液相混合气泡发生器、气液鼓泡床反应装置及其反应方法

技术领域

本发明涉及气液混合反应领域，具体地涉及一种液相混合气泡发生器，还涉及一种气液鼓泡床反应装置及其反应方法。

背景技术

气液鼓泡床反应器是一种重要的多相反应器，气液两相并流向上流动，液相是连续相，气相是分散相，气相以气泡的形式分散于液相中，其中，气泡越小，气液相界面积越大，越有利于气液两相的传质，可以提高反应器的性能。

CN109200839A公开了一种文丘里式微气泡发生装置，包括循环泵、气泡发生装置和管路，通过管路将储水系统依次与循环泵、气泡发生装置连接，形成一个回路；所述气泡发生装置包括前扩散段、整流段、文丘里管、过渡段和后收缩段依次连接，所述文丘里管的喉部通过通气管连接通气系统，所述通气系统向文丘里管中通入气液混合体；所述整流段内设有整流器。该方案充分利用液体经过文丘里管喉部区域时形成的高速度水流剪切与渐扩段时产生的高强度涡流扰动，气泡产生效率高、数量大、无污染、节约能耗、系统运行安全；此外，流量计、阀门、循环泵均为成熟的产品，整个装置结果简单，安装方便，运行及维护费用较低。

CN109731491A公开了一种双流对撞射流式微纳米气泡发生方法及装置，包括文丘里管，所述文丘里管设置有两个，所述文丘里管套设在固定圆盘上，所述文丘里管上端设置有进水口，所述文丘里管的进水口处于固定圆盘的圆心位置，所述固定圆盘上穿插设置有若干固定杆，所述固定杆上套设有螺丝，每个所述固定杆与两个固定圆盘垂直相连，每个所述固定杆之间相互平行，两个所述固定圆盘相互平行，所述进水口下方连接有收缩管，所述进水口与收缩管为一个整体，所述收缩管末端一侧设置有喉管，所述文丘里管上设置有进气孔，所述文丘里管相对于进水口一端设置有出水口，所述收缩管末端与喉管之间有一个间距很小的间隙，所述收缩管外壁与进气孔之间有一个间隙，两个所述文丘里管之间设置有对撞间隙。该方案采用了双流对撞式的结构设计，两股含微纳米气泡的流体发生对向撞击，产生了比传统单管射流高1.5-3倍的湍流强度，促使微纳米的二次破碎，使微纳米气泡产生的数量更多，粒径变得均匀，本发明通过两股泡沫流对撞，使微纳米气泡的扩散方式变为360°环形圆盘状形式，有利于微纳米气泡的扩散，由于特殊的对撞式结构设计，水体对其的反作用力很小，因此该装置在水下工作时，无需其它的固定装置，便捷性大大提高，本发明与传统的单管文丘里管装置相比，在对产生相同粒径，相同微纳米气泡数量要求下，所需能耗更低。

然而，当实际生产中，参与反应的液相往往并不是一种，而是需要将两种液相与一种气相混合，并使得气相在液相混合物中生成微气泡。以上两个方案及其他现有技术并没有公开适用于将一种气相混合于两个液相中生成微气泡的装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种液相混合气泡发生器，解决现有气泡发生器中液相之间混合不均、气泡尺寸大、气泡尺寸不均匀以及气液鼓泡床反应装置中液体混合不均、传热传质效率低和能耗大等问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种液相混合气泡发生器，其中，所述液相混合气泡发生器包括文丘里管和出口直管，所述文丘里管包括渐缩段、喉口直段和渐扩段，所述出口直管连接于所述渐扩段，所述喉口直段上设置有贯通管壁的液体进口，所述出口直管上设置有与径向方向成角度地贯通管壁的旋流气孔。

可选择的，所述液体进口为环隙。

可选择的，所述液体进口的截面沿流动方向渐缩。

可选择的，所述旋流气孔沿小于所述出口直管的内周半径的同心圆的切向方向贯通管壁。

可选择的，所述液相混合气泡发生器包括在所述液体进口处包围所述喉口直段的液相室，并且/或者，所述液相混合气泡发生器包括在所述旋流气孔处包括所述出口直管的气相室。

可选择的，所述液相混合气泡发生器包括设置在所述喉口直段和所述渐扩段中的片状的液相涡流件。

可选择的，所述液相混合气泡发生器包括设置在所述喉口直段中且位于所述旋流气孔上游的片状的混合件。

可选择的，所述液相混合气泡发生器包括设置在所述出口直管中且位于所述旋流气孔处的加速件，所述加速件与所述出口直管的内周面之间形成环隙。

可选择的，所述加速件包括渐缩部，所述渐缩部上设置有片状的气液涡流件。

可选择的，所述微气泡发生器包括设置在所述出口直管远离所述渐扩段的一端中的网状或格栅状的破泡板。

可选择的，所述微气泡发生器包括连接于所述渐缩段的进口直管。

另外，本发明还提供了一种气液鼓泡床反应装置，其中，所述气液鼓泡床反应装置包括鼓泡床、循环管路和设置在所述鼓泡床下部的根据以上方案所述的液相混合气泡发生器，所述鼓泡床设置有位于顶部的气相出口、位于侧部的液相出口、连通于所述液体进口的分离液进口、连接于所述旋流气孔的气相进口、位于上部的循环出口、位于底部的循环进口，所述循环管路连接于所述循环进口和所述循环出口，所述循环管路上旁接有原料进口。

可选择的，所述循环管路上设置有换热单元和动力件。

可选择的，所述气液鼓泡床中设置有位于所述液相混合气泡发生器上侧的近壁环管。

另外，本发明还提供了一种气液鼓泡床反应装置的反应方法，其中，所述反应方法采用以上方案所述的气液鼓泡床反应装置。

通过上述技术方案，可以在一种液体中先后加入另一种液体和气体，实现两个液体和气体的混合，使得液相之间的混合更为均匀，并且气泡以更小的尺寸混合在液体中，提高混合均匀性。

附图说明

图1是本发明实施方式所述的液相混合气泡发生器的结构示意图；

图2是本发明实施方式所述的气液鼓泡床反应装置的结构示意图；

图3是本发明实施方式所述的近壁环管的示意图；

图4是本发明实施方式所述的混合件的示意图；

图5是本发明实施方式所述的加速件和气液涡流件的示意图。

附图标记说明

1-文丘里管，2-进口直管，3-渐缩段，4-喉口直段，5-进液管，6-液相室，7-渐扩段，8-液相涡流件，9-旋流气孔，10-混合件，11-进气管，12-气相室，13-加速件，14-气液涡流件，15-出口直管，16-破泡板，17-液体进口，20-鼓泡床，21-液相混合气泡发生器，22-气相进口，23-分离液进口，24-原料进口，25-循环出口，27-动力件，28-循环进口，29-液相出口，30-气相出口，31-近壁环管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供了一种液相混合气泡发生器，其中，所述液相混合气泡发生器包括文丘里管1和出口直管15，所述文丘里管1包括渐缩段3、喉口直段4和渐扩段7，所述出口直管15连接于所述渐扩段7，所述喉口直段4上设置有贯通管壁的液体进口17，所述出口直管15上设置有与径向方向成角度地贯通管壁的旋流气孔9。

文丘里管1包括内径逐渐缩小的渐缩段3、内经基本恒定的喉口直段4和内径逐渐增加的渐扩段7，三段结构沿流动方向依次连接。文丘里管1通过渐缩段3通入流体，例如液体。渐缩段3的锥角为10～60°，渐扩段7的锥角为5～50°。

其中，喉口直段4上形成有液体进口17，通过液体进口17可以向文丘里管1中注入另一液体(一般为不同液体，也可以为相同液体)，使得从渐缩段3进入的液体和液体进口17进入的液体均匀混合。

渐缩段3可以通入原料液体，液体进口17可以通入由后端精馏单元得到的分离液，使得原料液体与分离液充分混合，避免高速液流与壁面的分离，增强湍流强度，产生大量的小涡流，促使原料液体和分离液均质混合。

另外，连接于渐扩段7的出口直管15上设置有形成有旋流气孔17，旋流气孔17沿与径向方向成某一角度的方向延伸，即其延伸方向与径向方向存在夹角，从第旋流气孔17进入到出口直管15中的气流与径向方向存在夹角，从而可以在出口直管15中形成旋流，可以减小在液体中形成的气泡的尺寸，延长气泡在出口直管15中的停留时间，使得气体与液体混合均匀。

本方案中，可以在一种液体中先后加入另一种液体和气体，实现两个液体和气体的混合，使得气泡以更小的尺寸混合在液体中，提高混合均匀性。

其中，所述液体进口17为环隙。液体进口17形成为沿周向延伸的环形的缝隙，相当于将喉口直段4分割为保持轴向间隔的两段，从而在周向方向上更全方位地向喉口直段4中注入液体。

其中，所述液体进口17的截面沿流动方向渐缩。液体进口17的截面逐渐减小，使得液体的流速逐渐增加，提高两种液体的混合效果。如图1所示，在过中心轴线的截面中，液体进口17的截面沿轴向方向的尺寸减小。其中，液体进口17渐缩角度为0～45°，环隙最小间距为喉口直段4内径的0.05～0.2。

另外，所述旋流气孔9沿小于所述出口直管15的内周半径的同心圆的切向方向贯通管壁。也就是说，旋流气孔9与径向方向的夹角为锐角，使得气流在出口直管15的内周面附近形成旋流，使得气体与液体更充分地混合，提高混合均匀度。出口直管15的与旋流气孔9的延伸方向相切的同心圆的半径即为相切半径。

此外，所述液相混合气泡发生器包括在所述液体进口17处包围所述喉口直段4的液相室6，并且/或者，所述液相混合气泡发生器包括在所述旋流气孔9处包括所述出口直管15的气相室12。液相室6将喉口直段4处设置有液体进口17的部分包围起来，液相室6可以容纳液体，形成稳定的液压环境，以向喉口直段4中注入液体。另外，液相室6连接有进液管5，进液管5可以连接于提供液体的设备，例如，由后端精馏单元提供的分离液，以向液压室中提供相应的液体。液相室6为进液管5和液体进口17提供了连通的媒介，作为液体的缓冲室，并且可以在液体进口17周围形成密封环境，避免出现泄漏。

此外，所述液相混合气泡发生器包括设置在所述喉口直段4和所述渐扩段7中的片状的液相涡流件8。液相涡流件8为薄片状结构，前端最大高度为喉口直段4内径的0.05～0.01，后端最大高度为喉口直段4内径的0.5～1.0，位于喉口直段4长度的0.5～1和渐扩段7长度的0～0.5范围内。液相涡流件8可为三角形、四边形、圆弧形等，也可相互组合而成。其中，喉口直段4和渐扩段7可以沿周向方向设置2～20片液相涡流件8。

另外，所述液相混合气泡发生器包括设置在所述喉口直段4中且位于所述旋流气孔9上游的片状的混合件10。如图1所示，出口直管15的后部设置有旋流气孔9，其前部中设置有混合件10。混合件10的轴向尺寸为出口直管15位于旋流气孔9上游部分的0.2～0.8，可为翅片、扭曲片、圆拱片等，也可相互组合而成，参考图4所示。混合件10在旋流气孔9之前，提高了两种液体的混合均匀度。

另外，所述液相混合气泡发生器包括设置在所述出口直管15中且位于所述旋流气孔9处的加速件13，所述加速件13与所述出口直管15的内周面之间形成环隙。流体在加速件13与出口直管15的环隙处的速度增加，可以与由旋流气孔9进入的气体充分接触，减小气泡的尺寸，以提高气液混合的均匀度。其中，加速件13可以为球形、椭圆形、圆锥形等，也可相互组合而成。如图1所示，加速件13包括前部的半球形和后部的圆锥形。加速件13与出口直管15之间的最小环隙对应于旋流气孔9的位置，最小环隙的截面为出口直管15的截面面积的0.03～0.1。

其中，如图5所示，所述加速件13包括渐缩部，所述渐缩部上设置有片状的气液涡流件14。该渐缩部可以为图1所示的圆锥形，气液涡流件14设置有圆锥形的外周面上。气液涡流件14为薄片状结构，最大高度为出口直管15内径的0.01～0.05，气液涡流件14也可为三角形、四边形、圆弧形等其他几何形状的组合。

此外，所述微气泡发生器包括设置在所述出口直管15远离所述渐扩段7的一端中的网状或格栅状的破泡板16。破泡板16形成通孔，以允许流体通过，并且可以破碎其中的气泡，以形成尺寸更小的气泡，提高气液混合的均匀度。

另外，所述微气泡发生器包括连接于所述渐缩段3的进口直管2。如图1所示，进口直管2上还连接有两个或更多个弯管，以便与其他供液设备连通。喉口直段4与进口直管2横截面面积之比为0.01～0.2，进口直管2与出口直管15的横截面面积之比为0.8～1.2。

另外，本发明还提供了一种气液鼓泡床反应装置，其中，如图2所示，所述气液鼓泡床反应装置包括鼓泡床20、循环管路和设置在所述鼓泡床20下部的以上方案所述的液相混合气泡发生器21，所述鼓泡床20设置有位于顶部的气相出口30、位于侧部的液相出口29、连通于所述液体进口17的分离液进口23、连接于所述旋流气孔9的气相进口22、位于上部的循环出口25、位于底部的循环进口28，所述循环管路连接于所述循环进口28和所述循环出口25，所述循环管路上旁接有原料进口24。其中，液相混合气泡发生器21沿竖直方向延伸，旋流气孔9通过气相进口22连通于外部的供气设备，液体进口17通过分离液进口23连通于供液设备，文丘里管1的进口端位于鼓泡床20下部，以允许来自循环管路的液体进入。

循环出口25位于鼓泡床20上部，为气液鼓泡床20高度的0.5～0.8，循环进口22位于鼓泡床20底部。

另外，所述循环管路上设置有换热单元26和动力件27。动力件27可以为压力泵，以为循环管路提供循环动力。

另外，所述气液鼓泡床中设置有位于所述液相混合气泡发生器21上侧的近壁环管31。近壁环管31位于液相混合气泡发生器21上方，与气液鼓泡床02壁面的距离与鼓泡床直径的0.05～0.2，沿壁面等距离布置4～20根，近壁环管31的内径为鼓泡床20内径的0.01～0.05，长度为鼓泡床20高度的0.2～0.6，管壁均布小孔，小孔直径范围5～30mm，参考图3所示。

另外，本发明还提供了一种气液鼓泡床反应装置的反应方法，其中，所述反应方法采用以上方案所述的气液鼓泡床反应装置。

液体原料从原料进口24经过循环管路进入气液鼓泡床20下部的液相混合气泡发生器21的进口直管1中，后续分离工艺得到的分离液(包含未参与反应的液体原料、生成目标产物的中间产物、回收溶剂或者回收催化剂溶液等)从分离液进口23经鼓泡床液室进入液相混合气泡发生器21的进液管5中，空气从气体进口22经鼓泡床气室进入液相混合气泡发生器21的进气管11中，产生富含微气泡的原料和分离液混合液体，进入鼓泡床20中。气液鼓泡床20中的富含微气泡的混合液体向上运动，在近壁环管31的作用下减少了壁面效应，液体原料与微气泡空气反应，生成液相氧化产物和气相产物并放出热量，带有热量的液相氧化产物进入循环管路，与液体原料混合，经换热单元26撤热后，再作为循环液体进入鼓泡床20。

液体原料经过微气泡发生器20的进口直管2、渐缩段3后，液体速度增加进入喉口直段4，分离液进入进液管5，经液相室6均布后从液体进口17进入喉口直段4，被喉口直段4内的高速低压液体卷吸进入喉口直段4，与液体原料充分混合，经喉口直段4高速液体剪切破碎和渐扩段7的加压破碎后，液体混合较为均匀，其中液相涡流件8能够将高速的液体产生大量的小涡流，提高传递效率，在经过混合件10的均质作用后，得到液体原料和分离液混合均匀的混合液。均质混合液再进入带有加速件13出口直段11，并受加速件13的作用，在环隙处减压加速破碎，空气进入进气管11，经气相室12均布后从旋流气孔9旋转进入出口直管15的前部，被环隙中高速低压液体卷吸，与均质混合液充分混合，经高速液体剪切破碎后，进入出口直管15后部的气液混合物被减速增压进一步破碎，并在气液涡流件14的作用下破碎更为剧烈和均匀，产生富含微气泡的液体。最后穿过破泡板16后，可得到分布均匀的微气泡。

另外，进口直管2的液体速度大于1.0m/s，进液管5的液体与进口直管2的液体体积流量之比为0.05～0.3，进气管11的气体与进口直管2的液体体积流量之比为0.01～0.2。

另外，所述液体进口17的液速为0.01～0.1m/s，所述旋流气孔9过孔气速为0.005～0.05m/s。

以下将说明本方案的气液鼓泡床反应装置的实施例和对比例。

【实施例1】

邻二甲苯从原料进口经过循环管路进入气液鼓泡床下部的液相混合气泡发生器的进口直管和渐缩段，液体速度增加进入喉口直段，后续分离工艺得到的邻二甲苯/邻甲基苯甲醛/邻甲基苯甲醇/环烷酸钴等分离液从分离液进口经鼓泡床液室进入液相混合气泡发生器的进液管中，被喉口直段内的高速低压液体卷吸进入喉口直段，与液体原料充分混合，经喉口直段高速液体剪切破碎和渐扩段的加压破碎后，液体混合较为均匀，其中液相涡流件能够将高速的液体产生大量的小涡流，提高传递效率，在经过混合件的均质作用后，得到液体原料和分离液混合均匀的混合液。均质混合液再进入带有加速件出口直段，并受加速件的作用，在环隙处减压加速破碎，气体原料空气经气相室均布后从旋流气孔旋转进入出口直管的前部，被环隙中高速低压液体卷吸，与均质混合液充分混合，经高速液体剪切破碎后，进入出口直管后部的气液混合物被减速增压进一步破碎，并在气液涡流件的作用下破碎更为剧烈和均匀，产生富含微气泡的液体。最后穿过破泡板后，可得到分布均匀的微气泡。产生富含微气泡的原料和分离液混合液体进入鼓泡床中向上运动，在近壁环管的作用下减少了壁面效应，液体原料与微气泡空气反应，生成液相氧化产物和气相产物并放出热量，带有热量的液相氧化产物进入循环管路，与液体原料混合，经换热单元撤热后，再作为循环液体进入鼓泡床。

进口直管设置有4个弯管进口，喉口直段与进口直管横截面面积之比为0.1，液体进口环隙间距为喉口直段内径的0.05，液体进口渐缩角度为30°。喉口直段和渐扩段沿周向方向设置4个三角形片状的液相涡流件，前端最大高度为喉口直段直径的0.05，后端最大高度为喉口直段直径的0.5，分别位于喉口直段长度的0.5和渐扩段长度的0.2范围内。喉口直段设置的混合件为扭曲片，混合件的轴向长度为出口直管长度的0.6。旋流气孔设置有2层，每层设置4个旋流气孔，旋流气孔的渐缩角度为30°。加速件采用球锥形，加速件与出口直管之间的最小环形间隙的面积与出口直管截面积之比为0.08，其后端渐缩部沿圆周设置有4个片状的气液涡流件。片状气液涡流构件的最大高度为出口直管直径的0.02。进液管的液体与进口直管的液体体积流量之比为0.1，进气管的气体与进口直管的液体体积流量之比为0.2。气液鼓泡床内气含率为0.3，平均气泡直径300um，邻甲基苯甲酸的单程收率为62.2％，结果详见表1。

【实施例2】

按照实施例1的方式，不同的是，喉口直段与进口直管横截面面积之比为0.2，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表1。

【实施例3】

按照实施例1的方式，不同的是，液体进口环隙间距为喉口直段内径的0.1，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表1。

【实施例4】

按照实施例1的方式，不同的是，喉口直段和渐扩段沿周向方向设置6个三角形片状的液相涡流件，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表1。

【实施例5】

按照实施例1的方式，不同的是，前端最大高度为喉口直段直径的0.08，后端最大高度为喉口直段直径的0.7，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表1。

【实施例6】

按照实施例1的方式，不同的是，液相涡流构件的前段和后端分别位于喉口直段长度的0.7和渐扩段长度的0.4范围内，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表2。

【实施例7】

按照实施例1的方式，不同的是，喉口直段设置的混合件为扭曲片与椭圆片的组合，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表2。

【实施例8】

按照实施例1的方式，不同的是，混合件的轴向长度为出口直管长度的0.4，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表2。

【实施例9】

按照实施例1的方式，不同的是，加速件最小环形间隙的面积与出口直管截面积之比为0.05，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表2。

【实施例10】

按照实施例1的方式，不同的是，后端渐缩部沿圆周设置有6个片状的气液涡流件，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表2。

【实施例11】

按照实施例1的方式，不同的是，片状气液涡流构件的最大高度为出口直管直径的0.03，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

【实施例12】

按照实施例1的方式，不同的是，进气管的气体与进口直管的液体体积流量之比为0.2，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

【比较例1】

按照实施例1的方式，不同的是，不设置液相涡流构件，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

【比较例2】

按照实施例1的方式，不同的是，不设置气液涡流构件，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

【比较例3】

采用现有技术的文丘里气泡发生器与气液鼓泡装置，气液鼓泡床内气含率、平均气泡直径与邻甲基苯甲酸的单程收率结果详见表3。

表1

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表2

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表3

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本发明通过气泡发生器、气液鼓泡反应器与反应方法，增加气液接触面积和液液混合效率、强化传递过程，提高了反应速率，有效减少了反应时间，大幅提高了邻甲基苯甲酸的产品收率与经济性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。