CN115957655A - 微气泡发生器、气液鼓泡床反应装置及其反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气液混合反应领域，公开了一种微气泡发生器、气液鼓泡床反应装置及其反应方法，其中，所述微气泡发生器包括文丘里管(1)，所述文丘里管(1)包括渐缩段(3)、喉口直段(4)和渐扩段(7)，所述喉口直段(4)上设置有与径向方向成角度地贯通管壁的第一旋流气孔(13)。通过上述技术方案，可以减小在液体中形成的气泡的尺寸，延长气泡在喉口直段和渐扩段中的停留时间，使得气体与液体混合均匀。

Description

微气泡发生器、气液鼓泡床反应装置及其反应方法

技术领域

本发明涉及气液混合反应领域，具体地涉及一种微气泡发生器，并且涉及一种气液鼓泡床反应装置及其反应方法。

背景技术

气液鼓泡床反应器是一种重要的多相反应器，气液两相并流向上流动，液相是连续相，气相是分散相，气相以气泡的形式分散于液相中。气泡尺寸对气液两相之间的传质作用至关重要，气泡越小，气液相界面积越大，越有利于气液两相的传质，可以提高反应器的性能。然而传统的气液鼓泡床反应器中气体分布器产生的气泡尺寸都在毫米级以上，特别是在低气液比条件下不利于气液相间传质。毫米级气泡除了比表面积小，气液两相的传质速率低之外，还易造成液相湍动和返混，且气泡之间的相互作用变得严重，对反应器的性能造成不良影响。因此开发基于微气泡的气液鼓泡反应器，具有安全、高效、节能的特点，应用前景广泛。

微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，发生方式主要分为剪切接触式，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等方式。

专利CN201910238708.3公开了一种文丘里型微气泡发生器及气液发生器，发明的文丘里型微气泡发生器由旋流装置、进气孔和文丘里管组成，文丘里管渐扩段内的旋流装置增强液体剪切力，高速强湍动的液体使得气泡发生二次破碎，产生大量微气泡，具有结构紧凑、能耗低、微气泡发生效果好、维护方便等优点。气液反应器中使用这种微气泡发生器后，增强了气泡在反应器中的分散效果，强化了气液传质效率。

专利CN109550418A提出了一种旋流型微气泡发生器及包含该微气泡发生器的气液反应器，微气泡发生器由进液管、进气管和文丘里管组成，其中进液管与文丘里管渐缩段外径相切，通过进液管进入的高速液体相互撞击后湍流动能增加，强烈的剪切作用使得气泡发生多次破碎并产生大量微气泡，具有结构紧凑、操作简单、维护成本低的特点。

上述气泡发生其仍存在气泡尺寸离散、气泡尺寸偏大、液相溶气率不足等问题。因此，有必要对微气泡发生器进行优化设计，提高微气泡发生效果，满足高气液比和高传质效率的要求，使其具备更广的实用性。

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、染料及其他精细化学品中。目前邻甲基苯甲酸的生产大都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。

发明内容

本发明的目的是提供一种微气泡发生器，以解决其存在气泡尺寸偏大、液相的溶气率不足等问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种微气泡发生器，其中，所述微气泡发生器包括文丘里管，所述文丘里管包括渐缩段、喉口直段和渐扩段，所述喉口直段上设置有与径向方向成角度地贯通管壁的第一旋流气孔。

可选择的，所述第一旋流气孔沿小于所述喉口直段的内周半径的同心圆的切向方向贯通管壁。

可选择的，所述微气泡发生器包括在所述第一旋流气孔处包围所述喉口直段的第一气室。

可选择的，所述微气泡发生器包括连接于所述渐扩段的出口直管，所述出口直管上设置有与径向方向成角度地贯通管壁的第二旋流气孔。

可选择的，所述第二旋流气孔沿切向方向贯通管壁。

可选择的，所述微气泡发生器包括在所述第二旋流气孔处包围所述出口直管的第二气室。

可选择的，所述第一旋流气孔和/或所述第二旋流气孔为沿气流方向的渐缩孔。

可选择的，所述微气泡发生器包括设置在所述出口直管中的加速件，所述加速件和所述出口直管的内周面之间形成加速环隙。

可选择的，所述第二旋流气孔位于所述加速环隙截面最小的位置。

可选择的，所述渐扩段的内壁、所述出口直管的内壁以及所述加速件的后部的外壁上设置有波纹。

可选择的，所述微气泡发生器包括设置在所述出口直管远离所述渐扩段的一端中的网状或格栅状的破泡板。

可选择的，所述微气泡发生器包括连接于所述渐缩段的进口直管。

另外，本发明还提供了一种气液鼓泡床反应装置，其中，所述气液鼓泡床反应装置包括鼓泡床和循环管路，所述鼓泡床设置有顶部的气相出口、底部的液相出口、侧部的原料进口、上部的循环出口和下部的循环进口，所述循环管路连接于所述循环出口和循环进口，所述循环管路上设置有以上方案所述的微气泡发生器。

可选择的，所述循环管路上设置有动力件和换热单元。

另外，本发明还提供了一种气液鼓泡床反应装置的反应方法，其中，所述气液鼓泡床反应装置为以上方案所述的鼓泡床反应装置。

通过上述技术方案，可以减小在液体中形成的气泡的尺寸，延长气泡在喉口直段和渐扩段中的停留时间，使得气体与液体混合均匀。

附图说明

图1是本发明实施方式所述的微气泡发生器的结构示意图；

图2是本发明实施方式所述的旋流气孔的示意图；

图3是本发明实施方式所述的加速件的示意图；

图4是本发明实施方式所述的气液鼓泡床反应装置的结构示意图。

附图标记说明

1-文丘里管，2-进口直管，3-渐缩段，4-喉口直段，5-第一进气管，6-第一气室，7-渐扩段，8-第二进气管，9-第二气室，10-加速件，11-出口直管，12-破泡板，13-第一旋流气孔，14-第二旋流气孔，20-原料进口，21-微气泡发生器，22-循环进口，23-鼓泡床，24-循环出口，25-换热单元，26-动力件，27-气相出口，28-液相出口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供了一种微气泡发生器，其中，所述微气泡发生器包括文丘里管1，所述文丘里管1包括渐缩段3、喉口直段4和渐扩段7，所述喉口直段4上设置有与径向方向成角度地贯通管壁的第一旋流气孔13。

文丘里管1包括内径逐渐缩小的渐缩段3、内经基本恒定的喉口直段4和内径逐渐增加的渐扩段7，三段结构沿流动方向依次连接。文丘里管1通过渐缩段3通入流体，例如液体。

其中，喉口直段4上形成有第一旋流气孔13，第一旋流气孔13沿与径向方向成某一角度的方向延伸，即其延伸方向与径向方向存在夹角，从第一旋流气孔13进入到喉口直段4中的气流与径向方向存在夹角，从而可以在喉口直段4中形成旋流，可以减小在液体中形成的气泡的尺寸，延长气泡在喉口直段4和渐扩段7中的停留时间，使得气体与液体混合均匀。

在本方案中，旋流气孔可以使得气体在文丘里管中形成旋流，形成尺寸更小的气泡，提高气体和液体的混合均匀度。

可选择的，所述第一旋流气孔13沿小于所述喉口直段4的内周半径的同心圆的切向方向贯通管壁。如图2所示，第一旋流气孔13的延伸方向与喉口直段4的半径方向形成夹角，其延伸方向所切的圆为所述喉口直段4的一个同心圆，该同心圆的半径小于内周半径，从而可以使得旋流气体在喉口直段4内部形成旋流。

其中，第一旋流气孔13位于喉口直段4长度的1/4～3/4范围内，设置有2～5层，每层至少设置4个旋流气孔，旋流气孔与喉口直段4的一个同心圆的半径方向相切，相切半径(与旋流气孔的延伸方向相切的同心圆的半径)为喉口直段4(内周)半径的1/3～2/3。

相切半径是指，与旋流气孔的延伸方向相切的同心圆的半径。

另外，所述微气泡发生器包括在所述第一旋流气孔13处包围所述喉口直段4的第一气室6。如图1所示，第一气室6将喉口直段4设置有第一旋流气孔13的部分包围起来，第一气室6可以容纳气体，形成较为稳定的气压环境，以向喉口直段4中注入旋流气体。另外，第一气室6连接有第一进气管5，第一进气管5可以连接于供气设备，以向第一气室6中提供对应的气体。第一气室6为第一进气管5和第一旋流气孔13提供了连通的媒介结构，特别是可以作为气压的缓冲室，保证气压稳定。

另外，所述微气泡发生器包括连接于所述渐扩段7的出口直管11，所述出口直管11上设置有与径向方向成角度地贯通管壁的第二旋流气孔14。出口直管11可以延长了气体和液体的流动路径，使得二者更进一步地混合，使得气泡破碎为更小尺寸。第二旋流气孔14与第一旋流气孔13的结构和功能基本相似，在此不再重复说明。

与第一旋流气孔13类似的，所述第二旋流气孔14沿小于所述出口直管11的内周半径的同心圆的切向方向贯通管壁。

其中，第二旋流气孔14位于出口直管11前部，位于出口直管11长度的0～1/3范围内，设置有1～3层旋流气孔，每层至少设置8个旋流气孔，旋流气孔与出口直管11的一个同心圆的半径方向相切，相切半径为出口直管11内周半径的1/2～1。

另外，所述微气泡发生器包括在所述第二旋流气孔14处包围所述出口直管11的第二气室9。第二气室9可以连接第二进气管8，第二进气管8和第一进气管5可以连接于同一供气设备，当然，也可以连接于不同的供气设备。第二气室9和第二进气管8与以上所述的第一气室6和第一进气管5的结构和作用基本相似，在此不再重复说明。

在本方案中，在文丘里管1和出口直管11两个位置均设置了旋流气孔，可以在两个位置先后注入气流，使得气流与液体充分混合。

其中，所述第一旋流气孔13和/或所述第二旋流气孔14为沿气流方向的渐缩孔。渐缩孔结构可以缩小在液体中形成的气泡的尺寸，使得气泡更充分地与液体混合。旋流气孔的渐缩角度可以为0～45°。

另外，所述微气泡发生器包括设置在所述出口直管11中的加速件10，所述加速件10和所述出口直管11的内周面之间形成加速环隙。加速件10可为球形、椭圆形、球锥形、圆锥形等，也可相互组合而成。如图1和图3所示，加速件10包括前部的半球形和后面的圆锥形。加速件10和出口直管11之间形成的环形间隙可以提高流体的流动速度，并且实现了对气泡的二次破碎，形成更小尺寸的气泡；另外，第二旋流气孔提供的气体提高了气液比，从而提高了溶气率。

其中，所述第二旋流气孔14位于所述加速环隙截面最小的位置。如图1所示，在轴向方向上加速件10与出口直管11间的环隙的截面的大小在变化，其中，最小环形间隙的面积为出口直管的横截面面积的0.03～0.2。

其中，所述加速件10位于出口直管11前部，位于出口直管11长度的0～1/3范围内。

另外，所述渐扩段7的内壁、所述出口直管11的内壁以及所述加速件10的后部的外壁上设置有波纹。波纹结构增强了湍流强度，形成大量的小涡流，加深了气泡的破碎程度。所述波纹结构可为三角形、圆形或者梯形等截面形状的凹凸台，也可相互组合而成。

另外，所述微气泡发生器包括设置在所述出口直管11远离所述渐扩段7的一端中的网状或格栅状的破泡板12。破泡板12上形成的小孔可以对液体中存在的气泡进行破碎，以形成尺寸更小的气泡。

另外，所述微气泡发生器包括连接于所述渐缩段3的进口直管2。喉口直段4与进口直管2横截面面积之比为0.05～0.3，喉口直段4与出口直管11的横截面面积之比为0.05～0.3，进口直管2与出口直管11的横截面面积之比为0.8～1.2。渐缩段3的锥角为10～60°，渐扩段7的锥角为5～50°。

微气泡发生器通过设置旋流气孔、壁面波纹结构、气液环隙加速件和破泡板等，强化气液混合破碎，增大了气液比。

另外，本发明还提供了一种气液鼓泡床反应装置，其中，如图4所示，所述气液鼓泡床反应装置包括鼓泡床23和循环管路，所述鼓泡床23设置有顶部的气相出口27、底部的液相出口28、侧部的原料进口20、上部的循环出口24和下部的循环进口22，所述循环管路连接于所述循环出口24和循环进口22，所述循环管路上设置有以上方案所述的微气泡发生器21。

另外，所述循环管路上设置有动力件26和换热单元25。动力件26可以为压力泵，以为循环管路中的流体提供循环动力。换热单元25可以实现对循环管路中流体的散热。

循环管路在气液鼓泡床中形成的旋流和外循环，增强了气液鼓泡床内的传递效率，提高了气液均质分布。

另一方面，本发明还提供了一种气液鼓泡床反应装置的反应方法，其中，所述气液鼓泡床反应装置为以上方案所述的鼓泡床反应装置。

其中，液体原料从原料进口20进入气液鼓泡床23中，当液位高于循环出口24时，液体原料进入循环管，在动力件26作用下高速进入微气泡发生器21，并与来自第一进气管5和第二进气管8的空气混合产生富含微气泡的液体，旋流进入气体鼓泡床23中。气液鼓泡床23中的液体原料被旋流带动，呈旋转流动并与液体原料中的微气泡空气反应，生成液相氧化产物和气相产物并放出热量，带有热量的液相氧化产物再次流经循环管路，经换热单元撤热后，再作为液体循环生成微气泡。

其中，液体原料经过微气泡发生器21的液体进口1、进口直管2、渐缩段3后，液体速度增加进入喉口直段4，空气进入第一进气管5，经第一气室6均布后从第一旋流气孔13旋转进入喉口直段4，被喉口直段4内的高速低压液体卷吸进入喉口直段4，与液体原料充分混合，经高速液体剪切破碎后，形成粗气泡。带有粗气泡的液体进入渐扩段7，液体速度减小压力增加粗气泡进一步破碎，并且在渐扩段7内壁波纹结构的作用，近壁面处湍流强度增加，形成大量的小涡流，气泡的破碎程度加深，可破碎至微气泡。带有微气泡的液体进入出口直管11，并受加速件10的作用，被二次减压加速破碎，空气进入第二进气管8，经第二气室9均布后从第二旋流气孔14旋转进入出口直管11的前部，被环隙中高速低压液体卷吸，与带有微气泡的液体充分混合，经高速液体剪切破碎后，进入出口直管11的中部和后部液体被减速增压，再在加速件10后部外壁和出口直管11内壁波纹结构的湍动作用下，形成高气液比的富含气泡的液体。最后穿过破泡板12后，可得到分布均匀的微气泡。

其中，进口直管2的液体进口处的液体速度大于0.5m/s，第一进气管5的气体与液体进口处的体积流量之比为0.01～0.2，第二进气管8的气体与液体进口的液体体积流量之比为0.005～0.1。

另外，第一旋流气孔13过孔气速为0.01～0.01m/s，第二旋流气孔14过孔气速为0.005～0.005m/s。

以下将对本方案的气液鼓泡床反应装置的各个实施例进行说明。

【实施例1】

邻二甲苯从气液鼓泡床反应器的液体原料进口进入微气泡发生器的液体原料进口中，经过进口直管和渐缩段，液体加速进入喉口直段。气体原料空气进入第一旋流气孔，被高速负压卷吸进入喉口直段，与高速液体混合，气泡被高速液体剪切破碎形成粗气泡，在渐扩段内壁波纹结构的作用，进一步破碎至微气泡。带有微气泡的液体进入出口直管受到加速件的作用，被二次减压加速破碎，另外一股原料空气进入第二气室，被环隙中高速低压液体卷吸，与带有微气泡的液体充分混合，经高速液体剪切破碎后，进入出口直管的中部和后部液体被减速增压，再在加速件后部外壁和出口直管内壁波纹结构的湍动作用下，形成高气液比的富含气泡的液体。最后穿过破泡板后，可得到分布均匀的微气泡，进入鼓泡床中，在催化剂的作用下进行气液反应。

第一旋流气孔位于喉口直段长度的1/2内，设置有2层，每层设置4个旋流气孔，旋流气孔与喉口直段的半径方向相切，相切半径为喉口直段半径的1/3，旋流气孔的渐缩角度为30°。第二旋流气孔设置有2层，每层设置8个旋流气孔，旋流气孔与喉口直段的半径方向相切，相切半径为喉口直段半径的1/3，旋流气孔的渐缩角度为30°。喉口直段与进口直管横截面面积之比为0.1，加速件采用球形，最小环形间隙的面积为出口直管的横截面面积的0.08。渐扩段、出口直管的内壁以及加速件的后部的外壁上的波纹为三角形截面形状的凹凸台。第一进气管5的气体与液体进口处的体积流量之比为0.1，第二进气管的气体与液体进口的液体体积流量之比为0.01。气液鼓泡床内气含率为0.31，平均气泡直径300um，邻甲基苯甲酸的单程收率为61.2％，结果详见表1。

【实施例2】

按照实施例1的方式，不同的是，第一旋流气孔的层数是3层，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径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，第一旋流减缩角度为30°，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径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，喉口直段与进口直管横截面面积之比为0.7，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径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，加速件采购球锥形，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径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，最小环形间隙的面积与出口直管截面积之比为0.05，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径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，渐扩段、出口直管的内壁以及加速件的后部的外壁上的波纹形式为半圆形，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径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，第一进气管的气体与液体进口处的体积流量之比为0.15，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径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，第二进气管的气体与液体进口的液体体积流量之比为0.02，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径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，格栅形式采用网状，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表2。

【比较例1】

按照实施例1的方式，不同的是，不设置第二旋流气孔，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

【比较例2】

按照实施例1的方式，不同的是，不设置加速件，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

【比较例3】

按照实施例1的方式，不同的是，不设置渐扩段、出口直管的内壁以及加速件的后部的外壁上的波纹形式，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

【比较例4】

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、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

表1

表2

表3

本发明通过气泡发生器、气液鼓泡反应器与反应方法，增加气液接触面积、提高溶气率、强化传递过程，提高了反应速率，有效减少了反应时间，大幅提高了邻甲基苯甲酸的产品收率与经济性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种微气泡发生器，其特征在于，所述微气泡发生器包括文丘里管(1)，所述文丘里管(1)包括渐缩段(3)、喉口直段(4)和渐扩段(7)，所述喉口直段(4)上设置有与径向方向成角度地贯通管壁的第一旋流气孔(13)。

2.根据权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述第一旋流气孔(13)沿小于所述喉口直段(4)的内周半径的同心圆的切向方向贯通管壁。

3.根据权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述微气泡发生器包括在所述第一旋流气孔(13)处包围所述喉口直段(4)的第一气室(6)。

4.根据权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述微气泡发生器包括连接于所述渐扩段(7)的出口直管(11)，所述出口直管(11)上设置有与径向方向成角度地贯通管壁的第二旋流气孔(14)。

5.根据权利要求4所述的微气泡发生器，其特征在于，所述第二旋流气孔(14)沿小于所述出口直管(11)的内周半径的同心圆的切向方向贯通管壁。

6.根据权利要求4所述的微气泡发生器，其特征在于，所述微气泡发生器包括在所述第二旋流气孔(14)处包围所述出口直管(11)的第二气室(9)。

7.根据权利要求4所述的微气泡发生器，其特征在于，所述第一旋流气孔(13)和/或所述第二旋流气孔(14)为沿气流方向的渐缩孔。

8.根据权利要求4所述的微气泡发生器，其特征在于，所述微气泡发生器包括设置在所述出口直管(11)中的加速件(10)，所述加速件(10)和所述出口直管(11)的内周面之间形成加速环隙。

9.根据权利要求8所述的微气泡发生器，其特征在于，所述第二旋流气孔(14)位于所述加速环隙截面最小的位置。

10.根据权利要求8所述的微气泡发生器，其特征在于，所述渐扩段(7)的内壁、所述出口直管(11)的内壁以及所述加速件(10)的后部的外壁上设置有波纹。

11.根据权利要求4所述的微气泡发生器，其特征在于，所述微气泡发生器包括设置在所述出口直管(11)远离所述渐扩段(7)的一端中的网状或格栅状的破泡板(12)。

12.根据权利要求11所述的微气泡发生器，其特征在于，所述微气泡发生器包括连接于所述渐缩段(3)的进口直管(2)。

13.一种气液鼓泡床反应装置，其特征在于，所述气液鼓泡床反应装置包括鼓泡床(23)和循环管路，所述鼓泡床(23)设置有顶部的气相出口(27)、底部的液相出口(28)、侧部的原料进口(20)、上部的循环出口(24)和下部的循环进口(22)，所述循环管路连接于所述循环出口(24)和循环进口(22)，所述循环管路上设置有权利要求1-12中任意一项所述的微气泡发生器(21)。

14.根据权利要求13所述的鼓泡床反应装置，其特征在于，所述循环管路上设置有动力件(26)和换热单元(25)。

15.一种气液鼓泡床反应装置的反应方法，其特征在于，所述气液鼓泡床反应装置为权利要求13或14所述的鼓泡床反应装置。

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