CN114471207B - 气泡发生装置、气液鼓泡反应装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气泡发生装置、气液鼓泡反应装置及反应方法，该气泡发生装置为筒体结构，筒体包括：液体旋流段，其接收液体原料并使该液体原料螺旋加速运动；卷吸混合段，加速后的液体原料在该卷吸混合段与卷吸进入的气体原料进行混合；气体原料经初步挤压破碎形成的初始气泡在螺旋加速的液体原料形成的旋流剪切作用下，形成微小气泡；混合破碎段，其将微小气泡进行层层破碎并将混合破碎后的气泡引导至气泡释放区。本发明的气泡发生装置、气液鼓泡反应装置及反应方法，对现有的微气泡发生装置进行了优化设计，可有效提高微气泡发生效果。

Description

气泡发生装置、气液鼓泡反应装置及方法

技术领域

本发明涉及化工及相关领域的微小气泡发生装置，特别涉及一种气泡发生装置、气液鼓泡反应装置及方法。

背景技术

鼓泡床反应器凭借其相际接触面大、传递效率高、结构简单和操作稳定等优势而成为气液两相进行质量、动量和能量传递及化学反应的重要设备，在化工及相关领域具有广泛的用途。气液鼓泡反应装置中的气泡形态主导了气液传质和反应性能，常规的气液鼓泡床的气泡普遍较大，气含率不高、溶解速度与传质效率较低。

因此开发微小气泡以强化气液鼓泡装置内的气液传质势在必行。微小气泡具有比表面积大、气含率高、上升速度慢和溶解速度快等特点，是强化传质的重要手段，被广泛应用于石油化工领域的气液两相之间质量传递过程、废水处理、酿酒和好氧生物养殖等领域。目前微气泡的发生主要靠微气泡发生器来实现，发生方式主要包括剪切接触式，如文丘里型微气泡发生器；溶气释放式，如压力溶解型微气泡发生器；微孔散气式，如微孔塑料、橡胶和陶瓷管等；超声成泡式和电解析出式五大类。

中国专利申请CN 109966939A公开了一种文丘里型微气泡发生器及气液发生器，微气泡发生器由旋流装置、进气孔和文丘里管组成，文丘里管从下至上依次至少包括渐缩段、喉管段和渐扩段，该现有技术的方案具有结构紧凑、能耗低、微气泡发生效果好、维护方便等优点。在气液反应器中使用这种微气泡发生器后，气液传质效率可以得到有效提升。

中国专利申请CN110237733A公开了一种微气泡发生装置，包括进水部分、出水部分；进水部分呈筒状，一端为与供水管道连接的接口，另一端在接口的径向范围内沿圆周方向设有一组轴向内径递减的第一液体通道，在第一液体通道径向外侧设有一组通孔；出水部分呈筒状，前端与进水部分表面对接，后端为出水口，前端在出水口的径向范围内沿圆周方向设有一组与第一液体通道一一对应的第二液体通道，第二液体通道的内径大于第一液体通道末端的内径；出水口内设置至少一层筛网；进水部分与出水部分表面对接时利用表面粗糙度产生的间隙，形成进气通道。该方案结构简单，拆装方便，稳定性高，价格低廉。

上述现有技术中的气泡发生装置存在气泡尺寸离散、能耗高等缺点。因此，亟需对微气泡发生装置进行优化设计，提高微气泡发生效果，使其更具备工业实用性。邻甲基苯甲酸是一种重要的有机合成中间体和化工原料，被广泛地用于农药、香料、染料、氯丁烯引发剂及其他精细化学品中。邻甲基苯甲酸的生产大部分采用环烷酸钴为催化剂的液相空气氧化方法，由于环烷酸钴的活性较低，现有技术的气液鼓泡装置的传质效率低、氧化速度慢、氧化时间较长，而反应停留时间过长，导致氧化副产物累积较多，原料单耗高，制约了该生产技术的发展。亟需增加气液接触面积、强化传递过程、提高反应速率并控制反应深度，提高邻甲基苯甲酸产品收率与经济效益。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气泡发生装置、气液鼓泡反应装置及方法，对现有的微气泡发生装置进行了优化设计，有效提高微气泡发生效果。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种气泡发生装置，该装置为筒体结构，筒体包括：液体旋流段，其接收液体原料并使该液体原料螺旋加速运动；卷吸混合段，加速后的液体原料在该卷吸混合段与卷吸进入的气体原料进行混合；气体原料经初步挤压破碎形成的初始气泡在螺旋加速的液体原料形成的旋流剪切作用下，形成微小气泡；混合破碎段，其将微小气泡进行层层破碎并将混合破碎后的气泡引导至气泡释放区。

进一步，上述技术方案中，液体旋流段内设螺旋导流轨道，液体原料通过该螺旋导流轨道进行螺旋加速运动形成湍流。

进一步，上述技术方案中，液体旋流段进一步包括：旋流圆筒段，其与液体原料进口连通；旋流锥筒段，其直径较小一端与卷吸混合段连通。

进一步，上述技术方案中，螺旋导流轨道可以设置为渐开螺旋面，螺旋角可以为0～30°。

进一步，上述技术方案中，卷吸混合段的壁面处可设有对气体原料进行初步挤压破碎的微孔介质，该微孔介质的平均孔径小于500μm。微孔介质可以为多孔膜或多孔板。

进一步，上述技术方案中，混合破碎段中的破碎单元为波纹单元、螺旋单元、心形单元、半球形单元、方形混合单元和斜格栅单元中的至少一种。

进一步，上述技术方案中，波纹单元可以为波纹板或蜂窝斜板组装而成；螺旋单元可以为相反方向扭转的螺旋片组合而成，相邻螺旋单元互相垂直；心形单元可以为呈心形的扭转片串联组合而成；半球形单元可以为半球形的扭转片串联组合而成；方形混合单元可以为长方形片材相互交叉串联而成的混合元件；斜格栅单元可以由多组交叉的横条构成。

进一步，上述技术方案中，混合破碎段可包括：破碎锥筒段，其直径较小一端与卷吸混合段连通；破碎圆筒段，其设于破碎锥筒段下游并与气泡释放区连通。破碎锥筒段的锥角可以设置为10～60°。

进一步，上述技术方案中，气泡释放区可设有锥面，锥面对进入的气泡反推形成外旋流，并将气泡逐级扩散至位于锥面根部的释放区出口。气泡释放区锥面的锥角可以为90～180°。

进一步，上述技术方案中，卷吸混合段与旋流圆筒段横截面面积之比可以设置为0.05～0.4。

进一步，上述技术方案中，卷吸混合段与破碎圆筒段横截面面积之比可以设置为0.05～0.3。

为实现上述目的，根据本发明的第二方面，本发明提供了一种气液鼓泡反应装置，包括前述的气泡发生装置，多个气泡发生装置设置在鼓泡床反应器的气室内。

为实现上述目的，根据本发明的第三方面，本发明提供了一种气液鼓泡反应方法，包括如下步骤：来自气液鼓泡反应装置进料口的液体原料进入气泡发生装置的液体旋流段进行螺旋加速运动；来自气液鼓泡反应装置气室的气体原料进入气泡发生装置的卷吸混合段，加速后的液体原料在该卷吸混合段与卷吸进入的气体原料进行混合；气体原料经初步挤压破碎形成的初始气泡在螺旋加速的液体原料形成的旋流剪切作用下，形成微小气泡；微小气泡进入气泡发生装置的混合破碎段进行层层破碎后进入气泡释放区；在气泡释放区最终形成的微气泡进入鼓泡床反应器的反应区内进行反应。

进一步，上述技术方案中，气泡释放区内设置的锥面对进入的气泡反推形成外旋流，并将气泡逐级扩散至位于锥面根部的释放区出口形成最终的所述微气泡。

进一步，上述技术方案中，气泡发生装置的气体原料进口内的气体流速大于0.02m/s；气泡发生装置的液体原料进口内的液体流速大于0.1m/s；气泡发生装置的混合破碎段的雷诺数Re不小于5000。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明可应用于气液反应中，解决了现有技术中气泡直径大、传质效率低、能耗高等问题；

2)通过旋流剪切、微孔挤压、负压卷吸、混合破碎以及气泡反推释放的过程，最终形成的微小气泡参与后续反应，使反应效率更高；

3)本发明的液体原料在旋流圆筒段与锥筒段自然形成涡流，可有效提高局部的雷诺应力至湍流状态；

4)卷吸混合段使用的微孔介质将气体原料进行初步挤压破碎形成初始气泡后，再进行旋流剪切，使用足够的动能破碎气泡后进入混合破碎段；

5)进入混合破碎段的气泡被沿程的破碎单元逐级切割成更细气泡，如此不停被分割、位移以及重新碰撞，界面不断更新，频繁更新界面，形成局部的重湍流扩散，从而保证较大的气泡逐步破碎，形成新的微小气泡；

6)破碎单元采用波纹单元时，多组波纹通道交错组合而成的通道，附面层可不断剪切出微小气泡；破碎单元采用螺旋单元时，由于相反方向扭转的螺旋片的作用，气泡与液体在螺旋单元反复进行着逆时针旋转-顺时针旋转-逆时针旋转这样不断的扭转与剪切作用，强化了径向的传递与切割，有利于气泡的破碎与产生。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1是本发明气泡发生装置的外观示意图。

图2是本发明气泡发生装置的内部构造示意图。

图3是本发明气泡发生装置液体旋流段横截面剖视示意图。

图4是本发明气泡发生装置气泡释放区结构示意图。

图5是本发明气泡发生装置气泡释放区俯视示意图。

图6是本发明气液鼓泡反应装置的内部结构示意图。

主要附图标记说明：

1-气泡发生装置，11-液体原料进口，12-旋流圆筒段，121-螺旋导流轨道，13-旋流锥筒段，14-卷吸混合段，141-微孔介质，15-气体原料进口，16-破碎锥筒段，17-破碎圆筒段，171-破碎单元，18-释放区进口，19-气泡释放区，191-气泡释放出口，192-释放区锥面；

2-鼓泡床反应器，21-鼓泡反应装置液体进料口，22-鼓泡反应装置气体进料口，23-气室，24-反应器出口，25-反应区。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。

如图1所示，本发明的气泡发生装置为筒体结构，该筒体包括液体旋流段、卷吸混合段以及混合破碎段。具体地，液体旋流段用于接收液体原料并使该液体原料螺旋加速运动，优选而非限制性地，液体旋流段进一步包括：旋流圆筒段12和旋流锥筒段13，其中，旋流圆筒段12与液体原料进口11连通，旋流锥筒段13的直径较小一端与卷吸混合段14连通，优选而非限制性地，旋流锥筒段13的锥角为10～60°。卷吸混合段14上设有气体原料进口15，在旋流圆筒段12和旋流锥筒段13加速后的液体原料在卷吸混合段14与卷吸进入的气体原料进行混合，气体原料经初步挤压破碎形成的初始气泡在螺旋加速的液体原料形成的旋流剪切作用下，形成微小气泡。混合破碎段进一步包括破碎锥筒段16和破碎圆筒段17，破碎锥筒段16直径较小一端与卷吸混合段14连通，优选而非限制性地，破碎锥筒段的锥角为10～60°。破碎圆筒段17设于破碎锥筒段下游并与气泡释放区19连通。破碎锥筒段16和破碎圆筒段17将微小气泡进行层层破碎并将混合破碎后的气泡经释放区进口18引导至气泡释放区19。

进一步如图2、3所示，液体旋流段内设螺旋导流轨道121，液体原料通过该螺旋导流轨道进行螺旋加速运动形成湍流。螺旋导流轨道121为一种渐开螺旋面，螺旋角为0～30°。液体原料进口1的数量可设置至少1个，优选4～6个。

进一步如图2所示，卷吸混合段14的内壁面设有对气体原料进行初步挤压破碎的微孔介质141，该微孔介质为平均孔径小于500μm的微孔材料，微孔介质包括但不限于多孔膜或多孔板。

进一步如图2所示，混合破碎段中的破碎单元171可以采用波纹单元、螺旋单元、心形单元、半球形单元、方形混合单元和斜格栅单元中的至少一种。其中，波纹单元具体为波纹板或蜂窝斜板组装而成；螺旋单元具体为相反方向扭转的螺旋片组合而成，且相邻螺旋单元互相垂直；心形单元具体为呈心形的扭转片串联组合而成；半球形单元具体为半球形的扭转片串联组合而成；方形混合单元具体为长方形片材相互交叉串联而成的混合元件；斜格栅单元具体由多组交叉的横条构成。

进一步如图4、5所示，气泡释放区19设有锥面192。图4中的箭头方向为气泡的运行方向，锥面192可对从释放区进口18进入的气泡反推形成外旋流，并将气泡逐级扩散至位于锥面192根部的释放区出口191。优选而非限制性地，气泡释放区锥面的锥角可以设置为90～180°，进一步可优选至120～165°。

为达到较为理想的旋流和卷吸衔接效果，卷吸混合段14与旋流圆筒段12的横截面面积之比为0.05～0.4；为达到较为理想的卷吸和破碎衔接效果，卷吸混合段与破碎圆筒段横截面面积之比为0.05～0.3。

如图6所示，本发明的气液鼓泡反应装置上部为鼓泡床反应器2，气液鼓泡反应装置包括多个前述气泡发生装置1，多个均匀布置的气泡发生装置设置在气液鼓泡反应装置的气室23内。气液鼓泡反应装置还包括鼓泡反应装置液体进料口21、鼓泡反应装置气体进料口22、反应器出口24。鼓泡反应装置液体进料口21通过液体原料进口11与气泡发生装置1相连通，气室23通过气体原料进口15与气泡发生装置1相连通，气泡发生装置1通过鼓泡床反应器2与反应器出口24相连通。

本发明的气泡发生装置以及应用该气泡发生装置的气液鼓泡反应装置可应用于气液反应中，解决了现有技术中气泡直径大、传质效率低、能耗高等问题，通过旋流剪切、微孔挤压、负压卷吸、混合破碎以及气泡反推释放的过程，最终形成的微小气泡用于在气液鼓泡反应装置反应区25参与反应。

进一步如图1-6所示，本发明的气液鼓泡反应方法，采用上述气泡发生装置、气液鼓泡反应装置，包括如下步骤：

步骤101，液体原料从鼓泡反应装置液体进料口21进入气泡发生装置1的液体原料进口11中，在旋流圆筒段12与旋流锥筒段13内，经过螺旋导流轨道121的导流作用下获得足够的动能，进入卷吸混合段14内；

步骤102，气体原料从鼓泡反应装置气体进料口22进入气室22后，再由气泡发生装置1的气体原料进口15经过微孔介质141的挤压破碎后，形成初始气泡，该初始气泡被高速负压卷吸进入卷吸混合段14内；

步骤103，进入卷吸混合段14内的初始气泡在来自旋流锥筒段13的带着足够动能的湍流液体的旋流剪切作用下，迅速形成微小气泡，并一起进入混合破碎段的破碎锥筒段16与破碎圆筒段17内，并沿程经过破碎单元171的层层破碎后，穿过锥形孔板经过释放区进口18进入气泡释放区19中；

步骤104，夹带着大量微小气泡的液体形成较细的流体旋转进入气泡释放区19，在释放区锥面192反推的作用下，形成外旋流，逐级扩散至气泡释放出口191，并释放出最终的微气泡，进入鼓泡床反应器2内的反应区25进行反应。

优选而非限制性地，气体原料进口15内气体流速大于0.02m/s，液体原料进口11内液体流速大于0.1m/s，混合破碎段的破碎圆筒段17内的雷诺数Re不小于5000。

本发明的气液鼓泡反应方法可使液体原料在旋流圆筒段与锥筒段自然形成涡流，提高局部的雷诺应力至湍流状态；而遇到由微孔介质挤压而来的初始气泡后，进行旋流剪切，使用足够的动能破碎气泡后进入混合破碎段。逐渐释放出来的气泡向下游流动，被沿程的破碎单元逐级切割成更细气泡。不停被分割、位移以及重新碰撞，界面不断更新，频繁更新界面，形成局部的重湍流扩散，从而保证较大的气泡逐步破碎，形成新的微小气泡。

当破碎单元采用波纹单元时，多组波纹通道交错组合而成的通道，通过不断地切割与流转，附面层不断剪切出微小气泡；当破碎单元采用螺旋单元时，由于相反方向扭转的螺旋片的作用，气泡与液体在螺旋单元反复进行着逆时针旋转-顺时针旋转-逆时针旋转这样不断的扭转与剪切作用，强化了径向的传递与切割，有利于气泡的破碎与产生。

本发明的以下实施例采用邻二甲苯作为液体原料，本发明中邻甲基苯甲酸收率定义如下：

收率＝邻甲基苯甲酸(实际)生成量/邻甲基苯甲酸的理论生成量×100％。

通过鼓泡床通气前的静液面高度H₀与通气鼓泡后的液面高度H来计算气含率ε：

实施例1

邻二甲苯从鼓泡反应装置液体进料口进入气泡发生装置的液体原料进口中，在旋流圆筒段与旋流锥筒段内，经过螺旋导流轨道的导流作用获得足够的动能，进入卷吸混合段内；气体原料为空气，从鼓泡反应装置气体进料口进入气室后，再由气泡发生装置的气体原料进口经过微孔介质的挤压破碎后，形成初始气泡，被高速负压卷吸进入卷吸混合段内；进入卷吸混合段内的初始气泡在来自旋流锥筒段的带着足够动能的湍流液体的旋流剪切作用下，迅速形成微小气泡，并一起进入混合破碎段的破碎锥筒段与破碎圆筒段内，并沿程经过破碎单元的层层破碎后，穿过锥形孔板，经过释放区进口进入气泡释放区中；夹带着大量微小气泡的液体形成较细的流体旋转进入气泡释放区，在释放区锥面的反推作用下，形成外旋流，逐级扩散至气泡释放出口，并释放出最终的微气泡，微气泡进入鼓泡床反应器内，在催化剂的作用下进行反应。

旋流圆筒段与旋流锥筒段内螺旋导流轨道的渐开螺旋面的螺旋角角度为15°，卷吸混合段内设置微孔介质的材料为陶瓷材料，平均孔径为200μm，破碎单元型式为波纹单元，液体原料进口为4个，气泡释放出口为2个，卷吸混合段与旋流圆筒段的横截面面积之比为0.25，卷吸混合段与破碎圆筒段的横截面面积之比为0.15，旋流锥筒段的锥角为30°，破碎锥筒段锥角为30°，释放区反推锥面的锥角为135°，破碎圆筒段内的雷诺数Re为12000。气液鼓泡床内气含率为0.21，邻甲基苯甲酸的单程收率为51.6％，结果详见表1。

实施例2

按照实施例1的方式，不同的是，旋流圆筒段与旋流锥筒段内螺旋导流轨道的渐开螺旋面的螺旋角角度为5°，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表1。

实施例3

按照实施例1的方式，不同的是，旋流圆筒段与旋流锥筒段内螺旋导流轨道的渐开螺旋面的螺旋角角度为30°，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表1。

实施例4

按照实施例1的方式，不同的是，卷吸混合段内设置微孔介质的材料为陶瓷材料，平均粒径为400μm，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表1。

实施例5

按照实施例1的方式，不同的是，破碎单元型式采用螺旋单元，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表1。

实施例6

按照实施例1的方式，不同的是，破碎单元型式为心形单元，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表2。

实施例7

按照实施例1的方式，不同的是，液体原料进口数为1个，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表2。

实施例8

按照实施例1的方式，不同的是，气泡释放出口数为6个，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表2。

实施例9

按照实施例1的方式，不同的是，卷吸混合段与旋流圆筒段横截面面积之比为0.05，卷吸混合段与破碎圆筒段横截面面积之比为0.05，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表2。

实施例10

按照实施例1的方式，不同的是，卷吸混合段与旋流圆筒段横截面面积之比为0.35，卷吸混合段与破碎圆筒段横截面面积之比为0.3，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表2。

实施例11

按照实施例1的方式，不同的是，旋流锥筒段的锥角为45°，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

实施例12

按照实施例1的方式，不同的是，破碎锥筒段锥角为45°，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

实施例13

按照实施例1的方式，不同的是，释放区反推锥面的锥角为120°，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

实施例14

按照实施例1的方式，不同的是，破碎圆筒段内的雷诺数Re为6000，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

实施例15

按照实施例1的方式，不同的是，破碎圆筒段内的雷诺数Re为20000，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

表1

表2

表3

【比较例1】

按照实施例1的方式，不同的是，在破碎圆筒段后不设置本发明所用的气泡释放区进口与气泡释放区，采用常规技术的直接释放进入气液鼓泡装置中，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表4。

【比较例2】

按照实施例1的方式，不同的是，不设置旋流圆筒段、旋流锥筒段、破碎锥筒段、破碎圆筒段、释放区进口与本发明所用的气泡释放区，仅在卷吸混合区内设置微孔介质，采用常规技术的直接释放进入气液鼓泡装置中，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表4。

【比较例3】

按照实施例1的方式，不同的是，不设置螺旋导流轨道和卷吸混合段的微孔介质，液体原料直接进入卷吸混合段与气体原料进行混合后进入混合破碎段，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表4。

【比较例4】

采用现有技术的常规孔板气泡发生器与气液鼓泡装置，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表4。

【比较例5】

采用现有技术的文丘里气泡发生器与气液鼓泡装置，气液鼓泡床内气含率与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表4。

表4

以上实施例和比较例的数据表明采用本发明的装置和方法气液鼓泡床内气含率和产品单程收率有比较明显的提高。采用本发明的技术方案，气泡尺寸明显减小、气液鼓泡装置内的气含率明显增加，气液传质效率明显提高，气泡分散效果好且压降低，解决了现有气液鼓泡反应装置中气泡直径大、传质效率低、能耗高等问题。可用于邻甲基苯甲酸生产中，能够提高原料的利用率，邻甲基苯甲酸的单程收率得到大幅度提高，取得了良好的技术效果。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种气泡发生装置，其特征在于，该装置为筒体结构，所述筒体包括：

液体旋流段，其接收切向进入的液体原料并使该液体原料螺旋加速运动；

卷吸混合段，加速后的所述液体原料在该卷吸混合段与卷吸进入的气体原料进行混合；所述气体原料经初步挤压破碎形成的初始气泡在螺旋加速的液体原料形成的旋流剪切作用下，形成微小气泡；

混合破碎段，其将所述微小气泡进行层层破碎并将混合破碎后的气泡引导至气泡释放区；所述气泡释放区设有锥面，所述锥面对进入的气泡反推形成外旋流，并将所述气泡逐级扩散至位于所述锥面根部的释放区出口。

2.根据权利要求1所述的气泡发生装置，其特征在于，所述液体旋流段内设螺旋导流轨道，所述液体原料通过该螺旋导流轨道进行螺旋加速运动形成湍流。

3.根据权利要求2所述的气泡发生装置，其特征在于，所述液体旋流段进一步包括：

旋流圆筒段，其与所述液体原料进口连通；

旋流锥筒段，其直径较小一端与所述卷吸混合段连通。

4.根据权利要求2所述的气泡发生装置，其特征在于，所述螺旋导流轨道为渐开螺旋面，螺旋角为0~30°。

5.根据权利要求1所述的气泡发生装置，其特征在于，所述卷吸混合段的壁面处设有对所述气体原料进行初步挤压破碎的微孔介质，该微孔介质的平均孔径小于500μm。

6.根据权利要求5所述的气泡发生装置，其特征在于，所述微孔介质为多孔膜或多孔板。

7.根据权利要求1所述的气泡发生装置，其特征在于，所述混合破碎段中的破碎单元为波纹单元、螺旋单元、心形单元、半球形单元、方形混合单元和斜格栅单元中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的气泡发生装置，其特征在于，所述波纹单元为波纹板或蜂窝斜板组装而成；所述螺旋单元为相反方向扭转的螺旋片组合而成，相邻所述螺旋单元互相垂直；所述心形单元为呈心形的扭转片串联组合而成；所述半球形单元为半球形的扭转片串联组合而成；所述方形混合单元为长方形片材相互交叉串联而成的混合元件；所述斜格栅单元由多组交叉的横条构成。

9.根据权利要求7所述的气泡发生装置，其特征在于，所述混合破碎段包括：

破碎锥筒段，其直径较小一端与所述卷吸混合段连通；

破碎圆筒段，其设于所述破碎锥筒段下游并与所述气泡释放区连通。

10.根据权利要求9所述的气泡发生装置，其特征在于，所述破碎锥筒段的锥角为10~60°。

11.根据权利要求1所述的气泡发生装置，其特征在于，所述气泡释放区锥面的锥角为90~180°。

12.根据权利要求3所述的气泡发生装置，其特征在于，所述卷吸混合段与旋流圆筒段横截面面积之比为0.05~0.4。

13.根据权利要求9所述的气泡发生装置，其特征在于，所述卷吸混合段与破碎圆筒段横截面面积之比为0.05~0.3。

14.一种气液鼓泡反应装置，其特征在于，包括如权利要求1至13任意一项所述的气泡发生装置，多个所述气泡发生装置设置在鼓泡床反应器的气室内。

15.一种气液鼓泡反应方法，其特征在于，应用如权利要求14所述的反应装置，包括如下步骤：

来自气液鼓泡反应装置进料口的液体原料进入气泡发生装置的液体旋流段进行螺旋加速运动；

来自气液鼓泡反应装置气室的气体原料进入气泡发生装置的卷吸混合段，加速后的所述液体原料在该卷吸混合段与卷吸进入的气体原料进行混合；所述气体原料经初步挤压破碎形成的初始气泡在螺旋加速的液体原料形成的旋流剪切作用下，形成微小气泡；

所述微小气泡进入气泡发生装置的混合破碎段进行层层破碎后进入气泡释放区；

在所述气泡释放区最终形成的微气泡进入鼓泡床反应器的反应区内进行反应。

16.根据权利要求15所述的气液鼓泡反应方法，其特征在于，所述气泡释放区内设置的锥面对进入的气泡反推形成外旋流，并将所述气泡逐级扩散至位于所述锥面根部的释放区出口形成最终的所述微气泡。

17.根据权利要求15或16所述的气液鼓泡反应方法，其特征在于，所述气泡发生装置的气体原料进口内的气体流速大于0.02m/s；所述气泡发生装置的液体原料进口内的液体流速大于0.1m/s；所述气泡发生装置的混合破碎段的雷诺数Re不小于5000。

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