.根据权利要求1-4任一项所述的气液鼓泡发生装置，其特征在于，所述第二收缩段和所述第二扩张段同轴布置；
优选的，在沿着所述第二文丘里结构的中心轴所形成的截面上，所述第二收缩段的侧壁的轮廓线之间形成的第一夹角为15～45°，更优选20～30°；
优选的，在沿着所述第二文丘里结构的中心轴所形成的截面上，所述第二收缩段的侧壁的轮廓线和所述第二扩张段的侧壁的轮廓线之间形成的第二夹角为15～45°，更优选20～30°；
进一步优选的，所述第一夹角和所述第二夹角相等。
6.根据权利要求1-4任一项所述的气液鼓泡发生装置，其特征在于，所述第一文丘里结构包括内部中空的第一收缩段、气液混合段和第一扩张段；
所述第一收缩段设有所述液相进口和液相出口，由所述液相进口至所述液相出口的方向，所述第一收缩段的内径逐渐减小；
所述第一扩张段设有气液流入口和所述第一气液混合流出口，由所述气液流入口至所述第一气液混合流出口的方向，所述第二扩张段的内径逐渐增大；
所述气液混合段的两端分别开设进液口和气液流出口，所述进液口与所述第一收缩段的液相出口连通，所述气液流出口与所述第一扩张段的所述气液流入口连通，所述气相进口设于所述气液混合段的侧壁上；
所述气相进口上连通有气相通入管。
7.根据权利要求6所述的气液鼓泡发生装置，其特征在于，所述第一收缩段的液相进口和所述气液混合段的进液口的截面积之比为8:1～2:1，优选6:1～3:1；所述第一扩张段上设有所述第一气液混合流出口的端面和所述气液混合段的气液流出口的截面积之比为6:1～2:1，优选3.0:1～1.5:1；
和/或，所述气相通入管的内径与长度的比值为0.01～0.1，优选0.01～0.05。
8.根据权利要求6所述的气液鼓泡发生装置，其特征在于，所述第一文丘里结构中，所述第一收缩段的容积大于所述第一扩张段的容积；
所述第二扩张段的容积大于所述第一收缩段的容积，所述第二收缩段的容积小于所述第一收缩段的容积。
9.根据权利要求6所述的气液鼓泡发生装置，其特征在于，所述第一收缩段、所述气液混合段、所述第一扩张段、所述第二收缩段、所述泡罩结构和所述第二扩张段呈同轴布置。
10.一种气液鼓泡反应装置，其特征在于，包括塔体，所述塔体的内腔中设有反应室和气室，所述塔体上设有气相进料口和液相进料口；
所述气室内安装有权利要求1-9任一项所述的气液鼓泡发生装置；
所述气液鼓泡发生装置的所述气相进口与所述气相进料口连通，所述气液鼓泡发生装置的所述液相进口与所述液相进料口连通，所述气液鼓泡发生装置的所述第二气液混合流出口与所述反应室连通；
优选的，所述气室和所述反应室之间设有气液分布板，所述气液分布板上开设有用于连通所述气室和所述反应室的分布孔，所述气液鼓泡发生装置的所述第二气液混合流出口与所述气液分布板的分布孔的位置对应并互相连通；
进一步优选的，所述气液鼓泡发生装置的数量与所述气液分布板的分布孔的数量一致；
进一步优选的，所述气液分布板上分布孔的开孔率为0.3～0.7％，更优选0.3％～0.5％。
11.一种应用，其特征在于，将权利要求1-9任一项所述的气液鼓泡发生装置或权利要求10所述的气液鼓泡反应装置应用于气液相反应体系或气液相鼓泡传质中；
优选的，所述气液鼓泡反应装置的气相进料口的内表观气速大于0.01m/s，所述气液鼓泡反应装置的液相进料口的液相物料流速大于0.1m/s，所述泡罩结构的环隙通道内的雷诺数Re不小于5000；
优选的，所述气液鼓泡反应装置的液相进料口的液相体积流量与气相进料口的气相体积流量的比值为1～100，优选为20～70。
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