可变液面喷射器-叶轮气液混合装置和方法

专利名称：可变液面喷射器-叶轮气液混合装置和方法
技术领域：
本发明涉及气液混合操作；具体讲，涉及在具体可变液面操作条件下增进的气-液混合。
气-液混合操作中，先进的气体反应器(AGR)采用设在空心流通管内的向下输送叶轮以便在混合器中内装的液体内造成一种循环流动模式。由于空心流通管内的这种液体向下循环流动，在该流通管的上部入口区域形成一些涡流，从而产生一种抽吸作用，该作用从容器内的上部气体空间中抽取气，并且使之与向下通过流通管的循环液混合，详见由普通受让人Litz的32,562号再颁美国专利中所述。
适于这种气-液混合目的的令人满意的涡流的形成，在不同的实际操作因素中取决于使液面保持在流通管顶部上方的适当范围内。如液面高于此窄操作范围，则涡流的形成受阻，而且气体摄取的速率大体上降低至零。因此，在高于最佳液面之上的各种液面下操作，能显著降低AGR系统的气体摄取能力。而且，如果液面低于流通管顶部，则气体的抽吸作用全部停止。
当反应器中的液面高于流通管之上达大约1/3～1/2流通管直径时，AGR不能适当工作。叶轮使液体涌流得使涡流夹带机制(是将气体吸收到AGR叶轮抽吸作用中的主要手段)被有效地截止。由于此原因而使AGR不再适用。在专门的化学加工中，尤其在加氢和氯化反应器中的化学处理时可变液面的应用很普通。在可变液面反应器中成功的使用AGR，将可以使得在采用固定液面AGR时观察到的那些优点于可变液面应用条件下得以实现。
就克服因采用可变液面方式而出现的问题而言，目前有三种解决方法。第一种方法载于US专利5,009,816之中，该法采用两或多个AGR叶轮/流通管组，使之一个置于另一个之上。这些叶轮装在一根公用轴上。使流通管之间隔开，以便让流体从容器的其余部分流入每个叶轮的负压区。将最下面的叶轮/流通管设置在最低操作液面的正常操作条件下。在间歇式进一批料时，随着液面的提高，次高的叶轮/流通管组被浸没而进入工作状态。因此，在叶轮/流通管组中总有一组处于或接近液面处工作，从而使得诸液面下最上部工作状态下的叶轮/流通管组总是有效地处于没有液流涌动且处于气体摄取的涡流夹带机制之下。US-5,009,816中介绍的这种多级AGR设想，既是机械上复杂的，又是昂贵得难以实现的。
在普通受让的US-4,919,849和5,244,603中介绍了第二种方案，即将AGR叶轮轴制成空心的，于轴上相当于反应器内最高液面上方位置处钻孔。将一些空心的喷射器管连在轴上靠近叶轮的负压区。叶轮旋轮时，在喷射器管的顶产生负压。于设置孔的气体空间和喷射器顶之间的压力差，使得气体从气体空间通过轴流至叶轮的负压区。
Litz的US专利4,919,849中披露出一种连接在空心轴上的空心气体摄取管，采用一些这样的管作为可变液面操作下，于气-液混合操作期间向设置在非最佳液面下的向下输送的螺旋叶轮装置中吸抽气体的装置。在许多气-液混合用途中，尤其是专门的化学和药物领域的应用中，容器内液面的变化极普遍。液面变化可能由于待处理的批料量上变化、随着反应的进行因反应物消耗或溶解而造成的容积增大或减小或者添加或除去物料等原因而引起的。许多工艺中，希望能够使容器上部空间积累的一或多种气体循环；在加氢和氧化工艺中尤其是这种情况。虽然上面指出的Litz的US4,919,849针对此问题，并且提出了在AGR系统的涡流形成受阻，即气体摄取受阻的情况下从上部气体空间抽吸气体。但是在气-液混合领域中仍希望作出进一步的改进。尤其希望提供出对于气-液混合操作期间反应器容器中有很大液体变化，例如高达8英尺或更大变化条件下改善气-液混合的方案。US4,919,849和US5,244,603中提出的叶轮/喷射器管的设想，在旋转中的喷射器管所产生的压力差高于喷射器管上方液体压头的条件下工作得很好。这可能是液体压头高于喷射器管的问题，也可能是由于液体压头能够保持相当因而使液体压头广泛变化的问题。在叶轮/喷射器管系统中，从气体空间抽取气体至叶轮负压区的压力差以N2增大，而N是叶轮的旋转速度。因此，通过提高叶轮旋转速度可以增大可以接受的操作范围。然而，叶轮的抽取功率近似以N3增大。在高液面下，需要高转速来克服液体压头，所以抽取功率可能过剩。不仅如此，高液体压头下所需的转速能够接近叶轮的临界速度，这能够导致严重振动和增大机械问题的可能性。
解决与可变液面用途有关的问题而采用的另一种方法，载于普通受让的US专利5,004,571之中；这种方法采用外部缓冲罐和液面控制来将反应器容器中的液面保持在或接近常规AGR操作的最佳水平上。气体分散的主要机理，是气体自气体空间向叶轮负压区流动时的涡流夹带作用。
这种外部缓冲罐法需要一系列控制来保持最佳操作液面，需要额外增压容器，而且还需要进行压力和液面控制。因此，这种系统复杂而昂贵。
本发明提供一种新的气-液混合装置，如先进的气体反应器(AGR)，其中包括外部的液体循环泵和导管，以及内部的文丘里喷射泵或喷射器，所说的喷射泵或喷射器具有与所说的循环导管相通的入口并且具有穿过气体入口导管或吸气管与所说装置的气体空间相通的真空入口。所说的喷射器接受由外部的泵迫使之在循环导管中流动并从中流出的液流，并且通过喷射器排出液流至AGR的叶轮之抽吸端。这产生一种真空压力，通过所说的抽吸管从气体空间将气体抽入喷射器以及循环液体中，以气-液混合物形式由喷射器喷咀排入所说的入口附近和叶轮附近，而与所说装置中的液面无关，与所说叶轮的转速无关。
附图是一种可变液面混合系统，如AGR系统的纵剖侧视示意图，其中上部气体摄取机理与叶轮无关，也与液面变化无关。
参照附图，容器1是其中垂直设置有叶轮流通管2的容器。此系统闭合或密封以便在上部空间容纳工作气体。流通管2从螺旋叶轮6的上端上方向延伸到明显高于容器1底的点处，从而为液体循环提供适当的余地，流通管2的顶部包括扩张口的锥形入口5，锥形入口5的外壁与流通管2的垂直外壁形成大约145～175°钝角。锥形入口5中插有2～8个垂直的入口导流板4，这些导流板是刚性结构材料的一些薄板，它们最好等间距对称设置在锥形导管5四周。所说的叶轮6包括固定在叶轮轴3上的一些湍流增进叶片7随马达12驱动的轴3旋转。
操作期间，至少将最低液面22维持在锥形导管5的上方。除了容器1和流通管2的结构上支架之外，提供适当的液体和气体入口，(8和9)以及上部卸压孔11。容器1顶部设置马达12按箭头13的顺时针方向驱动叶轮轴3。在压力下，经由入口导管9通入工作气体，在液面下将气体排入流通管2的入口或负压端。典型的气体压力处于约0.1～2,000psig(磅/平方英寸，表压)范围内且典型的气体流速约为1～1,000scfm(标立方英尺/分)。于靠近容器1侧壁底线处的入口8通入液体和最后放出液体。典型的液体流速处于大约2～10,000加仑/分范围内。
作为与现有已知系统的一个基本区别在于本发明系统结合有使待处理液体连续再循环到喷射装置18的装置，利用再循环液体的力量创设一种与容器中液面上方气体空间相通的真空。此真空作用下，气体自气体空间抽入喷射器内进而抽入再循环的液流之中，形成一种气-液混合物被排到叶轮6负压端区域内的流通管2的入口端。此外，工作气体通过气体入口导管9连续供入容器1中，使之直接进入位于叶轮6负压端区域内流通管2的入口端处液体内。这样一来，气体的摄入被控制得与叶轮6的操作速度无关，而且可以控制得在液面于最低值22和最高值23之间作大范围变化时使处理条件最佳化，如图所示。
参照


适于再循环液体的装置，侧面再循环导管14包括下部液体出口导管段10、由外部马达16驱动的泵15、上部液体入口导管段17和具有将喷射器18的真空室和容器1内液面上方气体空间连通的吸气管19的常规液体操作的真空喷射泵或喷射器18。真空喷射泵或喷射器18具有扩张形喷咀段21，向下指向流通管2的入口端之中，使再循环的液体和自气体空间20通过管19吸入的气体混合减速后向下排入叶轮6中，与通过气体入口导管9新供入的气体一起进入所说的区域中。
应当指出，本发明中完成气-液混合的主要装置是US专利4,328,175和US专利4,454,077中介绍的叶轮和流通管构型。但是，按照本发明叶轮起作用的液面范围却由于采用了侧面通过导管14的液体再循环来驱动喷射器18和形成自气体空间20抽气经由喷射器18送入叶轮负压区的真空而得以扩展。
喷射器或者真空喷射泵的操作原理是众所周知的。运动的流体(本例中是侧游的反应母液)通过与真空相通的内文丘里喷咀而被加速。而真空室由吸气管19连通到气体空间20中。通过喷射泵1 8的高速液体喷射，因柏努里作用而形成真空。因此，气体自液面之上的气体空间20抽入喷射器的真空室，在其中与液体充分混合。在真空室中发生气-液接触以及从气相向液相的质量转移。这种气-液的喷射作用随着其冲出喷咀21而夹带和混有来自体液的额外液体。喷射器18应当按装得使气-液喷射流指向叶轮的负压段。由侧游向一或多个喷射器供料来驱动所需量气体，使之自气体空间进入叶轮负压段。
喷射器的气体驱动能力随着液体深度的加大而减小。但是通过提高再循环液体的流速可以按需要保持或调节气体流速。既然泵15独立于叶轮的驱动12。那么这一点在本发明的喷射器/泵结构中相当容易做到。为了在最大压力差下吸气，可以选择泵15的大小来向喷射器18输送足够的液体。可以用阀门调节液流大小，也可以根据需要将液流永久地设置在最大速率下。
作为一个实例，在6000加仑反应器容器中于400°F和300psig下对未蒸馏的牛脂肪酸加氢，总氢消耗量为40,000SCFH(标准立方英尺/小时)，而峰值瞬时消耗速率为80,000SCFH。此峰值瞬时气体需求量，可以由通过在比喷射器18的排出压力高20psi(磅/平方英寸)压力下通过再循环导管14供给的，总流速为80加仑/分钟的液流来满足。需用一台效率达60％的2Hp泵15。
当液面变化小时，可以使用高效喷射器(相当于每单位液流的气流大小，定义为喷射器效率)。对于液面变化的用途来说，可以使用效率较低的喷射器。
总之，将待处理的液体物料，例如摄取氮气置换氧或使之除嗅的食用油，或者待氧化、加氢或与气体反应的高沸点液体，通过液体入口出口管8供入容器1中，使容器1被充满到液面可以在最低液面22和最高液面23之间变化的某处位置上，所说的最低和最高液面22和23共有流通管2的入口端。
原料气体通过气体入口管9直接被送入流通管2入口区和叶轮6负压区的液体中，而且，下叶轮作用下被吸向下流动和被搅动与液体形成混合物，以便完成所需的作用和反应。原料气的通入速率取决于具体的系统，例如，原料气是否因与液体反应、在液体中溶解或大量逸出到液面上部的气体空间20之中。
总之，为了使原料气体通入速度达到最低值，将上部气体空间20处现有的气体用喷射器18再循环向下反回穿过液体，即将气体空间20的气体向下吸入吸气管19和喷射器后进入叶轮6的负压区，以便于提高该系统的效率。喷射器由来自容器1经由出口段10和用泵15强迫流过液体再循环导管18和入口段17循环的流体流动来驱动。液体经喷射器18的加速作用，在与吸气管19相通的喷射器18的腔中形成柏努里效应真空。为了调节喷射器18内的真空度，进而借以调节通过吸气管19从空间20中抽取上部气体的速率、在喷射器18中与再循环液的混合以及被喷射到叶轮6负压端的速率，使用变速马达16控制泵15的操作。
正如上述说明所明显看出的那样，来自上部气体空间20的气体再循环，与液面在最低液面22(流通管2入口之上)和最高液面23(吸气管19的入口之下)之间的变化无关，而且也与叶轮6的操作速度无关。
某种具体由液体驱动的喷射器的选择，取决于待加以使用的具体系统的真空物流要求，即容器的尺寸和容积、待处理液体的容积和气体的消耗速度。各种容量的液体驱动的“真空转换器”喷射器均可由Air-Vac Engineering Company，Inc.，Milford，CT.处购到。
应当知道，上述说明仅仅在于说明本发明、本领域普通技术人员在不违背本发明条件可以设想出各种替代方案和改进方案。因此，本发明应当包括属于后附权利要求范围之内的全部这样的替代方案和改进方案。
权利要求
1.一种在具有上部气体空间的封闭容器中混合气体和液体的方法，包括下列步骤(a)用液体充填所说容器至预定的液面，下上部气体空间；(b)加入供给的气体，使之与所说液体混合以便在其间产生预定的互相反应，一部分所说的被加入的气体逸入上部气体空间之中；(c)通过液体驱动的喷射器连续地再循环一部分液体，所说的喷射器将所说部分液体反排到其液面下的所说液体中以便在所说的喷射器中建立真空；以及(d)使所说的真空与上部气体空间相通，将所说空间内气体向下吸到所说的喷射器中，在喷射器内与再循环的液体于容器中液面下混合并随之排出。
2.根据权利要求1的方法，其中包括为所说的容器提供叶轮装置，此叶轮装置使该容器中液体循环并建立一种抽吸作用，在此抽吸作用下气体从上部气体空间抽下使之与所说的循环液体混合，条件是液面处于预定的液面范围内，以及调节液体通过所说喷射器的再循环速率，借以控制抽吸上部气体的速率。
3.根据权利要求2的方法，其中包括将所说的气-液混合物直接从喷射器排到由所说的叶轮装置建立的负压区。
4.根据权利要求2的方法，其中被加入所说容器并在其中与液体混合的所说的供给气体，在叶轮装置所建立的抽吸作用影响下向液体中鼓泡。
5.根据权利要求1的方法，其中包括利用从液面之下向容器底部之上的区域内延伸的流通管包围所说的叶轮装置，借以增进由叶轮装置建立的液体循环作用和抽吸作用。
6.一种于混合操作期间经历液面变化，于混合容器中混合气体和液体的方法，所说的混合容器具有带轴流的空心流通管、其中设置有用于形成涡流和在混合容器中从上部气体空间将气体摄取到其中液体内的向下输送的叶轮装置；所说的方法包括(a)使所说的叶轮装置旋转在混合容器中建立起液体再循环流动方式，同时液体在流通管内向下流过并沿着所说流通管与混合容器之间的环形空间向上流动，以便形成涡流和利用混合容器内在操作液面上的气体摄取作用从上部气体空间抽吸气体；以及(b)使液体从所说的混合容器经过具有真空室和排出喷咀的喷射器再循环；(c)使所说的真空室与所说的上部气体空间相通，并使所说的排出喷咀与所说的流通管入口相通，所说的液体再循环建立一种真空，将气体从所说的上部气体空间抽入所说的喷射器，使之与再循环的液体混合，并将此混合物排到流通管入口处，以便使所说的气体和所说的液体在与液面和叶轮速度使无关的条件下混合，并且使液面保持在叶轮装置的操作条件下。
7.一种使气体溶解于液体中的装置，包括容纳液体至预定液面留下上部气体空间用封闭的容器；通入供给的气体并使之与所说的液体混合产生预定的气液互相反应用装置，一部分所说的通入的气体自液体中逸出进入上部气体空间使一部分液体通过液体驱动的、具有真空室和出口处于液面下的排出喷咀的喷射器再循环用装置；使喷射器的真空室与上部气体空间连通的吸气管，用来在再循环流流通过喷射器的作用下，将上部气体空间的气体抽入喷射器，形成气-液混合物并将其排到液体中而与容器中的液面无关。
8.根据权利要求7的装置，其中所说的容器包括具有抽吸入口的叶轮装置，用于抽取上部气体空间的气体并使之与液面处于操作范围内的液体混合，以及用于调节液体通过所说的喷射器再循环的速率以及气体从上部气体空间抽出速率的装置。
9.根据权利要求8的装置，其中所说的叶轮装置包括流通管，该流通管围绕着叶轮并且自液面之下延伸到容器底的上方，该流通管改善由叶轮装置造成的液体循环和抽吸作用。
10.根据权利要求7的装置，其中所说的气体供给装置包括通至叶轮装置抽吸入口区域的导管，直接向液体中供给气体便于借助于叶轮装置进行混合。
11.一种在混合操作期间经历液面变化用于混合气体和液体的装置，其中包括(a)具有空心流通管的混合容器，该流通管内设置有能够在混合容器中造成循环流动方式、向下输送轴流的叶轮装置，液体在流通管内向下流动并且在流通管和混合容器器壁之间的环形空间向上流动，借以在所说的混合容器中液体至少在操作液面条件下于混合容器中形成涡流并从上部气体空间抽吸气体；(b)液体再循环系统，其中包括导管，该导管具有从所说容器的下部区域放出液体用的出口段以及在所说容器上部区域再通入所说液体用的入口段；通过所说导管输送液体的输送装置；以及与所说导管的入口段连通的喷射器；所说的喷射器具有接受连续供应的再循环液的入口，具有用于增大所说液体的速度的扼流喉管的渐缩-渐扩型喷咀，与所说的扼流喉管相通的真空室，处于液面下方且出口处于叶轮流通管入口内的排料喷咀，以及使喷射器真空室和上部气体空间连通的吸气管，从而利用喷射器真空室内的真空，通过吸气管从上部气体空间抽取气体，使之在喷射器中与再循环的液体混合并将其排入叶轮流通管的入口。
全文摘要
在热食用油等液体中溶解气体以便除臭，加氢或为其它目的用的装置和方法。本发明包括使封闭容器中液体经过喷射器再循环返到液体中，使喷射器的真空端连到上部气体空间，将气体向下抽至液体中。该设备最好包括叶轮装置，以便当液体处于操作液面下从上部空间抽吸气体。
文档编号B01J19/20GK1117892SQ95105038
公开日1996年3月6日 申请日期1995年4月17日 优先权日1994年4月18日
发明者J·P·金斯利 申请人:普拉塞尔技术有限公司