CN102166501B - 一种气升-射流式多段环流反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气升-射流式多段环流反应器，其特征在于：它包括一塔体，塔体底部设置有塔底气体分布器，塔体内设置有分成多段的导流筒，导流筒相邻段之间的间隙中设置有射流分布器；塔体外部设置有液体泵和气体压缩机，液体泵的一端通过管路连接液体源，另一端通过管路连接射流分布器，气体压缩机的一端通过气体输入管路连接气体源，另一端通过两条气体输出管路分别对应连接射流分布器和塔底气体分布器。本发明具有气升和射流两种推动流体沿导流筒循环的作用，增加了环流推动力和局部扰动，使传质系数和传质比表面积显著增加，对于较高黏度的液体仍可获得较高环流液速以及良好的传质效果，在气液两相体系或气、液、固三相的化学与生物反应领域有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于化学和生物反应工程领域的反应器，特别是关于一种用于较高黏度气液两相或者气、液、固三相反应或分离的气升-射流式多段环流反应器。
背景技术
基于鼓泡式反应器发展起来的气升式环流反应器，是在鼓泡反应器内加入内构件导流筒，使流体在反应器内产生围绕导流筒的循环流动，从而实现气、液、固三相均匀混合，得到较高的相间传质系数。其在生物发酵过程、污水处理过程等很多气、液、固三相反应，以及气、液反应和分离过程中有广泛的应用。
传统气升式环流反应器中，气泡上升过程中不断聚并变大，带来两个不利影响：1)大气泡受到的浮力大而液体的曳力小，不能被环流带到下降段，使下降段、尤其是底部气含率非常小；2)气液界面积减小，对传质不利。为解决这个问题，专利CN1435275A公开了一种多级的环流反应器，通过将导流筒分成多段而形成不同高度的环流，有效改善了下降段气含率分布，并在污水处理、生化反应、气体吸收等领域开展了广泛的应用研究。但对一些黏度较高流体的气液混合体系，多级环流反应器的气液混合强度和气体的分布仍然不够理想。
射流是在鼓泡塔中形成环流，强化气液传质的另一种方式(射流式环流反应器)，多用于液固或纯液相反应体系，有上喷和下喷两种形式，例如专利CN2858636Y报道了液固射流反应器用于污水的厌氧处理过程，期刊CHEMICAL ENGINEERINGCOMMUNICATIONS第192卷第3期上报道了Wen JP等将射流反应器用于imidacloprid(吡虫啉)的直接合成。射流环流也用于纯气相反应，如专利CN101372463报道了利用环流使胺蒸气与光气快速混合，制备异氰酸酯的方法。射流反应器在气液反应中也有一些应用。例如，专利CN101244868报道了一种射流曝气污水处理反应器，在期刊CHEMIE INGENIEUR TECHNIK第82卷第3期等报道了Wiedemann M等开发的一种新型射流环流反应器及其在多相反应中的应用。对于一些较高黏度流体，射流环流反应器表现出一定优势；同时，射流也被广泛的用以增加局部扰动。但是对于气液反应器体系，单独采用射流，能耗高，反应器较高时气液分布不够理想。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能应用于黏度较高的气液体系，获得更加均匀的气液分布和更高的体积传质系数的气升-射流式多段环流反应器。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种气升-射流式多段环流反应器，其特征在于：它包括一用于盛液体的塔体，所述塔体的底部设置有塔底气体分布器，所述塔体内设置有导流筒，导流筒设置成多段，所述导流筒相邻段之间的间隙中设置有射流分布器；所述塔体外部设置有液体泵和气体压缩机，所述液体泵的一端通过液体输入管路连接液体源，另一端通过液体输出管路连接所述射流分布器，所述气体压缩机的一端通过气体输入管路连接气体源，另一端通过两条气体输出管路分别对应连接所述射流分布器和所述塔底气体分布器。
所述射流分布器包括一筒体，所述筒体的侧壁连接所述液体泵上的液体输出管路，底端连接所述气体压缩机上的气体输出管路，所述筒体的顶部设置成锥形，所述锥形面上间隔设置有若干柱状的喷咀或者间隔设置有若干喷射孔。
所述射流分布器包括一筒体，所述筒体的侧壁连接所述液体泵上的液体输出管路，底端连接所述气体压缩机上的气体输出管路，所述筒体顶部通过管路连接环状喷管，所述环状喷管上间隔设置有若干喷射孔。
所述喷咀和喷射孔的初射方向与所述塔体轴线的夹角为30°～45°，所述射流分布器直径不大于导流筒直径的0.6倍，所述射流分布器设置在位于所述导流筒总高度0.4～0.65倍的高度范围内，且所述喷咀和喷射孔所在平面不低于上方所述导流筒端的下沿。
所述塔体的高度与直径比为8～20；所述导流筒与所述塔体的直径比为0.6～0.8；所述导流筒的高度与所述塔体的高度比为0.7～0.9；所述导流筒的下沿到所述塔体底端的间隙高度与所述导流筒的直径比为1∶2.5～1.2∶1；所述导流筒相邻两段之间间隙的高度与所述塔底间隙高度比为1∶4～1∶2。
上述一种气升-射流式多段环流反应器的使用方法，其包括以下步骤：通过液体泵将液体喷射到塔体内的射流分布器；同时，通过气体压缩机将气体分成两部分喷射入塔体内，一部分通过塔底气体分布器喷入塔体底部的导流筒内，另一部分与液体泵泵入的射流液体混合，通过位于导流筒相邻段之间间隙的射流分布器喷入塔体的中上部，在塔体内形成气升和射流两种推动流体沿导流筒循环作用。
从塔底气体分布器和从所有射流分布器喷入塔体内的气体总量比为1∶1～4∶1，射流中液体和气体的体积比为1∶3～1∶1；射流分布器的射流出口线速为5m/s～24m/s；射流分布器喷入塔体内的射流液体是液相进料或循环使用塔体内的液相物料。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过空气压缩机分两部分向塔体内喷射气体，一部分气体通过塔底气体分布器喷入塔体底部的导流筒内，另一部分气体与液体泵泵入的射流液体混合，通过位于导流筒相邻段之间间隙的射流分布器喷入塔体的中上部，从射流分布器中喷射气液混合流具有三个优点：1)其引入的动能增加了环流的推动力，对较高黏度流体，仍可获得一定的环流液速，保证塔体内的气液混合和传质效果；2)其引入的气体补充了上升段的气体量，对气升式环流也有作用；3)射流初射角和气泡上升方向有一定夹角，增加了气泡上升过程中的扰动和流体湍动，从而可有效抑制气泡的聚并，使气液分布更加均匀；上述作用使气液传质面积增加，传质系数提高。2、本发明由于在塔体底部设置有塔底气体分布器，用于向塔体内喷射气体，从塔底气体分布器喷入的气体是建立气升式环流的重要因素，因此，具有气升式环流反应器能耗低、气液分布均匀的优点。本发明具有气升和射流两种推动流体沿导流筒循环的作用，增加了环流推动力，增加了局部扰动，使传质系数和传质比表面积显著增加，对于较高黏度的液体仍可获得较高环流液速以及良好的传质效果，在气液两相体系或气、液、固三相的化学与生物反应领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明结构示意图
图2是本发明射流分布器形式一结构示意图
图3是本发明射流分布器形式二结构示意图
图4是本发明射流分布器形式三结构示意图
图5是本发明实施例一环流液速和液相体积传质系数关系图
图6是本发明实施例二环流液速和液相体积传质系数关系图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括一塔体1，塔体1内装有液体，塔体1的底部设置有塔底气体分布器2，塔体1的侧壁设置有液体出口3，塔体1内设置有导流筒4，导流筒4可以分成若干段(图1中所示的导流筒4分为三段，仅以此为例，但不限于此)，导流筒4相邻段之间的间隙5中设置有射流分布器6。塔体1的外部设置有液体泵7和气体压缩机8，液体泵7的一端通过液体输入管路连接液体源，另一端通过液体输出管路连接射流分布器6，气体压缩机8的一端通过气体输入管路连接气体源，另一端通过两条气体输出管路分别连接射流分布器6和塔底气体分布器2。
本发明的射流分布器6可以设置在导流筒4任一对相邻段之间的间隙5中，射流分布器6可以设置一个，对于大型的、高度较高的多级环流反应器，也可在导流筒4多对相邻段之间的间隙5中分别设置一个射流分布器6。
如图2～3所示，通过射流分布器6喷射出的气液混合流可以呈柱状、锥形或环状等多种形式。射流分布器6可以包括一筒体61，筒体61的侧壁连接液体泵7上的液体输出管路，底端连接气体压缩机8上的气体输出管路，筒体61的顶部可以设置成锥形，锥形顶面上间隔均匀设置若干柱状喷咀62(如图2所示)；筒体61的锥形顶上也可以间隔设置若干喷射孔63(如图3所示)；筒体61的顶部可通过管路连接环状喷管64，环状喷管64上间隔设置有若干喷射孔65(如图4所示)。
上述实施例中，无论采取那种形式的射流分布器6，射流分布器6的直径，即各喷射孔或喷咀投影的外接圆直径不应大于导流筒4直径的0.6倍；为增加对流体的扰动，抑制上升气泡的上升和聚并速率，射流分布器6上设置的各喷射孔/喷咀的初射方向与塔体1的轴线有一定夹角，夹角角度为30°～45°时效果最好。为达到发明效果，充分利用气升和射流的推动力，并使气液分布更加均匀，射流分布器6设置在位于导流筒4总高度0.4～0.65倍的高度范围内，且喷射孔/喷咀所在平面不低于上方导流筒段的下沿，从而保证射流能射入上方导流筒段的内部。
上述实施例中，塔体1的高度与直径比为8～20；导流筒4与塔体1的直径比为0.6～0.8；导流筒4的高度与塔体1的高度(不含气液分离段，气液分离段是指塔体顶端液面上方)比为0.7～0.9；导流筒4的下沿到塔体1的底端间隙高度(塔底间隙高度)与导流筒4的直径比为1∶2.5～1.2∶1；导流筒4相邻两段之间间隙5的高度与塔底间隙高度比为1∶4～1∶2。
本发明环流反应器的使用方法为：气体压缩机8输出的气体一部分通过塔底气体分布器2喷入塔体1底部的导流筒4内，另一部分与液体泵7泵入的射流液体混合，通过位于导流筒4相邻两段之间间隙5的射流分布器6喷入塔体1的中上部。射流的气液进入塔体1内后，其在轴向的动量分量可以转化为环流的推动力，其引入的小气泡以及扰动产生的湍流作用，抑制气泡的上升聚并，从而使气泡平均弦长减小，气液传质面积增加，传质系数提高。
上述使用方法中，不论采用一个还是多个射流分布器6，都应保证从塔底气体分布器2和从所有射流分布器6喷入塔体1内的气体总量比为1∶1～4∶1，从而保证主要的气体从塔底气体分布器2喷入，建立气升式环流为主，射流为辅的环流形式。为取得较好的射流效果，射流中液体和气体的体积比为1∶3～1∶1(工况)。喷射孔/喷咀的总截面积应使射流出口线速为5m/s～24m/s(工况)。射流分布器6喷入塔体1内的射流液体可以是液相进料，也可以采用液体泵7循环使用塔体1内的液相物料。
下面列举本发明的几个实施例，但本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
实施例1：本实施例为180L气升-射流式多段环流反应器中的流体力学状况。塔体1的高度为3000mm，直径为280mm。导流筒4的直径为213mm，共设置3段，总高度为2130mm，导流筒4各段自下而上的高度依次为900mm、400mm和750mm，导流筒4相邻段的间隙为40mm。导流筒4的下沿距离塔体1的底部距离为100mm。射流分布器6采用如图2所示的形式，安装在最下端的第一间隙中(H＝940mm)，由三个直径为5mm的喷咀构成，喷咀的初射方向和塔体1的轴线夹角为45°。喷射入塔体1内的总通气量为100L/min(工况，下同)，其中，塔底气体分布器2的通气量为60L/min，射流分布器6的通气量为40L/min。射流液体为塔体1内的液相物料，由液体泵抽出，与气体混合并从射流分布器6喷出，射流液体流量为24L/min。以甘油溶液(粘度约为12×10-3Pa s)和空气体系测定反应器中的环流液速和液相体积传质系数，测定结果如图5所示，对照组除无射流外，其他条件均相同。可见，射流增加了局部的扰动，提高了环流液速和气含率，使传质系数和传质比表面积均增加，从而使体积传质系数显著提高。
实施例2：本实施例为射流气体量和液体量对射流效果的影响。塔体1、导流筒4的设置及规格均与实施例一相同，实验体系为水-空气。喷射入塔体1内的气体总量为100min/L(工况，下同)，液体量(L)为24L/min，从塔底气体分布器2喷出的气量(VG1)与由射流分布器6喷出气量(VG2)之比VG1∶VG2，以及射流液体和气体体积之比L∶VG2不同时，测定的表观环流液速和体积气含率，如表1所示。对照组除无射流外，其他条件均相同，测定结果如图6所示。可见VG1∶VG2在1∶1～3∶1范围内、L∶VG2在1∶3～1∶1的范围内时，环流液速和体积气含率较对照组均有不同程度提高；但在此范围外，或者环流液速低于对照组测定结果，或者体积气含率低于对照组测定结果。
表1
实施例3：本实施例为射流位置和初射角度对射流效果的影响。塔体1、导流筒4的设置及规格均与实施例一相同，实验体系为水-空气。分别在导流筒4从下向上的第一个间隙(喷咀所在平面距离导流筒下沿高度H＝940mm)和第二个间隙(H＝1380mm)引入射流。喷射入塔体1内的气体总量为100min/L(工况，下同)，其中塔底气体分布器2的通气量为60L/min，射流分布器6的通气量为40L/min，液体量为24L/min。对照组除无射流外，其他条件均相同，测定结果如表2所示，可见射流位置高度在导流筒1总高0.4～0.65倍范围内，射流角在30°～45°时，环流液速和体积气含率和对照组比都有不同程度的提高；而当喷射角增加到60°时，总体气含率随可能有所提高，但环流液速下降明显。
表2
实施例4：本实施例以高浓度络合铁溶液为吸收剂，采用液相氧化-还原法吸收酸气中H2S。塔体1的有效容积为12L，塔体1的高度为1900mm，内径为96mm，导流筒的直径为70mm，共设置3段，总高度为1364mm，导流筒4自下而上各段的高度依次为：480mm、400mm和420m，导流筒4相邻段的间隙为32mm。导流筒4下沿距离塔体1的底部为80mm。射流分布器6设置在第一个间隙中，采用如图3所示的形式，均布6个孔直径为2mm的喷射孔，喷射孔的初射方向和塔体1的轴线夹角为45°(即锥顶角45°)，反应器操作压力为0.4Mpa，酸气(采用N2气和H2S气体配置)总流量12L/min(工况，下同)，H2S的体积含量为2％，其中塔底气体分布器2的通气量为8L/min，射流分布器6的通气量为4L/min。射流中的液体为进料络合铁吸收溶液(其中Fe2+的含量为60mol/m3，pH＝9.1～9.2)，流量为2.5L/min，来自吸收溶液再生反应器，与酸气混合从射流分布器6喷出。稳态操作时，出口H2S体积分数维持在0ppm，H2S的脱除率接近100％，塔体1中体积气含率为11％，Fe2+的浓度为27mol/m3。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (5)
1.一种气升-射流式多段环流反应器，其特征在于：它包括一用于盛液体的塔体，所述塔体的底部设置有塔底气体分布器，所述塔体内设置有导流筒，导流筒设置成多段，所述导流筒相邻段之间的间隙中设置有射流分布器；所述塔体外部设置有液体泵和气体压缩机，所述液体泵的一端通过液体输入管路连接液体源，另一端通过液体输出管路连接所述射流分布器，所述气体压缩机的一端通过气体输入管路连接气体源，另一端通过两条气体输出管路分别对应连接所述射流分布器和所述塔底气体分布器；
通过液体泵将液体喷射到塔体内的射流分布器；同时，通过气体压缩机将气体分成两部分喷射入塔体内，一部分通过塔底气体分布器喷入塔体底部的导流筒内，另一部分与液体泵泵入的射流液体混合，通过位于导流筒相邻段之间间隙的射流分布器喷入塔体的中上部，在塔体内形成气升和射流两种推动流体沿导流筒循环作用；从塔底气体分布器和从所有射流分布器喷入塔体内的气体总量比为1:1～4:1，射流中液体和气体的体积比为1:3～1:1；射流分布器的射流出口线速为5m/s～24m/s；射流分布器喷入塔体内的射流液体是液相进料或循环使用塔体内的液相物料；
所述塔体的高度与直径比为8～20；所述导流筒与所述塔体的直径比为0.6～0.8；所述导流筒的高度与所述塔体的高度比为0.7～0.9；所述导流筒的下沿到所述塔体底端的间隙高度与所述导流筒的直径比为1:2.5～1.2:1；所述导流筒相邻两段之间间隙的高度与所述塔底间隙高度比为1:4～1:2。
2.如权利要求1所述的一种气升-射流式多段环流反应器，其特征在于：所述射流分布器包括一筒体，所述筒体的侧壁连接所述液体泵上的液体输出管路，底端连接所述气体压缩机上的气体输出管路，所述筒体的顶部设置成锥形，所述锥形面上间隔设置有若干柱状的喷咀或者间隔设置有若干喷射孔。
3.如权利要求1所述的一种气升-射流式多段环流反应器，其特征在于：所述射流分布器包括一筒体，所述筒体的侧壁连接所述液体泵上的液体输出管路，底端连接所述气体压缩机上的气体输出管路，所述筒体顶部通过管路连接环状喷管，所述环状喷管上间隔设置有若干喷射孔。
4.如权利要求3所述的一种气升-射流式多段环流反应器，其特征在于：所述喷射孔的初射方向与所述塔体轴线的夹角为30°～45°，所述射流分布器直径不大于导流筒直径的0.6倍，所述射流分布器设置在位于所述导流筒总高度0.4～0.65倍的高度范围内，且所述喷射孔所在平面不低于上方所述导流筒端的下沿。
5.如权利要求2所述的一种气升-射流式多段环流反应器，其特征在于：所述喷咀的初射方向与所述塔体轴线的夹角为30°～45°，所述射流分布器直径不大于导流筒直径的0.6倍，所述射流分布器设置在位于所述导流筒总高度0.4～0.65倍的高度范围内，且所述喷咀所在平面不低于上方所述导流筒端的下沿。
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