一種利用微納米氣泡提高鼓泡塔反應(yīng)效率的裝置及方法與流程

本發(fā)明涉及氣-液相反應(yīng)過程，涉及微納米發(fā)生裝置和鼓泡塔反應(yīng)器，尤其涉及一種利用微納米氣泡提高鼓泡塔反應(yīng)效率的裝置及方法，可廣泛用于煉油、化工、環(huán)保等領(lǐng)域的蒸餾、吸收、洗滌、氣提等工藝工程。

背景技術(shù)：

鼓泡反應(yīng)器液體為連續(xù)相，氣體為分散相，它具有無運(yùn)動部件、結(jié)構(gòu)簡單、熱容量大、傳熱性能好、溫度容易控制及安全性高等優(yōu)點(diǎn)。然而在表觀氣速5cm/s以上時(shí)，隨著小氣泡不斷合并成大氣泡和大氣泡不斷破裂，反應(yīng)器流型由均勻鼓泡流進(jìn)入湍流區(qū)，氣體向塔中心聚集，因此塔中心出現(xiàn)低密度區(qū)，塔內(nèi)液體出現(xiàn)拋物線型速度分布，即塔中心液體向上流動，近壁區(qū)向下流動，造成塔內(nèi)液體的循環(huán)。鼓泡塔的液相軸向返混系數(shù)正比于表觀氣速的0.3～0.5次方以及塔徑的1.25～1.5次方，對于一個(gè)直徑6米的鼓泡塔，可達(dá)到完全返混的程度。然而，返混對于具有串聯(lián)步驟的反應(yīng)來說是不利的。例如，為減少反應(yīng)混合物的返混，工業(yè)環(huán)己烷催化氧化反應(yīng)采用多級串聯(lián)方式，以限制氧化產(chǎn)物的停留時(shí)間，避免反應(yīng)產(chǎn)物的深度氧化，從而提高目的產(chǎn)物的選擇性和收率。具有串聯(lián)反應(yīng)特點(diǎn)的不僅有烴類氧化，還有選擇性加氫、費(fèi)一托合成等體系。

為了改善鼓泡反應(yīng)器的流動狀態(tài)，通常采用的解決辦法是在塔內(nèi)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(nèi)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(shí)，則會出現(xiàn)燒結(jié)、堵塞、受熱彎曲變形、清洗困難等不少問題，嚴(yán)重影響反應(yīng)的進(jìn)行。

為了降低鼓泡塔的返混，人們對鼓泡塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了各種改進(jìn)，但基本都采用在塔內(nèi)設(shè)置內(nèi)構(gòu)件的方法。例如，中國發(fā)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(nèi)換熱元件，枕式傳熱板對將整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)空間均勻分隔成若干個(gè)通道，起到了有效的導(dǎo)流作用，一定程度上減少了液體物料的返混，提高了反應(yīng)結(jié)果的選擇性。中國發(fā)明專利CN102580630A提出了一種強(qiáng)化乙炔二聚的鼓泡塔反應(yīng)器，在鼓泡塔內(nèi)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(gè)乙炔氣體的平均濃度提高，加快乙炔二聚反應(yīng)速率。但液體速度分布測定表明，安裝內(nèi)構(gòu)件后盡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(nèi)構(gòu)件時(shí)完全相同。因此，這種結(jié)構(gòu)只能一定程度上減少塔內(nèi)的液相返混，且見效甚微。

與以上方法不同的是，中國發(fā)明專利CN103819380A提出了一種多臺鼓泡塔反應(yīng)器串聯(lián)的過氧化氫對孟烷生成新方法，多臺鼓泡塔反應(yīng)器串聯(lián)，形成了長徑比非常大的平推流反應(yīng)器，有利于消除返混對反應(yīng)帶來的影響，提高氣液相反應(yīng)的接觸時(shí)間，提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。但這種方法只是簡單的將多臺鼓泡塔反應(yīng)器串聯(lián)，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(shí)，多臺鼓泡塔串聯(lián)，增加了投資成本，很難在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化過程中應(yīng)用?？梢姡M管人們在鼓泡塔方面做了大量的研究工作，但仍未發(fā)現(xiàn)有效的方法來防止塔內(nèi)液相返混。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決目前鼓泡塔反應(yīng)器存在的氣泡聚并、液相返混嚴(yán)重等問題，而提供一種利用微納米氣泡提高鼓泡塔反應(yīng)效率的裝置及方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種利用微納米氣泡強(qiáng)化鼓泡塔反應(yīng)效率的裝置，其特征在于：裝置包括微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)A和鼓泡塔反應(yīng)器B；微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)A由氣體壓縮機(jī)1、壓力溶氣罐2、增壓水泵3和釋放器4組成；氣體壓縮機(jī)1的出口與壓力溶氣罐2的進(jìn)氣口相連，增壓水泵3的出口與壓力溶氣罐2的進(jìn)水口相連，壓力溶氣罐2的出水口通過鼓泡塔反應(yīng)器B塔體側(cè)面下端設(shè)有的溶氣水入口5與位于鼓泡塔反應(yīng)器B的內(nèi)部底端的釋放器4相連；鼓泡塔反應(yīng)器B底部設(shè)有原液入口6，上端設(shè)有液體出口7，頂部設(shè)有氣體出口8。

本發(fā)明還提供了一種利用上述的裝置提高鼓泡塔反應(yīng)效率的方法，其具體步驟如下：

1)打開氣體壓縮機(jī)1和增壓水泵3，分別將反應(yīng)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(yīng)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(jīng)過溶氣水入口5達(dá)到釋放器4處，在鼓泡塔反應(yīng)器B的底端產(chǎn)生大量的微納米氣泡；

4)打開原液入口6，反應(yīng)液相進(jìn)入鼓泡塔反應(yīng)器，與富含反應(yīng)氣體的微納米氣泡充分接觸，在鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)；

5)反應(yīng)后的液體由液體出口7排出，反應(yīng)后的氣體由氣體出口8排出。

鼓泡塔反應(yīng)器與現(xiàn)有鼓泡塔裝置設(shè)計(jì)要求一致，高徑比優(yōu)選為3:1～12:1，優(yōu)選鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的空塔氣速在0.03m/s～0.4m/s，溫度控制在20～150℃，絕對壓力優(yōu)選為0.1MPa～0.5MPa。

氣體壓縮機(jī)鼓入的反應(yīng)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(jī)也可用高壓氣瓶、氣體泵、匯流排或鼓風(fēng)機(jī)等氣體鼓入裝置替代。

微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的微納米氣泡直徑在5μm～100μm之間，微納米氣泡發(fā)生方式也可以采用微孔布?xì)?、葉輪切割、引射流以及電解析等方法。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：

1、相比于普通氣泡，微納米氣泡由于自身體積較小，其在水中所受的浮力也相應(yīng)較小，表現(xiàn)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。由于緩慢的上升特性，避免了液相返混現(xiàn)象的發(fā)生，極大的提高了鼓泡塔反應(yīng)器的穩(wěn)定性。

2、由于微納米氣泡直徑遠(yuǎn)小于普通氣泡，相對于微納米氣泡的體積，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(shí)微納米氣泡不易發(fā)生普通氣泡的聚并現(xiàn)象，提高了鼓泡塔反應(yīng)器的傳質(zhì)效率。

3、在效果2的基礎(chǔ)上，由于微納米氣泡的直徑較小，受表面張力的影響，氣泡內(nèi)部的壓力遠(yuǎn)大于外界液體的壓力，從而壓縮氣泡內(nèi)部氣體產(chǎn)生自增壓效應(yīng)，促進(jìn)了氣泡內(nèi)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(zhì)效率。

4、本發(fā)明僅需將鼓泡塔現(xiàn)有的氣體分布器更換成微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)，對鼓泡塔反應(yīng)器的整體結(jié)構(gòu)沒有大的改動，同樣適用于已有的鼓泡塔反應(yīng)器，改建和運(yùn)行成本低。

附圖說明

圖1為采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(fā)生系統(tǒng)、B為鼓泡塔反應(yīng)器、1為氣體壓縮機(jī)、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(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例1

參照圖1，一種利用微納米氣泡強(qiáng)化鼓泡塔反應(yīng)效率的裝置，包括：微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)A和鼓泡塔反應(yīng)器B。所述微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)A包括氣體壓縮機(jī)1、壓力溶氣罐2、增壓水泵3、釋放器4。鼓泡塔反應(yīng)器B塔體底部設(shè)有溶氣水入口5、原液入口6，上部設(shè)有液體出口7和氣體出口8。氣體壓縮機(jī)與壓力溶氣罐的進(jìn)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(jìn)入鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)，與置于鼓泡塔反應(yīng)器底端的釋放器相連。

按照圖1的裝置連接方式，反應(yīng)氣體和水分別通過氣體壓縮機(jī)和增壓水泵進(jìn)入壓力溶氣罐中，在壓力溶氣罐內(nèi)形成過飽和溶氣水。過飽和溶氣水經(jīng)過溶氣水入口在釋放器處減壓釋放出大量穩(wěn)定的微納米氣泡，反應(yīng)液由原液入口進(jìn)入鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)，與富含反應(yīng)氣體的微納米氣泡充分接觸，進(jìn)行反應(yīng)。鼓泡塔反應(yīng)器被外置的夾套加熱，控制鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的溫度，反應(yīng)后的液體由液體出口排出，反應(yīng)后的氣體由氣體出口排出。

實(shí)施例2

本實(shí)施例對鼓泡塔反應(yīng)器液相返混情況進(jìn)行探究。在常溫常壓的條件下，以空氣和水作為氣、液介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，壓力溶氣罐內(nèi)壓力保持在0.3MPa，采用TV-I型溶氣釋放器，產(chǎn)生微納米氣泡尺寸集中在5μm～30μm之間，鼓泡塔內(nèi)空塔氣速為0.03m/s，鼓泡塔反應(yīng)器高2000mm，內(nèi)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(yùn)行狀態(tài)下，采用點(diǎn)脈沖注入法，從溶氣水入口處瞬間注入，并在液體出口處使用電導(dǎo)率儀實(shí)時(shí)檢測，結(jié)果顯示，返混系數(shù)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(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，系統(tǒng)的返混系數(shù)在0.05cm²/s左右。通過本實(shí)施例說明，微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)可以有效的解決鼓泡塔液相返混問題，穩(wěn)定反應(yīng)過程。

實(shí)施例3

本實(shí)施例旨在利用微納米氣泡提高乙烯氧化制乙醛的反應(yīng)收率，鼓泡塔反應(yīng)器尺寸如實(shí)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(zhì)，以水作為液體介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(yīng)器下端通過釋放器產(chǎn)生大量穩(wěn)定的微納米氣泡，氣泡尺寸集中在60μm～90μm之間，反應(yīng)混合氣體在反應(yīng)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(yīng)液相及催化劑充分接觸，反應(yīng)生成的粗乙醛溶液經(jīng)過液體出口進(jìn)入后續(xù)的精餾過程。其中，鼓泡塔反應(yīng)器的反應(yīng)壓力從0.38MPa變化到0.48MPa(絕壓)，反應(yīng)溫度控制在125℃，以Pd-Cu溶液作為反應(yīng)的催化劑。

對反應(yīng)生成的粗乙醛溶液進(jìn)行分析，進(jìn)而計(jì)算出總反應(yīng)乙醛的收率。結(jié)果表明，模擬現(xiàn)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(fā)生裝置，乙醛的平均收率可提高3.7％。從乙醛裝置的實(shí)際運(yùn)行來看實(shí)用效果明顯。

本發(fā)明不局限于實(shí)施例中所描述的技術(shù)，實(shí)施例中的描述只是說明性的，并非限制性的，本發(fā)明的權(quán)限有權(quán)利要求所限定，基于本技術(shù)領(lǐng)域人員根據(jù)本發(fā)明所能夠變化、重新組合等方法得到的與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。