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塔式鼓泡反应器混合法

日期:2017/8/18 | 阅读:320次

高浓度臭氧发生臭氧发生器供给的臭氧源能否得到充足应用,是臭氧工程技术人员研究的重要课题,也是经过长时间的实际运行所积攒经历。常用的投加方法有:鼓泡法、射流法、涡轮混合法、尼可尼混合法等方法。
鼓泡法一般有塔式鼓泡和池式鼓泡两种(又称汽 - 液反应器)。
  1。塔式鼓泡反应器
  设计必需先思考总工艺之后,才能肯定一座气液接触器(反应器)的尺寸。工艺是间歇的、半间歇的,还是持续的?间歇处理是在接触器内参加反应剂,反应后取出产品的一种加工过程。这种方法难得用于臭氧化,因为臭氧一般要求持续供应,由此导致思考半间歇操作。普通半间歇臭氧化顺序是将液体装入反应器,而后持续投加臭氧直到反应实现。持续处理是将反应剂同时参加和取出。这种持续臭氧化处理的一个例子是饮水净化,此时臭氧气投加到水中,随水持续流过反应器槽。
  有关工艺类型的决定要同臭氧反应器的选择相一致。选择的气 - 液接触器(反应器),在很大水平上受特定臭氧化反应的动力学和传质之间关系的制约。这一控制机理标明,在某种水平上该型接触器可以应用。假如臭氧吸收带有快反应,需要有大的界面面积来促成臭氧传质,所以,可以优先选用填料塔。另一方面,假如反应速率慢,从而大的液相容积(储液量)有益,鼓泡塔更有效。表 5-1 列出常用气液接触器(表内“转化“一词指反应剂转换到中间产物或最终产品的百分数,而不是指臭氧从气相向液相的转化)。
表 5-1 气液体系接触器及其特性
类 型     运行方法       传 质     优 点     缺 点     反应方法
填料塔    液体和善体互相逆流通过由填料造成的同一通道。持续运行       良好传质,随填料类型和善液流量变化    运行范畴广能耐受强腐化的体系    昂贵,难以保持温度散布。易堵塞    气相或液相传质控制
板塔       液体和善体互相逆流通过板塔,持续运行       良好传质,同依气体质量而定的界面面积成比例    运行范畴广,易清洗       昂贵、设计繁杂、易堵塞    合适慢反应,中间停留容积和大液体容积
鼓泡塔    气体分散成气泡,上升穿过液柱,能持续逆流或逆流,交替逆流,或重复逆流或逆流运行,可以是半批量的    低传质,依界面面积而定,后者是气体流量的函数    低能耗    喷头可能堵塞,引起气泡的不均匀散布,混合差。接触时间长 要求大液体容积受反应速率控制的体系
喷淋塔    流体分散到含 O 3 的气体内     借助大的界面面积有中等传质    气相均匀       高能耗,固体物能堵塞喷嘴       合适小储液量的快反应
搅拌塔    能持续,半批量或批量运行,应用带机械搅拌的罐       因为界面面积和善体储量可有中等到良好传质,前者依气体流量及搅拌而定       高度灵巧性,能处理固体,传热特性好    搅拌需要能量,为获得所需转化,搅拌反应器需要最大实际容积    受传质控制的反应
放射器和涡轮       气体和液体被加压或抽吸逆流通过小孔隙       传质和界面面积大       混合好,接触时间短,接触室小     耗能       合适短暂液体滞留,传质限制的反应
管道接触器    可逆流(通常可用立管)或逆流运行       如水流量高,在高气体流速下可得高传质       易控温,低造价,易操作       需要能量,为促成气液接触需要用固定混合器       合适短暂液体滞留,传质限制反应
当设计一座气液体系时,设计者必需做多种思考。这些要思考的问题包含:气体和液体流量要满意生产规程、传质和化学反应关系;最后,选定一种将以最经济方法进行的气液接触器和操作方法。
  在选择气液接触器过程中,需要考察以下一些参数对传质的影响:比界面面积 a ,传质系数 k L ,疏散相的溶解度,溶质的分散系数和疏散相贮存量。其他间接影响传质的因素有:疏散相表面速度,气泡直径和速度。一些研究者还逐个评述了为臭氧应用的各种接触器。这些参考文献可用来查阅设计公式。下面将对表 5-1 所列的接触器给以探讨,并将提出一般设计设想。
1。1 填料塔
  填料塔是立罐内装以填料,来疏散气流和水流,并促成混合。用于气体净化的填料塔,通常称作吸收塔,一般以气液逆流方法运行。从乙醇胺液中吸收二氧化碳和硫化氢便是一例。
  某些填料也可以起催化剂作用来促成反应。当三氧化二铁催化剂用于填料塔内,同惰性填料相比,提高了臭氧氧化酚水溶液的臭氧利用率。填料塔采取逆流运行,但是带催化的填料塔逆流逆流操作都可以。在后一种状况下同向升流和同向降流操作都能碰到。升流可供给较好的气液混合,但会碰到压降较高和流量限制问题。同向降流以持续气相和疏散液相方法通过催化填料,通常称作“滴滤床反应器“。填料塔可供给大的界面面积,因此,它们实用于受传质控制的反应。它们不需要大的压降,但在运行范畴方面多少有些受限制。因为液体和善体基本上在同一通道内通过塔填料,对于有效运行来说,液体和善体负荷的范畴较窄。塔内可能发生孤立温度偏离。
  新型塑料填料可降低填料塔的费用,并可暴露于腐化性气体之中。现有多种填料型号可从当选择,填料公司在供给 K a G 及其他设计数据方面是有协助的。不过,应当看法到臭氧同多种增塑剂反应,引荐的塑料材料在它们肯定应用之前,应在有臭氧存在状况下加以实验。
1。2 板式塔
  板式塔比填料塔更贵,但可供给较宽阔的运行范畴。气液逆流,同时液体在每层塔板是重新调配的,因为水流在全部塔高度方向均匀地散布,因此,高通水量时可应用大直径塔。塔板可设计为保证慢反应所需要的储液量,同时可为传质供给大界面面积。当寻求一座有广泛运行灵巧性的板式塔时,阀板--可变孔径的穿孔塔板,是供吸收塔应用的理想塔板型式。
1。3 鼓泡塔
  鼓泡塔向装满液体的塔内鼓气泡,是饮水消毒最常用的臭氧反应器,混合的水平依气泡大小和表面气体流速而定。鼓泡塔运行简单经济,极实用于高压臭氧化。为了控制温度,塔内可安装热替换器。
  鼓泡塔也实用于化学反应速率控制的臭氧化反应,气体接触时间主要通过气泡上升速度和液柱高度予以控制。在气 - 液接触体系中,鼓泡塔传质效率所受压力的影响,不像它在气 - 气接触体系中那么大。
在某些化学反应状况下,能投加催化剂颗粒造成一种絮体反应器。催化剂颗粒因气泡运动被保持在悬浮状况,但是,催化剂颗粒也能引起喷头堵塞问题,特别是假如气流变成间歇的,或许假如气泡上升速度太慢短缺以保持催化剂颗粒的悬浮。
1。4 喷淋塔
  在喷淋塔内液体被喷洒到大量含臭氧的气体中。这种方法抽水费用很高,可产生很大的界面面积。喷淋塔,因为短接触时间和高界面面积对瞬时或疾速反应实用。它们为一些欧洲的处理厂大量应用,而且在实验室实验中还发现它们有毁坏氰化物的能力。
1。5 搅拌槽
  搅拌槽(搅拌反应槽)可用于其间传质速率和化学反应速率为同一数量级的中速反应方法。搅拌槽为高气液储量供给一种经济的方法,所以,三种运行方法(间歇、半间歇和持续)都可应用搅拌槽。持续向固定容积废水供臭氧气的半间歇运行,已成功地用于处理某些难降解工业废水。
  以持续方法运行的搅拌槽,一般又称作返混反应器。假如是完整混合,它将使全部反应器内成分均匀,从而,出流成分与反应器内相同。对化学反应速率限制的反应方法来说,其内的传质效果不明显,返混反应器设计用公式标明,它们需要最大的实际容积,以获得所需的化学转化水平。
  搅拌速度对气液均衡的主要作用是改变界面面积。通过应用强力搅拌,搅拌槽能接近填料塔的界面面积,并能近似无搅拌鼓泡塔的界面面积。改变搅拌速度的方法,常用于验证反应方法。当反应机理随增长搅拌作用(界面面积)从一种受传质限制的,改变到另一种受反应速率限制的时候,将可得到一条类似图 1 的中速反应曲线。
 
因搅拌器消耗电能明显增长其运行费用是一缺陷。不过,当气体被分散到液体内以后,降低了混合体的密度,所需搅拌电能也降低。混合用功率需要值最好应用未加气的液体来测定。
  搅拌槽的优点是混合及传热效果好。机械搅拌作用能使投加的催化剂保持悬浮状况,从而改良絮体反应器的运行。因为搅拌作用极好的传热速率是可能的,无论夹套式或是嵌管式热替换器均可应用,用后者可供给更好的传热效果。
  韦斯特普(Weserterp)等以及普林格尔和巴罗那(Frengle 和 Barona),依据传质研究为搅拌反应槽设计了标准构造形式。标准图型中常用反应槽尺寸与直径的不同比例关系。这些比例可很容易地将反应槽的规模从半生产性放大到生产性装置。图2 给出标准搅拌反应槽构造图。
  当需要高度混合时可用放射器和涡轮,可获得中到高度界面面积,而且在短接触时间内就能实现疾速反应。
  水泵可供给1~10s的停留时间。为了更高水平的混合或充足剪切以产生界面面积,可以应用轴向混合器(管道混合器)。为将臭氧化气吸入到流体内,也常用文丘里反应器。它的主要优点是易安装,但会产生堵塞问题。
1。6 管道反应
  管道反应器可以用单根持续管道制成,也可用几根并联运行的管道制成,大多数采取同向流通过管道以获得活塞流。活塞流反应器的特性假如在直径方向完整混合,而在流动方向无分散可利用。这就使得在垂直于流线的任一断面面积上的流速、温度和浓度散布都是相等的,惟独组成成分沿流程变化。对于受化学反应速率控制的反应方法来说,其内传质效果是不重要的,活塞流反应器设计公式标明,为获得所希望的化学转换水平,它们需要的实际值最小。
  因为要肯定气 - 液流线图型是很繁杂的,管道反应器很难设计用于气液反应。西奇( Cichy )等及雷斯( Rase )给出管道反应器 25 种可能流动方法的探讨,利用巴克尔( Baker )和戈维尔( Gorier )图来估计流线图型已获得某些成功。
  气液管道反应器主要因为它们的费用低、易扩建和优良的传热特性而被采取。在卧式管道反应器中常用紊流促成混合并给出活塞流状况。在这种环境下,为重新往液体内调配气体,轴向固定混合器正在变得流行起来。这种装置是将一些固定构造装在管道内,它们迫使同向流的气体和液体通过曲折通道,从而始终增长两流体间的表面互相作用。既然这些嵌装的元件在管内是固定不动的,它们保证混合水平并传质增强到这种境地,都是因为受通过管道两种流体流速的影响。假如液体流速很慢,达到的传质量接近用两相同向流运行的管道接触器内可能得到的传质量。理查兹( Richards )等用固定混合器研究了臭氧向水中的传质,并报道改良后的传质超过一般的管道反应器。
  化学工业中最常用的立式管道反应器是湿壁塔,在塔内,液相沿塔内壁向下流动,在塔中央,气体可以同向或逆向流动。这些反应器用于特别发热化学反应极好,但因为有限的界面面积而仅限于瞬时反应应用。湿壁塔极少用于臭氧反应,因为仅仅少数臭氧反应是高发热的。这是因为臭氧反应往往是处在低浓度下并且是被稀释到某种溶剂内的缘故。
  在这些初步实验中含臭氧空气是循环通过实验装置的,而且一部分未经通过多孔分散元件即被分解。这是因为几种因素包含光的影响的气流的搅动造成的。所以,思考到为浓度比较用,在通过分散器或未通过分散器的出口地方量测到的那些浓度必需是准确的。
 
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