CN112691618B - 气液反应装置和脱硝方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脱硝工艺技术领域，公开了一种气液反应装置和脱硝方法。该气液反应装置包括塔体(1)、设置在所述塔体(1)顶部的一个以上的气液混合部件、以及设置在所述塔体(1)底部的液体循环池(3)；其中，所述气液混合部件包括气液导入单元(7)、文丘里管和气液混合管(8)；所述气液导入单元(7)、所述文丘里管和所述气液混合管(8)依次密封连接，所述气液混合管(8)的下端口设置于所述液体循环池(3)的内部。本发明的气液反应装置能够保证液体和气体多相流之间的混合、传质、传热和反应能够良好的效果。

Description

气液反应装置和脱硝方法

技术领域

本发明涉及脱硝工艺技术领域，具体涉及一种气液反应装置和脱硝方法。

背景技术

气液固三相反应广泛应用于炼油、制药、化肥、环保、食品等领域中，由于反应的实际速率受到传质和传热的影响，因此在反应器及相应工艺的具体设计中，气液的流动和分布状况，是影响到反应效果的关键因素。

喷射吸收是以气液并流形式进行，气液两相具有较大的接触面；因运动中的流体缩径加速，会形成较大的真空度，气液在真空区域混合传质，从而实现混合和传质过程的极大强化，因此提高了传质速率，从而能够显著的改变受传质速率限制的化学反应。因而被广泛的应用于能源、石油、环保、化工、冶金和水处理等领域中。

目前，脱硝技术主要有以下几种：(1)固相吸收/再生脱硝技术，如CuO法吸收，活性炭吸收等；(2)气固催化脱硫脱硝技术，如循环流化床烟气脱硫技术等；(3)吸收剂喷射脱硝技术，如尿素法等；(4)湿法烟气脱硫技术，如尿素法等；(5)电离放电脱硝技术等；

CN 108246071 A公开了一种可调喉口文丘里管强电离放电脱硫脱硝装置，其主要技术是利用文丘里管的喉管处的放电，将烟气中的大部分O₂、N₂、H₂O等气体分子离解电离并行成高浓度的·OH、·O、HO₂、O₃等活性粒子，可快速将烟气中的SO₂、NO_x直接氧化成H₂SO₄、HNO₃。但该专利的缺点是工程实践难度大，难于工业化；从安全环保角度而言，在处理量很大的情况下处理烟气，必然要求更高的放电电压和操作空间，这就对操作方式和安全管理提出了更高的要求。

CN205109431U提供了一种新型的文丘里管氨混合气，其主要特点是：在文丘里管缩径管后方的扩散段设置带孔的圆形挡板，使得进入扩散段的气液混合物在圆形挡板处被阻挡，返回喷嘴方向，实现流体的再混合扩散，从而强化传质。但这种装置的缺点是气液相的压降很大，并且传质限度有一定的限制。

CN 207722608 U提供了一种带有文丘里管的烟气污染物脱除装置，其主要创新之处是在烟气污染物脱除塔底部设置有成套文丘里管装置，利用文丘里管产生湍流，在保证净化效果的同时，减少装置体积和造价，但此装置的缺点仍然是传质限度的受限，充足的文献和试验结果表明，单纯的文丘里管系统并不能达到足够大的脱除NO_X的效率；上述现有脱硝技术中仍存在许多问题，突出的问题是气液分布和传质速率受到限制，达不到环境排放的标准；或者是为达到排放标准，使得脱硝装置内的填料或者脱硝剂的用量很大；或者是工艺能耗很大，工艺装置投资较大，NO和NO₂的工艺安全环保问题严重。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在气液传质效果较差的问题，提供一种气液反应装置和脱硝方法，保证液体和气体多相流之间的混合、传质、传热和反应能够良好的效果。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种气液反应装置，该装置包括塔体、设置在所述塔体顶部的一个以上的气液混合部件、以及设置在所述塔体底部的液体循环池；其中，所述气液混合部件包括气液导入单元、文丘里管和气液混合管；所述气液导入单元、所述文丘里管和所述气液混合管依次密封连接，所述气液混合管的下端口设置于所述液体循环池的内部。

优选地，所述气液导入单元包括第一入口和第二入口，所述气液导入单元的下部设置为套管结构。

优选地，所述第一入口的下部形成为喷射口。

优选地，所述喷射口与所述第一入口的内径比为1：5-12，优选为1：6-8。

优选地，所述喷射口与所述文丘里管顶部的内径比为1：2-5，更优选为1：3-4。

优选地，所述文丘里管包括缩径管、等径管和扩径管，并且，所述缩径管、等径管与扩径管的长度比为1：0.5-1.5：2-4，优选为1：0.8-1.2：2.5-3.5。

优选地，所述等径管与所述气液混合管的内径比为1：0.4-0.6，优选为1：0.5-0.55。

优选地，所述气液混合管的长度为1-3m。

优选地，所述塔体的内部设置有填料层。

优选地，所述塔体包括一个以上塔节，所述填料层设置在所述塔节中。

优选地，所述填料层中设置有规整填料或者散装填料。

优选地，该气液反应装置还包括液体循环管，所述液体循环管的一端连接于液体循环池底部，另一端与所述第一入口或者第二入口连接。

优选地，所述液体循环管上设置有循环泵。

优选地，所述塔体的上部设置有气体出口管。

本发明第二方面提供一种脱硝方法，使用上述本发明的气液反应装置进行脱硝，该方法包括：将待处理气体通过第二入口，同时将循环液通过第一入口导入塔体，使得待处理气体与循环液在文丘里管和气液混合管中混合并反应。

优选地，所述循环液与所述待处理气体的流速比为1：20-50，优选为1：25-30。

优选地，所述循环液为硝酸溶液和/或硫酸溶液。

通过上述技术方案，本发明提供的气液反应装置解决了现有技术中存在的气液传质受限及气液在反应器内混合不均问题，用于气液两相反应中，能够实现气液两相充分混合，提高传质传热效率，提高反应速率，同时使液体在反应器内维持足够的停留时间，从而实现特殊的工况需要；另外，本发明提供的气液反应装置能够适用于多种液体进料的反应或传递过程。

本发明的脱硝方法能够加快待处理气体与循环液的传质过程，从而显著提高NO和NO₂的脱除率。

附图说明

图1是本发明一个具体实施方式的气液反应装置的结构示意图；

图2是本发明的气液导入单元和文丘里管的结构示意图；

图3是本发明另一个具体实施方式的气液反应装置的结构示意图。

附图标记说明

1、塔体 2、填料层

3、液体循环池 4、循环泵

5、流量计 6、液体循环管

7、气液导入单元 8、气液混合管

9、气体出口管 10、气体入口管

71、第一入口 72、第二入口

73、喷射口 74、缩径管

75、等径管 76、扩径管

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明提供的气液反应装置，如图1和图2所示，其包括塔体1、设置在所述塔体1顶部的一个以上的气液混合部件、以及设置在所述塔体1底部的液体循环池3；其中，所述气液混合部件包括气液导入单元7、文丘里管和气液混合管8；所述气液导入单元7、所述文丘里管和所述气液混合管8依次密封连接，所述气液混合管8的下端口设置于所述液体循环池3的内部。

在本发明中，通过气液导入单元7、文丘里管和气液混合管8依次密封连接形成气液混合部件，可以使得导入的气相和液相依次在文丘里管和气液混合管8中充分混合传质之后，再在液体循环池3进行进一步的吸收，可以达到良好的气液接触，提高了气液反应的效率。本发明的气液反应装置可以适用于任意的气液反应，优选用于气体的脱硝工艺。

根据本发明，所述气液导入单元7用于导入气液反应中的气体和循环液。所述气液导入单元7的结构没有特别的限定，优选地，所述气液导入单元7包括第一入口71和第二入口72，所述气液导入单元7的下部设置为套管结构。第一入口71和第二入口72中的一个作为气相入口，另一个作为液相入口，并且导入的气相和液相分别通过气液导入单元7下部套管结构中的内管和外管导入文丘里管。其中，从提高气液混合传质的效率的观点考虑，优选第一入口71作为液相入口，第二入口72作为气相入口。

在所述气液导入单元7中，例如第一入口71可以设置为管状，其一端开口于所述气液导入单元7的顶端，另一端向下形成所述套管结构的内管；第二入口72可以开口于所述气液导入单元7的侧面，并向下形成所述套管结构的外管。由此，可以使得气相和液相在导入气液导入单元7后，通过气液导入单元7下部套管结构的内管和外管分别送入文丘里管。

并且，为了提高混合的效率，优选所述第一入口71的下部形成为喷射口73。所述喷射口73例如可以设置为缩径管结构。设置喷射口73的目的是通过液体输送管直径的突然减小，使得液体的动能增大，压力减小，在喷口处形成负压区，从而使得来自第二入口72的气体在压力差的驱动下进入文丘里管。

为了进一步提高气液混合传质的效率，优选地，所述喷射口73与所述第一入口71的内径比为1：2-5，优选为1：3-4。更优选地，所述喷射口73的缩径管结构的内径与长度之比为1：3-5。其中所述喷射口73的内径指的是喷嘴口处的内径(最小内径)。

并且，优选地，所述喷射口73与所述文丘里管顶部的内径比为1：2-5，更优选为1：3-4。

在本发明中，所述文丘里管包括缩径管74、等径管75和扩径管76，为了进一步提高气液混合传质的效率，所述缩径管74、等径管75与扩径管76的长度比为1：0.5-1.5：2-4，优选为1：0.8-1.2：2.5-3.5。

在本发明中，所述文丘里管的长度例如可以为200-500mm，优选为300-400mm。优选地，所述气液混合管8的内径可以为5-15mm，优选为8-10mm，所述气液混合管8的长度可以为1-3m，优选为1.5-2m。更优选地，所述等径管75与所述气液混合管8的内径比为1：0.4-0.6，优选为1：0.5-0.55。所述等径管75与所述气液混合管8的内径不同时，所述气液混合管8可以通过变径件与所述文丘里管连接。

例如，根据一个具体实施方式，喷射口73的内径为8mm，喷射口73的缩径管结构的长度为32mm，第一入口71的内径为25mm，第二入口72的内径为35mm。文丘里管中，缩径管74的长度为60mm，顶端内径为27mm；等径管75的长度为60mm，顶端和底端内径均为15mm；扩径管76的长度为180mm，底端内径为27mm。气液混合管8的长度为2m，内径为10mm。

根据本发明，为了进一步提高气液反应的效果，优选地，所述塔体1的内部设置有填料层2。所述填料层2的设置方式可以采用可以用于气液反应的任意填料塔的填料层结构。例如，所述塔体1可以包括一个以上塔节(如2-5个)，所述填料层2设置在所述塔节中。所述塔节之间可以通过法兰连接，并通过密封垫密封。所述填料层2中的填料也没有特别的限定，可以为规整填料或者散装填料，例如可以为θ环、鲍尔环、波纹板等。优选地，填料填装后床层的空隙率在0.4-0.5之间。

另外，所述塔体1的内径可以为100-400mm，优选为300mm；液体循环池的容积为0.5-5m³，优选为0.4-1m³，例如0.6m³。

根据本发明，该气液反应装置还可以包括液体循环管6，所述液体循环管6的一端连接于液体循环池3底部，另一端与所述第一入口71或者第二入口72连接。所述液体循环管6用于将液体循环池3中的液体返回，再从第一入口71或者第二入口72导入气液导入单元7，然后依次在文丘里管和气液混合管8中进行混合，最后返回到液体循环池3中，从而完成循环液的循环过程。为了推动液体的循环过程，优选地，所述液体循环管上设置有循环泵4。另外，所述液体循环管6上还可以设置流量计5。

根据本发明，所述塔体1的上部设置有气体出口管9。所述气体出口管9用于将反应后的气体导出。另外，所述塔体1的下部还可以设置有气体入口管10。

在本发明中，所述气液导入单元7、所述文丘里管、所述气液混合管、所述塔体1和所述液体循环池3的材质为耐酸蚀材料，例如可以为不锈钢314、不锈钢316L、陶瓷、玻璃或者聚四氟乙烯等；所述气液导入单元7和所述文丘里管优选为不锈钢材质，所述塔体1及液体循环池3优选为玻璃材质，所述气液混合管优选为聚四氟乙烯。

根据本发明的一个优选的实施方式，在本发明的气液反应装置中，如图3所示，所述塔体1的顶部设置有2个以上的气液导入单元7的情况下(例如图3中的7和7’)，部分气液导入单元7可以仅与文丘里管密封连接，而不连接气液混合管8(如图3左侧的气液导入单元7’)。通过从上述气液导入单元7’导入的气相和液相，可以在向下输送的过程中通过填料的作用进行吸收混合，并与从下而上的气体充分的混合传质。

本发明第二方面提供一种脱硝方法，该方法使用上述本发明的气液反应装置进行脱硝，该方法包括：将待处理气体通过第二入口72，同时将循环液通过第一入口71导入塔体1，使得待处理气体与循环液在文丘里管和气液混合管8中混合并反应。

在本发明中，所述气液混合管8的下端口设置于所述液体循环池3的内部，从而在脱硝过程中，所述气液混合管8的下端口位于循环液的液面以下。

在本发明中，所述待处理气体和所述循环液没有特别的限定，所述待处理气体可以是任意需要脱硝的气体，例如可以为含有NO和/或NO₂的气体；所述循环液例如可以为硝酸溶液、硫酸溶液(浓硫酸)或者二者混合液等，例如为质量分数5-15％的硝酸溶液。

根据本发明的脱硝方法，为了进一步提高脱硝的效果和效率，优选地，所述循环液与所述待处理气体的流速比为1：20-50，优选为1：25-30。例如，待处理气体的流速为1000-2000L/h，例如1600L/h，循环液的流速为30-100L/h，例如60L/h。

根据本发明的一个优选的实施方式，使用如图3所示的气液反应装置进行脱硝，使待处理气体一部分通过气体进口管10送入塔体内的填料层2，其余部分通过第一入口71与来自第二入口72的循环液一起通过气液导入单元7送入文丘里管和气液混合管进行混合脱硝，再送入液体循环池中进一步脱硝，然后从塔体内部自下而上，与通过气体进口管10送入的待处理气体汇合，在填料层中气液进行更进一步的混合传质，最后通过气体导出管9将脱硝后的气体导出。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

采用如图1所示的气液反应装置进行脱硝。该装置包括塔体1、设置在所述塔体1顶部的一个气液混合部件、设置在塔体1底部的液体循环池3以及液体循环管6。其中，塔体1的上部设置有气体出口管9，塔体1的下部设置有气体入口管10；气液混合部件包括依次密封连接的气液导入单元7、文丘里管和气液混合管8；气液混合管8的下端口设置于液体循环池3的内部；液体循环管6的一端连接于液体循环池3底部，另一端与第一入口71连接，且液体循环管6上设置有循环泵4和流量计5。

所述气液导入单元7包括作为液相入口的第一入口71和作为气相入口的第二入口72，气液导入单元7的下部设置为套管结构。第一入口71为管状，其一端开口于气液导入单元7的顶端，另一端向下延伸形成套管结构的内管，并在该内管的下端形成为具有缩径管结构的喷射口73；第二入口72开口于气液导入单元7的侧面，并向下延伸形成套管结构的外管。

在气液导入单元7中，喷射口73的内径为8mm，喷射口73的缩径管结构的长度为32mm，第一入口71的内径为25mm，第二入口72的内径为35mm。文丘里管中，缩径管74的长度为60mm，顶端内径为27mm；等径管75的长度为60mm，顶端和底端内径均为15mm；扩径管76的长度为180mm，底端内径为27mm。气液混合管8的内径为8mm，长度为2000mm，通过变径件连接该气液混合管8的上端与文丘里管的扩径管76的下端。

所述塔体1包括1个塔节，由散装填料θ环形成的填料层2设置在塔节中，填料层2高度为300mm，填料填装后床层的空隙率为0.45，塔体1的内径为300mm，高度为2000mm；液体循环池的容积为0.6m³。

气液导入单元7和文丘里管为不锈钢材质，塔体1和液体循环池3为玻璃材质；气液混合管8为聚四氟乙烯材质。

将含有NO和NO₂的气体(NO浓度为900ppm，NO₂浓度为600ppm，流量为1600L/h)通过第二入口72，同时将来自液体循环池3的循环液(液相质量分数10％的硝酸溶液，流量为60L/h)通过第一入口71一起送入气液导入单元7，并依次在文丘里管和气液混合管8中进行混合传质。具体地，循环液在喷射口73的作用下形成真空负压区，使得含有NO和NO₂的气体进入文丘里管，从而液体和气体在负压区充分的混合，并通过缩径管74、等径管75和扩径管76的作用，气液进行更进一步的混合传质，最后从气液混合管8底端进入液体循环池3；气体在液体循环池8中与循环液混合传质，然后从塔体内部自下而上流动，在填料层2中气液进行更进一步的混合传质，最后通过气体导出管9将脱硝后的气体导出。在循环泵4的作用下，通过液体循环管6将液体循环池3中的循环液返回，再从第二入口72导入气液导入单元7，并依次在文丘里管和气液混合管8进行混合，最后返回到液体循环池3中，从而完成循环液的循环过程。

塔体中反应温度为40℃，塔顶压力为101.325kPa，床层压降为20kPa左右。脱硝处理的相关结果见表1。

对比例1

采用实施例1中的吸收塔，不同的是，不包含文丘里管和气液混合管8，其余与实施例1同样地进行气体脱硝。脱硝处理的相关结果见表1。

表1

由实施例1和对比例1可见，采用本发明的脱硝组合工艺，可显著提高NO和NO₂的脱除率。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种气液反应装置，其特征在于，该装置包括塔体（1）、设置在所述塔体（1）顶部的2个以上的气液导入单元（7, 7’）、设置在所述塔体（1）底部的液体循环池（3）、液体循环管（6）、设置在所述塔体（1）上部的气体出口管（9）以及设置在所述塔体（1）下部的气体入口管（10）；

其中，所述塔体（1）的内部设置有填料层（2）；

部分所述气液导入单元（7）与文丘里管和气液混合管（8）依次密封连接，所述气液混合管（8）的下端口设置于所述液体循环池（3）的内部；

其他的气液导入单元（7’）仅与所述文丘里管密封连接，而不连接所述气液混合管（8），从不连接所述气液混合管（8）的所述气液导入单元（7’）导入的气相和液相，在向下输送的过程中通过填料的作用进行吸收混合，并与从下而上的气体进行混合传质；

所述气液导入单元（7）包括第一入口（71）和第二入口（72），所述气液导入单元（7）的下部设置为套管结构；

所述液体循环管（6）的一端连接于液体循环池（3）底部，另一端与所述第一入口（71）或者第二入口（72）连接。

2.根据权利要求1所述的气液反应装置，其中，所述气液混合管（8）的长度为1-3m。

3.根据权利要求2所述的气液反应装置，其中，所述第一入口（71）的下部形成为喷射口（73）。

4.根据权利要求3所述的气液反应装置，其中，所述喷射口（73）与所述第一入口（71）的内径比为1：2-5。

5.根据权利要求4所述的气液反应装置，其中，所述喷射口（73）与所述第一入口（71）的内径比为1：3-4。

6.根据权利要求3所述的气液反应装置，其中，所述喷射口（73）与所述文丘里管顶部的内径比为1：2-5。

7.根据权利要求6所述的气液反应装置，其中，所述喷射口（73）与所述文丘里管顶部的内径比为1：3-4。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的气液反应装置，其中，所述文丘里管包括缩径管（74）、等径管（75）和扩径管（76），并且，所述缩径管（74）、所述等径管（75）与所述扩径管（76）的长度比为1：0.5-1.5：2-4。

9.根据权利要求8所述的气液反应装置，其中，所述缩径管（74）、所述等径管（75）与所述扩径管（76）的长度比为1：0.8-1.2：2.5-3.5。

10.根据权利要求1-7中任意一项所述的气液反应装置，其中，所述塔体（1）包括一个以上塔节，所述填料层（2）设置在所述塔节中。

11.根据权利要求10所述的气液反应装置，其中，所述填料层（2）中设置有规整填料或者散装填料。

12.根据权利要求1所述的气液反应装置，其中，所述液体循环管（6）上设置有循环泵（4）。

13.一种脱硝方法，其特征在于，使用权利要求1-12中任意一项所述的气液反应装置进行脱硝，该方法包括：

使待处理气体的一部分通过所述气体进口管（10）送入塔体内的所述填料层（2），其余部分通过所述第二入口（72）与来自所述第一入口（71）的循环液一起通过所述气液导入单元（7）送入所述文丘里管和所述气液混合管（8）进行混合脱硝，再送入所述液体循环池（3）中进一步脱硝，与通过所述气体进口管（10）送入的所述待处理气体的另一部分汇合，在所述填料层（2）中气液进行更进一步的混合传质，最后通过所述气体导出管（9）将脱硝后的气体导出。

14.根据权利要求13所述的脱硝方法，其中，所述循环液与所述待处理气体的流速比为1：20-50。

15.根据权利要求14所述的脱硝方法，其中，所述循环液与所述待处理气体的流速比为1：25-30。

16.根据权利要求13所述的脱硝方法，其中，所述循环液为硝酸溶液和/或硫酸溶液。

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