一种箱笼式颗粒分布小系统及其应用的制作方法

本发明创造属于液固两相和气液固三相接触领域，尤其是涉及一种箱笼式分布小系统及其应用。

背景技术：

在过程工程及其它许多工业过程中，经常需要用到多相流系统，包括气-液、气-固、液-固、气-液-固等体系。并且，又常常要求在这些体系中，各相之间有着充分的接触，以保证这类系统的效率。

以液固相系统为例，比如在某个液固化学反应中，固体以颗粒的形式存在于连续的液体相中，其中至少部分反应是在液固界面上进行的。为了提高液体与固体的反应效率，就需要将固体颗粒尽量分散于液体中，使固体颗粒与液体有更大的接触表面积。又比如在某个液相催化反应中，固体催化剂以颗粒的形式存在于连续的液体相中，两种或两种以上的液体组份在固体颗粒(催化剂)的表面进行接触反应。在这种情况下，为了提高液体间的催化反应效率，也是需要将固体颗粒尽量分散于液体中，使被反应的液体有更多的机会与固体颗粒表现进行接触。如果这些反应亦需要气体相的参与者，亦可以将气体充入，此时形成气液固三相系统。又比如在某个吸附分离过程中，为了提高吸附效率，更需要将颗粒尽量分散于液体相中，使吸附剂有更多的机会与液体中溶质接触而发生吸附反应。

在如上液固系统中，所涉及的固体颗粒一般均重于液体，因而在系统静止时，颗粒将堆积在系统底部，不能自动上浮。为了使颗粒有效地分散在液体中，人们开发了一些有效的方法。比如通过强力搅拌，通过机械、液体或者气体的强力射流，使至少一部分颗粒悬浮在混合体中。另一种有效的方法，就是利用固体流态化。该方法是将液体从系统的下部注入到液固系统中，形成向上的净流体流动，导致系统中的颗粒，因液体向上流动所造成的曳力而被悬浮。此时，通过合理地调整液体流速，使液体流速高于最小流化速度而低最小夹带速度，就可以有效地将颗粒比较均匀地分散在系统内至少一部分空间内。如果同时在系统的底部加入气体，气体的向上流动也可以提供额外的曳力，协助颗粒的悬浮。此时系统成为气液固三相体系。

如果所涉及的固体颗粒轻于流体，在系统静止时，颗粒将浮在系统的上表面而不会自动下沉。为了使颗粒有效地分散在液体中，除了通过强力搅拌，比如机械、液体或者气体的强力射流，还可以采用逆向固体流态化的方法。该方法是将液体从系统的上部注入到液固系统中，形成向下的净流体流动，导致系统中的颗粒，因液体向下流动所造成的曳力而被倒悬浮——一种因克服颗粒轻于液体而带来的浮力的悬浮现象，有时又称为逆向流态化。此时，通过合理地调整液体流速，使液体流速高于最小逆向流化速度而低最小逆向夹带速度，亦可以有效地将颗粒比较均匀地分散在系统内至少一部分空间内。但在此逆向流态化条件下，从上部同时加入气体一般将没有意义，因为气体不会向下流动。

在许多颗粒分散系统中，颗粒的分布经常是不均匀的。这种不均匀，经常是因为用于分散或者悬浮颗粒的流体(气体或者液体)在进入反应器时的分布不能保证完全均匀，或者是进入后不能总是平行地流动，造成某些部位会缺少流体。另外所述的颗粒分散体系在工业放大之后颗粒分布不均匀性更加严重且不易操控。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种箱笼式颗粒分布小系统，以克服系统中颗粒容易分布不均的特点，将一个或多个这种小系统放入到液体或气液系统中，对这些小系统单独布气和/或单独布液，可有效的控制反应，提高反应效率，整体可达到更好的反应效果。并且采用这种箱笼式颗粒分布小系统容易改造已有的系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种箱笼式颗粒分布小系统，其特征在于：包括壳体，所述壳体内部为中空腔体，所述壳体具有侧壁，包括顶面和底面中至少一个，且侧壁、顶面或底面中的至少一面设有通孔，所述壳体内设有颗粒。

本发明提出的一种箱笼式颗粒分布小系统，具有体积小、条件可控、易于操作、传质效率高、经济节能等优点。在液体或气、液两相系统中布置许多个这种小箱笼，对每一个小箱笼进行单独布气和/或单独布液，从而保证了在每个小系统中颗粒分布的均匀性，有效的提高了总体传质效率。

附图说明

图1为本发明的箱笼式小系统结构示意图；

图2为本发明的箱笼式小系统组合使用结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进行阐述。

在一个实施例中，本发明公开了一种箱笼式颗粒分布小系统，包括壳体，所述壳体内部为中空腔体，所述壳体具有侧壁，包括顶面和底面中至少一个，且侧壁、顶面或底面中的至少一面设有通孔，所述壳体内设有颗粒。

对该实施例而言，该箱笼式颗粒分布小系统显然至少包括一个箱笼。在所述小系统被使用之前，与其相对的，是小系统将要作用的外部大系统。所述小系统在使用的过程中，壳体上的通孔便于小系统与外部大系统间的物质的交换。所述的箱笼式颗粒分布小系统相对而言体积小，也便于操控，能够在控制下确保生产效率得以提高。

优选的，所述颗粒具有可以携带或载有有利于反应的物质或成份的能力。

更特别的，所述颗粒还可以包括一个或多个微孔，预先在微孔中携带或载有利于反应的物质或成份。更进一步的，所述颗粒还可以在包括微孔的同时，包括一个或多个与微孔连通的空腔，空腔内部预先携带或载有有利于反应的物质或成份。所述有利于反应的物质或成份可以是外部大系统中本身就存在的，也可以是预先加入于外部大系统中。

在另一个实施例中，所述侧壁用于阻止所述颗粒流出。该实施例通过侧壁保证颗粒在预设的空间内进行反应，便于操控。容易理解的，此处的阻止，可以是大部分的阻止所述颗粒流出。

在另一个实施例中：所述顶面为全封闭式或半封闭式，所述底面为全封闭式或半封闭式，且顶面和底面不同时为全封闭式，所述顶面或底面阻止所述颗粒流出。对于该实施例而言，这样的设置既能保证所述壳体内外流体的交换，又能使所述的颗粒分布均匀，且通过顶面或底面确保了颗粒在预设空间内进行反应。

需要说明的是，这种箱笼式、颗粒分布小系统壳体的形状可以不定，既可以为立方体形、长方体形、其它多边体形、圆柱体形、椭圆体形等等；也可以除了前述规则性壳体外，壳体可以呈不规则状，例如从壳体顶部向下俯看，壳体的俯视图为不规则形状。更一般的，所述不规则形状是指所述壳体不同高度水平截面的俯视正投影不完全重合。就该实施例而言，不同的壳体样式便于适应于不同的反应体系。

此外，本发明还公开了一种箱笼式颗粒分布小系统的应用：将所述小系统置于液体或液固混合体之中，所述小系统的数量为一个或多个。

对于该实施例而言，由于所述小系统中包括能够携带有利于反应的物质或成份的颗粒，如果向所述小系统中通入液体(容易理解的，也可以是气体，或气体和液体两者都有)，小系统内的颗粒在液体(或气体，或气液混合相)流体的作用下处于流态化状态，均匀分散在小系统中。与此伴随的，颗粒上覆载的物质或成份随着颗粒的运动各处游走从而提高反应效率。容易理解，此处的气体或液体是主要用来使得所述颗粒流动，所述液体可以是反应中本身就涉及的液体，也可以是反应之外的其他液体，只要该液体不妨碍或者不利于有关反应即可。一般的，小系统数量尽量的多的话，有利于反应的效率，多个小系统可以是级联或其他组合方式。

优选的，在另一个实施例中：所述每个小系统单独布液。

更优选的，在另一个实施例中：所述颗粒至少能够通过其表面携带微生物，应用于污水处理。对于该实施例，其明确了在污水处理应用方面，颗粒所需要具备的能力，这也是对前文所述有利于反应的物质或成份的进一步限定。

在另一个实施例中：所述小系统置于气相和液相的混合相或气液固混合相之中。对于该实施例而言，向所述小系统中通入气体和液体混合相，小系统内的颗粒在气相或液相或气液混合相流体的作用下处于流动化状态，均匀分散在小系统中。

类似的，在气液混合相中，所述小系统的个数同样可以为一个或多个。

更进一步的，在另一个实施例中：所述每个小系统单独布气和/或单独布液。这样使所述小系统形成独立的整体，易于操作控制，无论是单独的布气还是单独的布液，抑或既单独的布气又单独的布液，都是为了控制颗粒的流动。

更进一步的，在另一个实施例中：所述颗粒包括轻颗粒和/或重颗粒，所述轻颗粒密度小于所述液相密度，所述轻颗粒的密度均一或非均一，所述轻颗粒的尺寸均一或非均一，所述重颗粒密度大于所述液相密度，所述重颗粒的密度均一或非均一，所述重颗粒的尺寸均一或非均一，所述颗粒分散于所述液相中，所述气相自下而上流动。容易理解的，所处液相环境可以全部由反应所针对的液相环境组成，也可以包括前文所述使得颗粒流动的其他液体。

进一步的，在另一个实施例中：将布气装置设置于所述小系统之内或所述小系统之外，优先选择在小系统内布气。若气体布置在小系统之外，可允许颗粒有少量的流出，这些流出的颗粒在小系统外也可起到同样的技术效果。另外在箱笼体系外布气，箱笼壳体的底面可以是敞口或较大面积敞口，这样可为气体提供足够大的通道流经箱笼之中，从而既能保证所述小系统都能成为一个单独的反应器，在空间上又能与所属的大系统相互联系。

更进一步的，在另一个实施例中：对于气液混合相环境，将微生物包覆所述颗粒外表面，应用于污水处理。

在另一个实施例中，如图1所示，该箱笼式分布小系统包括壳体，壳体内为中空腔体，壳体的侧面、顶面或底面中至少一面设有通孔，便于系统与外部进行物质交换，壳体内放入颗粒，颗粒提供了较大的比表面积，增强固体与流体间的传质。

如图2所示为本发明的箱笼式小系统组合使用的结构示意图，在长、宽、高为12×6×6米的污水池中(尺寸不限，也可为其他组合如24×12×8，16×12×6米等)，设置多个箱笼式颗粒分布小系统，每个箱笼皆为一个完整的生物污水处理小系统，箱笼的尺寸长、宽、高为2×1×4米(也可为1.5×1×6米，1×1×6米等，总之箱笼尺寸要小于大系统的尺寸)，在箱笼的底部或箱笼外大系统底部设置气体分布器，若在大系统底部设置气体分布器，则箱笼的底部可以敞口或较大面积的敞口，为气体提供足够大的通道流进系统中，小系统和大气统的供气都来自于鼓风机。箱笼内放入固体颗粒，固体颗粒可使用轻颗粒、重颗粒或轻重混合颗粒。固体颗粒上可覆载微生物可用效地应用于污水处理中。可选择的，液体通过泵从箱笼式小系统的侧面通入，箱笼内的颗粒在气液流体的共同作用下分散在系统中。由于每个箱笼都是单独布气和/或单独布液，这样易于控制，生产效率高。若要维持箱笼内的颗粒处于悬浮状态，箱笼内流体的速度需大于颗粒的最小流化速度小于颗粒的最小带出速度。所谓的颗粒的最小带出速度是床层由流化床向输送床转变的速度。相比大系统，小系统的处理效率是大系统的5倍以上，如果将这些小系统按一个的顺序排列在所需要的大系统中，若小系统占有的体积为系统的50％，则系统的生产能力至少可提高3倍以上。

总之，所述箱笼式小系统中所用的固体颗粒，可以是轻颗粒、重颗粒、轻重混合颗粒。轻颗粒的密度小于所述液体密度，可在液体中通入气体，从而成为气液混合体，此时气液混合体的密度将小于液体密度，通过改变气体进入量使得颗粒能够悬浮于气液混合体中。重颗粒的颗粒密度大于液体密度，可通过液体或者气体流动推动颗粒悬浮于液体中，也可通过气液共同作用使得轻颗粒悬浮的同时重颗粒也可悬浮。混合颗粒则包含轻颗粒和重颗粒两种颗粒，除了兼有轻颗粒的优点外，重颗粒也可以被较低的气速或液速从底部带起，使得颗粒在垂直方向上达到一定的颗粒分布，充分的利用空间。

所述的颗粒的选择尺寸可大可小，颗粒的材料和形状各式各样，优选比表面积大，形状类似球形，密度接近于液体，导液体性好的颗粒，应用于污水处理时则尽量选择表面适合微生物生长的颗粒。

在另一个实施例中，将所述箱笼式小系统中用于其它多相流系统中，可在系统的不同轴向或/和径向位置设置多个小箱笼，对每个小箱笼进行单独操作，由于小箱笼易于控制调节，传质传热效率高，又从属于大系统。整体而言，小箱笼的设置可在很大程度上增加大系统内有相间接触效率。具体应用如:银杏叶中提取银杏黄酮，豆类蛋白质的分离提取等。

在另一个实施例中，将所述箱笼式小系统用于反应器中，例如化学反应系统，可在系统的不同轴向或/和径向位置设置多个小箱笼，使每一个小箱笼成为一个完整的反应体系，由于小箱笼易于控制，传质传热效率高，这样设置起到局部增加反应效率或/和反应强度的目的。

另外小箱笼从属于反应大系统，整体上看小箱笼的设置不但可起到有效分散固体颗粒的作用，而且可以根据工况的变化(如：副反应的产生，产物的增加)及时有效做出调整，从而有效地提高反应器的反应效率。具体应用如：煤的液化，重油重整、催化加氢，硝基苯催化加氢制苯胺等等。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改，等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。