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Abstract

本发明提出了一种混合颗粒悬浮系统，所述混合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，所述固相为混合颗粒，所述的混合颗粒包括轻颗粒和重颗粒，所述轻颗粒的密度小于所述液相密度，所述重颗粒的密度大于所述液相密度。本发明的混合颗粒悬浮系统具有以下优势：在液相中通入气体，使混合颗粒均匀地分散于液相中，利于气液固三相充分接触，充分利用空间且节省能耗。

Description

一种混合颗粒悬浮系统
技术领域
本发明属于气液固三相接触领域，具体涉及颗粒悬浮系统，尤其是涉及一种混合颗粒悬浮系统。
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内至少一部分空间内。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)，但系统中容易存在轴向颗粒分布不均的问题，这样造成了设备的有效体积变小，相间接触效率降低。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种混合颗粒悬浮系统，以克服现有技术不足。
本发明提供一种混合颗粒悬浮系统，在悬浮体系中加入轻颗粒和重颗粒的混合颗粒，轻颗粒浮于系统上部，重颗粒沉于系统下部，在气、液流体的共同作用下，上部轻颗粒向下流化，下部的重颗粒向上流化，较小的动力便可使混合颗粒在系统中达到均匀的轴向分布，有效地提高了气液固三相接触效率，有效地利用空间且节省能耗。
具体技术方案如下：
一种混合颗粒悬浮系统，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，所述气相自下而上流动，所述固相为混合颗粒，所述混合颗粒包括轻颗粒和重颗粒，所述轻颗粒密度小于所述液相密度，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，所述重颗粒密度大于所述液相密度，所述重颗粒的密度均一或非均一，所述重颗粒的尺寸均一或非均一，所述混合颗粒分散于所述液相中。相对于现有技术，本发明具有以下优势：在液相中通入气体，使混合颗粒均匀地分散于液相中，利于气液固三相充分接触，充分利用空间且节省能耗。
附图说明
图1为本发明混合颗粒悬浮系统结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的混合颗粒悬浮系统，下面结合图1实例进行阐述。
在一个实施例中，本发明公开了一种混合颗粒悬浮系统，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，所述固相为混合颗粒，所述的混合颗粒包括轻颗粒和重颗粒，所述轻颗粒的密度小于所述液相密度，所述重颗粒的密度大于所述液相密度。对于该实施例而言，所述液相作为连续相用于分散所述混合颗粒，这种轻、重颗粒共存于体系可有效的利用空间。
对于所述混合颗粒悬浮系统而言，静置时轻颗粒在浮力的作用下浮于液体的上部，重颗粒在自身重力的作用下沉降于系统的底部(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；气体从装置的底部通入，经气体分布器均匀分布后进入到体系中。随着气速的增大，当气速达到第一临界气速时，上层的轻颗粒向下膨胀处于悬浮状态，当气速达到第二临界气速时，下层的重颗粒受到向上气体的曳力的作用，向上膨胀处于悬浮状态。所述第一临界气速为所述轻颗粒在所述系统中形成部分悬浮的表观气速；所述第二临界气速为所述重颗粒在所述系统中形成部分悬浮的表观气速。第一临界气速和第二临界气速没有大小区分。
液体可选择的从装置的上部或下部通入到系统中，若采用上部进液，液体的通入可促进轻颗粒的流化，若采用下部进液，液体的通入可促进下部重颗粒的流化。进液方式可采用间歇亦也可采用连续进液，不同的工业应用可能采用不同的进液方式。在实际应用中应根据具体的情况选择适当的进液方式及进液速度，使得混合颗粒在气体或气液两相流体的共同作用下均匀的分散在系统中。
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。更进一步的，所述重颗粒的密度均一或非均一，所述重颗粒的尺寸均一或非均一。
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％且小于所述液相密度的轻颗粒，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。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过大，则颗粒的比表面积越小，不利于气液固三相充分接触传质。
所述混合颗粒悬浮系统中重颗粒的密度和尺寸可以均一也可以不均一，选择重颗粒考虑密度因素时首选密度小于等于所述液相密度的120％的重颗粒，优先选择小于所述液相密度110％的重颗粒。若重颗粒的密度大于所述液相密度的120％，同等体积下所述重颗粒与所述液相密度差过大，需要更大的动力才能克服重颗粒本身的重力，能耗过大，重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。选择重颗粒考虑颗粒直径因素时，首选重颗粒直径小于10mm的重颗粒，优先选择重颗粒直径小于5mm的重颗粒，若所选择的颗粒直径越大，则颗粒的比表面积越小，同等密度下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更大能量。
在选择所述混合颗粒时，不仅需要考虑颗粒的密度、粒径，而且需要考虑颗粒的材质、形状、表面性能等等影响因素。所述的轻颗粒可以是塑料颗粒(如：聚乙烯、聚丙烯、发泡的聚苯乙烯等等)也可以是中空的玻璃球等等；重颗粒可以是塑料颗粒、火山岩、沸石等等。所述轻、重颗粒的形状多种多样，可以是球形，椭球形，柱状形，也可以是不规则多边形等等。颗粒选择时应优先选择比表面积大，类似球形、密度与液体接近的颗粒，既易于流化节能又具有较高的传质效率。
加入的轻颗粒和重颗粒的总体积在所述气液固三相区中的体积分率不应高于30％，若加入颗粒量越多，颗粒越不容易被完全悬浮，相对的，气液两相流体所占的体积分率也会降低，不利于气液固三相间充分接触、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。
所述的混合颗粒系统中，加入的颗粒包括至少一种轻颗粒与至少一种重颗粒，这样在一定的气速和液速的作用下，轻颗粒向下膨胀悬浮，重颗粒向上膨胀悬浮，使颗粒更为均匀分散在接触器中，既节省能量又充分利用空间。
进一步的，所述的混合颗粒系统中，加入的轻颗粒至少包括两种密度或尺寸，加入的重颗粒也至少包括两种密度或尺寸，这样在一定的气速和液速的作用下，轻颗粒的各组分向下膨胀悬浮，重颗粒的各组分向上膨胀悬浮，有助于颗粒沿系统的垂直方向上形成颗粒分布梯队，使颗粒更为均匀分散在接触器中，充分利用空间。
进一步的，在所述的混合颗粒系统，所述的轻颗粒和/或重颗粒被连续或间歇地加入和取出。示例性的，混合颗粒可以通过专门的泵从装置的上部打入到系统中，颗粒可采用泵吸的形式从系统中移出，也不排除其他的形式，连续性操作可以使混合颗粒得到有效的循环利用，间歇性的操作更适用于经常更换固定相的反应体系，这样使得这种系统应用更广，既适用于间歇反应又可连续性生产，便于进行工业化生产。
进一步的，在所述的混合颗粒系统中，所述液相被连续或间歇地加入和取出。可选择性的，所述液相从所述气液固三相区的上方被加入，协助气相分散所述混合颗粒。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，也可以是作为反应物的一种或多种的液体。
进一步的，当气相的气速升高至第一临界气速时，至少部分所述的轻颗粒开始被系统悬浮。由于所选用的轻颗粒的密度和尺寸可以均一也可以不均一，因此不同密度不同尺寸的轻颗粒的第一临界气速不尽相同。
进一步的，当气相的气速升高至第二临界气速时，至少部分所述的重颗粒开始被系统悬浮。同样，所选用的重颗粒密度和尺寸可以均一也可以不均一，因此不同重颗粒的第二临界气速不尽相同。
进一步的，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，气泡在体系中容易聚并形成大气泡，使得颗粒分散不均，从而影响三相接触反应效率。
在另一个实施例中，所述气液固三相区中设有气体分布器。
在另一个实施例中，所述气液固三相区的下部设有气体分布器。
在另一个实施例中，如图1所示，为本发明的一种混合颗粒悬浮系统。床层高6m,直径0.5m(也可以是其他尺寸，如高4m,直径0.3m；高8m,直径0.6m等)。此混合颗粒悬浮系统包括气相、液相、固相。选择空气为气相、水为液相、混合颗粒为固相。混合颗粒由轻颗粒和重颗粒组成，其中轻颗粒是密度为910kg/m3,直径为3.5mm和2.28mm的聚丙烯球形颗粒(也可是直径小于5mm,密度是如下范围800-1000kg/m3之间的轻颗粒)，重颗粒是密度为1030kg/m3,直径为1mm，0.8mm的聚苯乙烯球形颗粒原生料(也可是直径小于5mm,密度1000-1200kg/m3之间的重颗粒)。
液相水可选择的从装置的上部或下部向混合颗粒系统中间歇或连续的加入。空气从装置的底部通入经气体分布器进入系统中，气体分布器选用橡胶微孔曝气头。可选择性的在装置中通入液相水到液位4m处，向系统中加入10％体积分率的重颗粒，重颗粒在重力的作用下沉降到装置的底部，再向装置中加入10％体积分率的轻颗粒，轻颗粒浮于液面上部。此时向体系中通入气体，随着气速的加大，位于液体底部的重颗粒受到气体的曳力作用开始向上膨胀，位于液面上部的轻颗粒由于气液混合密度的降低以及气体对液体的作用而造成的扰动的影响开始向下部膨胀。当达到一定的气速时，混合颗粒在垂直方向上达到较为均匀的密度分布，充分的利用空间，达到最大的传质效率。
所述混合颗粒悬浮系统具有以下优点：1)流化速率低，能耗少；2)传质效率高。混合颗粒较大的比表面积为气、液、固三相接触提供了更大的机率；3)空间利用率高。轻、重颗粒充满整个体积，有效地利用空间。混合颗粒悬浮系统特有的优点尤其适用于生物污水处理，颗粒较大的比表面积为微生物提供更多的场所附着生物膜，附着的微生物的量越多，处理污水的效率越高，另外使颗粒悬浮所需的液体流速低，水力停留时间长，液体的回流少，因此更节省能量。虽然混合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 (10)

1.一种混合颗粒悬浮系统，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，所述气相自下而上流动，所述固相为混合颗粒，所述混合颗粒包括轻颗粒和重颗粒，所述轻颗粒密度小于所述液相密度，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，所述重颗粒密度大于所述液相密度，所述重颗粒的密度均一或非均一，所述重颗粒的尺寸均一或非均一，所述混合颗粒分散于所述液相中；
在气、液流体的共同作用下，上部轻颗粒向下流化，下部的重颗粒向上流化；
所述混合颗粒悬浮系统用于生物污水处理。
2.根据权利要求1所述的一种混合颗粒悬浮系统，其特征在于：当气相的气速升高至第一临界气速时，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所述的一种混合颗粒悬浮系统，其特征在于：当气相的气速升高至第二临界气速时，至少部分所述重颗粒开始被系统所悬浮。
4.根据权利要求1所述的一种混合颗粒悬浮系统，其特征在于：所述轻颗粒至少包括两种密度或尺寸，所述重颗粒至少包括两种密度或尺寸。
5.根据权利要求1所述的一种混合颗粒悬浮系统，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，所述重颗粒的密度大于所述液相密度且小于等于所述液相密度的120%，所述轻颗粒和所述重颗粒的总体积在所述气液固三相区中的体积分率小于等于30%。
6.根据权利要求1所述的一种混合颗粒悬浮系统，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%。
7.根据权利要求1所述的一种混合颗粒悬浮系统，其特征在于：在所述混合颗粒悬浮系统中，所述轻颗粒和/或重颗粒被连续或间歇地加入和取出。
8.根据权利要求1所述的一种混合颗粒悬浮系统，其特征在于：在所述混合颗粒悬浮系统中，所述液相被连续或间歇地加入和取出。
9.根据权利要求1所述的一种混合颗粒悬浮系统，其特征在于：所述液相从所述气液固三相区的上方被加入。
10.根据权利要求1所述的一种混合颗粒悬浮系统，其特征在于：所述气液固三相区的下部设置气体分布器。
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