CN105854332A - 复合式多级旋转填料床传质反应装置及其完成的反应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于混合、传质与反应装置领域，具体涉及一种复合式多级旋转填料床传质与反应装置及其完成的反应方法，解决了现有超重力装置不能实现液‑液两相需先充分、快速混合反应后再进行气‑液两相吸收反应过程强化的问题。其旋转床外壳内设上部反应区和下部反应区，上、下部反应区内分别设置若干级同轴设置的填料转子，上下部反应区之间设置受液装置。本发明将液‑液两相充分混合反应后随即进行气‑液两相反应集成到同一台装置中，实现集成设计，有效减小了设备占地空间。下部填料转子内侧斜面设计，有利于接受从受液装置作为液体再分布器分布下来的液体。

Description

复合式多级旋转填料床传质反应装置及其完成的反应方法
技术领域
本发明属于混合、传质与反应装置领域，具体涉及一种复合式多级旋转填料床传质与反应装置及其完成的反应方法，可以应用于混合、吸收、反应等过程的强化。
背景技术
随着现代化工的发展，过程强化成为化工领域有效降低成本、节能、减排的重要手段。
超重力技术（High Gravity Technology, Higee）作为一种新型的过程强化技术，具有混合时间短，混合均匀等优点。其基本原理是利用高速旋转的填料床模拟超重力场，在填料高速旋转的过程中对液体有破碎、剪切、撕裂等作用，极大地增大了相间接触面积、加速相界面更新速率，从而大大提高相界传质速率，强化微观混合过程。
研究表明，超重力旋转填料床的传质效率为传统塔器的3倍，体积却只为传统塔器的1/10。因此，超重力旋转填料床也被称为现代化工的“晶体管”。无论对液-液两相，还是气-液两相流间的微观混合、传质、反应，超重力旋转填料床均起到传统塔器、搅拌器无法比拟的强化作用。目前，超重力技术被成功应用于蒸馏、吸收、降尘、脱硫、纳米颗粒制备等化工领域的过程强化。
现有的超重力装置中，多数设备是针对液-液两相或气-液两相间的混合、传质与反应的强化，而针对液-液两相需先充分、快速混合反应后再进行气-液两相吸收反应的强化设备却极少。专利CN 1425493 A中公开了一种撞击流-旋转填料床反应装置，该装置通过增加撞击喷嘴即可实现液-液、气-液等多相流间的混合与反应。但气-液两相反应与液-液两相混合同时进行，在液-液两相的混合并不充分的情况下即进行气-液两相反应，达不到预期的强化效果。
发明内容
本发明为了解决现有超重力装置不能实现液-液两相需先充分、快速混合反应后再进行气-液两相吸收反应过程强化的问题，提供了一种复合式多级旋转填料床传质反应装置及其完成的反应方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
复合式多级旋转填料床传质反应装置，包括设有进液口、出液口、进气口和出气口的旋转床外壳以及从顶部进液口进入的撞击流装置，其特征在于旋转床外壳内设上部反应区和下部反应区，上、下部反应区内分别设置若干级同轴设置的填料转子，上下部反应区之间设置受液装置。受液装置收集从外壳内壁流下的液体。
上部反应区为液-液反应区，下部反应区为气-液反应区，下部反应区最上方设置出气口。
所述的受液装置为锥形受液板，锥形受液板底部为圆形平盘，平盘上均布有若干布液孔，锥形受液板外沿与旋转床外壳连接。
所述锥形受液板倾角为5°～45°，所述锥形受液板底部圆形平盘开孔率为30%～60%。
气-液反应区的填料转子内侧具有为斜面，斜面上设有与斜面成角度的若干带孔斜板 22，用以液体承接与再分布。气-液反应区的填料转子内侧斜面与垂直面设计角度为15°～45­°，带孔斜板 22与斜面设计角度60°～90­°。带孔斜板用以液体承接与再分布。
撞击流装置由两根底部设有喷嘴Ⅰ、喷嘴Ⅱ 16的进料管Ⅰ、进料管Ⅱ组成，进料管Ⅰ、进料管Ⅱ分别连接不同的原料储液槽Ⅰ、原料储液槽Ⅱ，液-液反应区和气-液反应区分别有一组填料转子。所述填料为整装填料或散装填料。
复合式多级旋转填料床传质反应装置完成的反应方法，先将需要充分混合反应的两股原始物料分别溶解置于储液槽Ⅰ和储液槽Ⅱ中，两股原始物料分别由泵Ⅰ和泵Ⅱ经液体流量计Ⅰ和流量计Ⅱ计量后从进料管、进料管Ⅱ打入撞击流装置，经撞击流装置的喷嘴Ⅰ和喷嘴Ⅱ高速喷出后进行初次快速碰撞、混合、反应，随后液体进入高速旋转的填料转子Ⅰ进行二次深度混合反应；液-液两相混合反应完成后，液体被甩至旋转床外壳内壁，在重力作用下沿内壁流至受液装置，由布液孔再分布到填料转子Ⅱ内侧带孔斜板上；液体在离心力的作用下被甩到填料转子Ⅱ中并由内向外甩出，气体由进气口进入，与液体在填料转子Ⅱ内进行逆流或错流接触；完成气-液两相间传质、反应后，气体从出气口排出，液体则由出液口排出至储液槽Ⅲ。
本发明的有益效果是：将液-液两相充分混合反应后随即进行气-液两相反应集成到同一台装置中，实现集成设计，有效减小了设备占地空间。下部填料转子内侧斜面设计，有利于接受从受液装置作为液体再分布器分布下来的液体。利用本发明装置可以实现两股原始物料的混合配液，随后进行吸收反应的过程强化。也可以实现先进行原始物料的混合反应，再进行气-液两相间的传质反应的过程强化。
附图说明
图1为本发明所述一种复合式多级旋转填料床传质与反应装置的使用工艺流程图。
图中：1-储液槽Ⅰ; 2-泵Ⅰ; 3-液体流量计Ⅰ; 4-复合式多级旋转填料床; 5-储液槽Ⅱ; 6-泵Ⅱ; 7-液体流量计Ⅱ; 8-电机Ⅰ; 9-储液槽Ⅲ; 10-氧气瓶; 11-臭氧发生器; 12-气体流量计; 13-尾气处理装置。
图2为本发明所述一种复合式多级旋转填料床传质与反应装置主体示意图。
图中：14-进液口; 15-进料管; 16-喷嘴; 17-外壳; 18-出气口; 19-进气口; 20-出液口; 21-转动轴; 22-带孔斜板; 23-填料转子Ⅱ; 24-受液装置; 25-撞击区域; 26-填料转子Ⅰ。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明，但本发明内容并不受下述实施方式所局限。
如图2所示，一种复合式多级旋转填料床传质与反应装置，包括：设有进液口 14、出液口 20、进气口 19和出气口 18的旋转床外壳 17，从顶部进液口 14进入的撞击流装置，撞击流装置由两根底部设有喷嘴 16的进料管 15组成，进料管 15连接不同的原料储液槽 1、5；同轴设置在转动轴 21上的两级填料转子Ⅰ 26和填料转子Ⅱ 23，填料转子Ⅱ 23内侧斜面与垂直面成15°，斜面上的带孔斜板与斜面成75°，所有填料为散装不锈钢丝网填料；受液装置 24倾角为30°，圆形平盘上均布有布液孔。
所述下部填料转子中，气-液两相的接触方式为逆流接触。
如图1所示，一种使用上述复合式多级旋转填料床传质与反应装置的方法，包括如下步骤：先将需要充分混合反应的两股原始物料分别溶解置于储液槽Ⅰ、Ⅱ中，两股原始物料分别由泵Ⅰ、Ⅱ经液体流量计Ⅰ、Ⅱ计量后从两根进料管Ⅰ、Ⅱ打入撞击流装置，经喷嘴Ⅰ、Ⅱ高速喷出后在撞击区 25内进行初次快速碰撞、混合、反应，随后液体进入高速旋转的填料转子Ⅰ 26进行二次深度混合反应；液-液两相混合反应完成后，液体被甩至旋转床外壳 17内壁，在重力作用下沿内壁流至受液装置 24，由布液孔再分布到下部填料转子Ⅱ 23内侧带孔斜板 22上；液体在离心力的作用下被甩到填料转子Ⅱ 23中并由内向外甩出，气体由进气口 19进入，与液体在填料转子Ⅱ 23内进行逆流接触；完成气-液两相间传质、反应后，气体从出气口 18排出，液体则由出液口 20排出至储液槽Ⅲ 9。
针对硝基苯废水处理过程中，在纳米零价铁的制备过程中同步将硝基苯充分还原成苯胺，随后再利用臭氧氧化来将苯胺降解的方法，可以使用本发明所述装置进行过程强化。
利用图1所示工艺流程，20 ℃下处理含初始浓度为200 mg·L-1的硝基苯废水。将硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）溶解于储液槽Ⅰ 1中的硝基苯废水，配制浓度为0.05 mol·L-1的含亚铁盐硝基苯废水；用自来水将NaBH4溶解于储液槽Ⅱ 5中，配成浓度为0.15 mol·L-1的NaBH4水溶液。两股液体分别由泵Ⅰ、Ⅱ经液体流量计Ⅰ、Ⅱ计量后从两根进料管Ⅰ、Ⅱ打入撞击流装置，经喷嘴Ⅰ、Ⅱ 16高速喷出后以5 m·s-1的撞击初速在撞击区 25内进行初次快速碰撞、混合、反应，随后液体进入转速为1200 rpm的填料转子Ⅰ 26进行二次深度混合反应；混合反应完成后，液体被甩至旋转床外壳 17内壁，在重力作用下沿内壁流至受液装置 24，由布液孔再分布到下部填料转子Ⅱ 23内侧带孔斜板 22上；液体在离心力的作用下被甩到转速为1200 rpm填料转子Ⅱ 23中并由内向外甩出；氧气从氧气瓶 10出来后经臭氧发生器 11转变成臭氧，经气体流量计 12计量至流量为75 L·h-1，气相臭氧浓度为50 mg·L-1后，从进气口 19 进入，与废水在下部填料转子Ⅱ 23内进行逆流接触；完成臭氧氧化反应后，气体从出气口 18排出到尾气处理装置 13，液体从出液口 20排入储液槽Ⅲ 9。
单次处理后，硝基苯去除率99%，COD去除率达75%以上。与常规方法相比，本装置不仅处理效率高、处理时间大大缩短，而且简化处理流程，减小中间操作步骤，设备占地空间体积大大减少，能够有效的降低处理成本。

Claims (8)

1.一种复合式多级旋转填料床传质反应装置，包括设有进液口、出液口、进气口和出气口的旋转床外壳以及从顶部进液口进入的撞击流装置，其特征在于旋转床外壳内设上部反应区和下部反应区，上、下部反应区内分别设置若干级同轴设置的填料转子，上下部反应区之间设置受液装置。
2.根据权利要求1所述的复合式多级旋转填料床传质反应装置，其特征在于上部反应区为液-液反应区，下部反应区为气-液反应区，下部反应区最上方设置出气口。
3.根据权利要求2所述的复合式多级旋转填料床传质反应装置，其特征在于所述的受液装置为锥形受液板，锥形受液板底部为圆形平盘，平盘上均布有若干布液孔，锥形受液板外沿与旋转床外壳 （17）连接。
4.根据权利要求3所述的复合式多级旋转填料床传质反应装置，其特征在于所述锥形受液板倾角为5°～45°，所述锥形受液板底部圆形平盘开孔率为30%～60%。
5.根据权利要求2或3或4所述的复合式多级旋转填料床传质反应装置，其特征在于气-液反应区的填料转子内侧具有为斜面，斜面上设有与斜面成角度的若干带孔斜板。
6.根据权利要求5所述的复合式多级旋转填料床传质反应装置，其特征在于气-液反应区的填料转子内侧斜面与垂直面设计角度为15°～45­°，带孔斜板与斜面设计角度60°～90­°。
7.根据权利要求6所述的复合式多级旋转填料床传质反应装置，其特征在于撞击流装置由两根底部设有喷嘴Ⅰ、喷嘴Ⅱ的进料管Ⅰ、进料管Ⅱ组成，进料管Ⅰ、进料管Ⅱ分别连接不同的原料储液槽Ⅰ、原料储液槽Ⅱ，液-液反应区和气-液反应区分别有一组填料转子。
8.一种使用如权利要求7所述的复合式多级旋转填料床传质反应装置完成的反应方法，其特征在于：先将需要充分混合反应的两股原始物料分别溶解置于储液槽Ⅰ和储液槽Ⅱ中，两股原始物料分别由泵Ⅰ和泵Ⅱ经液体流量计Ⅰ和流量计Ⅱ计量后从进料管、进料管Ⅱ打入撞击流装置，经撞击流装置的喷嘴Ⅰ和喷嘴Ⅱ高速喷出后进行初次快速碰撞、混合、反应，随后液体进入高速旋转的填料转子Ⅰ进行二次深度混合反应；液-液两相混合反应完成后，液体被甩至旋转床外壳内壁，在重力作用下沿内壁流至受液装置，由布液孔再分布到填料转子Ⅱ内侧带孔斜板上；液体在离心力的作用下被甩到填料转子Ⅱ中并由内向外甩出，气体由进气口进入，与液体在填料转子Ⅱ内进行逆流或错流接触；完成气-液两相间传质、反应后，气体从出气口排出，液体则由出液口排出至储液槽Ⅲ。
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