CN106890603A - 一种轻颗粒悬浮系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种轻颗粒悬浮系统，所述轻颗粒悬浮系统包括气液固三相区，所述气液固三相区包括气相、液相和固相，所述液相为连续相，所述固相为轻颗粒，所述轻颗粒的密度小于所述液相密度。所述液相作为连续相用于分散所述固体轻颗粒，固体颗粒选用密度小于所述液相的轻颗粒。本发明的轻颗粒悬浮系统具有以下优势：在液相中通入气体，使轻颗粒分散于液相中，利于气液固三相充分接触，且节省能耗。

Description

一种轻颗粒悬浮系统

技术领域

本发明属于气液固三相接触领域，尤其是涉及一种轻颗粒悬浮系统。

背景技术

在过程工程及其它许多工业过程中，经常需要用到多相流系统，包括气-液、气-固、液-固、气-液-固等体系。并且，又常常要求在这些体系中，各相之间有着充分的接触，以保证这类系统的效率。

以液固相系统为例，比如在某个液固化学反应中，固体以颗粒的形式存在于连续的液体相中，其中至少部分反应是在液固界面上进行的。为了提高液体与固体的反应效率，就需要将固体颗粒尽量分散于液体中，使固体颗粒与液体有更大的接触表面积。又比如在某个液相催化反应中，固体催化剂以颗粒的形式存在于连续的液体相中，两种或两种以上的液体组份在固体颗粒(催化剂)的表面进行反应。在这种情况下，为了提高液体间的催化反应效率，也是需要将固体颗粒尽量分散于液体中，使被反应的液体有更多的机会与固体颗粒表面进行接触。如果这些反应亦需要气体相的参与者，亦可以将气体充入，此时形成气液固三相系统。又比如在某个吸附分离过程中，为了提高吸附效率，更需要将颗粒尽量分散于液体相中，使吸附剂有更多的机会与液体中溶质接触而发生吸附反应。

在如上液固系统中，所涉及的固体颗粒一般均重于液体，因而在系统静止时，颗粒将堆积在系统底部，不能自动上浮。为了使颗粒有效地分散在液体中，人们开发了一些有效的方法。比如通过强力搅拌，通过机械、液体或者气体的强力射流，使至少一部分颗粒悬浮在混合体中。另一种有效的方法，就是利用固体流态化。该方法是将液体从系统的下部注入到液固系统中，形成向上的净流体流动，导致系统中的颗粒，因液体向上流动所造成的曳力而被悬浮。此时，通过合理地调整液体流速，使液体流速高于最小流化速度而低最小夹带速度，就可以有效地将颗粒比较均匀地分散在系统内至少一部分空间内。如果同时在系统的底部加入气体，气体的向上流动也可以提供额外的曳力，协助颗粒的悬浮。此时系统成为气液固三相体系。

如果所涉及的固体颗粒轻于流体，在系统静止时，颗粒将浮在系统的上表面而不会自动下沉。为了使颗粒有效地分散在液体中，除了通过强力搅拌，比如机械、液体或者气体的强力射流，还可以采用逆向固体流态化的方法。该方法是将液体从系统的上部注入到液固系统中，形成向下的净流体流动，导致系统中的颗粒，因液体向下流动所造成的曳力而被倒悬浮——一种因克服颗粒轻于液体而带来的浮力的悬浮现象，有时又称为逆向流态化。此时，通过合理地调整液体流速，使液体流速高于最小逆向流化速度而低最小逆向夹带速度，亦可以有效地将颗粒比较均匀地分散在系统的至少一部分空间内。但在此逆向流态化条件下，从上部同时加入气体一般将没有意义，因为气体不会向下流动。

在上述两类系统中，固体流态化方法虽然可以使颗粒比较有效地分散悬浮在液体相中(或者液体与气体的混合相中)，但必须维持一定的液体流速，即最小流化速度。为此需要消耗能量，用来驱动如水泵等装置，以维持较高的液体速度，因而导致不必要的能量损耗。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种轻颗粒悬浮系统，以克服现有技术的不足，在液相中通入气体，使气液混合流体的平均比重下降，当混合流体的平均比重与轻颗粒接近或相当时，流体流动的少许搅动，即可使轻颗粒被分散在液相中，利于气液固三相充分接触，且节省能耗。

具体技术方案如下：

一种轻颗粒悬浮系统，其特征在于：包括气液固三相区，所述气液固三相区包括气相、液相和固相，所述液相为连续相，所述固相为轻颗粒，所述轻颗粒的密度均一或非均一，所述轻颗粒的尺寸均一或非均一，所述气相自下而上流动，所述轻颗粒分散于所述液相中，所述轻颗粒的密度小于所述液相密度。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：在液相中通入气体，使轻颗粒分散于液相中，利于气液固三相充分接触，且节省能耗。

附图说明

图1为本发明轻颗粒悬浮系统结构示意图；

图2(a)-图2(d)为气液固三相区中横截面上设置一个或多个气体分布器的型式示意图；

图3(a)-图3(c)为气液固三相区中垂直方向设置一个或多个气体分布器的型式示意图；

图4(a)-图4(d)为轻颗粒悬浮系统中管道与气体分布器配合设置的示意图；

图5为轻颗粒在不同颗粒填装高度下的最小流化气速的变化。

具体实施方式：

为了更好的理解本发明的轻颗粒悬浮系统，下面结合图1-5实例进行阐述。

在一个实施例中，本发明公开了一种轻颗粒悬浮系统，包括气液固三相区，所述气液固三相区包括气相、液相和固相，所述液相为连续相，所述固相为轻颗粒，所述轻颗粒的密度小于所述液相密度。

在所述的液体连续相中放入轻颗粒，由于所述轻颗粒的密度低于所述液相密度，静置时轻颗粒浮于液体的上部(系统的上部为自由界面)。液相可连续或间歇地从装置上部或下部加入到系统中，若要保持液位恒定，可增设溢流堰或采用其他可实施性方案；气体经气体分布器均匀分布后进入到体系中。随着气速的增大，使得气液两相流体的平均密度不断下降，当其下降到与轻颗粒的密度接近或相当时，流体的轻微扰动即可使轻颗粒悬浮于系统中。由于所用的固体颗粒密度低于液相密度，若要使轻颗粒处于悬浮状态，仅需克服液相对颗粒向上的浮力，因而很容易被流化，从而节省能量。

在该实施例中，所述液相作为连续相，用于分散所述固体轻颗粒，固体颗粒选用密度小于所述液相的轻颗粒，可在基本确保悬浮系统能够维持的情况下有效地节省能量。

进一步的，在另一个实施例中，所述轻颗粒的密度均一或非均一，所述轻颗粒的尺寸均一或非均一，所述轻颗粒分散于所述液相中。当所述轻颗粒的密度小于所述液相密度时，如果气相自下而上流动，那么使得气相和液相混合后的流体密度下降到接近或等于轻颗粒的密度，流体的少许扰动便可使得所述轻颗粒悬浮于所述液相中。尽管密度可以非均一，但需要认识到：随着轻颗粒密度的增大、最小流化速度随之下降；随着轻颗粒粒径的增大，最小流化速度随之增加。最小流化速度是指颗粒从部分悬浮至完全悬浮或接近完全悬浮的转变速度。

选择所述轻颗粒时，可以综合考虑颗粒的材质、形状、密度、粒径等等影响条件。一般可以选用聚乙烯、聚丙烯、发泡的聚苯乙烯、中空玻璃球等等。所述轻颗粒的形状不定，可以是球形，椭球形，柱状形，也可以是不规则多边形等等。

选择轻颗粒考虑颗粒直径因素时，首选轻颗粒直径小于10mm的轻颗粒，优先选择轻颗粒直径小于5mm的轻颗粒，若所选择的颗粒直径越大，则颗粒的比表面积越小，同密度下的颗粒所需的最小流化速度越大，既不利于气液固三相充分接触又消耗能量。

在另一个实施例中：当气相的气速升高至临界气速时，至少部分所述轻颗粒开始被系统所悬浮。若要维持颗粒悬浮于系统中，应确保足够时间下，操作气速是大于临界气速的状态。

在另一个实施例中：所述轻颗粒的密度大于等于所述液相密度的80％且小于所述液相密度，所述轻颗粒的体积在所述气液固三相区中的体积分率小于等于30％。对于该实施例而言，若所述轻颗粒的密度过小，则需要的所述气相的量过大，维持悬浮状态所需能耗就高。选择轻颗粒考虑密度因素时首选密度大于等于所述液相密度的80％的轻颗粒，优先选择大于所述液相密度90％的轻颗粒。若轻颗粒的密度低于所述液相密度的80％，同等体积下所述轻颗粒与所述液相密度差过大，需要更大的动力才能克服轻颗粒本身的浮力，能耗过大，轻颗粒的密度与所述液相密度越接近，越容易在所述液相中悬浮。如果不在乎能耗，那么此处轻颗粒的密度可以放宽要求。

优选的，所加入的轻颗粒的体积在所述气液固三相区中的体积分率首选小于等于30％，若加入颗粒量越多，相对的，气液两相所占的体积分率也会降低，颗粒越不容易被完全悬浮，不利于气液固三相充分接触、传质。在另一些情况下，气液两相体积分率的减少会导致没有足够的气液相与颗粒接触。

更优的，在另一个实施例中：在所述气液固三相区中，所述气相的体积分率小于等于25％。若所述的气相体积分率过大，克服气相对固相颗粒的曳力占很大的能耗，另外气泡容易在体系中聚并形成大气泡，容易造成颗粒分散不均，从而影响三相接触反应效率。

在另一个实施例中：在所述轻颗粒悬浮系统中，所述轻颗粒被连续或间歇地加入和取出。就该实施例而言，若所述轻颗粒连续地加入到所述系统中并从所述系统中连续取出，会有利于所述固相颗粒的循环使用，便于工业连续生产；若所述轻颗粒间歇地加入到所述系统中并从所述系统中间歇取出，这样可用于间歇反应以及不常更换固相的化工过程。

类似的，在另一个实施例中：在所述轻颗粒悬浮系统中，所述液相被连续或间歇地加入和取出。就该实施例而言，若所述液相被连续地加入到所述轻颗粒系统中并从所述系统中连续取出，所述轻颗粒在所述气液两相流体共同作用下处于悬浮状态；若所述液相被间歇地加入到所述轻颗粒的系统中并从所述系统中间歇取出，所述液相只做分散所述固体的连续相，主要靠所述气相的作用使得所述颗粒处于悬浮状态。

可选择性的，在另一个实施例中，所述液相从所述气液固三相区的上方被加入，协助所述轻颗粒的分散；亦可选择性的，在另一个实施例中，所述液相从所述气液固三相区的下方被加入，增加对颗粒的扰动。加入的液相可以是帮助颗粒流化且不影响反应过程的液体，也可能是由于反应的需要，所述的液相即是反应物的一种或多种。

可选择的，所述气液固三相区之中的任何部位皆可设置一个或多个气体分布器，所述的气体分布器在设备中的排列多种多样，优选将气体分布器设置在三相区的下部，所述气体分布器用于均匀分布气体。

在另一个实施例中，所述设置在三相区下部的气体分布器，可以在系统横截面上均匀分布，也可以集中设置在一个或者多个横截面区域内。如图2所示，(a)、(b)为多个气体分布器在系统横截面上均匀排列的方式，(a)为中间有隔板存在的排列方式，(b)为无隔板存在的排列方式；(c)(d)为气体分布器集中设置的方式，其中(c)含管道的排列方式，(d)不含管道的排列方式。当多个所述气体分布器在系统横截面上均匀分布排列时，可以形成均匀上升的气流，有利于轻颗粒的自由悬浮；当所述分布器集中设置于某些区域时，可以带动所述的气相自下而上优先从该所述区域通过，从而促使形成局部集中的气体上升，导致更多液体在其它区域向下流动，从而更有效地悬浮轻颗粒。

在另一个实施例中，所述设置在三相区中的气体分布器，可以在一个或者多个相同的横截面位置上，沿系统高度形成两个或多个分布器的上下垂直排列，具体形式如图3所示，图3(a)、(b)为带管道的气体分布器，气体分布器沿系统管道垂直方向上排列且不局限于管道内部排列；图3(c)所示的是无管道型的气体分布器沿系统高度在多个横截面位置上垂直排列。图3(c)所示的是阶段式排列气体分布器，适用于较高大的设备，可为低效或高效型，所谓的阶段式排列是指从设备下部开始，按照一定的距离往上排列。进气的方式可采用连续式或者间歇式，间歇式可节约部分能量。气体分布器沿系统高度垂直排列的这种方式导致所述的气相自下而上优先从所述区域通过，从而促使形成局部集中的气体上升，导致更多液体在其它区域向下流动，从而更有效地悬浮轻颗粒。

在另一个实施例中，如图4所示，所述的气相自下而上流动，部分或者全部通过系统内置或者外置的管道来完成，所述管道优选垂直设置或者主体为垂直设置的管道。图4(a)为外置的循环管道，在循环管中通入气体，气体在液体中形成上升的大气泡，从而带动循环管中的液体向上流动进入设备上部，而设备内的液体则向下流动，从而使得轻颗粒随着液体向下运动，最终使得颗粒悬浮于液体中；图4(b)、(c)、(d)为内置的管道,该管道可为全封闭式(图4(b))、半封闭式(图4(c))或全开放式(图4(d))管道，气体分布器可设置在管道下端附近或直接分布在管道中，这样可使得气泡向上运动的过程中带动管道内或周围的液体向上流动，从而液体在其它区域向下流动，更有效地悬浮轻颗粒。

在另一个实施例中，如图1所示，为本发明的一种轻颗粒悬浮系统，床直径15.24cm,高3.6m(也可以是其他尺寸，如床高4m,直径33cm；床高8m,直径50cm)。此轻颗粒悬浮系统，选用水作为液体连续相，选用空气作为气相，选用颗粒密度为910kg/m³，颗粒直径为3.5mm的椭球形聚乙烯颗粒为固相(也可是直径小于5mm,密度800-1000kg/m³之间的轻颗粒)。水可连续也可间歇地从装置的上部加入到系统中；空气从装置的底部通入并通过气体分布器均匀分布后进入到三相体系中，气体分布器在系统横截面上采用均匀排列的方式。气体分布器可选择的类型很多，如多孔板型、微孔板型、泡罩形、多管式、膜式、填料等等，优先选择出气均匀气泡直径小的分布器，本装置的气体分布器选用橡胶微孔曝气头。

可选择性的，向装置的上部通入液相水到液位2.5m处，加入5％-30％液体体积分率的固体颗粒，固体轻颗粒在浮力的作用下浮于液面的上部。向系统中通入气体，随着气速的不断增加，下部的颗粒开始向床底方向膨胀而流化，颗粒床层高度逐渐缩小，当气速达到最小流化气速时，液面上颗粒层消失，所有颗粒在气体的作用下均悬浮于液相水中，在体系的垂直方向上颗粒的密度分布自上而下逐渐下降。不断增加气速，颗粒不断向下移动，颗粒在垂直方向上的密度分布梯度也逐渐减小。当气速增加到一定值，颗粒在系统的垂直方向上的密度分布达到均一。

不同的颗粒装载高度下，最小流化气速不同，图2给出了直径为3.5mm、密度为910kg/m³的轻颗粒在不同颗粒填装高度下的最小流化气速的变化，从图3中可看出最小流化气速随颗粒的装载高度与床层初始高度的比值的增加而增加。若轻颗粒系统中加入了连续的液相，则液相的加入大大的促进了颗粒的向下运动，随着液速的增加，最小流化气速也随之下降。液体的连续加入和排出可协助气体分散系统中的轻颗粒，使其更容易悬浮于液相中。

所述轻颗粒悬浮系统具有流化速率低、能耗少、固体磨损小、传质效率高、易于重新流化等优点。这些优点特别适合用于污水处理，轻颗粒可提供很大的颗粒表面积，易于大量的微生物附着生长，污水处理中液体流速较小，水力停留时间较长，这是轻颗粒悬浮系统更适宜的。在较低的液速下，通入空气可为颗粒提供足够的动力，又可以使系统达到较高的溶氧量，另外轻颗粒较大的比表面积能够为生物附着提供较大的生长繁殖场所，产生污泥量少，可大大节约成本。需要补充的是，虽然轻颗粒悬浮系统在污水处理方面有较大的应用前景，但不妨碍其用于其他适宜的反应场景。

虽然以上的描述是针对工业过程的，但并不应该认为所述系统的应用范围仅仅限于颗粒工业过程，特别是不仅仅限于所描述的过程中。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改，等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种轻颗粒悬浮系统，其特征在于：包括气液固三相区，所述气液固三相区包括气相、液相和固相，所述液相为连续相，所述固相为轻颗粒，所述轻颗粒的密度均一或非均一，所述轻颗粒的尺寸均一或非均一，所述气相自下而上流动，所述轻颗粒分散于所述液相中，所述轻颗粒的密度小于所述液相密度。

2.根据权利要求1所述的一种轻颗粒悬浮系统，其特征在于：优选的，当气相的气速升高至临界气速时，至少部分所述轻颗粒开始被系统所悬浮。

3.根据权利要求1所述的一种轻颗粒悬浮系统，其特征在于：所述轻颗粒的密度大于等于所述液相密度的80％且小于所述液相密度，所述轻颗粒的体积在所述气液固三相区中的体积分率小于等于30％。

4.根据权利要求1所述的一种轻颗粒悬浮系统，其特征在于：在所述气液固三相区中，所述气相的体积分率小于等于25％。

5.根据权利要求1所述的一种轻颗粒悬浮系统，其特征在于：在所述轻颗粒悬浮系统中，所述轻颗粒被连续或间歇地加入和取出。

6.根据权利要求1所述的一种轻颗粒悬浮系统，其特征在于：在所述轻颗粒悬浮系统中，所述液相被连续或间歇地加入和取出。

7.根据权利要求1所述的一种轻颗粒悬浮系统，其特征在于：所述液相从所述气液固三相区的上方被加入。

8.根据权利要求1所述的一种轻颗粒悬浮系统，其特征在于：所述气液固三相区之中设有一个或多个气体分布器，优选将气体分布器设置在三相区的下部。

9.根据权利要求8所述的一种轻颗粒悬浮系统，其特征在于：所述气体分布器在系统横截面上均匀分布或集中设置在一个或者多个横截面区域内；当所述多个分布器集中设置于某些区域时，带动所述的气相自下而上优先从该所述区域通过。

10.根据权利要求8所述的一种轻颗粒悬浮系统，其特征在于：所述气体分布器设置在一个或者多个相同的横截面位置上，且沿系统高度方向上形成两个或多个分布器的上下垂直排列，使所述自下而上的气相流动优先从所述区域通过。

11.根据权利要求1所述的一种轻颗粒悬浮系统，其特征在于：所述的气相自下而上流动，部分或者全部通过系统内置或者外置的管道来完成，所述管道优选垂直设置或者主体为垂直设置的管道。