CN108745214A - 一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统 - Google Patents

一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统 Download PDF

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Abstract

一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，自上至下设有气体出口、液体布洒装置、气体入口和排液口，所述液体布洒装置与气体入口之间设有干扰器，所述干扰器设有透水通气的孔隙，从气体入口进入反应系统的气流穿过所述孔隙方能进到干扰器的上方，所述孔隙的边缘具有齿状结构，经所述孔隙提速后形成的扰动气流将液滴吹散后，干扰器上方的立体空间内形成混沌态的气液非均相体系。本发明反应系统以气体流速为扰动项，使液体在气流中形成多尺度，非均相、立体空间的混沌态，气液在混沌态混合、传质和传热，大大提高了气液传质传热接触时间和传质传热效率，液膜表面不断更新，气液接触充分，且具有不易堵塞，处理量大、系统结构简化的优点。

Description

一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统
技术领域
本发明属于化工领域，涉及气液传质传热技术。
背景技术
现有技术中，气体与液体传质传热通常使用喷淋、填料等反应器，喷淋反应具有高气速、大流量、不易堵塞等优点，但反应时间短，效率低，填料反应器具有比表面积大，气液接触时间长，反应效率高等优点，但具有容易堵塞和流量小的缺点。传统技术以牛顿物理学或者拉普拉斯理论描述，可以精确计算和预测，但需要一个接近理想状态的近似稳定的环境。传统传质、传热反应器为此需要在一定的压力、温度、流速、pH值、反应时间等多个约束条件下进行。为了保证这些反应条件，需要大量的装置和能耗才能维持。而近代混沌理论的研究表明：混沌状态具有自稳定性，能够减少或者弱约束条件下形成稳态，由于减少或者弱化了约束，对保证传质、传热必须的各种条件可降低或者省略。
发明内容
针对现有技术中存在问题，本发明提供了一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，可改善现有技术的不足。
本发明提供的技术方案包括：
一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，自上至下设有气体出口、液体布洒装置、气体入口和排液口，其特征在于：所述液体布洒装置与气体入口之间设有干扰器，所述干扰器设有透水通气的孔隙，从气体入口进入反应系统的气流穿过所述孔隙方能进到干扰器的上方，所述孔隙的边缘具有齿状结构，经所述孔隙提速后形成的扰动气流将液滴吹散后，干扰器上方的立体空间内形成混沌态的气液非均相体系。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
从孔隙中通过的气体流速为≮5m/s。
所述齿状结构的轮廓线为具有分形特性的曲线。
所述N阶分形曲线为Koch分形曲线或谢尔宾斯基三角形（Sierpinski triangle）分形曲线。
依据反应系统的气液流道的横截面积大小及形状，所述干扰器可设计为单体结构或由多个干扰器单元拼接组成，即当气液流道的横截面积较大，干扰器不便于一体成型时，干扰器可由多块干扰器单元拼接组成。
所述干扰器单元设有方形的外框，所述外框的四周分别设有一挂耳，干扰器单元通过所述挂耳安装在反应系统的支撑框架上。
干扰器单元的一组对边上，两只挂耳位于该对边中心线的两侧且靠近中心线的位置，在干扰器单元的另一组对边上，两只挂耳位于该对边中心线两侧且靠近边端部的位置。
所述干扰器或干扰器单元设有多个平行的条状栅板，相邻条状栅板之间保持一定间距，形成所述孔隙。
所述干扰器设有多个平行的条状栅板，相邻条状栅板之间保持一定间距，形成所述孔隙。
将设置在相邻条状栅板相对一面上的齿状结构，以凹凸相对的方式错开布置。
所述条状栅板相对于水平面的夹角为0～45℃。
所述孔隙为星形孔，所述星形孔设有呈中心放射状排列的多个切口槽，所述切口槽的边缘为齿状结构。
有益效果：
本发明反应系统以气体流速为扰动项，使液体在气流中形成多尺度，非均相、立体空间的混沌态，气液在混沌态混合、传质和传热，大大提高了气液传质传热接触时间，液膜表面不断更新，气液接触充分，相较于单纯的喷淋反应，也极大提高了气液传质传热的效率，相较于填料反应塔，更具有不易堵塞，且处理量大的优点，且系统结构简化，减少了设备的投资成本和运行成本，精简的工艺和设备也提高了系统可靠性，实际应用中，只要维持混沌性即可，而维持混沌运动只需要通过干扰器增加轻微的扰动即可。
附图说明
图1为实施例一干扰器孔隙的结构示意图；
图2为实施例一干扰器的俯视结构示意图；
图3为实施例二干扰器孔隙的结构示意图；
图4为Koch分形曲线的作法示意图；
图5为实施例三干扰器栅板的结构示意图；
图6为实施例三齿状结构的作法示意图；
图7为实施例四干扰器孔隙的结构示意图；
图8为实施例四干扰器的俯视结构示意图；
图9为谢尔宾斯基三角形分形曲线的结构示意图；
图10为实施例五干扰器栅板的结构示意图；
图11为反应系统的结构示意图；
图12为实施例三干扰器的俯视图。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案，下面结合附图与若干实施例对本发明做进一步的介绍。
一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，如图11所示，设有筒状的反应器，所述反应器自上至下依次设有气体出口、除雾器1、喷洒装置2、气体入口、浆液池和排液口，除雾器1与浆液池之间还设有上下多层干扰器3。
喷洒装置2通过设有循环泵的管路与浆液池连接，所述管路设置在反应器的外部，喷洒装置2在最上层干扰器3的上方和中间层干扰器3的上方分别设有一组喷嘴。
干扰器3安装在除雾器1与浆液池之间的反应器内壁上，设有透水通气的孔隙，即从气体入口进入反应器的气流穿过所述孔隙方能进到干扰器3的上方，喷洒的液体通过所述孔隙后汇集到浆液池中。
所述孔隙的边缘具有齿状结构，所述齿状结构由多个依次连接的尖齿单元构成。进气经所述孔隙时流速得以提升，且在齿状结构的作用下，提速后形成的扰动气流将气液交界处的液滴吹散形成液滴的分散相后，干扰器3上方的立体空间内形成混沌态的气液非均相体系，气流与喷洒的液体在该非均相体系中进行传质传热，气体穿过所述孔隙的流速设为大于5m/s。
实施例一：
本实施例中，所述干扰器3为单体结构，设有一整块的平板，其板体上开设有均匀分布的孔隙，所述孔隙的基本形状为六角星形，利用Koch分形曲线的作法，将所述六角星形每条边线的中间部位用向外凸起的三角形的两条边代替，并对之后形成的新边线线段进行一次迭代操作，形成如1所示的Koch分形曲线齿状结构。
实施例二：
所述干扰器3设有多个平行的条状栅板和固定安装所述栅板的支撑结构，相邻条状栅板之间保持一定间距，形成所述孔隙。
栅板的侧边设有一排基本形状呈三角形的凸起，并且针对相邻条状栅板相对一面的两排凸起，以凹凸相对的方式前后错开布置，如图3所示，以减小孔隙的宽度尺寸。所述三角形的底边与栅板基体相接，利用Koch分形曲线的作法，将所述三角形的左右两条边的中间部位，用外凸等边三角形的两条边代替，并对之后形成的构成所述凸起新边缘线的每条直线段边线，进行两次Koch分形的迭代操作，形成如图4所示的Koch分形曲线齿状结构。
上述两实施例中，所述 Koch分形曲线的作法如图4所示，从一条直线段开始，将其中间的三分之一部位用等边三角形的两条边代替，形成山丘型图形，在新的图形中，又将图中每一直线段中间的三分之一部分都用一个等边三角形的两条边代替，再次形成新的图形，如此迭代，形成Koch分形曲线。
实施例三：
本实施例中，所述干扰器3由多个干扰器单元组成。
所述干扰器3的底部设有支撑框架，所述干扰器单元设有呈正方形的外框，如图12所示，干扰器单元的一组对边上，两只挂耳位于该对边中心线的两侧且靠近中心线的位置，在干扰器单元的另一组对边上，两只挂耳位于中心线两侧且靠近外框边端部的位置，相对的两只挂耳以外框中心旋转对称。
所述干扰器单元通过挂耳固定在支撑框架上，安装方便，且挂耳的位置设计可使得在拼接安装时，相邻干扰器单元的挂耳不冲突。所述干扰器单元设有多个平行的条状栅板，所述条状栅板相对于水平面的夹角为0～45℃，相邻条状栅板之间保持一定间距，形成所述透水通气的孔隙。所述栅板的两个侧边分别设有一排基本形状呈三角形的凸起4，形成齿状结构，所述三角形的凸起4即为一尖齿单元，所述尖齿单元的底边与栅板基体相接，其两个侧边的中部还设有多个内凹三角形5的齿状结构，形成如图4所示的栅板边缘线形状。
在图4形状的基础上，具体实施时可根据需求做进一步的迭代，即将所述内凹三角形5的侧边的中部，继续用多个连续的内凹三角形5取代，形成如图6所示的分形结构。
本实施例中侧边的“中部”是指两端之间的部位，但并不特指尺寸上的绝对中间部位。
实施例四：
所述干扰器3设计为平板状，其板体表面开设有均匀分布的孔隙，本实施例中所述孔隙采用星形孔，所述星形孔设有呈中心放射状排列的多个切口槽，所述切口槽的边缘设有齿状结构，如图7所示。
实施例五：
所述干扰器3设有多个平行的条状栅板和固定安装所述栅板的支撑结构，相邻条状栅板之间保持一定间距，形成所述孔隙。
栅板的边缘线为具有谢尔宾斯基三角形分形特性的曲线，如图10所示，利用曲线逼近谢尔宾斯基三角形的方法为现有技术，此处不再详述。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (11)

1.一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，自上至下设有气体出口、液体布洒装置（2）、气体入口和排液口，其特征在于：所述液体布洒装置（2）与气体入口之间设有干扰器（3），所述干扰器（3）设有透水通气的孔隙，从气体入口进入反应系统的气流穿过所述孔隙方能进到干扰器（3）的上方，所述孔隙的边缘具有齿状结构，经所述孔隙提速后形成的扰动气流将液滴吹散后，干扰器（3）上方的立体空间内形成混沌态的气液非均相体系。
2.根据权利要求1所述的一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，其特征在于，从孔隙中通过的气体流速为≮5m/s。
3.根据权利要求1所述的一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，其特征在于，所述齿状结构的轮廓线为具有分形特性的曲线。
4.根据权利要求3所述的一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，其特征在于，所述具有分形特性的曲线为Koch分形曲线或谢尔宾斯基三角形分形曲线。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，其特征在于，所述干扰器为单体结构或由多个干扰器单元拼接组成。
6.根据权利要求5所述的一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，其特征在于，所述干扰器单元设有方形的外框，所述外框的四周分别设有一挂耳，干扰器单元通过所述挂耳安装在反应系统的支撑框架上。
7.根据权利要求6所述的一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，其特征在于，干扰器单元的一组对边上，两只挂耳位于该对边中心线的两侧且靠近中心线的位置，在干扰器单元的另一组对边上，两只挂耳位于该对边中心线两侧且靠近边端部的位置。
8.根据权利要求5所述的一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，其特征在于，所述干扰器或干扰器单元设有多个平行的条状栅板，相邻条状栅板之间保持一定间距，形成所述孔隙。
9.根据权利要求8所述的一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，其特征在于，设置在相邻条状栅板相对一面上的齿状结构，以凹凸相对的方式错开布置。
10.根据权利要求8所述的一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，其特征在于，所述条状栅板相对于水平面的夹角为0～45℃。
11.根据权利要求1所述的一种实现混沌状态气液传质传热的反应系统，其特征在于，所述孔隙为星形孔，所述星形孔设有呈中心放射状排列的多个切口槽，所述切口槽的边缘为齿状结构。
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