CN218281295U - 微气泡发生器和一种混相反应器 - Google Patents

Abstract

微气泡发生器和一种混相反应器，所述的微气泡发生器由柱状壳体(10)、与柱状壳体同轴的微孔管(2)和设置在柱状壳体与微孔管之间环形空间内的多条混合通道组成，其中，所述的中心微孔管顶部封闭，底端开口连接进气管(1)，相邻的混合通道之间由隔板分开，所述的混合通道沿流体流动方向交错设置收缩腔(11)和扩增腔(12)，所述的混和通道底部有进液管(3)，顶部有气液混合流出口(8)。本实用新型提供的微气泡发生器通过混合通道逐级缩径‑扩径‑缩径循环使得破碎效果增强，从而获得大量微气泡。

Description

微气泡发生器和一种混相反应器

技术领域

本实用新型涉及一种微气泡发生器和一种混相反应器，可应用于石油、化工、环保等领域，特别适用于有气液两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，有很多反应过程的本征反应速率远高于传质速率，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气液、液液、液固之间的传质速率。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。例如在石油加工过程中的渣油、重油加氢反应，化工生产过程中的甲苯、二甲苯氧化反应等，采用微气泡增强传质的方法，均可获得显著的强化效果。除此之外，微气泡技术还广泛运用于新材料、制药、精细化工和水处理等领域，对这些化工过程中的能耗、物耗、产品质量、环保和安全等方面带来了重大影响。

总的来说，气泡破碎成微气泡的机理主要有以下几种类型：湍流脉动和碰撞、粘性剪切力、剪断过程和界面失稳。根据气泡破碎机理，常用的气泡破碎方法可分为射流法、机械分散法、微孔曝气法、溶气释气法、超声空化法等。

其中微孔曝气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。该方法没有能量间的多次转换，因此其能耗较小。为了减小气泡直径，可以通过减小多孔材料的孔径来实现，此外，利用剪切流场和机械振动等方式产生的外力，可以使气泡更容易从孔口脱落。但是，一方面在使用毫米级以下的微孔管时，所形成的气泡的直径远大于孔径；另一方面，特征尺度的减小使表面张力的作用更加显著，容易出现气泡聚并。所以单纯使用微孔曝气法并不能很好地满足我们生产过程的需要。

常见的利用射流法产生微气泡的装置类似于文丘里管结构，包括进料口，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，进入扩散管后射流而出。该方法可以生成一定量的小气泡，但是吸气量小，气泡大小不均且容易发生聚并，能耗较高，混合效果较差。此外，在该种结构中，若上游管路液体中含有气泡，则容易形成气阻，造成压力瞬间上升，管路损失巨大，对气泡破碎效果更差。

如何更好、更有效地破碎管道中的大尺寸气泡，甚至将气泡破碎至微米级别，从而极大提高气液接触面积，并且使结构简单化、不易堵塞，是急需解决的问题。

目前，有些专利也提及了气液混合的问题。CN210386209U公开了一种自吸式可调节气泡发生器包括依次螺纹连接在一起的筒体、吸气室、混合段以及扩散段，混合段内设置有若干个能够转动的叶轮，其能够形成气泡直径较小、高度紊流的流体环境，通过改变液相流体流量，能够改变叶轮转速，从而调节气泡的大小。CN113926330A公开了一种改进的微纳米气泡发生器，包括：进液流道、渐缩流道、进气流道、喉部流道、渐扩流道、混合流道、壳体；共同形成文丘里管状的过水流道结构；所述壳体内表面与多个过水通道结构外表面之间形成储气室，所述储气室通过多个进气口连通部分过水流道结构的喉部流道；其具备更大的吸气量，单位时间生成气泡数量增多，而且气泡直径更小、均匀化程度也得以提高。目前随着人们对传质与反应强化的深入研究，开发出了各种生成微气泡的技术，然而面对工业和民用领域千差万别的应用对象，现有技术普遍不成熟，依然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微气泡发生器。可使气液均匀混合并产生大量均匀的微小气泡，微气泡停留时间长，不易聚并，从而极大提高气液接触面积。

本实用新型要解决的技术问题之二是提供一种混相反应器。

第一方面，本实用新型提供的微气泡发生器，由柱状壳体10、与柱状壳体同轴的微孔管2和设置在柱状壳体与微孔管之间环形空间内的多条混合通道组成，其中，所述的中心微孔管顶部封闭，底端开口连接进气管1，相邻的混合通道之间由隔板分开，所述的混合通道沿流体流动方向交错设置收缩腔11和扩增腔12，所述的混和通道底部有进液管3，顶部有气液混合流出口8。

第二方面，本实用新型提供一种混相反应器，所述的反应器包括反应器壳体、底部的气相进料口、液相进料口和顶部的产物出口，其特征在于，在反应器底部安装上述的微气泡发生器，其中所述的气相进料口与微气泡发生器的进气管相通，所述的液相进料口与微气泡发生器的进液管相通。

本实用新型提供的微气泡发生器的使用方法，气体经进气管进入微气泡发生器的微孔管中，并穿过微孔管壁进入混合通道中。液体经进液管进入微气泡发生器的任意一条混合通道中，经过第一个扩增腔，并通过冲刷作用带走微孔管表面上正在生长的气泡，形成气液两相混合物；气液两相混合物经过第一个收缩腔，流速增大，湍流作用增强，其中的气泡被进一步破碎，同时微孔管表面上的气泡脱落。如此循环直至从气液混合流出口流出微气泡发生器。

本实用新型提供的微气泡发生器和混相反应器的有益效果为：

与现有技术相比，本实用新型提供的微气泡发生器，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。利用收缩腔使液体加速，当气液两相进入扩增腔时，物流流速迅速降低，从而产生巨大的速度梯度和压力梯度，使气泡破碎形成更小的微气泡。

本实用新型通过混合通道逐级缩径-扩径-缩径循环使得破碎效果增强，从而获得大量尺寸更小的微气泡。

附图说明

图1为本实用新型提供的微气泡发生器第一种实施方式的结构透视图。

图2为本实用新型提供的微气泡发生器一种实施方式的外观俯视图。

图3为本实用新型提供的微气泡发生器一种实施方式的外观正视图。

图4为本实用新型提供的微气泡发生器第二种实施方式的结构透视图。

图5为本实用新型提供的微气泡发生器第三种实施方式的结构透视图。

其中：

1-进气管，2-微孔管，3-进液管，4-微孔管外壁，5-隔板，6-固定条，7-顶部挡板，8-气液混合流出口，9-喇叭状扩径出口，10-柱状壳体，11-收缩腔，12-扩增腔。

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“顶部”、“下部”、“底部”均是基于容器或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。

第一方面，本实用新型提供的微气泡发生器，由柱状壳体10、与柱状壳体同轴的微孔管2和设置在柱状壳体与微孔管之间环形空间内的多条混合通道组成，其中，所述的中心微孔管顶部封闭，底端开口连接进气管1，相邻的混合通道之间由隔板分开，所述的混合通道沿流体流动方向交错设置收缩腔和扩增腔，所述的混和通道底部有进液管3，顶部有气液混合流出口8。

本实用新型提供的微气泡发生器，优选所述的柱状壳体内设置4-8条混合通道，所述的隔板为曲面或折面型。

优选地，沿所述的柱状壳体的轴向，设置3-5层折面型隔板，相邻隔板围合成所述的混合通道；

优选地，设置3层折面型隔板，其中，沿流体流动方向折面型隔板的轴向长度比为(2-4)：(1-3)：(1-2)。

本实用新型提供的微气泡发生器，所述的微孔管为孔径小于5微米的多孔陶瓷微孔管或烧结金属管，更优选多孔陶瓷微孔管。其中所述的混合通道中，所述的微孔管外壁为曝气面。

优选地，所述的微孔管外壁设置圆周向的固定条。

本实用新型提供的微气泡发生器中，所述的进液管的轴向与所述微孔管的轴向夹角为30°-60°，更优选30°-45°。

本实用新型提供的微气泡发生器中，所述的柱状壳体与微孔管之间环形空间顶部为带有狭缝或者圆孔的挡板，所述的气液混合流出口为狭缝或圆孔。

优选地，气液混合流出口还设置喇叭状扩径出口，所述的喇叭状扩径出口的小口端与所述的气液混合流出口相连接。设置喇叭状扩径出口可进一步增强破碎效果。

优选地，所述的喇叭状扩径出口的圆锥角为15°-30°，长度为微孔管长度的1/4-1/3。

可选地，微气泡发生器中，沿流体流动方向，扩增腔与收缩腔大小均递减。相邻两个扩增腔的大小相差0.4-0.8倍，相邻两个收缩腔的大小相差0.3-0.6倍，且收缩腔的长度远小于扩增腔的长度。

本实用新型提供的微气泡发生器的应用方法，气体经进气管进入微气泡发生器的微孔管中，并穿过微孔管壁进入混合通道中。液体经进液管进入微气泡发生器的任意一条混合通道中，经过第一个扩增腔，并通过冲刷作用带走微孔管表面上正在生长的气泡，形成气液两相混合物；气液两相混合物经过第一个收缩腔，流速增大，湍流作用增强，其中的气泡被进一步破碎，同时微孔管表面上的气泡脱落。如此循环直至从气液混合流出口流出微气泡发生器。

操作过程中可以通过使用不同孔径的微孔管，实现控制气泡直径的大小。

第二方面，本实用新型提供一种混相反应器，所述的反应器包括反应器壳体、底部的气相进料口、液相进料口和顶部的产物出口，在反应器底部安装上述的微气泡发生器，其中所述的气相进料口与微气泡发生器的进气管相通，所述的液相进料口与微气泡发生器的进液管相通。

将微气泡发生器安装在混相反应器底部，用于气液两相的混合，提高气液两相的反应性能。本实用新型提供的混相反应器中，在反应器底部安装多个均匀排布的微气泡发生器，一种优选的实施方式，气相进料口与微气泡发生器的进气管之间设置气体分布器，以便气相进料均匀分布，进入多个微气泡发生器的进气管中。一种优选的实施方式，在单个微气泡发生器和多个微气泡发生器之间设置液体分布器，使得液相进料均匀分布进入多个微气泡发生器以及多个混合通道中。

以下参照附图进一步说明本实用新型的结构和技术效果。

附图1为本实用新型微气泡发生器的一种实施方式的结构透视图。

如附图1所示，微气泡发生器，由柱状壳体10、与柱状壳体同轴的微孔管2和设置在柱状壳体与微孔管之间环形空间内的多条混合通道组成，其中，所述的中心微孔管顶部封闭，底端开口连接进气管1，相邻的混合通道之间由隔板分开，所述的混合通道沿流体流动方向交错设置收缩腔11和扩增腔12，所述的混和通道底部有进液管3，顶部有气液混合流出口8。

附图2为微气泡发生器第一种实施方式的外观俯视图；由附图2可见，附图1所示的微气泡发生器的顶部挡板7上开有狭缝，作为气液混合流出口8。

进液管3的轴向与所述微孔管的轴向夹角为30°-60°，更优选30°-45°。附图3为附图1所示的微气泡发生器的外观正视图，如附图3所示，进液管3与微孔管2的轴向具有夹角。

当进液口向微气泡发生器中输送液体时，高速流动的液体，冲击第一个微孔进气窗，促使该处微孔管上正在生长的气泡脱落，之后经过多次循环缩径和扩径，使得气泡破碎至微米级。需要说明的是，微孔管与进气管的连接方式是法兰连接，附图并未对此进行详细展示，但是本领域普通技术人员可以理解。另外，在附图1中仅展示了一条流道的具体情况，其他流道与之完全相同，因为构图原因，对其他流道进行了简化。

附图4为本实用新型微气泡发生器的第二种实施方式的结构透视图。如附图4所示，在此实施方式中气液混合流出口8由原来的狭缝出口改变为圆孔出口，并设置喇叭状扩径出口9，增强破碎效果。喇叭状扩径出口的小口端与所述的混合流体出口8相通，使得进入喇叭状扩径出口的气液两相流的初速度较大，当气泡进入扩张腔体的时候，会形成更大的速度梯度和压力梯度，从而使气泡破碎更加彻底，进一步提高了气泡破碎效果。

附图5为本实用新型提供的微气泡发生器第三种实施方式的结构透视图。与附图1中不同的是相邻的混合通道由曲面型隔板分开。本实用新型提供的微气泡发生器中，所述的隔板可以为曲面或者折面型，或者它们的组合，只要能够将混合通道分隔出收缩腔和扩增腔即可。

下面的实施例进一步说明本实用新型的技术效果。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。

对比例

采用CN110898698A中的实施例作为对比例，在该对比例中发现随着液体喷嘴流出的液体的液速提高，直径小于1mm的微气泡数量占总气泡数量的分率大幅增加。气体喷嘴流出的气体的速度为1m/s，液体喷嘴流出的液体的液速为0-5.5m/s时，采用高速相机对微气泡发生器产生的气泡进行拍摄，测得微气泡数量分率为0-74％。当液体喷嘴流出的液体的速度为3.1m/s时，微气泡数量分率开始大于70％。

实施例1

实施例1采用本实用新型微气泡发生器产生微气泡，强化气液两相之间的传质速率。如附图1所示，微孔管采用的1μm的陶瓷微孔管，陶瓷微孔管外径12mm，内径8mm，所用隔板为3层，总高度60mm，3层结构高度比为3：2：1，柱状壳体外径40mm，在此实施例中的操作条件与对比例相同，设置气相流速为1m/s，气液混合流出口的液相流速为0-3m/s。采用高速相机对微气泡发生器产生的气泡进行拍摄，测得微气泡数量分率约为0-95％。在新型微气泡发生器的作用下，气相被破碎成大量微气泡，绝大多数气泡直径1μm≤d<800μm。当液体喷嘴流出的液体的速度为1.5m/s时，微气泡数量分率大于80％。

需要说明的是本实施例中的狭缝状气液混合流出口，可以替换为相同当量直径的圆孔，破碎效果相似。

实施例2

实施例2采用图2所示的气泡发生器，将四条流道的出口处均设置喇叭状扩径出口。喇叭状扩径出口的小孔为1mm，其长度为34mm，圆锥角为16°，其他的结构信息与实施例1相同。与对比例相比，该实用新型能产生大量微气泡，绝大多数气泡直径1μm≤d<500μm。以喇叭状扩径出口的小孔为射流出口，当气体流速为1m/s，液体流速为0-5.31m/s时，采用高速相机对微气泡发生器产生的气泡进行拍摄，测得微气泡数量分率约为0-95％。根据实验结果显示，当气泡发生器内的最大液速为3.1m/s时，微气泡的数量分率大于80％。

Claims (12)

1.一种微气泡发生器，其特征在于，由柱状壳体(10)、与柱状壳体同轴的微孔管(2)和设置在柱状壳体与微孔管之间环形空间内的多条混合通道组成，其中，所述的微孔管顶部封闭，底端开口连接进气管(1)，相邻的混合通道之间由隔板分开，所述的混合通道沿流体流动方向交错设置收缩腔(11)和扩增腔(12)，所述的混和通道底部有进液管(3)，顶部有气液混合流出口(8)。

2.按照权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的柱状壳体内设置4-8条混合通道，所述的隔板为曲面或折面型。

3.按照权利要求2所述的微气泡发生器，其特征在于，沿所述的柱状壳体的轴向，设置3-5层折面型隔板，围成所述的混合通道。

4.按照权利要求3所述的微气泡发生器，其特征在于，沿所述的柱状壳体的轴向设置3层折面型隔板，其中，沿流体流动方向折面型隔板的轴向长度比为(2-4)：(1-3)：(1-2)。

5.按照权利要求1-4中任一种所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的微孔管为孔径小于5微米的多孔陶瓷管或烧结金属管。

6.按照权利要求5所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的微孔管外壁设置圆周向的固定条(6)。

7.按照权利要求1-4中任一种所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的进液管的轴向与所述微孔管的轴向夹角为30°-60°。

8.按照权利要求1-4中任一种所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的柱状壳体与微孔管之间环形空间顶部为带有狭缝或者圆孔的挡板(7)，所述的气液混合流出口(8)为狭缝或圆孔。

9.按照权利要求8所述的微气泡发生器，其特征在于，气液混合流出口还设置喇叭状扩径出口(9)。

10.按照权利要求9所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的喇叭状扩径出口的圆锥角为15°-30°，长度为微孔管长度的1/4-1/3。

11.按照权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述的微孔管与所述的柱状壳体的直径比为1：2-4。

12.一种混相反应器，所述的反应器包括反应器壳体、底部的气相进料口、液相进料口和顶部的产物出口，其特征在于，在反应器底部安装权利要求1-11中任意一种所述的微气泡发生器，其中所述的气相进料口与微气泡发生器的进气管相通，所述的液相进料口与微气泡发生器的进液管相通。

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