可變液面噴射器-葉輪氣液混合裝置和方法

2023-05-27 23:46:56

專利名稱：可變液面噴射器-葉輪氣液混合裝置和方法
技術領域：
本發明涉及氣液混合操作；具體講，涉及在具體可變液面操作條件下增進的氣-液混合。
氣-液混合操作中，先進的氣體反應器(AGR)採用設在空心流通管內的向下輸送葉輪以便在混合器中內裝的液體內造成一種循環流動模式。由於空心流通管內的這種液體向下循環流動，在該流通管的上部入口區域形成一些渦流，從而產生一種抽吸作用，該作用從容器內的上部氣體空間中抽取氣，並且使之與向下通過流通管的循環液混合，詳見由普通受讓人Litz的32,562號再頒美國專利中所述。
適於這種氣-液混合目的的令人滿意的渦流的形成，在不同的實際操作因素中取決於使液面保持在流通管頂部上方的適當範圍內。如液面高於此窄操作範圍，則渦流的形成受阻，而且氣體攝取的速率大體上降低至零。因此，在高於最佳液面之上的各種液面下操作，能顯著降低AGR系統的氣體攝取能力。而且，如果液面低於流通管頂部，則氣體的抽吸作用全部停止。
當反應器中的液面高於流通管之上達大約1/3～1/2流通管直徑時，AGR不能適當工作。葉輪使液體湧流得使渦流夾帶機制(是將氣體吸收到AGR葉輪抽吸作用中的主要手段)被有效地截止。由於此原因而使AGR不再適用。在專門的化學加工中，尤其在加氫和氯化反應器中的化學處理時可變液面的應用很普通。在可變液面反應器中成功的使用AGR，將可以使得在採用固定液面AGR時觀察到的那些優點於可變液面應用條件下得以實現。
就克服因採用可變液面方式而出現的問題而言，目前有三種解決方法。第一種方法載於US專利5,009,816之中，該法採用兩或多個AGR葉輪/流通管組，使之一個置於另一個之上。這些葉輪裝在一根公用軸上。使流通管之間隔開，以便讓流體從容器的其餘部分流入每個葉輪的負壓區。將最下面的葉輪/流通管設置在最低操作液面的正常操作條件下。在間歇式進一批料時，隨著液面的提高，次高的葉輪/流通管組被浸沒而進入工作狀態。因此，在葉輪/流通管組中總有一組處於或接近液面處工作，從而使得諸液面下最上部工作狀態下的葉輪/流通管組總是有效地處於沒有液流湧動且處於氣體攝取的渦流夾帶機制之下。US-5,009,816中介紹的這種多級AGR設想，既是機械上複雜的，又是昂貴得難以實現的。
在普通受讓的US-4,919,849和5,244,603中介紹了第二種方案，即將AGR葉輪軸製成空心的，於軸上相當於反應器內最高液面上方位置處鑽孔。將一些空心的噴射器管連在軸上靠近葉輪的負壓區。葉輪旋輪時，在噴射器管的頂產生負壓。於設置孔的氣體空間和噴射器頂之間的壓力差，使得氣體從氣體空間通過軸流至葉輪的負壓區。
Litz的US專利4,919,849中披露出一種連接在空心軸上的空心氣體攝取管，採用一些這樣的管作為可變液面操作下，於氣-液混合操作期間向設置在非最佳液面下的向下輸送的螺旋葉輪裝置中吸抽氣體的裝置。在許多氣-液混合用途中，尤其是專門的化學和藥物領域的應用中，容器內液面的變化極普遍。液面變化可能由於待處理的批料量上變化、隨著反應的進行因反應物消耗或溶解而造成的容積增大或減小或者添加或除去物料等原因而引起的。許多工藝中，希望能夠使容器上部空間積累的一或多種氣體循環；在加氫和氧化工藝中尤其是這種情況。雖然上面指出的Litz的US4,919,849針對此問題，並且提出了在AGR系統的渦流形成受阻，即氣體攝取受阻的情況下從上部氣體空間抽吸氣體。但是在氣-液混合領域中仍希望作出進一步的改進。尤其希望提供出對於氣-液混合操作期間反應器容器中有很大液體變化，例如高達8英尺或更大變化條件下改善氣-液混合的方案。US4,919,849和US5,244,603中提出的葉輪/噴射器管的設想，在旋轉中的噴射器管所產生的壓力差高於噴射器管上方液體壓頭的條件下工作得很好。這可能是液體壓頭高於噴射器管的問題，也可能是由於液體壓頭能夠保持相當因而使液體壓頭廣泛變化的問題。在葉輪/噴射器管系統中，從氣體空間抽取氣體至葉輪負壓區的壓力差以N2增大，而N是葉輪的旋轉速度。因此，通過提高葉輪旋轉速度可以增大可以接受的操作範圍。然而，葉輪的抽取功率近似以N3增大。在高液面下，需要高轉速來克服液體壓頭，所以抽取功率可能過剩。不僅如此，高液體壓頭下所需的轉速能夠接近葉輪的臨界速度，這能夠導致嚴重振動和增大機械問題的可能性。
解決與可變液面用途有關的問題而採用的另一種方法，載於普通受讓的US專利5,004,571之中；這種方法採用外部緩衝罐和液面控制來將反應器容器中的液面保持在或接近常規AGR操作的最佳水平上。氣體分散的主要機理，是氣體自氣體空間向葉輪負壓區流動時的渦流夾帶作用。
這種外部緩衝罐法需要一系列控制來保持最佳操作液面，需要額外增壓容器，而且還需要進行壓力和液面控制。因此，這種系統複雜而昂貴。
本發明提供一種新的氣-液混合裝置，如先進的氣體反應器(AGR)，其中包括外部的液體循環泵和導管，以及內部的文丘裡噴射泵或噴射器，所說的噴射泵或噴射器具有與所說的循環導管相通的入口並且具有穿過氣體入口導管或吸氣管與所說裝置的氣體空間相通的真空入口。所說的噴射器接受由外部的泵迫使之在循環導管中流動並從中流出的液流，並且通過噴射器排出液流至AGR的葉輪之抽吸端。這產生一種真空壓力，通過所說的抽吸管從氣體空間將氣體抽入噴射器以及循環液體中，以氣-液混合物形式由噴射器噴咀排入所說的入口附近和葉輪附近，而與所說裝置中的液面無關，與所說葉輪的轉速無關。
附圖是一種可變液面混合系統，如AGR系統的縱剖側視示意圖，其中上部氣體攝取機理與葉輪無關，也與液面變化無關。
參照附圖，容器1是其中垂直設置有葉輪流通管2的容器。此系統閉合或密封以便在上部空間容納工作氣體。流通管2從螺旋葉輪6的上端上方向延伸到明顯高於容器1底的點處，從而為液體循環提供適當的餘地，流通管2的頂部包括擴張口的錐形入口5，錐形入口5的外壁與流通管2的垂直外壁形成大約145～175°鈍角。錐形入口5中插有2～8個垂直的入口導流板4，這些導流板是剛性結構材料的一些薄板，它們最好等間距對稱設置在錐形導管5四周。所說的葉輪6包括固定在葉輪軸3上的一些湍流增進葉片7隨馬達12驅動的軸3旋轉。
操作期間，至少將最低液面22維持在錐形導管5的上方。除了容器1和流通管2的結構上支架之外，提供適當的液體和氣體入口，(8和9)以及上部卸壓孔11。容器1頂部設置馬達12按箭頭13的順時針方向驅動葉輪軸3。在壓力下，經由入口導管9通入工作氣體，在液面下將氣體排入流通管2的入口或負壓端。典型的氣體壓力處於約0.1～2,000psig(磅/平方英寸，表壓)範圍內且典型的氣體流速約為1～1,000scfm(標立方英尺/分)。於靠近容器1側壁底線處的入口8通入液體和最後放出液體。典型的液體流速處於大約2～10,000加侖/分範圍內。
作為與現有已知系統的一個基本區別在於本發明系統結合有使待處理液體連續再循環到噴射裝置18的裝置，利用再循環液體的力量創設一種與容器中液面上方氣體空間相通的真空。此真空作用下，氣體自氣體空間抽入噴射器內進而抽入再循環的液流之中，形成一種氣-液混合物被排到葉輪6負壓端區域內的流通管2的入口端。此外，工作氣體通過氣體入口導管9連續供入容器1中，使之直接進入位於葉輪6負壓端區域內流通管2的入口端處液體內。這樣一來，氣體的攝入被控制得與葉輪6的操作速度無關，而且可以控制得在液面於最低值22和最高值23之間作大範圍變化時使處理條件最佳化，如圖所示。
參照


適於再循環液體的裝置，側面再循環導管14包括下部液體出口導管段10、由外部馬達16驅動的泵15、上部液體入口導管段17和具有將噴射器18的真空室和容器1內液面上方氣體空間連通的吸氣管19的常規液體操作的真空噴射泵或噴射器18。真空噴射泵或噴射器18具有擴張形噴咀段21，向下指向流通管2的入口端之中，使再循環的液體和自氣體空間20通過管19吸入的氣體混合減速後向下排入葉輪6中，與通過氣體入口導管9新供入的氣體一起進入所說的區域中。
應當指出，本發明中完成氣-液混合的主要裝置是US專利4,328,175和US專利4,454,077中介紹的葉輪和流通管構型。但是，按照本發明葉輪起作用的液面範圍卻由於採用了側面通過導管14的液體再循環來驅動噴射器18和形成自氣體空間20抽氣經由噴射器18送入葉輪負壓區的真空而得以擴展。
噴射器或者真空噴射泵的操作原理是眾所周知的。運動的流體(本例中是側遊的反應母液)通過與真空相通的內文丘裡噴咀而被加速。而真空室由吸氣管19連通到氣體空間20中。通過噴射泵1 8的高速液體噴射，因柏努裡作用而形成真空。因此，氣體自液面之上的氣體空間20抽入噴射器的真空室，在其中與液體充分混合。在真空室中發生氣-液接觸以及從氣相向液相的質量轉移。這種氣-液的噴射作用隨著其衝出噴咀21而夾帶和混有來自體液的額外液體。噴射器18應當按裝得使氣-液噴射流指向葉輪的負壓段。由側遊向一或多個噴射器供料來驅動所需量氣體，使之自氣體空間進入葉輪負壓段。
噴射器的氣體驅動能力隨著液體深度的加大而減小。但是通過提高再循環液體的流速可以按需要保持或調節氣體流速。既然泵15獨立於葉輪的驅動12。那麼這一點在本發明的噴射器/泵結構中相當容易做到。為了在最大壓力差下吸氣，可以選擇泵15的大小來向噴射器18輸送足夠的液體。可以用閥門調節液流大小，也可以根據需要將液流永久地設置在最大速率下。
作為一個實例，在6000加侖反應器容器中於400°F和300psig下對未蒸餾的牛脂肪酸加氫，總氫消耗量為40,000SCFH(標準立方英尺/小時)，而峰值瞬時消耗速率為80,000SCFH。此峰值瞬時氣體需求量，可以由通過在比噴射器18的排出壓力高20psi(磅/平方英寸)壓力下通過再循環導管14供給的，總流速為80加侖/分鐘的液流來滿足。需用一臺效率達60％的2Hp泵15。
當液面變化小時，可以使用高效噴射器(相當於每單位液流的氣流大小，定義為噴射器效率)。對於液面變化的用途來說，可以使用效率較低的噴射器。
總之，將待處理的液體物料，例如攝取氮氣置換氧或使之除嗅的食用油，或者待氧化、加氫或與氣體反應的高沸點液體，通過液體入口出口管8供入容器1中，使容器1被充滿到液面可以在最低液面22和最高液面23之間變化的某處位置上，所說的最低和最高液面22和23共有流通管2的入口端。
原料氣體通過氣體入口管9直接被送入流通管2入口區和葉輪6負壓區的液體中，而且，下葉輪作用下被吸向下流動和被攪動與液體形成混合物，以便完成所需的作用和反應。原料氣的通入速率取決於具體的系統，例如，原料氣是否因與液體反應、在液體中溶解或大量逸出到液面上部的氣體空間20之中。
總之，為了使原料氣體通入速度達到最低值，將上部氣體空間20處現有的氣體用噴射器18再循環向下反回穿過液體，即將氣體空間20的氣體向下吸入吸氣管19和噴射器後進入葉輪6的負壓區，以便於提高該系統的效率。噴射器由來自容器1經由出口段10和用泵15強迫流過液體再循環導管18和入口段17循環的流體流動來驅動。液體經噴射器18的加速作用，在與吸氣管19相通的噴射器18的腔中形成柏努裡效應真空。為了調節噴射器18內的真空度，進而藉以調節通過吸氣管19從空間20中抽取上部氣體的速率、在噴射器18中與再循環液的混合以及被噴射到葉輪6負壓端的速率，使用變速馬達16控制泵15的操作。
正如上述說明所明顯看出的那樣，來自上部氣體空間20的氣體再循環，與液面在最低液面22(流通管2入口之上)和最高液面23(吸氣管19的入口之下)之間的變化無關，而且也與葉輪6的操作速度無關。
某種具體由液體驅動的噴射器的選擇，取決於待加以使用的具體系統的真空物流要求，即容器的尺寸和容積、待處理液體的容積和氣體的消耗速度。各種容量的液體驅動的「真空轉換器」噴射器均可由Air-Vac Engineering Company，Inc.，Milford，CT.處購到。
應當知道，上述說明僅僅在於說明本發明、本領域普通技術人員在不違背本發明條件可以設想出各種替代方案和改進方案。因此，本發明應當包括屬於後附權利要求範圍之內的全部這樣的替代方案和改進方案。
權利要求
1.一種在具有上部氣體空間的封閉容器中混合氣體和液體的方法，包括下列步驟(a)用液體充填所說容器至預定的液面，下上部氣體空間；(b)加入供給的氣體，使之與所說液體混合以便在其間產生預定的互相反應，一部分所說的被加入的氣體逸入上部氣體空間之中；(c)通過液體驅動的噴射器連續地再循環一部分液體，所說的噴射器將所說部分液體反排到其液面下的所說液體中以便在所說的噴射器中建立真空；以及(d)使所說的真空與上部氣體空間相通，將所說空間內氣體向下吸到所說的噴射器中，在噴射器內與再循環的液體於容器中液面下混合併隨之排出。
2.根據權利要求1的方法，其中包括為所說的容器提供葉輪裝置，此葉輪裝置使該容器中液體循環並建立一種抽吸作用，在此抽吸作用下氣體從上部氣體空間抽下使之與所說的循環液體混合，條件是液面處於預定的液面範圍內，以及調節液體通過所說噴射器的再循環速率，藉以控制抽吸上部氣體的速率。
3.根據權利要求2的方法，其中包括將所說的氣-液混合物直接從噴射器排到由所說的葉輪裝置建立的負壓區。
4.根據權利要求2的方法，其中被加入所說容器並在其中與液體混合的所說的供給氣體，在葉輪裝置所建立的抽吸作用影響下向液體中鼓泡。
5.根據權利要求1的方法，其中包括利用從液面之下向容器底部之上的區域內延伸的流通管包圍所說的葉輪裝置，藉以增進由葉輪裝置建立的液體循環作用和抽吸作用。
6.一種於混合操作期間經歷液面變化，於混合容器中混合氣體和液體的方法，所說的混合容器具有帶軸流的空心流通管、其中設置有用於形成渦流和在混合容器中從上部氣體空間將氣體攝取到其中液體內的向下輸送的葉輪裝置；所說的方法包括(a)使所說的葉輪裝置旋轉在混合容器中建立起液體再循環流動方式，同時液體在流通管內向下流過並沿著所說流通管與混合容器之間的環形空間向上流動，以便形成渦流和利用混合容器內在操作液面上的氣體攝取作用從上部氣體空間抽吸氣體；以及(b)使液體從所說的混合容器經過具有真空室和排出噴咀的噴射器再循環；(c)使所說的真空室與所說的上部氣體空間相通，並使所說的排出噴咀與所說的流通管入口相通，所說的液體再循環建立一種真空，將氣體從所說的上部氣體空間抽入所說的噴射器，使之與再循環的液體混合，並將此混合物排到流通管入口處，以便使所說的氣體和所說的液體在與液面和葉輪速度使無關的條件下混合，並且使液面保持在葉輪裝置的操作條件下。
7.一種使氣體溶解於液體中的裝置，包括容納液體至預定液面留下上部氣體空間用封閉的容器；通入供給的氣體並使之與所說的液體混合產生預定的氣液互相反應用裝置，一部分所說的通入的氣體自液體中逸出進入上部氣體空間使一部分液體通過液體驅動的、具有真空室和出口處於液面下的排出噴咀的噴射器再循環用裝置；使噴射器的真空室與上部氣體空間連通的吸氣管，用來在再循環流流通過噴射器的作用下，將上部氣體空間的氣體抽入噴射器，形成氣-液混合物並將其排到液體中而與容器中的液面無關。
8.根據權利要求7的裝置，其中所說的容器包括具有抽吸入口的葉輪裝置，用於抽取上部氣體空間的氣體並使之與液面處於操作範圍內的液體混合，以及用於調節液體通過所說的噴射器再循環的速率以及氣體從上部氣體空間抽出速率的裝置。
9.根據權利要求8的裝置，其中所說的葉輪裝置包括流通管，該流通管圍繞著葉輪並且自液面之下延伸到容器底的上方，該流通管改善由葉輪裝置造成的液體循環和抽吸作用。
10.根據權利要求7的裝置，其中所說的氣體供給裝置包括通至葉輪裝置抽吸入口區域的導管，直接向液體中供給氣體便於藉助於葉輪裝置進行混合。
11.一種在混合操作期間經歷液面變化用於混合氣體和液體的裝置，其中包括(a)具有空心流通管的混合容器，該流通管內設置有能夠在混合容器中造成循環流動方式、向下輸送軸流的葉輪裝置，液體在流通管內向下流動並且在流通管和混合容器器壁之間的環形空間向上流動，藉以在所說的混合容器中液體至少在操作液麵條件下於混合容器中形成渦流並從上部氣體空間抽吸氣體；(b)液體再循環系統，其中包括導管，該導管具有從所說容器的下部區域放出液體用的出口段以及在所說容器上部區域再通入所說液體用的入口段；通過所說導管輸送液體的輸送裝置；以及與所說導管的入口段連通的噴射器；所說的噴射器具有接受連續供應的再循環液的入口，具有用於增大所說液體的速度的扼流喉管的漸縮-漸擴型噴咀，與所說的扼流喉管相通的真空室，處於液面下方且出口處於葉輪流通管入口內的排料噴咀，以及使噴射器真空室和上部氣體空間連通的吸氣管，從而利用噴射器真空室內的真空，通過吸氣管從上部氣體空間抽取氣體，使之在噴射器中與再循環的液體混合併將其排入葉輪流通管的入口。
全文摘要
在熱食用油等液體中溶解氣體以便除臭，加氫或為其它目的用的裝置和方法。本發明包括使封閉容器中液體經過噴射器再循環返到液體中，使噴射器的真空端連到上部氣體空間，將氣體向下抽至液體中。該設備最好包括葉輪裝置，以便當液體處於操作液面下從上部空間抽吸氣體。
文檔編號B01J19/20GK1117892SQ95105038
公開日1996年3月6日 申請日期1995年4月17日 優先權日1994年4月18日
發明者J·P·金斯利 申請人:普拉塞爾技術有限公司