CN112915932B - 一种用于气泡发生装置的波瓣混射芯管及气泡发生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于气泡发生装置的波瓣混射芯管，所述气泡发生装置包括气体预分布管、液体预分布管和波瓣混射芯管；所述波瓣混射芯管包括混射芯管液体进口、混射芯管气体进口和第二混射口；所述第二混射口由数个波瓣互相连接而成，所述第二混射口出口的截面形状为围绕一个中心圆形的互相连接的数个瓣形；所述第二混射口出口的瓣形区域用于产生微细尺度气泡，中心圆形区域用于产生中尺度气泡。本发明的具有波瓣混射芯管结构的气泡发生装置可用于气液反应器，使得气液反应中的气相以分形气泡形态存在，既提供充足的传质面积，又对周围液体提供适当湍动，提供较大的液相一侧传质系数；提高气液反应性能，提升反应速率和转化率。

Description

一种用于气泡发生装置的波瓣混射芯管及气泡发生方法
技术领域
本发明属于化工环保的气液反应领域，具体涉及一种用于气泡发生装置的波瓣混射芯管及气泡发生方法。
背景技术
化工反应中的加氢、氧化、羰化等反应过程中，H2、O2、CO气体在大多数液相中的溶解度较低，这些气体需要一定速率的传质以满足反应速率要求。气液反应器通常包括适当的分布器将气体分布于反应器底部的液体中，气体以气泡的形态向上运动，形成气液接触，并发生传质和反应。
在工程应用领域，采用更小尺寸的气泡来强化传质过程成为化学和生物反应中优先选择的方法。F.Hernandez-Alvarado等(Chemical Engineering Science 168(2017)403-413)研究发现反应器表观气速低于0.0007m/s时，采用100～1000微米的气泡大大提高下行式气液并流反应器的含气率；M.K.H.Al-Mashhadani等(Chemical EngineeringScience 137(2015)243-253)研究发现采用50～1000微米的气泡可以优化气升环流鼓泡反应器的流动，提高含气率和液相循环；Z.Yang等(Chemical Engineering and Processing-Process Intensification 124(2018)269-281)研究发现采用50～1000微米的气泡可以大大提高光催化反应器性能。微细气泡的低升速、高电位、高比表面积、高内压、高传质系数特征使得微细气泡在生物和化学反应领域具有广阔的应用前景。
反应器内件可以有效调控气泡尺度，是优化反应传质的有效手段，但是反应器内都是单纯的微细气泡时，只适用于耗气量不大的反应领域。因此，在气液反应器内如何进一步提高气液反应的有效传质面积和传质系数，提升反应速率，是当前研究的关注点和热点。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种用于气泡发生装置的波瓣混射芯管及气泡发生方法，波瓣混射芯管可用于发生分形气泡，有效提高气液反应的有效传质面积和传质系数，提升反应速率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于气泡发生装置的波瓣混射芯管，所述气泡发生装置包括用于预分布气液相进料的气体预分布管、液体预分布管和与所述气体预分布管、液体预分布管连通的用于产生分形气泡的数个波瓣混射芯管；所述波瓣混射芯管包括位于所述波瓣混射芯管底部，轴向向上的混射芯管液体进口、位于所述波瓣混射芯管底部侧壁，径向向内的混射芯管气体进口和位于所述波瓣混射芯管顶部，为波瓣形状的波瓣混射口；其中所述混射芯管液体进口、混射芯管气体进口分别与所述液体预分布管、气体预分布管连通。
根据本发明的优选实施例，所述波瓣混射口由数个波瓣互相连接而成，所述波瓣混射口出口的截面形状为围绕一个中心圆形的互相连接的数个瓣形；所述波瓣混射口出口的瓣形区域用于产生微细尺度气泡，中心圆形区域用于产生中尺度气泡。
根据本发明的优选实施例，所述波瓣的数量为4-10个。
根据本发明的优选实施例，所述相邻的波瓣相交于一条沟槽直线，所述沟槽直线与所述波瓣混射芯管相交于一交点，所述交点与相邻任一波瓣的顶点的连线与所述沟槽直线的夹角为第一夹角β，所述第一夹角β为20°-25°；所述沟槽直线于所述波瓣混射口出口的端点与所述中心圆形的圆心连线，和相邻的任一波瓣顶点与所述中心圆形的圆心连线的夹角为第二夹角α，所述第二夹角α为30°-35°。
根据本发明的优选实施例，所述瓣形的瓣形长度L与所述两个相邻的沟槽直线于所述波瓣混射口出口的端点的距离C的比值为1.2-1.5；所述瓣形的瓣形长度L与中心圆形的直径D的比值为0.1-1。
根据本发明的优选实施例，所述波瓣混射芯管内位于所述波瓣混射口下方，设置有第一混射口，用于预先产生初始的气泡并为波瓣混射出口分散提供动能。
根据本发明的优选实施例，所述第一混射口为渐缩型的第一混射口，所述混射芯管液体进口上方设置一直径渐缩的液体射流口，用于射流进料的液体，所述液体射流口的渐缩角η为10°-25°；所述液体射流口和波瓣混射口之间设置所述直径渐缩的第一混射口，所述第一混射口的渐缩角γ为15°-30°；所述第一混射口出口的横截面积与所述波瓣混射口出口的横截面积相等，所述第一混射口出口与所述波瓣混射口出口的间距为50-150mm。
根据本发明的优选实施例，所述第一混射口为渐扩型的第一混射口，所述混射芯管液体进口上方依次连接直径渐缩的液体射流口，圆柱状的喉管段和直径渐扩的第一混射口；所述第一混射口的渐扩角Ω为30°-45°；所述喉管段的长度为20-100mm，所述喉管段设有对称的开孔，用于引入由所述混射芯管气体进口通入的气体，与液体在喉管段混合，所述开孔的数量为2-8个，孔径大小为0.5-3mm。
本发明还公开了利用上述具有波瓣混射芯管结构的气泡发生装置产生气泡的方法，其步骤为：
(1)参与气液反应的气体与液体分别经所述气体预分布管和所述液体预分布管预分布后由所述混射芯管气体进口和混射芯管液体进口及液体射流口进入所述波瓣混射芯管；
(2)进入波瓣混射芯管的气体和液体在所述波瓣混射芯管内或所述喉管段内混合，由所述第一混射口产生初始的气泡；
(3)带有初始气泡的气液混合物经由所述波瓣混射口喷射产生分形气泡，其中所述波瓣混射口出口的瓣形区域产生微细尺度气泡，中心圆形区域产生中尺度气泡，所述微细尺度气泡的直径为100-600μm，中尺度气泡的直径为3-8mm。
根据本发明的优选实施例，所述液体射流口出口端的表观液体速度为5-35m/s，所述混射芯管气体进口的气体进料速度为20-50m/s，气液比为5:1-15:1。
本发明的有益效果在于：
本发明的具有波瓣混射芯管结构的气泡发生装置可用于气液反应器中产生分形气泡，所述波瓣混射芯管结构的瓣形区域产生微细尺度气泡，中心圆形区域产生中尺度气泡，使得气液反应中的气相以分形气泡形态存在，既提供充足的传质面积，又对周围液体提供适当湍动，提供较大的液相一侧传质系数；提高气液反应性能，提升反应速率和转化率。
附图说明
图1为本发明所涉及的具有波瓣混射芯管结构的气泡发生装置结构示意图；
图2为本发明所涉及的波瓣混射芯管结构示意图；
图3为本发明所涉及的波瓣混射芯管的波瓣混射口结构示意图；
图4为本发明所涉及的波瓣混射口出口的截面图；
图5为本发明所涉及的波瓣混射芯管结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。应理解，以下实施例仅用于对本发明作进一步说明，不应理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明的技术构思为利用具有波瓣混射芯管结构的气泡发生装置用于气液反应，所述波瓣混射芯管结构可以产生一部分微细气泡，一部分中尺度气泡，其中，反应器内部充满弥散状态的微细气泡以提供充足的传质面积，中尺度气泡对周围液体提供适当湍动，进而提高液体微团接触传质界面的概率，加快气泡周围的液体更新，以提供较大的液相一侧传质系数。这样的气泡分布已经不同于传统正态分布的气泡尺寸，而是符合一种尺度分形的分布，即气泡数量频率随着气泡直径的降低呈现幂律增长，幂律指数为分形维数。这样的气泡分布即为分形气泡，可以提供极大的有效气液传质系数。
实施例1
图1显示了本发明的具有波瓣混射芯管结构的气泡发生装置图，由图1所示，所述气泡发生装置包括用于预分布气液相进料的气体预分布管1-2、液体预分布管1-3和与所述气体预分布管1-2、液体预分布管1-3连通的用于产生分形气泡的数个波瓣混射芯管1-1。由图2所示，所述波瓣混射芯管1-1包括位于所述波瓣混射芯管1-1底部，轴向向上的混射芯管液体进口2-1、位于所述波瓣混射芯管1-1底部侧壁，径向向内的混射芯管气体进口2-5和位于所述波瓣混射芯管1-1顶部，结合图3所示，为波瓣形状的波瓣混射口2-4，其中所述混射芯管液体进口2-1、混射芯管气体进口2-5分别与所述液体预分布管1-3、气体预分布管1-2连通。
优选的，所述气体预分布管1-2和液体预分布管1-3为环形圆管。
优选的，所述波瓣混射芯管1-1的数量为3-7个，且沿所述液体预分布管1-3均匀分布。
进一步的，结合图4所示，所述波瓣混射口2-4由数个波瓣3-1互相连接而成，所述波瓣混射口2-4出口的截面形状为围绕一个中心圆形的互相连接的数个瓣形；所述波瓣混射口2-4出口的瓣形区域用于产生微细尺度气泡，中心圆形区域用于产生中尺度气泡，所述微细尺度气泡和中尺度气泡同时出现，形成分形气泡。
优选的，所述波瓣3-1的数量为4-10个。
优选的，所述瓣形的瓣形长度L与中心圆形的直径D的比值为0.1-1。
优选的，所述相邻的波瓣相交于一条沟槽直线，所述沟槽直线与所述波瓣混射芯管1-1相交于一交点，所述交点与相邻任一波瓣的顶点的连线与所述沟槽直线的夹角为第一夹角β，所述第一夹角β为20°-25°。
优选的，所述沟槽直线于所述波瓣混射口2-4出口的端点与所述中心圆形的圆心连线，和相邻的任一波瓣顶点与所述中心圆形的圆心连线的夹角为第二夹角α，所述第二夹角α为30°-35°。
优选的，所述瓣形的瓣形长度L与所述两个相邻的沟槽直线于所述波瓣混射口2-4出口的端点的距离C的比值为1.2-1.5。
进一步的，所述波瓣混射芯管1-1内位于所述波瓣混射口2-4下方，设置有第一混射口2-3，用于预先产生初始的气泡并为波瓣混射出口分散提供动能，根据第一混射口2-3产生气泡的原理不同，分为渐缩型的第一混射口和渐扩型的第一混射口，其中渐缩型的第一混射口根据射流原理产生气泡，渐扩型的第一混射口根据文丘里结构原理产生气泡。
优选的，所述第一混射口2-3为渐缩型的第一混射口时，回到图2，所述混射芯管液体进口2-1上方设置一直径渐缩的液体射流口2-2，用于射流进料的液体，所述液体射流口2-2的渐缩角η为10°-25°；所述液体射流口2-2和波瓣混射口2-4之间设置所述直径渐缩的第一混射口2-3，所述第一混射口2-3的渐缩角γ为15°-30°；所述第一混射口2-3出口的横截面积与所述波瓣混射口2-4出口的横截面积相等，所述第一混射口2-3出口与所述波瓣混射口2-4出口的间距为50-150mm。
优选的，所述第一混射口2-3为渐扩型的第一混射口时，由图5所示，所述混射芯管液体进口2-1上方依次连接直径渐缩的液体射流口2-2，圆柱状的喉管段2-7和直径渐扩的第一混射口2-3；所述第一混射口2-3的渐扩角Ω为30°-45°；所述喉管段2-7的长度为20-100mm，所述喉管段2-7设有对称的开孔2-8，用于引入由所述混射芯管气体进口2-5通入的气体，与液体在喉管段混合，所述开孔2-8的数量为2-8个，孔径大小为0.5-3mm。
利用上述具有波瓣混射芯管结构的气泡发生装置产生气泡的方法的步骤为：
(1)参与气液反应的气体与液体分别经所述气体预分布管1-2和所述液体预分布管1-3预分布后由所述混射芯管气体进口2-5和混射芯管液体进口2-1及液体射流口2-2进入所述波瓣混射芯管1-1；
(2)进入波瓣混射芯管1-1的气体和液体在所述波瓣混射芯管1-1内或所述喉管段2-7内混合，由所述第一混射口2-3产生初始的气泡；
(3)带有初始气泡的气液混合物经由所述波瓣混射口2-4喷射产生分形气泡，其中所述波瓣混射口2-4出口的瓣形区域产生微细尺度气泡，中心圆形区域产生中尺度气泡，所述微细尺度气泡的直径为100-600μm，中尺度气泡的直径为3-8mm。
进一步的，所述液体射流口2-2出口端的表观液体速度为5-35m/s，所述混射芯管气体进口2-5的气体进料速度为20-50m/s，气液比控制在5:1-15:1。
实施例2
采用实施例1的具有波瓣混射芯管结构的气泡发生装置和气泡发生方法对硫化物浓度为8500mg/L，COD为115000mg/L的废碱液处理，进行曝气氧化的气液反应。
其中，波瓣混射芯管的波瓣数量为6个，瓣形长度L与中心圆形的直径D的比值为0.5，第一夹角β为25°，第二夹角α为32°，瓣形长度L与距离C的比值为1.2，第一混射口为渐缩型的第一混射口，液体射流口的渐缩角η为20°，所述第一混射口的渐缩角γ为20°，所述第一混射口出口与所述波瓣混射口出口的间距为100mm。
经氧化处理后，反应器出料COD降至90mg/L，硫化物浓度降至0.78mg/L，均满足了国家污水排放标准。
实施例3
采用实施例1的具有波瓣混射芯管结构的气泡发生装置和气泡发生方法对硫化物浓度为11500mg/L，COD为50000mg/L的废碱液处理，进行曝气氧化的气液反应。
其中，波瓣混射芯管的波瓣数量为6个，瓣形长度L与中心圆形的直径D的比值为0.7，第一夹角β为22°，第二夹角α为30°，瓣形长度L与距离C的比值为1.5，所述第一混射口为渐扩型的第一混射口时，第一混射口的渐扩角Ω为40°；所述喉管段的长度为50mm，所述开孔的数量为4个，孔径大小为0.5mm。
经氧化处理后，反应器出料COD降至82mg/L，硫化物浓度降至0.88mg/L，均满足了国家污水排放标准。

Claims (7)

1.一种用于气泡发生装置的波瓣混射芯管，所述气泡发生装置包括用于预分布气液相进料的气体预分布管、液体预分布管，其特征在于，所述波瓣混射芯管包括位于所述波瓣混射芯管底部，轴向向上的混射芯管液体进口、位于所述波瓣混射芯管底部侧壁，径向向内的混射芯管气体进口和位于所述波瓣混射芯管顶部，为波瓣形状的波瓣混射口；其中所述混射芯管液体进口、混射芯管气体进口分别与所述液体预分布管、气体预分布管连通；所述波瓣混射口由数个波瓣互相连接而成，所述波瓣混射口出口的截面形状为围绕一个中心圆形的互相连接的数个瓣形；所述波瓣混射口出口的瓣形区域用于产生微细尺度气泡，中心圆形区域用于产生中尺度气泡；相邻的所述波瓣相交于一条沟槽直线，所述沟槽直线与所述波瓣混射口和所述波瓣混射芯管的交汇处相交于一交点，所述交点与相邻任一波瓣的顶点的连线与所述沟槽直线的夹角为第一夹角β，所述第一夹角β为20°-25°；所述沟槽直线于所述波瓣混射口出口的端点与所述中心圆形的圆心连线，和相邻的任一波瓣顶点与所述中心圆形的圆心连线的夹角为第二夹角α，所述第二夹角α为30°-35°；所述瓣形的瓣形长度L与两个相邻的所述沟槽直线于所述波瓣混射口出口的端点的距离C的比值为1.2-1.5；所述瓣形的瓣形长度L与中心圆形的直径D的比值为0.1-1。
2.根据权利要求1所述的波瓣混射芯管，其特征在于，所述波瓣的数量为4-10个。
3.根据权利要求1所述的波瓣混射芯管，其特征在于，所述波瓣混射芯管内位于所述波瓣混射口下方，设置有第一混射口，用于预先产生初始的气泡并为波瓣混射出口分散提供动能。
4.根据权利要求3所述的波瓣混射芯管，其特征在于，所述第一混射口为渐缩型的第一混射口，所述混射芯管液体进口上方设置一直径渐缩的液体射流口，用于射流进料的液体，所述液体射流口的渐缩角η为10°-25°；所述液体射流口和波瓣混射口之间设置所述直径渐缩的第一混射口，所述第一混射口的渐缩角γ为15°-30°；所述第一混射口出口的横截面积与所述波瓣混射口出口的横截面积相等，所述第一混射口出口与所述波瓣混射口出口的间距为50-150mm。
5.根据权利要求3所述的波瓣混射芯管，其特征在于，所述第一混射口为渐扩型的第一混射口，所述混射芯管液体进口上方依次连接直径渐缩的液体射流口，圆柱状的喉管段和直径渐扩的第一混射口；所述第一混射口的渐扩角Ω为30°-45°；所述喉管段的长度为20-100mm，所述喉管段设有对称的开孔，用于引入由所述混射芯管气体进口通入的气体，与液体在喉管段混合，所述开孔的数量为2-8个，孔径大小为0.5-3mm。
6.利用上述权利要求3-5中任一具有波瓣混射芯管的气泡发生装置产生气泡的方法，其特征在于，步骤为：
（1）参与气液反应的气体与液体分别经所述气体预分布管和所述液体预分布管预分布后由所述混射芯管气体进口和混射芯管液体进口及液体射流口进入所述波瓣混射芯管；
（2）进入波瓣混射芯管的气体和液体在所述波瓣混射芯管内或所述喉管段内混合，由所述第一混射口产生初始的气泡；
（3）带有初始气泡的气液混合物经由所述波瓣混射口喷射产生分形气泡，其中所述波瓣混射口出口的瓣形区域产生微细尺度气泡，中心圆形区域产生中尺度气泡。
7.根据权利要求6所述的产生气泡的方法，其特征在于，所述液体射流口出口端的表观液体速度为5-35m/s，所述混射芯管气体进口的气体进料速度为20-50m/s，气液比为5:1-15:1。
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