CN217795537U - 一种微气泡发生器和多相反应器 - Google Patents

Abstract

一种微气泡发生器和多相反应器，所述的微气泡发生器由下至上由液体进料段(2)、喉管段(7)和出口扩张段(10)组成；所述的液体进料段为底部封闭、下大上小的缩径结构，下部设有进液管(1)，所述的喉管段包括气腔室及其内部的微孔管(8)，所述的气腔室底部设有进气管(6)，所述的出口扩张段为倒锥体结构，顶部开口为混合物出口(11)。本实用新型提供的微气泡发生器有利于强化混合及传质效果，进而提高反应速率。

Description

一种微气泡发生器和多相反应器

技术领域

本实用新型涉及一种应用于石油化工领域的气液混合设备，更具体地说，涉及一种微气泡发生器。

背景技术

气液两相流混合设备广泛应用于能源、材料、航空、环保和医学等领域。气泡作为气液两相流的分散相，对整个系统的质量传递、热量传递和动量传递，都有十分重要的影响。微纳米气泡具有气泡尺寸小、比表面积大、吸附效率高，停留时间长等特点，使其在气液两相流的研究中，对诸多需要通过增大相间接触面积，从而促进传质的过程来说具有重要意义。

目前人们将气泡破碎的原因分为四类，包括界面不稳定性、粘性剪切力、湍流脉动及碰撞和流体冲蚀。人们根据气泡破碎的原因设计了不同的微气泡发生方法，包括射流法、机械分散法、微孔分散法、溶气释气法、超声空化法等。

其中，射流法采用类似文丘里管结构，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。

微孔分散法是将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。

CN110404431A公开了一种液体内部气泡破碎结构和装置，主要用于需要气液混合和气泡破碎过程。其结构主要是在柱状壳体内连续设有多组变径壳体。流经不同的变径壳体时，可以有效地对进水管道中夹带的气泡进行破碎。ZL206152654U提供了一种气泡发生器及螺旋微气泡发生混合装置，所述气泡发生器包括：外管、液体射流组件，液体射流组件入口与进液管连接，出口位于外管的内部，进气管的进气端置于外管的外部，进气管的出气端置于外管的内部。该气泡发生器可以使液体与空气充分混合。在气液两相反应中，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。但是现有的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是提供一种微气泡发生器。可使气液两相流混合之后，并把气泡破碎成大量微气泡，并且气泡大小均匀，停留时间长不易聚并。

本实用新型提供的微气泡发生器，由下至上由液体进料段2、喉管段7 和出口扩张段10组成；所述的液体进料段为底部封闭、下大上小的缩径结构，下部设有进液管1，所述的喉管段包括气腔室及其内部的微孔管8，所述的气腔室底部设有进气管6，所述的出口扩张段为倒锥体结构，顶部开口为混合物出口11。

本实用新型还提供一种多相反应器，所述的反应器底部安装有上述的微气泡发生器，其中，气相原料入口连通所述的进气管，液相原料入口连通所述的进液管。

本实用新型提供的新型微孔气泡发生器的有益效果为：

与现有技术相比，本实用新型提供的新型微孔气泡发生器，利用微孔管对气相进行均匀分散，然后利用液相高速旋流时产生的剪切力，和锥形缩径使旋流流速迅速增大，促使微孔管壁面上正在生长的微气泡及时脱离，防止大气泡产生。同时，当气液两相混合流进入扩张段时，气泡速度迅速降低，会产生巨大的速度梯度和压力梯度，从而使气泡进一步破碎，获得大量微气泡。

本实用新型提供的气泡发生器结构简单，易于拆卸和安装，便于清洗和维修。生成的气泡直径小，数量多，并且破碎过程无污染、能耗低。

本实用新型提供的气泡发生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为本实用新型提供的微气泡发生器的结构示意图；

图2为微气泡发生器的俯视图。

其中：

1-进液管，2-液体进料段，3-导流片，4-法兰，5-螺孔，6-进气管， 7-喉管段，8-微孔管，9-镶嵌槽，10-出口扩张段，11-混合物出口，12- 剪切桨叶。

具体实施方式

以下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实用新型，并不用于限制本实用新型。

在本申请中，所谓“上部”、“下部”、“底部”均是基于部件的相对位置关系而言的。其中，所述的“底部”是指容器由下至上0-10％的位置，所述的“顶部”是指容器由下至上90-100％的位置，所述的“上部”是指容器由下至上50％-100％的位置，所述的“下部”是指容器由下至上0％-50％的位置。

本实用新型提供的微气泡发生器，由下至上由液体进料段2、喉管段7 和出口扩张段10组成；所述的液体进料段为底部封闭、下大上小的缩径结构，下部设有进液管1，所述的喉管段包括气腔室及其内部的微孔管8，所述的气腔室底部设有进气管6，所述的出口扩张段为倒锥体结构，顶部开口为混合物出口11。

优选地，所述的出口扩张段内设有剪切桨叶12；更优选，所述的出口扩张段由下至上60％-100％的位置设有剪切桨叶。

优选地，所述的液体进料段由下部直管和上部锥体段组成，所述的锥体的锥面角α为0°-60°，所述的出口扩张段的锥面角β为10°-30°。

优选地，所述的微孔管8经镶嵌槽9固定在所述的气腔室内，所述的液体进料段、微孔管和出口扩张段依次相通。优选的实施方式中，所述的气腔室为圆柱型壳体，内部设有微孔管，其中气腔室、微孔管同轴设置，所述的液体进料段、微孔管和出口扩张段同轴设置。

可选地，所述的微孔管多孔陶瓷管或金属烧结管，孔径小于5微米。

可选地，所述的液体进料段、喉管段和出口扩张段分别活动连接；优选地，所述的液体进料段和喉管段经法兰连接，法兰内边缘设有卡槽，放置密封圈和微孔管。

本实用新型提供的微气泡发生器，所述的液体进料段、喉管段和出口扩张段的高度比为1-3：2-4：4-7，其中微孔管的高径比为1-3：1。

本实用新型提供的微气泡发生器，优选在液相进料段内设置旋转导流片3，所述的进液管设于所述的液体进料段的底部，进液管的流体方向与所述的液体进料段侧壁相切。

优选地，所述进液管轴向与整个气泡发生器轴向的夹角为60°-90°，进液管对称分布2-4个。

优选地，所述的导流片的水平倾斜角为30°-60°，自所述的液体进料段的底部开始，至顶部结束。

本实用新型提供的微气泡发生器，所述的混合物出口11的内径与微孔管内径的比为1.1-2:1。

本实用新型提供的微气泡发生器，所述陶瓷微孔管的固定方式为卡槽固定，防止在安装时陶瓷微孔管发生位移。

本实用新型提供的微气泡发生器的应用方法，液体进料由进液管引入液体进料段，沿液体进料段向上加速流动并进入微孔管内，微孔管的内部作为气液混合腔体，气体进料由进气管进入气腔室后，在压力的作用下气体透过微孔管的管壁，进入气液混合腔体内与液相流体混合。当气液两相流通过微孔管后，进入到出口扩张段。在出口扩张段内进一步混合后经顶部混合物出口流出。在优选方案下，所述的出口扩张段上部设有剪切桨叶，对气泡进行再次切割，在混合物出口得到微气泡气液混和流体。

优选的实施方式中，在液体进料段内壁设有导流片，使得液体旋流被引导，减少能量损失。所述导流片的水平倾斜角为30°-60°，自液体进料段底部开始，至锥形顶部结束。

本实用新型还提供一种多相反应器，所述的反应器底部安装有上述的微气泡发生器，其中，气相原料入口连通所述的进气管，液相原料入口连通所述的进液管。

以下参照附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但附图和实施例并不构成对本发明的限制。

附图1为本实用新型的微气泡发生器一种实施方式的结构示意图。如图 1所示，微气泡发生器的最底部的液体进料段2分为直管部分和锥形管部分，总体来说，液体进料段的管径逐渐减小，进液的液体流速逐渐增大。在液体进料段设置导流片3引导旋流，减少能量损失。液体进料段以上就是气腔室和镶嵌在镶嵌槽9中的微孔管8。微孔管的管内流道作为气液两相的混合腔。进气管6通气体进入气腔室，在压力的推动下，气体由微孔管对气液混合腔中微孔分散，之后气液混合流进入出口扩张段10，在这里气泡在巨大的速度梯度和压力梯度下，继续破碎成大量微小气泡。之后气液混合流经过剪切桨叶12，对气泡进行再次切割。在一种优选的实施方式中，进液管轴向与整个气泡发生器的轴向呈60°-90°夹角，而且对称分布2-4个进液管，有助于增强旋流效应。

附图2为本实用新型的微气泡发生器一种实施方式的俯视图。如附图 2所示，在法兰上对称分布着8个螺纹孔5，可以最大限度地保证结构的密封性，并且使镶嵌槽中的陶瓷微孔管受力均匀，防止受力不均而损坏。

本实用新型提供的微气泡发生器在正常操作时，液体进料经进液管1 进入液体进料段2，被导流片3引导旋流后进入气液混合腔。气体进料经进气管6进入气腔室，气腔室除进气管和微孔管之外是封闭的，微孔管两侧存在气体压差，一般为0.01-0.3MPa，在此压差的作用下，气体穿过微孔管管壁向气液混合腔中微孔分散。此时气液混合腔中的高速旋流的液体，会促使微孔管内壁上正在生长的微气泡脱落，并混合。然后气液混合流进入出口扩张段10，此时气泡流速迅速降低，从而使气泡周围存在巨大的压力梯度和速度梯度，气泡进一步破碎成微小气泡。同时，出口扩张段增大了气泡的分布范围，减少了气泡碰撞，防止气泡聚并，使气泡粒径分布更加均匀。

本领域的普通技术人员在不脱离本发明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发明的范畴，本发明的专利保护范围应该由各权利要求限定。

下面通过具体实施例对本实用新型做进一步的说明。

对比例1

以空气作为气体实验介质，水作为液体实验介质，使用流量计读取流量，所读流量与流道的截面积之比即为流体流速。采用高速相机对文丘里气泡发生器产生的气泡进行拍摄，进气孔处气速u_g＝0.24m/s，喉管处液速从 0.32m/s等值增加至1.6m/s。随着喉管处液速的增加，微气泡(直径小于 800μm)数量占总气泡数量的分率大幅增加，当喉管液速u_l＝1.6m/s，微气泡分率η＝72％。

其中微气泡分率η的计算方法为：

η＝采集到的微气泡个数/采集到的气泡总数

实施例1

实施例1采用如附图1所示结构的微气泡发生器以产生微米级别的微气泡。镶嵌槽中的陶瓷微孔管采用孔径1微米陶瓷微孔管；微孔管长20mm，外径为12mm，法兰直径为50mm，螺纹孔3mm；液体进料段最大直径25mm，锥体的锥面角46°，液体进料段高30mm，进液管内径3mm；进气管内径3mm；出口扩张段锥面角为16°，高度40mm；所用原料为自来水和高压氮气，操作温度为室温22℃，微孔管壁面两侧压差0.2MPa，氮气体积流量6L/h，气速u_g＝0.24m/s。水体积流量为60L/h，液速u_l＝2.36m/s。实验结束后, 使用Image Pro Plus对采集的图片进行处理，测得破碎后每一个气泡的粒径，绝大多数气泡粒径为100-800微米。把直径小于800微米的气泡称为微气泡，微气泡分率可达95％以上。

Claims (13)

1.一种微气泡发生器，其特征在于，由下至上由液体进料段(2)、喉管段(7)和出口扩张段(10)组成；所述的液体进料段为底部封闭、下大上小的缩径结构，下部设有进液管(1)，所述的喉管段包括气腔室及其内部的微孔管(8)，所述的气腔室底部设有进气管(6)，所述的出口扩张段为倒锥体结构，顶部开口为混合物出口(11)。

2.按照权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的出口扩张段内设有剪切桨叶(12)。

3.按照权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的出口扩张段由下至上60％-100％的位置设有剪切桨叶。

4.按照权利要求1、2或3所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的液体进料段(2)由下部直管和上部锥体段组成，所述的锥体的锥面角α为0°-60°，所述的出口扩张段的锥面角β为10°-30°。

5.按照权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的微孔管(8)经镶嵌槽(9)固定在所述的气腔室内，所述的液体进料段、微孔管和出口扩张段依次相通。

6.按照权利要求5所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的微孔管为多孔陶瓷管或金属烧结管，孔径小于5微米。

7.按照权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的液体进料段、喉管段和出口扩张段分别活动连接。

8.按照权利要求7所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的液体进料段和喉管段经法兰连接，法兰内边缘设有卡槽，放置密封圈和微孔管。

9.按照权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的液体进料段、喉管段和出口扩张段的高度比为1-3：2-4：4-7，其中微孔管的高径比为1-3：1。

10.按照权利要求1、2或3所述的微气泡发生器，其特征在于，液相进料段内设置旋转导流片(3)，所述的进液管设于所述的液体进料段的底部，进液管的流体方向与所述的液体进料段侧壁相切。

11.按照权利要求10所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的导流片的水平倾斜角为30°-60°，自所述的液体进料段的底部开始，至顶部结束。

12.按照权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的混合物出口(11)的内径与微孔管内径的比为1.1-2：1。

13.一种多相反应器，其特征在于，所述的反应器底部安装有权利要求1-12中任意一种所述的微气泡发生器，其中，气相原料入口连通所述的进气管，液相原料入口连通所述的进液管。

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