一種利用微納米氣泡提高鼓泡塔反應效率的裝置及方法與流程
2024-03-27 03:37:05
本發明涉及氣-液相反應過程，涉及微納米發生裝置和鼓泡塔反應器，尤其涉及一種利用微納米氣泡提高鼓泡塔反應效率的裝置及方法，可廣泛用於煉油、化工、環保等領域的蒸餾、吸收、洗滌、氣提等工藝工程。
背景技術：
鼓泡反應器液體為連續相，氣體為分散相，它具有無運動部件、結構簡單、熱容量大、傳熱性能好、溫度容易控制及安全性高等優點。然而在表觀氣速5cm/s以上時，隨著小氣泡不斷合併成大氣泡和大氣泡不斷破裂，反應器流型由均勻鼓泡流進入湍流區，氣體向塔中心聚集，因此塔中心出現低密度區，塔內液體出現拋物線型速度分布，即塔中心液體向上流動，近壁區向下流動，造成塔內液體的循環。鼓泡塔的液相軸向返混係數正比於表觀氣速的0.3～0.5次方以及塔徑的1.25～1.5次方，對於一個直徑6米的鼓泡塔，可達到完全返混的程度。然而，返混對於具有串聯步驟的反應來說是不利的。例如，為減少反應混合物的返混，工業環己烷催化氧化反應採用多級串聯方式，以限制氧化產物的停留時間，避免反應產物的深度氧化，從而提高目的產物的選擇性和收率。具有串聯反應特點的不僅有烴類氧化，還有選擇性加氫、費一託合成等體系。
為了改善鼓泡反應器的流動狀態，通常採用的解決辦法是在塔內徑向安裝多塊擋板或篩板。擋板的作用是迫使流體沿折流路線流動，避免短路。篩板可以有效地對塔內的液體流動起到再分布的作用，消除速度分布。但在高溫高壓或有固體催化劑存在時，則會出現燒結、堵塞、受熱彎曲變形、清洗困難等不少問題，嚴重影響反應的進行。
為了降低鼓泡塔的返混，人們對鼓泡塔結構進行了各種改進，但基本都採用在塔內設置內構件的方法。例如，中國發明專利CN104587943A公開了一種由多對枕式傳熱板對呈圓柱形排布組成的新型內換熱元件，枕式傳熱板對將整個反應系統空間均勻分隔成若干個通道，起到了有效的導流作用，一定程度上減少了液體物料的返混，提高了反應結果的選擇性。中國發明專利CN102580630A提出了一種強化乙炔二聚的鼓泡塔反應器，在鼓泡塔內壁上連接2～8塊擋板，擋板可為圓形、矩形或多邊形，來減少乙炔氣體的返混，使整個乙炔氣體的平均濃度提高，加快乙炔二聚反應速率。但液體速度分布測定表明，安裝內構件後儘管可使中心處速度下降，但壁處的液體仍然向下流動，且速度大小與無內構件時完全相同。因此，這種結構只能一定程度上減少塔內的液相返混，且見效甚微。
與以上方法不同的是，中國發明專利CN103819380A提出了一種多臺鼓泡塔反應器串聯的過氧化氫對孟烷生成新方法，多臺鼓泡塔反應器串聯，形成了長徑比非常大的平推流反應器，有利於消除返混對反應帶來的影響，提高氣液相反應的接觸時間，提高反應的轉化率。但這種方法只是簡單的將多臺鼓泡塔反應器串聯，減弱返混帶來的影響，而沒有從根本上解決液相返混問題。同時，多臺鼓泡塔串聯，增加了投資成本，很難在大規模產業化過程中應用。可見，儘管人們在鼓泡塔方面做了大量的研究工作，但仍未發現有效的方法來防止塔內液相返混。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決目前鼓泡塔反應器存在的氣泡聚並、液相返混嚴重等問題，而提供一種利用微納米氣泡提高鼓泡塔反應效率的裝置及方法。
為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的：
一種利用微納米氣泡強化鼓泡塔反應效率的裝置，其特徵在於：裝置包括微納米氣泡發生系統A和鼓泡塔反應器B；微納米氣泡發生系統A由氣體壓縮機1、壓力溶氣罐2、增壓水泵3和釋放器4組成；氣體壓縮機1的出口與壓力溶氣罐2的進氣口相連，增壓水泵3的出口與壓力溶氣罐2的進水口相連，壓力溶氣罐2的出水口通過鼓泡塔反應器B塔體側面下端設有的溶氣水入口5與位於鼓泡塔反應器B的內部底端的釋放器4相連；鼓泡塔反應器B底部設有原液入口6，上端設有液體出口7，頂部設有氣體出口8。
本發明還提供了一種利用上述的裝置提高鼓泡塔反應效率的方法，其具體步驟如下：
1)打開氣體壓縮機1和增壓水泵3，分別將反應氣體和水送入壓力溶氣罐2中；
2)將壓力溶氣罐2的壓力維持在0.3～0.6MPa，使反應氣體與水混合均勻，形成過飽和溶氣水；
3)過飽和溶氣水由壓力溶氣罐2的出水口通過管路，經過溶氣水入口5達到釋放器4處，在鼓泡塔反應器B的底端產生大量的微納米氣泡；
4)打開原液入口6，反應液相進入鼓泡塔反應器，與富含反應氣體的微納米氣泡充分接觸，在鼓泡塔反應器內進行反應；
5)反應後的液體由液體出口7排出，反應後的氣體由氣體出口8排出。
鼓泡塔反應器與現有鼓泡塔裝置設計要求一致，高徑比優選為3:1～12:1，優選鼓泡塔反應器內的空塔氣速在0.03m/s～0.4m/s，溫度控制在20～150℃，絕對壓力優選為0.1MPa～0.5MPa。
氣體壓縮機鼓入的反應氣體為空氣、氧氣、乙烯、乙炔、臭氧、氫氣或二氧化碳等氣體，氣體壓縮機也可用高壓氣瓶、氣體泵、匯流排或鼓風機等氣體鼓入裝置替代。
微納米氣泡發生系統產生的微納米氣泡直徑在5μm～100μm之間，微納米氣泡發生方式也可以採用微孔布氣、葉輪切割、引射流以及電解析等方法。
本發明的有益技術效果是：
1、相比於普通氣泡，微納米氣泡由於自身體積較小，其在水中所受的浮力也相應較小，表現出緩慢的上升特性。例如直徑為10μm的微納米氣泡在水中的上升速度為3mm/min，僅為直徑為1mm氣泡的1/2000。由於緩慢的上升特性，避免了液相返混現象的發生，極大的提高了鼓泡塔反應器的穩定性。
2、由於微納米氣泡直徑遠小於普通氣泡，相對於微納米氣泡的體積，其比表面積非常大，極大的增加了液相與氣相的接觸面積，同時微納米氣泡不易發生普通氣泡的聚並現象，提高了鼓泡塔反應器的傳質效率。
3、在效果2的基礎上，由於微納米氣泡的直徑較小，受表面張力的影響，氣泡內部的壓力遠大於外界液體的壓力，從而壓縮氣泡內部氣體產生自增壓效應，促進了氣泡內部的氣體穿過氣液界面溶解到液相中，從而有效提高了氣液界面的傳質效率。
4、本發明僅需將鼓泡塔現有的氣體分布器更換成微納米氣泡發生系統，對鼓泡塔反應器的整體結構沒有大的改動，同樣適用於已有的鼓泡塔反應器，改建和運行成本低。
附圖說明
圖1為採用加壓溶氣方法的微納米氣泡鼓泡塔裝置示意圖，A為微納米氣泡發生系統、B為鼓泡塔反應器、1為氣體壓縮機、2為壓力溶氣罐、3為增壓水泵、4為釋放器、5為溶氣水入口、6為原液入口、7為液體出口、8為氣體出口。
具體實施方式
以下結合附圖和具體的實施例對本發明作進一步的說明。
實施例1
參照圖1，一種利用微納米氣泡強化鼓泡塔反應效率的裝置，包括：微納米氣泡發生系統A和鼓泡塔反應器B。所述微納米氣泡發生系統A包括氣體壓縮機1、壓力溶氣罐2、增壓水泵3、釋放器4。鼓泡塔反應器B塔體底部設有溶氣水入口5、原液入口6，上部設有液體出口7和氣體出口8。氣體壓縮機與壓力溶氣罐的進氣口相連，增壓水泵與壓力溶氣罐的入水口相連，壓力溶氣罐的出水口管路穿過溶氣水入口進入鼓泡塔反應器內，與置於鼓泡塔反應器底端的釋放器相連。
按照圖1的裝置連接方式，反應氣體和水分別通過氣體壓縮機和增壓水泵進入壓力溶氣罐中，在壓力溶氣罐內形成過飽和溶氣水。過飽和溶氣水經過溶氣水入口在釋放器處減壓釋放出大量穩定的微納米氣泡，反應液由原液入口進入鼓泡塔反應器內，與富含反應氣體的微納米氣泡充分接觸，進行反應。鼓泡塔反應器被外置的夾套加熱，控制鼓泡塔反應器內的溫度，反應後的液體由液體出口排出，反應後的氣體由氣體出口排出。
實施例2
本實施例對鼓泡塔反應器液相返混情況進行探究。在常溫常壓的條件下，以空氣和水作為氣、液介質進行實驗，壓力溶氣罐內壓力保持在0.3MPa，採用TV-I型溶氣釋放器，產生微納米氣泡尺寸集中在5μm～30μm之間，鼓泡塔內空塔氣速為0.03m/s，鼓泡塔反應器高2000mm，內徑280mm，靜液高度1500mm。選用KC1濃溶液作示蹤劑，在保持鼓泡塔正常運行狀態下，採用點脈衝注入法，從溶氣水入口處瞬間注入，並在液體出口處使用電導率儀實時檢測，結果顯示，返混係數維持在0.017cm2/s。
在相同條件下，選用孔徑為2mm，開孔率為0.5％的孔板分布器做對比實驗，結果顯示，系統的返混係數在0.05cm2/s左右。通過本實施例說明，微納米氣泡發生系統可以有效的解決鼓泡塔液相返混問題，穩定反應過程。
實施例3
本實施例旨在利用微納米氣泡提高乙烯氧化制乙醛的反應收率，鼓泡塔反應器尺寸如實施例1，靜液高度為1600mm。以主要成分為乙烯和氧氣的混合氣作為氣體介質，以水作為液體介質進行實驗。其中，混合氣中乙烯含量控制在65～75％，氧氣含量控制在5～8％，壓力溶氣罐壓力保持在0.6MPa。過飽和溶氣水在鼓泡塔反應器下端通過釋放器產生大量穩定的微納米氣泡，氣泡尺寸集中在60μm～90μm之間，反應混合氣體在反應器中的空塔線速度為0.37m/s，富含乙烯和氧氣的微納米氣泡與反應液相及催化劑充分接觸，反應生成的粗乙醛溶液經過液體出口進入後續的精餾過程。其中，鼓泡塔反應器的反應壓力從0.38MPa變化到0.48MPa(絕壓)，反應溫度控制在125℃，以Pd-Cu溶液作為反應的催化劑。
對反應生成的粗乙醛溶液進行分析，進而計算出總反應乙醛的收率。結果表明，模擬現有鼓泡塔裝置流程，乙醛的平均收率為90％左右，若加入微納米氣泡發生裝置，乙醛的平均收率可提高3.7％。從乙醛裝置的實際運行來看實用效果明顯。
本發明不局限於實施例中所描述的技術，實施例中的描述只是說明性的，並非限制性的，本發明的權限有權利要求所限定，基於本技術領域人員根據本發明所能夠變化、重新組合等方法得到的與本發明相關的技術，都在本發明的保護範圍內。