专利名称：：设计用于过程强化的水力空化反应器的方法
技术领域：
：本发明涉及在水性介质和非水性介质中实现经调节的空化条件的水力空化反应器，用于物理和化学过程的强化，以及涉及用于设计这样的反应器的方法。
背景技术：
：“过程强化”包括使用产生优质产品的紧凑式生产设备提供能量有效的和环境安全的过程、使废物产生最小化、导致显著成本降低从而增强先进技术的可持续性。近来，空化被认为很重要，因为它提供在接近环境的整体处理条件下产生局部高温(14000K)和高压(IOOOOatm)条件的手段。所形成的空泡的破裂或内爆在冷的液体中产生瞬时的、局部化的热点，其可以被有效地利用来进行物理化学过程，包括化学反应的强化、反应器中的声冲流和增强转运过程的速率。通常，基于产生的模式，空化分为四个类型声空化——通过超声波经过流体而产生。水力空化——通过在流动流体中产生压强变化而产生。光空化——通过高强度光的光子经过液体而产生。粒子空化——通过高能粒子诸如质子或中子在液体中轰击而产生。在上文给出的产生空化的各种模式之中，水力空化可以在工业规模上将物理化学过程强化应用于大规模液体体积。Senthilkumar等(2000)[SenthilKumar，P.,Sivakumar,M.&Pandit,A.B.,Experimentalquantificationofchemicaleffectsofhydrodynamiccavitation.ChemicalEngineeringScience,55，1633-1639，2000.]已经表明，水力空化可以通过使液体经过收缩结构诸如节流阀、孔板、文氏管等而产生。Gogate等Q006)[Gogate,P.R.&Pandit,A.B.,Areviewandassessmentofhydrodynamiccavitationasatechnologyforthefuture.UltrasonicSonochemistry,12，21-27，2005.]已经论述了利用水力空化来强化化学过程诸如甲苯、(o-/p_/m)-二甲苯、均三甲基苯、(o-/m)-硝基甲苯和(o-/p)_氯甲苯的氧化；使用醇进行植物油的酯交换已经由Kelkar&PandM2005)论述[Kelkar,M.A.&Pandit,A.B.,CavitationallyInducedChemicalTransformations.Μ.Chem.Engg.Thesis,UniversityofMumbai,2005]；使用醇进行脂肪酸的酯化已经由Kelkar等(2008)论述[Kelkar,M.A.,Gogate,P.R.&Pandit,A.B.,Intensificationofesterificationofacidsforsynthesisofbiodieselusingacousticandhydrodynamiccavitation.UltrasonicSonochemistry,15，188-194，2008]。类似地，水力空化已经应用于破坏微生物以消毒饮用水(Jyoti&Pandit,2002)[Jyoti,K.K.&Pandit,A.B.,Studiesinwaterdisinfectiontechniques.Ph.D.(Tech)Thesis,UniversityofMumbai，2002]、破坏细胞以释放细胞内酶[Balasundaram,B.&Harrison,S.T.L.,StudyofPhysicalandBiologicalFactorsInvolvedintheDisruptionofE.ColibyHydrodynamicCavitation]、乳化[Gaikwad，S.G.&Pandit,A.B.,ApplicationofUltrasoundinHeterogeneousSystems.Ph.D.(Tech)Thesis,Universityof9Mumbai,2007]、纳米颗粒合成[Patil，M.N.&Pandit,A.B.,Cavitation-ΑNovelTechniqueformakingstablenano-suspensions.UltrasonicsSonochemistry,14,519-530,2007]。在水力空化中，在反应器中占优的空化的强度通过空化数而与整体操作条件相关。空化数可以数学表示为权利要求1.水力空化反应器，其用于在水性介质和非水性介质中实现空化状态而用于物理和化学过程的强化，其中空化数选自下列范围对于“Ven_ori”和“Orifice”的稳定空化，0.5至1.0，对于“Venturi”、“NC_ven”、“Ven_step4，，、“Stepped2”、“Ori_Ven”、“Stepped4”的瞬时空化，0.22至0.5，对于“Ven_ori，，和“Orifice”的同时稳定和瞬时空化，0.22至0.5，以及“Ven_ori”、“Orifice，，、“Venturi”、“NC_ven”、“Ven_step4，，、“Stepped2”、“Ori_Ven”禾口“Stepped4”的组合；其中，>"Venturi"的几何结构包括空泡发生器，其是使得孔的周长与孔的流面积的比值(α)最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部，流调节器，其是在名为空泡发生器的最小横截面上游的具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段和在空泡发生器下游的具有20-25°的总体平均角的平滑发散段；>"Ven_step4"的几何结构包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部；在所述空泡发生器下游的湍流调节器，其具有沿着与液流平行的长轴排列并且结合在一起以形成管道的长度(宽度)等于空泡发生器的最大尺寸的多个段；流调节器，其是在空泡发生器上游具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段；>"Stepped2"的几何结构包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部；在所述空泡发生器的下游和上游的湍流调节器，其具有沿着与流面积增加的液流平行的长轴排列并且结合在一起形成也具有上游52-56°和下游20-25°的总体平均角的流面积增加的管道的、长度(宽度)等于空泡发生器的最大尺寸的一半的段；>“Ori_Ven”的几何结构包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部，流调节器，其是在空泡发生器下游具有20-25°的总体平均角的平滑发散段；>"Stepped4'的几何结构包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部，在所述空泡发生器下游和上游的湍流调节器，其作为长度(宽度)等于所述空泡发生器的最大尺寸的多个段的组件；>'Ven_0ri'的几何结构包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的任何形状的空化室中最小横截面的部分，流调节器，其是在空泡发生器上游的具有52-56°的角度的平滑会聚段；>“Orifice”的几何结构包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部；>'NC_Ven'的几何结构包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部，流调节器，其是在空泡发生器上游的具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段和在空泡发生器下游的具有20-25°的总体平均角的平滑发散段；在所述空泡发生器下游保持相同或不同的仍非圆形的形状。2.如权利要求1所述的空化反应器，用于在异质系统中进行微生物细胞的破坏，在稳定和瞬时空化下操作，其中对于6.73Χ1θΛη3Λ的流率，空化数选自0.22至0.5，优选0.28,其中孔口中孔面积是2.55X10_sm2，相当于直径5.70mm的单孔，其中选择最小的孔径以最大化α的值，但当孔径是Imm时达到极值，从而得到33个孔以实现所要求的总流面积，和39%的活性空化，其中稳定空化的程度是46%，从而发生86%的细胞破坏。3.如权利要求1所述的空化反应器，用于若丹明降解，在稳定空化下操作，其中对于4.08X10_4m7s的流率，空化数选自0.5至1.0，优选0.78，以实现最高的稳定空化，其中孔口中的孔面积是2.59X10_5m2，相当于直径5.7mm的单孔，其中选择最小的孔径以最大化α的值，但当孔径是Imm时达到极值，从而得到33个孔以实现总流面积，和95%的稳定空化，从而产生17%的若丹明降解。4.如权利要求1所述的空化反应器，用于在异质液体-液体系统中的甲苯氧化，在最大化的稳定空化下进行操作，其中对于22.2Χ10Λη3Λ的流率，最大化的活性空化百分比的空化数选自0.5至1.0，优选0.78、更优选0.5的空化数，其中孔口中的孔面积是11.3X10_5m2，相当于直径12mm的单孔，其中任选地选择最小的孔径以最大化α值，但当孔径是Imm或为最大刚性/半刚性的微粒尺寸的至少50倍时达到极值，产生2.51mm的最小孔径，从而得到具有直径3毫米的16个孔的孔板以实现90.3%的稳定空化而产生53%的甲苯氧化，或者在0.4的空化数下产生80%的稳定空化而实现的甲苯氧化。5.如权利要求1所述的空化反应器，用于在异质系统中消除生物结垢，在稳定和瞬时空化下进行操作，其中对于3.14X10_2m7s的流率，空化数选自0.5至1，优选0.8，其中文氏管中空泡发生器的面积是12.57X10_4m2，相当于直径40mm的空泡发生器，和的活性空化——其中瞬时空化的程度是10%——从而导致细菌计数降低100%。6.如权利要求1所述的空化反应器，用于在异质液体-液体系统中C8/C1(l脂肪酸的酯化，在最大化的稳定空化模式下进行操作，其中对于22.2Χ10Λη3Λ的流率，最大化的活性空化百分比的空化数选自0.5至1.0，优选0.78，其中孔口中的孔面积是11.3X10_5m2，其相当于直径12mm的单孔，其中任选地选择最小的孔径以最大化α值，但当孔径是Imm或为最大刚性/半刚性微粒的尺寸的至少50倍时达到极值，产生2.51mm的最小孔径，从而得到具有直径3毫米的16个孔的孔板，以实现90.3%的稳定空化，因而在0.78的空化数下在210分钟内引起C8/C1(l脂肪酸90%酯化。7.如权利要求1所述的空化反应器，用于在异质系统中通过生物质破坏释放可溶性碳，在瞬时空化下进行操作，其中对于具有2.23X10_4m7s的流率的文氏管，空化数选自0.22至0.5，优选0.5，其中文氏管中空泡发生器的面积是1.13X10_5m2，相当于直径4mm(3.8mm)的空泡发生器，和30%的活性空化——其中瞬时空化的程度是96%——从而引起从破坏的生物质释放2000ppm的可溶性碳。8.一种使用将通过流体或浆液的最大速度与空化数和活性空化和/或瞬时/稳定空化的百分比关联起来的状态图(图1、2和4)调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件，用于物理和化学过程的强化的方法，包括下列步骤>分别选择目标物理和/或化学转化所需的稳定和/或瞬时空化，其中选择用于在均质系统中的化学转化的瞬时空化，选择用于在异质系统中的化学转化和在均质系统中的物理转化的稳定空化，>选择用于在异质系统中的物理转化的稳定和瞬时空化；>从第一个步骤中所选择的物理或化学转化的范围选择空化数；>从状态图选择空化室的几何形状，以对于所选择的空化数使所选择的空化类型的活性空化最大化；>确定所选择的几何形状内空泡发生器的面积，和使用方程式3确定对于需处理的容积流率的所述空化数9.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，所述空化数选自下列范围对于“Ven_ori”和“Orifice”的稳定空化，0.5至1.0，对于“Venturi”、“NC_ven”、“Ven_step4，，、“Stepped2”、“Ori_Ven”、“Stepped4”的瞬时空化，0.22至0.5，对于“Ven_ori，，和“Orifice”的同时稳定和瞬时空化，0.22至0.5。10.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是“Venturi”，其包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部，流调节器，其是在名为空泡发生器的最小横截面上游的具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段和在空泡发生器下游的具有20-25°的总体平均角的平滑发散段。11.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是“Ven_Step4”，其包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部，在所述空泡发生器下游的湍流调节器，其具有沿着与液流平行的长轴排列并且结合在一起以形成管道的长度(宽度)等于空泡发生器的最大尺寸的多个段，流调节器，其是在空泡发生器上游具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段。12.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是“Stepped2”，其包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部，在所述空泡发生器下游和上游的湍流调节器，其具有沿着与流面积增加的液流平行的长轴排列并且结合在一起以形成也具有上游52-56°和下游20-25°的总体平均角的流面积增加的管道的、长度(宽度)等于空泡发生器的最大尺寸的一半的段。13.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是“Ori_Ven”，其包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部，流调节器，其是在空泡发生器下游具有20-25°的总体平均角的平滑发散段。14.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是“Stepped4”，其包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部，在所述空泡发生器下游和上游的湍流调节器，其作为分别以流面积减小和增大的顺序排列的、分别具有20-25°和52-56°的总体平均角的、长度(宽度)等于所述空泡发生器的最大尺寸的多个段的组件。15.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是'Ven_Ori'，其包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的任何形状的空化室中最小横截面的部分，流调节器，其是在空泡发生器上游具有52-56°的角度的平滑会聚段。16.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是“Orifice”，其包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部。17.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是'NC_Ven'，其包括空泡发生器，其是使得α的值最大化的非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部，流调节器，其是在空泡发生器上游的具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段和在空泡发生器下游的具有20-25°的总体平均角的平滑发散段；在所述空泡发生器下游保持相同或不同的仍非圆形的形状。18.如权利要求8中所述的使通过空化室的流体或浆液的最大速度、空化数和活性、瞬时和稳定空化的百分比关联起来的如图1、2和4的状态图由包括下列步骤的方法获得19.如权利要求1-18的方法，其中所述液体选自具有850-15001cg/m3的密度、I-IOOcP的粘度、0.01-0.075N/m的表面张力和300-101325的液体蒸汽压的液体。全文摘要本发明描述了水力空化的装置，其用作反应器以通过在水性介质和非水性介质中产生特别调节的活性空泡(瞬时的或稳定的，或两者)而获得确实的效应而用于在均质和异质系统中强化物理和化学过程。装置包括空泡发生器、空泡分流器和湍流操纵器，其中空泡发生器/空泡分流器是具有各种形状和大小的流调节器。给出空化的状态图及其产生方法被以实现用于特定目标过程强化所要求的期望空化类型，然后反应器被设计来实现预定的过程强化。状况图将空泡发生器中的最大流体速度与装置的几种几何设计的空化数、活性空泡和特定类型的空泡分数相关联。文档编号B01J19/00GK102026718SQ200980117515公开日2011年4月20日申请日期2009年5月13日优先权日2008年5月15日发明者A·B·潘迪特,A·C·马克赫吉,A·V·马休尔卡尔,G·R·卡萨特申请人:希卡技术私人有限公司