TWI507246B

TWI507246B - 多層逆流式旋轉塡充床

Info

Publication number: TWI507246B
Application number: TW102129876A
Authority: TW
Inventors: Yi Hung Chen
Original assignee: Higee Co Ltd
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2015-11-11
Also published as: TW201507777A

Description

多層逆流式旋轉填充床

本發明涉及一種氣液接觸裝置，具體為一種多層逆流式旋轉填充床，可應用於進行氣液之間的質量傳送等相關程序。

超重力技術是強化氣液質量傳送程序之創新技術，利用超重力的環境來提高氣液接觸的比表面積與降低氣液之間的質量傳送阻力，達到提升氣液質量傳送速率與減少反應器體積之目的。超重力技術的主要作用機制為在比地球重力場高出數百倍至數千倍的離心加速度下，液體會在填充物的表面與孔隙處形成微小的液滴、液膜、及液絲進行由內徑向外徑的流動，一方面增加了氣液接觸的比表面積，也因為氣液之間的微觀混合作用而提高質量傳送係數。一般來說相較於傳統的氣液接觸裝置，超重力反應器單位體積的質量傳送速率可提高數十倍至數百倍，而顯著減少反應器的設備體積。

然而傳統所使用的旋轉填充床反應器皆為單層旋轉填充床裝置，在相同的表面氣體速度與表面液體速度下，若要提高氣液之間的質量傳送效果，通常只能增加旋轉填充床的尺吋，然而過大的旋轉半徑會造成心軸與軸承的機械負擔而容易壞損，因此使得單層旋轉填充床裝置的應用受到了限制。若能開發一種多層逆流式旋轉填充床，則可顯著增加其氣液質量傳送的區域進而提高質量傳送的效率。

中國專利CN 1325137C提出多層折流式旋轉床裝置，然而使用折流板可能會浪費部分填充床的空間，而使得反應器單位體積的質量傳送效果較差。中國專利CN 101306258 B提出多層錯流式旋轉填充床，利用受液盤與降液管來將液體導入下一層的錯流式旋轉填充床中，但是錯流式旋轉填充床的質量傳送效果通常都比逆流式旋轉填充床來得差，而且所使用的降液管會經過殼體的外部而比較容易造成熱能的損失。CN 101745245 B揭露一種多級逆流式旋轉床反應精餾裝置及其應用，其旋轉盤上沿徑向間隔設有一組同心且直徑各異的動填料環，各動填料環之間的環形間隙內有固定於靜止盤上的靜環；動填料環中填料包括催化劑填料或絲網填料。此一技術雖然對於習知技術有所貢獻，惟其技術手段及功效仍具有改善的空間。

本發明提出一種多層逆流式旋轉填充床裝置，解決傳統單層旋轉填充床的氣液質量傳送區域受到限制的情況，可以大幅增加氣液質量傳送的區域，而達到提高氣液質量傳送效率之目的。

本發明採用的技術方案：一種多層逆流式旋轉填充床裝置，該裝置包括一密閉的圓柱殼體與一貫穿該圓柱殼體的心軸，兩個以上的旋轉填充床由上而下依序排列在該圓柱殼體內。該圓柱殼體由上蓋、中空圓柱外殼、及底板所構成，該中空圓柱外殼的下方側壁有一個氣體進入口與該底板有一個液體排出口，該上蓋有一個氣體排出口與一個液體進入口。該旋轉填充床包括一個多孔內環、一個多孔外環、一個中空上蓋、及一個底盤固定於該心軸上，和該旋轉填充床的腔體內填充固體填充物質。每一個旋轉填充床上方搭配一個管式散水盤，該管式散水盤包含一個中空圓環、一個中空圓盤、與一根以上的散水管。該中空圓環連接於該中空圓盤上，該散水管連接於該中空圓環的下方，該散水管的出水口位於該旋轉填充床的多孔內環之內側。該心軸係利用一馬達進行驅動，使得該旋轉填充床可以相對該圓柱殼體進行旋轉。

本案提供之旋轉填充床裝置，將可藉由下列實施方式說明及附圖而進一步瞭解。

圖中：

100‧‧‧殼體

110‧‧‧上蓋

112‧‧‧液體進入口

114‧‧‧氣體排出口

120‧‧‧中空圓柱外殼

122‧‧‧氣體進入口

130‧‧‧底板

132‧‧‧液體排出口

140‧‧‧心軸

150‧‧‧軸封

200‧‧‧旋轉填充床

210‧‧‧多孔內環

220‧‧‧多孔外環

230‧‧‧中空上蓋

240‧‧‧底盤

250‧‧‧軸封

260‧‧‧固體填充物

270‧‧‧管式散水盤

272‧‧‧中空圓環

274‧‧‧中空圓盤

276‧‧‧散水管

278‧‧‧孔口

310‧‧‧氨氮水溶液儲槽

320‧‧‧幫浦

330‧‧‧液體流量計

340‧‧‧多層逆流式旋轉填充床

350‧‧‧送風機

360‧‧‧出流水儲水槽

370‧‧‧氣體流量計

圖1是多層逆流式旋轉填充床裝置之結構示意圖。

圖2是管式散水盤之結構示意圖。

圖3是多層逆流式旋轉填充床裝置進行水中氨氮氣提的系統示意圖。

本發明的多層逆流式旋轉填充床裝置結構如圖1所示，包括：密閉且較佳為圓柱形之殼體100；若干/至少兩個旋轉填充床200，其設於該殼體100內，且可相對於該殼體100旋轉。

殼體100包括上蓋110、中空外殼120、及底板130；上蓋110及底板130分別與中空外殼120之上緣、下緣結合。中空外殼120之外形配合上蓋110及底板130，而使殼體100較佳呈圓柱形。一心軸140穿過該圓柱殼體100正中央，貫穿該上蓋110及底板130。該心軸140係利用一馬達驅動進行旋轉，使得該旋轉填充床200可相對於該圓柱殼體100進行旋轉。心軸140在通過該上蓋110和底板130處設有軸封150。一氣體進入口122設於該殼體100的下方(或更明確言之，中空外殼120的下方)之一側壁上。該底板130設有一個液體排出口132。該上蓋110設有一液體進入口112及一氣體排出口114。

各旋轉填充床200包括一個多孔內環210、一個多孔外環220、一個中空上蓋230、及一個底盤240。該多孔內環210、多孔外環220、中空上蓋230、及底盤240可受該心軸140帶動而相對於殼體100進行旋轉。根據本發明一較佳實施例，該多孔外環220及該多孔內環210則與該底盤240耦合、而該底盤240與該心軸140耦合。該旋轉填充床200具有一腔體，該腔體內以固體填充物260填充，該固體填充物260的材質可選用不鏽鋼、纖維、氧化鋁、樹脂、塑膠、沸石、矽膠、活性炭、鐵氟龍等至少其中之一，其中以不鏽鋼材質較佳。該多孔內環210與該多孔外環220之間藉由若干孔洞相互連通。每一個散水盤下方都搭配一個旋轉填充床200，該散水盤用以接收來自於上方的液體。該散水盤較佳為管式散水盤270。各管式散水盤270上的一用來接收液體的接收空間與下方該旋轉填充床200之腔體間以一第一流體路徑形成流體連通，而允許管式散水盤270上的液體，經由該第一流體路徑進入該旋轉填充床200之腔體。該腔體界定一第二流體路徑，該第二流體路徑之第一端透過多孔內環210與第一流體路徑流體連通，且該第二流體路徑之第二端透過多孔外環220與一位於中空外殼120與旋轉填充床200間之一收集空間流體連通。藉此，來自第一流體路徑的液體，可藉由旋轉填充床200旋轉時的離心力，流經第二流體路徑穿過多孔外環220而噴灑在收集空間之一收集壁上，以便收集。圖1所示較佳實施例中，該中空外殼120之內壁為該收集壁。旋轉填充床200之數量依實際需求而定。圖式中之實施例為三個由上而下依序排列在該圓柱殼體100內之旋轉填充床200。

請同時參照圖1及圖2。如圖2所示，該管式散水盤270較佳包含一個中空圓環272、一個中空圓盤274、與若干界定該第一流體路徑之散水管276。管式散水盤270在中空圓盤274上方設有該可讓氣體通過與用來接收液體之接收空間。該中空圓盤274連接於該中空圓環272上。該中空圓環272的下方與該中空上蓋230之間較佳設有軸封250。該散水管276之一第一端連接於該中空圓環272，該第一端之孔口278通過該中空圓環272而與該用來接收液體之接收空間相連通，使該中空圓盤274上的液體能進入該散水管276中。如圖1所示，該散水管276的一第二端向下延伸至該旋轉填充床的多孔內環210之內側，而使該第二端之孔口位於該旋轉填充床的多孔內環210之內側。此結構確保散水管276的第二端與進入該旋轉填充床200之腔體流體相連通。藉此，該散水管276的該第二端與該腔體所界定的第二流體路徑形成流體連通。圖式中散水管276向下配置，為實施本案之一較佳實施例。為達到更好的液體分散效果，較佳每根散水管276的第二端之孔口位置不同，以確實將液體進行分散並導入該旋轉填充床200之腔體中。圖中所示之散水管276有十根，僅為示意；實際數量可因應不同需求調整。根據前述實施例，隨著旋轉填充床200運轉時，來自管式散水盤270的液體在通過該散水管276所形成的第一流體路徑向下流動後，進入該旋轉填充床200後藉離心力而徑向流經第二流體路徑，而噴灑在中空外殼120之內壁，完成液體之處理以供收集。該腔體內之固體填充物260有助於該旋轉填充床200運轉時使該腔體內的液體能平均分佈。

本發明用於氣提水中氨氮的程序，可參考圖3之系統所示。首先，將氨氮水溶液儲槽310中的液體藉由幫浦320與液體流量計330控制液體流量，並導入多層逆流式旋轉填充床340。同時利用一台送風機350將空氣抽入該多層逆流式旋轉填充床340中，藉由此氣提程序將水中的氨氮傳輸至空氣中，處理後的水溶液收集至出流水儲水槽360中。

實施例

使用本發明進行多層(三層)逆流式旋轉填充床氣提水中氨氮的試驗，床內固體填充物為不鏽鋼絲網；旋轉填充床內直徑240 mm、外直徑580 mm、每一個旋轉填充床200的軸向高度(h)150 mm。可計算旋轉填充床200的平均半徑r_avg ，如式(一)所示：r_avg =2(r₁ ² +r₁ r₂ +r₂ ² )/[3(r₁ +r₂ )] 式(一)其中，r₁ 與r₂ 分別為旋轉填充床200的內半徑與外半徑。旋轉填充床的徑向平均截面積可計算為2 π r_avg h。

表面氣體速度=氣體流量/平均截面積；表面液體速度=液體流量/平均截面積。超重力因子定義為旋轉填充床200之離心加速度與重力加速度(g)的比值，超重力因子的計算式為ω² r_avg /g，其中ω為旋轉填充床200轉速(rad/s)。

首先在氨氮水溶液儲槽310中，配置濃度為2,410-3,195 mg/L-N的氯化銨水溶液，並加入液鹼將pH值調整至11.5-12.0之間，使其轉換成氨氮(NH₃ -N)形式。利用馬達驅動使旋轉填充床200以600 rpm進行旋轉。開啟送風機350將空氣抽入該多層逆流式旋轉填充床340中，藉由氣體流量計370控制空氣流量在10,000-12,000 L/min。最後藉由幫浦320與液體流量計330，將氨水溶液儲槽310中的液體導入多層逆流式旋轉填充床340中進行氣提試驗，所得相關試驗數據如表1所示。

對照組

以傳統單層旋轉填充床進行水中氨氮的氣提試驗，床內填充物為不鏽鋼絲網；旋轉填充床內直徑71 mm、外直徑165 mm、軸向高度21.5 mm。配置濃度為919-1,045 mg/L-N的氯化銨水溶液，並加入液鹼將pH調整至11.5-12.0之間。操作參數：氣體流量30-90 L/min、液體流量0.025-0.1 L/min、與轉速1,200 rpm，最後將液體藉由幫浦導入單層旋轉填充床進行氣提，所得相關試驗數據如表2所示。

由表1及表2可知，本發明的實施例相較於對照組有較大的表面氣體速度與表面液體速度，表示本發明的實施例施予較大的氨氮處理負荷量，由實驗結果可發現本發明顯著獲得較佳的水中氨氮氣提去除率。舉例而言在氣液比為1,447和1,909的操作條件下，水中氨氮氣提的去除率為84.0%和91.8%，而傳統單層旋轉填充床在氣液比為1,800時，水中氨氮氣提的去除率僅為70.1%，證實本發明相較於傳統單層旋轉填充床因為能提供較大的氣液質量傳送區域，而獲得較佳的水中氨氮氣提去除率。