專利名稱：氣液接觸反應(yīng)傳質(zhì)強化的方法及氣液接觸反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣液接觸反應(yīng)傳質(zhì)強化的方法及實現(xiàn)該方法的氣液接觸反應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
化工行業(yè)中大量生產(chǎn)設(shè)備或流程采用氣液反應(yīng)生產(chǎn)化工產(chǎn)品或中間產(chǎn)物，其中泡狀流氣 液反應(yīng)在化工行業(yè)中廣泛用于生產(chǎn)液體產(chǎn)品、回收混合氣體中的有用物質(zhì)、除去有害成分以 凈化氣體等，如在鼓泡塔中進行的殘油加氫裂解、脫硫、石蠟加氫脫色、氣體吸收、廢氣及 廢水處理、液態(tài)有機物的空氣氧化、低分子量烯烴聚合以及費托合成等化工過程，近二三十 年來，由于均相絡(luò)合催化劑的應(yīng)用，氣液反應(yīng)越來越顯示其重要性。泡狀流氣液反應(yīng)不僅在 化工領(lǐng)域，在環(huán)保領(lǐng)域也獲得了廣泛的應(yīng)用，如采用氣浮法對污水進行處理和臭氧進行飲用 水處理等。此外電站鍋爐中采用強制空氣鼓泡脫硫工藝，食品工業(yè)中在鼓泡攪拌釜內(nèi)食品及 制藥工業(yè)中藥物的發(fā)酵等，都是一種泡狀流型下的氣液反應(yīng)。
鼓泡塔及類似的氣浮式反應(yīng)器是化工行業(yè)中大量使用的進行泡狀流氣液反應(yīng)的化工設(shè) 備，鼓泡塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、造價低、易控制、易維修、防腐問題易解決，用于高壓時也無 困難。但是鼓泡塔等類似的氣液反應(yīng)器內(nèi)氣液反應(yīng)的轉(zhuǎn)化速率較低，資源利用率低，能源浪 費較為嚴重。以廣泛采用的污水好氧處理工藝活性污泥反應(yīng)器一曝氣池(類似于鼓泡塔)為 例，曝氣充氧電耗一般占總動力消耗的60% 70%，而能量利用率只有百分之幾。雖然建設(shè)了 多座大型水處理廠，但由于消耗不起電力而不得不擱置。再如利用臭氧氣體進行的水處理過 程中，臭氧氣體在水中的溶解度不高，而且臭氧發(fā)生器所產(chǎn)生的臭氧濃度較低，通常不到 10% (體積濃度)，很難做到臭氧向水中的高效傳質(zhì)、達到比較高的水中溶解臭氧濃度，工 程實踐中常常遇到臭氧和水接觸反應(yīng)不夠充分、臭氧氣體的利用效率不高、水中溶解的臭氧 濃度偏低等問題，嚴重影響制約臭氧水處理技術(shù)的推廣使用。
目前已有的各類接觸反應(yīng)裝置基本都是沿用化工氣液反應(yīng)器的形式，如鼓泡塔、填料 塔、射流器等。上述裝置中由于氣體在液體中的溶解度不高，很難做到氣體向液體中的高效 傳質(zhì)，并在液體中達到比較高的氣體濃度，工程實踐中常常遇到氣體和液體接觸反應(yīng)不夠充 分、氣體的利用效率不高、水中溶解的氣體濃度偏低等問題，從而使得資源利用率，生產(chǎn)成 本較高，并且造成嚴重的能源浪費，也影響到相應(yīng)技術(shù)的推廣使用。
目前人們研究探索了很多強化氣液混合接觸的辦法，如增加接觸反應(yīng)容器內(nèi)的壓力、采用渦輪混合器、提高射流管道混合器的噴射壓力、鼓泡塔中利用機械葉輪剪切攪拌等，這些 沿用化工領(lǐng)域中常用的加強氣液反應(yīng)的手段，屬于機械強化的方法，能耗及費用較大，難以 在本來運行費用較高的氣液反應(yīng)工藝中大規(guī)模使用，此外還有一些采用外力場強化氣液接觸 混合的辦法，如電場強化、低頻聲波激振等，都是希望在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生更多的氣泡，增加氣 液間接觸面積。采用上述方法盡管可以產(chǎn)生大量的小氣泡，但由于氣泡間的相互作用，氣泡 數(shù)量增加使氣泡間合并現(xiàn)象發(fā)生幾率大大增加，而小氣泡合并成大氣泡，不僅導(dǎo)致氣液間接 觸面積減小，而且由于大氣泡受到的浮力較大，其在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間也會縮短，從而會 引起傳質(zhì)速率下降，最后大氣泡不斷從液體中逸出引起嚴重的液相返混，使液體反應(yīng)物濃度 普遍降低，產(chǎn)物濃度普遍上升，并趨向于液相出口狀態(tài)，這導(dǎo)致氣液反應(yīng)速率明顯下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種能夠提高氣體向液體的傳質(zhì)效率、 提高氣液反應(yīng)速率、降低氣液反應(yīng)中的設(shè)備投資和運行費用的氣液接觸反應(yīng)傳質(zhì)強化的方法 及實現(xiàn)該方法的氣液接觸反應(yīng)裝置。
本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)
一種氣液接觸反應(yīng)傳質(zhì)強化的方法，其特征在于，在氣液接觸反應(yīng)器兩端分別放置能產(chǎn) 生高頻振動的超聲波發(fā)生器和能夠反射聲波的反射板，使氣液接觸反應(yīng)器內(nèi)部形成從上到下 振幅逐漸減小的超聲場，使得反應(yīng)器上部靜止液體中溶解的氣體從液體中析出，形成小氣泡 向下運動，并聚集形成一個大氣泡，大氣泡長大到一臨界直徑，發(fā)生突然下沉運動，到達下 部某一位置并保持穩(wěn)定，此過程以一定周期不斷發(fā)生，大量相同大小的氣泡在聲波場中不發(fā) 生合并現(xiàn)象。
一種氣液接觸反應(yīng)裝置，包括接觸反應(yīng)器，所述接觸反應(yīng)器上設(shè)置有液體進口、液體出 口、氣體進口、尾氣出口，其特征在于，所述接觸反應(yīng)器的頂部固定有能產(chǎn)生高頻振動的超 聲波發(fā)生器，接觸反應(yīng)器的底部固定有反射聲波的反射板，低壓電源、信號發(fā)生器、信號放 大器、所述超聲波發(fā)生器依次連接，在接觸反應(yīng)器內(nèi)，所述超聲波發(fā)生器與反射板之間形成 振幅逐漸減小的超聲場。
所述接觸反應(yīng)器為鼓泡塔、填料塔、射流塔、鼓泡罐、射流罐中的任一種。 所述超聲波發(fā)生器由壓電陶瓷、正極銅板電極、負極銅板電極、金屬外殼組成，所述正 極銅板電極與壓電陶瓷的正極面連接，負極銅板電極與壓電陶瓷的負極面連接，所述正極銅 板電極和負極銅板電極分別與信號發(fā)生器連接，所述壓電陶瓷、正極銅板電極、負極銅板電 極置于金屬外殼內(nèi)，壓電陶瓷的正極面向下朝向接觸反應(yīng)器內(nèi)部。本發(fā)明具有下述技術(shù)效果
本發(fā)明氣液接觸反應(yīng)傳質(zhì)強化的方法在氣液接觸反應(yīng)場內(nèi)形成從上到下振幅逐漸減小的 超聲場，可以較大幅度提高氣體向液體的傳質(zhì)效率，提高氣液反應(yīng)速率，減少接觸反應(yīng)裝置 的體積和制造成本，降低氣液反應(yīng)中的設(shè)備投資和運行費用。本發(fā)明的接觸反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)簡 單，可以方便地生產(chǎn)制造或?qū)崿F(xiàn)已有設(shè)備的技術(shù)改造，能夠比較廣泛地應(yīng)用到所有的泡狀流 氣液反應(yīng)領(lǐng)域，如鼓泡塔中進行的殘油加氫裂解、脫硫、石蠟加氫脫色、氣體吸收、廢氣及 廢水處理、液態(tài)有機物的空氣氧化、低分子量烯烴聚合以及費托合成等化工過程，飲用水消 毒/滅菌/殺藻、游泳池水處理、制造高濃度臭氧水、循環(huán)冷卻水處理等水處理領(lǐng)域，以及電 站鍋爐中強制空氣鼓泡脫硫工藝，食品工業(yè)中在鼓泡攪拌釜內(nèi)食品及制藥工業(yè)中藥物的發(fā)酵 等多種場所。
與傳統(tǒng)的機械增強傳質(zhì)的方法相比，本發(fā)明的氣液接觸反應(yīng)傳質(zhì)強化的方法及氣液接觸
反應(yīng)裝置具有下述優(yōu)點
1. 非接觸式即超聲波發(fā)生器不與反應(yīng)工質(zhì)直接接觸，不受反應(yīng)工質(zhì)影響，適用性廣泛。
2. 可以控制氣泡間的合并，從而使得氣泡在上升過程中，氣液間接觸面積不會減少， 同時增加氣泡的停留時間，有利于氣液間的傳質(zhì)強化。
3. 可以抑制上升氣泡從液面逸出引起的液相返混，從而提高產(chǎn)物區(qū)反應(yīng)產(chǎn)物的濃度，
提高氣相反應(yīng)物的一次反應(yīng)利用率，提高氣液反應(yīng)速率。


圖l為本發(fā)明傳質(zhì)強化的氣液接觸反應(yīng)裝置的示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明詳細說明。
一種氣液接觸反應(yīng)傳質(zhì)強化的方法，在氣液接觸反應(yīng)器兩端分別放置能產(chǎn)生高頻振動的 超聲波發(fā)生器和能夠反射聲波的反射板，使氣液接觸反應(yīng)器內(nèi)部形成從上到下振幅逐漸減小 的超聲場，使得反應(yīng)器上部靜止液體中溶解的氣體從液體中析出，形成小氣泡向下運動，并 聚集形成一個大氣泡，大氣泡長大到一臨界直，發(fā)生突然下沉運動，到達下部某一位置并保 持穩(wěn)定，此過程以一定周期不斷發(fā)生，大量相同大小的氣泡在聲波場中不發(fā)生合并現(xiàn)象。
本發(fā)明實現(xiàn)氣液接觸反應(yīng)傳質(zhì)強化的方法的氣液接觸反應(yīng)裝置的示意圖如圖1所示，包
括接觸反應(yīng)器l，接觸反應(yīng)器1上設(shè)置有液體進口2、液體出口4、氣體進口3、尾氣出口5，在 接觸反應(yīng)器1的頂部固定有能產(chǎn)生高頻振動的超聲波發(fā)生器6，接觸反應(yīng)器的底部固定有反射聲波的反射板IO，低壓電源9、信號發(fā)生器8、信號放大器7、超聲波發(fā)生器6依次連接，在接 觸反應(yīng)器內(nèi)，所述超聲波發(fā)生器與反射板之間形成振幅逐漸減小的超聲場。其中，所述超聲 波發(fā)生器由壓電陶瓷、正極銅板電極、負極銅板電極、金屬外殼組成，所述正極銅板電極與 壓電陶瓷的正極面連接，負極銅板電極與壓電陶瓷的負極面連接，所述正極銅板電極和負極 銅板電極分別與信號發(fā)生器連接，所述壓電陶瓷、正極銅板電極、負極銅板電極置于金屬外 殼內(nèi)，壓電陶瓷的正極面向下朝向接觸反應(yīng)器內(nèi)部。 銅板電極、聲波反射板組成。
接觸反應(yīng)器為通常形式的鼓泡塔、填料塔、射流塔、鼓泡罐、射流罐、氣浮式反應(yīng)器中 的任一種。
參與反應(yīng)的液體從液體進口2流入氣體與液體的接觸反應(yīng)器1中，由液體出口4流出。氣 體通過氣體進口進入接觸反應(yīng)器l中，液體中的氣體與液體反應(yīng)后的尾氣經(jīng)尾氣出口 5排出。 打開低壓電源，信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號經(jīng)過信號放大器后送到超聲波發(fā)生器，超聲波發(fā)生器 產(chǎn)生的高頻振動傳入接觸反應(yīng)器內(nèi)部，配合接觸反應(yīng)器底部固定的反射板，使得接觸反應(yīng)器 內(nèi)形成從上到下振幅逐漸減小的超聲場。在這樣的超聲場的作用下，反應(yīng)器上部靜止液體中 溶解的氣體會從液體中析出，形成小氣泡向下運動聚集形成一個大氣泡，大氣泡長大到一臨 界直徑，發(fā)生突然的下沉運動，在很短的時間內(nèi)到達下部某一位置并保持穩(wěn)定。氣泡長大的 臨界直徑大小與超聲波頻率有關(guān)，如當超聲頻率為26KHz時，氣泡的臨界直徑在2mm左右，而 當超聲頻率在MHz數(shù)量級時，氣泡臨界直徑一般為微米數(shù)量級。即氣泡臨界直徑隨著頻率的 增加而減小。氣泡發(fā)生及突然下沉現(xiàn)象以一定周期連續(xù)發(fā)生，在下部位置聚集了大量大小相 同的氣泡。此處大小相同的氣泡相互作用，多個氣泡保持穩(wěn)定狀態(tài)，不發(fā)生合并。氣泡間存 在一個臨界間距，氣泡間距大于這一臨界間距則相互吸引，接近這一臨界間距則相互排斥。 如出現(xiàn)外界擾動，使得氣泡間距小于此臨界間距，則氣泡合并，合并后的氣泡在聲波作用下 破裂。對于臨界直徑大小的上升氣泡，由于超聲場的作用，相互之間不會發(fā)生合并現(xiàn)象，大 于臨界直徑的上升氣泡，在聲波作用下破裂而不形成更大的氣泡，小于臨界直徑的小氣泡會 合并成直徑為臨界直徑的氣泡在存在。超聲場的存在使得氣液相間的接觸面積不會由于氣泡 合并而減小，有利于傳質(zhì)過程的進行。而且聲場作用于氣泡上的第一Bjerknes力的作用方向 和重力方向相同，還會增加氣泡的停留時間，有利于傳質(zhì)過程的進行。本發(fā)明的方法與沒有 強化超聲場的情況相比，氣體向液體中的傳質(zhì)效果均有大幅度提高，總傳質(zhì)系數(shù)均可提高 100%以上。
權(quán)利要求
1.一種氣液接觸反應(yīng)傳質(zhì)強化的方法，其特征在于，在氣液接觸反應(yīng)器兩端分別放置能產(chǎn)生高頻振動的超聲波發(fā)生器和能夠反射聲波的反射板，使氣液接觸反應(yīng)器內(nèi)部形成從上到下振幅逐漸減小的超聲場，使得反應(yīng)器上部靜止液體中溶解的氣體從液體中析出，形成小氣泡向下運動，并聚集形成一個大氣泡，大氣泡長大到一臨界直徑，發(fā)生突然下沉運動，到達下部某一位置并保持穩(wěn)定，此過程以一定周期不斷發(fā)生，大量相同大小的氣泡在聲波場中不發(fā)生合并現(xiàn)象。
2. 一種實現(xiàn)權(quán)利要求l所述的氣液接觸反應(yīng)傳質(zhì)強化的方法的氣液接 觸反應(yīng)裝置，包括接觸反應(yīng)器，所述接觸反應(yīng)器上設(shè)置有液體進口、液體出口、氣體進口、 尾氣出口，其特征在于，所述接觸反應(yīng)器的頂部固定有能產(chǎn)生高頻振動的超聲波發(fā)生器，接 觸反應(yīng)器的底部固定有反射聲波的反射板，低壓電源、信號發(fā)生器、信號放大器、所述超聲 波發(fā)生器依次連接，在接觸反應(yīng)器內(nèi)，所述超聲波發(fā)生器與反射板之間形成振幅逐漸減小的 超聲場。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣液接觸反應(yīng)裝置，其特征在于，所述接觸 反應(yīng)器為鼓泡塔、填料塔、射流塔、鼓泡罐、射流罐、氣浮式反應(yīng)器中的任一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的氣液接觸反應(yīng)裝置，其特征在于，所述 超聲波發(fā)生器由壓電陶瓷、正極銅板電極、負極銅板電極、金屬外殼組成，所述正極銅板電 極與壓電陶瓷的正極面連接，負極銅板電極與壓電陶瓷的負極面連接，所述正極銅板電極和 負極銅板電極分別與信號發(fā)生器連接，所述壓電陶瓷、正極銅板電極、負極銅板電極置于金 屬外殼內(nèi)，壓電陶瓷的正極面向下朝向接觸反應(yīng)器內(nèi)部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣液接觸反應(yīng)傳質(zhì)強化的方法及氣液接觸反應(yīng)裝置，旨在提供一種能夠提高氣體向液體中的傳質(zhì)效率、提高氣液反應(yīng)速率、降低氣液反應(yīng)工藝的設(shè)備投資和運行費用的氣液接觸反應(yīng)傳質(zhì)強化的方法及氣液接觸反應(yīng)裝置。接觸反應(yīng)器的頂部固定有能產(chǎn)生高頻振動的超聲波發(fā)生器，底部固定有反射聲波的反射板，低壓電源、信號發(fā)生器、信號放大器、超聲波發(fā)生器依次連接，在接觸反應(yīng)器內(nèi)形成振幅逐漸減小的超聲場，可以控制氣泡間的合并，增加氣泡的停留時間，有利于氣液間的傳質(zhì)強化?？梢砸种茪馀莺喜a(chǎn)生的液相返混，提高氣液反應(yīng)速率。本發(fā)明的氣液接觸反應(yīng)裝置為非接觸式，結(jié)構(gòu)簡單，能夠比較廣泛地應(yīng)用到所有的泡狀流氣液反應(yīng)領(lǐng)域。
文檔編號B01J10/00GK101618306SQ200910305168
公開日2010年1月6日 申請日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日
發(fā)明者蘇新軍 申請人:天津商業(yè)大學