CN113663635B - 一种强化碳化反应传质速率的气液传质设备 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于利用气泡分形理论，使得大、小气泡以一定比例共存于反应器中，从而提供一种强化碳化反应传质速率的气液传质设备，其主体部分为反应容器，所述反应容器底部设置有NaAlO₂溶液通道和CO₂溶气水通道，所述NaAlO₂溶液通道伸入反应容器内的端部设置有NaAlO₂溶液喷嘴，所述CO₂溶气水通道的出口处设置有丝网装置，所述丝网装置遮盖所述CO₂溶气水通道出口的一部分，所述CO₂溶气水通道的出口处设置有气体再分布装置，所述气体再分布装置通过立柱进行固定。

Description

一种强化碳化反应传质速率的气液传质设备

技术领域

本发明涉及一种强化碳化反应传质速率的气液传质设备，特别是涉及一种具有气泡分形结构的立式气液反应器，并且涉及微气泡发生器、碳化反应方式和大、小气泡的产生方法，可大大提高碳化反应的气液传质效率。

背景技术

在将原料转变为产品的过程中，反应器充当着重要的角色。在连续运行的稳定状态下，所有的反应步骤之间是一个串联的关系，每个步骤的速率必然相等，故任何一个反应器整体反应速率的提升不仅需要催化剂性能提升，还需要气液传质速率提升。碳化反应的传质过程存在于气液两相间，故在碳化反应器中，提升气液传质速率尤为重要。

在强化气泡反应器的传质性能方面，可通过减小气泡尺寸，调节微气泡发生器的流速，提高反应器的气含率，增设折流板，进而增大反应的传质面积，提高传质效率。

气泡分形理论采用先进的气泡诱导液体湍动技术，其中大气泡可导致更剧烈的液体漩涡，大气泡通过诱导周围液体形成涡流，加快其周围的液体更新，从而增大液相一侧的湍动能；较小气泡则可提供较大的界面面积，增大碳化反应的传质面积；基于气泡分形理论，较大气泡可以导致更剧烈的液体漩涡，可依此建立液相一侧传质系数与液相湍动能E(k)的关联模型， K_L＝f(E(k))，其中K_L为液相一侧的传质系数，在气液传质过程中，总传质系数K_La＝K_L·a，其中a为气液相传质面积，由此可见总传质系数与液相传质系数和传质面积有关，而当液体湍动程度大时，液相湍动能大，液相传质系数提高。

发明内容

基于上述理论基础，本发明的目的在于利用气泡分形理论，使得大、小气泡以一定比例共存于反应器中，从而提供一种强化碳化反应传质速率的气液传质设备。

本发明采用的技术方案如下：

本发明采用在CO₂溶气水通道的出口处装设可拆卸式丝网装置来达到产生小气泡的目的，其中，一部分大气泡通过丝网装置被切割为小气泡进入反应器，另一部分大气泡则未通过丝网装置，仍以大气泡的形态进入到反应器中。

进一步地，需要控制丝网装置遮盖溶气水通道出口处的位置，保证进入反应器的气泡中大、小气泡同时存在，以混合的形式与NaAlO₂溶液反应，具体以丝网装置遮盖一半气体通道为宜。

进一步地，大、小气泡的发生应位于同一高度，故应将丝网装置紧贴CO₂溶气水通道出口处，可以根据反应需要更换不同规格的丝网装置，以生成不同粒径的小气泡，其中小气泡粒径在0.04～0.06mm范围内。

进一步地，在CO₂溶气水通道上方装设有气体再分布装置，该再分布装置为三个竖截面为波浪形的装置，其中两段弧采用不同的弧度，靠近NaAlO₂溶液通道一侧的结构弧度较大，避免气泡在中途与NaAlO₂溶液反应，远离NaAlO₂溶液通道一侧的结构弧度较小，在进一步混合两种气泡的同时进行引流，使CO₂气体能够从该侧逸出。

进一步地，三个再分布装置结构相同，在每个再分布装置的顶部弧度处开设两个直径为 6mm的圆孔，可以使部分气泡从圆孔中逸出，有效避免了气泡聚并现象。

本发明中所使用的再分布装置旨在将大、小气泡混合进行再分布，改变气泡运行方向，使大气泡藏身于小气泡群中，以保证反应时大、小气泡可同时存在，气泡直径在0.04～5mm 范围内，其中大气泡体积占气泡总体积的30％～70％。

进一步地，由于气泡直径在0.04～5mm范围内，在上升过程中存在破碎现象，故在气体再分布装置之间、再分布装置与容器壁之间均留有空隙，在一定程度上可减小气泡破碎的影响。

进一步地，本发明中所述反应器为罐体，罐体底部设置有NaAlO₂溶液通道和CO₂溶气水通道，同时在反应器内部设有PH计和折流板。

进一步地，本发明中所进行的碳化反应需要准确控制反应容器中的PH值，在反应容器内装设pH 计，可实时监控罐内的PH变化，继而调控反应物的配比，保证反应的正常进行。

进一步地，NaAlO₂溶液采用喷嘴的形式由齿轮泵喷射进入反应器，CO₂溶气水通过离心泵经由文丘里微气泡发生器进入到反应器中，其中，CO₂溶气水中的气体为CO₂和空气的混合气体，二者分别由两个气罐进入到文丘里气泡发生器中。

进一步地，本发明中使用两个单弓形折流板，两折流板均采用定距管进行固定，一方面可以为碳化反应提供场所，另一方面通过折流改变气泡流的流动形式，从而改变大、小气泡的分布情况。

进一步地，CO₂气体以大、小气泡混合的形式在折流板处与NaAlO₂溶液反应。

进一步地，要保证大、小气泡混合参与反应，提高气液传质效果，应对大气泡的尺度加以规定，故对所使用的文丘里微气泡发生器的结构也应予以规定，要保证大气泡的最小尺寸不小于0.1～4mm。

进一步地，通过在齿轮泵与NaAlO₂溶液通道之间、离心泵与微气泡发生器之间装设流量计，可实时调节NaAlO₂溶液和水的流量；在CO₂气体、空气与气体入口之间分别装设流量计，可控制两种气体的进气量。

进一步地，气体入口处的速度应适宜，避免过大或过小，为了保证碳化反应正常进行，并考虑微气泡发生器的特性，以气体速度为1.5～2m/s为宜。

进一步地，本发明中所述的碳化反应器为立式气液反应器。

本发明利用大、小气泡混合参与反应以达到强化传质速率的目的，其中，在由文丘里微气泡发生器射出的溶气水中，一部分大气泡将通过出口上方的丝网装置，被丝网装置切割为小气泡，这部分小气泡可以提供较大的传质面积；另外一部分大气泡则没有通过丝网装置，直接由出口进入反应器，仍保持大气泡的形态，这部分大气泡可增加液相的湍动能，两种气泡再经由再分布装置重新分布、整合，并经过折流板的折流，同时在折流板处参与和NaAlO₂溶液的碳化反应，可大大的提高气液传质效率。

本发明具有如下优点：

1、利用气泡分形理论，在反应容器内形成大、小气泡共存的体系，涵盖0.04～5mm的气泡直径范围，液相湍动能增大、总的传质面积增大，有效提高了碳化反应传质速率；

2、溶气水与NaAlO₂溶液通过不同的通道进入反应器，可分别通过流量计调节两种介质的通入量，改变反应器内的气液比，操作简便，且气体为CO₂与空气的混合气体，两种气体分别由两个气罐通入文丘里气泡发生器，可随时按照需求调节两种气体的含量；

3、将丝网装置设计为可拆卸式结构，可随时更换不同规格的丝网装置，产生不同粒径的小气泡，同时，还可通过改变丝网装置的位置，调节大、小气泡通入反应器中的比例；

4、在CO₂气体进口上方装设气体再分布装置改变大、小气泡的运动轨迹，将大气泡穿插于小气泡群中，使大、小气泡更好的混合；相对于传统气体再分布装置，有效避免了气泡聚并现象，且减小了气泡再破裂的影响；

5、在反应器内部装设两块单弓形折流板作为气液反应面，两块折流板交错放置可以改变气泡流的运动形式，进一步改变大、小气泡的分布情况，有效地提高反应速率；

6、微气泡发生器中文丘里流道的喉部位置处是由小直径柱段和大直径柱段构成的阶梯结构，文丘里流道进气口设置在大直径柱段位置处，强化了文丘里流道的负压抽吸效果；微气泡发生器的流量与气速均可调节，可根据反应需要灵活控制反应容器内的气液比。

附图说明

图1是本发明气液传质设备的结构示意图；

图2是本发明气液传质设备的三维透视结构图；

图3是本发明气泡分形部位结构示意图；

图4是本发明微气泡发生器二维剖面结构示意图；

附图标记说明如下：

1-NaAlO₂溶液通道；2-NaAlO₂溶液喷嘴；3-挡板；4-折流板；5-气体再分布装置；6-立柱； 7-丝网装置；8-CO₂溶气水通道；9-微气泡发生器；10-液体入口；11-气体入口；12-储气室； 13-流体出口；14-文丘里流道；15-文丘里流道进气口。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方法，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1、图2所示，图1是本发明气液传质设备的结构示意图，图2是本发明气液传质设备的三维透视结构图，本发明的强化碳化反应传质速率的气液传质设备，其主体部分为反应容器，所述反应容器底部设置有NaAlO₂溶液通道1和CO₂溶气水通道8，所述NaAlO₂溶液通道1伸入反应容器内的端部设置有NaAlO₂溶液喷嘴2，其特征在于：

所述CO₂溶气水通道的出口处设置有丝网装置7，如图3所示，图3是本发明气泡分形部位结构示意图，所述丝网装置遮盖所述CO₂溶气水通道出口的一部分，用于将经过该丝网装置的部分CO₂气体切割为更小的小气泡。

所述CO₂溶气水通道出口的上方设置有气体再分布装置5，所述气体再分布装置5为三个竖截面为波浪形、且在大弧度处开有两个直径为6mm圆孔的挡板。如此设置，其一，两处弯道处弧度不同，可改变气泡的运行方向，将气泡向立柱一侧引流，避免气泡直接在途中与 NaAlO₂溶液发生反应；其二，设置为波浪形结构，可更大程度上改变气泡的运行轨迹，更好地将大、小气泡进行混合；其三，为了避免气泡聚并现象的发生，在弧度大的弯道处分别开设两个圆孔，使部分气泡可通过圆孔处逸出；其四，设有三个气体再分布装置，且每两个气体再分布装置之间、气体再分布装置与器壁之间都留有空隙，方便气泡的逸出，减少气泡破碎现象的产生。

所述NaAlO₂溶液喷嘴2和所述CO₂溶气水通道出口在反应容器内位于同一高度，具体的，所述反应容器内部水平设置有挡板3，所述NaAlO₂溶液喷嘴2镶嵌于挡板3上的开孔内，所述丝网装置7固定放置在挡板3上，所述气体再分布装置5通过立柱6悬空安装在所述CO₂溶气水通道出口的上方，所述立柱下端固定在挡板3上。

所述反应容器内还设置有两个单弓形折流板4，两折流板均采用定距管进行固定，将上浮的气泡流导流为折流的形式，经丝网装置7切割后的小气泡和未经切割的大气泡经气体再分布装置5后上升于折流板4处，可混合与NaAlO₂溶液进行反应。

所述NaAlO₂溶液喷嘴2优选为内部设置涡流叶片的雾化喷嘴，通过液体压力产生平均粒径为40微米的液滴，并使溶液均布于反应容器内，与气泡充分混合，不再需要额外的机械式反应搅拌设备。

本发明旨在提高碳化反应过程中的总传质系数，根据前文中提及的总传质系数公式 K_La＝K_L·a，当在液体湍动程度或气液传质面积增大的情况下，皆可提高本反应的总传质系数，达到提高传质能力的效果，而丝网装置7的设置，使得部分CO₂气泡被切割细碎成更小的气泡，另一部分气泡未通过丝网装置的切割作用，仍以大气泡的形式存在，大、小气泡共存，形成气泡分形理论的湍流流场，大气泡增大湍流程度、小气泡则提供更大的传质界面面积，有效提高了碳化反应传质速率。

所述丝网装置7的放置位置可根据产物率进行微调，将丝网装置7覆盖所述CO₂溶气水通道出口的三分之一至三分之二，保证大气泡体积占气泡总体积30％～70％，具体以遮盖一半的出口面积为宜。

气体再分布装置5可改变CO₂气体大、小气泡的分布，将两种气泡进行混合；改变气泡的运动轨迹，使大气泡穿插在小气泡群中，保证在反应器中大、小气泡混合，同时参与碳化反应。

所述CO₂溶气水通道8通过气泡发生器9形成水与CO₂气体的混合流体，如图4所示，图 4是本发明气泡发生器二维剖面结构示意图，所述气泡发生器为管状结构，其液体入口10和流体出口13之间设有文丘里流道14，所述流体出口13连通所述CO₂溶气水通道8，所述文丘里流道的喉部设有多个径向分布的进气口15，所述气泡发生器对应文丘里流道14的喉部位置处设置有储气室12，所述储气室12为位于气泡发生器外侧的环壳状结构，所述储气室 12通过文丘里流道进气口15与文丘里流道14连通，所述储气室12外侧设置有气体入口11，用于向储气室12内输入CO₂气体。

使用时，所述液体入口10经离心泵连通水源，所述气体入口11连通CO₂气源，依靠文丘里效应的抽吸作用将气体引入，不需另设进气系统。

进一步地，所述喉部在流体流动方向上是由小直径柱段和大直径柱段构成的阶梯结构，所述文丘里流道进气口15设置在大直径柱段位置处，如此设置，强化了文丘里流道的负压抽吸效果，气泡生成数量明显增多。本发明中，所述气泡发生器通过液体的高速旋流、水力剪切等方式，将空气-CO₂混合气体剪切破碎形成气泡群状态。利用微气泡比表面积大、在溶液中上升速度慢等特点，提高混合气体与溶液的碳化反应速率；而在气泡经过丝网装置7时，部分气泡进一步被切割为更细小的气泡，使得反应容器内气泡直径的范围涵盖0.04～5mm，形成大、小气泡共存的气泡分形理论体系。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种等效结构或等效流程的修改或变形，或直接或间接运用到其他相关的技术领域，仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种强化碳化反应传质速率的气液传质设备，其特征在于：主体部分为反应容器，所述反应容器底部设置有NaAlO₂溶液通道和CO₂溶气水通道，所述NaAlO₂溶液通道伸入反应容器内的端部设置有NaAlO₂溶液喷嘴，所述CO₂溶气水通道的出口处设置有可拆卸式的丝网装置，所述丝网装置遮盖所述CO₂溶气水通道出口的一部分；

所述CO₂溶气水通道的上方设置有三个气体再分布装置，三个气体再分布装置之间及气体再分布装置与容器壁之间均留有空隙，每个所述气体再分布装置均设计为波浪形结构，其中两处弯道处设计为不同的弧度，并且在大弧度处的顶部开设两个直径为6mm的圆孔。

2.根据权利要求1所述的气液传质设备，其特征还在于，所述反应容器内部设置有圆形挡板，所述NaAlO₂溶液喷嘴镶嵌于挡板上的开孔内，且与CO₂溶气水通道出口位于同一高度，所述丝网装置固定放置在圆形挡板上，所述气体再分布装置通过立柱悬空安置在所述CO₂溶气水通道出口的正上方，所述立柱下端固定在挡板上。

3.根据权利要求2所述的气液传质设备，其特征还在于，所述反应容器内还设置有两个单弓形折流板，所述两个单弓形折流板将上浮的气泡流导流为折流的形式，在提供碳化反应场所的同时通过折流的方式进一步改变大、小气泡的分布情况。

4.根据权利要求1所述的气液传质设备，其特征还在于，所述丝网装置的放置位置覆盖所述CO₂溶气水通道出口的三分之一至三分之二，保证反应容器中大、小气泡同时存在，所述丝网装置为可拆卸式栅网结构，可随时更换不同规格的丝网装置，以得到不同粒径的小气泡。

5.根据权利要求1所述的气液传质设备，其特征还在于，还包括微气泡发生器，所述微气泡发生器为管状结构，其液体入口和液体出口之间设置有文丘里流道，所述液体出口连通所述CO₂溶气水通道，所述微气泡发生器的对应文丘里流道的喉部位置处设置有储气室，所述文丘里流道喉部设有多个径向分布的进气口，所述储气室外侧设置有气体入口。

6.根据权利要求5所述的气液传质设备，其特征还在于，所述储气室为位于微气泡发生器外侧的环壳状结构，所述喉部在流体流动方向上是由小直径柱段和大直径柱段构成的阶梯结构，所述文丘里流道进气口设置在大直径柱段位置处。

7.根据权利要求5所述的气液传质设备，其特征还在于，在齿轮泵与NaAlO₂溶液管道之间、离心泵与微气泡发生器之间、气罐与微气泡发生器的气体入口之间均装设有流量计，所述流量计用于调节流量，可根据反应要求灵活调节反应容器内的NaAlO₂溶液和CO₂气体的含量，控制反应。

8.根据权利要求5所述的气液传质设备，其特征还在于，通过微气泡发生器和丝网装置，使得反应容器内气泡直径的范围涵盖0.04～5mm，大气泡体积占气泡总体积的30％～70％。

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