CN87107997A - 气体与液体接触的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气体与液体接触的新方法，在此方法中要接触的液体以中心液体射流的形式离开喷嘴通过容有要接触的气体的空间射入要接触的液体。
根据本发明的方法，要接触的气体和/或液体的一部分，或者气体的全部，或者液体的一部分和气体的全部以朝向中心液体射流的气体或液体射流形式射到中心液体射流的表面上。

Description

本发明涉及气体与液体接触的方法，在此方法中，被接触的液体以液体射流的形式从喷嘴喷出，通过含有要接触气体的空间，进入要接触液体的主体。
在一些工业领域中，气-液接触被认为是最重要的单元操作，它基本上可以决定整个工艺技术的可行性以及产品的工艺参数。
在发酵工业大多数需要氧气的过程中，在污水氧气生物净化过程中，以及在一些化学过程中，气-液接触的效率起着决定性作用。
按照能量传递的方法可将已知的气-液接触体系分为以下各类：
-气动体系（鼓泡塔、空气提升循环反应器等）
-机械体系（具有水平或垂直轴的表面充气器、自吸搅拌器）
-上述两种体系的结合（气体鼓泡搅拌反应器）
-水力学体系
对能量传递的效率而言，水力学体系在气-液接触中是最有优点的技术，并且，在最近几年来这种方法日益推广。
水力学体系的一个共同特征是用泵和某种型式的喷嘴产生各种形式的液体射流来实现气-液接触。
根据液体射流的特性，这些方法可以区分如下：
-用混乱的液体射流的方法（喷雾塔、文丘里洗涤器）
-用两相液体射流的方法（喷注器、喷吸器）
-用均相的、有吸着力的、俯射液体射流的方法
在水力学体系中，最后一类方法具有最高的能量效率和最高可能的比质量传递速率（气-液接触的强度）以及最低的比投资。
俯射液体射流方法的共同特性是均相的、有吸着力的液体射流从位于液体主体表面上方的喷嘴喷出，通过在液体表面上方的气体空间，夹带着大量的气体进入液体主体。夹带气体是以下述方式实现的：由于液体射流表面的粗糙性，当射流通过气体空间时在射流的表面形成一个气体边界层，气体边界层和液体射流一起进入液体主体，并在射流和液体主体之间剪切力的作用下破裂成微小气泡。
这些方法的效率同时取决于液体射流的表面粗糙性和吸着力，其关系如下：
-液体射流的表面粗糙性越大，气体夹带率越高，因此溶解的气体量就增加。
-液体射流的吸着力越大，气体裂散的气泡越微小，气泡的穿透深度越深（气泡的停留时间越长），因此接触强度就越大。
一般可以说，没有已知的俯射射流气-液接触器能同时很好地满足上述两项要求，即，已知的技术在增大射流表面粗糙性的同时会减小液体射流的吸着力，或者相反。
为了增大液体射流的表面粗糙性，所有的已知方法（例如Chem.Eng.Sci.36，1161/1981/;Chem    Eng，Commun.15，367/1982/;公开的匈牙利专利申请No    3901/81）都无例外地应用下列的一种方法或几种方法的结合：
-用具有与水力学最佳形状不同形状的喷嘴
-提高液体射流的速度
-增加液体射流的湍流程度
-增加液体射流的自由长度
这些方法的共同缺点是，一方面，它们会引起可观的水力损失，因而降低了接触的能量效率;另一方面，所有这些方法都会减小射流的吸着力，因而减小了接触强度。
本发明的目的是消除上述缺点，满足任何气-液接触操作的特定的要求。本发明所用的方法是同时但独立地使对接触效率侵决定作用的两个参数有可能最佳化。这两个参数是液体射流的表面粗糙性和吸着力。
本发明是根据下述认识，即，如果要接触的气体，或气体和/或液体的一部分吹到射流的表面，那么液体射流表面会直接变得凹凸不平，而液体射流的吸着力不会有明显的减小。
因此，本发明涉及气体与液体接触的方法，在此方法中，要接触的液体以中心液体射流的形式离开喷嘴通过容有要接触的气体的空间进入要接触的液体。
根据本发明的方法，要接触的气体和/或液体的一部分，或气体的全部，或液体的一部分和气体的全部，以气体或液体射流的形式，朝向中心液体射流的表面，射到中心液体射流的表面上。
关于使液体射流表面粗糙化，将气体或液体吹到射流表面都可以使液体射流表面凸凹不平，达到基本上相同的效果。一般而言，当在封闭的反应器中进行气-液接触，要接触的气体在压力下无论用什么方法加入反应器时，用气体射流的比较好。
当要接触的气体量和压力不足以使中心射流具有必要的表面粗糙性时，最好同时使用气体和液体射流使表面粗糙化。
当在敞开体系中进行接触，要接触的气体是大气压下的空气本身，例如在生物污水处理、鱼池或水面吹气的场合，这时的粗糙化处理一般最好采用液体射流。
用来使表面粗糙化的气体或者液体射流来自最好是具有圆形截面的锐孔，锐孔均匀地排列在吸着性液体射流的周围，或者来自环绕着中心液体射流的窄缝。
考虑到粗糙化的效果，气体和/或液体射流可以在喷嘴出口到俯射射入点之间任何处射到中心液体射流表面。但是，最好尽可能靠近喷嘴出口，这是因为这种方法可以充分地缩短液体射流的自由长度。
用来粗糙化的气体或液体射流可以向上或向下朝着中心射流的流动方向。为了得到合适的粗糙化，建议在气体或液体射流和中心射流之间保持至少5°的角度。
图1和图2分别说明实例1和3中的喷嘴
本发明的方法和已知的其它方法相比，主要优点总结如下：
a）接触的能量效率增加约30～60%;
b）应用范围有较大的扩大;
c）设计和放大的可靠性得到改善;
d）即使在相同的方法中，控制参数的范围也明显地扩大;
e）液体射流的自由长度有较大的缩短，因此能更好地利用反应器的体积。
下列不受限制的实例详细地说明本发明的方法。
实例1
0.3m3溶液用泵在一个0.5m宽、2m的高的敞开长方容器内通过直径为20mm的喷嘴进行循环。
溶液含有0.5 Kmol/m3的亚硫酸钠和0.001 Kmol/m3的硫酸钴。溶液的温度保持为30℃。液体射流的自由长度为0.3m。
用泵循环的液体流量达20.4m3/h。4%的循环液体通过环2上的孔3垂直射到液体射流表面（图1）。环2由10mm直径的铜管制成，装在离开喷嘴1的液体射流周围。12个1.2mm直径的孔以相等的间距排列在环上。孔和液体射流表面的距离为40mm，环和喷嘴出口的距离为10mm。
根据已知的测量亚硫酸钠氧化的方法[V.Linck and V.Vacek，Chem，Eng，Sci，36，1747（1981）]，氧的体积传递速率为27.2kg氧/m3h，相当于氧输入速率为8.16kg氧/h。泵的水力学功率输入为0.91kw，因此氧输入的能量效率为8.97kg氧/kw.h。
实例1的对比实例
重复实例1中所描述的方法，但是没有液体射向液体射流。在此场合，氧的体积传递速率为16.8kg氧/m3h，氧输入速率为5.04kg氧/h，氧输入的能量效率为5.54kg氧/kw.h。
根据这个对比实例，用本发明的方法，氧的体积传递速率，即气-液接触的强度，以及能量效率均提高了61.9%。
实例2
除了下述不同之外，重复实例1的方法：
液体的循环流量为18.9m3/h，泵的水力学功率输入为0.74kw。
在此场合，不用实例1所用的液体而将空气通过直径为10mm铜管制成的、装在液体射流周围的环。在环上，等间距排列6个1.5mm直径的孔。孔的方向向下与水平方向成15°角。孔和液体射流的距离为21mm，环和喷嘴出口的距离为50mm，通过孔的空气流速为4.5标准m3/h，相当于对泵的水力学输入功率上附加0.1kw输入功率。
根据在实例1中描述的测量方法得到氧的体积传递速率为21.7kg氧/m3.h，氧输入速率为6.52kg氧/h，能量效率为7.82kg氧/kw.h。
实例2的对比实例
重复实例2中所述方法，但是不吹空气。此时测得12.03kg氧/m3.h，3.61kg氧/h，以及4.92kg氧/kw.h。
根据这个对比实例，接触强度提高了80.7%，能量效率提高了58.9%。
实例3
组分和实例1中所述相同的溶液0.1m3，用泵通过10mm直径的喷嘴在0.45m直径、1.5m高的封闭容器内循环。循环液体的流量为6.84m3/h，泵的水力学输入功率为0.56kw。
空气以16标准m3/h的流量通过缝3进入容器，缝3宽0.5mm，尼龙靠模2有螺纹旋在喷嘴主体1上，形成了缝隙3。喷嘴1也是由尼龙制成的（图2）。液体射流的表面到缝的距离为5mm，流出的空气和液体射流之间的角度为15°。输入空气需要0.18kw输入功率。空气通过直径为20mm的锐孔离开容器的顶部，锐孔离开轴线的距离为200mm。液体射流的自由长度为0.4m。
在此情况下，氧的体积传递速率为41.2kg氧/m3.h，因此，氧输入速率为4.12kg氧/h，氧输入的能量效率为5.57kg氧/kw.h。
实例3的对比实例
重复实例3所述方法，不同的是，要接触的空气通过20mm直径的锐孔在容器顶部垂直向下通入，锐孔离轴线的距离为200mm，空气通过同样的大小的、以同样的距离装在对面方向的锐孔离开容器。因此，和上述同样量的空气通入体系，而没有将空气直接射到液体射流上。氧的体积传递速率为29.0kg氧/m3.h，相当于氧输入速率2.9kg氧/h，氧输入能量效率3.92kg氧/kw.h。
根据此对比实例，氧传递强度和能量效率均可提高42.1%。
实例4
重复实例1中所述的方法，但是在液体输入环下方，按照实例2再用一输入空气的环。因此液体和空气同时射向射流的表面使液体射流粗糙化。
氧的传递速率为30.9kg氧/m3.h，相当于氧输入速率9.27kg氧/h，能量效率9.18kg氧/kw.h。
实例4的对比实例
重复实例4所述的方法，不同的是既没有空气也没有液体输入，即和实例1的对比实例一样。由此对比可知，借助本发明的方法，强度可增加83.9%，能量效率可增加65.7%。

Claims (1)

  1. 一种气体与液体接触的方法，其中要接触的液体以中心液体射流的形式离开喷嘴通过容有要接触的气体的空间进入要接触的液体，包括使要接触的气体和/或液体的一部分，或者气体的全部，或者液体的一部分和气体的全部以朝向中心液体射流表面的气体或液体射流形式射到中心液体射流的表面上。
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