CN101618306B - 气液接触反应传质强化的方法及气液接触反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液接触反应传质强化的方法及气液接触反应装置，旨在提供一种能够提高气体向液体中的传质效率、提高气液反应速率、降低气液反应工艺的设备投资和运行费用的气液接触反应传质强化的方法及气液接触反应装置。接触反应器的顶部固定有能产生高频振动的超声波发生器，底部固定有反射声波的反射板，低压电源、信号发生器、信号放大器、超声波发生器依次连接，在接触反应器内形成振幅逐渐减小的超声场，可以控制气泡间的合并，增加气泡的停留时间，有利于气液间的传质强化。可以抑制气泡合并产生的液相返混，提高气液反应速率。本发明的气液接触反应装置为非接触式，结构简单，能够比较广泛地应用到所有的泡状流气液反应领域。

Description

气液接触反应传质强化的方法及气液接触反应装置

技术领域

本发明涉及一种气液接触反应传质强化的方法及实现该方法的气液接触反应装置。

背景技术

化工行业中大量生产设备或流程采用气液反应生产化工产品或中间产物，其中泡状流气液反应在化工行业中广泛用于生产液体产品、回收混合气体中的有用物质、除去有害成分以净化气体等，如在鼓泡塔中进行的残油加氢裂解、脱硫、石蜡加氢脱色、气体吸收、废气及废水处理、液态有机物的空气氧化、低分子量烯烃聚合以及费托合成等化工过程，近二三十年来，由于均相络合催化剂的应用，气液反应越来越显示其重要性。泡状流气液反应不仅在化工领域，在环保领域也获得了广泛的应用，如采用气浮法对污水进行处理和臭氧进行饮用水处理等。此外电站锅炉中采用强制空气鼓泡脱硫工艺，食品工业中在鼓泡搅拌釜内食品及制药工业中药物的发酵等，都是一种泡状流型下的气液反应。

鼓泡塔及类似的气浮式反应器是化工行业中大量使用的进行泡状流气液反应的化工设备，鼓泡塔反应器结构简单、造价低、易控制、易维修、防腐问题易解决，用于高压时也无困难。但是鼓泡塔等类似的气液反应器内气液反应的转化速率较低，资源利用率低，能源浪费较为严重。以广泛采用的污水好氧处理工艺活性污泥反应器--曝气池(类似于鼓泡塔)为例，曝气充氧电耗一般占总动力消耗的60％～70％，而能量利用率只有百分之几。虽然建设了多座大型水处理厂，但由于消耗不起电力而不得不搁置。再如利用臭氧气体进行的水处理过程中，臭氧气体在水中的溶解度不高，而且臭氧发生器所产生的臭氧浓度较低，通常不到10％(体积浓度)，很难做到臭氧向水中的高效传质、达到比较高的水中溶解臭氧浓度，工程实践中常常遇到臭氧和水接触反应不够充分、臭氧气体的利用效率不高、水中溶解的臭氧浓度偏低等问题，严重影响制约臭氧水处理技术的推广使用。

目前已有的各类接触反应装置基本都是沿用化工气液反应器的形式，如鼓泡塔、填料塔、射流器等。上述装置中由于气体在液体中的溶解度不高，很难做到气体向液体中的高效传质，并在液体中达到比较高的气体浓度，工程实践中常常遇到气体和液体接触反应不够充分、气体的利用效率不高、水中溶解的气体浓度偏低等问题，从而使得资源利用率，生产成本较高，并且造成严重的能源浪费，也影响到相应技术的推广使用。

目前人们研究探索了很多强化气液混合接触的办法，如增加接触反应容器内的压力、采用涡轮混合器、提高射流管道混合器的喷射压力、鼓泡塔中利用机械叶轮剪切搅拌等，这些沿用化工领域中常用的加强气液反应的手段，属于机械强化的方法，能耗及费用较大，难以在本来运行费用较高的气液反应工艺中大规模使用，此外还有一些采用外力场强化气液接触混合的办法，如电场强化、低频声波激振等，都是希望在反应器内产生更多的气泡，增加气液间接触面积。采用上述方法尽管可以产生大量的小气泡，但由于气泡间的相互作用，气泡数量增加使气泡间合并现象发生几率大大增加，而小气泡合并成大气泡，不仅导致气液间接触面积减小，而且由于大气泡受到的浮力较大，其在反应器内的停留时间也会缩短，从而会引起传质速率下降，最后大气泡不断从液体中逸出引起严重的液相返混，使液体反应物浓度普遍降低，产物浓度普遍上升，并趋向于液相出口状态，这导致气液反应速率明显下降。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种能够提高气体向液体的传质效率、提高气液反应速率、降低气液反应中的设备投资和运行费用的气液接触反应传质强化的方法及实现该方法的气液接触反应装置。

本发明通过下述技术方案实现：

一种气液接触反应传质强化的方法，其特征在于，在气液接触反应器两端分别放置能产生高频振动的超声波发生器和能够反射声波的反射板，使气液接触反应器内部形成从上到下振幅逐渐减小的超声场，使得反应器上部静止液体中溶解的气体从液体中析出，形成小气泡向下运动，并聚集形成一个大气泡，大气泡长大到一临界直径，发生突然下沉运动，到达下部某一位置并保持稳定，此过程以一定周期不断发生，大量相同大小的气泡在声波场中不发生合并现象。

一种气液接触反应装置，包括接触反应器，所述接触反应器上设置有液体进口、液体出口、气体进口、尾气出口，其特征在于，所述接触反应器的顶部固定有能产生高频振动的超声波发生器，接触反应器的底部固定有反射声波的反射板，低压电源、信号发生器、信号放大器、所述超声波发生器依次连接，在接触反应器内，所述超声波发生器与反射板之间形成振幅逐渐减小的超声场。

所述接触反应器为鼓泡塔、填料塔、射流塔、鼓泡罐、射流罐中的任一种。

所述超声波发生器由压电陶瓷、正极铜板电极、负极铜板电极、金属外壳组成，所述正极铜板电极与压电陶瓷的正极面连接，负极铜板电极与压电陶瓷的负极面连接，所述正极铜板电极和负极铜板电极分别与信号发生器连接，所述压电陶瓷、正极铜板电极、负极铜板电极置于金属外壳内，压电陶瓷的正极面向下朝向接触反应器内部。

本发明具有下述技术效果：

本发明气液接触反应传质强化的方法在气液接触反应场内形成从上到下振幅逐渐减小的超声场，可以较大幅度提高气体向液体的传质效率，提高气液反应速率，减少接触反应装置的体积和制造成本，降低气液反应中的设备投资和运行费用。本发明的接触反应装置结构简单，可以方便地生产制造或实现已有设备的技术改造，能够比较广泛地应用到所有的泡状流气液反应领域，如鼓泡塔中进行的残油加氢裂解、脱硫、石蜡加氢脱色、气体吸收、废气及废水处理、液态有机物的空气氧化、低分子量烯烃聚合以及费托合成等化工过程，饮用水消毒/灭菌/杀藻、游泳池水处理、制造高浓度臭氧水、循环冷却水处理等水处理领域，以及电站锅炉中强制空气鼓泡脱硫工艺，食品工业中在鼓泡搅拌釜内食品及制药工业中药物的发酵等多种场所。

与传统的机械增强传质的方法相比，本发明的气液接触反应传质强化的方法及气液接触反应装置具有下述优点：

1.非接触式：即超声波发生器不与反应工质直接接触，不受反应工质影响，适用性广泛。

2.可以控制气泡间的合并，从而使得气泡在上升过程中，气液间接触面积不会减少，同时增加气泡的停留时间，有利于气液间的传质强化。

3.  可以抑制上升气泡从液面逸出引起的液相返混，从而提高产物区反应产物的浓度，提高气相反应物的一次反应利用率，提高气液反应速率。

附图说明

图1为本发明传质强化的气液接触反应装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明详细说明。

一种气液接触反应传质强化的方法，在气液接触反应器两端分别放置能产生高频振动的超声波发生器和能够反射声波的反射板，使气液接触反应器内部形成从上到下振幅逐渐减小的超声场，使得反应器上部静止液体中溶解的气体从液体中析出，形成小气泡向下运动，并聚集形成一个大气泡，大气泡长大到一临界直，发生突然下沉运动，到达下部某一位置并保持稳定，此过程以一定周期不断发生，大量相同大小的气泡在声波场中不发生合并现象。

本发明实现气液接触反应传质强化的方法的气液接触反应装置的示意图如图1所示，包括接触反应器1，接触反应器1上设置有液体进口2、液体出口4、气体进口3、尾气出口5，在接触反应器1的顶部固定有能产生高频振动的超声波发生器6，接触反应器的底部固定有反射声波的反射板10，低压电源9、信号发生器8、信号放大器7、超声波发生器6依次连接，在接触反应器内，所述超声波发生器与反射板之间形成振幅逐渐减小的超声场。其中，所述超声波发生器由压电陶瓷、正极铜板电极、负极铜板电极、金属外壳组成，所述正极铜板电极与压电陶瓷的正极面连接，负极铜板电极与压电陶瓷的负极面连接，所述正极铜板电极和负极铜板电极分别与信号发生器连接，所述压电陶瓷、正极铜板电极、负极铜板电极置于金属外壳内，压电陶瓷的正极面向下朝向接触反应器内部。

铜板电极、声波反射板组成。

接触反应器为通常形式的鼓泡塔、填料塔、射流塔、鼓泡罐、射流罐、气浮式反应器中的任一种。

参与反应的液体从液体进口2流入气体与液体的接触反应器1中，由液体出口4流出。气体通过气体进口进入接触反应器1中，液体中的气体与液体反应后的尾气经尾气出口5排出。打开低压电源，信号发生器产生的信号经过信号放大器后送到超声波发生器，超声波发生器产生的高频振动传入接触反应器内部，配合接触反应器底部固定的反射板，使得接触反应器内形成从上到下振幅逐渐减小的超声场。在这样的超声场的作用下，反应器上部静止液体中溶解的气体会从液体中析出，形成小气泡向下运动聚集形成一个大气泡，大气泡长大到一临界直径，发生突然的下沉运动，在很短的时间内到达下部某一位置并保持稳定。气泡长大的临界直径大小与超声波频率有关，如当超声频率为26KHz时，气泡的临界直径在2mm左右，而当超声频率在MHz数量级时，气泡临界直径一般为微米数量级。即气泡临界直径随着频率的增加而减小。气泡发生及突然下沉现象以一定周期连续发生，在下部位置聚集了大量大小相同的气泡。此处大小相同的气泡相互作用，多个气泡保持稳定状态，不发生合并。气泡间存在一个临界间距，气泡间距大于这一临界间距则相互吸引，接近这一临界间距则相互排斥。如出现外界扰动，使得气泡间距小于此临界间距，则气泡合并，合并后的气泡在声波作用下破裂。对于临界直径大小的上升气泡，由于超声场的作用，相互之间不会发生合并现象，大于临界直径的上升气泡，在声波作用下破裂而不形成更大的气泡，小于临界直径的小气泡会合并成直径为临界直径的气泡在存在。超声场的存在使得气液相间的接触面积不会由于气泡合并而减小，有利于传质过程的进行。而且声场作用于气泡上的第一Bjerknes力的作用方向和重力方向相同，还会增加气泡的停留时间，有利于传质过程的进行。本发明的方法与没有强化超声场的情况相比，气体向液体中的传质效果均有大幅度提高，总传质系数均可提高100％以上。

Claims (4)

1.一种气液接触反应传质强化的方法，其特征在于，在气液接触反应器两端分别放置能产生高频振动的超声波发生器和能够反射声波的反射板，使气液接触反应器内部形成从上到下振幅逐渐减小的超声场，使得反应器上部静止液体中溶解的气体从液体中析出，形成小气泡向下运动，并聚集形成一个大气泡，大气泡长大到一临界直径，发生突然下沉运动，到达下部某一位置并保持稳定，此过程以一定周期不断发生，大量相同大小的气泡在声波场中不发生合并现象。

2.一种实现权利要求1所述的气液接触反应传质强化的方法的气液接触反应装置，包括接触反应器，所述接触反应器上设置有液体进口、液体出口、气体进口、尾气出口，其特征在于，所述接触反应器的顶部固定有能产生高频振动的超声波发生器，接触反应器的底部固定有反射声波的反射板，低压电源、信号发生器、信号放大器、所述超声波发生器依次连接，在接触反应器内，所述超声波发生器与反射板之间形成振幅逐渐减小的超声场。

3.根据权利要求2所述的气液接触反应装置，其特征在于，所述接触反应器为鼓泡塔、填料塔、射流塔、鼓泡罐、射流罐、气浮式反应器中的任一种。

4.根据权利要求2或3所述的气液接触反应装置，其特征在于，所述超声波发生器由压电陶瓷、正极铜板电极、负极铜板电极、金属外壳组成，所述正极铜板电极与压电陶瓷的正极面连接，负极铜板电极与压电陶瓷的负极面连接，所述正极铜板电极和负极铜板电极分别与信号发生器连接，所述压电陶瓷、正极铜板电极、负极铜板电极置于金属外壳内，压电陶瓷的正极面向下朝向接触反应器内部。

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