CN102302919B - 多频超声平行辐射气液传质反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频超声平行辐射气液传质反应装置，包括压缩机、气体缓冲罐、气体流量计、分布板、超声鼓泡反应塔、双电导探针、液相进口、液体流量计、进气口、温度计、排污口、出料口、液封、气泡特征参数测量仪、超声换能器和连接管道。本发明装置在使用时，液相在反应开始前经超声鼓泡反应塔上端的液相进口进入超声鼓泡反应塔，从超声鼓泡反应塔下端的出料口排出，形成连续流动；气相从超声鼓泡反应塔底部经分布板进入塔内，与液相形成总体逆流，发生传质反应。本发明装置具有超声功率范围大且可调节、声强密度大且分布均匀，能量利用率高、可视化，并可与其它测量仪器对接，进行数据实时采集和监测处理等特点。

Description

多频超声平行辐射气液传质反应装置

技术领域

本发明属于超声化学领域，涉及超声传质反应装置，具体涉及一种多频超声平行辐射气液传质反应装置。

背景技术

相间传质反应在化学化工、能源、环保等领域都具有极其重要作用。相间传质反应的反应速率主要与传质效果有关。

超声波是指频率为2×10⁴～2×10⁹ Hz的声波。超声波作为一种特殊的能量形式，具有频率高、定向等优点，并且其操作简单，对设备要求低，绿色环保，在化工传质领域应用十分广泛。超声波能产生一系列物理效应，如空化效应、湍动效应、微扰效应、界面效应和聚能效应，从而提高气泡湍动，减小气泡体积，增大气泡比表面积，延长气泡停留时间，影响传质反应效果。

气液两相传质反应器为一个封闭的空间，其气液相界面、气泡界面和器壁界面等都有利于两相传质，同时利用超声波的频率及其组合、功率、声强和换能器布局等，使气液两相传质反应器中的能量分布出现时间和空间的差异，影响气泡的产生、形状、大小和上升速度等气泡运动，从而提高传质反应效果。

现有的超声传质反应装置多数为间歇工作方式，主要存在以下缺陷：无气液两相对流、超声频率单一化、超声场声强均布性差。能量利用效率低、设备的可视化程度不高，以及无法和其它测量仪器有效对接等，难以达到工业应用的需求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供一种多频超声平行辐射气液传质反应装置。

本发明在现有常规的气液两相传质反应器的基础上叠加多频率的混响超声场，提供了一种功率范围大且可调节、声强密度大且分布均匀，能量利用率高、可视化，并可与其它测量仪器对接的多频超声平行辐射气液传质反应装置。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

如图1所示，一种多频超声平行辐射气液传质反应装置，包括压缩机1、气体缓冲罐2、气体流量计3、分布板4、超声鼓泡反应塔5、双电导探针6、液相进口7、液体流量计8、进气口9、温度测量装置10、排污口11、出水口12、液封13、气泡特征参数测量仪14、超声换能器15和连接管道；压缩机1、气体缓冲罐2、气体流量计3、超声鼓泡反应塔5和气泡特征参数测量仪14依次相连接；超声鼓泡反应塔5的顶端与液体流量计8、液相进口7依次相连。

超声鼓泡反应塔5的底端设置有进气口9、排污口11和出料口12；出料口12还与液封13相连；液封13为U型管式液封；超声鼓泡反应塔5内还设置有分布板4，用于分散气泡，提高气液两相湍动；超声鼓泡反应塔5内还设置有双电导探针6，双电导探针6与气泡特征参数测量仪14连接，用于采集超声鼓泡反应塔内的气泡特征参数信息；气泡特征参数测量仪14将探针采集的超声鼓泡反应塔内的气泡特征参数信号放大、转换和处理；超声鼓泡反应塔5的顶端设有温度测量装置10，用于测量超声鼓泡反应塔内的温度。

如图2所示，超声鼓泡反应塔的相对两侧分别设有超声换能器15；超声换能器组的个数至少为两组，以形成多频辐射超声场；超声换能器的分布方式为：在超声鼓泡反应塔相对两侧均匀排列并且相对的两个超声换能器交错，交错的垂直距离与横向距离之比为0.5:1或1:1，相对的两个交错的超声换能器的频率相同，每两个频率相同的超声换能器构成一个超声换能器组，形成平衡辐射，每组超声换能器均能单独工作。

超声鼓泡反应塔的相对两侧还分别设有至少两个测量口17；测量口的分布方式为：在超声鼓泡反应塔相对两侧的两组测量口均匀错开排列，并与对应的超声换能器组呈错开分布；测量口分别与数据采集或数据处理仪器相连接，用于采集、测量、分析超声鼓泡反应塔内有关超声传质的各种参数；测量口的接口为螺纹密封或O型圈密封，防止液体漏出。

超声鼓泡反应塔的两侧还设有透明视窗16，用于实时观测和拍摄气泡的运动状态。

超声鼓泡反应塔5的两侧还有外罩18包裹超声换能器，用于保护超声换能器；超声鼓泡反应塔5的与分布板4结合的部位还设置有法兰19，用于固定分布板4；超声鼓泡反应塔5的顶部还设有灯罩20，用于摄像或测量时为反应塔内提供光照；超声鼓泡反应塔5的底部还设有支架21。

本发明所述分布板为圆孔式分布板。

本发明的气液传质反应装置的工作过程如下：在反应开始前，液相经液相进口7和液体流量计8计量后从超声鼓泡反应塔5上端注入到超声鼓泡反应塔5中，与气相接触发生传质反应后，从超声鼓泡反应塔5下端的出料口12排出，形成连续流动；气相经过空气压缩机1之后经过气体缓冲罐2，经空气流量计3计量之后从超声鼓泡反应塔5底部通过分布板4进入超声鼓泡反应塔5内，与液相接触发生传质反应，并由超声鼓泡反应塔5上部气液分离后放空，与液相形成总体逆流。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）本发明的装置包括多组不同频率的超声换能器，在使用时，利用连接电缆将超声换能器组中的各超声换能器与外设的超声波电源相连接，本装置中的超声换能器可以单一组开启，也能任意多组同时开启，通过选择开启不同的超声换能器组，以形成多频混响超声场；而且能通过调节电流控制超声功率，可以根据传质研究的需要，选择不同的功率进行作用；

（2）本发明的超声换能器既可以直接采用市售的现有产品，也可以采用另行设计的产品；超声换能器的工作频率可以根据需要自行选定；

（3）本发明的超声鼓泡反应塔的超声换能器布局科学合理，能产生声压均匀的混响超声场，因此本发明的反应装置内声场密度值较高，且分布均匀；

（4）本发明的超声鼓泡反应塔采用多频率组合的操作方式，使得实验操作条件多元化，对传质反应效果的强化作用大于各单频率作用的代数和；

（5）本发明装置的超声鼓泡反应塔设有透明视窗，便于实时观测相间传质反应过程，测量口采用螺纹密封，在与其它数据采集、测量、分析或处理装置良好对接的同时还能保证良好的密封性；

（6）本发明在超声鼓泡反应塔顶部设有温度测量装置，便于超声鼓泡反应塔内反应体系温度的测量，通过调节液相流速能有效地控制反应体系温度，减小因温度改变而引起的误差。

附图说明

图1 为本发明的装置示意图。

图2 为本发明的装置中的超声鼓泡反应塔的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式做进一步的解释说明，但是本发明的实施方式并不仅限于此。

如图1所示，一种多频超声平行辐射气液传质反应装置，包括压缩机1、气体缓冲罐2、气体流量计3、分布板4、超声鼓泡反应塔5、双电导探针6、液相进口7、液体流量计8、进气口9、温度测量装置10、排污口11、出水口12、液封13、气泡特征参数测量仪14、超声换能器15和连接管道；所述压缩机1、气体缓冲罐2、气体流量计3、超声鼓泡反应塔5、双电导探针6和气泡特征参数测量仪14依次相连接；所述超声鼓泡反应塔5的顶端与液体流量计8、液相进口7依次相连。

本发明所述超声鼓泡反应塔5的底端设置有进气口9、排污口11和出料口12；所述出料口12与液封13相连；所述液封13为U型管式液封；所述超声鼓泡反应塔5的顶端设有温度测量装置10，温度测量装置10插入超声鼓泡反应塔内，用于测量超声鼓泡反应塔内的温度；所述超声鼓泡反应塔5内设置有分布板4，用于分散气泡，提高气液两相湍动；所述双电导探针6为气泡特征参数测量仪14的传感器，用于测量超声鼓泡反应塔内气泡特征参数。

本发明实施例的超声鼓泡反应塔呈圆角正四边形棱柱形状，横截面为一边长100 mm的圆角正方形；通过测量超声鼓泡反应塔内各个位置的声强分布大小，证明圆角型反应装置能使超声波在反应装置内的声场范围更宽，声强分布更加均匀，且能有效减少反应装置内反应死角，起到增强超声波作用的效果。

如图2所示，本发明实施例的超声鼓泡反应塔的相对两侧分别设有三个不同频率的超声换能器，构成三个超声换能器组，形成多频辐射超声场；超声换能器的分布方式为：在超声鼓泡反应塔相对两侧均匀排列并且相对的两个超声换能器交错，交错的垂直距离与横向距离之比为0.5:1，即为超声鼓泡反应塔横截面边长100mm的一半，即为50mm。两个相对错开的超声换能器的频率相同，每两个频率相同的超声换能器构成一个超声换能器组，形成平衡辐射，每组超声换能器均能单独工作，超声功率通过控制电路可实现无级可调；每组两个超声换能器的频率相同，分别为20 kHz、50 kHz和100 kHz；每个超声换能器的功率为0~100W，每组超声换能器均能单独工作，能任意多个同时开启。

超声鼓泡反应塔外部，与超声换能器同侧分别设置3个测量口17，测量口的分布方式与超声换能器对应分布，相对两个测量口中心均匀错开排列，并与对应的超声换能器组呈错开分布，测量口分别与数据采集或数据处理仪器相连接，用于采集、测量、分析超声鼓泡反应塔内有关超声传质的各种参数；测量口的接口为螺纹密封，防止液体漏出。

超声鼓泡反应塔的与超声换能器相邻的两侧设有透明视窗16，用于实时观测拍摄气泡的运动状态。

超声鼓泡反应塔5的两侧还有外罩18包裹超声换能器，用于保护超声换能器；超声鼓泡反应塔5的与分布板4结合的部位设置法兰19，用于固定分布板4；超声鼓泡反应塔5的顶部设有灯罩20，用于摄像或测量时为反应塔内提供光照；超声鼓泡反应塔5的底部设有支架21。

本发明的气液传质反应装置的工作过程如下：在反应开始前，液相经液相进口7和液体流量计8计量后从超声鼓泡反应塔5上端注入到超声鼓泡反应塔5中，与气相接触发生传质反应后，从超声鼓泡反应塔5下端的出料口12排出，形成连续流动；气相经过空气压缩机1之后经过气体缓冲罐2，经空气流量计3计量之后从超声鼓泡反应塔5底部通过分布板4进入超声鼓泡反应塔5内，与液相接触反应，并由超声鼓泡反应塔5上部气液分离后放空，与液相形成总体逆流。

Claims (7)

1.一种多频超声平行辐射气液传质反应装置，其特征在于，包括压缩机（1）、气体缓冲罐（2）、气体流量计（3）、分布板（4）、超声鼓泡反应塔（5）、双电导探针（6）、液相进口（7）、液体流量计（8）、进气口（9）、温度测量装置（10）、排污口（11）、出料口（12）、液封（13）、气泡特征参数测量仪（14）、超声换能器（15）和连接管道；所述压缩机（1）、气体缓冲罐（2）、气体流量计（3）、超声鼓泡反应塔（5）和气泡特征参数测量仪（14）依次相连接；所述超声鼓泡反应塔（5）的顶端与液体流量计（8）、液相进口（7）依次相连；

所述超声鼓泡反应塔呈圆角正四边形棱柱形状；

所述超声鼓泡反应塔的相对两侧分别设有超声换能器（15）；以形成多频辐射超声场；所述超声换能器的分布方式为：在超声鼓泡反应塔相对两侧均匀排列并且相对的两个超声换能器交错，交错的垂直距离与横向距离之比为0.5:1或1:1，相对的两个交错的超声换能器的频率相同，每两个频率相同的超声换能器构成一个超声换能器组，形成平衡辐射，每组超声换能器均能单独工作，所述超声换能器组的个数至少为两组。

2.根据权利要求1所述的气液传质反应装置，其特征在于，所述超声鼓泡反应塔（5）的底端设置有进气口（9）、排污口（11）和出料口（12）；所述出料口（12）还与液封（13）相连；所述液封（13）为U型管式液封；所述超声鼓泡反应塔（5）内设置有分布板（4），用于分散气泡，提高气液两相湍动；所述超声鼓泡反应塔（5）内还设置有双电导探针（6），所述双电导探针（6）与气泡特征参数测量仪（14）连接，用于采集超声鼓泡反应塔内的气泡特征参数信息；所述气泡特征参数测量仪（14）将探针采集的超声鼓泡反应塔内的气泡特征参数信号放大、转换和处理；所述超声鼓泡反应塔（5）的顶端设有温度测量装置（10），用于测量超声鼓泡反应塔内的温度。

3.根据权利要求1所述的气液传质反应装置，其特征在于，所述超声鼓泡反应塔的相对两侧还分别设有至少两个测量口（17）；所述测量口的分布方式为：在超声鼓泡反应塔相对两侧的两组测量口均匀错开排列，并与对应的超声换能器组呈错开分布；所述测量口分别与数据采集或数据处理仪器相连接，用于采集、测量、分析超声鼓泡反应塔内有关超声传质的各种参数；所述测量口的接口为螺纹密封或O型圈密封，防止液体漏出。

4.根据权利要求3所述的气液传质反应装置，其特征在于，所述超声鼓泡反应塔的两侧还设有透明视窗（16），用于实时观测和拍摄气泡的运动状态。

5.根据权利要求4所述的气液传质反应装置，其特征在于，所述超声鼓泡反应塔（5）的两侧还有外罩（18）包裹超声换能器，用于保护超声换能器；所述超声鼓泡反应塔（5）的与分布板（4）结合的部位还设置有法兰（19），用于固定分布板（4）；所述超声鼓泡反应塔（5）的顶部还设有灯罩（20），用于摄像或测量时为反应塔内提供光照；所述超声鼓泡反应塔（5）的底部还设有支架（21）。

6.根据权利要求5所述的气液传质反应装置，其特征在于，所述分布板为圆孔式分布板。

7.根据权利要求1~6之一所述的气液传质反应装置，其特征在于，在反应开始前，液相经液相进口（7）和液体流量计（8）计量后从超声鼓泡反应塔（5）上端注入到超声鼓泡反应塔（5）中，与气相接触发生传质反应后，从超声鼓泡反应塔（5）下端的出料口（12）排出，形成连续流动；气相经过压缩机（1）之后经过气体缓冲罐（2），经气体流量计（3）计量之后从超声鼓泡反应塔（5）底部通过分布板（4）进入超声鼓泡反应塔（5）内，与液相接触发生传质反应，并由超声鼓泡反应塔（5）上部气液分离后放空，与液相形成总体逆流。