CN103706319B - 自吸式管道混合反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自吸式管道混合反应器，主要解决现有技术存在混合效率低，有效反应时间短，反应器体积大的问题。本发明通过采用沿流体流动方向依次包括吸入段1和混合段2；吸入段1包括流体入口管道3、吸入腔段4和扩散段5。流体入口管道3伸入吸入腔段4内，末端收缩为圆锥形；在吸入腔段4的管壁上设置有吸入物流管道6，吸入物流管道6深入吸入腔段4内的末端设置有流体分布器7；混合段2管壁上设置有导流挡板；沿流体流动方向，流体入口管道3、吸入腔段4、扩散段5和混合段2的轴线重合的技术方案，较好地解决了该问题，可应用于药物生产废水后处理的工业生产中。

Description

自吸式管道混合反应器

技术领域

本发明涉及一种带分布器的自吸式管道混合反应器。

背景技术

文丘里效应，是指在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用。这种现象以其发现者意大利物理学家文丘里（GiovanniBattistaVenturi）命名，所以叫文丘里效应。根据这种效应制成的设备，又叫文丘里管。文丘里管目前在工业领域得到广泛应用，如用于产生真空的水喷射式真空泵，就是利用文丘里原理产生真空。

管道混合器是一段细长的管道，中间设置有连续的不规则的导流挡板，当两股以上的流体通过时，在挡板的作用下，前行的流体因受到阻力从而不断改变流动方向、局部形成紊流和湍流，流体间产生撞击等，从而使流体内不同组分间产生了充分的混合。管道混合器由于混合过程全部在管道内进行，不需储槽和搅拌器，没有机械运动部件，所以占地空间小，无需维护，安装使用方便，混合过程连续，所以得到广泛应用。如水处理领域的加药过程等。

文献CN2866486Y公开了一种用于油田稠油污水处理的高效管道混合反应器，由管道混合反应管汇1、溶气释放器2、饱和溶气水进口3、混合器6、取样口4、8、9、投药口10、混凝剂进口11、助凝剂进口7、管汇总进水口12、总出水口5组成；管道混合反应管汇1混合段上设有两个混合器5，反应管段上设有多个溶气释放器2；管汇1上部和两个混合器5分别与溶气释放器2相连接，各个溶气释放器2分别与饱和溶气水进口3相连接。但是这种管道反应器仍然存在混合效率低，有效反应时间短的问题，对反应的收率、反应结果均产生不利影响。为达到有效的反应时间，必须加长混合段的长度，增加液体停留时间，而这也造成了混合器的体积增大，投资加大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术存在混合效率低，有效反应时间短，反应器体积大的问题，提供一种新的自吸式管道混合反应器。该反应器具有混合效率高，有效反应时间长，反应器体积小的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种自吸式管道混合反应器，沿流体流动方向依次包括吸入段1和混合段2；吸入段1包括流体入口管道3、吸入腔段4和扩散段5；流体入口管道3伸入吸入腔段4内，末端收缩为圆锥形；在吸入腔段4的管壁上设置有吸入物流管道6，吸入物流管道6深入吸入腔段4内的末端设置有流体分布器7；混合段2管壁上设置有导流挡板；沿流体流动方向，流体入口管道3、吸入腔段4、扩散段5和混合段2的轴线重合。

上述技术方案中，吸入腔段4、扩散段5和混合段2的长度比优选范围为1：（2~4）：（10~20）。流体入口管道3与吸入腔段4的内径比优选范围为3~6。吸入物流管道6与吸入腔段4的内径比优选范围为5~10。吸入腔段4、扩散段5和混合段2的内径相同。所述流体分布器7深入吸入腔段4的位置优选范围为吸入腔段4内径的1/4~1/2。所述流体分布器7优选方案为包括进料管71和其末端的半球形空心腔体72，半球形空心腔体72上设置有至少一个圆孔；其中，半球形空心腔体72的中心轴线与流体流动方向的夹角θ优选范围为120°~135°。进料管71的直径D₁与半球形空心腔体72的直径D₂优选方案为满足D₁/D₂≤0.5，半球形空心腔体72上圆孔的数量n和圆孔的直径d优选方案为满足（D₁/d）²≤n≤0.5(D₂/d)²。半球形空心腔体72上圆孔的直径d优选范围为1~4毫米，更优选范围为2~3毫米。

本发明的自吸式管道混合反应器，其中的吸入段实质是文丘里管，通过文丘里效应，使一种流体通过文丘里管产生负压，将另外一种流体吸入系统。然后在后续的管道混合器内进行充分混合并发生反应，其出口即得到反应产物。两种流体的配比可通过进口阀门进行调节，使其符合反应物配比的要求。

本发明在自吸式管道混合反应器的吸入段1，设置一个流体分布器7，通过特殊设计的小孔，将吸入物料事先分散成细小的液体流，当主物料流高速流过时，产生负压，被吸入物料在负压的作用下，高速通过分散器分散形成数股细小的物料流，并随主物料流进入混合段2。在混合段内的导流挡板作用下，流体通过进一步的分散、混合、撞击等，从而完成了混合反应过程。其中，流体分布器上小圆孔的直径d与被吸入流体的粘度、密度、含固量、在主流体内的分散程度、与主流体的互溶性等因素有关。直径太小，会增大流动阻力，减缓流体混合速度，并且易被堵塞。而直径太大，则不能起到预分散的作用。一般直径优选范围可为1～4毫米，更优选范围为2~3毫米。小圆孔的数量n，则与吸入速度和半球型空心腔体的表面积有关，数量太少，由于形成的细小流体数量较少，使得流体吸入量小，预混合不充分。而数量太多，则影响空心腔体的强度。n必须满足：（D₁/d）²≤n≤0.5（D₂/d）²。

本发明在吸入段增加流体分布器之后，使得被吸入物料能够事先分散成数股细小的物料流，加大了其在主物料流中的分散程度，增大了两者的接触面积，缩短了达到充分混合的时间（时间可减少30～60%），有利后续混合反应的进行。同时采用了特殊的流体分布器之后，由于混合时间的缩短，可大大减少混合器的物理长度，方便混合器的安装，降低了混合器的投资，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为自吸式管道混合反应器示意图。

图2为流体分布器示意图。

图1中，1为吸入段，2为混合段，3为流体入口管道，4为吸入腔段，5为扩散段，6为吸入物流管道，7为流体分布器，8为主物料流，9为吸入物流，10为反应后的物流，11为导流挡板。

图2中，71为进料管，72为半球形空心腔体，θ为半球形空心腔体72的中心轴线与流体流动方向的夹角。

本发明的自吸式管道混合反应器可用于头孢类抗生素药物生产废水的预处理中。头孢类抗生素生产废水除了含有大量有机物质外，往往还残留有头孢类抗生素的成分。由于头孢类抗生素是一种广谱抗菌素，它会破坏细菌的细胞壁，使得细菌失去活性。因此，含头孢类抗生素药物废水，必须事先经过降解反应，去除头孢类成分的活性，这样才能进入后续的生化处理过程，在厌氧/好氧微生物的共同作用下，进行生化反应，从而降低其废水中的COD/BOD的含量，使之达到国家的排放标准。目前在头孢类抗生素生产中，对产生的废水通过加入氢氧化钠溶液的方法，使其溶液的pH值呈碱性，来去除头孢类物质的生物活性。

本发明的反应器使用时，主物料流8含抗生素的废水高速从流体入口管道3进入反应器吸入段1，将吸入物流9氢氧化钠溶液从吸入物流管道6吸入。由于流体分布器的分散作用，吸入的氢氧化钠液体通过流体分布器后分散成数股细小的物料流，并随主物料流进入混合段2。在混合段内导流挡板的作用下，流体通过进一步的分散、混合、湍流和撞击，达到充分混合的效果。通过设置在反应器出料口的pH探测仪，探测反应液的pH值，通过调节吸入物流管道6上的比例调节阀的开启度，使得反应器出口混合液始终保持在pH≥13，以使废水失去活性，然后再排至后续的废水处理站进行生化处理，直至达标排放。

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。

具体实施方式

【实施例1】

采用本发明的自吸式管道混合反应器处理含头孢唑琳抗生素成分的废水，处理能力5m³/h。由于分布器的分散作用，重量百分比为3%的氢氧化钠稀溶液通过流体分布器被吸入后，通过分布器小孔形成数十股细小状液体流进入废水流体内，然后再通过后续的管道混合器的进一步混合均匀，出水的pH值稳定在13以上，达到预处理目的，然后直接进入后续的生化处理站作进一步处理。

混合反应器总长为2.6m，混合段直径100mm，内置波纹填料、有效流通面积50％。吸入腔段4、扩散段5和混合段2的长度之比为1：2：10。流体入口管道3直径25mm，与吸入腔段4的内径之比为25：100=1：4，吸入物料管道6直径15mm，与吸入腔段直径之比为15：100＝1：6.7.

流体分布器7深入吸入腔段4的位置为吸入腔段4内径的1/2。流体分布器7的半球形空心腔体72上设置有n＝60个圆孔，圆孔的直径为d＝2mm，半球形空心腔体72的中心轴线与流体流动方向的夹角θ=120°。进料管71的直径D₁=15mm，半球形空心腔体72的直径D₂=30mm，满足D_1/D₂≤0.5和（D₁/d）²≤n≤0.5(D₂/d)²）的相互关系。整套装置处理能力为5m³/h，其中流体在混合段内的流速为0.4m/s，停留时间约5s。

【实施例2】

废水处理工艺同实施例1，处理量要求达到10m³/h。整个吸入混合反应器的总长为2.6m，混合段直径125mm，内置波纹填料，有效流通面积为50％。吸入腔段4、扩散段5和混合段2的长度比为1：3：15，流体入口管道3直径40mm，吸入腔段4的内径为125mm，两者之比为40：125=3，吸入物流管道6直径为15mm，与吸入腔段4的内径比为15：125＝1：8.3。

流体分布器7深入吸入腔段4的位置为吸入腔段4内径的1/3。流体分布器7的半球形空心腔体72上设置有n＝60个圆孔，圆孔的直径为d＝3mm，半球形空心腔体72的中心轴线与流体流动方向的夹角θ=135°。进料管71的直径D₁=15mm，半球形空心腔体72的直径D₂=40mm，满足D_1/D₂≤0.5和（D₁/d）²≤n≤0.5(D₂/d)²。）的相互关系。

废水从吸入段至出料段整个停留时间为4.8s，即可达到混合均匀效果。整个装置每小时可连续处理废水量10m³，混合段内流体流速约0.45m/s。

【实施例3】

同实施例1，废水处理能力要求达到15m³/h。整个吸入混合反应器的总长为3.6m，混合段直径放大至150mm，内置波纹填料，有效流通面积为50％。吸入腔段4、扩散段5和混合段2的长度比为1：4：20，流体入口管道3直径40mm，吸入腔段4的内径为150mm，两者之比为40：150＝1：3.75，吸入物流管道6直径为25mm，与吸入腔段4的内径比为1：6。

流体分布器7深入吸入腔段4的位置为吸入腔段4内径的1/4。流体分布器7的半球形空心腔体72上设置有n＝70个圆孔，圆孔的直径为d＝4mm，半球形空心腔体72的中心轴线与流体流动方向的夹角θ=135°。进料管71的直径D₁=20mm，半球形空心腔体72的直径D₂=50mm，满足D_1/D₂≤0.5和（D₁/d）²≤n≤0.5(D₂/d)²。）的相互关系。

废水从吸入段至出料段整个停留时间为6s，即可达到混合均匀效果。整个装置每小时可连续处理废水量15m³，混合段内流体流速约0.5m/s。

【比较例1】

直接采用普通文丘里管（不带后续管道混合器），废水经加压泵送入文丘里管，氢氧化钠碱液通过文丘里效应被吸入后，与废水混合。由于文丘里管仅起到物料抽吸作用，实测出料液体的pH呈现波动状况，说明混合效果不佳，所以必须增加一个混合罐，经搅拌混合使混合液的pH值稳定并符合要求后，再送至废水处理站进行生化处理。由于废液需在混合罐内混合，所以整个过程无法连续完成。

【比较例2】

采用【实施例1】的自吸式管道混合反应器，只是吸入物流管道6的末端未设置流体分布器。为达到流体的充分混合，需要增加流体在混合器内的停留时间。相应的需增加混合段长度，经测定，吸入段、扩散段和混合段的长度之比要达到1：4：50，整个长度约8m，才能使得出料端的物料pH稳定在预定值，达到充分混合反应的效果。由于混合段长度增加了2倍多，使得设备占地和投资也相应增大。

Claims (5)

1.一种自吸式管道混合反应器，沿流体流动方向依次包括吸入段(1)和混合段(2)；吸入段(1)包括流体入口管道(3)、吸入腔段(4)和扩散段(5)；流体入口管道(3)伸入吸入腔段(4)内，末端收缩为圆锥形；在吸入腔段(4)的管壁上设置有吸入物流管道(6)，吸入物流管道(6)深入吸入腔段(4)内的末端设置有流体分布器(7)；混合段(2)管壁上设置有导流挡板；沿流体流动方向，流体入口管道(3)、吸入腔段(4)、扩散段(5)和混合段(2)的轴线重合；

所述流体分布器(7)包括进料管(71)和其末端的半球形空心腔体(72)，半球形空心腔体(72)上设置有至少一个圆孔；其中，半球形空心腔体(72)的中心轴线与流体流动方向的夹角θ＝120°～135°；

进料管(71)的直径D₁与半球形空心腔体(72)的直径D₂满足D₁/D₂≤0.5，半球形空心腔体(72)上圆孔的数量n和圆孔的直径d满足(D₁/d)²≤n≤0.5(D₂/d)²。

2.根据权利要求1所述的自吸式管道混合反应器，其特征在于吸入腔段(4)、扩散段(5)和混合段(2)的长度比为1：(2～4)：(10～20)。

3.根据权利要求1所述的自吸式管道混合反应器，其特征在于所述流体分布器(7)深入吸入腔段(4)的位置为吸入腔段(4)内径的1/4～1/2。

4.根据权利要求1所述的自吸式管道混合反应器，其特征在于半球形空心腔体(72)上圆孔的直径d＝1～4毫米。

5.根据权利要求4所述的自吸式管道混合反应器，其特征在于半球形空心腔体(72)上圆孔的直径d＝2～3毫米。