CN111346589B - 微纳气泡气液反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微纳气泡气液反应器，属于气液传质技术领域，包括反应器壳体，反应器壳体中依次设置有纳米气泡产生区、气液混合腔、微米气泡产生区以及毫米气泡产生区，纳米气泡产生区产生纳米气泡并在气液混合腔内进行传质，纳米气泡产生区吸入气体并通过负压空化作用将气泡碎化成纳米气泡，纳米气泡进入气液混合腔进行一定时间的传质，纳米气泡再依次经过微米气泡产生区、毫米气泡产生区逐级增大气泡直径，使气泡达到能够被旋流分离器分离的尺寸。本发明使用基于空化效应的文丘里式纳米气泡发生器，产生了比表面积极大的纳米气泡，提高了气液接触面积，大大提高了传质效率，结构简单，成本低廉，适用范围广泛。

Description

微纳气泡气液反应器

技术领域

本发明涉及气液传质技术领域，具体地，涉及一种适用于气液传质的多级微纳气泡气液反应器。

背景技术

在化工生产等领域中，气液传质是一种非常常见的技术手段。气液传质的目的是在液体中吸收气体或者使气体在液体中解吸。从传质的角度考虑，提高气液反应的速率最直接的方式就是提高气液的总接触面积，因此目前常见的气液反应器就是通过让液体雾化、成膜或者让气体进入液相形成气泡来提高气液的接触面积，主要存在以下几种类型的气液反应器：填充塔、板式塔、鼓泡床、管式反应器、喷雾塔、搅拌床、射流反应器，其中填充塔、板式塔的塔内构件较为复杂，建造成本较高。

不管是雾化还是形成气泡的方式，液滴以及气泡的直径都决定了气液的比表面积大小，即液滴或气泡的直径越小，气液的比表面积越大，气液传质效率越高。对于雾化的方式，如喷雾塔中采用喷嘴雾化，最常见的方法就是缩小喷嘴孔径。而形成气泡的方式，不管是鼓泡床内使用微孔板的方式，还是射流反应器中使用射流吸气的方式，对微孔的孔径以及射流喷嘴的直径都有土体的要求。

在一些应用场景中，如熔盐堆裂变气体脱除中，由于熔盐粘度大，并且温度降低会形成结晶，因此不管是使用雾化还是传统的微气泡生成方式，降低微孔或喷嘴的直径都容易在喷嘴或微孔处发生堵塞，影响运行安全。另外，虽然微纳气泡的传质效果很高，但由于微纳气泡在液相中的跟随性极好，现有的分离器也无法有效地分离微纳气泡，而一些应用场景如熔盐堆裂变气体脱除中，气泡需要进行分离否则会影响堆芯的安全运行。

专利文献CN110773085A公开了一种气液反应器，包括反应器壳体，反应器壳体外侧设有换热夹套装置，反应器壳体上设有气相出口和气相入口，反应器壳体内部设有集液环板，集液环板与反应器壳体的内壁之间形成上方敞口的环形集液腔室，环形集液腔室的侧部设有环板出料口。集液环板上方设有液相雾化装置，液相雾化装置包括间隔设于集液环板正上方的圆形挡板、设于圆形挡板侧部的雾化器以及设于反应器壳体外部的高压泵，所述高压泵的出液口与雾化器相通，但该设计结构不合理。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种微纳气泡气液反应器。

根据本发明提供的一种微纳气泡气液反应器，包括反应器壳体，所述反应器壳体中依次设置有纳米气泡产生区1、气液混合腔2、微米气泡产生区3以及毫米气泡产生区4；

所述纳米气泡产生区1产生纳米气泡并在气液混合腔2内进行传质，所述纳米气泡再依次经过微米气泡产生区3、毫米气泡产生区4逐级增大气泡直径，使气泡达到能够被旋流分离器分离的尺寸。

优选地，所述纳米气泡产生区1采用文丘里式气泡发生器产生纳米气泡；

所述纳米气泡产生区1包括第一直管进口段101、第一收缩段102、第一喉部段103、第一扩张段104、第一直管出口段105、第一进气孔106以及第一螺纹孔107；

所述第一喉部段103的一端依次连接有第一收缩段102、第一直管进口段101，所述第一喉部段103的另一端依次连接有第一扩张段104、第一直管出口段105；

所述第一螺纹孔107通过第一进气孔106与第一喉部段103连接，所述第一螺纹孔107连接外部气源。

优选地，所述第一直管进口段101、第一喉部段103、第一直管出口段105、第一进气孔106、第一螺纹孔107都为圆柱形管状结构，所述第一收缩段102、第一扩张段104为圆台形管状结构。

优选地，所述第一直管进口段101、第一直管出口段105的内径为50㎜，所述第一进气孔106的直径为1㎜，所述第一螺纹孔107的内径为5㎜；

所述第一收缩段102的收缩角为15°到27°之间，所述第一扩张段104的扩张角为8°到16°之间；

所述第一直管进口段101的内径与第一喉部段103的内径的比值在2到6之间，所述第一喉部段103的长度与第一喉部段103的内径的比值在1到3之间。

优选地，所述气液混合腔2的长度为L，所述L≥1m；

其中，所述气液混合腔2中设置有第一流道21；

所述第一流道21采用直管结构、螺旋状盘管结构或蛇形管结构。

优选地，所述微米气泡产生区3包括第二流道301以及超声变幅杆302；

所述超声变幅杆302安装在第二流道301上；

所述超声波变幅杆302与超声波发生器连接并将超声波发生器产生的超声波传递到第二流道301内的流体中，以纳米气泡为气核，通过超声空化作用将纳米气泡的直径扩张到微米量级。

优选地，所述超声波发生器的功率为20kW，所述超声变幅杆302的频率为20kHz。

优选地，所述毫米气泡产生区4采用文丘里式气泡发生器；

所述毫米气泡产生区4包括第二直管进口段401、第二收缩段402、第二喉部段403、第二扩张段404、第二直管出口段405、第二进气孔406以及第二螺纹孔407；

所述第二喉部段403的一端依次连接有第二收缩段402、第二直管进口段401，所述第二喉部段403的另一端依次连接有第二扩张段404、第二直管出口段405；

所述第二螺纹孔407通过第二进气孔406与第二喉部段403连接，所述第一螺纹孔107连接外部气源。

优选地，所述第二直管进口段401、第二喉部段403、第二直管出口段405、第二进气孔406以及第二螺纹孔407都为圆柱形管状结构，所述第二收缩段402、第二扩张段404为圆台形管状结构。

优选地，所述第二直管进口段401、第二直管出口段405的内径为50㎜，所述第二喉部段403的内径、长度分别为23㎜、50㎜；所述第二进气孔406的直径为1㎜；所述第二螺纹孔407的内径为5㎜；

所述第二收缩段402的收缩角为37°，所述第二扩张段404的扩张角为7.5°。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明使用基于空化效应的文丘里式纳米气泡发生器，产生了比表面积极大的纳米气泡，提高了气液接触面积，大大提高了传质效率，同时避免了传统方法产生微小气泡或微小液体时会造成的喷嘴或微孔堵塞的潜在风险。

2、本发明中的气液反应器结构简单，可以采用普通的化工管道加工而成，成本低廉。

3、本发明中的气液反应器适用范围广，不仅局限于熔盐堆内裂变气体脱除，也可以用于一般的气液两相和气固液三相体系的反应。

4、通过第一流道21采用不同的结构以增加长度，提高气液混合腔2中的空间利用率，提供气泡在液相中足够的停留时间以提高传质效果。

5、本发明通过逐级增大气泡直径的方式，避免了纳米气泡无法从液体中分离的缺陷。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中气液反应器的结构示意图；

图2为本发明中的纳米气泡产生区的结构示意图；

图3为本发明中气液混合腔的结构示意图；

图4为本发明中的微米气泡产生区的结构示意图；

图5为本发明中的毫米气泡产生区的结构示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种微纳气泡气液反应器，如图1所示，包括反应器壳体，所述反应器壳体中依次设置有纳米气泡产生区1、气液混合腔2、微米气泡产生区3以及毫米气泡产生区4，所述纳米气泡产生区1产生纳米气泡并在气液混合腔2内进行传质，纳米气泡产生区1吸入气体并通过负压空化作用将气泡碎化成纳米气泡，纳米气泡进入气液混合腔2进行一定时间的传质，纳米气泡再依次经过微米气泡产生区3、毫米气泡产生区4逐级增大气泡直径，使气泡达到能够被旋流分离器分离的尺寸。

本发明是一种能够生成微米气泡和纳米气泡进行传质并通过将其逐级增大使其可以顺利分离的气液反应器，结构简单，可以采用普通的化工管道加工而成，成本低廉；同时本发明中的气液反应器适用范围广，不仅局限于熔盐堆内裂变气体脱除，也可以用于一般的气液两相和气固液三相体系的反应。

具体地，如图1、图2所示，所述纳米气泡产生区1采用文丘里式纳米气泡发生器产生纳米气泡；所述纳米气泡产生区1包括第一直管进口段101、第一收缩段102、第一喉部段103、第一扩张段104、第一直管出口段105、第一进气孔106以及第一螺纹孔107；所述第一喉部段103的一端依次连接有第一收缩段102、第一直管进口段101，所述第一喉部段103的另一端依次连接有第一扩张段104、第一直管出口段105；所述第一螺纹孔107通过第一进气孔106与第一喉部段103连接，所述第一螺纹孔107连接外部气源，在第一喉部段103会产生负压发生空化效应并对气泡进行剧烈的碎化，进一步地，高压气体依次通过第一螺纹孔107、第一进气孔106到达第一喉部段103并形成大气泡，在第一喉部段103以及第一扩张段104中负压空化的影响下，大气泡被碎化为纳米气泡。本发明使用基于空化效应的文丘里式纳米气泡发生器，产生了比表面积极大的纳米气泡，提高了气液接触面积，大大提高了传质效率，同时避免了传统方法产生微小气泡或微小液体时会造成的喷嘴或微孔堵塞的潜在风险。

进一步地，如图2所示，在一个优选例中，所述第一直管进口段101、第一喉部段103、第一直管出口段105、第一进气孔106、第一螺纹孔107都为圆柱形管状结构，所述第一收缩段102、第一扩张段104为圆台形管状结构。

具体地，如图2所示，所述第一直管进口段101、第一直管出口段105的内径为50㎜，所述第一进气孔106的直径为1㎜，所述第一螺纹孔107的内径为5㎜；所述第一收缩段102的收缩角为α，其中α取值为15°到27°之间，所述第一扩张段104的扩张角为β，其中β取值为8°到16°之间，所述第一直管进口段101的内径与第一喉部段103的内径的比值在2到6之间，所述第一喉部段103的长度与第一喉部段103的内径的比值在1到3之间。

具体地，如图1、图3所示，所述气液混合腔2的长度为L，所述L≥1m；所述的传质过程主要发生在气液混合腔2，其中，所述气液混合腔2中设置有第一流道21；在一个优选例中，所述第一流道21采用直管结构；在一个变化例中，所述第一流道21采用螺旋状盘管结构；在另一个变化例中，所述第一流道21采用蛇形管结构；通过第一流道21采用不同的结构以增加长度，提高气液混合腔2中的空间利用率，提供气泡在液相中足够的停留时间以提高传质效果。

具体地，如图1、图4所示，所述微米气泡产生区3包括第二流道301以及超声变幅杆302；所述超声变幅杆302安装在第二流道301上；所述超声波变幅杆302与超声波发生器连接并将超声波发生器产生的超声波传递到第二流道301内的流体中，以纳米气泡为气核，通过超声空化作用将纳米气泡的直径扩张到微米量级，在一个优选例中，所述超声波发生器的功率为20kW，所述超声变幅杆302的频率为20kHz。

具体地，如图1、图5所示，所述毫米气泡产生区4采用文丘里式气泡发生器，所述毫米气泡产生区4包括第二直管进口段401、第二收缩段402、第二喉部段403、第二扩张段404、第二直管出口段405、第二进气孔406以及第二螺纹孔407；所述第二喉部段403的一端依次连接有第二收缩段402、第二直管进口段401，所述第二喉部段403的另一端依次连接有第二扩张段404、第二直管出口段405；所述第二螺纹孔407通过第二进气孔406与第二喉部段403连接，所述第一螺纹孔107连接外部气源。

进一步地，如图5所示，在一个优选例中，所述第二直管进口段401、第二喉部段403、第二直管出口段405、第二进气孔406以及第二螺纹孔407都为圆柱形管状结构，所述第二收缩段402、第二扩张段404为圆台形管状结构。

具体地，如图5所示，所述第二直管进口段401、第二直管出口段405的内径为50㎜，所述第二喉部段403的内径、长度分别为23㎜、50㎜；所述第二进气孔406的直径为1㎜；所述第二螺纹孔407的内径为5㎜；所述第二收缩段402的收缩角为γ，γ取值为37°，所述第二扩张段404的扩张角为δ，δ取值为7.5°，毫米气泡产生区4采用文丘里式气泡发生器并在所述的尺寸参数下，不会发生负压空化对气泡进行碎化，但在第二扩张段404的湍流会对气泡进行较弱的碎化形成直径在毫米量级的气泡。另一方面，由于第二扩张段404内的湍流搅浑，微米气泡产生区3中产生的微米气泡也会相互之间发生聚并或与毫米气泡发生聚并，最终形成毫米气泡。

本发明通过逐级增大气泡直径的方式，避免了纳米气泡无法从液体中分离的缺陷，目前的旋流分离器可以对毫米气泡进行有效的分离。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种微纳气泡气液反应器，其特征在于，包括反应器壳体，所述反应器壳体中依次设置有纳米气泡产生区（1）、气液混合腔（2）、微米气泡产生区（3）以及毫米气泡产生区（4）；

所述纳米气泡产生区（1）产生纳米气泡并在气液混合腔（2）内进行传质，所述纳米气泡再依次经过微米气泡产生区（3）、毫米气泡产生区（4）逐级增大气泡直径，使气泡达到能够被旋流分离器分离的尺寸；

所述纳米气泡产生区（1）采用文丘里式气泡发生器产生纳米气泡；

所述纳米气泡产生区（1）包括第一直管进口段（101）、第一收缩段（102）、第一喉部段（103）、第一扩张段（104）、第一直管出口段（105）、第一进气孔（106）以及第一螺纹孔（107）；

所述第一喉部段（103）的一端依次连接有第一收缩段（102）、第一直管进口段（101），所述第一喉部段（103）的另一端依次连接有第一扩张段（104）、第一直管出口段（105）；

所述第一螺纹孔（107）通过第一进气孔（106）与第一喉部段（103）连接，所述第一螺纹孔（107）连接外部气源；

所述微米气泡产生区（3）包括第二流道（301）以及超声变幅杆（302）；

所述超声变幅杆（302）安装在第二流道（301）上；

所述超声变幅杆（302）与超声波发生器连接并将超声波发生器产生的超声波传递到第二流道（301）内的流体中，以纳米气泡为气核，通过超声空化作用将纳米气泡的直径扩张到微米量级；

所述毫米气泡产生区（4）采用文丘里式气泡发生器；

所述毫米气泡产生区（4）包括第二直管进口段（401）、第二收缩段（402）、第二喉部段（403）、第二扩张段（404）、第二直管出口段（405）、第二进气孔（406）以及第二螺纹孔（407）；

所述第二喉部段（403）的一端依次连接有第二收缩段（402）、第二直管进口段（401），所述第二喉部段（403）的另一端依次连接有第二扩张段（404）、第二直管出口段（405）；

所述第二螺纹孔（407）通过第二进气孔（406）与第二喉部段（403）连接，所述第一螺纹孔（107）连接外部气源；

所述第一直管进口段（101）、第一喉部段（103）、第一直管出口段（105）、第一进气孔（106）、第一螺纹孔（107）都为圆柱形管状结构，所述第一收缩段（102）、第一扩张段（104）为圆台形管状结构；

所述第一直管进口段（101）、第一直管出口段（105）的内径为50㎜，所述第一进气孔（106）的直径为1㎜，所述第一螺纹孔（107）的内径为5㎜；

所述第一收缩段（102）的收缩角为15°到27°之间，所述第一扩张段（104）的扩张角为8°到16°之间；

所述第一直管进口段（101）的内径与第一喉部段（103）的内径的比值在2到6之间，所述第一喉部段（103）的长度与第一喉部段（103）的内径的比值在1到3之间；

所述第二直管进口段（401）、第二喉部段（403）、第二直管出口段（405）、第二进气孔（406）以及第二螺纹孔（407）都为圆柱形管状结构，所述第二收缩段（402）、第二扩张段（404）为圆台形管状结构；

所述第二直管进口段（401）、第二直管出口段（405）的内径为50㎜，所述第二喉部段（403）的内径、长度分别为23㎜、50㎜；所述第二进气孔（406）的直径为1㎜；所述第二螺纹孔（407）的内径为5㎜；

所述第二收缩段（402）的收缩角为37°，所述第二扩张段（404）的扩张角为7.5°。

2.根据权利要求1所述的微纳气泡气液反应器，其特征在于，所述气液混合腔（2）的长度为L，所述L≥1m；

其中，所述气液混合腔（2）中设置有第一流道（21）；

所述第一流道（21）采用直管结构、螺旋状盘管结构或蛇形管结构。

3.根据权利要求1所述的微纳气泡气液反应器，其特征在于，所述超声波发生器的功率为20kW，所述超声变幅杆（302）的频率为20kHz。

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