CN102824840A - 一体式动态膜滤化学反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式动态膜滤化学反应器，解决了现有反应器结构复杂、体积庞大、功能单一、过滤与反应各自独立，反冲洗频繁等问题，技术方案包括筒体、位于筒体顶部的排气口、底部的排污口，以及进液管和进气管，所述筒体沿轴线垂直设有滤膜组件，所述滤膜组件由内部相互连通的多层膜管、膜管引流架以及清液出口组成，所述进液管及进气管的前端均由筒体穿入至滤膜组件下方，位于滤膜组件下方的进液管和进气管均上开有多个喷嘴。本发明结构简单、体积小、操作简便、膜滤效率高、反冲洗周期长、可同时进行膜滤及氧化。

Description

一体式动态膜滤化学反应器

技术领域

本发明涉及一种水处理装置，具体的说是一种一体式动态膜滤化学反应器。 

背景技术

“十一五”期间，除钢铁行业少数烧结、球团烟气外，基本都进行了二氧化硫（SO₂）的治理。主要的工艺有湿式石灰石法和湿式氨法。为了提高脱硫副产品的利用价值，降低脱硫成本，湿式氨法脱硫已成为“十二五”期间烟气脱硫的首选工艺，其脱硫效率高，脱硫剂用量小，无废渣废水，热利用效率高，同时还可实现联合脱硫脱硝，是一项可实现循环经济的“绿色”脱硫脱硝工艺。但是，随烟气带入的微细粉尘等也将进入吸收液中，在副产品-硫酸铵结晶时，易将烟气带入的微尘作为晶核，最终严重影响副产品的质量。所以如何实现亚硫酸铵充分氧化转化为硫酸铵以及杂质的去除，是该技术广泛推广应用、降低运行成本的重要制约因素。 

目前用于过滤含有微尘液体的方式有多种，其中涉及膜滤工艺的反应池一般结构比较庞大，且功能单一，仅具有膜滤过滤功能，而无氧化作用，或者过滤与反应单元各自独立，但对于含有亚硫酸铵的收吸液而言，除了过滤目的，还有进一步氧化的需求，为此，设计人员往往需要在反应池之前或之后另外增设一套装置用于对该吸收液进行氧化（如采用通入空气鼓泡的方法进行氧化），这样使得整个装置结构变得极为复杂，操作不便、且膜滤效率低下、周期长（几个小时），另外，由于膜滤自身的特点，容易发生堵塞，因而需要经常进行反冲洗，影响正常作业。 

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、体积小、操作简便、膜滤效率高、反冲洗周期长、可同时进行膜滤及氧化的一体式动态膜滤化学反应器。 

技术方案包括包括筒体、位于筒体顶部的排气口、底部的排污口，以及进液管和进气管，所述筒体沿轴线中心垂直设有滤膜组件，所述滤膜组件由内部相互连通的多层膜管、膜管引流架以及清液出口组成，所述进液管及进气管的前端均由筒体穿入至滤膜组件下方，位于滤膜组件下方的进液管和进气管均上开有多个喷嘴。 

所述膜管为中空纤维膜。 

所述进液管和进气管上的多个喷嘴位于滤膜组件的下方导流板构成的导流区内。 

所述进气管位于进液管的下方。 

所述中空纤维膜的膜孔径范围0.05-0.5μm，使用温度范围70-120^oC，耐酸碱的pH值范围：5～9。  

所述滤膜组件包括沿筒体轴向垂直设置的至少两组，所述相邻两组之间间距为清液出口的管外径的3～4倍,两组间由支撑板连接。 

所述喷嘴开口向上。 

所述筒体下段为锥形结构，设有刮泥机。 

本发明反应器同时兼具膜过滤及氧化的作用，将滤膜组件设于筒体内，通过在滤膜组件下方设置进液和进气的喷嘴，使气液形成先混合再过滤、边混合边过滤的状态，气液混合的状态通过多层膜管有以下优点：1，向吸收液内通入气体（含有氧气）可以与吸收液中的亚硫酸铵发生氧化反应生成硫酸铵，满足后期吸收液进入硫酸铵结晶系统的要求；2，吸收液与气体在膜滤组件下方喷出时，会进行第一次气液混合，在通过多层膜管过滤时，会使气泡被进一步打碎，气液再 次混合，提高了气体混合效率和过滤效果，强化了氧化效果；3.气液混合物上升时具有对膜管的湍动作用，加之喷嘴向上喷出液体和气体可直接冲刷膜管，使膜管在气液搅动下始终保持摆动状态，被过滤出来的位于膜管外表面吸附的大部分微尘（固相）被震荡下来，随重力降至筒体底部，因为膜管处理摆动状态，可以有效减少微尘的吸附，提高过滤效果，使反冲洗的周期被大大延长，提高了膜管的使用寿命， 

另一方面，由于进液管和进气管的喷嘴位于滤膜组件下方，该处的气体含量大、混合液的平均密度小，加之喷嘴向上喷流动能的作用，使混合液（气体和吸收液的混合液）穿过滤膜组件边过滤边上升，当升至滤膜组件之上时，由于上部空间大，气体从混合液中逃逸出并由排气口排出，此时混合液平均密度变大，由滤膜组件和筒体之间的外围空间下降至筒体底部，然后再随新喷出的气液混合物被带入滤膜组件内上升循环，使吸收液在筒体内形成一个由中心上升到外围下降的循环过程，使引入的吸收液得到最大程度的过滤和氧化。所述导流板的作用是在滤膜组件下方形成一个导流区，为喷出的气体和液体导向，避免其沿滤膜组件以外的区域上升。由于膜管、膜管引流架以及清液出口均为相互连通的中空结构，经膜管过滤后的部分吸收液可进入膜管中，流至膜管引流架，并由清液出口引出筒体，引出筒体的吸收液经充分氧化及过多层膜管过滤，能完全满足进入硫酸铵结晶系统的各项要求。解决了在结晶系统中，硫酸铵（包括少量亚硫酸铵）结晶时，这些微尘作为晶核，被包裹在晶体中，严重影响着产品质量的问题。 

所述进气管和进液管可以有一根也可以有多根，本领域技术人员可根据需要进行合理设计，所述进气管和进液管上的喷嘴的设置数量和位置也没有特别限定，但最好进气管的高度应低于进液管，这样，可增加气体的流经行程，并使新引入的吸收液能尽可能的被气体带入滤膜组件中过滤。 

所述膜管可以使用现有的各种具有中空结构的膜管，优选中空纤维膜，这种膜管能够更适于气液混合状态中的摆动。所述每组多层膜管总的厚度最好为筒体直径的1～2倍，过厚会为气、液上升带来阻力，过薄会影响过滤效果，当滤膜组件为上下排布的至少两组时，则相邻两组间间距最好为清液出口管外径的3～4倍，并用支撑板将相邻两组连接在一起。两组间保持间隔的目的是为了减少上升的气相及液相的阻力，提高过滤和混合效果。 

所述筒体下段的锥形结构相当于沉降区，被滤膜组件过滤下来的微尘沉降至筒体下段时，锥形结构更利于微尘的沉降和收集，并且，优选在此处增设刮泥机，使含有微尘的液固混合液被刮泥机刮至筒体底部的排污口集中排出。 

有益效果： 

1．在进料初始动能和膜管（丝）的摆动的组合作用下，各反应组分充分混合，传质强度高，可有效提高反应效果。同时由于膜滤的作用，不参与反应（或未溶解）的固相杂质（或组分）被隔离在膜滤组件形成的“上升区”，有利于提高反应产品的纯度及反应速度）；在膜滤组件和外筒之间形成的“下降区”，由于液体向下流动的惯性，有利于液体中固相进入比较静止的“沉降区”沉降；锥形段的外径较筒体中段外径小，且远离湍动程度大的“上升区”，流体在该区内几乎不受其上部流体湍动的影响，处于静止关状态，有利于固相的浓缩；本发明气液混合效果好、过滤效果好，同时兼具除尘和氧化两个功能， 

2．本发明设备结构紧凑，体积小，处理量大，反冲洗间隔较普通滤膜装置延长近一倍，保证了生产的正常进行，且各组件相对独立，检修更换方便。 

3．适用于采用连续生产形式，保持筒体内吸收液循环量的基础 上，引入多少吸收液，过滤后的吸收液会以基本相同的量由清液出口流出，缩短了工艺周期，操作更为简单，可靠性好。 

4．本发明结构简单、设备投资低、生产成本低、不仅适用于烟气脱硫工艺中生产副产品硫酸铵过程中吸收液的除尘纯化处理，由于兼具混合、反应、分离等功能，适用于气-液-固反应，也适用于以获取液相产品的固-液反应，因而在化工和制药等行业中的类似生产工艺中也能得到广泛应用。 

附图说明

图1为本发明结构示意图。 

图2为图1的C-C剖视图。 

图3为图1的B部局部放大图。 

图4为图1的A-A剖视图。 

其中，1-筒体、2-排气口、3-排污口，4-进液管、4.1-喷嘴、5-进气管、5.1-喷嘴、6-滤膜组件、6.1-多层膜管、6.2-膜管引流架、6.3-清液出口、7-导流板、8-刮泥机、9-支撑板、10-支座。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释说明： 

参照图1及图2，筒体1的顶部设排气口2、底部设排污口3，所述筒体1沿轴线中心设有滤膜组件6，参照图3，所述滤膜组件6由内部相互连通的多层膜管6.1、膜管引流架6.2以及清液出口6.3组成，所述多层膜管中的膜管为中空纤维膜，膜孔径范围0.05-0.5μm，使用温度范围70-120^oC，耐酸碱的pH值范围：5～9。本实施例中，所述滤膜组件6包括沿筒体1轴向垂直设置的两组（根据需要还可以为一组或多组），每组的多层膜管6.1的总厚度为筒体直径的1～2倍，所述相邻两组之间的间距为清液出口管外径的3～4倍，由支 撑板9连接。所述进液管4及进气管5的前端穿过筒体1引至滤膜组件6下方，所述进液管4和进气管5均上开有多个喷嘴4.1和喷嘴5.1，所述喷嘴4.1和喷嘴5.1位于滤膜组件6的下方的导流板7构成的导流区内，喷嘴5.1位于位于喷嘴4.1的下方。所述筒体1的下段为锥形结构，设有刮泥机8。 

所述滤膜组件6可经支撑件（如支座10）或连接件与筒体1固定，此为现有技术，在此不作详述。 

工作原理： 

以烟气氨法脱硫副产品纯化为例，烟气中的SO₂在脱硫塔内被氨水吸收后生成亚硫酸铵，同时部分被烟气中的氧气氧化为硫酸铵，形成含有硫酸铵及少量亚硫酸铵的吸收液，由于烟气在塔内与氨水直接接触发生化学吸收反应，随烟气带入的重金属以及微细粉尘等也被吸收液吸收下来，形成含有微尘的吸收液（含有硫酸铵及少量亚硫酸铵）。 

由脱硫塔底部引出的吸收液被加热到80-90℃使含有的晶体（部分硫酸铵结晶）溶解后，再由进液管4进入滤膜组件下方由喷嘴4.1中喷出，同时进气管5引入热空气也由喷嘴5.1喷出，气体向上鼓泡进入吸收液中，气相和液相在膜滤组件6下方进行第一次混合，吸收液中的亚硫酸铵与热空气中氧气发生反应生成硫酸铵；喷嘴4.1和喷嘴5.1同时向上喷出的吸收液和气体在导流板7的导流作用下，直接冲刷多层膜管6（或称膜丝），使气泡被打碎，再次与吸收液进行第二次混合，吸收液中未反应的亚硫酸铵与气泡中的氧气反应生成硫酸铵，混合液（含气体和吸收液的混合液）在通过多层膜管上升的同时，被多层膜管6.1过滤，吸收液中的微尘被过滤下来部分沉降至筒体1底部，部分附着于膜管的外表面上； 

由于是气体混合上升，冲刷膜管的同时还使膜管在气液搅动下始终保持摆动状态，被过滤出来的吸附于膜管外表面的大部分微尘（固 相）被震荡下来，也随重力降至筒体1底部，再由刮泥机8刮取收集后由筒体1底部的排污口3排出，筒体1下段为锥形结构，利于微尘的沉降和收集； 

过滤中进入多层膜管6.1膜管内的吸收液在负压作用下（清液出口6.3连接负压泵，持续抽吸，使清液出口6.3内的液体保持负压状态，吸收液的抽吸量可通过控制合理的负压值进行控制）经中空的膜管引流架6.2以及清液出口6.3引出，吸出的吸收液中微尘被过滤掉，同时也与氧气进行了充分反应，使吸收液中的亚硫酸铵尽可能的被氧化成硫酸铵； 

由于筒体1上部（膜滤组件6 上方）空间大，穿过多层膜管6.1上升的混合液随着上升高度的不断增加，气体从混合液中逃逸出并由排气口2排出，液体密度增大，过滤后的吸收液由滤膜组件6和筒体1之间的外围空间下降至筒体1下段，然后再随进液管4和进气液5的喷嘴中新喷出的气体和液体带入滤膜组件6中再次上升循环过滤，这样，使吸收液在筒体1内形成一个由中心的滤膜组件6上升到外围下降的持续循环过程，使引入的吸收液得到最大程度的过滤和氧化。 

开工时，可先向筒体内引入循环量的吸收液，当满足循环液量后，可根据引入筒体1内的吸收液的量，控制清液出口中经过滤后的吸收液的引出量，引入多少吸收液的同时边循环、过滤同时并氧化，然后引出相应量的过滤后的吸收液。采用本发明装置具有设备体积小、周期短、过滤氧化效果好的优点。 

Claims (8)

1.一种一体式动态膜滤化学反应器，包括筒体、位于筒体顶部的排气口、底部的排污口，以及进液管和进气管，其特征在于，所述筒体沿轴线垂直设有滤膜组件，所述滤膜组件由内部相互连通的多层膜管、膜管引流架以及清液出口组成，所述进液管及进气管的前端均由筒体穿入至滤膜组件下方，位于滤膜组件下方的进液管和进气管均上开有多个喷嘴。

2.如权利要求1所述的一体式动态膜滤化学反应器，其特征在于，所述膜管为中空纤维膜。

3.如权利要求1所述的一体式动态膜滤化学反应器，其特征在于，所述进液管和进气管上的多个喷嘴位于滤膜组件的下方导流板构成的导流区内。

4.如权利要求1所述的一体式动态膜滤化学反应器，其特征在于，所述进气管位于进液管的下方。

5.如权利要求2所述的一体式动态膜滤化学反应器，其特征在于，所述中空纤维膜的膜孔径范围0.05-0.5μm，使用温度范围70-120^oC，耐酸碱的pH值范围：5～9。

6.如权利要求1-5任一项所述的一体式动态膜滤化学反应器，其特征在于，所述滤膜组件包括沿筒体轴向垂直设置的至少两组，所述相邻两组之间间距为清液出口的管外径的3～4倍,两组间由支撑板连接。

7.如权利要求1-5任一项所述的一体式动态膜滤化学反应器，其特征在于，所述喷嘴开口向上。

8.如权利要求1-6所述的一体式动态膜滤化学反应器，其特征在于，所述筒体下段为锥形结构，设有刮泥机。

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