CN113198624A - 两相流体强传质逆流接触的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种两相流体强传质逆流接触的方法，包括以下步骤：对第一流体引流形成强负压区域，第二流体被吸入强负压区域，与第一流体混合接触，再进入分离区域实现接触和分离；排出的第二流体沿第一流体的反方向进入另一个相邻的接触单元的强负压区域；排出的第一流体沿着流动方向进入相邻接触单元的第一流体进料口。两相流体强传质逆流接触的装置包括串联的接触单元，每个接触单元中，第一流体进口、强负压区域、分离区域和第一流体出口顺序连通，第二流体进口、强负压区域、分离区域和第二流体出口顺序连通。本发明符合传递过程推动力梯度最优以及局部传递单元速率最快的原则，突破了传统逆流接触无法提高混合强度、传统混合无法逆流的局限。

Description

两相流体强传质逆流接触的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种逆流接触的方法和装置，具体涉及一种两相流体强传质逆流接触的方法和装置。

背景技术

典型化工的“三传一反”包括了质量传递、动量传递、热量传递、化学反应，其中，在质量传递和热量传递领域，两种流体的接触形式决定了大型生产装置的能效。

两种流体的接触是一种常见的工业过程，既要考虑单个接触单元的效率，也要考虑多个接触单元的连通方法。

如果把接触视为一个混合单元，混合单元则包括物质A进料、物质B进料、接触区域以及混合出料。传统上，人们热衷于采用流体的湍流特征制造强烈的混合，以使两相的接触更加有效。采用流速更快、雷诺数更高、湍流耗散率更大的湍流流场结构已经得到了广泛关注，先进的过程强化手段如射流、撞击流、超重力、管式混合等。这仅仅是单个接触单元的强化接触方法。通常需要多个接触单元以实现规模化流体的传质和传热。

关于多个接触单元的排布顺序，这就涉及到传递过程的推动力设置。物质A和物质B的流动方向通常为并流，沿着并流方向，物质A和物质B之间的传质传热推动力越来越弱，这就导致了更新速率和推动力低下。

另一种情况下，物质A和物质B为互相逆流，每种物质沿着各自的流动方向，其传质传热推动力均保持较高水平，所以人们希望两种流体的接触尽量以逆流出现，以提高设备的能效。

但是逆流的动力来源通常为重力，这就导致接触过程只能发生在重力场下，混合作用较弱，气液接触过程的传质和传热效率远不及射流、超重力等湍流场。例如，重力条件下，常温常压的空气气泡与水的滑移速度通常小于0.3m/s，氧组分的液侧传质系数通常不超过1mm/s。典型的重力场逆流接触设备为逆流接触塔，塔盘效率通常小于75％，这样就导致实际所需的塔盘数量远远大于理论塔板数，导致塔设备体积过大，传质传热能力不足。

虽然逆流接触可以实现最合理的推动力梯度分布。但是传统逆流接触都是在重力场条件下，两相滑移速度较低，而且流体湍动程度比较弱。CN 106139639 B提出了一种高通量连续逆流萃取器，为了解决重力场条件下的湍动程度低的难题，增加了旋转混合环隙，增加了水平方向的混合强度，但是在重力作用的竖直方向上，仍然是重力引导重相和轻相的相对滑移，而且该旋转设备属于动设备，在很多高温、高压的苛刻条件无法使用。

CN 109592643 B提出了一种多级逆流吹出方法、多级逆流吹出装置，但是相邻级之间，液相需要采用泵增压，气相需要采用压缩机增压。大大增加了操作成本和复杂度，限制了大规模工程化应用。

因此，缺乏湍流场耦合逆流接触的方法以及对应的便捷性装置，限制了工业过程的传质传热技术发展。

CN 102350294 B提供了一种基于喷射器的逆流式传质、传热、反应装置，采用多个射流单元器串联，实现了重介质和轻介质的逆流和高效传质。但是，强传质只发生在射流混合区域，分离区域仍然采用重力沉降原理，将重介质和轻介质进行分层分离，所需分离区域空间过大，分离区域仍然为重力场作用，不具备剧烈接触的作用。同时，重力沉降的分离方法导致了分离区域的重介质只能自上向下流动、轻介质只能从下向上流动，限制了该装置的组合放大应用。

采用流体负压作用，利用特殊流场结构形成强负压区域，将另一种流体吸入并混合，是一种高效传质的方法。技术难点在于需要越级吸入才能形成逆流，同时快速、强传质的两相分离，只消耗流体静压、不增加额外循环系统的条件下，亟待开发高效的流体负压实现逆流接触的方法和装置。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种利用流体负压效应实现两相流体强传质逆流接触的方法和装置。

本发明解决上述技术问题的具体技术方案如下：两相流体强传质逆流接触的方法，包括以下步骤：

步骤1：采用旋流、射流、渐扩流道对第一流体进行引流，形成强负压区域，第一流体的射流速度为5～50m/s，雷诺数为8000～40000；

步骤2：第二流体被吸引进入强负压区域，与第一流体发生混合接触；

步骤3：混合后的第一流体和第二流体进入分离区域，在分离区域的上部，第二流体得到排出，在分离区域的下部，第一流体得到排出；至此，在单个接触单元的第一流体和第二流体实现了接触和分离；

步骤4：排出的第二流体沿第一流体的反方向进入另一个相邻的接触单元的强负压区域；排出的第一流体沿着流动方向进入相邻接触单元的第一流体进料口；以此类推，形成多个接触单元的连通；宏观上，第一流体和第二流体呈现逆流接触。

本发明进一步设置为，第一流体和第二流体不完全互溶，第二流体密度小于第一流体密度，第一流体的粘度不大于50cP。

本发明进一步设置为，进入强负压区域的第二流体来自于沿第一流体方向相邻接触单元的分离区域；相比于下方接触单元分离区域第二流体排出口的绝对压强，某接触单元的强负压区域的绝对压强更低，压强差值为5～50kPa。

本发明进一步设置为，进入强负压区域的第二流体与来自于相邻接触单元分离区域的第二流体之间设有第二流体通道，所述第二流体通道内部的第二流体雷诺数不大于4000。

本发明进一步设置为，第一流体在分离区域的旋转加速度为6～1000倍重力加速度，第一流体在分离区域的压力降为0.005～0.1MPa，第二流体从第一流体分离的效率不小于70％。

经过分离区域排出的第一流体，其中夹带的第二流体比例大大降低，该比例的降低数值除以进入分离区域的第二流体与第一流体的比例等于分离效率。

本发明进一步设置为，第二流体通道内部的第二流体雷诺数不大于4000。

本发明进一步设置为，当注入的第二流体流量与第一流体流量的比例小于5％时，分离区域排出的第二流体允许夹带第一流体的体积流量比例不超过80％；当注入的第二流体流量与第一流体流量的比例大于等于5％时，分离区域排出的第二流体允许夹带第一流体的体积流量比例不超过30％。

本发明还提供了两相流体强传质逆流接触的装置，包括多个串联的接触单元，每个所述接触单元包括第一流体进口、第二流体进口、第一流体出口、第二流体出口、强负压区域和分离区域；所述第一流体进口、所述强负压区域、所述分离区域和所述第一流体出口顺序连通，所述第一流体出口连接下一个所述接触单元的所述第一流体进口，第一流体分别通过第一流体进口、强负压区域、分离区域和第一流体出口，完成在单个接触单元的流动；所述第二流体进口、所述强负压区域、所述分离区域和第二流体出口顺序连通，所述第二流体出口与下一个所述接触单元的所述第二流体进口通过第二流体通道连通，第二流体分别通过第二流体进口、强负压区域、分离区域和第二流体出口，完成在单个接触单元的流动。

本发明进一步设置为，所述强负压区域包括依次连通的第一通道、渐缩通道和渐扩通道，所述渐缩通道的下部连通所述第二流体进口，所述第一通道的中间固定有所述第一流体进口；所述第一流体进口靠近所述渐扩通道的一端设有导流部，所述导流部的端部连接有喷嘴；或者，所述第一流体进口靠近所述渐扩通道的一端设有喷嘴，所述喷嘴在靠近所述第一流体进口的位置设有导流部；所述渐扩通道的底部连通所述分离区域，所述分离区域靠近所述渐扩通道的一端为分离区域进料口，所述分离区域远离所述渐扩通道的一端为分离区域出料口；所述分离区域内设有内置引气口，所述第二流体出口连通所述内置引气口，所述分离区域内环设有旋流分离叶片。

本发明进一步设置为，当所述接触单元数量小于4时，沿着第一流体方向的不同所述接触单元的所述喷嘴直径(d)依次增大，按照线性增大比例为1.03～1.3设置，首个所述强负压区域的所述喷嘴直径为2.5～30mm。当所述接触单元数量大于等于4时，所有所述喷嘴直径大小一样，所述喷嘴直径为2.5～30mm。

当接触单元较少，小于4个时，即数量为2～3时，根据气液传质要求，通常需要较大的第二流体流量，即注入的第二流体流量与第一流体流量的比例通常大于等于5％，这个时候还要满足分离区域排出的第二流体允许夹带第一流体的体积流量比例不超过30％，此时，第一流体在分离区域的压力降通常较大，为0.05～0.1MPa，为了仍然实现逆流接触，就需要做成喷嘴直径梯度分布，让第一个接触单元的负压更强一些，需要把第一个接触单元的喷嘴直径设置小一些。当接触单元较多，大于等于4个时，通常需要较小的第二流体流量，相等的喷嘴直径就能满足要求。需要注意的是，更多的接触单元数量意味着更大的第一流体压力降，需要更大的能耗。

本发明进一步设置为，所述导流部包括旋流导流叶片，所述旋流导流叶片的中间为导流支撑内柱，所述旋流导流叶片的一端为进料端面，所述旋流导流叶片的另一端为出料端面。进入强负压区域喷嘴的第一流体呈现旋转流态，通过旋流导流叶片实现起旋。传统喷嘴都是直线射流，存在喷射液柱横截面积小的问题，旋流导流叶片让直线射流转变为曲线射流，喷射液柱横截面积变大，进入渐扩通道时，可以吸入更多的第二流体。

本发明进一步设置为，所述旋流导流叶片的螺距为h1、外缘直径为D3，h1为D3的0.5～4倍，导流支撑内柱的直径为D3的0.4～0.85倍，外缘直径为喷嘴直径的1.21～3倍。

本发明进一步设置为，所述旋流分离叶片的螺距为h2、外缘直径为D4，h2为D4的0.3～1倍，内置引气口的外直径为D4的0.2～0.5倍且不大于渐扩通道的底部直径D2，D4为喷嘴直径的1.4～3.9倍。旋流分离叶片的主要性能参数是叶片底端的旋转数(定义为切向动量与轴向动量之比)，这样的结构设置可以让旋转数在0.5～3之间。旋流分离叶片底端的旋转数越大，压力降越大，但是有可能会导致分离效率差，本发明中的分离区域，既需要低压降也需要高分离效率，存在一个比较优化的旋转数范围。

本发明具有以下有益效果：符合传递过程推动力梯度最优以及局部传递单元速率最快的原则，突破了传统逆流接触无法提高混合强度、传统混合无法逆流的局限。

附图说明

图1为宏观上的第一流体和第二流体逆流流动方向；

图2为三个接触单元的逆流接触流程；

图3为单个接触单元的结构示意图；

图4为基于流体引射原理的负压形成及其接触单元；

图5为强负压区域结构尺寸标注；

图6为强负压区域旋流导流叶片的结构示意图；

图7为分离区域的结构示意图。

其中，1-强负压区域；3-第二流体出口；4-分离区域；5-第一流体出口；6-第二流体进口；7-连接通道；8-第二流体通道；10-第一流体进口；

1-1-渐缩通道，1-2-喷嘴；1-3-导流部；1-4-渐扩通道；

1-3-1-进料端面；1-3-2-导流支撑内柱；1-3-3-出料端面；1-3-4-旋流导流叶片；

4-1-旋流分离叶片；4-2-分离区域出料口；4-3-内置引气口；4-4-分离区域进料口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据伯努利效应，对于质量守恒的不可压缩第一流体，速度越大压强越低，通过建立高速流动、设置文丘里、渐扩流道等方法，形成强负压区域。前述流体产生负压的设备结构根据实际工艺条件进行选择，选用时，优先选用原则为：第一流体的单位流体压阻可以产生最强的负压。第二流体被吸引进入该强负压区域，并且第一流体和第二流体发生混合接触。混合后的第一流体和第二流体进入分离区域，第一流体和第二流体互不相溶，且第二流体密度小于第一流体密度。

分离区域采用弱旋流方法将第二流体进行分离，在分离区域，消耗最小的压力降实现第一流体和第二流体分别得到排出。在单个接触单元的第一流体和第二流体实现了强传质的接触和分离。排出的第二流体沿第一流体的反方向进入另一个相邻的接触单元的强负压区域。排出的第一流体沿着流动方向进入相邻接触单元的第一流体进料口。以此类推，形成接触单元的接口联通方式，宏观上，第一流体和第二流体呈现逆流接触。

另一种优选方法，第一流体自上而下流动，第二流体自下而上流动，以最上方的接触单元为第一接触单元，接触单元向下依次排布。

在两种流体流动过程中，需要外界提供的能量是第一流体的压强，第二流体并不需要外界系统增压。第一流体的压强被消耗，形成强负压区域，进而提供第二流体的流动动力。在强负压区域和分离区域，消耗第一流体的静压。整个流动所依存的设备属于静设备。

该流动过程中，由于第二流体的流动动力源是第一流体的负压引射作用，所以，两相逆流动力与重力场无关，第二流体自发地与第一流体形成逆流。第一流体不仅仅是自上而下，还可以以任意角度布置。例如，该装置可以用于零重力场景，例如航空航天过程的两相逆流接触。

第一流体产生负压吸入第二流体，进而在宏观上形成两种流体的逆流形态，而且由于形成负压的湍流混合作用比较强烈，接触混合过程的传质传热速率大大提高。符合传递过程推动力梯度最优以及局部传递单元速率最快的原则，突破了传统逆流接触无法提高混合强度、传统混合无法逆流的局限。

本发明中的接触单元混合效率高，而且形成逆流接触形成最合理的梯度分布，对于传质传热水平的提升具有重要意义。

实施例1

作为本发明的一个实施例，参见图2和图3，提供一种两相流体强传质逆流接触的装置，包括多个串联的接触单元，每个接触单元包括第一流体进口10、第二流体进口6、第一流体出口5、第二流体出口3、强负压区域1和分离区域4。第一流体进口10、强负压区域1、分离区域4和第一流体出口5顺序连通，第一流体出口5连接下一个接触单元的第一流体进口10，第一流体分别通过第一流体进口10、强负压区域1、分离区域4和第一流体出口5，完成在单个接触单元的流动。第二流体进口6、强负压区域1、分离区域4和第二流体出口3顺序连通，第二流体出口3与下一个接触单元的第二流体进口6通过第二流体通道8连通，第二流体分别通过第二流体进口6、强负压区域1、分离区域4和第二流体出口3。第一流体出口5与下一级第一流体进口之10间设有连接通道7。完成在单个接触单元的流动，第一流体和第二流体的流动方向可参见图1。

参见图4，强负压区域1包括依次连通的第一通道、渐缩通道1-1和渐扩通道1-4，渐缩通道1-1的下部连通第二流体进口6，第一通道的中间固定有第一流体进口10。第一流体进口10靠近渐扩通道1-4的一端内设导流部1-3，导流部1-3的端部连接有喷嘴1-2，即导流部1-3设置在喷嘴1-2和第一流体进口10之间；或者，第一流体进口10靠近渐扩通道1-4的一端设有喷嘴1-2，喷嘴1-2在靠近第一流体进口10的位置设有导流部1-3，即导流部1-3设置在喷嘴1-2上。渐扩通道1-4的底部连通分离区域4，分离区域4靠近渐扩通道1-4的一端为分离区域进料口4-4，分离区域4远离渐扩通道1-4的一端为分离区域出料口4-2。参见图7，分离区域4内设有内置引气口，第二流体出口3连通内置引气口，分离区域4内环设有旋流分离叶片4-1。

当接触单元数量小于4时，沿着第一流体方向的不同接触单元的喷嘴1-2直径(d)依次增大，按照线性增大比例为1.03～1.3设置，首个强负压区域1的喷嘴1-2直径为2.5～30mm。当接触单元数量大于等于4时，所有喷嘴1-2直径大小一样，喷嘴1-2直径为2.5～30mm。

结合图5，接触单元的负压区域尺寸应同时满足以下两个条件(接触单元不受数量限制)。

其中，D-渐缩通道1-1的底部直径、D1-渐缩通道1-1的顶部直径、D2-渐扩通道1-4的底部直径、L1-喷嘴1-2底部与渐缩通道1-1底部的距离、L2-渐缩通道1-1的高度、L3-渐扩通道1-4的高度、L4-渐缩通道1-1顶部与第二流体进口6中心的距离、L5-第二流体的直径。

参见图6，导流部1-3包括旋流导流叶片1-3-4，旋流导流叶片1-3-4的中间为导流支撑内柱1-3-2，旋流导流叶片1-3-4的一端为进料端面1-3-1，旋流导流叶片1-3-4的另一端为出料端面1-3-3。进入强负压区域1喷嘴1-2的第一流体呈现旋转流态，通过旋流导流叶片1-3-4实现起旋。

进一步地，旋流导流叶片1-3-4的螺距为h1、外缘直径为D3，h1为D3的0.5～4倍，导流支撑内柱1-3-2的直径为D3的0.4～0.85倍，外缘直径为喷嘴1-2直径的1.21～3倍。

进一步地，旋流分离叶片4-1的螺距为h2、外缘直径为D4，h2为D4的0.3～1倍，内置引气口的外直径为D4的0.2～0.5倍且不大于渐扩通道1-4的底部直径D2，D4为喷嘴1-2直径的1.4～3.9倍。

实施例2

以实施例的装置结构进行实验，第一流体为水，水中原本含有8mg/L的溶解氧，第二流体为氮气，采用氮气吹脱水中的溶解氧，实现溶解氧从水中的分离。

采用射流流道对第一流体进行引流，形成强负压区域1，第一流体的射流速度为17m/s，雷诺数为8000；第一流体在分离区域4的旋转加速度为900，第一流体在分离区域4的压力降为0.02MPa；采用4个接触单元，喷嘴1-2直径按照1.1倍依次增大，首个强负压区域1的喷嘴1-2直径为4mm。

实现了宏观气液逆流，并且，第二流体初始入口处的压强等于第一流体出口5处的压强(均等于大气压)。

根据气液吸收实验，根据气液解吸实验，吹脱效率(溶解氧浓度的降低比例与原本溶解氧浓度的比值为吹脱效率)达80％。

实施例3

以实施例的装置结构进行实验，第一流体为二甘醇，第二流体为汽油，汽油中含有一定浓度的芳烃。采用二甘醇萃取吸收溶解性的芳烃，实现芳烃从汽油中的分离，分离效率也称为抽提效率。

采用射流流道对第一流体进行引流，形成强负压区域1，第一流体的射流速度为25m/s，雷诺数为12000；第一流体在分离区域4的旋转加速度为100，第一流体在分离区域4的压力降为0.02MPa；采用8个接触单元，强负压区域1的喷嘴1-2直径为5mm。

实现了宏观气液逆流，并且，第二流体初始入口处的压强等于第一流体出口5处的压强(均等于大气压)。

根据芳烃抽提实验，抽提效率达99％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.两相流体强传质逆流接触的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用旋流、射流、渐扩流道对第一流体进行引流，形成强负压区域，第一流体的射流速度为5～50m/s，雷诺数为8000～40000；

步骤2：第二流体被吸引进入强负压区域，与第一流体发生混合接触；

步骤3：混合后的第一流体和第二流体进入分离区域，在分离区域的上部，第二流体得到排出，在分离区域的下部，第一流体得到排出；至此，在单个接触单元的第一流体和第二流体实现了接触和分离；

步骤4：排出的第二流体沿第一流体的反方向进入另一个相邻的接触单元的强负压区域；排出的第一流体沿着流动方向进入相邻接触单元的第一流体进料口；以此类推，形成多个接触单元的连通；宏观上，第一流体和第二流体呈现逆流接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一流体和第二流体不完全互溶，第二流体密度小于第一流体密度，第一流体的粘度不大于50cP。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进入强负压区域的第二流体来自于沿第一流体方向相邻接触单元的分离区域；相比于下方接触单元分离区域第二流体排出口的绝对压强，某接触单元的强负压区域的绝对压强更低，压强差值为5～50kPa。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进入强负压区域的第二流体与来自于相邻接触单元分离区域的第二流体之间设有第二流体通道，所述第二流体通道内部的第二流体雷诺数不大于4000。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一流体在分离区域的旋转加速度为6～1000倍重力加速度，实现第二流体从第一流体的剥离，第一流体在分离区域的压力降为0.005～0.1MPa，第二流体从第一流体分离的效率不小于70％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当注入的第二流体流量与第一流体流量的比例小于5％时，分离区域排出的第二流体允许夹带第一流体的体积流量比例不超过80％；当注入的第二流体流量与第一流体流量的比例大于等于5％时，分离区域排出的第二流体允许夹带第一流体的体积流量比例不超过30％。

7.两相流体强传质逆流接触的装置，其特征在于，包括多个串联的接触单元，每个所述接触单元包括第一流体进口、第二流体进口、第一流体出口、第二流体出口、强负压区域和分离区域；所述第一流体进口、所述强负压区域、所述分离区域和所述第一流体出口顺序连通，所述第一流体出口连接下一个所述接触单元的所述第一流体进口；所述第二流体进口、所述强负压区域、所述分离区域和第二流体出口顺序连通，所述第二流体出口与下一个所述接触单元的所述第二流体进口通过第二流体通道连通。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述强负压区域包括依次连通的第一通道、渐缩通道和渐扩通道，所述渐缩通道的下部连通所述第二流体进口，所述第一通道的中间固定有所述第一流体进口；所述第一流体进口靠近所述渐扩通道的一端设有导流部，所述导流部的端部连接有喷嘴；或者，所述第一流体进口靠近所述渐扩通道的一端设有喷嘴，所述喷嘴在靠近所述第一流体进口的位置设有导流部；所述渐扩通道的底部连通所述分离区域，所述分离区域靠近所述渐扩通道的一端为分离区域进料口，所述分离区域远离所述渐扩通道的一端为分离区域出料口；所述分离区域内设有内置引气口，所述第二流体出口连通所述内置引气口，所述分离区域内环设有旋流分离叶片。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，当所述接触单元数量小于4时，沿着第一流体方向的不同所述接触单元的所述喷嘴直径依次增大，按照线性增大比例为1.03～1.3设置，首个所述强负压区域的所述喷嘴直径为2.5～30mm；当所述接触单元数量大于等于4时，所有所述喷嘴直径大小一样，所述喷嘴直径为2.5～30mm。

10.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述导流部包括旋流导流叶片，所述旋流导流叶片的中间为导流支撑内柱，所述旋流导流叶片的一端为进料端面，所述旋流导流叶片的另一端为出料端面。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述旋流导流叶片的螺距为h1、外缘直径为D3，h1为D3的0.5～4倍，导流支撑内柱的直径为D3的0.4～0.85倍，外缘直径为喷嘴直径的1.21～3倍。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述旋流分离叶片的螺距为h2、外缘直径为D4，h2为D4的0.3～1倍，内置引气口的外直径为D4的0.2～0.5倍且不大于渐扩通道的底部直径D2，D4为喷嘴直径的1.4～3.9倍。

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