CN108348882B - 使气体和液体接触的系统 - Google Patents

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Abstract

使气体和液体接触的系统包括含有惰性颗粒的容器，其中所述惰性颗粒的总体积为所述容器的总工作容积的1％至20％。

Description

使气体和液体接触的系统
技术领域
本发明涉及使气体和液体接触的系统，其可适用于涉及气体-液体接触或气体-液体反应的许多应用。
背景技术
气体-液体接触器广泛用于化工、生化、石油化工和冶金行业等许多行业。这些接触器或反应器的选择、设计、尺寸和性能通常取决于质量和传热、流体动力学和反应动力学。这些单元通常用作通气器或气体-液体反应器，其中气体首先溶解在液体中，然后与液体或溶解在液体中的任何材料反应。此种反应器中的反应通常分为缓慢和快速的方案(Advances in Chemical Engineering,Academic Press 1981,pp.1-133)。对于缓慢的反应，需要高的液体滞留和传质以保持本体内的气体浓度接近饱和，而对于快速反应，由于液体本体中的气体浓度几乎为零并且气体-液体界面面积控制气体的吸收速率，故需要高持气率和小气泡尺寸(Advances in Chemical Engineering,Academic Press 1981,pp.1-133)。通过增加气体和液体之间的接触表面积，将实现更快的化学或生物化学反应速率，并相应地提高传质速率。
涉及良好混合的一些高性能气体-液体接触器的一个主要缺点是需要高机械能。然而，这种机械能在某些类型的气体-液体接触器中可以更有效地利用(相比于其他气体-液体接触器)。因此，不同气体-液体接触器在相同工作条件下的传质性能可能会有明显差异(Chemical Engineering and Processing:Process Intensification,38(1999)503-510)。具有高持液率的鼓泡塔反应器、喷动床反应器、填料塔和搅拌反应器适用于慢反应过程，例如液相氧化、氢化、氯化和一些发酵(Advances in Chemical Engineering,AcademicPress 1981,pp.1-133)。由于高气体-液体界面面积，板式、填充柱和文丘里管型反应器更适合于快速反应过程(Chemical Engineering Science,48(1993)889-911)；然而，在特定条件下，鼓泡塔反应器和填料塔反应器适用于高放热快速反应过程，其广泛用于化学、生物化学、石化和冶金应用(Chemical Engineering Science,48(1993)889-911)。
气体-液体接触器可分为表面接触器和容积式接触器。它们也可以基于设备内部的传质速率进行分类。机械能耗低的接触器通常具有低传质速率和低性能。气体-液体接触器内的更多机械能耗(通常与更多混合有关)提高了传质速率。这种气体-液体接触器被称为高性能接触器，并且它们随着对高气体吸收率和小容积安装设备的需求增加而变得重要(Chemical Engineering and Processing:Process Intensification,38(1999)503-510)。
表面气体接触器通常用于生物废水处理，并且通常具有深度适中的池的形式。它们通常涉及使用叶轮或液体射流来创建所需的气体-液体界面区域(ChemicalEngineering and Processing:Process Intensification,38(1999)503-510)。另一方面，在容积式气体-液体接触器中，气相和液相之间的界面区域在液体的本体内产生。气相以球形或不规则形状的气泡形式分散。液体中的气体分散通常通过使用鼓泡器、液体射流、双混合喷嘴或中空旋转混合器来实现(Chemical Engineering and Processing:ProcessIntensification,38(1999)503-510)。常见气体-液体接触器/反应器的实例包括鼓泡塔反应器、搅拌容器反应器、喷射回路反应器、往复式射流反应器和撞击流反应器。鼓泡塔反应器是一种鼓泡器位于底部的容器，其特点是传质性能相对较低。
鼓泡塔由于其机械简单性、资本成本低和传热传质特性良好而通常用于生物加工行业以进行一系列需氧发酵(Chemical Engineering Journal,264(2015)291-301)。鼓泡塔中的容积传质系数值取决于所用流体的物理性质、气体流量(Chemical Engineeringand Processing:Process Intensification,38(1999)503-510)、鼓泡器设计(ChemicalEngineering and Processing:Process Intensification,38(1999)329-344)、反应器长径比(H/D)(Chemical Engineering Science,25(1970)340-341)、系统压力(ChemicalEngineering Science,52(1997)4447-4459)和温度(Chemical Engineering Science,56(2001)6241-6247)。分散后不久，鼓泡塔内的气泡尺寸接近稳定的尺寸。在这种情况下，传质性能对鼓泡器的设计变得不那么敏感(Chemical Engineering Science,48(1993)889-911)。
鼓泡塔反应器的优点是：低维护和运行成本，低资本，优异的传热和温度控制，低能量输入下的高气体-液体界面面积和容积传质系数，以及因反应器几何结构和高径比而造成的高液体体积和停留时间。然而，这些反应器会遇到一些缺陷，例如在搅动紊流状态下的回混和气泡-气泡相互作用；难以进行催化剂和液体分离，特别是对于含有微粒的高粘性浆料；由于缺乏典型行业条件下流体动力学和传质特性方面的知识而导致的复杂放大(Fuel Processing Technology,89(2008)322-343)。
搅拌式容器反应器通常是一个圆柱形容器，在其中心装有一个叶轮。鼓泡器位于叶轮下面，通过引入每单位体积高表面积的小气泡并通过增加液体中的湍流水平来增强混合和传质(Chemical Engineering Science,92,(2014)2191-2200)。另一方面，喷射回路反应器是装有双混合喷嘴和引流管的容器。喷嘴可以固定在反应器的顶部或底部，并且引流管可以与主管同心或与其相邻。喷嘴出口处的液体射流产生具有非常小尺寸气泡的气体分散。液体动量导致气体-液体混合物的循环，这导致在这些类型的反应器中没有死区域的良好混合(Chinese Chemical Engineering,22(2014)611-621)。
往复式射流反应器由许多与中心轴连接在一起的穿孔圆盘组成。圆盘和轴放置在圆柱形容器中，并接收高幅度和高频率的反向运动，使得混合物以射流的形式流过圆盘的孔(Chemical Engineering and Processing:Process Intensification,38(1999)503-510)。气体和液体通过放置在导管入口处的喷嘴进给到反应器。形成均匀的两相流。气相被分散并且两相流的动能被消散。这在气体和液相之间产生高湍流和大传质区域(ChemicalEngineering Science,47,(1992)2877-2882)。
尽管上述气体-液体接触器已被广泛应用于许多行业，但它们都不能以相同的效率应用到各种单元操作中，并且它们都具有不同的缺点，例如复杂性、对机械能的高需求以及难以扩大规模。本发明描述了一种简单的系统，其可以提供优异的气体-液体接触、高性能效率并且可以容易地扩大规模。
发明内容
本发明提供一种使气体和液体接触的系统，其包括含有惰性颗粒的容器，其中所述惰性颗粒的总体积为容器的总工作容积的1％至20％。
惰性颗粒的总体积优选为所述容器的总工作容积的3％至15％，可选为所述容器的总工作容积的5％至10％。
所述系统优选进一步包括：通常位于所述容器的基底处的单个孔口，其配置用于使气体进入所述容器；和可选地位于使用时的工作容积表面上方的气体出口，其配置用于使气体离开所述容器。所述单个孔口可选地位于所述容器的基底的中心，使得可在中心将气体引入所述容器。
所述系统优选地进一步包括：配置用于使液体进入所述容器的液体入口、和配置用于使液体离开所述容器的液体出口，其中液体入口、液体出口、气体入口和气体出口可选地设置成使得在使用时液体经过容器的至少一部分以逆向流通过气体。
液体出口可选地包括延伸到所述容器中(可选地延伸到容器的底部)的流出物通路。流出物通路的入口优选地位于所述液体入口的下方，从而由于使用时的所述容器中液体的静压力，所述液体经所述流出物通路离开所述容器。
所述系统通常包括在所述容器中提供的液体，其中所述惰性颗粒的密度优选为比所述液体密度小15％至比所述液体密度大15％，可选地比所述液体密度小10％至比所述液体密度大10％，可选地比所述液体密度小5％至比所述液体密度大5％。
所述惰性颗粒优选为球形，且粒径(直径)优选为1mm至25mm，可选地为3mm至20mm，可选地为5mm至15mm。对于非球形颗粒，每个颗粒优选具有对应于当量球直径dv(即
Figure BDA0001596807580000041
其中V是非球形颗粒的体积)的体积。
所述容器的基底为圆锥形。
将气体在所述容器中的引入优选地使得所述惰性颗粒遵循所述容器内的圆形或椭圆形路径，从而导致气体和液体之间的混合。
附图说明
现在将参照附图仅以举例的方式描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的使气体和液体接触的系统的示意图；
图2示出了说明使用本发明的系统的不同气体流速的CO2捕获的图表；
图3示出了说明使用本发明的系统的不同气体流速的离子去除的图表；和
图4示出了说明使用本发明的系统的不同气体流速的pH随时间变化的图表。
具体实施方式
本发明确定使用惰性颗粒可以增强气体-液体接触器/反应器系统内的混合，并提供有效传质的高气体-液体界面面积。
本发明对诸如天然气脱硫、胺的再生、从污染水中除去氨和H2S以及从产出水中除去H2S等应用特别有益。
图1描绘了本发明的使气体和液体接触的系统的实例。该系统包括具有柱形体101的容器100。容器100具有连接到柱形体101的一端的基底102。柱形体101的另一端是封闭的，但可以通向大气，取决于系统的具体用途。用于控制容器100的温度的温度控制套可选地围绕容器100。
在图1所示的构造中，容器在使用时垂直取向，当从前方观察容器100时，基底102位于容器100的底部。
液体通过液体入口103进入容器。液体入口103在图1中被描绘为接近容器的顶部；然而，其位置不受限制，但优选地当容器100在使用时处在液体的最大工作液面上方。
气体通过气体入口104进入容器。气体入口104在图1中提供为位于基底102底部的单个孔口，但在其它实施方式中，可以使用多个孔口。孔口的大小、气体速度以及气体-液体比取决于气体接触或反应系统的类型。气体可以使用喷嘴(图1中未示出)作为射流注入容器中。
液体经由液体出口105离开容器100。出口可以包括从容器出口点110延伸到容器中的流出物通路107。容器出口点110(液体穿过容器100的外边界的点)优选位于与液体入口103大致相同的高度处。如果液体由于流体静压力而离开容器，则出口点110位于液体的工作液面之下。如果液体使用泵离开容器，则出口点110可以位于容器100上的任何位置。
气体经由气体出口106离开容器100。气体出口106在图1中示出在容器100的顶面上；然而，其位置不受限制，但其优选地当容器100在使用时位于液体的工作液面之上。
作为除雾器，筛网111可选地在气体出口106之前提供以防止气体中夹带液滴。例如，筛网111可以采取薄网格的形式。
液体入口103，液体出口105，气体入口104和气体出口106优选地设置成使得在使用时液体经过容器的至少一部分以逆向流通过气体，以改善气体-液体接触。例如，如果气体入口104和气体出口106被设置为使得气体在容器的底部引入并且在顶部离开，那么液体入口103和液体出口105优选地被设置成使得在使用时液体经过容器100的至少一部分在向下的方向上流动通过气体。
如图1所示，气体和液体之间的上述逆向流优选通过提供从出口点110延伸到容器100中的流出物通路107来实现。流出物通路107引导液体从容器100内部的点流到出口点110，并且可以例如采用管或管道的形式。
流出物通路107的入口108优选地位于液体入口103下方的水平处，并且优选位于容器的底部30％内(即基底102的顶部与液体的工作液面之间距离的底部30％)，更优选在容器的底部20％内，甚至更优选在容器的底部10％内。由于气体向上流过容器100，同时液体向下流动以便经由流出物通路107的入口108离开容器，所以这种设置产生逆向流。优选地，一旦液体流出物进入流出物通路107，则在使用时容器100中的液体的液体静压力导致液体流出物流过流出物通路107。
提供和设置流出物通路107还减少了液体流出物中气泡的夹带。这是因为气泡在流出物通路入口108处面对的阻力远大于容器100内部所有其余部分的阻力。
流出物通路入口107优选设置有用于阻挡固体颗粒进入液体流出物通路107的过滤器。
该系统还包括惰性颗粒109，其在使用时设置在容器100内部。惰性颗粒109的总体积为容器100的总工作容积(即，运行期间容器中液体的体积)的1％至20％，优选为容器100的总工作容积的3％至15％，更优选为容器100的总工作容积的5％至10％。
惰性颗粒109优选对于气体-液体系统是惰性的，并且当与容器100内的任何液体或气体接触时不应发生反应。此外，惰性颗粒109优选不作为反应系统的催化剂。惰性颗粒109的材料因此将取决于系统中使用的液体和气体，但例如可以是塑料。惰性颗粒109优选为球形，且粒径优选为1mm至25mm，更优选为3mm至20mm，甚至更优选为5mm至15mm。对于非球形颗粒，每个颗粒优选具有对应于当量球直径dv(即
Figure BDA0001596807580000061
其中V是非球形颗粒的体积)的体积。
当使用容器100时，惰性颗粒109分散并在容器内移动，以促进气体和液体之间的混合，并为两相之间的有效传质提供更大的气体-液体界面面积。惰性颗粒109在容器内的移动是由气体通过气体入口104进入容器100而引起的。气体优选地在容器100的基底102的中心引入，以使惰性颗粒109沿着使用中的容器100的圆形或椭圆形路径上下移动。
为了协助惰性颗粒109的移动，容器100的基底102优选地具有向下向气体入口104变细的圆锥形状。这使得惰性颗粒109能够滑入容器100底部的气体进给区域，而不在容器100的底部形成死区域。
惰性颗粒109的密度优选与液体的密度相似，使得惰性颗粒109在使用时可以更容易在整个容器100中移动。与液体密度相似的密度优选地意指在容器100运行温度下比液体密度小15％至比所述液体密度大15％，可选地比所述液体密度小10％至比所述液体密度大10％，可选地比所述液体密度小5％至比所述液体密度大5％。
实施例
评估本发明中描述的接触器系统通过与氢氧化铵反应而进行的CO2捕获。通过使含有10％CO2和90％空气的气体混合物与含有盐水废水(即脱盐废弃盐水)的氢氧化铵(25％NH3)混合物接触来进行反应。该水具有7％的盐度，其包括不同离子，包括钠、镁和钙。反应在内径为78mm、高度为700mm、总工作容积为3000ml的有套不锈钢柱形容器中进行。气体通过直径为3的单孔孔口注入反应器底部。液体通过容器顶部附近的液体入口进给，并通过上述流出物通路排出。惰性颗粒由平均粒径为13mm且密度为1020kg/m3的透明热塑性塑料(聚(2-甲基丙酸甲酯))制成。
使用
Figure BDA0001596807580000071
17.0应用，通过RSM(响应面法)优化了CO2捕获和离子(Na、Mg、Ca)去除百分比。作为一种拟合的统计工具，
Figure BDA0001596807580000072
17.0提供多级因素筛选设计，可以通过分析关键因素及其相互作用来进行数值优化。运行设计符合中央复合设计(CCD)。影响CO2捕获和离子去除的三个主要因素是气体流速、温度和氨与NaCl的摩尔比；对于气体流速、温度和摩尔比，这些因子分别在0.6l/min至2.3l/min，13.2℃至46.8℃和1.7至3.3NH3:1NaCl的范围内操作。另外两个仅影响CO2捕获的因素在另一个CCD中进行了研究。这些因素是惰性颗粒的体积和反应器中的表压；它们分别在3vol％至17vol％和0至2.9巴(0至0.29MPa)的范围内操作。每小时从反应器中取出水样并使用电感耦合等离子体(ICP)光谱仪测试离子去除。同时，流出物气体连续通过水分收集器，然后送至CO2气体分析仪以检测CO2百分比。还记录了水pH随时间的变化。
基于响应面法建模，发现最佳工作条件是：温度为19.3±0.5℃；气体流速为1 543±2ml/min；NH3/NaCl摩尔比为3.3±0.1；压力为2±0.2巴表压(0.2±0.02MPa表压)；惰性颗粒的总体积为6.6±0.1vol％。在12.5ml/min的固定流体流速下，对于两种气体流速1542ml/min和4 000ml/min，在上述最佳条件下进行实验。两个实验运行都是在大气压下进行的。实验结果汇总在表1中，并在图2、3和4中分别针对CO2捕获、离子去除和pH进行了标绘。
对于低气体流速(1 542ml/min)，实验进行11小时，而对于另一流速(4 000ml/min)，反应器运行5小时。实验结果清楚地表明反应器系统非常稳定并达到稳定状态。对于低气体流速，CO2去除在3小时后达到稳定状态，对于高气体流速，CO2去除在约4小时后达到稳定状态。类似地，对于低和高气体流速，离子去除分别在3小时和6小时后达到稳定状态。如图4所示，稳定状态的达到似乎对反应器中的pH值水平更为明显。正如预期的那样，如表1所示，反应器内的气体停留时间似乎对CO2捕获具有显著效果，但效果不如对离子去除那么重要。随着更多气体经过反应器系统，捕获的CO2更少(约90％)。尽管如此，考虑到气体-液体比(G/L)的巨大差异，两种情况之间CO2捕获效率的差异并不大。对于低气体流速，气体-液体比(G/L)为123，捕获效率为97％，更对于较高气体流速，G/L为320，捕获效率为90％。这些实验表明，本发明的接触器/反应器系统对于气体-液体接触/反应非常有效，并且可以实现非常稳定的稳态运行。
表1
Figure BDA0001596807580000081
本领域技术人员将认识到，前面的描述和实施例出于说明和示例的目的而被呈现。在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，根据上述教导可以对本发明进行修改和变化。

Claims (12)

1.一种使气体和液体接触的系统，其包括：
含有惰性颗粒的容器；
位于所述容器的基底处的单个孔口，其配置用于使气体进入所述容器；
位于使用时的工作容积表面上方的气体出口，其配置用于使气体离开所述容器；
配置用于使液体进入所述容器的液体入口；和
配置用于使液体离开所述容器的液体出口；
其中：
所述惰性颗粒的总体积为所述容器的总工作容积的1％至20％；
所述液体入口、所述液体出口、所述气体入口和所述气体出口设置成使得在使用时所述液体经过所述容器的至少一部分以逆向流通过所述气体；
所述液体出口包括延伸到所述容器中的流出物通路；
所述流出物通路的入口位于所述液体入口的下方；并且
由于使用时所述容器中所述液体的静压力，所述液体经所述流出物通路离开所述容器。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述惰性颗粒的总体积为所述容器的总工作容积的3％至15％。
3.如权利要求1所述的系统，其中
所述单个孔口位于所述容器的基底的中心，使得能够在中心将气体引入所述容器。
4.如权利要求1所述的系统，其进一步包括在所述容器中提供的液体，其中所述惰性颗粒的密度为：比所述液体密度小15％至比所述液体密度大15％。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述惰性颗粒的粒径为1mm至25mm。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述容器的基底为圆锥形。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述气体在所述容器的引入使得所述惰性颗粒遵循所述容器内的圆形或椭圆形路径，从而导致气体和液体之间的混合。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述惰性颗粒的总体积为所述容器的总工作容积的5％至10％。
9.如权利要求1所述的系统，其进一步包括在所述容器中提供的液体，其中所述惰性颗粒的密度为：比所述液体密度小10％至比所述液体密度大10％。
10.如权利要求1所述的系统，其进一步包括在所述容器中提供的液体，其中所述惰性颗粒的密度为：比所述液体密度小5％至比所述液体密度大5％。
11.如权利要求1所述的系统，其中所述惰性颗粒的粒径为3mm至20mm。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述惰性颗粒的粒径为5mm至15mm。
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