CN107684880B - 通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置及应用方法 - Google Patents

通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置及应用方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107684880B
CN107684880B CN201710861297.4A CN201710861297A CN107684880B CN 107684880 B CN107684880 B CN 107684880B CN 201710861297 A CN201710861297 A CN 201710861297A CN 107684880 B CN107684880 B CN 107684880B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
liquid
super
feed cavity
reaction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710861297.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107684880A (zh
Inventor
陈建峰
罗勇
刘亚朝
初广文
邹海魁
孙宝昌
张亮亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang zhongjuhairui Technology Co.,Ltd.
Original Assignee
Beijing University of Chemical Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Chemical Technology filed Critical Beijing University of Chemical Technology
Priority to CN201710861297.4A priority Critical patent/CN107684880B/zh
Publication of CN107684880A publication Critical patent/CN107684880A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107684880B publication Critical patent/CN107684880B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
    • B01J3/04—Pressure vessels, e.g. autoclaves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/72—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/78—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation with ozone
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C45/00—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds
    • C07C45/27—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by oxidation
    • C07C45/32—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by oxidation with molecular oxygen
    • C07C45/37—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by oxidation with molecular oxygen of >C—O—functional groups to >C=O groups
    • C07C45/39—Preparation of compounds having >C = O groups bound only to carbon or hydrogen atoms; Preparation of chelates of such compounds by oxidation with molecular oxygen of >C—O—functional groups to >C=O groups being a secondary hydroxyl group
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G45/00—Refining of hydrocarbon oils using hydrogen or hydrogen-generating compounds
    • C10G45/02—Refining of hydrocarbon oils using hydrogen or hydrogen-generating compounds to eliminate hetero atoms without changing the skeleton of the hydrocarbon involved and without cracking into lower boiling hydrocarbons; Hydrofinishing
    • C10G45/04—Refining of hydrocarbon oils using hydrogen or hydrogen-generating compounds to eliminate hetero atoms without changing the skeleton of the hydrocarbon involved and without cracking into lower boiling hydrocarbons; Hydrofinishing characterised by the catalyst used
    • C10G45/06—Refining of hydrocarbon oils using hydrogen or hydrogen-generating compounds to eliminate hetero atoms without changing the skeleton of the hydrocarbon involved and without cracking into lower boiling hydrocarbons; Hydrofinishing characterised by the catalyst used containing nickel or cobalt metal, or compounds thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/30—Organic compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2300/00—Aspects relating to hydrocarbon processing covered by groups C10G1/00 - C10G99/00
    • C10G2300/20—Characteristics of the feedstock or the products
    • C10G2300/201—Impurities
    • C10G2300/202—Heteroatoms content, i.e. S, N, O, P

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

本发明公开了一种通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置及其应用方法，超重力装置包括电机、主轴、转子、壳体和液体分布器；所述电机输出端的主轴穿过壳体底部伸入到壳体内，所述转子固定在主轴上部；所述超重力装置还包括次轴、增速器、增速器输出轴和进料腔；所述进料腔设置在壳体的上部，进料腔的下部连接液体分布器；所述主轴通过次轴与增速器固定连接，所述增速器输出轴穿过进料腔底部伸入到进料腔内；所述增速器输出轴的进料腔内部分上设有搅拌翼；本发明装置使得气体以纳微尺寸分散在液相中，气体停留时间长且气液传质效率高，有效提高宏观反应速率。

Description

通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置及应用方法
技术领域
本发明属于超重力装置领域，尤其是涉及一种通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置及应用方法。
背景技术
超重力装置为典型的化工强化设备。在超重力环境下，巨大的剪切力将液体撕裂成微米甚至纳米级的液膜、液丝和液滴，产生巨大的和快速更新的相界面，使得相间传质速率比传统塔式反应器中提高1-3个数量级，微观混合和传质过程得到极大强化。同时，由于逆流旋转床的液泛速度要比填料塔中的液泛速度高40％左右，气速可以适当地提高，使得处理量变大。
对于一些难溶性气体参与的氧化或加氢反应，由于气体溶解度很低，导致反应受到传质控制，严重限制了表观反应速率的提升。传统超重力装置用于上述氧化或加氢反应时，由于停留时间较短，在反应的同时难以实现气相饱和溶解在液相中，对于较快反应而言，传统超重力装置内气相向液相传质的速率仍慢于反应速率。以加氢反应为例，氢气需要从气相进入液相，然后与反应物共同吸附在超重力装置内催化剂的表面，从而在催化剂活性中心的作用下进行反应。采用高氢气压力和高氢油比时，其中实际提供的氢气量远远超过化学反应所需的氢气量，造成循环氢压缩机能耗过高。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置(简称：RPB)；该装置具有优异的传质和微观混合性能；通过调控旋转床转速即可实现对纳微米气泡的尺寸、在液相中的上升速度、有效气液混合比的调控；同时，由于液膜在旋转床反应器中具有快速的更新频率，十分有利于溶解的气相反应物快速到达催化剂表面，以及产物迅速离开催化剂表面，实现高效催化和产物分离。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置的应用方法。
为解决上述第一个技术问题，发明采用如下的技术方案：
本发明一种通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置，包括电机、主轴、转子、壳体、和液体分布器；所述电机输出端的主轴穿过壳体底部伸入到壳体内，所述转子固定在主轴上部；所述超重力装置还包括次轴、增速器、增速器输出轴和进料腔；所述进料腔设置在壳体的上部，进料腔的下部连接液体分布器；所述主轴通过次轴与增速器固定连接，所述增速器输出轴穿过进料腔底部伸入到进料腔内；所述增速器输出轴的进料腔内部分上设有搅拌翼；所述进料腔上设有气体入口、液体入口和催化剂入口，所述壳体下部设有气液出口。
作为技术方案的进一步改进，所述壳体上部还设有气体出入口。
作为技术方案的进一步改进，所述壳体侧面还设有气体入口。
作为技术方案的进一步改进，所述增速器的增速比为1：10-1:10000。
作为技术方案的进一步改进，所述搅拌翼的材质包括钛合金、铬基合金、双相钢、或陶瓷等。
作为技术方案的进一步改进，所述转子内装载的固体可以为散装的球形、三叶草、圆柱、马鞍形催化剂，或整体结构式泡沫金属，或整体结构式堇青石，或整体结构式丝网催化剂。
为解决上述第二个技术问题，发明采用如下的技术方案：
一种如上所述通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置的应用方法，包括如下步骤：
S1、开动超重力装置电机，带动增速器旋转，从而带动进料腔中的搅拌翼超高速旋转；
S2、超高速旋转的搅拌翼把进入进料腔内的气液两相高效混合，使难溶性气体在液相中分散成大量的纳微米气泡，气相在液相中的溶解度达到过饱和，形成气液混合物；
S3、将气液混合物通过液体分布器输送进入超重力装置，在高速旋转的转子填料内发生非催化反应；或与装载在转子内部的固体催化剂接触，发生气液固三相催化反应；或者从超重力装置催化剂入口补充纳微米催化剂，发生气液拟均相催化反应。
作为技术方案的进一步改进，步骤S2中，液相与气相在标准状态下的体积比为1:1-1:1000。
作为技术方案的进一步改进，步骤S2中，液相料液的粘度为0-500mPa.s。
作为技术方案的进一步改进，步骤S2中，所述纳微米气泡尺寸控制在30nm-300μm，有效气液混合比为5-90％。
作为技术方案的进一步改进，步骤S3中，所述转子内催化剂床层的润湿效率在0.4-1.0之间；可由转速的变化来调节。
作为技术方案的进一步改进，步骤S3中，所述转子的转速为10-2800rpm。
作为技术方案的进一步改进，步骤S3中，所述转子内发生的反应温度为常温-650℃，压力控制在常压-25MPa；优选地，反应温度和压力的范围分别为常温-500℃，压力为常压-10Mpa。
作为技术方案的进一步改进，步骤S3中，液相体积空速控制在0.2-100h-1；优选地，液相空速范围为1-50h-1；
作为技术方案的进一步改进，步骤S3中，所述纳米催化剂包括贵金属催化剂、碳材料催化剂或生物酶催化剂；优选地，所述纳米催化剂选自贵金属催化剂或碳材料催化剂。
作为技术方案的进一步改进，步骤S3中，所述反应包括氧化反应和加氢反应；其中的氧化反应包括催化氧化降解废水或VOC的催化氧化脱除，加氢反应包括加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱金属、加氢裂化、临氢异构、芳烃加氢饱和或炔烃选择性加氢。
本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
如无特殊说明，本发明中的各原料均可通过市售购买获得，本发明中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
1)气泡在液相中存在时间长：普通气液简单混合装置中气泡在液相中产生后，会迅速上升到液相表面并破裂消失，存在时间很短；而通过气液高效预混合装置产生的微纳米气泡一经产生，在水中的上升速度较慢，从产生到破裂的历程通常达到几十秒甚至几分钟，而且在上升过程中体积不断收缩并于水中最终溶解消失，且体积越小的气泡在水中的上升速度越慢；
2)气液传质效率高，当气泡直径较小时，微气泡界面处的表面张力对气泡特性的影响表现的较为显著，这时的表面张力对内部气体产生压缩作用，使得微米气泡在上升过程中不断收缩并表现出自身增压。随着气泡直径的无限缩小，气泡界面的比表面积也随之无限增大，最终由于自身增压效应导致内部气压增大到无限大。因此，会有使得更多的气体穿过气液界面溶解到液相中，可使得气液界面处传质效率持续增强，并且这种特性使的微气泡即使在液相中的气体含量达到过饱和条件时，仍可继续进行气体的传质过程并保持高效的传质效率。反应和气体的溶解是同时发生的，气相反应物被消耗的同时，纳微米气泡破碎溶解和宏观气相向液相中传质溶解同时进行，气体能在第一时间内得到补充；
3)释放自由基，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上聚集的高浓度离子将积蓄的化学能瞬间释放出来，此时可以激发产生大量的羟基自由基。羟基自由基具有超高的氧化还原电位，其产生的超强氧化作用可降解水中正常条件下难以氧化分解的污染物，实现对水质的净化；
4)降低反应压力方面：如现阶段的加氢装置中大多采用提高压力的方法来提高氢气在溶液中的溶解，如采用本发明的气液高效混合装置，液相在进入反应器之前已经达到了过饱和，且由于高效气液混合装置能使液相中的气含量高达90％，微米甚至纳米气泡在液相中破碎进行气相的再溶解，因此实际反应器中氢气的分压可以适当降低，减少投资成本；
5)设备投资方面：本发明的反应器为旋转床，旋转床自身就能实现高效气液混合，与气液预混合装置联用，能使混合效果得到进一步强化。而且两部分结合在一起能减少设备的占地面积，也无需再与其他大型气液预混设备串联，减少设备方面的投资；
6)通过调节反应器旋转床的转速和选择合适的填料种类，能对反应时催化剂的润湿分数进行有目的的调节，即调节催化剂与液相和气相接触的比例，满足不同气相需求量的反应。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明
图1为本发明通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置结构示意图；
图2为利用本发明超重力装置进行高效气液预混合加氢流程示意图；
图3为利用本发明超重力装置降解有机废水流程示意图；
图4为实施例1中有无气液高效混合装置时苯酚的脱除率图；
图5为实施例1中有无气液高效混合装置时苯胺的脱除率图；
图6为实施例1中有无气液高效混合装置时喹啉的脱除率图；
图7为实施例2中不同转速对产物选择性的影响图；
图8为实施例2中有无气液高效混合装置时对DIHA选择性影响图；
图9为实施例3中不同工况下DBT脱除率对比图。
其中：
101-循环泵，102-采出口，103-超重力装置，104-液相进料管，105-气体入口，
106-气体压缩机，107-催化剂入口，108-气液出口，109-放空口，
110-气液分离器，111-液相采出口；
201-臭氧发生器，202-超重力装置，203-进料泵，204-原料罐，205-磁力搅拌器，
206-气液分离器，207-液体取样口，208-臭氧浓度检测口，209-臭氧吸收池。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明中使用方位词“上、下、左、右”等只是为了叙述方便，本领域技术人员能够知晓，这些方位是相对的，可能通过旋转等方式发生改变。
本发明一种通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置，包括电机1、主轴2、转子3、壳体4、和液体分布器14；所述电机1输出端的主轴2穿过壳体4底部伸入到壳体4内，所述转子3固定在主轴2上部；所述超重力装置还包括次轴17、增速器15、增速器输出轴6和进料腔7；所述进料腔7设置在壳体4的上部，进料腔7的下部连接液体分布器14；所述主轴2通过次轴17与增速器15固定连接，所述增速器输出轴6穿过进料腔7底部伸入到进料腔7内；所述增速器输出轴6的进料腔7内部分上设有搅拌翼11；所述进料腔7上设有气体入口10、液体入口8和催化剂入口9，所述壳体4下部设有气液出口16；所述壳体4和转子3之间设有密封5。
本申请创造性地利用超重力装置轴的旋转，通过增速器15的作用，实现超重力装置的进料腔7内气液高效预混合，使气体溶解在液相原料中，可达到气相饱和状态，同时，液相中还存在大量微米甚至纳米级的悬浮气泡。
在本发明的某些实施例中，所述壳体4上部还设有气体出入口12，也就是根据需要，可以作为气体的入口，也可以作为气体的出口。在壳体上部的气体出入口引入气体，与进料腔中引入的气体共同作用下，可维持难溶性气体在液相中的溶解量，缓解传质速率对宏观反应速率的不利影响。
在本发明的某些实施例中，所述壳体4侧面还设有气体入口13。在壳体4的侧面气体入口13引入气体，与进料腔7中引入的气体共同作用下，可维持难溶性气体在液相中的溶解量，缓解传质速率对宏观反应速率的不利影响。
在本发明的某些实施例中，所述增速器的增速比为1：10-1:10000，也可以为1：10-1:9500，或1：10-1:9000，或1：10-1:8500，或1：10-1:8000，或1：10-1:7500，或1：10-1:7000，或1：10-1:6500，或1：10-1:6000，或1：10-1:5500，或1：10-1:5000，或1：10-1:4500，或1：10-1:4000，或1：10-1:3500，或1：10-1:3000，或1：10-1:2500，或1：10-1:2000，或1：10-1:1500，或1：10-1:1000，或1：10-1:500，1：100-1:10000，或1：100-1:9500，或1：100-1:9000，或1：100-1:8500，或1：100-1:8000，或1：100-1:7500，或1：100-1:7000，或1：100-1:6500，或1：100-1:6000，或1：100-1:5500，或1：100-1:5000，或1：100-1:4500，或1：100-1:4000，或1：100-1:3500，或1：100-1:3000，或1：100-1:2500，或1：100-1:2000，或1：100-1:1500，或1：100-1:1000。
通过对增速器的增速比的调节，可以使得进料腔7内的气泡在液相中存在时间长：普通气液简单混合装置中气泡在液相中产生后，会迅速上升到液相表面并破裂消失，存在时间很短；而通过气液高效预混合装置产生的微纳米气泡一经产生，在水中的上升速度较慢，从产生到破裂的历程通常达到几十秒甚至几分钟，而且在上升过程中体积不断收缩并于水中最终溶解消失，且体积越小的气泡在水中的上升速度越慢；当气泡直径较小时，微气泡界面处的表面张力对气泡特性的影响表现的较为显著，这时的表面张力对内部气体产生压缩作用，使得微米气泡在上升过程中不断收缩并表现出自身增压；随着气泡直径的无限缩小，气泡界面的比表面积也随之无限增大，最终由于自身增压效应导致内部气压增大到无限大；因此，会有使得更多的气体穿过气液界面溶解到水中，可使得气液界面处传质效率持续增强，并且这种特性使的微气泡即使在液相中的气体含量达到过饱和条件时，仍可继续进行气体的传质过程并保持高效的传质效率。反应和气体的溶解是同时发生的，气相反应物被消耗的同时，纳微米气泡破碎溶解和宏观气相向液相中传质溶解同时进行，气体能在第一时间内得到补充；
释放自由基，由于气液界面消失的剧烈变化，界面上聚集的高浓度离子将积蓄的化学能瞬间释放出来，此时可以激发产生大量的羟基自由基。羟基自由基具有超高的氧化还原电位，其产生的超强氧化作用可降解水中正常条件下难以氧化分解的污染物，实现对水质的净化；
现阶段的加氢装置中大多采用提高压力的方法来提高氢气在溶液中的溶解，而采用本发明的气液高效混合装置(电机1、主轴2、次轴17、增速器15、增速器输出轴6、搅拌翼11、进料腔7等的合称)，液相在进入转子之前已经达到了过饱和，且由于气液高效混合装置能使液相中的气含量高达90％，微米甚至纳米气泡在液相中破碎进行气相的再溶解，因此实际反应器中氢气的分压可以适当降低，减少投资成本。
在本发明的某些优选实施例中，所述搅拌翼11的材质可采用钛合金、铬基合金、双相钢、或陶瓷等。
在本发明的某些优选实施例中，所述转子3内装载的固体可以为散装的球形、三叶草、圆柱、马鞍形催化剂，或整体结构式泡沫金属，或整体结构式堇青石，或整体结构式丝网催化剂。
本发明一种如上所述通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置的应用方法，包括如下步骤：
S1、开动超重力装置电机1，带动增速器15旋转，从而带动进料腔7中的搅拌翼11超高速旋转；
S2、超高速旋转的搅拌翼11把进入进料腔7内的气液两相高效混合，使难溶性气体在液相中分散成大量的纳微米气泡，气相在液相中的溶解度达到过饱和，形成气液混合物；
S3、将气液混合物通过液体分布器14输送进入超重力装置，在高速旋转的转子3填料内发生非催化反应；或与装载在转子3内部的固体催化剂接触，发生气液固三相催化反应；或者从超重力装置催化剂入口补充纳微米催化剂，发生气液拟均相催化反应。
在本发明的某些优选实施例中，步骤S2中，液相与气相在标准状态下的体积比为1:1-1:1000，或1:1-1:950，或1:1-1:900，或1:1-1:850，或1:1-1:800，或1:1-1:750，或1:1-1:700，或1:1-1:650，或1:1-1:600，或1:1-1:550，或1:1-1:500，或1:1-1:450，或1:1-1:400，或1:1-1:350，或1:1-1:300，或1:1-1:250，或1:1-1:200，或1:1-1:150，或1:1-1:100，或1:1-1:50，或1:50-1:1000，或1:50-1:950，或1:50-1:900，或1:50-1:800，或1:50-1:700，或1:50-1:600，或1:50-1:500，或1:50-1:400，或1:50-1:300，或1:50-1:200，或1:50-1:100。
在本发明的某些优选实施例中，步骤S2中，液相料液的粘度为0-500mPa.s。例如可以为：5mPa.s，15mPa.s，25mPa.s，35mPa.s，45mPa.s，55mPa.s，65mPa.s，75mPa.s，85mPa.s，95mPa.s，105mPa.s，115mPa.s，125mPa.s，135mPa.s，145mPa.s，155mPa.s，165mPa.s，175mPa.s，185mPa.s，195mPa.s，200mPa.s，220mPa.s，240mPa.s，260mPa.s，280mPa.s，300mPa.s，320mPa.s，340mPa.s，360mPa.s，380mPa.s，400mPa.s，420mPa.s，440mPa.s，460mPa.s，480mPa.s或500mPa.s。液相料液的粘度不能过大，当粘度超过500mPa.s时，很容易造成设备的堵塞，液体的流动性变差。
在本发明的某些优选实施例中，步骤S2中，所述纳微米气泡尺寸控制在30nm-300μm，或30nm-250μm，或30nm-200μm，或30nm-150μm，或30nm-100μm，或30nm-50μm，或30nm-10μm，或30nm-1μm，或100nm-300μm，或100nm-250μm，或100nm-200μm，或100nm-100μm，或100nm-1μm。
在本发明的某些优选实施例中，步骤S2中，有效气液混合比为5-90％，或5-80％，或5-75％，或5-70％，或5-65％，或5-60％，或5-55％，或5-50％，或5-45％，或5-40％，或5-35％，或5-30％，或5-25％，或5-20％，或5-15％，或5-10％，10-90％，或10-80％，或10-75％，或10-70％，或10-65％，或10-60％，或10-55％，或10-50％，或10-45％，或10-40％，或10-35％，或10-30％，或10-25％，或10-20％，或10-15％，15-90％，或15-80％，或15-75％，或15-70％，或15-65％，或15-60％，或15-55％，或15-50％，或15-45％，或15-40％，或15-35％，或15-30％，或15-25％，或15-20％。
在本发明的某些优选实施例中，步骤S3中，所述转子内催化剂床层的润湿效率在0.4-1.0之间；可由转子转速的变化来调节。
在本发明的某些优选实施例中，步骤S3中，所述转子的转速为10-2800rpm，或10-2500rpm，或10-2000rpm，或10-1500rpm，或10-1000rpm，或10-500rpm，或10-100rpm，或300-2500rpm，或300-2000rpm，或300-1500rpm，或300-1000rpm，或300-500rpm。通过对转子转速的控制，使得所述转子内催化剂床层的润湿效率在0.4-1.0之间。
在本发明的某些优选实施例中，步骤S3中，所述转子内发生的反应温度为常温-650℃，压力控制在常压-25MPa；优选地，反应温度和压力的范围分别为常温-500℃，压力为常压-10Mpa。
在本发明的某些优选实施例中，步骤S3中，液相体积空速控制在0.2-100h-1；优选地，液相空速范围为1-50h-1；
在本发明的某些优选实施例中，步骤S3中，所述纳米催化剂包括贵金属催化剂、碳材料催化剂或生物酶催化剂；优选地，所述纳米催化剂选自贵金属催化剂或碳材料催化剂。
在本发明的某些优选实施例中，步骤S3中，所述反应包括氧化反应和加氢反应；其中的氧化反应包括催化氧化降解废水或VOC的催化氧化脱除，加氢反应包括加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱金属、加氢裂化、临氢异构、芳烃加氢饱和或炔烃选择性加氢。
实施例1：本发明超重力装置在难降解有机物强化分解上的应用
微米或纳米级气泡破裂时释放出的羟基自由基，可氧化分解很多有机污染物。臭氧微纳米气泡相比于空气微纳米气泡，除去气泡表面的羟基自由基的氧化性，臭氧本身具有较强的氧化性，对废水中有机物的氧化降解具有协同作用，增强了有机物的处理效率。
传统的曝气方法一般采用向水中注入宏观气泡的方式为水体增氧，但是由于宏观气泡在水中的上升速度较快，从而使得气液传质效率较低，增氧效果较差。相较之下，微纳米气泡在水体中的上升速度较慢，比表面积大于水体之间的传质效率较高，从而有效提高水体的增氧效率，进而改善污染水体水质。
以氧气为气源的臭氧发生器产生臭氧，臭氧气体经过气体流量计之后以一定的流量通入高效气液预混合装置中，将废水以一定的流速泵入RPB中，经由液体出口对废水进行取样分析，气体出口处由碘化钾(KI)溶液吸收剩余臭氧后再排放。
实验过程如下，称取一定量的分析纯苯酚(100mg/L)、苯胺(100mg/L)、喹啉(50mg/L)、硫酸铵(83mg/L)溶于去离子水中，配置成实验所需的模拟焦化废水，调节好其pH值。装置如图3所示。开启RPB及进料泵，将模拟焦化废水以一定的速度流入RPB中，同时臭氧发生器产生臭氧，臭氧经过气体流量计以后以一定的流量通入RPB气液预混合的气体进口。待出口处臭氧浓度显示稳定后，经由液体出口对模拟焦化废水进行取样分析。气体出口处由KI溶液吸收剩余臭氧后再排空。
苯酚、苯胺及喹啉的去除率计算如下：
CB0为初始苯酚、苯胺、喹啉的浓度(mg/L)，CB为出口苯酚、苯胺、喹啉的浓度。
实验条件为：温度为25℃，通入臭氧气体的初始浓度为30mg/L，液体流量为20L/h，气体流量为2.5L/min。调节RPB转速，得到不同转速下的苯酚、苯胺、喹啉去除率，如图4、5、6所示。可以看出，气液预混能明显提高和保持溶液中O3浓度，与传统的超重力反应器相比，三者的脱除率分别提高约50％、10％和70％。
实施例2：本发明超重力装置在甘油氧化反应上的应用
甘油多相氧化制备具有高附加值的氧化产物是生物柴油产业链上的重要分支，甘油可以通过氧化转化为很多高附加值的化工用品，如二羟基丙酮(DHA)、羟基丙醛、甘油醛等，再加工成各种产品，显示出新的科学意义和应用价值。这些化学品的常规生产过程(如高锰酸钾氧化法、硝酸氧化法和铬酸氧化法)或低产率的发酵过程，它们的工业应用和产量均有限。甘油的催化氧化是一种复杂的多个平行反应和连串反应过程，因此选择高效的反应器，有效的调控甘油催化氧化的方向，得到高选择性的氧化产物，在甘油氧化反应过程中显得尤为重要。
甘油氧化的其中一种产物——1,3-二羟基丙酮(DIHA)是最具市场价值和开发潜力的甘油选择性氧化产物之一，在化妆品工业、精细化工、医药、食品工业和水质净化等行业发挥着重大的作用。
本实验的催化剂选择为高比表面的纳米Pt/C催化剂，实验前在原料罐中加入1000mL0.1g/mL的甘油水溶液和10g该催化剂，开启RPB将温度升至60℃，然后通入氧气，经过入口的气液混合装置进行高效气液混合，刚开始控制氧气的流量为3L/min，后续反应稳定之后液相中的大量微纳米气泡使得氧气的浓度达到过饱和，此时可以相应的减小气量；过滤分离出催化剂和反应液，反应液进行浓度检测分析。
检测的产物有二羟基丙酮(DIHA)、乙醇酸(GLYCA)、甘油醛(GLYHD)、甘油(GLY)、甘油酸(GLYA)和羟丙酮酸(HPYA)，通过如下公式计算产物的选择性：
如图7所示为不同转速对产物选择性的影响，可以看出，转速低于1868rpm时，DIHA随转速的提高而逐渐上升，高于此转速值时选择性又出现下降的趋势，可能是因为过高的转速使得液相中溶解了过多的氧气，会引起DIHA的过度氧化，因此在实验时可以适当降低气量，在维持高溶氧量的同时保证高DIHA的选择性。
图8为不同有无气液预混的旋转床对DIHA选择性的对比，可以看出，没有气液预混的旋转床，其DIHA的选择性随转速提高而升高，但由于液相中溶氧不足，DIHA选择性始终不是很高。增加了气液预混之后同样的条件下DIHA的选择性可以提高约5倍。
实施例3：本发明超重力装置在液相加氢反应上的应用
传统的滴流床加氢技术采用气液固三相，反应只发生在被液相润湿的催化剂表面，氢气须溶解到液相中在液固表面发生反应。
液相加氢的要求之一是溶解在反应器进料中的氢量应该高于反应所需的氢量，这一点可以通过高效气液混合器外加氢气再循环实现，饱和液态循环物料提供反应所需的氢，可以省略循环氢压缩机；因无需在反应器中进行氢气溶解，从而消除了整个反应器中的气液传质阻力；在对反应器的尺寸进行设计时，仅需考虑加氢处理反应，而无需考虑反应物中氢气的溶解问题；另外一些显而易见的优点还包括①大幅度降低了反应器温度梯度，接近等温操作，消除反应热点，减少结碳，使催化剂使用周期延长；②通过催化剂床层为单相流，反应器压降小；③催化剂床层温差小，减少裂化，液体收率较高；④工艺流程更加简捷，投资和能耗较常规加氢大幅降低。
加氢脱硫技术是目前工业上最主要的深度脱硫方法，但加氢脱硫技术一般需要在高温高压下进行，且需要消耗大量的氢气，该技术的能耗也相对较高。
本发明加氢脱硫反应使用的催化剂为固载在泡沫镍填料上的Ni-Mo(0.5)/SBA-15分子筛整体催化剂(0.5为Ni/Mo原子比)，首先将氧化态的催化剂预硫化，加氢脱硫的反应原料为1000mL总硫含量为350μg·g-1的二苯并噻吩(简称：DBT)的正辛烷溶液，3.75g硫化态催化剂(不包括基体泡沫镍的质量)。反应条件为：系统压力1Mpa，反应温度为300℃，反应时间为5h，调节旋转床转速，得到不同条件下DBT的转化率。
气液预混合的反应条件为，系统压力3MPa，反应温度为300℃，反应时间为5h，同样通过调节旋转床转速可以得到不同条件下DBT的转化率。
DBT的转化率公式计算如下：
CDBT0为DBT的初始浓度，CDBT为反应产物中DBT的浓度。
反应结果如图9所示，可以看出，在没有气液预混时，低转速下，由于反应物料中溶氢不足，高压有利于氢气再溶解进入反应物料，所以转化率高压无预混高于低压有预混的工况；随着转速的提高，气液预混使得反应物料中氢气过饱和的优势得以凸显，转化率随转速的提高急剧上升，而没有气液预混的情况下，虽然压力较高，但溶液中的溶氢已经不足。最高转速下低压有预混的转化率比高压无预混的转化率高约2倍，且两种工况的转化率均高于低压无预混的工况。由此可见，增加气液预混装置能有效在低氢压的情况下获得较高的转化率，由此能大大减少由于增加系统压力产生的费用。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (17)

1.一种通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置，包括电机(1)、主轴(2)、转子(3)、壳体(4)、和液体分布器(14)；所述电机(1)输出端的主轴(2)穿过壳体(4)底部伸入到壳体(4)内，所述转子(3)固定在主轴(2)上部；其特征在于：所述超重力装置还包括次轴(17)、增速器(15)、增速器输出轴(6)和进料腔(7)；所述进料腔(7)设置在壳体(4)的上部，进料腔(7)的下部连接液体分布器(14)；所述主轴(2)通过次轴(17)与增速器(15)固定连接，所述增速器输出轴(6)穿过进料腔(7)底部伸入到进料腔(7)内；进料腔(7)内部的增速器输出轴(6)上设有搅拌翼(11)；所述进料腔(7)上设有气体入口(10)、液体入口(8)和催化剂入口(9)，所述壳体(4)下部设有气液出口(16)；
所述壳体(4)侧面还设有气体入口(13)。
2.根据权利要求1所述超重力装置，其特征在于：所述壳体(4)上部还设有气体出入口(12)。
3.根据权利要求1所述超重力装置，其特征在于：所述增速器(15)的增速比为1：10-1:10000。
4.根据权利要求1所述超重力装置，其特征在于：所述搅拌翼(11)的材质采用钛合金、铬基合金、双相钢或陶瓷。
5.根据权利要求1所述超重力装置，其特征在于：所述转子(3)内装载的固体为散装的球形、三叶草、圆柱、马鞍形催化剂，或整体结构式泡沫金属，或整体结构式堇青石，或整体结构式丝网催化剂。
6.一种如权利要求1-5中任一所述通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置的应用方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、开动超重力装置电机，带动增速器旋转，从而带动进料腔中的搅拌翼超高速旋转；
S2、超高速旋转的搅拌翼把进入进料腔内的气液两相高效混合，使难溶性气体在液相中分散成大量的纳微米气泡，气相在液相中的溶解度达到过饱和，形成气液混合物；
S3、将气液混合物通过液体分布器输送进入转子内，在高速旋转的转子填料内发生非催化反应；或与装载在转子内部的固体催化剂接触，发生气液固三相催化反应；或者从超重力装置催化剂入口补充纳微米催化剂，发生气液拟均相催化反应。
7.根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于：步骤S2中，液相与气相在标准状态下的体积比为1:1-1:1000。
8.根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于：步骤S2中，液相料液的粘度为0-500mPa·s。
9.根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于：步骤S2中，所述纳微米气泡尺寸控制在30nm-300μm。
10.根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于：步骤S2中，有效气液混合比为5-90％。
11.根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于：步骤S3中，所述转子内催化剂床层的润湿效率在0.4-1.0之间。
12.根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于：步骤S3中，所述转子的转速为10-2800rpm。
13.根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于：步骤S3中，所述转子内发生的反应温度为常温-650℃，压力控制在常压-25MPa。
14.根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于：反应温度和压力的范围分别为常温-500℃，压力为常压-10Mpa。
15.根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于：步骤S3中，液相体积空速控制在0.2-100h-1。
16.根据权利要求15所述的应用方法，其特征在于：液相空速范围为1-50h-1。
17.根据权利要求6所述的应用方法，其特征在于：步骤S3中，所述纳微米催化剂包括贵金属催化剂、碳材料催化剂或生物酶催化剂。
CN201710861297.4A 2017-09-20 2017-09-20 通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置及应用方法 Active CN107684880B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710861297.4A CN107684880B (zh) 2017-09-20 2017-09-20 通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置及应用方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710861297.4A CN107684880B (zh) 2017-09-20 2017-09-20 通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置及应用方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107684880A CN107684880A (zh) 2018-02-13
CN107684880B true CN107684880B (zh) 2019-07-12

Family

ID=61155348

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710861297.4A Active CN107684880B (zh) 2017-09-20 2017-09-20 通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置及应用方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107684880B (zh)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109053412B (zh) * 2018-08-13 2023-11-10 南京塔川化工设备有限公司 一种pta节能降耗装置及cta氧化反应前均相预混方法
CN109647315B (zh) * 2019-01-08 2021-03-26 北京化工大学 能量充分利用的超重力装置、氧化方法及系统
CN109603720B (zh) * 2019-01-08 2021-03-26 北京化工大学 超重力氧化反应器装置及应用
CN109569346B (zh) * 2019-01-22 2020-09-15 北京化工大学 一种面向大相比体系的高能效分散-混合方法及其应用
CN110255698B (zh) * 2019-07-11 2022-04-05 华侨大学 一种强化臭氧传质和氧化过程的水处理装置和方法
CN112337493B (zh) * 2019-08-09 2021-12-31 中国科学院过程工程研究所 一种强化微观混合与反应的纳米薄片钒磷氧催化剂制备方法及应用
CN110538613A (zh) * 2019-08-09 2019-12-06 北京化工大学 螺旋管式进料的超重力微波耦合反应器及系统
CN110671193B (zh) * 2019-09-26 2021-12-17 武汉理工大学 一种船用发动机的纳米添加剂燃油超重力混合装置
CN110882666A (zh) * 2019-10-12 2020-03-17 北京化工大学 填料可加热的超重力微波耦合反应器及系统
TWI750903B (zh) * 2020-11-19 2021-12-21 超重力有限公司 具有阻氣環壁的逆錯流式超重力裝置
CN114849595B (zh) * 2021-02-04 2024-02-02 北京化工大学 一种超重力多相催化反应器装置及其应用
CN113480407B (zh) * 2021-05-17 2023-03-21 北京化工大学 一种二氯丙醇的连续化制备系统及方法
CN114682173A (zh) * 2022-04-11 2022-07-01 北京化工大学 一种超重力浆态床装置及其应用

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1257763C (zh) * 2002-12-16 2006-05-31 中国石油化工股份有限公司 催化反应的方法
CN105080436B (zh) * 2014-05-06 2017-10-13 北京化工大学 一种超声波耦合超重力旋转填充床及其应用
CN106268575B (zh) * 2015-06-04 2018-10-30 北京化工大学 一种反应与分离耦合的超重力旋转床装置及其应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN107684880A (zh) 2018-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107684880B (zh) 通过气液高效预混合从而强化反应的超重力装置及应用方法
CN107686742B (zh) 一种在超重力反应器内进行渣油加氢反应的方法
JP3244229B2 (ja) ２段階反応設備及びその操作方法
CN107511116B (zh) 一种高温高压超重力加氢反应器及应用
JP4744690B2 (ja) 水素及び酸素から直接過酸化水素水溶液を製造する方法及びその実施装置
CN107699276B (zh) 一种多级超重力反应器重油加氢方法
US4507253A (en) Equipment for gassing a liquid and process for operating the equipment
EP1925597B1 (en) Method for mixing high viscous liquids with gas
JP5865560B1 (ja) 気体溶解装置及び気体溶解方法
JP2002512877A (ja) 酸素化装置、該酸素化装置による液体の酸素化方法およびその適用
CN107474875B (zh) 一种超重力柴油和汽油加氢精制的方法
CN105148823A (zh) 一种搅拌充气反应装置
CN109679682B (zh) 一种溶氢设备和溶氢方法
CN107473188B (zh) 一种使用蒽醌法制备过氧化氢的生产工艺
CN110668551B (zh) 一种臭氧催化装置及方法
CN110668552B (zh) 一种臭氧协同微量双氧水催化装置及方法
JPH10230285A (ja) 高速オゾン反応システム
CN204865826U (zh) 一种搅拌充气反应装置
US20080116132A1 (en) System and method for oxygenating an aerobic sludge digester
JP2010069387A (ja) 水処理装置
CN109679684B (zh) 一种液相加氢反应系统及方法
CN102530864B (zh) 一种用于固液有机废弃物处理及燃料气体生产的方法
JP2005169242A (ja) 有機物含有水または有機物含有水から分離された汚泥の処理方法およびその処理システム
CN215208515U (zh) 一种水下催化净化装置
CN211111241U (zh) 一种臭氧协同微量双氧水催化装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210926

Address after: No.5 Wenjiao West Road, Shuangta street, Jiangshan City, Quzhou City, Zhejiang Province 324199

Patentee after: Zhejiang zhongjuhairui Technology Co.,Ltd.

Address before: 100029, No. 15 East Third Ring Road, Chaoyang District, Beijing

Patentee before: BEIJING University OF CHEMICAL TECHNOLOGY

TR01 Transfer of patent right