一种塔式气液接触设备均匀布气装置及其用途的制作方法

本发明属于化学工程领域，涉及一种塔式气液接触设备均匀布气装置及其用途，尤其涉及一种通过增加气室阻力实现均匀布气的塔式气液接触设备均匀布气装置及其用途。

背景技术：
化工反应过程常常涉及到塔式气液接触设备，需要实现气泡均匀分散于液相中，这不仅需要单位传质高度内气泡分散相均匀分布，而且需要气泡分散相的直径均一。关于气固两相反应的均匀布气方法和装置已多有报道，专利CN10250867A和CN202621144U均提出了一种固体颗粒状物料悬浮流态化反应的均匀布气装置，但是该布气装置不适用于在液体中产生均匀直径的气泡。专利CN102728283A和CN202700473U均提出了一种气固两相反应器均匀布气方法，所述方法为：在料斗的壁板上开设布气口，布气口为狭长开孔，可解决装置内单位传质高度气压分布不均匀的问题，使固体颗粒物料在装置内流态化均匀分散，但是该装置无法在液体中实现气压均匀分布，狭长的布气口开孔容易产生较大直径的气泡，无法在液体中均匀布气。专利CN202289881U公开了一种在液体中均匀布气的外压膜过滤器。在装置中，均匀布气的装置是一组曝气管，用于膜过滤过程加强膜表面的扰动，对膜的表面进行擦洗。但是，对于产生气泡均匀程度要求严格的场合，这种布气方式是不适用的。专利CN202844893U公开了一种由砂头、气体主流管和气体分流管组成的快速均匀布气装置。这种装置有效提高了单位体积的液体内气泡的分布密度，提高了气液反应的速率，已经被具体应用于石油工业领域，但是将这种布气方式在使用过程中仍然存在问题。原因在于这种设备难以做到气泡在反应器不同高度的横截面上均匀分布，无法实现单位传质高度内气泡分散相的相含率均匀一致。专利CN203484063U公开了一种快速均匀布气盘，其布气盘由多层砂网重叠组成，从上到下各层砂网可透气部分的面积逐渐缩小，砂网的孔径为20微米。但是，这种装置也仅适用于气液混合反应的石油工业，并且无法获得直径均一的气泡分散相。塔式气液接触设备均匀布气的困难主要表现在气体分布盘上不同区域生成气泡的难易程度不同，导致单位传质高度内气泡分散相的相含率无法均匀一致，且生成气泡的直径大小差别相当大。由于设备壁效应的影响，在同一液体深度下，分布盘上方的压力不均匀，导致在相同的进气压力条件下，分布盘上越靠近反应器内壁的局部区域，越容易生成气泡，而远离反应器内壁的局部区域较难生成气泡。加大进气压力或流量，尽管可以使远离反应器内壁的局部区域也产生气泡，但是由于靠近反应器内壁的区域所受液压阻力较小，生成气泡直径过大，导致塔式设备中无法获得均匀直径的气泡。

技术实现要素：
针对现有技术中存在的塔式气液接触设备中气泡分布不均匀的问题，本发明提供了一种塔式气液接触设备均匀布气装置及其用途，通过增加气室阻力实现塔体横截面内气泡的均匀分布，并且气泡的直径均一。为达此目的，本发明采用以下技术方案：第一方面，本发明提供了一种塔式气液接触设备均匀布气装置，所述装置从上到下依次包括塔体、气体分布盘、阻力层和气室。本发明中，所述塔体为顶端开放的空心圆筒，塔体下部设置有气体分布盘。优选地，塔体下部水平设置有气体分布盘。优选地，所述气体分布盘的直径与塔体的内径相等。其中，空心圆筒是充填料液的容器，空心圆筒内充填的料液在塔体内应该具有一定高度。所述的“均匀布气”，指的是气体每单位时间穿过每单位面积的气体分布盘的平面时，不仅生成的气泡个数相同，而且气体分布盘的每个区域生成的气泡直径大小一致。本发明中，所述气体分布盘的基体为具有耐腐蚀性能的平板，该平板是由具有一定机械强度并且耐腐蚀的材料制备而成。优选地，所述气体分布盘基体的厚度为2～20mm，例如2mm、5mm、7mm、10mm、13mm、15mm、17mm或20mm等，进一步优选为10mm；优选地，所述气体分布盘的基体上开设有贯穿基体的竖直孔道。优选地，所述气体分布盘的基体上开设的竖直孔道的内径为0.1～5mm，例如0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm等，优选为1～4mm，进一步优选为2mm。优选地，所述气体分布盘的基体上开设的竖直孔道的孔眼总面积占气体布气盘基体总面积的5～80％，例如5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％或80％等，优选为10～30％，进一步优选为20％。优选地，所述气体分布盘的基体上开设的竖直孔道中插有圆直管，圆直管的外壁与孔道内壁之间密封，即圆直管的外径与孔道内径相同。优选地，所述圆直管贯穿气体分布盘的基体。优选地，所述圆直管的顶部平面高出气体分布盘的基体上端面0.1～20mm，例如0.1mm、1mm、2mm、3mm、5mm、7mm、10mm、13mm、15mm、17mm或20mm等，优选为0.1～10mm，进一步优选为5mm。优选地，所述圆直管的底部平面与气体分布盘的基体下端面保持水平。本发明中，所述阻力层由2个以上空心圆筒和固体颗粒填充物组成，其中填充物通常为具有一定粒度分布且表面疏水的固体颗粒物。当气体通过阻力层后，因为阻力层对气体的阻碍，使得气体到达气体分布盘基体底面时，气压变小。阻力层内填充的固体颗粒物的粒径或者密度不同时，对气体穿过的阻碍能力不同，气体穿过阻力层到达气体分布盘基体底面的气体压力就不同，于是可通过调节阻力层内填充的固体颗粒物的粒度和/或填充密度，使得从贯穿气体分布盘基体的细小圆直管内喷出的气泡尺寸均一，并且气体分布盘上方塔体横截面内生成气泡的个数均匀。优选地，所述阻力层厚度为2～100mm，例如2mm、10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm或100mm等，且阻力层的厚度沿塔体横截面的径向由内向外逐渐增大。优选地，固体颗粒填充物为不溶于水的固体颗粒，该固体颗粒具有一定的强度，优选为玻璃球和/或聚苯乙烯球，例如可为玻璃球或聚苯乙烯球，或是玻璃球和聚苯乙烯球混合后一起作为固体颗粒填充物，优选为聚苯乙烯球。优选地，所述空心圆筒以塔体的中心轴线为轴，空心圆筒上端与气体分布盘基体的下端面密封连接。优选地，所述空心圆筒的个数为2～100，例如2、10、20、30、40、50、60、70、80、90或100等，进一步优选为3～30。优选地，所述空心圆筒的内径沿塔体横截面的径向由内向外逐渐增大，且相邻两个空心圆筒间留有空隙形成圆环空腔。优选地，所述直径最小的空心圆筒内形成中心圆筒空腔。形成的圆筒空腔和圆环空腔可以固定固体颗粒填充物，空心圆筒也是可以更换的，这样有利于以调整阻力层对气体的阻力。优选地，所述固体颗粒填充物由织物包裹，包裹的织物一方面允许气体通过，另一方面还起着承载填充物的作用，使填充物不会掉落在气室中。优选地，所述固体颗粒填充物由织物包裹后填充于中心圆筒空腔和圆环空腔中。优选地，贯穿气体分布盘的基体上圆直管与中心圆筒空腔和圆环空腔连通，这样使气体可以穿过填充于圆筒空腔和圆环空腔中的阻力层，从气体分布盘上端面的圆直管喷出，形成气泡。本发明中，填充于中心圆筒空腔和圆环空腔中的的固体颗粒物允许气体通过的阻力沿塔体横截面的径向由内向外逐渐增大。优选地，填充于中心圆筒空腔和圆环空腔中的固体颗粒填充物的填充密度沿塔体横截面的径向由内向外逐渐增大。优选地，填充于中心圆筒空腔和圆环空腔中的固体颗粒填充物的粒径沿塔体横截面的径向由内向外逐渐减小。通过调整填充于圆筒空腔和圆环空腔中的固体颗粒填充物的粒径和填充密度，可以在阻力层厚度相同的条件下，阻力层对气体的阻力，沿塔体横截面径向由内向外逐渐增大。本发明中，所述圆环空腔的环带宽度与塔体内径的比为1:(3～1000)，例如1:3、1:10、1:30、1:50、1:70、1:100、1:300、1:500、1:700或1:1000等，优选为1:(10～100)，进一步优选为1:10。优选地，所述圆筒空腔内径与塔体内径的比为1:(3～1000)，例如1:3、1:10、1:30、1:50、1:70、1:100、1:300、1:500、1:700或1:1000等，优选为1:(10～100)，进一步优选为1:10。优选地，所述圆筒空腔和圆环空腔之间的气体不串通。优选地，所述圆环空腔之间的气体不串通。本发明中，所述气室为位于阻力层下方的与塔体相连的圆锥形空腔。优选地，所述气室底部设置有排液阀。优选地，所述气室的侧壁开有进气口。优选地，进气口的方向与塔体的水平横截面相切。将气室设计成圆锥形空腔，并在底部设置排液阀，目的是为了排出在设备调试以及设备启停过程中由气体分布盘上的细小圆直管经过阻力层漏入气室的液体，恢复气室的正常状态。在气室的侧壁开进气口，并且进气口的方向与塔体的水平横截面相切，目的是使气体由进气管进入到气室后在气室内气体压力快速均匀分布。上述塔式气液接触设备均匀布气装置的运行过程如下：启动空气压缩机，待气体稳压罐中的压力稳定后，通过气体调节阀调节气体流量，然后向塔体内注入一定高度的液体，气体通过布气盘上的圆直管进入圆筒形塔体后可以获得直径均一稳定的气泡，并且气体分布盘的每根细小圆直管上生成的气泡的个数一致。从进气管泵入气室内的气体穿过阻力层、并通过气体分布盘向塔体内的液体中喷入气泡。由于气室中气体穿过阻力层受到的阻力不同，气体到达气体分布盘下方时的压力不同。通过调节阻力层内填充物对气体的阻力，可以实现穿过阻力层不同区域的气体压力跟气体分布盘上方生成气泡所需要的气体压力匹配，这样就保证在气体分布盘上每一个圆直管都有气泡生成，每一个圆直管上生成的气泡直径相同，而且气体分布盘上方横截面内生成气泡的个数均匀。与现有技术相比，本发明的具有以下有益效果：(1)本发明所述的塔式气液接触设备均匀布气装置的布气均匀性高。由于在塔式气液接触设备中的气体分布盘下方设置了阻力不同的阻力层，可以通过调节阻力层内的填充物的粒径大小和充填密度，实现气体穿过该阻力层后，经气体分布盘上方的细小圆直管生成具有相同直径的气泡可以达到90％以上，同时实现沿塔体横截面径向生成的气泡个数相等。(2)本发明所述的塔式气液接触设备均匀布气装置中阻力层对气体的阻力可以通过调整填充物的粒径和填充密度来进行调节，使其能满足整个气体分布盘上方生成气泡所需要的气体压力，从而在整个气体分布盘上方生成均与分布且尺寸均一的气泡。(3)本发明所述的塔式气液接触设备均匀布气装置的气体布气盘容易检修和更换，并且气体分布盘上的细小圆直管也是单个可更换的结构。(4)本发明所述的塔式气液接触设备均匀布气装置运行稳定，在设备的工作过程中，设置在气室上方的阻力层最大限度的减少了气体沟流的产生。附图说明图1是本发明所述塔式气液接触设备均匀布气装置的结构示意图；图2是所述塔式气液接触设备均匀布气装置的阻力层沿塔体横截面的剖视图；图3是所述塔式气液接触设备均匀布气装置的阻力层沿塔体横截面的分解示意图；其中，1-塔体，2-气体分布盘，3-气室，4-气体调节阀，5-气体稳压罐，6-空气压缩机，7-阻力层，8-空心圆筒，9-固体颗粒填充物，10-排液阀，11-圆筒空腔，12-圆环空腔，13-进气管。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。以下结合附图对本发明提出的塔式气液接触设备均匀布气装置进行说明，所列实施例仅用于解释本发明，并不限定本发明提出的方法的使用范围。本发明提供了一种塔式气液接触设备均匀布气装置，所述装置从上到下依次包括塔体1、气体分布盘2、阻力层7和气室3。所述塔体1为顶端开放的空心圆筒，塔体1下部设置有气体分布盘2。所述气体分布盘2的直径与塔体1的内径相等。所述气体分布盘2的基体为具有耐腐蚀性能的平板。所述气体分布盘2基体的厚度为2～20mm。所述气体分布盘2的基体上开设有贯穿基体的竖直孔道。所述气体分布盘2的基体上开设的竖直孔道的内径为0.1～5mm。所述气体分布盘2的基体上开设的竖直孔道的孔眼总面积占气体布气盘2基体总面积的5～80％。所述气体分布盘2的基体上开设的竖直孔道中插有圆直管，圆直管的外壁与孔道内壁之间密封。所述圆直管贯穿气体分布盘2的基体。所述圆直管的顶部平面高出气体分布盘2的基体上端面0.1～20mm。所述圆直管的底部平面与气体分布盘2的基体下端面保持水平。所述阻力层7由2个以上空心圆筒8和固体颗粒填充物9组成。所述阻力层7厚度为2～100mm，且阻力层7的厚度沿塔体横截面的径向由内向外逐渐增大。所述固体颗粒填充物9为不溶于水的固体颗粒，优选玻璃球和/或聚苯乙烯球。所述空心圆筒8以塔体1的中心轴线为轴，空心圆筒8上端与气体分布盘2基体的下端面密封连接。所述空心圆筒8的个数为2～100。所述空心圆筒8的内径沿塔体1横截面的径向由内向外逐渐增大，且相邻两个空心圆筒8间留有空隙形成圆环空腔12。所述直径最小的空心圆筒8内形成中心圆筒空腔11。所述固体颗粒填充物9由织物包裹。所述固体颗粒填充物9由织物包裹后填充于中心圆筒空腔11和圆环空腔12中。贯穿气体分布盘2的基体上圆直管与中心圆筒空腔11和圆环空腔12连通。填充于中心圆筒空腔11和圆环空腔12中的固体颗粒填充物9允许气体通过的阻力沿塔体1横截面的径向由内向外逐渐增大。填充于中心圆筒空腔11和圆环空腔12中的固体颗粒填充物9的填充密度沿塔体1横截面的径向由内向外逐渐增大。所述中心圆筒空腔11和圆环空腔12内填充的固体颗粒物9的粒径沿塔体1的横截面的径向由内向外逐渐减小。所述圆环空腔12的环带宽度与塔体1内径的比为1:(3～1000)。所述中心圆筒空腔11内径与塔体1内径的比为1:(3～1000)。所述圆筒空腔11和圆环空腔12之间的气体不串通。所述圆环空腔12之间的气体不串通。所述气室3为位于阻力层7下方的与塔体1相连的圆锥形空腔。所述气室3底部设置有排液阀10。所述气室3的侧壁开有进气口。所述进气口的方向与塔体1的水平横截面相切。所述所述气室3的进气口与进气管13连通。所述进气管13从进气口一端依次设置有气体调节阀4、气体稳压罐5和空气压缩机6。实施例1：如图1所示，本实施例以3个空心圆筒为例，制造一个中试规模的溶剂气浮塔，塔体尺寸为：柱式塔体1高3000mm，柱式塔体1直径600mm。气体分布盘2的基体采用6mm厚度的不锈钢平板加工而成。气体分布盘2的外边缘与柱式塔体1下部密封连接，气体分布盘2的厚度为10mm，气体分布盘2上所开竖直孔道的内径为1mm，竖直孔道的孔眼总面积占气体布气盘2基体总面积的5％。竖直孔道中插入的细小圆直管长度为11mm，直径为1mm，并且细小圆直管高出凸气体分布盘2的基体5mm。气体分布盘2的底面设置三个空心圆筒8，如图2和图3所示，空心圆筒8的直径由内到外分别为250mm、450mm和600mm，形成的圆筒空腔11的直径为250mm，圆环空腔12的带宽由内向外为100mm和75mm。采用尼龙网织物承载聚苯乙烯球填充于圆筒空腔11和圆环空腔12中构成阻力层7。填充于圆筒空腔11和圆环空腔12中的聚苯乙烯球的直径由内到外分别为2mm、1.5mm和1mm，阻力层7的厚度由2mm沿塔体横截面的径向由内向外逐渐增大至20mm。操作时，启动空气压缩机，待气体稳压罐5中的压力稳定为0.6MPa时，调节气体调节阀4使气体流量为0.9m3/h，向塔体1内中注入自来水，自来水在气体分布盘2上的高度为250cm。气体经过气体分布盘2上的细小圆直管后获得直径2mm的气泡个数占生成的总气泡个数95％以上，并且气体分布盘2的每根细小圆直管上生成的气泡的个数一致。实施例2：除了气体分布盘2的底面设置4个空心圆筒8制造一个中试规模的溶剂气浮塔，气体分布盘的厚度为20mm，气体分布盘2上所开竖直孔道的内径为2mm，竖直孔道的孔眼总面积占气体布气盘2基体总面积的10％，细小圆直管高出凸气体分布盘2的基体10mm，阻力层7的厚度由20mm沿塔体横截面的径向由内向外逐渐增大至100mm，其他结构和操作均与实施例1中的溶剂气浮塔相同，通过该装置可在塔体横截面获得5mm的气泡个数占生成的总气泡个数95％以上，并且在塔体的横截面上，气泡个数相同。实施例3：除了气体分布盘2的底面设置30个空心圆筒8制造一个中试规模的溶剂萃取塔，气体分布盘的厚度为2mm，气体分布盘2上所开竖直孔道的内径为4mm，竖直孔道的孔眼总面积占气体布气盘2基体总面积的20％，细小圆直管高出凸气体分布盘2的基体20mm外，其他结构和操作均与实施例1中的溶剂气浮塔相同，通过该装置可在塔体横截面上获得2mm的气泡个数占生成的总气泡个数95％以上，并且在塔体的横截面上，气泡个数相同。实施例4：除了气体分布盘2的底面设置2个空心圆筒8制造一个中试规模的溶剂浮选塔，气体分布盘2上所开竖直孔道的内径为5mm，竖直孔道的孔眼总面积占气体布气盘2基体总面积的30％，细小圆直管高出凸气体分布盘2的基体0.1mm外，其他结构和操作均与实施例1中的溶剂气浮塔相同，通过该装置可在塔体横截面上获得6mm的气泡个数占生成的总气泡个数95％以上，并且在塔体的横截面上，气泡个数相同。实施例5：除了气体分布盘2的底面设置100个空心圆筒8制造一个中试规模的溶剂浮选塔，气体分布盘2上所开竖直孔道的内径为0.1mm，竖直孔道的孔眼总面积占气体布气盘2基体总面积的80％外，其他结构和操作均与实施例1中的溶剂气浮塔相同，通过该装置可在塔体横截面上获得2mm的气泡个数占生成的总气泡个数95％以上，并且在塔体的横截面上，气泡个数相同。综上所述，本发明所述的塔式气液接触设备均匀布气装置的布气均匀性高。由于在塔式气液接触设备中的气体分布盘下方设置了阻力不同的阻力层，可以通过调节阻力层内的填充物的粒径大小和充填密度，实现气体穿过该阻力层后，经气体分布盘上方的细小圆直管生成相同直径的气泡个数占总生成的气泡个数的95％以上，同时实现沿塔体横截面径向生成的气泡个数相等。本发明所述的塔式气液接触设备均匀布气装置中阻力层对气体的阻力可以通过调整填充物的粒径和填充密度来进行调节，使其能满足整个气体分布盘上方生成气泡所需要的气体压力，从而在整个气体分布盘上方生成均与分布且尺寸均一的气泡。本发明所述的塔式气液接触设备均匀布气装置的气体布气盘容易检修和更换，并且气体分布盘上的细小圆直管也是单个可更换的结构。本发明所述的塔式气液接触设备均匀布气装置运行稳定，在设备的工作过程中，设置在气室上方的阻力层最大限度的减少了气体沟流的产生。申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。