CN215428271U - 气液混合单元、气液混合器和气液两相反应器 - Google Patents

Abstract

气液混合单元、气液混合器和气液两相反应器，气液混合单元包括由下至上管径缩小的混合腔体(6)和设置于混合腔体内的多孔管(5)，其中，所述多孔管底部开口为气相入口(1)，顶部封闭，所述混合腔体由下至上由进料段、混合段和出口段组成，出口段顶部开口为混合物流出口(8)，所述的进料段侧壁设有液相入口(3)，并且液相入口的流体流动方向与混合腔体侧壁相切。本实用新型提供的气液混合单元、气液混合器结构紧凑，易于安装，并且经过气液混合器的物流中生成气泡直径小，数量多，气液两相接触面积大。气液反应器有利于强化混合及传质效果，进而提高反应速率。

Description

气液混合单元、气液混合器和气液两相反应器

技术领域

本实用新型涉及一种新型气液混合设备，可应用于石油、化工、环保等领域，特别适用于有气液相参与的反应过程或水处理过程。

背景技术

在炼油化工过程中，有很多反应速率远大于传质速率的过程，在这些过程中传质速率是决定宏观反应速率的关键，成为控制步骤。增加传质比表面能够显著提高传质速率。如果将气泡直径从毫米级减小到微米级，同等情况下相间传质面积将提高几十甚至数百倍，进而传质通量和反应速率也相应提高几十甚至数百倍。微气泡技术是提高相界面积的重要手段。微气泡己经被人们广泛地应用于动力、化工、采矿、核能、环境、石油、冶金、医学等领域。

常规生成微气泡的方式可分为射流法、机械分散法、微孔分散法、溶气释气法、超声空化法等。

射流气液混合方法常见的为类似文丘里管结构，包括吸入口，混合管、扩散管等，将液相送入射流器，在射流过程中由于直径减小流速加快，形成一定真空，吸入气相，形成气液两相混合液，进入扩散管中形成一定的压力射流从而喷出。该方法可以生成一定量的小气泡，但是结构较复杂，吸气量小，气泡大小不均且很容易发生聚并，不但混合效果不好，而且造成了能源浪费。

机械分散法通过将水与空气同时通入容器中进行搅拌，在调整的剪切和将气体切割成微小气泡。产生气泡数量多、效率高，但需要使用大功率高速电机，设备制造要求高且气泡尺寸难以控制。

微孔分散法是具有一定压力的气体通过微孔塑料、橡胶、尼龙、微孔陶瓷管、金属烧结管甚至卵石层发泡逸出形成极小的气泡，当气泡逐渐变大，直至气泡浮力大于气泡与材料表面形成亲和力时，脱离微孔形成众多的小气泡。该方法由于没有能量间的多次转换，其能耗是最小的。

溶气释气法：是在加压情况下，使气体强制溶入水中，然后突然减压，使气体从水分子的晶格中析出，形成无数微气泡。显然，为了取得微气泡，需要有一个加压与减压的过程，如此消耗了较大的能量。

超声波产生气泡：超声波作用于液体时可产生大量微气泡，一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡，另一原因是强大的拉应力把液体撕开成一空洞，称为空化。

目前，有些专利也提及了气液混合的问题。CN202146730U公开了一种气液混合器，主要用于气液两相流混合过程，主要由主体管、进气管、节流板、混合单元和旋流片等组成。采用特殊的气液多点接触多种混合元件相结合，完善气液混合特性，减小中心气体锥较大和气体返混的问题。CN108854823A公开了一种高效气液混合装置，涉及气液破碎细化技术领域。包括搅拌套筒和气液混合装置，所述气液混合装置包括进气口、进液口和气液混合出口，所述气液混合出口与所述搅拌套筒连接，所述搅拌套筒内设置有气液切割装置，气液在气液混合装置中进行初步混合，进入搅拌套筒后，在气液切割装置的作用下，形成水利剪切作用和机械剪切作用，将气泡进行切割细化，使得到的气泡的比表面积较大，气液两相的接触面积增大，可有效强化氧的传质效率。张东峰等在《油气田地面工程》的文章“多相流泵溶气气浮处理含油污水的实验研究”中采用溶气泵作为气液混合设备，进行了气浮处理含油废水实验考察，结果表明气泡平均直径约50微米，除油率在80％以上。然而现有生成微气泡的技术普遍存在气液混合不均匀、气泡尺寸不可控、能耗高等问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题之一是提供一种气液混合单元和气液混合设备。可使气液均匀混合后并产生大量微小气泡，并且气泡大小均匀，停留时间长不易聚并。

本实用新型要解决的技术问题之二是提供设有上述气液混合设备的气液两相反应器，适用于有气液相参与的反应过程。

本实用新型提供的气液混合单元，包括由下至上管径缩小的混合腔体6和设置于混合腔体内的多孔管5，其中，所述多孔管底部开口为气相入口1，顶部封闭，所述混合腔体由下至上由进料段、混合段和出口段组成，出口段顶部开口为混合物流出口8，所述的进料段侧壁设有液相入口3，并且液相入口的流体流动方向与混合腔体侧壁相切。

本实用新型提供的气液混合器，包括挡板、挡板上设有至少一个上述的气液混合单元，所述挡板下部的气腔室与所述气液混合单元的气相入口相通，所述挡板上部的液相室与所述气液混合单元的液相入口相通，所述的气液混合单元的混合物流出口设于反应空间内。

一种气液两相反应器，包括壳体、液相进料口、气相进料口和出口，其中，反应器底部设置上述的气液混合器，所述的气相进料口和所述气液混合器的气腔室相通，所述的液相进料口与所述气液混合器的液相室相通。

本实用新型提供的气液混合单元和气液混合器的有益效果为：

与现有技术相比，本实用新型提供的气液混合单元，利用微孔管对气相进行预分散，并利用液相在微孔管表面的高速流动，使产生的气泡及时脱离微孔管表面，防止大气泡的产生。利用液相高速旋流时产生的剪切力对气泡进一步破碎，同时通过逐级变径使得旋流液速逐渐增大，从而获得大量尺寸更小的微气泡。

本实用新型提供的气液混合器结构紧凑，易于安装，并且经过气液混合器的物流中生成气泡直径小，数量多，气液两相接触面积大。

本实用新型提供的气液反应器有利于强化混合及传质效果，进而提高反应速率。

附图说明

图1为本实用新型的气液混合单元第一种实施方式的结构示意图；

图2为气液混合单元第一种实施方式的俯视图；

图3为气液混合单元第二种实施方式的结构示意图；

图4为本实用新型提供的气液混合器的结构示意图。

其中：

1-气相入口，2-气腔室，3-液相入口，4-液腔室，5-多孔管，6-混合腔体，7-内置倒锥体，8-混合物流出口，9-气液反应器筒体，10-气相进料口，11-液相进料口，12-进料段，13-混合段，14-出口段，15-挡板，16-气液混合单元。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型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的内容，并不用于限制本发明。

第一方面，本实用新型提供一种气液混合单元，包括由下至上管径缩小的混合腔体6和设置于混合腔体内的多孔管5，其中，所述多孔管底部开口为气相入口1，顶部封闭，所述混合腔体由下至上由进料段、混合段和出口段组成，所述出口段顶部开口为混合物流出口8，所述的进料段侧壁设有液相入口3，并且液相入口的流体流动方向与混合腔体侧壁相切。

可选地，所述的进料段、混合段和出口段的高度比为(1-3)：(5-7)：(1-4)；所述进料段的高径比为0.5-2.0：1。

可选地，所述的出口段内设有倒锥体，使得所述的出口段由下至上流道截面缩小。

可选地，所述的进料段为直管段，所述的混合段为缩径段，所述的出口段为直管段，其中，缩径段的锥面角为50°-85°。

可选地，所述的多孔管的孔径小于200微米，优选金属烧结管或陶瓷膜管。

优选地，所述混合物流出口与入口段的截面积之比为1：10-200、优选为1：60-130。

优选地，所述的液相入口设置于所述进料段的0-20％的范围，所述的液相入口的数量为1-8个。

第二方面，本实用新型提供一种气液混合器，包括挡板、挡板上设有至少一个上述任一种所述的气液混合单元，所述挡板下部的气腔室与所述气液混合单元的气相入口相通，所述挡板上部的液相室与所述气液混合单元的液相入口相通，所述的气液混合单元的混合物流出口设于反应空间内。

优选地，所述的挡板上设有至少2个所述的气液混合单元，所述气液混合单元底部总截面积与所述挡板的截面积之比为0.2-0.9：1。

第三方面，本实用新型提供一种气液两相反应器，反应器底部设置上述的气液混合器。

本实用新型提供的气液混合器中，气液相进料空间彼此分开，形成独立的气腔室和液腔室，两个腔室之间通过挡板隔断，两个腔体可通过法兰进行连接。所述的多孔管优选多孔介质孔径小于200微米，包括但不限于金属烧结管，陶瓷膜管，其一端开口，开口与所述的气腔室相通，另一端为封闭死端。所述的混合腔体优选出口段内置倒锥体。所述的内置锥体沿流体流动方向为倒置安放，其锥端优选的与所述的多孔管封闭死端同径相连，另一端与混合腔体出口端壳体之间形成一同心环隙，环隙直径优选小于10mm。所述的气腔室、液腔室、混合腔体之间除了入口相通，其余部分采用隔板阻断、O型环密封、面密封，或焊接密封等方式进行隔断。

以下参照附图进一步说明本实用新型。

附图1为本实用新型的气液混合单元一种实施方式的结构示意图。如图1所示，气液混合单元包括由下至上管径缩小的混合腔体6和设置于混合腔体内的多孔管5，所述多孔管底部开口为气相入口1，顶部封闭，所述混合腔体由下至上由进料段、混合段和出口段组成，所述出口段顶部开口为混合物流出口8，所述的进料段侧壁设有液相入口3。如图2气液混合单元的一种实施方式的俯视图可见，液相入口3的流体流动方向与混合腔体6的侧壁相切。一种优选的实施方式中，在混合腔体6的出料段14设有内置倒锥体7，优选内置倒锥体7底端与多孔管5封闭死端同径相连。内置倒锥体与混合腔的出口段内壁之间的环隙形成气液混合物流出口8。

附图3为本实用新型的气液混合单元的第二种实施方式的结构示意图，如附图3所示，在混合腔体6的出料段14不设有内置倒锥体7，因多孔管顶部封闭，多孔管外壁与混合腔的出口段内壁之间的环隙形成气液混合物流出口8。

附图4为本实用新型提供的气液混合器的结构示意图，如附图4所示，气液混合器包括挡板15、挡板15上设有上述的气液混合单元16，所述挡板下部的气腔室2与所述气液混合单元16的气相入口1相通，所述挡板上部的液腔室4与所述气液混合单元的液相入口3相通，所述的气液混合单元的混合物流出口8设于反应空间内。

本实用新型提供的气液混合器在正常操作时，进料气体经气体入口10进入气腔室2，然后从气相入口1进入多孔管内腔体，多孔管另一端为封闭死端。多孔管管壁为多孔介质，由于多孔管内腔体与混合腔体6之间存在一定压差，通常为0.01-0.5MPa，在此压差的作用下，气体穿过多孔介质的微孔进入混合腔体。由于微孔的表面作用，气相被分散成数量众多的小气泡，并从多孔管外壁析出。液相进料经液体入口管线11进入液腔室4内，然后经液相入口3高速进入混合腔体6内。混合腔体下部进料段优选设置1-4个液相入口3，所述液相入口的横截面为圆形或矩形。由于液相在混合腔体6内的高速旋流剪切，能将多孔管5外壁表面析出的小气泡及时带走，防止气泡进一步长大，从而控制气泡尺寸在较小范围。由于所述的混合腔体6为多段缩径结构，使得气液两相混合流体在混合腔体内沿主流体流动方向的旋流速度逐渐增大，能有效防止气泡之间的碰撞聚并，同时剪切力也逐渐增大，有利于气泡的进一步破碎，获得尺寸更小的，数量更多的微小气泡。含有大量微小气泡的气液混合物流从气液混合物流出口8排出后进入反应器9内。设置内置倒锥体除了提供混合腔体缩径流道，还能对物料进行较好的分配，保证物料在反应器内的均匀分布。

需要说明的是，本实用新型提供的气液两相混合单元也可单独使用，在不设有气腔室和液腔室的情况下，气体进料直接由气相入口1进入多孔管5的内部，通过多孔管对气体继续一次分布；液体进料直接经液相入口3进入混合腔体的进料段，在混合腔体内进行气泡的二次破碎以获得更多更小的微气泡。

下面通过具体实施例对本实用新型做进一步的说明。所述实施例仅供说明本实用新型之用，并非对本实用新型的限制。本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围的前提下，还可以做出各种变化和变形，因此所用的技术方案也应属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应该由各权利要求限定。

对比例1

张东峰等在《油气田地面工程》的文章“多相流泵溶气气浮处理含油污水的实验研究”(2010，29(4)：第28-30页)中提到的污水的气浮除油过程作为对比例1，其工艺流程图如文中附图所示。

对比例1采用溶气泵(型号20GLM-1)作为气液混合设备生成微气泡气浮处理含油污水，其有水相入口，气相入口和混合液出口，具有溶气效率高、产生的气泡直径小和运行稳定等优点。在实验污水处理量为800L/h，当进水含油量小于1 000mg/L时,气浮系统对进水含油量的波动具有很强的适应能力，处理后的出水油含量为30mg/L左右，除油率大于85％。

实施例1

实施例1采用本实用新型所述的气液混合单元产生微气泡用以脱除污水中的微小油滴。采用单一组元结构，如附图1所示，混合腔体内的多孔管采用孔径6微米金属烧结管，一端进气，一端封死。多孔管长180mm，外径为12mm，末端为内置倒锥体，高20mm，倒锥体顶部外径为14mm。混合腔体由进料段、混合段和出口段组成，其进料段长40mm，内径88.8mm，设一个污水切向入口，入口位置距进料段顶端为5mm；混合段为缩径段，长100mm，其锥面角为70°，出口段长60mm，内径为16mm。混合物流出口与进料段的截面积之比为1：129。所用原料和操作条件同对比例1。测得处理后出水油含量25mg/L，除油率89.5％。

对比例2

采用CN103074102A中的混合器和方法，进行柴油液相加氢精制过程，如CN103074102A实施例：原料油性质见表1，其采用混合器作为气液混合设备，原料及低压脱气后的循环油与新氢混合后从反应器底部进入，所用催化剂为RS-1000(中国石化催化剂分公司)。反应温度370℃，反应压力8.0MPa，体积空速1.5h^-1，。反应产物性质如表2所示。

实施例2

实施例2采用图4所示气液混合器，共5个气液混合单元均匀排列，液相进料口距气液混合器气腔室底部20mm，两个挡板间距100mm。每个气液混合单元设置一个液相入口，混合腔体的进料段长40mm，内径90.8mm，混合段为缩径段，长100mm，其锥面角为70°，出口段长60mm，内径为18mm。气相经气相进料口从气液混合器底部进入气腔室后再进入用于气体分布的多孔管，多孔管长180mm，外径为12mm，多孔管末端封死，与内置倒锥体连接，倒锥体高20mm，顶部外径14mm。混合物流出口与进料段的截面积之比为1：63。气液混合单元底部截面积之和与挡板的截面积之比为0.6。

所述混合设备安装在反应器底部。实施例2所用温度、压力等操作条件均与对比例2相同。反应结果如表2所示。

表1柴油原料性质

表2柴油加氢精制反应结果

项目	对比例2	实施例2
			硫含量，μg/g	45	18
氮含量，μg/g	5.5	＜0.2

Claims (10)

1.一种气液混合单元，其特征在于，包括由下至上管径缩小的混合腔体(6)和设置于混合腔体内的多孔管(5)，其中，所述多孔管底部开口为气相入口(1)，顶部封闭，所述混合腔体由下至上由进料段、混合段和出口段组成，出口段顶部开口为混合物流出口(8)，所述的进料段侧壁设有液相入口(3)，并且液相入口的流体流动方向与混合腔体侧壁相切。

2.按照权利要求1所述的气液混合单元，其特征在于，所述的进料段、混合段和出口段的高度比为(1-3)：(5-7)：(1-4)；所述进料段的高径比为0.5-2.0：1。

3.按照权利要求1或2所述的气液混合单元，其特征在于，所述的出口段内设有倒锥体，使得所述的出口段由下至上流道截面缩小；

优选所述的倒锥体与所述的多孔管顶部连接。

4.按照权利要求3所述的气液混合单元，其特征在于，所述的进料段为直管段，所述的混合段为缩径段，其中缩径段的锥面角为50°-85°，所述的出口段为直管段。

5.按照权利要求1或2所述的气液混合单元，其特征在于，所述的多孔管的孔径小于200微米；

优选为金属烧结管或陶瓷膜管。

6.按照权利要求4所述的气液混合单元，其特征在于，所述混合物流出口与进料段的截面积之比为1：10-200；

优选为1：60-130。

7.按照权利要求4或6所述的气液混合单元，其特征在于，所述的液相入口设置于由下至上所述进料段的0-20％的范围，所述的液相入口的数量为1-8个。

8.一种气液混合器，包括挡板、挡板上设有至少一个权利要求1-7中任一种所述的气液混合单元，所述挡板下部的气腔室与所述气液混合单元的气相入口相通，所述挡板上部的液腔室与所述气液混合单元的液相入口相通，所述的气液混合单元的混合物流出口设于反应空间内。

9.按照权利要求8所述的气液混合器，其特征在于，所述气液混合单元底部截面积之和与所述挡板的截面积之比为0.2-0.9：1。

10.一种气液两相反应器，其特征在于，反应器底部设置权利要求8或9所述的气液混合器。

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