CN113262657B - 一种改善内循环反应器中内部混合的装置、方法及反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改善内循环反应器中内部混合的装置、方法及反应器，所述内循环反应器包括多个竖立设置的导流通道，所述导流通道之间通过分隔壁分离，所述分隔壁的上部设有收集槽；所述导流通道的外壁与反应器的内壁之间留有供流体流动的空隙，所述导流通道的外壁与反应器的内壁之间的空隙形成环形区域；所述导流通道的底部设有气体注入口，所述气体注入口通过管道与气体注入设备连接。采用本发明的技术方案，可以使内循环反应器中区域之间的液体进行交换并减少总体的气体需求，改善了多个区域间内部混合的效果，促进大型内循环反应器中浓度均衡分布，减少用于混合的整体能量消耗。

Description

一种改善内循环反应器中内部混合的装置、方法及反应器

技术领域

本发明属于环境工程和生物技术领域，尤其涉及一种改善内循环反应器中内部混合的装置、方法及反应器。

背景技术

在环境工程和生物技术中，在大型容器中混合高粘度液体是一个普遍的挑战。典型的应用实例是生物反应器和发酵装置中的两相或者三相流体，例如生物法污水处理中的生物质或者污泥。混合的目的是实现均衡的环境，而在整个体积内没有明显的浓度梯度。

混合系统的一个特别的挑战是维持固体悬浮并在整个体积内分散底物。对这类应用有很多种反应器类型和几何结构罐体，例如完全混合反应器、推流反应器或者内循环反应器。混合也可以通过机械搅拌器、泵或者注入气体来实现。目前许多应用中一个特有的难点是液体的流变。随着固含量的增加，流体的粘度会增高。更进一步的，一些常见的液体如活性污泥表现为非牛顿流体。为了在反应器中分散生化或化学反应的底物，被注入的小股体积单位的液体（底物）必须被迅速地分散在较大的罐体内，以此实现合适的反应速率。传统的混合方法是依赖于能量在局部的应用。混合搅拌设备在其周围引入较高的能量密度。然而，能量从输入点开始随着距离的增加呈指数型快速地消逝。因此，局部混合搅拌设备的扩充是受到限制的，因为能量并不能在液体中长距离地扩散。故在此情况下通常使用多个小型的局部混合搅拌设备。然而，由于缺少内部混合，使用小型的局部混合源容易引起液体体积区域分割。尽管混合源附近的混合效果较高，但区域间的体积交换则很有限，这使得小股进料体积单元（底物）无法均匀分散于整个混合区域。为弥补混合效率低的影响，现实中普遍是增加整体的能量输入。

一种反应器类型，即内循环反应器，尤为适合大体积的高粘度液体。这类反应器安装了一个或者多个垂直导流管。在导流管底端注入气体混合液体，降低了整体的密度。由此导流管内的压力要低于管外。压力的差别导致液体向上流动。在导流管顶端气体分离出，液体则向下流入环形的间隔内。对于大型的反应器，就需要安装多个导流管或者导流通道。这样会增加气体和能量的需求，并产生体积区域分割。由于每个区域内向下流的液体会进入相近的导流管内再向上流，因此，液体主要是在单个区域内循环的，整体混合的均匀性仍不理想。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种改善内循环反应器中内部混合的装置、方法及反应器，改善了反应器中各个区域间的内部混合并降低了总体的能量消耗。通过多个导流通道，该设施促进了内循环反应器中不同区域间的流体交换，进而减少了总体的气体需求。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种改善内循环反应器中内部混合的装置，所述内循环反应器包括多个竖立设置的导流通道，所述导流通道之间通过分隔壁分离，所述分隔壁的上部（包含顶部）设有收集槽；所述导流通道的外壁与反应器的内壁之间留有供流体流动的空隙，所述导流通道的外壁与反应器的内壁之间的空隙形成环形区域；所述导流通道的底部设有气体注入口，所述气体注入口通过管道与气体注入设备连接。其中，所述导流通道可以是导流管或者导流槽等。

采用此技术方案，在每个导流通道底部都设有气体注入口，可以连接气体注入设备。在导流通道的底部注入气体，液体的整体密度要小于环形区域内的液体密度。由于液体压力是密度、重力加速度和液体高度的乘积，因此，在导流通道内外液体间形成了压差，静压力转化成动压力，液体开始循环流动。

当多个导流通道在运行时，也就是这得导流通道的底部都有气体注入时，流体流动就区域化，每个导流通道内会形成单独的流动循环，而彼此间的液体交换很有限。而收集槽内的液体是沿径向流动排放至导流通道和反应器内壁间的环形区域。收集槽的液体和从导流通道外壁溢流出的液体向下流动至反应器底部。

注入的气体将促使导流通道内液体向上流动，而在导流通道外壁与反应器壁面间的环形区域内的液体将向下流动，各个导流通道间由分隔壁分离，导流通道外壁与反应器壁面间呈环形区域。当关闭一个或者多个相邻的导流通道的注气时，相关的导流通道内的液体停止向上流动，因而没有液体再溢流至收集槽和环形区域，这意味着收集槽内的液体流动将部分反转，从运行中的导流通道溢流出的液体将流入未运行的导流通道之间的间隔区域。通过这种方式，运行中的导流通道和未运行中的导流通道间的体积交换将增加，实现了区域间隔间的内部混合。重新开启注入气体并停止下一阶段导流通道的注气，整个反应器可以周期性运行的，从而实现不同方向上的内部混合。

作为本发明的进一步改进，所述分隔壁、导流通道底端与反应器底部之间留有空隙，实现环形区域与导流通道内液体的混合交换。采用此技术方案，在反应器底部与导流通道底端的空间里，液体反转流动方向进入导流通道内，然后开始再一次向上流动。

作为本发明的进一步改进，所述收集槽的排放端设有可开合或移动的流动障碍构件；它的打开与闭合将导致槽中流体流动方向的转变。如果障碍构件开启，此处地水头增加，流动被阻隔，流体将转向，从反应器运行的一侧流向未运行的一侧。这将进一步改善体积交换和内部混合效果。

作为本发明的进一步改进，所述流动障碍构件与机械驱动构件连接。

作为本发明的进一步改进，所述流动障碍构件为闸阀、翻转板或者类似的能够封闭收集槽排放端的装置，这种机械阻隔的优点是可以完全封堵住排放点。

作为本发明的进一步改进，所述收集槽的一端的底部设有用于产生气泡的进气孔，所述流动障碍构件为气泡障碍物。采用此技术方案，可以通过引入气泡来产生阻碍形成动态的水头损失，此处上升的气泡即可看作一种气泡障碍物，它的优点是无需在反应器内安装移动的部件。

作为本发明的进一步改进，所述收集槽的中部设有漂浮物去除排放口。

作为本发明的进一步改进，所述漂浮物去除排放口与排放管连接，所述排放管设有阀门。当液体中的漂浮物聚集在反应器的表面时，可以通过该排放管将其外排。可以通过打开阀门去除漂浮物，这将快速降低收集槽内的液位，漂浮物则被通过排放管冲出。

作为本发明的进一步改进，即所述收集槽的侧壁设有收集槽溢流堰，所述导流通道的外壁设有导流通道外侧溢流堰，所述收集槽溢流堰与导流通道外侧溢流堰等高；或者所述收集槽的侧壁和导流通道的外壁包括等高的溢流堰。这使溢流在各个方向上进行并增加了整体的堰长。堰长越长，导流通道内的流体流动将更均匀，溢流层更低，因而流量增加。

作为本发明的进一步改进，所述导流通道的截面为扇形或多边形。

作为本发明的进一步改进，各个分隔壁在反应器的中部连接。其中，分隔壁的一端可以固定在反应器的中部，也可以是移动的或者其他什么形式，只要起到使得各个导流通道彼此隔开即可。

作为本发明的进一步改进，所述各个分隔壁上部的收集槽在反应器的中部汇集。

作为本发明的进一步改进，所述管道上设有控制阀，可以方便控制气体注入。

本发明还公开了一种改善内循环反应器中内部混合的方法，反应器内设有如上所述的改善内循环反应器中内部混合的装置，通过关闭部分导流通道的运行和/或调节收集槽内的流动障碍构件，使液体从运行中的导流通道流向一侧未运行的导流通道，以此改善其内部混合效果。其中，关闭部分导流通道的运行为关闭导流通道底部的气体注入口的气体注入，调节收集槽内的流动障碍构件为开合流动障碍构件，使得收集槽的排放端开放或关闭，或者从进气孔注入气体产生气泡，形成流动的气泡障碍物。

采用此技术方案，通过关闭一个或者多个相邻的导流通道的注气时，收集槽内的液体流动将部分反转，从运行中的导流通道溢流出的液体将流入未运行的导流通道之间的间隔区域，实现了区域间隔间的内部混合。重新开启注入气体并停止下一阶段导流通道的注气，整个反应器就可以周期性运行的，从而实现不同方向上的内部混合。

作为本发明的进一步改进，还包括：周期性的沿顺时针或者逆时针方向依次关闭导流通道的运行和/或调节收集槽内的流动障碍构件。

整个过程中导流通道的注气是部分运行的。导流通道运行状态的周期性变化保证整个体积中的有效的混合，减少过量中气体和混合时整体的能量消耗。可以根据对混合的要求以及液体的特性，周期性运行可能限制在注入新鲜底物的时间内，或者也能持续进行下去。

本发明还公开了一种反应器，所述反应器内设有如上任意一项所述的改善内循环反应器中内部混合的装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用本发明的技术方案，可以使内循环反应器中区域之间的液体进行交换并减少总体的气体需求，改善了多个区域间内部混合的效果，促进大型内循环反应器中浓度均衡分布，减少用于混合的整体能量消耗。

附图说明

图1是本发明实施例的装有改善内循环反应器中内部混合的装置的反应器的结构示意图。

图2是本发明实施例的装有改善内循环反应器中内部混合的装置的反应器的俯视图。

图3是本发明实施例的装有改善内循环反应器中内部混合的装置的反应器的剖面图。

图4是本发明实施例的流动障碍物的结构示意图，其中（A）为机械流动障碍物，（B）为动态的气泡流动障碍物。

图5是本发明实施例的运行周期的不同状态的示意图，其中（A）为所有导流通道同步运行时的溢流状态图，（B）为当所有导流通道同步运行时，收集槽内液体的流动方向示意图，（C）为两个导流通道运行，并且三个气泡障碍物开启情况下，收集槽内的液体流动方向示意图。

图6是本发明实施例进行漂浮物排放过程的反应器的示意图。

图7是本发明实施例进行漂浮物排放过程的反应器的俯视图。

图8是本发明实施例进行漂浮物排放过程的反应器的剖面图。

附图标记包括：

1-反应器内壁，2-导流通道外壁，3-分隔壁，4-收集槽，5-流动阻碍物，5a-第一机械流动阻碍物，5b-第二机械流动阻碍物，5c-第一动态流动阻碍物，5d-第二动态流动阻碍物，6-气体注入口，6a-第一气体注入口，6b-第二气体注入口， 6c-第三气体注入口，6d-第四气体注入口，7-漂浮物排放管，8-环形区域，9-导流通道，9a-第一导流通道，9b-第二导流通道，9c-第三导流通道，9d-第四导流通道，10-导流通道外侧溢流堰，11-收集槽溢流堰，12a-第一排放点，12b-第二排放点，12c-第三排放点，12d-第四排放点，13-收集槽中的径向辐射流动方向，14-收集槽中反转的流动方向，15a-第一气泡阻碍物，15b-第二气泡阻碍物，15c-第三气泡阻碍物，15d-第四气泡阻碍物，16-漂浮物槽。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

如图1~图5所示，一种改善内循环反应器中内部混合的装置，所述内循环反应器包括多个垂直设置的导流通道9，所述导流通道9之间通过分隔壁3分离，所述分隔壁3的上部设有收集槽4；所述导流通道外壁2与反应器内壁1之间留有供流体流动的空隙，形成环形区域8；所述导流通道9的底部设有气体注入口6。所述分隔壁3、导流通道9底端与反应器底部之间留有空隙，实现环形区域8与导流通道9内液体的混合交换。本实施例中，各个分隔壁3在反应器的中部连接，所述各个分隔壁3顶部的收集槽4在反应器的中部汇集。

进一步优选的，所述收集槽4的排放端设有可开合或移动的流动阻碍物5；它的打开与闭合将导致槽中流体流动方向的转变。所述流动阻碍物5为闸阀或翻转板，或者所述收集槽4的一端的底部设有用于产生气泡的进气孔，所述流动阻碍物5为气泡障碍物。

进一步优选的，所述收集槽4的中部设有漂浮物去除排放口。所述收集槽4的中央底部与漂浮物排放管7连接，所述漂浮物排放管7设有阀门。也就是漂浮物去除排放口与漂浮物排放管7连通。

进一步优选的，所述收集槽4的侧壁顶部设有收集槽溢流堰11，所述导流通道9的外壁顶部设有导流通道外侧溢流堰10，所述收集槽溢流堰11与导流通道外侧溢流堰10等高。

本实施例中，所述导流通道9的截面为扇形。

本发明实施例还公开了一种改善内循环反应器中内部混合的方法，反应器内设有如上所述的改善内循环反应器中内部混合的装置，通过关闭部分导流通道9和/或调节收集槽4内的流动障碍物，使液体从运行中的导流通道9流向一侧未运行的导流通道9，以此改善其内部混合效果。其中，关闭部分导流通道9为关闭导流通道9底部的气体注入口6的气体注入，调节收集槽4内的流动障碍物为开合流动障碍构件，使得收集槽4的的排放端开放或关闭，或者从进气孔注入气体产生气泡，形成流动的气泡障碍物。进一步优选的，还包括周期性的沿顺时针或者逆时针方向依次关闭导流通道9和/或调节收集槽4内的流动障碍物。

下面结合具体的实施实例进行进一步的说明。

如图1~图3所示，该装有改善内循环反应器中内部混合的装置包括四个导流通道9，装于圆柱形反应器内，应用于实现大型反应器的内部混合。该圆柱形反应器有反应器内壁1。导流通道外壁2将导流通道9和环形区域8分隔开。分隔壁3将导流通道9彼此分隔开。收集槽4位于分隔壁3的上部。气体注入口6位于每个导流通道9的下面。流动障碍物5位于每个收集槽4至环形区域8的出口。可选的漂浮物排放管7可以安装在中间。

图4中展示的是两种类型的流动阻碍物，其中图4（A）是一种机械流动阻碍物的示意图，图中，第一机械流动阻碍物5a为处于敞开的运行状态，没有额外的水头损失。第二机械流动阻碍物5b处于闭合的运行状态，对流体流动形成了一种机械的阻碍。收集槽中的液体流动到闭合的第二机械流动阻碍物5b处停止，转而流向敞开的第一流动障碍物5a。

图4（B）是一种动态的流动障碍物的示意图。图中第一动态流动阻碍物5c处于敞开的运行状态，没有额外的水头损失。第二动态流动阻碍物5d处于闭合的运行状态，具体以气泡的形式表现。收集槽液体中的大部分流动到闭合的第二动态流动障碍物5d处停止，转而流向敞开的第一动态流动障碍物5c。

图5中展示的是包含如上所述的改善内循环反应器中内部混合的装置的反应器的实施示例，其具有四个导流通道9，依次分别为第一导流通道9a、第二导流通道9b、第三导流通道9c、第四导流通道9d。图5（A）中第一导流通道9a、第二导流通道9b、第三导流通道9c、第四导流通道9d都处于运行中，流动阻碍物均处于敞开状态。液体在第一导流通道9a、第二导流通道9b、第三导流通道9c、第四导流通道9d中上升。在上表面液体中的气体释放，液体从导流通道边界的导流通道外侧溢流堰10和收集槽溢流堰11溢流。收集槽内的液体在所有四个排放点处即第一排放点12a、第二排放点12b、第三排放点12c、第四排放点12d流入到环形区域8。液体随后在导流通道和反应器内壁1间的环形区域8内向下流动至反应器罐体的底部，并在那里进入导流通道9开始循环返回至导流通道的顶段。

经由收集槽溢流堰11排入收集槽4内的液体与经导流通道外侧溢流堰10流出的那部分液体之比，与导流通道边界上各个堰体的长度成比例关系。举例说明，此处四个导流通道总体的直径D是两个排放点之间的距离，由近似圆形的截面可得，一个导流通道部分的长度是L10 = π/4 × D。而一个导流通道处，收集槽溢流堰的长度L11近似于直径D。因此，流入收集槽那部分的液体于直接流入环形区域的液体的比值近似为L11 / L10 = 1.27，或者表达为堰体的长度比L11 : L10 = 56% : 44%。这意味着由导流通道中接近56%的液体进入了收集槽4而44%的液体直接排入了环形区域8内。

图5（B）展示了第一导流通道9a、第二导流通道9b、第三导流通道9c、第四导流通道9d同步运行时，收集槽4中液体的流动方向。流动障碍物都没有运行。收集槽形成径向辐射流动方向13至第一排放点12a、第二排放点12b、第三排放点12c、第四排放点12d。第一导流通道9a的那部分液体流入收集槽内，在第一排放点12a和第二排放点12b进入环形区域8。第二导流通道9b的那部分液体流入收集槽内，在第二排放点12b和第三排放点12c进入环形区域8。第三导流通道9c的那部分液体流入收集槽内，在第三排放点12c和第四排放点12d进入环形区域8。第四导流通道9d的那部分液体流入收集槽内，在第四排放点12d和第一排放点12a进入环形区域8。部分的内部混合和液体交换在收集槽4内被实现。

大约28%的来自第一导流通道9a的液体与大约28%的来自第四导流通道9d的液体混合后由第一排放点12a进入环形区域8。大约28%的来自第一导流通道9a的液体与大约28%的来自第二导流通道9b的液体混合后由第二排放点12b进入环形区域8。大约28%的来自第二导流通道9b的液体与大约28%的来自第三导流通道9c的液体混合后由第三排放点12c进入环形区域8。大约28%的来自第三导流通道9c的液体与大约28%的来自第四导流通道9d的液体混合后由第四排放点12d进入环形区域8。

图5（C）展示的是改善的内部混合和液体体积交换，以四个导流通道为例。

第一导流通道9a和第四导流通道9d处于运行中，即开启了底部的气体注入；而第二导流通道9b和第三导流通道9c没有运行，即主气体注入口6没有注入任何气体。

在第一排放点12a、第二排放点12b、第四排放点12d的流动阻碍物是闭合的，此处可以是第二机械流动阻碍物5b闭合，也可以是第二动态流动阻碍物5d闭合。在第三排放点12c的流动障碍物是敞开的，可以是第一机械流动阻碍物5a敞开，也可以是第一动态流动阻碍物5c敞开。这造成了收集槽内反转的流动方向14，由于第二机械流动阻碍物5b和第二动态流动阻碍物5d是闭合的。56%的来自第一导流通道9a和第四导流通道9d的液体因此在收集槽内进行了混合，再由收集槽的第三排放点12c流入环形区域8。排出的液体在第一导流通道9a和第二导流通道9b对面一侧的环形区域8中向下流动，因而与来自第三导流通道9c和第四导流通道9d区间的液体发生了混合。

气体主入口6的气体注入和流动阻碍物5的运行控制遵循顺时针或者逆时针的顺序。内部混合和体积交换因而是在真个空间内连环进行的。

以顺时针运行为例，在下一个循环阶段，第四导流通道9d停止运行，第二导流通道9b开始运行。流动障碍物在排放点12d处敞开，而流动障碍物在排放点12c处闭合。自第一导流通道9a和第二导流通道9b流出的56%液体因此从第四排放点12d处排放，与第三导流通道9c和第四导流通道9d区间的液体进行混合。转换导流通道的时间间隔取决于反应器的几何形状以及液体特性。此处可以自由调节。

图6~图8展示的是可选的去除漂浮物的方法，此处是一个实施实例，图中具有四个导流通道，并采用了动态流动阻碍物。该方法中设置一个漂浮物排放管7于反应器的中间。一个漂浮物槽16位于收集槽4的底部中央。

为了去除漂浮物，动态流动阻碍物开启运行形成第一气泡阻碍物15a、第二气泡阻碍物15b、第三气泡阻碍物15c、第四气泡阻碍物15d。第一气体注入口6a、第二气体注入口6b、第三气体注入口6c、第四气体注入口6d关闭。漂浮物排放管7打开。收集槽内形成反转的流动方向，液体流向中央的漂浮物槽16。排放漂浮物后，漂浮物排放管7关闭，继续进行正常的混合运行。

通过上述实施例的介绍可见，采用本发明的技术方案，可以使内循环反应器中区域间的液体进行交换，促进了内循环反应器中浓度均衡分布，改善多个区域间内部混合状况，并减少总体的气体需求，降低总体的能量消耗。

本发明实施例还公开了一种反应器，所述反应器内设有如上实施例所述的改善内循环反应器中内部混合的装置。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种改善内循环反应器中内部混合的装置，其特征在于：所述内循环反应器包括多个竖立设置的导流通道，所述导流通道之间通过分隔壁分离，所述分隔壁的上部设有收集槽；所述导流通道的外壁与反应器的内壁之间留有供流体流动的空隙，所述导流通道的外壁与反应器的内壁之间的空隙形成环形区域；所述导流通道的底部设有气体注入口，所述气体注入口通过管道与气体注入设备连接。

2.根据权利要求1所述的改善内循环反应器中内部混合的装置，其特征在于：所述收集槽的排放端设有可开合或移动的流动障碍构件。

3.根据权利要求2所述的改善内循环反应器中内部混合的装置，其特征在于：所述流动障碍构件为闸阀或翻转板。

4.根据权利要求2所述的改善内循环反应器中内部混合的装置，其特征在于：所述收集槽的一端的底部设有用于产生气泡的进气孔，所述流动障碍构件为气泡障碍物。

5.根据权利要求2所述的改善内循环反应器中内部混合的装置，其特征在于：所述收集槽的中部设有漂浮物去除排放口；所述漂浮物去除排放口与排放管连接，所述排放管设有阀门。

6.根据权利要求2~5任意一项所述的改善内循环反应器中内部混合的装置，其特征在于：所述收集槽的侧壁设有收集槽溢流堰，所述导流通道的外壁设有导流通道外侧溢流堰，所述收集槽溢流堰与导流通道外侧溢流堰等高。

7.根据权利要求6所述的改善内循环反应器中内部混合的装置，其特征在于：所述各个分隔壁顶部的收集槽在反应器的中部汇集。

8.一种改善内循环反应器中内部混合的方法，其特征在于：反应器内设有如权利要求2~7任意一项所述的改善内循环反应器中内部混合的装置，通过关闭部分导流通道的运行和/或调节收集槽内的流动障碍构件，使液体从运行中的导流通道流向一侧未运行的导流通道，以此改善其内部混合效果。

9.根据权利要求8所述的改善内循环反应器中内部混合的方法，其特征在于：还包括，周期性的沿顺时针或者逆时针方向依次关闭导流通道的运行、或周期性的沿顺时针或者逆时针方向依次关闭导流通道的运行和调节收集槽内的流动障碍构件。

10.一种反应器，其特征在于：所述反应器内设有如权利要求1~7任意一项所述的改善内循环反应器中内部混合的装置。

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