一种利用微纳米气泡提高鼓泡塔反应效率的装置及方法与流程

本发明涉及气-液相反应过程，涉及微纳米发生装置和鼓泡塔反应器，尤其涉及一种利用微纳米气泡提高鼓泡塔反应效率的装置及方法，可广泛用于炼油、化工、环保等领域的蒸馏、吸收、洗涤、气提等工艺工程。

背景技术：

鼓泡反应器液体为连续相，气体为分散相，它具有无运动部件、结构简单、热容量大、传热性能好、温度容易控制及安全性高等优点。然而在表观气速5cm/s以上时，随着小气泡不断合并成大气泡和大气泡不断破裂，反应器流型由均匀鼓泡流进入湍流区，气体向塔中心聚集，因此塔中心出现低密度区，塔内液体出现抛物线型速度分布，即塔中心液体向上流动，近壁区向下流动，造成塔内液体的循环。鼓泡塔的液相轴向返混系数正比于表观气速的0.3～0.5次方以及塔径的1.25～1.5次方，对于一个直径6米的鼓泡塔，可达到完全返混的程度。然而，返混对于具有串联步骤的反应来说是不利的。例如，为减少反应混合物的返混，工业环己烷催化氧化反应采用多级串联方式，以限制氧化产物的停留时间，避免反应产物的深度氧化，从而提高目的产物的选择性和收率。具有串联反应特点的不仅有烃类氧化，还有选择性加氢、费一托合成等体系。

为了改善鼓泡反应器的流动状态，通常采用的解决办法是在塔内径向安装多块挡板或筛板。挡板的作用是迫使流体沿折流路线流动，避免短路。筛板可以有效地对塔内的液体流动起到再分布的作用，消除速度分布。但在高温高压或有固体催化剂存在时，则会出现烧结、堵塞、受热弯曲变形、清洗困难等不少问题，严重影响反应的进行。

为了降低鼓泡塔的返混，人们对鼓泡塔结构进行了各种改进，但基本都采用在塔内设置内构件的方法。例如，中国发明专利CN104587943A公开了一种由多对枕式传热板对呈圆柱形排布组成的新型内换热元件，枕式传热板对将整个反应系统空间均匀分隔成若干个通道，起到了有效的导流作用，一定程度上减少了液体物料的返混，提高了反应结果的选择性。中国发明专利CN102580630A提出了一种强化乙炔二聚的鼓泡塔反应器，在鼓泡塔内壁上连接2～8块挡板，挡板可为圆形、矩形或多边形，来减少乙炔气体的返混，使整个乙炔气体的平均浓度提高，加快乙炔二聚反应速率。但液体速度分布测定表明，安装内构件后尽管可使中心处速度下降，但壁处的液体仍然向下流动，且速度大小与无内构件时完全相同。因此，这种结构只能一定程度上减少塔内的液相返混，且见效甚微。

与以上方法不同的是，中国发明专利CN103819380A提出了一种多台鼓泡塔反应器串联的过氧化氢对孟烷生成新方法，多台鼓泡塔反应器串联，形成了长径比非常大的平推流反应器，有利于消除返混对反应带来的影响，提高气液相反应的接触时间，提高反应的转化率。但这种方法只是简单的将多台鼓泡塔反应器串联，减弱返混带来的影响，而没有从根本上解决液相返混问题。同时，多台鼓泡塔串联，增加了投资成本，很难在大规模产业化过程中应用。可见，尽管人们在鼓泡塔方面做了大量的研究工作，但仍未发现有效的方法来防止塔内液相返混。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决目前鼓泡塔反应器存在的气泡聚并、液相返混严重等问题，而提供一种利用微纳米气泡提高鼓泡塔反应效率的装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种利用微纳米气泡强化鼓泡塔反应效率的装置，其特征在于：装置包括微纳米气泡发生系统A和鼓泡塔反应器B；微纳米气泡发生系统A由气体压缩机1、压力溶气罐2、增压水泵3和释放器4组成；气体压缩机1的出口与压力溶气罐2的进气口相连，增压水泵3的出口与压力溶气罐2的进水口相连，压力溶气罐2的出水口通过鼓泡塔反应器B塔体侧面下端设有的溶气水入口5与位于鼓泡塔反应器B的内部底端的释放器4相连；鼓泡塔反应器B底部设有原液入口6，上端设有液体出口7，顶部设有气体出口8。

本发明还提供了一种利用上述的装置提高鼓泡塔反应效率的方法，其具体步骤如下：

1)打开气体压缩机1和增压水泵3，分别将反应气体和水送入压力溶气罐2中；

2)将压力溶气罐2的压力维持在0.3～0.6MPa，使反应气体与水混合均匀，形成过饱和溶气水；

3)过饱和溶气水由压力溶气罐2的出水口通过管路，经过溶气水入口5达到释放器4处，在鼓泡塔反应器B的底端产生大量的微纳米气泡；

4)打开原液入口6，反应液相进入鼓泡塔反应器，与富含反应气体的微纳米气泡充分接触，在鼓泡塔反应器内进行反应；

5)反应后的液体由液体出口7排出，反应后的气体由气体出口8排出。

鼓泡塔反应器与现有鼓泡塔装置设计要求一致，高径比优选为3:1～12:1，优选鼓泡塔反应器内的空塔气速在0.03m/s～0.4m/s，温度控制在20～150℃，绝对压力优选为0.1MPa～0.5MPa。

气体压缩机鼓入的反应气体为空气、氧气、乙烯、乙炔、臭氧、氢气或二氧化碳等气体，气体压缩机也可用高压气瓶、气体泵、汇流排或鼓风机等气体鼓入装置替代。

微纳米气泡发生系统产生的微纳米气泡直径在5μm～100μm之间，微纳米气泡发生方式也可以采用微孔布气、叶轮切割、引射流以及电解析等方法。

本发明的有益技术效果是：

1、相比于普通气泡，微纳米气泡由于自身体积较小，其在水中所受的浮力也相应较小，表现出缓慢的上升特性。例如直径为10μm的微纳米气泡在水中的上升速度为3mm/min，仅为直径为1mm气泡的1/2000。由于缓慢的上升特性，避免了液相返混现象的发生，极大的提高了鼓泡塔反应器的稳定性。

2、由于微纳米气泡直径远小于普通气泡，相对于微纳米气泡的体积，其比表面积非常大，极大的增加了液相与气相的接触面积，同时微纳米气泡不易发生普通气泡的聚并现象，提高了鼓泡塔反应器的传质效率。

3、在效果2的基础上，由于微纳米气泡的直径较小，受表面张力的影响，气泡内部的压力远大于外界液体的压力，从而压缩气泡内部气体产生自增压效应，促进了气泡内部的气体穿过气液界面溶解到液相中，从而有效提高了气液界面的传质效率。

4、本发明仅需将鼓泡塔现有的气体分布器更换成微纳米气泡发生系统，对鼓泡塔反应器的整体结构没有大的改动，同样适用于已有的鼓泡塔反应器，改建和运行成本低。

附图说明

图1为采用加压溶气方法的微纳米气泡鼓泡塔装置示意图，A为微纳米气泡发生系统、B为鼓泡塔反应器、1为气体压缩机、2为压力溶气罐、3为增压水泵、4为释放器、5为溶气水入口、6为原液入口、7为液体出口、8为气体出口。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

参照图1，一种利用微纳米气泡强化鼓泡塔反应效率的装置，包括：微纳米气泡发生系统A和鼓泡塔反应器B。所述微纳米气泡发生系统A包括气体压缩机1、压力溶气罐2、增压水泵3、释放器4。鼓泡塔反应器B塔体底部设有溶气水入口5、原液入口6，上部设有液体出口7和气体出口8。气体压缩机与压力溶气罐的进气口相连，增压水泵与压力溶气罐的入水口相连，压力溶气罐的出水口管路穿过溶气水入口进入鼓泡塔反应器内，与置于鼓泡塔反应器底端的释放器相连。

按照图1的装置连接方式，反应气体和水分别通过气体压缩机和增压水泵进入压力溶气罐中，在压力溶气罐内形成过饱和溶气水。过饱和溶气水经过溶气水入口在释放器处减压释放出大量稳定的微纳米气泡，反应液由原液入口进入鼓泡塔反应器内，与富含反应气体的微纳米气泡充分接触，进行反应。鼓泡塔反应器被外置的夹套加热，控制鼓泡塔反应器内的温度，反应后的液体由液体出口排出，反应后的气体由气体出口排出。

实施例2

本实施例对鼓泡塔反应器液相返混情况进行探究。在常温常压的条件下，以空气和水作为气、液介质进行实验，压力溶气罐内压力保持在0.3MPa，采用TV-I型溶气释放器，产生微纳米气泡尺寸集中在5μm～30μm之间，鼓泡塔内空塔气速为0.03m/s，鼓泡塔反应器高2000mm，内径280mm，静液高度1500mm。选用KC1浓溶液作示踪剂，在保持鼓泡塔正常运行状态下，采用点脉冲注入法，从溶气水入口处瞬间注入，并在液体出口处使用电导率仪实时检测，结果显示，返混系数维持在0.017cm²/s。

在相同条件下，选用孔径为2mm，开孔率为0.5％的孔板分布器做对比实验，结果显示，系统的返混系数在0.05cm²/s左右。通过本实施例说明，微纳米气泡发生系统可以有效的解决鼓泡塔液相返混问题，稳定反应过程。

实施例3

本实施例旨在利用微纳米气泡提高乙烯氧化制乙醛的反应收率，鼓泡塔反应器尺寸如实施例1，静液高度为1600mm。以主要成分为乙烯和氧气的混合气作为气体介质，以水作为液体介质进行实验。其中，混合气中乙烯含量控制在65～75％，氧气含量控制在5～8％，压力溶气罐压力保持在0.6MPa。过饱和溶气水在鼓泡塔反应器下端通过释放器产生大量稳定的微纳米气泡，气泡尺寸集中在60μm～90μm之间，反应混合气体在反应器中的空塔线速度为0.37m/s，富含乙烯和氧气的微纳米气泡与反应液相及催化剂充分接触，反应生成的粗乙醛溶液经过液体出口进入后续的精馏过程。其中，鼓泡塔反应器的反应压力从0.38MPa变化到0.48MPa(绝压)，反应温度控制在125℃，以Pd-Cu溶液作为反应的催化剂。

对反应生成的粗乙醛溶液进行分析，进而计算出总反应乙醛的收率。结果表明，模拟现有鼓泡塔装置流程，乙醛的平均收率为90％左右，若加入微纳米气泡发生装置，乙醛的平均收率可提高3.7％。从乙醛装置的实际运行来看实用效果明显。

本发明不局限于实施例中所描述的技术，实施例中的描述只是说明性的，并非限制性的，本发明的权限有权利要求所限定，基于本技术领域人员根据本发明所能够变化、重新组合等方法得到的与本发明相关的技术，都在本发明的保护范围内。