CN113457597B - 一种超声微气泡管式气液反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声微气泡管式气液反应装置，包括管式反应器、超声微气泡发生器、气体储罐、液体储罐、冷凝器、气液分离器；采用超声微气泡发生器超声雾化和文丘里喷射二次气液混合后产生高分散和高稳定性的微气泡，管式反应器外壳和换热管之间由螺旋分隔板分隔成螺旋的环形空间提高反应器的换热和传质效率。该装置适用于气液或气液固反应，结构简单、操作和运行稳定，具有高气液传质反应速率。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声微气泡管式气液反应装置，特别是一种利用超声雾化和文丘里气液混合产生微气泡，强化气液两相传质效率的管式反应装置。
背景技术
管式反应器属于平推流反应器，是一种长径比大的管状连续反应器。管式反应器返混小，容积效率高，尤其适用于反应速度快、转化率较高的气液或液液两相反应体系。气液反应主要发生在两相界面处，两相混合的效果对反应转化率和反应速率有直接影响，由于气体在管式反应器中容易聚集，气液两相不能充分混合接触，导致传质效率低，因此，在此气液两相管式反应器开发中需要有足够大的两相接触面积，从而提高反应效率。
在管式反应器内部增加强制混合单元，可有效提高气液两相反应接触面积，提高传质效率。专利CN1208123描述了管式反应器具有被连合区分隔开的短小的静态混合元件，通过多个静态混合元件达到均匀混合的目的。但是，反应器内增加混合单元一是改变反应器平推流特性增加了物料返混，二是增加了物料流动阻力，使反应器压差增大，且强制混合产生的气泡尺寸大，传质效率低。
微气泡具有比表面积大、气含率高、稳定性好和溶解速度快等特点，在进入反应器前，通过微气泡发生器产生微气泡是当前强化传质的重要手段。目前微气泡产生主要有文丘里成泡、超声波成泡、微孔成泡等方法。
其中，微孔成泡是利用金属粉末、陶瓷、塑料等为原料进行黏合高温烧结而成的微孔材料，气体经过微孔材料时被切割成微气泡。该法可以简单快速得到微气泡，且可以通过不同孔径材料获得不同大小的微气泡。但是气泡越小的微孔材料加工制造难度较高，微孔均匀性控制难度大，且越小微孔越容易造成堵塞。超声成泡是利用超声空化现象，使溶解在液相中的气体进入空穴形成微气泡，但在超声波的作用下，微气泡也会发生团聚现象，超声成泡的稳定性较差。文丘里成泡是采用高速流体速度梯度的变化形成剪切，使气相破碎分裂，需要较高的流体速率，能耗高。
不同微气泡发生技术均能有效提升气液反应其中接触面积，提高传质，差别在于微气泡形成的难度、能耗和稳定性不同，从而影响反应效率和工艺成本。
发明内容
针对现有气液反应两相传质效率低、返混造成副产物多的问题，本发明的目的在于提供一种超声微气泡管式气液反应装置，采用超声和文丘里原理，产生稳定微气泡，实现气液两相高效传质反应，从而提高气液两相反应效率。
本发明采用的技术方案：一种超声微气泡管式气液反应装置，其特征是包含管式反应器、超声微气泡发生器、气体储罐、液体储罐、冷凝器、气液分离器；气体储罐和液体储罐中气液两相通过超声微气泡发生器超声雾化及文丘里喷射二次混合后进入管式反应器，反应后物料经冷凝器降温、气液分离器分离，液相产物采出或回至液体储罐循环，气相物料至气体储罐循环使用。
所述管式反应器包括反应器进料口、螺旋分割板、换热管、反应器外壳、反应器物料出口。
所述管式反应器内设置换热管用于控制反应温度。
所述反应器外壳和换热管之间由螺旋分隔板分隔成螺旋的环形空间，螺旋分隔板与反应器轴向成45°~75°夹角。
所述螺旋的环形空间根据反应需要可填充固体催化剂。
所述管式反应器进料口和出料口与反应器截面成切线方向。
所述超声微气泡发生器包括反应器连接管、扩散室、混合室、超声雾化器、文丘里空腔。
所述超声雾化器出口设置喷嘴，超声雾化器以螺纹固定，喷嘴与混合室的距离可调。
所述超声微气泡发生器需垂直安装，文丘里空腔液面与超声雾化器喷嘴截面处于同一水平面。
所述气体储罐中气体和液体储罐中液体进入超声微气泡发生器后均设置分流，气体和液体按体积比分别进入超声雾化器和文丘里空腔，文丘里空腔中气液体积比为1:3~3:1。
所述超声微气泡发生器扩散室外壁与轴向夹角为5°~15°。
所述超声微气泡发生器混合室物料流速大于0.05m/s，扩散室物料流速大于0.01m/s。
所述超声雾化器气体和液体进料按体积比1:1~10:1。
所述管式反应器内微气泡尺寸为0.1~10mm。
与现有技术相比，本发明的特点是：（1）采用超声雾化技术实现气液两相预混合，具有较好的分散性和稳定性；（2）将超声和文丘里结合，通过超声雾化预混有利于提高文丘里喷射剪切效率，可在低流速下得到理想的微气泡；（3）螺旋分隔板分割出的螺旋环形空间内物料呈螺旋方向流动，可增加微气泡在螺旋空间内对液体的互混，提高反应器的换热和传质效率；（4）该装置结构简单、操作和运行稳定，具有高气液传质反应速率。
附图说明
图1为本发明实施例超声微气泡管式反应装置的结构示意图。
图1中，1—管式反应器；2—超声微气泡发生器；3—气体储罐；4—液体储罐；5—冷凝器； 6—气液分离器。
图2为实施例中管式反应器的结构示意图。
图2中，101—反应器进料口；102—螺旋分割板；103—换热管；104—反应器外壳；105—反应器物料出口。
图3为实施例中管式反应器侧视图。
附图3中，106—反应器进料口；107—反应器物料出口。
图4为实施例中超声微气泡发生器结构示意图。
图4中，201—反应器连接管；202—扩散室；203—混合室；204—超声雾化器；205—文丘里空腔。
图1所示是本发明提供的一种超声微气泡管式气液反应装置，包括管式反应器、超声微气泡发生器、气体储罐、液体储罐、冷凝器、气液分离器；气体储罐和液体储罐中气液两相通过超声微气泡发生器超声雾化及文丘里喷射二次气液混合后进入管式反应器，反应后物料经冷凝器降温、气液分离器分离，液相产物采出或回至液体储罐循环，气相物料至气体储罐循环使用。
图2所示是本发明提供超声微气泡管式气液反应装置中的管式反应器，由反应器进料口、螺旋分割板、换热管、反应器外壳、反应器物料出口组成。为强化气液两相传质及反应温度稳定性，管式反应器内设置换热管，反应器外壳和换热管之间由螺旋分隔板分隔成螺旋的环形空间，螺旋分隔板与反应器轴向成45°~75°夹角，同时，根据反应需要，螺旋的环形空间可填充固体催化剂。
图3所示是本发明提供超声微气泡管式气液反应装置中的管式反应器侧视图，管式反应器进料口和出料口与反应器截面成切线方向，有利于物料沿螺旋空间流动。
图4所示是本发明提供超声微气泡管式气液反应装置中的超声微气泡发生器，由反应器连接管、扩散室、混合室、超声雾化器、文丘里空腔组成，超声雾化器出口设置喷嘴，超声雾化器以螺纹固定，可调节喷嘴与混合室的距离来控制气液两相比例。其中超声微气泡发生器需垂直安装，文丘里空腔液面与超声雾化器喷嘴截面处于同一水平面，气体储罐中气体和液体储罐中液体进入超声微气泡发生器后均设置分流，气体和液体按体积比分别进入超声雾化器和文丘里空腔，文丘里空腔中气液体积比为1:3~3:1，超声雾化器气体和液体进料体积比为1:1~10:1。为控制气泡大小和稳定性，超声微气泡发生器扩散室外壁与轴向夹角为5°~15°，混合室物料流速大于0.05m/s，扩散室物料流速大于0.01m/s。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明的实质特点和显著效果做进一步说明，但并不因此而限制本发明的内容。
实施例1
本实施例提供一种超声微气泡管式气液反应装置，连接结构参考附图1，图2管式反应器中螺旋分隔板与反应器轴向成75°夹角，螺旋的环形空间无催化剂填充；图4超声微气泡发生器中文丘里空腔中气液体积比为1:3，超声雾化器气体和液体进料体积比为5:1。超声微气泡发生器扩散室外壁与轴向夹角为15°，混合室物料流速为0.5m/s，扩散室物料流速为0.2m/s。
采用本实施例条件，以氮气为气相物料，水为液相物料，物料在反应器内停留时间为10min，管式反应器进口平均尺寸为10±0.1mm的微气泡占比90%，管式反应器出口平均尺寸为10±0.1mm的微气泡占比71%。
实施例2
本实施例提供一种超声微气泡管式气液反应装置，连接结构参考附图1，图2管式反应器中螺旋分隔板与反应器轴向成45°夹角，螺旋的环形空间无催化剂填充；图4超声微气泡发生器中文丘里空腔中气液体积比为3:1，超声雾化器气体和液体进料体积比为1:1。超声微气泡发生器扩散室外壁与轴向夹角为10°，混合室物料流速为2.5m/s，扩散室物料流速为0.5m/s。
采用本实施例条件，以氮气为气相物料，水为液相物料，物料在反应器内停留时间为1min，管式反应器进口平均尺寸为0.2±0.1mm的微气泡占比95%，管式反应器出口平均尺寸为0.2±0.1mm的微气泡占比78%。
实施例3
本实施例提供一种超声微气泡管式气液反应装置，连接结构参考附图1，图2管式反应器中螺旋分隔板与反应器轴向成45°夹角，螺旋的环形空间无催化剂填充；图4超声微气泡发生器中文丘里空腔中气液体积比为1:1，超声雾化器气体和液体进料体积比为1:1。超声微气泡发生器扩散室外壁与轴向夹角为5°，混合室物料流速为1.0m/s，扩散室物料流速为大于0.4m/s。
采用本实施例条件，以氮气为气相物料，水为液相物料，物料在反应器内停留时间为5min，管式反应器进口平均尺寸为3±0.1mm的微气泡占比大于88%，管式反应器出口平均尺寸为3±0.1mm的微气泡占比71%。
实施例4
本实施例提供一种超声微气泡管式气液反应装置，连接结构参考附图1，图2管式反应器中螺旋分隔板与反应器轴向成60°夹角，螺旋的环形空间无催化剂填充；图4超声微气泡发生器中文丘里空腔中气液体积比为1:1，超声雾化器气体和液体进料体积比为10:1。超声微气泡发生器扩散室外壁与轴向夹角为15°，混合室物料流速为0.1m/s，扩散室物料流速为0.04m/s。
采用本实施例条件，以氮气为气相物料，水为液相物料，物料在反应器内停留时间为1min，管式反应器进口平均尺寸为10±0.1mm的微气泡占比83%，管式反应器出口平均尺寸为10±0.1mm的微气泡占比65%。
实施例5
本实施例提供一种超声微气泡管式气液反应装置，连接结构参考附图1，图2管式反应器中螺旋分隔板与反应器轴向成75°夹角，螺旋的环形空间无催化剂填充；图4超声微气泡发生器中文丘里空腔中气液体积比为1:3，超声雾化器气体和液体进料体积比为2:1。超声微气泡发生器扩散室外壁与轴向夹角为5°，混合室物料流速为1.2m/s，扩散室物料流速为0.5m/s。
采用本实施例条件，以氮气为气相物料，水为液相物料，物料在反应器内停留时间为3min，管式反应器进口平均尺寸为0.8±0.1mm的微气泡占比90%，管式反应器出口平均尺寸为0.8±0.1mm的微气泡占比大于75%。
实施例6
本实施例提供一种超声微气泡管式气液反应装置，连接结构参考附图1，图2管式反应器中螺旋分隔板与反应器轴向成75°夹角，螺旋的环形空间无催化剂填充；图4超声微气泡发生器中文丘里空腔中气液体积比为1:2，超声雾化器气体和液体进料体积比为1:1。超声微气泡发生器扩散室外壁与轴向夹角为5°，混合室物料流速为0.5m/s，扩散室物料流速为0.2m/s。
采用本实施例条件，以氮气为气相物料，水为液相物料，物料在反应器内停留时间为5min，管式反应器进口平均尺寸为5±0.1mm的微气泡占比88%，管式反应器出口平均尺寸为5±0.1mm的微气泡占比67%。
实施例7
本实施例提供一种超声微气泡管式气液反应装置，连接结构参考附图1，图2管式反应器中螺旋分隔板与反应器轴向成75°夹角，螺旋的环形空间无催化剂填充；图4超声微气泡发生器中文丘里空腔中气液体积比为1:3，超声雾化器气体和液体进料体积比为2:1。超声微气泡发生器扩散室外壁与轴向夹角为15°，混合室物料流速为1.5m/s，扩散室物料流速为0.7m/s。
采用本实施例条件，以氮气为气相物料，水为液相物料，物料在反应器内停留时间为5min，管式反应器进口平均尺寸为2±0.1mm的微气泡占比91%，管式反应器出口平均尺寸为2±0.1mm的微气泡占比73%。
实施例8
本实施例提供一种超声微气泡管式气液反应装置，连接结构参考附图1，图2管式反应器中螺旋分隔板与反应器轴向成75°夹角，螺旋的环形空间无催化剂填充；图4超声微气泡发生器中文丘里空腔中气液体积比为1:2，超声雾化器气体和液体进料体积比为1:1。超声微气泡发生器扩散室外壁与轴向夹角为15°，混合室物料流速为0.9m/s，扩散室物料流速为0.3m/s。
采用本实施例条件，以氮气为气相物料，水为液相物料，物料在反应器内停留时间为6min，管式反应器进口平均尺寸为0.6±0.1mm的微气泡占比93%，管式反应器出口平均尺寸为0.6±0.1mm的微气泡占比70%。
实施例9
本实施例提供一种超声微气泡管式气液反应装置，连接结构参考附图1，图2管式反应器中螺旋分隔板与反应器轴向成75°夹角，螺旋的环形空间填充大颗柱状骨架镍催化剂；图4超声微气泡发生器中文丘里空腔中气液体积比为1:3，超声雾化器气体和液体进料体积比为5:1。超声微气泡发生器扩散室外壁与轴向夹角为15°，混合室物料流速为2.0m/s，扩散室物料流速为0.8m/s。
采用本实施例条件，以氮气为气相物料，水为液相物料，物料在反应器内停留时间为2min，管式反应器进口平均尺寸为2±0.1mm的微气泡占比87%，管式反应器出口平均尺寸为2±0.1mm的微气泡占比72%。
Claims (8)
1.一种超声微气泡管式气液反应装置，其特征是包含管式反应器、超声微气泡发生器、气体储罐、液体储罐、冷凝器、气液分离器；气体储罐和液体储罐中气液两相通过超声微气泡发生器超声雾化及文丘里喷射二次混合后进入管式反应器，反应后物料经冷凝器降温、气液分离器分离，液相产物采出或回至液体储罐循环，气相物料至气体储罐循环使用；
所述超声微气泡发生器由反应器连接管、扩散室、混合室、超声雾化器、文丘里空腔组成；其中超声雾化器出口设置喷嘴，超声雾化器以螺纹固定，喷嘴与混合室的距离可调；超声微气泡发生器垂直安装，文丘里空腔液面与超声雾化器喷嘴截面处于同一水平面；
所述超声微气泡发生器混合室物料流速大于0.05m/s，扩散室物料流速大于0.01m/s，所述管式反应器由反应器进料口、螺旋分割板、换热管、反应器外壳、反应器物料出口组成，管式反应器内微气泡尺寸为0.1~10mm。
2.根据权利要求1所述超声微气泡管式气液反应装置，其特征在于所述管式反应器内设置换热管用于控制反应温度。
3.根据权利要求1所述超声微气泡管式气液反应装置，其特征在于所述反应器外壳和换热管之间由螺旋分隔板分隔成螺旋的环形空间，螺旋分隔板与反应器轴向成45°~75°夹角。
4.根据权利要求3所述超声微气泡管式气液反应装置，其特征在于所述螺旋的环形空间根据反应需要可填充固体催化剂。
5.根据权利要求1所述超声微气泡管式气液反应装置，其特征在于所述管式反应器进料口和出料口与反应器截面成切线方向。
6.根据权利要求1所述超声微气泡管式气液反应装置，其特征在于所述气体储罐中气体和液体储罐中液体进入超声微气泡发生器后均设置分流，气体和液体按体积比分别进入超声雾化器和文丘里空腔，文丘里空腔中气液体积比为1:3~3:1。
7.根据权利要求1所述超声微气泡管式气液反应装置，其特征在于所述超声微气泡发生器扩散室外壁与轴向夹角为5°~ 15°。
8.根据权利要求1所述超声微气泡管式气液反应装置，其特征在于所述超声雾化器气体和液体进料按体积比1:1~10:1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: 100728 No. 22 North Main Street, Chaoyang District, Beijing, Chaoyangmen Applicant after: CHINA PETROLEUM & CHEMICAL Corp. Applicant after: SINOPEC NANJING CHEMICAL RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant after: SINOPEC NANJING CHEMICAL IND Co.,Ltd. Address before: Liuhe District of Nanjing City, Jiangsu province 210048 geguan Road No. 699 Applicant before: SINOPEC NANJING CHEMICAL RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant before: CHINA PETROLEUM & CHEMICAL Corp. Applicant before: SINOPEC NANJING CHEMICAL IND Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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