CN102125817A - 一种强化气液传质的气体导入方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种强化气液传质的气体导入方法，其关键技术包括：带有压力的气体首先进入气液反应器的进气管和设置于进气管末端的分气包，在气体流经过程中，与进气管和分气包内壁所涂覆的负离子粉涂层，或进气管内设置的外表面涂有负离子粉涂层的填料相摩擦，使得气体中被激发并积累大量的负离子；富含负离子的气体从进气管或分气包上接出的集成流体超声哨的气体喷嘴喷射而出，伴随着气体在通过流体超声哨时所产生的超声波进入周围反应液体，并带动周围的反应液体共同进入设置在喷嘴后的内外壁涂有负离子粉涂层且外壁上或筒腔内安装有超声换能器的循环混合筒内，完成有超声波和负离子双重强化传质的气体分散。

Description

一种强化气液传质的气体导入方法及装置

技术领域

本发明涉及一种强化气液传质的气体导入方法及装置，尤其适用于气液反应器，属于气液混合与传质技术领域。

背景技术

在诸多以液体作为连续相、气体作为分散相的气液反应，如加氢、氯化、氨化、氧化、好氧生物发酵等过程中，大都需要将有一定压力的气体导入反应器内的液体中，以期实现良好的气液混合与传质。目前通常采用的方法是在通入反应液体中的进气管末端安装多种形式的具备细化排出气泡功能的气体分布装置，如多出口喷管、多孔环管、金属烧结网、微孔膜片及各种形式的曝气头等，相对于通过进气管路直接将气体通入反应液体，上述气体分布装置都可以一定程度的增大气液接触的比表面积，对气液传质条件的改善起到了一定的促进作用，但因其工作原理及其所实现的功能仅仅局限于细化所排出的气泡，并且在离开气体分布装置后气泡聚并现象严重，很难将反应过程中的气液传质效果提高到更为理想的程度，气体利用率受到较大影响。因此迫切需要一种可提供高效气液传质的气体导入方法和装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种强化气液传质的气体导入方法及装置，其可以大幅提高气液混合效率和传质效果，且结构简单。

为解决上述技术问题，本发明强化气液传质的气体导入方法，其关键技术包括：带有压力的气体首先进入气液反应器的进气管和设置于进气管末端的分气包，在气体流经过程中，与进气管和分气包内壁所涂覆的负离子粉涂层，或进气管内设置的外表面涂有负离子粉涂层的填料相摩擦，使得气体中被激发并积累大量的负离子；

富含负离子的气体从进气管或分气包上接出的集成流体超声哨的气体喷嘴喷射而出，伴随着气体在通过流体超声哨时所产生的超声波进入周围反应液体，并带动周围的反应液体共同进入设置在喷嘴后的内外壁涂有负离子粉涂层且外壁上或筒腔内安装有超声换能器的循环混合筒内，完成在超声波和负离子双重强化作用下的气液传质与分散。

一种强化气液传质的气体导入方法使用的装置，其关键技术包括：向气液反应器内通入的进气管、设置于进气管末端的分气包、设置于分气包上的多个气体喷嘴，气体喷嘴末端或气体喷嘴内设置流体超声哨，在多个气体喷嘴的上方设置一级或同轴排列的多级循环混合筒，多个气体喷嘴的出口与第一级循环混合筒的入口相对应，各级循环混合筒都通过拉杆固定在气液反应器的内壁上，各级循环混合筒外壁上或筒腔内设置超声换能器。

优选的，上述装置中所述的流体超声哨为葛尔登共振腔哨、哈特曼共振腔哨、簧片哨或漩涡哨中的任意一种或多种组合。

进一步的改进，还可在上述装置的进气管和分气包内壁上涂覆有一层负离子粉末层；在上述循环混合筒内壁和外壁上均涂覆有一层负离子粉末层。

优选的，可在上述装置的循环混合筒内增设外表面涂覆有负离子粉末层的扰流片，扰流片为平板扰流片或螺旋片。

优选的，可在所述进气管内增设有外表面上涂覆有负离子粉末层的填料，填料为网状、蜂窝状或多层板状结构。

优选的，上述装置的循环混合筒为横断面形状呈圆形、椭圆形或多边形的等径筒状或带锥度的筒状，在循环混合筒的入口端设有喇叭口。

优选的，上述装置的气体喷嘴为横断面形状呈圆形、椭圆形、多边形、圆环形、椭圆环形或多边环形的等径管的或带锥度的管。

本发明还给出上述装置的另一种结构，即在上述的空气管或分气包上接出一个或多个气体喷嘴，每个气体喷嘴后衔接一级或同轴排列的多级循环混合筒，气体喷嘴与循环混合筒通过连接架连接，气体喷嘴末端或气体喷嘴内设置流体超声哨，循环混合筒内设置超声换能器。

为解决上述技术问题，本发明所采取的第二种技术方案是：气液反应器的外部循环管路底部设置进气管，进气管上设置气体喷嘴，气体喷嘴末端或气体喷嘴内设置流体超声哨，循环混合筒通过设置在其出、入口处的法兰接入外部循环管路中气体喷嘴后的位置，循环混合筒外壁上或筒腔内设置超声换能器。

上述进气管内壁上涂覆有一层负离子粉末层，在上述循环混合筒内壁上也涂覆有一层负离子粉末层。

本发明的发明构思是：针对目前装置气液传质效果差的不足，本发明在气体导入装置上集成了流体超声哨和超声换能器，其可以产生一定强度的超声波，从而提高了气液传质效率；作为进一步的改进，在装置上还涂覆有负离子粉末层，可产生大量负离子，对气液传质起到强化作用。其中本发明的第一种技术方案中的气体导入装置安装在气液反应器内液面以下，第二种技术方案中的气体导入装置安装在气液反应器外的外部循环管道上，这两种技术方案的本质是相同的，只是为了适应使用环境的变化，属于同一个发明构思。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、由流体超声哨和超声波换能器所产生的一定强度的超声波，在介质中传递时所引发的机械振动和稳态空化效应会使得介质粒子运动加速、质量传递的边界层减薄，从而可使气液传质效率得到异乎寻常提高。

2、负离子粉末层具有永久性自发极化效应，在被激发（空气流动、液体浸润、受热等）时可产生大量负离子，这些负离子的能量可以改变液体分子团族的排列结构，增强气液分子的相互渗透能力，可对气液传质起到较大的强化作用。

3、集成了流体超声哨的气体喷嘴在产生喷入液体的气体射流的同时激发超声波，来强化气体导入后的气液初级分散过程，喷嘴结构简单、安装方便，可免维护运行。

4、由于循环混合筒内、外壁上的负离子粉末层的存在以及负离子的防垢功能，有助于保持循环混合筒内、外壁表面的光洁，可降低液体流动阻力和循环混合筒的清洗投入。

5、本发明充分利用气体的初始压力，依靠喷射动力及气液密度差，在各级集成超声波换能器，且内、外壁涂覆有负离子粉涂层的循环混合筒的内外形成循环活塞流，在循环混合筒腔内形成不间断的有超声波强化传质的气液再次混合，延长了气体在反应液体中的运动轨迹，增加了气液接触、传质的时间，削弱了气泡上升阶段逐步聚并的趋势。

附图说明

图1是本发明内置气体导入装置一种技术方案的结构示意图；

图2是本发明内置气体导入装置另一种技术方案的结构示意图；

图3是本发明外置气体导入装置一种技术方案的结构示意图；

图4是超声换能器和超声波发生器的连接示意图；

图5是流体超声哨安装在气体喷嘴内的示意图；

图6是超声换能器在循环混合筒上的布置示意图；

其中，1、进气管；2、负离子粉末层；3、流体超声哨；4、超声换能器；5、气液反应器；6、拉杆；7、循环混合筒；8、气体喷嘴；9、分气包；10、连接架；11、中空支架；12、外部循环管路；

13、法兰；14、导线；15、超声波发生器；16、喇叭口；17、填料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：附图1为本发明内置式气体导入装置的结构图，安装在气液反应器5内液面以下，且为六个气体喷嘴8对应一组设置在气体喷嘴8后的同轴排列的两级循环混合筒7时的实施例。

本实施例1包括伸入气液反应器5内液面以下的进气管1和安装在进气管1末端的分气包9，在进气管1和分气包9内壁涂覆有电气石或其他稀土类石材精制而成的负离子涂层2，在分气包9上接出6个集成有流体超声哨3的气体喷嘴8，气体喷嘴8的结构如图1所示，其主体为截面呈圆形且带有锥度的管状物，在该管状物的末端安装流体超声哨3，还可采用如图5所示的气体喷嘴8，在其管腔内安装流体超声哨3，此流体超声哨3可采用现有技术中的葛尔登共振腔哨结构、哈特曼共振腔哨结构、葛尔登簧片哨结构、漩涡哨结构中的任意一种或任意两种及多种的组合。在气体喷嘴8后设置两级集成了超声换能器4的循环混合筒7，第二级循环混合筒同轴设置在第一级循环混合筒之后，两级循环混合筒都通过拉杆6固定于气液反应器5的内壁上，可根据需要设置一级或三级循环混合筒。循环混合筒7的结构如图1所示，为横断面形状呈正六边形的筒状物，在该筒状物的内、外壁上涂覆有负离子粉末层2，其入口处设置成便于导流的喇叭口16，可在筒腔内安装平板型扰流片。参见附图6，在循环混合筒7外壁上设置6个超声换能器4，参见附图4 ，超声换能器4通过导线14与超声波发生器15相连。还可将本实施例1中的超声换能器4设置在循环混合筒7内，将超声换能器4通过中空支架11固定在循环混合筒7的筒壁上，连接超声换能器4与超声波发生器15的导线14从中空支架11中穿过，这样形成一个新的实施例。

实施例2：附图2为本发明另一种内置气体导入装置，安装在气液反应器5内液面以下，且为每个气体喷嘴8对应一个设置在其后的单级循环混合筒7时的实施例。

其结构包括伸入气液反应器5内液面以下的进气管1和安装在进气管1末端的分气包9，在进气管1内设置多层板状填料17，该填料17包括若干与气体流向平行的填料板，每层填料板的外表面都涂覆有电气石或其他稀土类石材精制而成的负离子涂层，每层填料板间都相距一定距离作为气体通道，还可采用其他形状的填料。在分气包9上接出6个集成了流体超声哨3的气体喷嘴8，气体喷嘴8的结构与上述实施例1中的相同。流体超声哨3的选用参照上述实施例1。在每个气体喷嘴8后设置一个集成了超声换能器4的循环混合筒7， 循环混合筒7为横断面呈圆形的筒状物，在筒状物的内、外壁涂覆有负离子粉末层2，在其入口处设成用于导流的喇叭口16，在循环混合筒7的筒腔内设置一个超声换能器4，超声换能器4通过中空支架11固定在筒壁上，连接超声换能器4与超声波发生器15的导线14从中空支架11中穿过。循环混合筒7通过连接架10与气体喷嘴8固定连接。还可将该实施例中的超声换能器4设置于循环混合筒7外壁上，与以上实施例1相同。

实施例3：附图3为本发明外置气体导入装置，安装在气液反应器5外的外部循环管道12上，且为一个气体喷嘴8对应一个设置在其后的单级循环混合筒7时的实施例。

其结构包括布置在气液反应器5外并伸入设置在气液反应器5外的外部循环管道12的底部的进气管1，在进气管1内壁涂覆有电气石或其他稀土类石材精制而成的负离子涂层2，在进气管1末端接出1个集成流体超声哨3的气体喷嘴8，气体喷嘴8和流体超声哨3的结构与上述实施例1中的相同。集成了超声换能器4的循环混合筒7为单级结构，循环混合筒7与上述施例1相同，在其内可安装扰流片，在其外壁上设置6个超声换能器4。在循环混合筒7的入口、出口都设置接管法兰13，并通过此法兰13接入外部循环管道中气体喷嘴8后的位置。

参见附图1，工作时，带有一定压力的气体首先进入进气管1和设置于进气管1末端的分气包9，在气体流经过程中，与进气管1和分气包9内壁所涂覆的负离子涂层或进气管内设置的外表面凃有负离子涂层的填料17相摩擦，使得气体中被激发并积累大量的负离子。富含负离子的气体从分气包9上的集成流体超声哨（3）的气体喷嘴（8）喷射而出，伴随着气体在通过流体超声哨3时所产生的超声波进入周围反应液体，形成了有超声波和负离子双重强化传质的改为：气液初级分散过程。然后在气体喷嘴8的射流作用及所喷出气体与周围液体的密度差的驱动下，气体喷嘴8所喷射出的气体会带动周围的反应液体共同进入循环混合筒7，依次类推，上一级循环混合筒所排出的富气液体会带动周围的贫气液体共同进入下一级循环混合筒，在每一级循环混合筒中都会形成由超声换能器4所发射的超声波和循环混合筒7内壁所涂覆的负离子粉末层所释放的负离子的双重强化传质的气液再次分散过程。从末级循环混合筒7所排出的液体在参与到气液反应器5中的整体宏观流型中的同时，又会再重复回到各级循环混合筒的入口处，被带回各级循环混合筒，不断循环重复的进行有超声波及负离子双重强化传质的气液分散过程。上述实施例2和实施例3的工作过程和原理与实施例1基本相同，不再进行重复描述。

上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims (10)

1.一种强化气液传质的气体导入方法，其特征包括：带有压力的气体首先进入气液反应器的进气管（1）和设置于进气管末端的分气包（9），在气体流经过程中，与进气管和分气包内壁所涂覆的负离子粉涂层（2），或进气管内设置的外表面涂有负离子粉涂层的填料（17）相摩擦，使得气体中被激发并积累大量的负离子；

富含负离子的气体从进气管或分气包上接出的集成流体超声哨（3）的气体喷嘴（8）喷射而出，伴随着气体在通过流体超声哨时所产生的超声波进入周围反应液体，并带动周围的反应液体共同进入设置在喷嘴后的内外壁涂有负离子粉涂层（2）且外壁上或筒腔内安装有超声换能器（4）的循环混合筒（7）内，完成在超声波和负离子双重强化作用下的气液传质与分散。

2.根据权利要求1所述的强化气液传质的气体导入方法使用的装置，其特征包括：向气液反应器内通入的进气管（1）、设置于进气管（1）末端的分气包（9）、设置于分气包（9）上的多个气体喷嘴（8），气体喷嘴（8）末端或气体喷嘴（8）内设置流体超声哨（3），多个气体喷嘴（8）的上方设置一级或同轴排列的多级循环混合筒（7），多个气体喷嘴（8）的出口与第一级循环混合筒（7）的入口相对应，各级循环混合筒（7）都通过拉杆（6）固定在气液反应器的内壁上，各级循环混合筒（7）外壁上或筒腔内设置超声换能器（4）。

3.根据权利要求2所述的强化气液传质的气体导入方法使用的装置，其特征在于：所述流体超声哨（3）为葛尔登共振腔哨、哈特曼共振腔哨、簧片哨或漩涡哨中的任意一种或多种组合。

4.根据权利要求2所述的强化气液传质的气体导入方法使用的装置，其特征在于：在所述进气管（1）和分气包（9）内壁上涂覆有一层负离子粉末层（2）；在所述循环混合筒（7）内壁和外壁上均涂覆有一层负离子粉末层（2）。

5.根据权利要求4所述的强化气液传质的气体导入方法使用的装置，其特征在于：所述循环混合筒（7）内设有：外表面涂覆有负离子粉末层（2）的扰流片，扰流片为平板扰流片或螺旋片。

6.根据权利要求2所述的强化气液传质的气体导入方法使用的装置，其特征在于：在所述进气管（1）内设有外表面上涂覆有一层负离子粉末层（2）的填料（17），填料（17）为网状、蜂窝状或多层板状结构。

7.根据权利要求2所述的强化气液传质的气体导入方法使用的装置，其特征在于：所述循环混合筒(7)为横断面形状呈圆形、椭圆形或多边形的等径筒状或带锥度的筒状，在循环混合筒(7)的入口端设有喇叭口(16)；所述气体喷嘴(8)为横断面形状呈圆形、椭圆形、多边形、圆环形、椭圆环形或多边环形的等径管的或带锥度的管。

8.根据权利要求1所述的强化气液传质的气体导入方法使用的装置，其特征在于：向气液反应器内通入的进气管（1）、设置于进气管（1）末端的分气包（9）、设置于分气包（9）上的一个或多个气体喷嘴（8），每个气体喷嘴（8）后衔接一级或同轴排列的多级循环混合筒（7），气体喷嘴（8）与循环混合筒（7）通过连接架（10）连接，气体喷嘴（8）末端或气体喷嘴（8）内设置流体超声哨（3），循环混合筒（7）内设置超声换能器（4）。

9.根据权利要求1所述的强化气液传质的气体导入方法使用的装置，其特征包括：气液反应器(5)的外部循环管路(12)底部设置进气管(1)，进气管(1)上设置气体喷嘴（8），气体喷嘴（8）末端或气体喷嘴（8）内设置流体超声哨（3），循环混合筒（7）通过设置在其出、入口处的法兰（13）接入外部循环管路(12)中气体喷嘴（8）后的位置，循环混合筒(7)外壁或筒腔内设置超声换能器(4)。

10.根据权利要求9所述的强化气液传质的气体导入方法使用的装置，其特征在于：在所述进气管(1)内壁上涂覆有一层负离子粉末层(2)，在所述循环混合筒(7)内壁上也涂覆有一层负离子粉末层（2）。

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