專(zhuān)利名稱(chēng)：液上氣體再吸收方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣-液混合操作。尤其是，本發(fā)明涉及通過(guò)液上氣體再吸收方法來(lái)增強(qiáng)氣-液混合操作。
常常設(shè)備氣-液和氣-液-固反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)器來(lái)從液上空間吸入氣體。這種情況對(duì)于沒(méi)有惰性氣體或附產(chǎn)物氣體的裝置特別屬實(shí)。液上氣體的吸入可防止這些氣體“損耗”于反應(yīng)，繼而又會(huì)使方法的無(wú)效性最小化。
在氣-液混合操作中，某些氣體混合反應(yīng)器，包括高級(jí)氣體反應(yīng)器(AGR)裝置應(yīng)用了位于空心通流管內(nèi)的下抽式葉輪，以便在混合容器所含的大量液體中產(chǎn)生環(huán)流模式。由于在空心通流管中液體這樣的向下的環(huán)流，在通流管的上部入口區(qū)形成了渦流，以便產(chǎn)生抽吸作用，正如通常轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專(zhuān)利No.Re.32,562所公開(kāi)的那樣，這種抽吸作用將氣體從容器中頂部氣體空間抽出，并使氣體與向下進(jìn)入通流管的循環(huán)液體混合。
用于這樣的氣-液混合目的的滿(mǎn)意的渦流發(fā)展，在各種實(shí)際的操作因數(shù)中，取決于通流管頂部上方合適的液位范圍的維持。如果液位上升到這個(gè)狹窄的操作范圍之上，則會(huì)阻礙渦流的形成，氣體吸入的速度基本上降低到零。因此，在最佳液位之上的液位進(jìn)行操作可能會(huì)顯著地降低AGR體系的氣體吸入能力。而且，如果液位下降到通流管頂部以下，則氣體的抽吸作用完全停止。
當(dāng)反應(yīng)器中的液位以大于通流管直徑的約1/2到1/2在通流管之上時(shí)，AGR的運(yùn)行就不正常了。葉輪使液體液泛，使得AGR的渦流葉輪的抽吸作用有效地被中斷。由于這種原因，AGR并不實(shí)用。在專(zhuān)門(mén)的化學(xué)處理中，特別是在氫化和氯化反應(yīng)器中，可變液位的應(yīng)用是常見(jiàn)的。使AGR成功地適合于在可變液位反應(yīng)器中，將使得在固定液位的AGR應(yīng)用中所觀察到的有益之處能在可變液位的應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)有許多的方法，這些方法都旨在克服與AGR在可變液位應(yīng)用中的使用情況有聯(lián)系的問(wèn)題。在美國(guó)專(zhuān)利No.5,009,816中，兩個(gè)或多個(gè)的AGR葉輪/通流管裝置是一個(gè)摞在另一個(gè)的上面。葉輪安裝在一個(gè)普通軸上，通流管充分間隔開(kāi)，以便使大量的液體流入每個(gè)葉輪的抽吸側(cè)。設(shè)置最低的葉輪/通流管裝置，以便在最低的操作液位下操作正常。在間歇生產(chǎn)期間，當(dāng)液位增加的時(shí)候，下一個(gè)較高的葉輪/通流管裝置浸沒(méi)，因此開(kāi)始起動(dòng)。因此葉輪/通流管裝置之一永遠(yuǎn)不會(huì)液泛，氣體的渦流夾帶機(jī)制在各個(gè)液位上有效。美國(guó)專(zhuān)利No.5,009,816所描述的多級(jí)AGR概念在機(jī)械上是復(fù)雜的，并且實(shí)施起來(lái)很昂貴。在美國(guó)專(zhuān)利No.4,919,849和5,244,603所描述的第二個(gè)方法中，AGR葉輪的軸制作成空心的，在反應(yīng)器最高液位上方的某一位置處，在軸上鉆了一個(gè)孔。在葉輪抽吸側(cè)附近，空心的排出管與軸相連。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，在排出管的端部產(chǎn)生了負(fù)壓。在孔位于的氣體空間和排出管端部之間的壓差引起氣體從氣體空間沿軸流到葉輪吸入側(cè)。
在美國(guó)專(zhuān)利No.4,919,849中，公開(kāi)了使用與空心軸相連的空心氣體吸入管作為一種裝置的情況，這種裝置在經(jīng)歷可變液位操作的氣-液混合操作過(guò)程期間位于非最佳液位。在許多氣/液混合應(yīng)用中，特別是那些特定的化學(xué)和藥物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用中，容器中液位的改變是很常見(jiàn)的。所處理的批料量的改變，消耗或溶解的反應(yīng)物體積的增加或減少，或反應(yīng)進(jìn)行時(shí)物料的加入或除去都會(huì)引起液位的改變。在許多過(guò)程中，能夠使在容器液上空間積累的一種氣體或幾種氣體再循環(huán)是符合需要的。在氫化和氧化方法中，這種情況尤其屬實(shí)?？墒牵?dāng)在發(fā)生渦流的某些場(chǎng)合下可以將氣體從液上空間抽出時(shí)，氣體的吸入可能會(huì)不順暢。
美國(guó)專(zhuān)利No.4,919,849和No.5,244,603提供了葉輪/排出管，只要所產(chǎn)生的壓差大于管上方的液體壓頭，這種管使用情況就很好?？墒?，由于液體壓頭相當(dāng)大，當(dāng)液位變化范圍很廣時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。
美國(guó)專(zhuān)利No.5,004,571公開(kāi)了另一個(gè)克服與可變液位應(yīng)用有聯(lián)系的問(wèn)題的方法，該方法使用外部穩(wěn)壓槽和液位控制來(lái)維持反應(yīng)器的液位在或接近普通AGR操作的最佳液位。氣體分散的主要機(jī)制是利用渦流將氣體空間的氣體夾帶入葉輪的抽吸側(cè)。
美國(guó)專(zhuān)利No.5,451,348公開(kāi)了氣-液混合的設(shè)備和方法，該設(shè)備和方法是將液體從密閉容器經(jīng)過(guò)排出管進(jìn)行再循環(huán)，并返回入液體中，且將排出管的真空端與頂部氣體空間相連，使氣體下抽入液體中。如果液體處在操作液位，’348專(zhuān)利的設(shè)備含有將頂部空間的氣體向下抽吸的葉輪裝置。遺憾的是，表面吸入的速度部分地是由相對(duì)于該葉輪或這些葉輪的液位所決定的。如果液位改變，則吸入氣體的量也改變。在間歇處理時(shí)，通常液位能夠顯著地改變，最終導(dǎo)致了液相反應(yīng)的停止。所有的葉輪系統(tǒng)都具有這種缺點(diǎn)。本發(fā)明擴(kuò)大了操作范圍，在不同的液位提供了較先前存在的葉輪更穩(wěn)定的氣體吸入。
許多的裝置，例如上述的裝置，因這個(gè)問(wèn)題工作無(wú)效。這些裝置的設(shè)計(jì)考慮到最佳的液位，在間歇操作常見(jiàn)的液位范圍內(nèi)，允許有次佳的性能。
有兩種降低氣體吸入速度對(duì)液位敏感性的方法。一個(gè)方法是讓流體在槽中旋轉(zhuǎn)。在無(wú)擋板的情況下，葉輪或幾個(gè)葉輪在葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向上將產(chǎn)生大量旋轉(zhuǎn)流。這個(gè)旋轉(zhuǎn)流將產(chǎn)生一個(gè)很深的中央渦流，這個(gè)渦流可以在很廣的液位范圍內(nèi)進(jìn)行氣體的吸入。
第二個(gè)方法向液體的排出側(cè)提供液上氣體。氣體從液上空間向下流經(jīng)空心葉輪，通過(guò)排出管流入液體中。排出管的長(zhǎng)度和幾何形狀，排出管上方的液體高度和軸的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了氣體供給的速度。這個(gè)方法對(duì)液位也敏感，但比較小。
上述兩個(gè)方法都有不足之處。第一個(gè)方法在槽中產(chǎn)生大量的旋轉(zhuǎn)流，這對(duì)于液體的混合是不利的。這種大量的旋轉(zhuǎn)流也限制了能量從葉輪向流體的有效傳遞。結(jié)果是傳質(zhì)較差。
排出管不能產(chǎn)生與表面吸入產(chǎn)生的氣體吸入速度相等的氣體吸入速度。此外，在氣-液-固體系中，排出管的堵塞則是另外的一個(gè)危險(xiǎn)。
具有額外裝置的氣體混合法和裝置可以提供先進(jìn)的技術(shù)，其用于使氣體更完全的從頂端空間吸入，其中額外裝置將氣體返回送入溶液中。
因此存在著一個(gè)要求，即提供將更大量氣體從頂端空間吸入的氣體混合方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明旨在一個(gè)使氣體和液體在具有頂端氣體空間的封閉容器中進(jìn)行混合的方法，當(dāng)條件是液位在預(yù)定的液位范圍內(nèi)，該方法包括使容器中的液體在利用裝在容器中的葉輪裝置進(jìn)行循環(huán)的步驟，為的是產(chǎn)生抽吸作用，使氣體從頂端氣體空間向下抽吸并使氣體與再循環(huán)液體混合；當(dāng)條件是液位在預(yù)定的液位范圍之上，該方法包括使容器中的一部分液體利用裝在容器中液位表面附近的輔助葉輪裝置進(jìn)行循環(huán)的步驟，為的是產(chǎn)生附加的抽吸作用，使氣體從頂端氣體空間向下抽吸并與再循環(huán)液體混合。
本發(fā)明還旨在一種使氣體和液體在混合操作期間進(jìn)行混合的設(shè)備，該設(shè)備包含的混合容器具有位于其中并能在混合容器內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)流模式的軸流式下抽葉輪裝置和在液位表面附近位于葉輪裝置上方的軸流式下抽輔助葉輪裝置，前者使液體向下送至葉輪附近，后者使液體向下送往葉輪裝置，葉輪裝置和輔助葉輪裝置使液體在葉輪裝置周?chē)B續(xù)地向下流，并沿著混合器器壁連續(xù)地向上走，從而產(chǎn)生了渦流，使氣體在混合器內(nèi)從頂端空間抽出，其條件是液體在混合容器的操作液位處。
正如本文所使用的那樣，術(shù)語(yǔ)“靜態(tài)液位”的含義指的是葉輪或其它的混合裝置關(guān)閉時(shí)，混合器中液體相對(duì)于容器中某一點(diǎn)的液位。例如，當(dāng)混合裝置關(guān)閉時(shí)，如果液體在排出管上方1.5英寸，那么靜態(tài)液位就是在排出管上方1.5英寸。這種靜態(tài)液位與葉輪或其它混合裝置在操作期間的液位相反，此時(shí)氣體通過(guò)渦流從頂部空間向下抽，形成和擴(kuò)展了上升液位。
正如本文所使用的那樣，術(shù)語(yǔ)“氣體缺乏”的含義指的是喪失或沒(méi)有提升到液體規(guī)定區(qū)域的氣體。例如，引入容器的液體越多(混合/主葉輪恒定不變)，由于更多的液體發(fā)生混合，則渦流就變得越小。隨著體積的增加，就會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有渦流的一點(diǎn)。這將不可能使氣體按先前渦流存在時(shí)的方式從頂部空間往下抽。一般說(shuō)來(lái)，液/液混合繼續(xù)進(jìn)行，但是氣/液混合將減少，因此，在指定液體區(qū)域，引起氣體的缺乏。
根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，附圖中

圖1是比較數(shù)據(jù)的圖表，比較了在不同靜態(tài)液位時(shí)由AGR和具有攪拌速度為1000轉(zhuǎn)/分的輔助葉輪的AGR所產(chǎn)生的氣體滯留量；圖2是比較數(shù)據(jù)圖表，比較了在不同靜態(tài)液位時(shí)由AGR和具有攪拌速度為2000轉(zhuǎn)/分的輔助葉輪的AGR所產(chǎn)生的氣體滯留量；和圖3是實(shí)例說(shuō)明一個(gè)實(shí)施方案的側(cè)面剖視圖，其中為了在混合容器中的頂部氣體空間和液體之間建立流體聯(lián)系，實(shí)施方案使用了具有主葉輪和輔助葉輪的葉輪裝置。
添加輔助葉輪，給主葉輪裝置的吸入側(cè)提供吸入氣體。通常主葉輪裝置包含一個(gè)軸向葉輪或配有氣體分散元件的軸向葉輪。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了使氣體和液體在具有頂部氣體空間的封閉容器中進(jìn)行混合的方法。步驟包括將液體裝入容器到預(yù)定的液位，留有頂部氣體空間。加入氣體并使氣體與液體混合，以便在氣體和液體之間產(chǎn)生預(yù)定的接觸，一部分所加的氣體逸入頂部氣體空間。
利用位于容器中的葉輪裝置使容器中的液體進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)條件是液位在預(yù)定的液位范圍內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生抽吸作用，使氣體從頂部氣體空間向下抽，并使氣體與再循環(huán)液體相混合；也利用位于容器中液位表面附近的輔助葉輪裝置使容器中的一部分液體循環(huán)，當(dāng)條件是液位位于預(yù)定液位范圍之上，會(huì)產(chǎn)生附加的抽吸作用，使氣體從頂部氣體空間向下抽，并使氣體與再循環(huán)液體混合。
通過(guò)排出管操作的將被排回入液體中的這部分液體在排出管液位表面下連續(xù)地進(jìn)行循環(huán)，以便在排出管內(nèi)產(chǎn)生真空。
頂部空間與真空連通，以使氣體從空間向下吸入排出管，在排出管中在容器的液位之下與再循環(huán)液體混合，并一同排放。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了在混合操作期間使氣體和液體混合的設(shè)備。該設(shè)備包括混合容器，混合容器具有位于其中并能在混合容器內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)流模式的軸流式下抽葉輪裝置，和在液位表面附近位于所述葉輪裝置上方的軸流式下抽輔助葉輪裝置，前者使液體在鄰近于所述葉輪裝置處向下流動(dòng)，后者使液體送到所述葉輪處，葉輪裝置和輔助葉輪裝置使液體連續(xù)地沿所述葉輪周?chē)蛳铝鲃?dòng)，并沿著混合器器壁向上流動(dòng)，因此產(chǎn)生了渦流，從混合容器頂部氣體空間抽出的氣體，其條件是液體位于混合容器內(nèi)操作液位處。
我們也提供了液體再循環(huán)裝置，該循環(huán)裝置具有一個(gè)導(dǎo)管(其具有在容器的較低區(qū)域?qū)⒁后w取出的出口段和在容器的上部區(qū)域?qū)⒁后w再引入的進(jìn)口段)，通過(guò)導(dǎo)管抽吸液體的泵裝置和一個(gè)與導(dǎo)管的進(jìn)口段相連的排出管，排出管具有接受再循環(huán)液體連續(xù)供給的入口，一個(gè)具有增加液體速度的節(jié)流喉的縮放噴咀，一個(gè)與節(jié)流喉相連的真空室，一個(gè)在容器液位下方的排放噴咀和排出管真空室和頂部氣體空間之間的吸入連通管，因此，排出管真空室的真空將氣體從頂部空間通過(guò)吸入管抽出，與排出管中的再循環(huán)液體混合，并排入葉輪的入口。
通常，輔助裝置應(yīng)位于液面下方，優(yōu)選地位于一個(gè)有效的距離，從而提供充分的吸入作用，使頂部氣體吸入液體內(nèi)。
主葉輪裝置的具體實(shí)例是AGR技術(shù)，該技術(shù)引入產(chǎn)生軸向流的螺旋槳式葉輪和分散氣體的平葉片渦輪。其它的有用的優(yōu)選主葉輪構(gòu)型包括只有軸向水翼或帶有供分散氣體的Rushton渦輪的軸向水翼。
輔助的葉輪優(yōu)選地是軸向的或混合流葉輪。其它優(yōu)選的輔助葉輪構(gòu)型包括水翼和斜葉片渦輪。
成功地發(fā)展了使用AGR作為主葉輪裝置和使用單級(jí)軸向葉輪或兩個(gè)混合流葉輪(PBT)作為輔助葉輪的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，所使用的兩個(gè)PBT輔助葉輪與AGR配合使用。
圖1和圖2表示了在兩個(gè)不同攪拌速度下的比較數(shù)據(jù)。兩個(gè)圖比較了在不同的AGR和帶輔助葉輪的AGR產(chǎn)生的靜態(tài)液位時(shí)的氣體的滯留量。數(shù)據(jù)清晰表明3英寸AGR在1000轉(zhuǎn)/分在AGR通流管上方大約1.5英寸靜態(tài)液位時(shí)成為“氣體缺乏”，在2000轉(zhuǎn)/分在通流管上方2.25英寸靜態(tài)液位時(shí)成為“氣體缺乏”。相比之下，輔助葉輪在通流管上方6.5英寸靜態(tài)液位時(shí)提供氣體的吸入。發(fā)現(xiàn)輔助葉輪在更低液位發(fā)現(xiàn)的液位處在其上的高靜態(tài)液位處提供了氣體的吸入。
高液位處氣體吸入的增加使得輔助葉輪與AGR的結(jié)合特別好地適合于液位變化顯著的間歇反應(yīng)器的操作。已經(jīng)證明輔助葉輪能擴(kuò)大氣體吸入范圍和增加氣體吸入的量。
除了在這些較高液位處獲得的驚人高的氣體滯留量外，所需要的比功率(每單位體積的功率)幾乎是恒定不變的。使用附加的輔助葉輪在大致相同的比功率的條件下，可獲得這些很高的氣體滯留量。
這些輔助的葉輪不僅僅是附加的混合裝置，主葉輪裝置提供了混合作用。為了給主裝置提供足夠的氣體以產(chǎn)生分散良好的氣相，設(shè)計(jì)了這些小的葉輪。
圖3是一個(gè)說(shuō)明實(shí)施方案的側(cè)面剖視圖，其中使用具有主葉輪和輔助葉輪的葉輪裝置在混合器中的頂部氣體空間和液體間建立流體連通。在操作中，在輔助葉輪裝置3附近形成了由液面向下的渦流6。渦流使頂部空間8的氣體被吸入到液體9中。葉輪裝置2使容器1中的液體流7進(jìn)一步向下并再循環(huán)。葉輪裝置2和輔助葉輪裝置3固定在軸4上，沿著方向5旋轉(zhuǎn)。葉輪裝置2和輔助葉輪裝置3是下抽式葉輪裝置。
應(yīng)該明白，上述的說(shuō)明僅僅是作為本發(fā)明的例證。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明的前題下可以作出各種替換和改變。因此，本發(fā)明的意圖就是領(lǐng)會(huì)所有這些符合所述權(quán)利要求范圍的替換，改變和變更。
權(quán)利要求
1.在具有頂部氣體空間的封閉容器內(nèi)使氣體和液體混合的方法，該方法包括以下步驟(a)利用位于容器內(nèi)的葉輪裝置使液體在容器內(nèi)循環(huán)，以致產(chǎn)生抽吸作用，使氣體從頂部氣體空間向下抽，并與再循環(huán)液體混合，條件是液位在預(yù)定的液位范圍內(nèi)；(b)利用位于容器中液位表面處或附近的輔助葉輪裝置使容器中一部分液體循環(huán)，以致產(chǎn)生附加的抽吸作用，使氣體從頂部氣體空間向下抽，并與再循環(huán)液體混合，條件是液位在預(yù)定的液位范圍之上。
2.權(quán)利要求1的方法，在所述循環(huán)步驟之前，該方法還包括下列步驟(a)將液體裝入容器到預(yù)定的液位，留出頂部氣體空間；(b)加入氣體并使它與液體混合，以使氣體和液體間產(chǎn)生預(yù)定的接觸，在循環(huán)步驟之前，一部分所加的氣體逸入頂部氣體空間。
3.權(quán)利要求1的方法，在所述的循環(huán)步驟之后，該方法還包括下列的步驟(a)連續(xù)地使一部分液體操作的排出管循環(huán)，排出管使這部分液體在排出管液面以下排回入液體中，以便在排出管內(nèi)產(chǎn)生真空，(b)使真空與頂部空間連通，以便使氣體從空間向下吸入排出管內(nèi)，在排出管中，氣體在容器的液位下方與再循環(huán)液體混合并一同排出。
4.權(quán)利要求1的方法，該方法還包括使空心通流管環(huán)繞葉輪裝置。
5.權(quán)利要求4的方法，該方法還包括使該空心通流管環(huán)繞輔助葉輪裝置。
6.在混合操作期間，使氣體和液體混合的設(shè)備，該設(shè)備包含混合容器，混合容器具有軸向的位于混合容器內(nèi)并能在混合容器內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)流模式的軸流式下抽葉輪裝置，和在液位表面附近位于葉輪裝置上方的軸流式下抽輔助葉輪裝置，其中前者使在葉輪附近向下流動(dòng)，后者使液體朝葉輪裝置向下流動(dòng)，葉輪裝置和輔助的葉輪裝置使液體連續(xù)地沿葉輪裝置周?chē)蛳铝鲃?dòng)，并沿著混合容器器壁連續(xù)向上流動(dòng)，從而產(chǎn)生渦流，在混合容器內(nèi)從頂部氣體空間抽出的氣體，其條件是液體在混合容器內(nèi)處在操作液位處。
7.權(quán)利要求6的設(shè)備，該設(shè)備進(jìn)一步包括液體再循環(huán)系統(tǒng)，該再循環(huán)系統(tǒng)包括導(dǎo)管，將液體通過(guò)導(dǎo)管泵送的泵裝置和與導(dǎo)管進(jìn)口段相連的排出管，其中導(dǎo)管具有將液體從容器下部區(qū)域排出的出口段和在容器的上部區(qū)域?qū)⒁后w再引入的入口段，該排出管具有接受再循環(huán)液體連續(xù)供給的入口。
8.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中混合容器包含空心通流管，其環(huán)繞著葉輪裝置。
9.權(quán)利要求8的設(shè)備，其中混合容器包含空心通流管，其環(huán)繞著輔助葉輪裝置。
10.使氣體和液體在混合操作期間混合的設(shè)備，該設(shè)備包括(a)混合容器，其具有位于其中的并能夠在混合容器內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)流模式的軸流式下抽葉輪裝置和在液體表面附近位于葉輪裝置上方的軸流式下抽輔助葉輪裝置，葉輪裝置使液體在葉輪裝置附近向下流動(dòng)，輔助葉輪裝置使液體向下流向葉輪裝置，葉輪裝置和輔助葉輪裝置使液體連續(xù)地沿葉輪裝置周?chē)蛳铝鲃?dòng)，并連續(xù)地沿著混合容器的器壁向上流動(dòng)，從而產(chǎn)生了渦流，和在混合容器內(nèi)從頂部氣體空間抽出的氣體，條件是液體在容器內(nèi)處在操作液位；(b)液體循環(huán)裝置，其包括導(dǎo)管，導(dǎo)管具有將液體從容器下部區(qū)域排出的出口段和使液體在容器的上部區(qū)域再引入的入口段，使液體通過(guò)導(dǎo)管泵送的泵裝置，和與導(dǎo)管進(jìn)口段相連的排出管，該排出管具有接受再循環(huán)液體連續(xù)供給的入口。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用葉輪裝置和輔助葉輪裝置在具有頂部氣體空間的封閉容器內(nèi)使液體和氣體混合的方法。
文檔編號(hào)B01J19/00GK1326814SQ0110306
公開(kāi)日2001年12月19日 申請(qǐng)日期2001年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月24日
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