CN1117403A - 将冷气与热液体混合的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种气体喷射和加热装置及使泡体气体进入与气体反应的热液体中的方法。该装置包括一长长的热交换气体容器，用于浸入热液体中，使气体通过与液体的热交换在现场预热。将冷气体供给该长长的气体容器，通过容器循环变热，达到与液体一样的温度，然后，以热的小气泡的形式从一喷嘴中释放入液体的深处，小气泡有大的液体界面质量传递面积。

Description

将冷气与热液体混合的方法和设备

本发明涉及这种系统的改进，而这种系统涉及出于下述各种目的之一而将气泡引入热液体中：例如除臭充气，液体氧化反应(LOR)，制氢或其它目的。其中系统的效率取决于经过气一液界面的质量传递，而该质量传递又取决于气泡的表面/体积比。较小的气泡，表面/体积比较大并比大气泡不易漂浮，因此可提供较大的气体-液体界面和较长的停留时间，以产生所希望的诸如溶解，氧化置换，化学反应或其它气-液交换的结果。

出于各种目的，在商业上经常采用通过诸如食用油和其它溶解的含油物质的热液体的气泡，在这方面，可参考共同拥有的美国专利4919894,5004571,5009816及Re：32562。这些有代表性的专利公开了各种先进气体反应器(AGR)气化及再循环系统，该系统利用引流管作为叶轮圈将气本从过热气体空间向下吸入叶轮，使其与大量的液体混合，用于予想的用途。

利用单个或多个叶轮搅动液体和/或如美国专利5004571所示利用液面下引入新鲜气体的这种AGR系统中形成的气泡没有大的表面/体积比。通过液体的气体的单一通道不能提供令人满意的气体-液体交换，因此，AGR系统依赖来自过热气体空间的气体的连续的再循环及通过叶轮的搅动才能产生所希望的气体-液体交换。将过热气体向下吸入叶轮则依赖容器中液面高度，因此，这种系统使用麻烦，效率又不高。

还知道有利用管起泡装置，粉末冶金起泡装置或带有各种喷嘴的喷射器的其它商用充气式系统。

通过气体-液体界面的质量传递常常是气体-液体反应及分解作业的控制因素。小的气泡比大的气泡的表面/体积比大，因此，小气泡比大气泡的反应及质量传递进行得快。因此，采用各种型式的起泡装置将小气泡引入液体中。然而，热液体的温度可比喷射气体的温度高得多，例如，在除臭状态下的食用油的温度可以高达650°F。在室温下喷射气体所形成气泡的大小取决于小孔的尺寸及压力。当小泡通过热油升起时，其迅速被加热至工作温度，并且随着温度的升高，气体的体积在膨胀。膨胀的气泡的表面-体积比很小，导致不希望的质量传递率的降低。

与膨胀气泡尺寸相关联的问题是很重要的，特别是假如气体耗量是关键因素的时候，例如，氮耗量必须保持最小才能使氮气除臭机经济地工作。为使氮气除臭机运转，需要产生大体积的真空喷射。假如不可压缩的氮气的流量增加，原动蒸汽的要求将大大增加。在这种情况下，氮气除臭机将不再能与蒸汽除臭机抗衡。

在制氢或制氧反应中，气泡从液箱的底部升起到液面并消失，除非像在LOR或AGR系统中所用的再循环机构重新利用顶上空间的氧或氢。然而，如果气体溶于第一通道，则反应率可以改善。没有热膨胀的较小的气泡由于有大的界面面积则可以以较高的速率溶解。随着氧或氢溶解量的增加，副产品构成的量及析出提取率可能变化。对于一个大的工艺过程，析出率及速率的10％的改善可以转变成效率的增加及经济性的改善。

像在美国专利5241092中公开的例如用于食用油的除臭机一般在真空及高温条件下工作。在这种条件下，机械的搅动是不可行的，因为密封的整体性将受到威胁。

本发明提供出于改变热液体的目的(例如通过充气、溶解，反应，置换或其它处理)将气泡引入该热液体中并防止其热膨胀及其界面质量传递面积相应减少的新颖方法和设备。它是这样完成的：通过热液体的有效而迅速的热传递，连续地使供气予热及膨胀，同时供气在与热液体进行热传递中被分隔开来并循环，并且将予热的予膨胀的气体以热的小气泡的形式连续地释放入热的液体中，热的小气泡的温度与热液体的温度相似，因此可避免释放出的小气泡的进一步加热及膨胀，从而该系统的效率可大大提高。

本发明提供一种新颖的热交换设备，用于盛装在热液体内但与之隔开的连续的供气，并利用热液体的热量有效地迅速地将冷的或室温的气体予热到热液体的温度，并且将热气体以小泡的形式直接排入热液体中，小泡在热液体的温度下抗热膨胀，不需采用机械搅拌器。

图1是本发明的一个实施例设备的示意剖视图；

图2是沿图1的2-2线所截取的放大的横剖视图。

图1示出本发明的热液体设备的气体喷射及加热元件10，它包括气体喷射定位器11，该定位器的螺纹端12用于与供气导管，供气管13及同轴温度传感器管14连续。元件10包括一长管式气体循环套15，该套15有一向供气管13敞开的下段16及在套15的内壁18和外壁19之间形成的长的环形循环室17的相间的竖段17A和17B。循环室17由径向传热隔板20隔开，而传热隔板20包括相间的高度隔板21a和21b及全隔板22，它们之中的每一个都与径向传热片23呈热传导联结，而径向传热片23由套15的内壁18内向内朝中央液体循环室及气/液混合室24延伸，如图2所示。隔板21和传热片23使隔板20与二相液流接触，以改善传热效率。每一高度隔板21a的顶端与顶环段17C向下隔开，而每一高度隔板21a的底端与室17的底面30密封接触。另一种高度隔板21b与顶环段17c密封接触而与室17的底面30隔开。因此，使得室17内的气流沿着盘旋路径经过每一竖向弧段17A，越过每一隔板21a，再向下经过每一竖向弧段17B及从每隔板21b下方流过。

如在环形气体室17内的箭头所示，引入下段16的气体向上流经第一竖向弧段17A到顶部隔开的圆环段17c，而圆环段17c在隔板21a的上方与两个竖向段17A和17B是敞开的。然后，气体向下吸，经过竖向段17B，从另一高度隔板21b下方通过，再向上通过下一个竖向段17A，再向下通过下一个竖向段17B，提供一个气体流过八个竖向弧段的盘旋回路，然后才经通道25排出，进入喷嘴26。最后的隔板22是环形气室17中的全隔板，其使气体进入通道16沿反时针流动，以盘旋方式顺序向上经过每一段17A及向下经过每一段17B，以便经通道25流出，到达处于予热状态的喷嘴26，因此，来自喷嘴26的气泡小且抗膨胀。

最好是环形气室17含有诸如球状，小颗粒等的金属填料，以增加从热油至在室17内循环的气体的热传导。

气体经喷嘴26的排出及气室17的竖向分隔使来自导管13的气体流经室16，按照顺序向上流经第一段17A和向下流经下一段17B，然后被迫流经通道25到达喷嘴26并变成气泡，进入中央室24的热液体28中。

从喷嘴26释放出的小气泡27使气泡向上以一定速度通过中央液体室24，导致内部传热系数的增加。另外，气泡27与核化沸腾类似，大家知道，核化沸腾有高的传热系数。该系数，而不是热传导是本发明设备的效率的主导因素。

整个气体喷射及加热元件10浸没在诸如除臭剂容器的那种容器的热液体中。这使不与经导管13引入的冷气体产生热交换的热液体的高温能提高气体的温度，因此，当气体循环至喷嘴26时，其与液体的温度相同，这可由与喷嘴26相通的传感器管14探测到。喷嘴26的运行由传感器管14进行恒温控制，以调节流经喷嘴26的气流率，并借此调节气体在套15中的停留时间，以获得予定的要求的气体温度。

其中浸有气体喷射及加热元件10的热液体，经过处于套15下壁区域的多个进口通道29循环，如图1箭头所示。在中央管室24中的热的小气泡27的上行运动会引致室24中的液体28的上行流动，这又会将其它的热液体经壁孔29吸入，产生气/液的混合及上行的循环，直至到达环形套段17c之上的套15的出口，进入在反应容器中的液体的主体中。

因为整个元件10都浸入热的液体之中，所以气体加热套15的内、外壁18和19便与诸如温度高达约650°F的热油那样的热液体处于热传递接触之中，热液体对壁18，19，在室24内的传热片23及相连的在套中15中的隔板20，21及22进行加热。这样，当气体被迫沿套15的竖向壁段17A和17B上、下循环最后出去到达通道25及喷嘴26的过程中，会将引入套的下进口段16的冷气体或室温气体的温度提高到与热油28一样的温度。

经气体导管13引入的冷气体对于热液体的温度基本没有冷却作用，因为例如油这样的液体的每°F的热容量是相同容积的例如氮气的气体的热容量的几千倍。

本发明的新颖的气体喷射和加热元件10经济且效率高，因为，它采用液体的热量使气体迅速加热，因此，在将气体引入盛有热油的容器之前不需采用耗资的外部加热装置来予热外部的供气。另外，外部加热及供气系统要求采用绝缘装置以减少热损失，而在本发明的内部的用油加热的系统中，气体在现场被加热到油的温度，因此，气体的热损失是不可能的，而这又增加了优点，即避免了气体的过热，而气体的过热是危险的并会引起液体的局部过热。某些液体食用油在约530°F以上的温度下会迅速变质和/或分解。

对于本行业的普通技术人员来讲进行下列行为是轻而易举的事，即本发明图示的气体喷射和加热元件10可代之以其它的可浸没的热交换装置，这种装置可使从进口进入的封闭气体循环，即使其经过浸入热液体的长蛇管，蜂窝状结构，迷宫或其它迁回的热交换管，使气体加热到液体的温度，然后使气体以热气的抗膨胀的小气泡的形式喷入出口室的液体中(出口室与进口隔开)。例如，可采用缠紧的铜管竖向蛇形管使气体循环，使其向上，然后向下到达下部的喷嘴装置，喷嘴装置释放出被加热气体的小气泡，使其向上经过产生液体循环路径的蛇管的中心，其情况类似于由图1装置的管套15所产生的情况。

应当理解，前述仅为本发明的描述。本领域的普通技术人员还可设计出各种变型和改进而不脱离本发明，因此，本发明是要包括所有属于附后权利要求的保护范围的这样的变型，改进。

Claims (14)

1.通过增加热液体和气体之间的界面传递面积来提高气泡进入与之反应的热液体效率的方法，它包括：

将该气体引入浸于加热至高温的液体的热交换套中，通过由该液体至该气体的热交换使该气体加热至所述的高温；

将该加热气体的小气泡释放入与之相互反应的该热液体中，该小气泡可抵抗其体积的热膨胀及在该热液体温度下其质量传递液体界面区域的有效减少。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：它包括：

在气体释放区域探测气体在该热交换套中的温度；

控制气体流动速率，以便使释放气体的温度与液体的温度相同。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，它包括：

使通过该热交换套的该热液体产生一个连续的再循环路径；

将该气体的小气泡释放入该再循环的路径中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中该热交换套是一带有芯部的竖向管套，该芯部向从其中通过的循环液体敞开，它包括在该管套的底部将该小气泡释放入在该管套的芯部中的热液体中，以产生该液体通过该芯部的向上的循环及通过该芯部的连续的液体再循环。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：它包括使该气体通过在该热交换套中的盘旋通道循环，以便增长气体在其内的停留时间。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：它包括向该热交换套提供吸收热液体的热量并将热量传给在套中循环的该气体的金属装置。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：它包括向该套提供金属隔板及从套向该热液体延伸的肋片。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：它包括将诸如球状或小颗粒的金属粒状填充物引入该套中，并使该气体通过该填充物而循环，以改善热传导。

9.一种气体喷射和加热装置，用于浸入热液体中，以便盛有气体并将气体加热至热液体的温度，然后将气体释放入液体中，它包括一个长长的热交换气体的容器，该容器有大的表面面积，以便将其内浸有该装置的热液体的热量传给引入该容器的气体，该容器有一进口，用于引入通过该长长的容器而循环和加热的气体，和一个与该进口隔开的喷嘴，用于将被加热的气体以抗膨胀的小泡的形式释放入该热液体中。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：该长长的容器包括一竖向气体管套，该管套包围着一个管芯，当该装置浸于热液体中时该管芯适于热液体在其内的循环，另外，该喷嘴位于该竖向管套的底部，使该被加热的气体释放，向上通过该管芯，以产生该热液体向上通过该管芯的连续的再循环。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：其中，该竖向管套包括：

形成一个竖向室环状气体容器的内，外壁：

用于向该套供应气体的在该容器底部的气体进口装置；

使气体从该进口装置至该管套顶部循环一次或多次并使其向下至该喷嘴装置的装置，该喷嘴装置将气体从该管套的顶部向下吸并将其作为热的小气泡释放出来向上通过该管芯。

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，它还包括与该喷嘴相联的温度探测装置，用于仅当在该喷嘴处的气体温度达到予定值时才使该喷嘴工作。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：其中，该环状气体容器包装竖向径向金属隔板，该隔板与竖向径向金属传热片传热相联，该传热片伸入该管芯中，将在该芯部中的液体的热量传给在该容器中的气体。

14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：其中，该环状气体容器包括诸如球状或颗粒状的颗粒金属填充物，气体通过填充物循环，以改善热传导性能。

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