一种气液固三相反应的旁路监测装置及其在二氧化碳矿物封存中的应用的制作方法

本发明涉及一种气液固三相反应的旁路监测装置及其在二氧化碳矿物封存中的应用，属于化学工业技术领域。

背景技术：

在化学工业中，有很多反应涉及气液固三相反应过程，在这些反应的体系中，通常需要对固液比值以及水溶液成分进行精确分析以判断反应进程。例如，为了紧跟世界潮流支持国家低碳减排战略，赵良等开发了提供一种以氯化镁封存工业烟气(如：水泥厂烟气、火电厂烟气等)中的二氧化碳，并用来制备轻质碳酸镁并联产氯化铵的方法。该方法通过液氨调节溶液ph以吸收工业烟气中的二氧化碳，反应生成的碳酸镁铵水合物晶体为中间产物，经过精制镁碳铵水合物制备轻质碳酸镁。该工艺实施过程中需要在碳酸镁铵水合物中间产物生产以及轻质碳酸镁精制过程中实现气液固三相反应过程，需要对该过程固液比值以及水溶液成分的精确分析可以判断反应进程，以提升分离效率。

截至目前为止，常用的固液比值监测手段为音叉密度计，常用的ph监测手段为ph计。为避免气泡对密度测量的影响通常设计带有网孔的除沫器将密度计音叉保护起来，然而在有固体形成的反应体系中，固体物质会将除沫器网孔堵塞，造成监测误差。此外密度计和ph表面还会结垢，产生测量误差。对于音叉密度计还未有清洗方案，而ph计常见的清洗方案为可伸缩护套，清洗时将ph缩入护套中进行清洗，该机构构造复杂，可靠性差。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种气液固三相反应的旁路监测装置，该装置可以准确监测反应体系的固液比值、ph值以及化学组分。

技术方案

一种气液固三相反应的旁路监测装置，包括一个横置的圆柱形监测腔体、偏心异径管、音叉密度计和ph计，所述监测腔体上方的竖直方向上设有密度计放置管，密度计放置管的底部与监测腔体连通，密度计放置管顶部入口插设有音叉密度计，音叉密度计的测量端伸入监测腔体内；所述密度计放置管的上方侧壁设有气相支管，气相支管一端与密度计放置管连通，另一端通过球阀和管道与气液固三相反应器连通；所述监测腔体下方的竖直方向上设有出料管，出料管顶部与监测腔体连通，出料管底部与气液固三相反应器连通；所述监测腔体的一侧侧壁与偏心异径管的大头段连通，偏心异径管的小头段通过管道和蠕动泵与气液固三相反应器连通；所述监测腔体上方设有ph计放置管，ph计放置管与监测腔体连通，ph计放置管内插设有ph计；所述监测腔体斜下方设有取样口。

进一步，所述偏心异径管的轴线垂直于密度计放置管的轴线。

进一步，所述偏心异径管的小头段内径与大头段内径的比值为1：(2-2.5)。

进一步，所述偏心异径管的大头段长度不小于30cm。

进一步，所述密度计放置管的高度不低于50cm。

进一步，所述音叉密度计与密度计放置管的管壁之间的间隙为10-20mm。

进一步，所述音叉密度计的测量端在监测腔体内的位置与偏心异径管的大头段相对。

上述装置在二氧化碳矿物封存中的应用。镁法二氧化碳矿物封存中，碳酸镁铵水合物中间产物的生产以及轻质碳酸镁精制过程中气液固三相并存，通过将反应混合物引入上述装置，可实现气相与固液相的实时、稳定分离，分离后可排除低密度气泡对液固混合物密度测量的干扰，实现固液比值的准确监测。

应用方法包括以下步骤：

(1)通过蠕动泵将气液固三相混合物从气液固三相反应器泵入偏心异径管，气液固三相混合物在偏心异径管内的大头段流动时，气相向上运动，液相和固相沿着管壁向下运动，实现气相与液相和固相的分离；

(2)分离后的气相进入监测腔体后，进入监测腔体上方的竖直方向上的密度计放置管，然后从气相支管流出，返回气液固三相反应器；从偏心异径管分离出来的液相和固相混合物收集在监测腔体内，音叉密度计的测量端穿过密度计放置管伸入到监测腔体内的液相和固相的混合物中，进行密度测量；ph计通过监测腔体上的ph计放置管伸入监测腔体内的液相和固相的混合物中，进行ph测量；通过监测腔体斜下方的取样口放出液相和固相的混合物，进行成分检测；

(3)测量结束后，液相和固相的混合物通过监测腔体下方的出料管返回气液固三相反应器；

(4)气液固三相反应器内反应结束后，排出反应混合物，往气液固三相反应器内泵入1-5％的稀盐酸，然后通过蠕动泵将稀盐酸泵入监测腔体，对音叉密度计的测量端和ph计的测量端进行清洗。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供了一种气液固三相反应的旁路监测装置，利用其可以准确监测反应体系的固液比值、ph值，并可通过取样口取样，进行成分分析；

(2)该装置可实现对音叉密度计以及ph计的除垢和清洗，避免长时间监测，结垢覆盖传感器表面造成的测量误差，提升了工艺的安全性和准确性；

(3)该装置可实现对密闭反应罐的实时取样，实现对反应进程的快速分析和判断；

(4)该装置可应用在镁法二氧化碳矿物资源化工艺中碳酸镁铵水合物中间产物生产以及轻质碳酸镁精制过程中气液固三相混合物中气相与液固相的实时、稳定分离，分离后可排除低密度气泡对液固混合物密度测量的干扰，实现固液比值的准确监测，准确进行固液分离时机的判断。

附图说明

图1为本发明的气液固三相反应的旁路监测装置的结构示意图；

其中，1-监测腔体；2-密度计放置管；3-气相支管；4-出料管；5-偏心异径管；6-ph计放置管；7-ph计；8-取样口；9-蠕动泵；10-音叉密度计；11-球阀；12-气液固三相反应器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明的内容。

实施例1

如图1，一种气液固三相反应的旁路监测装置，包括一个横置的圆柱形监测腔体1、偏心异径管5、音叉密度计10和ph计7，所述监测腔体1上方的竖直方向上设有密度计放置管2，密度计放置管2的底部与监测腔体1连通，密度计放置管2顶部入口插设有音叉密度计10，音叉密度计10的测量端伸入监测腔体1内；所述密度计放置管2的上方侧壁设有气相支管3，气相支管3一端与密度计放置管2连通，另一端通过球阀11和管道与气液固三相反应器12连通；所述监测腔体1下方的竖直方向上设有出料管4，出料管4顶部与监测腔体1连通，出料管底部通过球阀11和管道与气液固三相反应器12连通；所述监测腔体1的一侧侧壁与偏心异径管5的大头段连通，偏心异径管5的小头段通过管道和蠕动泵9与气液固三相反应器12连通；所述监测腔体1上方设有ph计放置管6，ph计放置管6与监测腔体1连通，ph计放置管6内插设有ph计7；所述监测腔体1斜下方设有取样口8。

所述偏心异径管5的轴线垂直于密度计放置管2的轴线；所述偏心异径管5的小头段内径与大头段内径的比值为1：2.5；所述偏心异径管的大头段长度为30cm；所述密度计放置管的高度50cm；所述音叉密度计与密度计放置管的管壁之间的间隙为10mm，所述音叉密度计的测量端在监测腔体内的位置与偏心异径管的大头段相对。

将上述装置应用于二氧化碳矿物封存中，应用方法：

(1)向8立方的气液固三相反应器中装入含有1m氯化铵、0.2m氯化镁的反应液5立方，以300方每小时的流量鼓入含有15％二氧化碳的烟道气，同时加入氨气使得反应液ph值保持在9，通入循环冷却水使反应温度保持在60℃；启动蠕动泵，通过蠕动泵将气液固三相混合物从气液固三相反应器泵入偏心异径管(泵入流量为5l/min)，气液固三相混合物在偏心异径管内的大头段流动时，气相向上运动，液相和固相沿着管壁向下运动，实现气相与液相和固相的分离；

(2)分离后的气相进入监测腔体后，进入监测腔体上方的竖直方向上的密度计放置管，然后从气相支管流出，返回气液固三相反应器；从偏心异径管分离出来的液相和固相混合物收集在监测腔体内，音叉密度计的测量端穿过密度计放置管伸入到监测腔体内的液相和固相的混合物中，进行密度测量；ph计通过监测腔体上的ph计放置管伸入监测腔体内的液相和固相的混合物中，进行ph测量；通过监测腔体斜下方的取样口放出液相和固相的混合物，进行成分检测；

在未进行鼓泡时，密度计监测反应液为纯溶液，相对密度为1.015，ph值为4.457。在进行鼓泡之后，反应出现固体之前，相对密度为1.013，ph为9.101。经过0.5小时反应后出现固体，此时相对密度读数逐渐上升，从1.013上升至1.217，理论含固量29.8％。此时通过装置上的取样口取1l固液混合物，抽滤后烘干，获得固体328克，实测含固量27％；

(3)测量结束后，液相和固相的混合物通过监测腔体下方的出料管返回气液固三相反应器；

(4)气液固三相反应器内反应结束后，排出反应混合物，往气液固三相反应器内泵入1％的稀盐酸，然后通过蠕动泵将稀盐酸泵入监测腔体，对音叉密度计的测量端和ph计的测量端进行清洗，可将音叉密度计和ph计的表面结垢都溶解，实现稳定测量18小时。

实施例2

该气液固三相反应的旁路监测装置中，偏心异径管5的小头段内径与大头段内径的比值为1：2；所述偏心异径管的大头段长度为40cm；所述密度计放置管的高度为60cm；所述音叉密度计与密度计放置管的管壁之间的间隙为20mm，其余与实施例1相同。

将该装置应用于二氧化碳矿物封存中，应用方法：

(1)向8立方的气液固三相反应器中装入含有1m氯化铵、0.2m氯化镁的反应液5立方，以300方每小时的流量鼓入含有15％二氧化碳的烟道气，同时加入氨气使得反应液ph值保持在9.3，通入循环冷却水使反应温度保持在60℃；启动蠕动泵，通过蠕动泵将气液固三相混合物从气液固三相反应器泵入偏心异径管(泵入流量为35l/min)，气液固三相混合物在偏心异径管内的大头段流动时，气相向上运动，液相和固相沿着管壁向下运动，实现气相与液相和固相的分离；

(2)分离后的气相进入监测腔体后，进入监测腔体上方的竖直方向上的密度计放置管，然后从气相支管流出，返回气液固三相反应器；从偏心异径管分离出来的液相和固相混合物收集在监测腔体内，音叉密度计的测量端穿过密度计放置管伸入到监测腔体内的液相和固相的混合物中，进行密度测量；ph计通过监测腔体上的ph计放置管伸入监测腔体内的液相和固相的混合物中，进行ph测量；通过监测腔体斜下方的取样口放出液相和固相的混合物，进行成分检测；

反应过程中实时监测密度计与ph计度数。在未进行鼓泡时，密度计监测反应液为纯溶液，相对密度为1.016，ph值为4.521。在进行鼓泡之后，反应出现固体之前，相对密度为1.014，ph为9.311。经过0.3小时反应后出现固体，此时相对密度读数逐渐上升，从1.016上升至1.290，理论含固量38.2％。此时通过装置上的取样口取1l固液混合物，抽滤后烘干，获得固体502克，实测含估量39％；

(3)测量结束后，液相和固相的混合物通过监测腔体下方的出料管返回气液固三相反应器；

(4)气液固三相反应器内反应结束后，排出反应混合物，往气液固三相反应器内泵入5％的稀盐酸，然后通过蠕动泵将稀盐酸泵入监测腔体，对音叉密度计的测量端和ph计的测量端进行清洗，可将音叉密度计和ph计的表面结垢都溶解，实现稳定测量24小时。

实施例3

该气液固三相反应的旁路监测装置中，偏心异径管5的小头段内径与大头段内径的比值为1：2.2；所述偏心异径管的大头段长度为60cm；所述密度计放置管的高度为80cm；所述音叉密度计与密度计放置管的管壁之间的间隙为15mm，其余与实施例1相同。

将该装置应用于二氧化碳矿物封存中，应用方法：

(1)向8立方的碳酸镁铵水合物反应釜中装入自来水5立方，以25千克方每分钟的流量向反应釜中加入碳酸镁铵水合物粗产品1000千克，同时鼓入含有90％氮气的贫二氧化碳尾气；启动蠕动泵，通过蠕动泵将气液固三相混合物从气液固三相反应器泵入偏心异径管(泵入流量为20l/min)，气液固三相混合物在偏心异径管内的大头段流动时，气相向上运动，液相和固相沿着管壁向下运动，实现气相与液相和固相的分离；

(2)分离后的气相进入监测腔体后，进入监测腔体上方的竖直方向上的密度计放置管，然后从气相支管流出，返回气液固三相反应器；从偏心异径管分离出来的液相和固相混合物收集在监测腔体内，音叉密度计的测量端穿过密度计放置管伸入到监测腔体内的液相和固相的混合物中，进行密度测量；ph计通过监测腔体上的ph计放置管伸入监测腔体内的液相和固相的混合物中，进行ph测量；通过监测腔体斜下方的取样口放出液相和固相的混合物，进行成分检测；

反应过程中实时监测密度计与ph计度数，在未进行鼓泡时，密度计监测反应液为纯溶液，相对密度为1.0，ph值为6.8。在逐渐加入固体并鼓泡后，相对密度读数逐渐上升，从1.0上升至1.119，理论含固量16.7％。在反应进行1小时后，相对密度逐渐上升至1.387。至此时通过装置上的取样口取1l固液混合物，抽滤后烘干，获得固体221克，实测含估量16％，固体经检测为纯轻质碳酸镁；

(3)测量结束后，液相和固相的混合物通过监测腔体下方的出料管返回气液固三相反应器；

(4)气液固三相反应器内反应结束后，排出反应混合物，往气液固三相反应器内泵入3％的稀盐酸，然后通过蠕动泵将稀盐酸泵入监测腔体，对音叉密度计的测量端和ph计的测量端进行清洗，可将音叉密度计和ph计的表面结垢都溶解，实现稳定测量24小时。