CN1269256A - 涡流式超重力场反应装置及其应用 - Google Patents

Abstract

一种涡流式超重力场反应装置,其特征在于至少设有一个反应室,于反应室上设有连续相进口;反应室内设固定支撑体,于该支撑体上设有可附着反应物的载体,该连续相进口与该载体切向设置;反应室的对应处设有布液器;于最后一级反应室的后部连接一分离室,该连续相出口设于分离室;每室间由隔板区隔,并由隔板的间隙相互导通;在本装置下部设集液箱和出料口。本发明用于包括两相或多相物系的传递反应过程。如汽—液、液—液、汽—液—固各物系的相际间的物理化学反应。

Description

涡流式超重力场反应装置及其应用

本发明涉及一种用于化工生产或废品净化过程中强化传递的涡流式超重力场反应装置，特别是用于包括两相或多相物系的传递反应过程。如汽—液、液—液、汽—液—固各物系的相际间的物理化学反应。

常规的传质设备中，物质的相间传递和反应效果除了与参加反应的汽液固相自身的物化性质、湿度、压力等因素有关外，还与相间接触面积的大小、流动状况以及相对速度有关。传统的设备(如填料塔、板式塔、网膜塔等)中，液相是靠重力自然地由上而下流动，因此液膜厚、流速低、停留时间长，这对液相控制的传质过程和选择性吸收是很不利的，对气相由于受浮力因子的限制，液泛点的气速比较低，这对于强化气相控制的传质过程，减小设备体积也是不利的。

近年来针对上述问题，人们开发出一类称为旋转填充床的超重力场装置(简称超重机)。是一种用离心力强化传递与混合过程的设备，这类设备的典型结构特征为由密封机壳和一个可高速旋转的环行填充床组成，在转子的环形填料层中间设有液体分布器，液体从填料内环而进入填料，机壳的侧面开有进气孔，在压力梯度的作用下，气体由环形行填料外环而进入填充层，在填料中汽液相逆流接触。该类设备在运行时可产生稳定可调的离心力场使浮力因子提高1～3个数量级，液体在超重力场中由于受到巨大的剪切力的作用，被拉成极薄的膜，很细的丝和微小的滴，表面被迅速更新，产生巨大的相间接触面积，因此极大地提高了传质速率，也提高了泛点气速。这一切对强化传质过程都非常有利，并可大幅度地减小设备体积，降低投资。由于具有优良的特征，解决了许多在常重力场下难以解决的问题，因此在吸收、解析、蒸馏等分离过程中应用已取得突出的成果。但是，因为超重机是以动代静，以机代塔，所以就必须解决机器的动密封，机械运转的稳定性、可靠性、长期性和维护等问题，尤其是处理大量物料时，旋转填充床不易做的太大，以多个小型机替代，则投资、动力消耗、运行管理都会骤增，另外因动平衡的原因，旋转填充床的转速也不能太高，这些问题都直接制约了超重机的推广应用，且这类设备只利用了离心力场的作用，对旋流体中心区(涡核区)的特性未能考虑。

本发明的目的是提供一种涡流式超重力场反应装置，使其以静代动，彻底解决因机械运动所存在的问题；充分利用旋转流体的特性，进一步提高反应效率；并能适用于多相物流在超重力场中参加反应的装置。

本发明的目的是这样实现的，一种涡流式超重力场反应装置，其特征在于至少设有一个反应室，于反应室上设有连续相进口；反应室内设固定支撑体，于该支撑体上设有可附着反应物的载体，该连续相进口与该载体切向设置；反应室内与载体的对应处设有布液器；于最后一级反应室的后部连接一分离室，该连续相出口设于分离室；每室间由隔板区隔，并由隔板的间隙相互导通；在本装置下部设集液箱和出料口。

上述的支撑体上设有的载体可为一网膜，该网膜可为涡旋状、片板状或多层复合式，也可为环形、星形、螺旋形、翼形。所述的载体可为蜂窝填料或填充床。该的连续进相进口呈现收敛状，其收敛状的连续相进口内设有间隙调整装置。反应室可串连两个以上，其间由隔板分开，并由隔板周边的间隙导通，集液箱可设于反应室的下端，于该集液箱与反应室间设有排液狭缝。该集液箱也可设于分离室的下端，于该集液箱与分离室间设有排液狭缝。所述的反应室可上，下串联设置两反应室间设有分隔板，由隔板上的通孔上互导通，分离室可设于上层反应室的上端，连续相出口设于分离室的上端，布液器设于支撑体上附着反应物的载体的上端。

本装置可应用于石油、化工、冶金、制药、食环保等行业中的吸收、吸附、解折、蒸馏、干燥、催化转化、液-液萃取、尾气净化及除尘工艺，以及粘度值小于10泊的物质的制备工艺中。

本发明的工作原理是，本发明的基本主体结构为一个包括连续相进口、布液器、反应室、分离室、及连续相出口的装置，在该装置下部设集液箱和出料口；反应室中装有固定支撑体，于该支撑体上设有可附着反应物的载体，如中空的涡状网架或填料床等，该连续相进口与该载体切向设置；反应室与分离室由一隔板隔开。设备运行时，(以气体作连续相为例)，气流由置于反应室一侧切向设置的连续相进口导入，并在反应室内高速旋转形成一个稳定的超重力场，其转速可由风机风压和位于进口内的间隙调整装置控制，连续相可以是反应气体本身，也可以仅作为动力。反应液由布液器均匀喷向网架形成液膜，由于气流的高速切割运动，反应物载体的表面受到压力，液膜不断变薄直至撕碎、雾化并迅速形成微粒状分散体系。为反应物的相间传质提供了极大的且不断更新的接触表面，传质系数显著增大，反应速率也相应加快。再加上该装置强烈均匀的搅拌作用及高速流体对分散体系的悬浮作用，都为物系间的吸收、吸附、催化转化、能量转换和相间物质传递提供了充分的必要条件。

特别值得一提的是，旋转流体可分为两个特征区域，准势流区和似固区(或称涡核)。在准势流区中流体为层流特性，以离心分离机制为主，大粒径物质在此分离；准势流区与涡核区的交界处(过渡区)切向速度最大；涡核中流体转速沿半径急速减小，到中心时趋于0，压力在此趋于-∞，微粒被大量“吸入”，在此微尘、雾滴经碰撞，凝并质量增大后再次通过过渡区时得到有效分离，但现有旋流设备大多都设计成中心出流的，微粒随之而出，所以普遍存在对微粒捕集率低的弱点。本发明则将装置改为周边出流方式，保持并有效地利用了旋转体的上述特征，致使对微粒的捕集效率有了很大的提高，确保了吸收、分离在本设备中一次完成。反应后的液体因离心作用甩至器壁向下流入盛液箱。气体则由档板周边的缝隙进入分离室经进一步除湿后排放或回收(亦可循环使用)。液体及固体则由出料口适时放出。

不难看出，由于采用上述方案，本装置同现有技术相比具备如下特点：

1.本装置是以连续相为动力的，所采用的连续相可以是气体，也可以是液体。连续相可以参加反应，也可仅作为动力；可以是单一的，也可以是两种以上的混合物。

2.由风机(或泵)和进口开度控制形成的超重力场，运行稳定可靠，转速可达上万转(现有超重机转速一般为1-2千转左右)。调速随意简便，开停机迅速，且即可正压运行，亦可负压运行。

3.中空涡状网架以静代动，不存在机械运转问题，旋转气体与之多次切割，相对速度很高，可使网上液膜雾化，表面不断更新，相间接触面积极大，传质系数很高。

4.涡状网架可设计成中空的，可避免堵塞，同时还可以有效地利用涡核区的特性和过渡区的分离作用，提高对微粒的捕集效率。

5.因本装置具有冲击雾化作用，所以对布液器自身的要求不高，免去了各种雾化喷头(如旋转雾化器、射流雾化器)的动力消耗及相应的磨损和堵塞等问题。布液器可以是多个，用于多种物料参与反应。

6.涡网可制成各种形式。如涡状填料床、涡状板等，也可制成其他形状，如环形、星形、螺旋形、片状、翼形等网架或填充床。网、板及填料表面可介入催化剂，网架为一整体，拆装方便，易于维护和更换，可适用于多种不同反应场合。

7.反应室可设计成多级串联式，能使不同反应(如选择性吸收)连续完成。也可并联使用，处理大量物料的反应。

8.可广泛应用于石油、化工、冶金、制药、食品、环保等行业中的制备、吸收、吸附、解析、蒸馏、干燥、催化转化、液—液萃取、尾气净化及除尘等多种工艺过程。

9.结构简单，使用维护方便。

10.动力消耗小，运行费用低廉。

附图图面说明：

图1为本发明的第一种实施例的结构外观图。

图1A为图1的侧视图。

图1B 为图1的俯视图。

图2  为图1的B-B剖视图。

图3  为图1C的A-A剖视图。

图4  本发明的第二种实施例的结构示意图。

图5  本发明的第三种实施例的结构示意图。

图6  本发明的第四种实施例的结构示意图。

图7  本发明的第五种实施例的结构示意图。

图8  本发明的中空涡网的结构示意图。

图9  本发明中多层复合网膜结构示意图。

图10 本发明中螺旋涡网的结构示意图。

图11 本发明环状涡网的结构示意图。

图12 本发明中星状涡网的结构示意图。

图13 本发明中翼状涡网的结构示意图。

下面结合附图，通过实施例的描述详细说明本发明。

参照图1～图3，本发明的涡流式超重力场反应装置，至少一个包括连续相进口1、布液器8、反应室2、分离室3、及连续相出口4等装置，在该装置下部设集液箱6和出料口7；反应室2中装有反应物载体，在本实施例中该载体为中空涡状网11；反应室2与分离室3由一档板9隔开。中空涡网11与主体制成分体式，拆装方便，利于维护，并可根据需要于中空涡网11上装有不同的网膜形式。

如图2和图3所示，在本实施例中，该连续相进口1呈收敛状入口，其于该呈收敛状的连续相入口1内设有一楔形滑块13，该楔形滑块13可沿该连续相入口1上下移动，以此调整该连续相入口1的开口间隙的大小。该楔形滑块13的上下移动的调整结构一般常规的升降调整机构构成，(例如采用滑道与凸销相配合的结构或顶丝推顶结构等等)在此不再赘述。

在本实施例中，中空涡网11如图8所示。其包括有内外两层网支架12，与内外内两层网支架12之间连接有数个弧状的网膜14，以构成呈中空涡网11。该中空涡网11固定地设于该反应室2内。上述的呈收敛状的连续相进口1的进相方向与该中空涡网11上的网膜14相切。

如图2所示，于本实施例中，反应室2的下方设有一集液箱6，并于反应室2与集液箱6之间设有一排液狭缝10。集液箱6的下方设有出料口7。

于反应室2的后部连设一分离室3，反应室2与分离室3由一隔板9隔开，分离室3的底端设有环形槽和排液口5很好地解决了汽液固分离中的返混现象。连续相的出口4则设于分离室3。

下面就本发明一使用实施例进一步说明本发明的工作原理。

在本使用实施例中，连续相为气体，即来自多管除尘器后的锅炉烟气，烟气中需净化除去的组分为微尘及SO₂，吸收液为石灰乳液。

本发明在工作时，烟流由连续相进口1切向导入并在反应室2中形成一个高速涡旋状超重力场，气流与中空的中空涡网11多次相交，产生很高的相对速度将布液器8喷在网膜14上的水膜击碎，这样就获得极大的、不断更新的接触表面积，且因烟流自身的热量传递使水滴进一步蒸发雾化，汽液接触面进一步增加，非常有效地提高了Ca²⁺和水对SO₂的吸收转化强度及对微尘的捕集效率；随气流进入涡核区的微尘及水雾相互碰撞凝并后，再次进入涡网时被水膜拦截，微尘中所含的碱性氧化物溶出后参与对SO₂的吸收，可减少吸收液碱性物质的用量，降低液体的循环量。反应完成后，液体连同其所夹带的尘粒回离心作用甩向器壁，从狭缝10流入集液箱6，并由出料口7控制排出；净化后的气体则通过档板9周边的缝隙进入分离室3除湿后液体被气流压入底端环形槽中并由排液口5流出；于气体则沿连续相出口4管外壁返回进入该连续出口4排放。这种结构形式有效地减小了返混现象，进一步保证了净化效果。如果含尘量太大或对SO₂的净化率要求高，亦可采用图4所示的实施例的结构，串联式两段净化方式；如处理烟气量大，则可多台并联使用。

本实施例中所示出的结构亦可应用于生成物粘度较低的制备工艺中。

例如：以CO₂气体作为连续相，与FeSO₂、ZnSO₄、MnSO₂的混合液及氨水制取锰锌铁氧体超细粉末。

运行时，CO₂气体由置于反应室2一侧切向位置的连续相进口1导入，并在反应室2内高速旋转形成一个稳定的超重力场。其转速可由风压和位于进口内的楔形滑块13控制，反应液由布液器8均匀喷向网架形成液膜。由于气流的切割作用在网膜问汽液形成微粒状分散体系，为汽—液—液三相间物质的传递反应创造了充分的条件。反应完成后。，液态物质及微粒因离心力甩至器壁，由集液箱6收集，未反应的CO₂气体通过档板9周边的缝隙进入分离室3进一步除湿后由连续相出口4排出，循环使用。乳浊液由出料口7适时排出，经后序处理取得锰锌铁氧体超细粉末。

图4示出本发明的第二种实施例的结构。在本实施例中，前后并排串连的两个相同结构的反应室2，该两个反应室2的结构与第一种实施例完全相同。于两反应室2间由一隔板9分开，利用该隔板9的周边的间隙将两反应室2导通形成两级串连的方式。本实施例的结构可应用于多段吸收处理。其工作原理如下：

第一级用高浓度亚硫酸铵溶液吸收硫酸工艺尾气中的SO₂，以此来保证付产品亚硫酸铵的浓度要求。剩下的SO₂在第二级用浓度较低的溶液进一步吸收以保证尾气中SO₂含量达到排放标准。后一极的吸收液浓度提高到一定的程度时再用于第一级。这样可取代工业上的两个塔。而且无二次污染的问题。

图5示出本发明的第三种实施例，在本实施例中，包括有一反应室2，其内固定有中空涡网11，于中空涡网11的中心处设有布液器8。该反应室2上端略偏于中空涡网11的轴向中心处设有连续相进口1。该反应室2的后部连设有一轴向加长的分离室3，两室间由隔板9分隔，并由隔板9周边的间隙相互导通。连续相出口4设于分离室3，于该分离室3的下部设有一排液狭缝10并连通于一集液箱6。于集液箱6的下端设有出料口7；网架11与主体制成分体式，且网膜14呈内密外疏的形式，可有效控制微滴的产生。

本实施例的结构主要应用于液—液萃取。

现有萃取塔约有60％-90％的有效高度用以弥补由于纵向混合作用所造成的不利影响，同时单位时间内通过萃取塔的原料液与萃取剂的流量不能任意加大，否则将产生液泛。这样就使得萃取塔的体积很大，而产出效率却不高。采用波德式和芦威式离心萃取器可大大缩小设备体积，提高生产力。但同超重机类似，该类设备需要较大的动力消耗和面对较繁杂的机械维护问题。

利用本实施例所示的涡流式超重力场装置可以较好地解决上述矛盾。在本实施例中在基本主体结构基础上加长分离室并将集液箱置于分离室末端。运行时以轻液为连续相，重液则由布液器加入，两相逆向接触(因重液粘度较大，涡网的滞留作用可阻碍其形成微滴，从而杜绝了乳化的现象)，分散的重液滴因离心作用逐渐移向反应器外缘，反应后两相同时进入分离室，分层后，轻液由连续相出口排出，重液则进入集液箱由出料口控制排放。

图6示出本用新型的第四种实施例。在本实施例包括有两个上下串接的反应室2，于每一反应室2内设有网架11，于该网架11相切的水平方向上设有连续相进口1，两反应室2间由隔板9分隔，该隔板9上分布有通孔91；下层反应室2的下端由隔板9分隔设有一集液箱6，此处的隔板9可呈锥状设置，由该隔板9的周边和中心处的孔导通于下层反应室2。上层反应室2的上部连接一分离室3，两室间也由隔板9区隔，并由隔板9的周边导通，连续相出口4由设于该分离室3的上端。布液器8则设于上层反应室的上部。

本实施例是应用于蒸发浓缩工艺，例如在现有造纸黑液碱回收过程中，往往需要用多效蒸发器将稀黑液浓缩后再喷入燃烧炉烧掉有机质。该工艺流程长，热能损耗大。

设备在动行时，烟气可分段切向进入，黑液由顶部环形布液器8喷向中空涡网11，网膜14采用如图9所示多层复合式，用以提高载液量，与现有的空体直流式喷雾干燥塔相比，效率大为提高。

由于本发明对液体具有极强的分散性和一定的持液能力，并可使热烟流在装置内保持较长的停留时间，热能利用率高。因此可用纸厂自备锅炉的烟气或直接用燃烧炉的烟气使黑液浓缩乃至蒸发，与此同时还可高效去除烟气中的煤尘及SO₂，收到良好的经济效益和环境效益。

图7示出本发明的第五种实施例。本实施例所示的结构，可应用于催化燃烧。在有机废气的燃烧净化系统中，采用催化燃烧方式可使起燃温度降至523-623K，停留时间缩短为0.005-0.01s。本实施例可构成一种有机废气的燃烧净化系统中的燃烧室，请参见图7所示，包括有一反应室2，连续相采用有机废气，并高速由连续相进口1进入，反应室2内设有中空涡网11，在本实施例中该中空涡网11可采用结构如图8所示，并介入催化剂的金属网，也可采用用介入催化剂的金属蜂窝载体制成复合网架，如图10所示出的结构，每层间留10-20mm空隙，两端用陶磁支架绝缘，网上联接电源，起燃前接通电源，即可直接加热催化剂，达到燃烧温度后，关闭电源。有机废气切向进入燃烧室，旋转前进，大大提高了气流的动和停留时间，燃烧效率可明显增加。

图10至图13示出本发明涡网的不同结构，使用者可根据不同的使用需求进行选用。图10示出的一种螺旋状的涡网15，该种涡网15无中空心，所以其常使用于布液器8设于反应室2的上端的结构中，如图6所示出的结构；图11示出的一种环状涡网16，该环状涡网16可增加两相反应物的穿透时间，以此增加其在反应室2内的反应时间；图12示出的是一种星形涡网17，该星形涡网17每一板体171上下两层由网膜172构成，于两层网膜172中间可夹设有蜂窝填料173；图13示出的是一种翼状涡网18，该种翼状涡网18的网膜181上带有折弯状网翼182，此种结构可增加网膜181的表面积，以此增加其反应物有附着能力。

Claims (14)

1、一种涡流式超重力场反应装置，其特征在于至少设有一个反应室，于反应室上设有连续相进口；反应室内设固定支撑体，于该支撑体上设有可附着反应物的载体，该连续相进口与该载体切向设置，气体由该连续相进口高速切向进入反应室内并于该反应室内形成高速旋转的涡流；反应室内的与该载体的对应处设有布液器；于最后一级反应室的后部连接一分离室，该连续相出口设于分离室；每室间由隔板区隔，并由隔板的间隙相互导通；在本装置下部设集液箱和出料口。

2、根据权利要求1所述的一种涡流式超重力场反应装置，其特征在于所述的支撑体上设有的载体可为一网膜，该网膜可为涡旋状、片板状或多层复合式

3、根据权利要求1或2所述的一种涡流式超重力场反应装置，其特征在于所述的撑体上设有的网膜可为环形、星形、螺旋形、翼形。

4、根据权利要求1所述的一种涡流式超重力场反应装置，特征在于所述的载体可为蜂窝填料。

5、其根据权利要求1所述的一种涡流式超重力场反应装置，特征在于所述的载体可为填充床。

6、根据权利要求1所述的一种涡流式超重力场反应装置，其特征在于所述的连续相进口呈现收敛状，其收敛状的连续相进口内设有间隙调整装置。

7、根据权利要求1所述的一种涡流式超重力场反应装置，特征在于所述的反应室可呈串连两个以上，其间由隔板分开，并由隔板周边的间隙导通。

8、根据权利要求1所述的一种涡流式超重力场反应装置，其特征在于所述集液箱可设于反应室的下端，于该集液箱与反应室间设有排液狭缝。

9、根据权利要求1所述的一种涡流式超重力场反应装置，其特征在于所述的集液箱可设于分离室的下端，于该集液箱与分离室间设有排液狭缝。

10、根据权利要求1所述的一种涡流式超重力场反应装置，其特征在于所述的反应室可上，下串联设置，两反应室间设有分隔板，由隔板上的通孔相互导通。

11、根据权利要求1或10所述的一种涡流式超重力场反应装置，其特征在于所述的分离室可设于上层反应室的上端，连续相出口设于分离室的上端。

12、根据权利要求1或10所述的一种涡流式超重力场反应装置，其特征在于所述的布液器设于支撑体上的附着反应物的载体的上端。

13、根据权利要求1所述的一种涡流式超重力场反应装置，其特征在于所述的布液器可为输入不同种反应液的数个。

14、一种涡流式超重力场反应装置的应用，其特征在于该装置可应用于石油、化工、冶金、制药、食环保等行业中的吸收、吸附、解折、蒸馏、干燥、催化转化、液-液萃取、尾气净化及除尘工艺，以及粘度值小于10泊的物质的制备工艺。

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