CN101239245A - 气-液交叉流自由表面传热传质的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种气－液交叉流自由表面传热传质的方法与装置，其主要技术特点是使气体净化或气液两相传热传质在连续流动的液体自由表面上进行，操作空间内无固体元件、不产生堵塞、适用于含颗粒物质或易结晶的液相，气体以低于4.0米/秒的流速交叉流过溶液自由表面其流动阻力低于100Pa/每米长流道，不产生雾沫夹带，采用本方法可以产生的自由比表面积在100～800平方米/每立方米溶液，气体所含的细粒状物质被液体表面粘附，气－液两相蒸发冷凝传热传质每平方米自由表面每小时传质量在5～20千克之间，通过传质气体得到净化、溶液得到增浓。

Description

气-液交叉流自由表面传热传质的方法与装置

技术领域本发明涉及一种气-液交叉流自由表面传热传质的方法与装置，具有各种组成与不同温度的溶液在重力作用下展开为自由表面流，与气流直接接触除尘和传热传质。

背景技术现有气-液直接接触的气体净化与传热传质技术，当气体为连续相时气-液接触的方法主要有三类：填料塔与喷淋塔、喷雾塔、降膜与升膜。气液两相在接触表面上传热传质伴随着动量传递，由之引起气相阻力损失和雾沫夹带，这两个问题是影响气-液直接接触传热传质效率的主要因素。当液相介质容易析出结晶或本身就含颗粒杂质时，上述依赖填料表面或壁面的气-液直接接触传热传质，还会产生堵塞而严重影响操作。

发明内容本发明公开一种气-液交叉流自由表面传热传质的方法与装置，目的是使气体净化或气液两相传热传质操作可以在-15℃～380℃的任何溶液与气相介质之间进行、气液操作空间内无固体元件、不产生堵塞，液体连续流动保持连续的自由表面、不产生雾沫夹带，气体以低于4.0米/秒的流速交叉流过溶液自由表面其流动阻力低于100Pa/每米长流道。采用本方法可以产生的自由比表面积在100～800平方米/每立方米溶液，气体所含的细粒状物质被液体表面粘附，气-液两相蒸发冷凝传热传质每平方米自由表面每小时传质量在5～20千克之间，通过传质气体得到净化、溶液得到增浓。

本发明主要发明思想是：利用重力作用使溶液分散形成规则分布的、具有高的自由表面积的连续柱状流动，气体则在与液体流动相垂直的方向形成规则的交叉流动，由流动产生的气液两相直接接触表面上既有正对气流的法向动量传递、又有气体绕流的切向动量传递、还有液体流动方向上的切向动量传递，因此具有良好的气体净化和传热传质特征，由于气液两相的流动均被控制在滞流范围，其自由接触表面保持连续性避免雾沫夹带、并且气体的流动阻力很低从工程的角度可以忽略不计。

本发明技术要点是：根据容器内的溶液在静液柱压力推动下通过孔口的流动原理(见：朱家骅等编，《化工原理(上)》，科学出版社，2005年第二版，pp.122～123)，在装置上部水平安置液体分布器，溶液在分布器内维持3～10毫米高的静液柱并通过分布器上开的直径3～8毫米的圆孔后由上至下形成不与任何固体壁面相接触的自由表面柱状流、流速在每秒0.3～1.5米之间、雷诺数小于2000保持光滑连续的自由表面、穿过防溅孔流入装置下部的受液盘收集并由连接管道引出装置。由矩形多孔板构成的分布器，板上的开孔布置为垂直于气流方向上同一排开孔数10～200、相邻两孔中心线距离为1.5～2.5倍孔径，顺气流方向上相邻两排的距离为3～4倍孔径。由圆形多孔板构成的分布器，板上的开孔为同心圆环布置，同一环上相邻两孔中心线距离为1.5～2.5倍孔径、相邻两同心圆环的径向距离为3～4倍孔径。

在包含有溶液自由表面柱状流的容积空间内，温度可以在-15℃～320℃范围内，气体流动空间占70％～95％，气体流动方式与溶液自由表面柱状流垂直交叉并直接接触，气体流速低于4米/每秒以保证气液接触表面处于连续的滞流状态，气液界面上不产生雾沫夹带，气体流动阻力低于100Pa/每米长流道。采用本方法产生的自由比表面积在100～800平方米/每立方米溶液，气体所含的细粒状物质被液体表面粘附，气-液两相蒸发冷凝传热传质每平方米自由表面每小时传质量为5～20千克。

由以上所述发明技术要点构成的气-液交叉流自由表面传热传质的方法和基本操作单元，可以进行并联或串联组装，并联可以扩大液体和气体的流通面积适应大流量要求，串联可以增加接触时间以适应大的传热传质量要求，串联时气体折流实现多程交叉流。

附图说明  图1是本发明提供的2层串联矩形气-液交叉流自由表面传热传质装置示意图，图中虚线箭头代表溶液柱状流方向，与气流垂直交叉。

图2是本发明提供的矩形多孔板分布器开孔布置，H代表孔距为1.5～2.5倍孔径，L代表排距为3～4倍孔径。

图3是本发明提供的轴对称型液体单程气体2程气-液交叉流自由表面传热传质装置示意图，图中虚线箭头代表溶液自由表面柱状流方向，气流2次变向交叉流动。

图4是本发明提供的圆形多孔板分布器开孔布置，Hr代表孔距为1.5～2.5倍孔径，Lr代表环距为3～4倍孔径。

具体实施方式  以下结合实施例阐述具体实施方式

实施例1：磷酸与硝酸钙混合水溶液结晶分离。采用液体单程气体2程圆形气-液交叉流自由表面传热传质装置，容器直径1.8米总高3米、1/2高处设外环形档圈，分布器直径1米，开直径3毫米小孔，孔距Hr＝6毫米，环距Lr＝10毫米。

每小时66吨混合溶液，含溶解的磷酸9.7吨和硝酸钙34吨，温度20～40℃，由装置顶部加入分布器并维持8～10毫米液层高度，通过分布器的小孔分散为直径略小于3毫米的向下流动的柱状流，装置内部保持150～250Pa的绝对压力，向下流动的柱状流自由表面上发生水分的蒸发，蒸汽向上与液柱交叉流动，溶液因蒸发而降温到-6～-3℃，在装置底部的受液盘中析出硝酸钙结晶28～30吨/小时，溶液水分蒸发量3.2～3.6吨/小时。

实施例2：无水氢氧化钠生产。采用液体单程气体2程圆形气-液交叉流自由表面传热传质装置，容器直径2米总高3米、1/2高处设外环形档圈，分布器直径1.2米，开直径3毫米小孔，孔距Hr＝6毫米，环距Lr＝10毫米。

每小时8～9吨氢氧化钠溶液，含水量10～20％，温度218～287℃，由装置顶部加入分布器，通过分布器的开孔分散为直径小于3毫米的向下流动的自由表面柱状流，装置内部保持55～75kPa的绝对压力，由装置上部环隙区引进温度为580～620℃的热空气27吨/小时、与液柱交叉向下流动，溶液被加热到380～400℃并在柱状流自由表面上发生水分的蒸发，蒸汽随热空气一并向下与液柱交叉流动并从环隙流出容器，溶液水分完全蒸发而成为无水氢氧化钠。

实施例3：废水与废气无害化处理。采用2层串联矩形气-液交叉流自由表面传热传质装置，上、下2层气-液交叉流空间尺寸均为宽0.8米、高0.8米、流动方向长1米，分布器开直径5毫米小孔，孔距H＝12毫米，排距L＝18毫米。

每小时8～9吨废水，温度20～80℃，由装置顶部加入分布器，通过分布器的小孔分散为直径小于5毫米的向下流动的自由表面柱状流，向下连续通过上、下2层气-液交叉流空间，温度为80～180℃的含尘含烟废气6000～8000立方米/小时，从水平方向进入下层气-液交叉流空间与柱状流的自由表面接触、烟尘被液柱表面粘附使气体净化，液柱表面水分蒸发，废气流动到上层继续与柱状流的液体自由表面接触传热传质，废水蒸发量可达到350～420千克/小时，废气烟尘去除率可达到95％以上。

Claims (6)

1、一种气-液交叉流自由表面传热传质的方法，其特征是-15℃～380℃之间的任何温度的溶液在重力作用下展开为自由比表面积在100～800平方米/每立方米溶液之间的任何值，可以与溶液发生传热传质的任何气相介质在由溶液热力学平衡决定的温度和压力条件下以不大于4.0米/秒的任何流速、交叉流过溶液自由表面时其所含的细粒状物质被粘附、气-液两相蒸发冷凝传质每平方米溶液自由表面每小时产生的传质量在5～20千克之间，因此气体得到净化、溶液得到增浓。

2、根据权利要求1所述的气-液交叉流自由表面传热传质的方法，其特征是实现溶液自由表面流装置的几何结构与流体力学特征，溶液从装置上部由3～10毫米静液柱压力推动由上至下通过水平安置的分布器上开的直径3～8毫米的圆孔、产生不与任何固体壁面相接触的自由表面柱状流、流速在每秒0.3～1.5米之间、雷诺数小于2000保持光滑连续的自由表面、穿过防溅孔流入装置下部的受液盘收集并由连接管道引出装置。

3、根据权利要求1所述的气-液交叉流自由表面传热传质的方法和权利要求2所述的实现溶液自由表面流装置的几何结构与流体力学特征，其特征是溶液分布器包括一块均匀开孔的矩形多孔板，板上的开孔布置为垂直于气流方向上同一排开孔数10～200之间、相邻两孔中心线距离为1.5～2.5倍孔径，顺气流方向上相邻两排距离为3～4倍孔径。

4、根据权利要求1所述的气-液交叉流自由表面传热传质的方法和权利要求2所述的实现溶液自由表面流装置的几何结构与流体力学特征，其特征是溶液分布器包括一块均匀开孔的圆形多孔板，板上的开孔为同心圆环布置，同一环上相邻两孔中心线距离为1.5～2.5倍孔径、相邻两同心圆环的径向距离为3～4倍孔径。

5、根据权利要求1所述的气-液交叉流自由表面传热传质的方法、权利要求2所述实现溶液自由表面流装置的几何结构与流体力学特征和权利要求3所述溶液分布器上的开孔布置，其特征是以所述装置为一个基本单元进行并联组装，气体折流实现多程交叉流。

6、根据权利要求1所述的气-液交叉流自由表面传热传质的方法、权利要求2所述实现溶液自由表面流装置的几何结构与流体力学特征和权利要求4所述溶液分布器的开孔布置，其特征是以所述装置为一个基本单元进行串联组装，气体折流实现多程交叉流。

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