CN120838305A - 一种液相低返混的气液反应器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液相低返混的气液反应器及方法。气液反应器包括反应器本体，所述反应器本体的底部设有反应液入口；所述反应器的下部设有原料气汇总环管，所述原料气汇总环管连通有原料气入口，所述原料气入口贯穿反应器本体并设于反应器本体外；所述原料气汇总环管上环绕设有多个烛式微孔气体分布头；所述反应器本体的上部设有反应物出口；所述反应器本体的顶部设有尾气出口。微米级气泡使气液接触面积剧增，反应速率提升，同等反应负荷下反应器体积可减小。并流流动与气泡均匀分布共同作用，液相浓度梯度接近理想平推流，单位体积反应速率比传统全混流反应器高。环管与多分布头的均匀布气设计，可拓展至大尺寸反应器。

Description

一种液相低返混的气液反应器及方法

技术领域

本发明涉及一种液相低返混的气液反应器及方法，属于反应器技术领域。

背景技术

很多气体在溶液中发生化学反应，其本质上是溶解-扩散-化学反应三步过程的综合结果。其中，气体溶解速率是反应能否高效进行的关键前置步骤。气体的溶解速率与溶剂的不饱和程度、气液接触面积、扰动状况、温度、压强、气体和溶剂性质等相关。工程上通常采取一种或多种方式来增加气体的溶解速率，从而来提高反应速率。例如，通过搅拌强制对流减少溶质局部区域的浓度，维持气液界面与溶液的浓度差，从而增强溶解驱动力，同时搅拌产生的湍流将气体分散为更小气泡，增大气液接触面积，搅拌成为提升气体或溶质溶解速率的有效手段。但，因为各类反应存在差异，增强溶气和反应的方法适用场合也不同，搅拌虽然可以分散气泡，但更多用于小型设备，当反应设备体积较大时，气体分散只能达到毫米级，溶解效果和均匀度受限。在工业化应用中，需要提升气体的分散度和气泡在设备内的均匀度，来提高气体溶气和反应速率。

反应速率还与液相中的反应物浓度直接相关，而对于溶解度较低的气体，必须依靠反应的快速进行促进气体溶解，形成良性循环，从而得到较高的总反应速率，这就要求尽量提供具有较高液相反应物浓度的反应空间。而工业上常用的鼓泡式反应器通常在气体和搅拌的作用下，液相接近全混流，不论多高浓度的反应物进入反应器，都会快速混合而导致浓度降低，反应器中液相主体的反应物浓度始终处于较低状态，使得总反应速率低，进而导致气体溶解慢。急需发明一种液相接近平推流的低返混气液反应器。

发明内容

本发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种液相低返混的气液反应器及方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种液相低返混的气液反应器，包括反应器本体，所述反应器本体的底部设有反应液入口；所述反应器的下部设有原料气汇总环管，所述原料气汇总环管连通有原料气入口，所述原料气入口贯穿反应器本体并设于反应器本体外；所述原料气汇总环管上环绕设有多个烛式微孔气体分布头；所述反应器本体的上部设有反应物出口；所述反应器本体的顶部设有尾气出口。

可供选择的，所述烛式微孔气体分布头竖直设置，且所述烛式微孔气体分布头的下部和原料气汇总环管连通。

可供选择的，所述原料气汇总环管水平设置。

可供选择的，所述原料气汇总环管的底部设有积液腔，所述积液腔的底部设有排污孔。

可供选择的，所述烛式微孔气体分布头通过法兰与原料气汇总环管可拆卸连接。

可供选择的，所述烛式微孔气体分布头为圆筒型，所述圆筒形的顶部具有圆弧顶；所述烛式微孔气体分布头上具有若干微孔。

可供选择的，所述反应器本体的内壁还设有多个轴向隔板，多个所述轴向隔板沿反应器本体的周向分布，所述轴向隔板的长度方向沿轴向设置。

可供选择的，所述轴向隔板位于原料气汇总环管和反应物出口之间。

一种液相低返混的气液反应方法，包括以下步骤：

S1.安装气体分散与布气结构：在反应器本体内设置原料气汇总环管，沿原料气汇总环管圆周连接若干烛式微孔气体分布头，多个烛式微孔气体分布头安装在原料气汇总管上，浸没在反应液中；

S2.控制气液并流流动：原料气被烛式微孔气体分布头离散成大量微米级气泡，分散在反应液中进行反应；液相从反应器本体的底部或侧面靠下位置进入，与气泡以相近流速并流向上流动，抑制气液界面曳力导致的轴向返混；

S3.气液分离与产物排出：反应后的气液混合物经反应器本体的顶部气液分离空间完成气液分离，液相自流或泵送出反应器，未反应气体经除雾后排出。

可供选择的，S1中在反应器本体内璧设置轴向隔板优化流场；

S2中轴向隔板将反应空间分隔为若干狭长通道，减少径向流速差及主体漩涡，进一步降低返混。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的一种液相低返混的气液反应器及方法，微米级气泡使气液接触面积剧增，反应速率提升，同等反应负荷下反应器体积可减小。并流流动与气泡均匀分布共同作用，液相浓度梯度接近理想平推流，单位体积反应速率比传统全混流反应器高。环管与多分布头的均匀布气设计，可拓展至大尺寸反应器。

2、本发明所提供的一种液相低返混的气液反应器及方法，反应器液相和气相均从反应器底部进入，并流向上流动，由于反应器底部的反应物浓度高，反应快速进行，气泡由于被快速消耗而体积减小，聚并率低；气泡的表观空速控制在1~10cm/s，处于安静鼓泡区，气泡只沿轴向运动，且控制液相的主体流速与气泡相近，最大程度消除因气液界面曳力导致的局部漩涡。

附图说明

图1是一种液相低返混的气液反应器的结构示意图。

图2是原料气汇总环管的斜向俯视图。

图3是烛式微孔气体分布头的结构示意图。

图4是积液腔处的结构示意图。

图中标记：1-反应器本体，2-反应液入口，3-原料气汇总环管，4-原料气入口，5-烛式微孔气体分布头，6-反应物出口，7-尾气出口，8-积液腔，9-排污孔，10-法兰，11-轴向隔板。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种液相低返混的气液反应器，如图1-4所示，包括反应器本体1，所述反应器本体1的底部设有反应液入口2；所述反应器的下部设有原料气汇总环管3，所述原料气汇总环管3连通有原料气入口4，所述原料气入口4贯穿反应器本体1并设于反应器本体1外；所述原料气汇总环管3上环绕设有多个烛式微孔气体分布头5；所述反应器本体1的上部设有反应物出口6；所述反应器本体1的顶部设有尾气出口7。

其中，反应器本体1作为反应容器，提供气液反应的物理空间，容纳内部构件并维持反应环境。底部反应液入口2使液相反应物从反应器底部或侧面靠下位置进入，与气泡形成并流向上的流动状态，避免因气液流速差产生曳力导致的轴向返混，维持底部浓度高、顶部浓度低的液相浓度梯度。原料气入口4将外部气体引入反应器，汇总环管沿反应器横截面圆周布置，均匀分配原料气至各烛式分布头，确保气体在反应器内的横向均匀分布，为微米级气泡的均匀分散奠定基础。烛式微孔气体分布头5核心传质部件，通过微孔结构将原料气离散为 0.1~100微米的气泡，几何级增大气液接触面积；多个分布头环绕环管布置，确保气泡在反应器截面内均匀分散，避免局部传质不均。上部反应物出口6排出反应后的液相产物，位置设置在上部，符合气液并流向上的流动逻辑，确保液相在反应器内有足够的停留时间完成反应。顶部尾气出口7排出未反应的气体及反应过程中产生的挥发性物质，顶部设置利于气体经除雾后排出，液相因重力回落或进入出口，实现气液分离。

具体的，原料气通过反应器下部的汇总环管均匀分配至多个烛式微孔分布头，气体经分布头的微孔结构被剪切成极细小的气泡。这些微小气泡在反应液中分散时，会形成大量气液接触界面，就像把一块大冰糖敲碎成无数小颗粒，溶解速度会显著加快，从而让气体更快溶解到液体中参与反应。并且微米级气泡因体积小、刚性强，在向上流动过程中不易相互合并变大，能始终保持大量微小气泡的状态，持续为反应提供充足的接触面积，避免传统大尺寸气泡因聚并导致传质效率下降的问题。此外，反应液从反应器底部进入，与气泡同时向上流动，且两者的流速相近，能减少气液界面的相互拖拽力，避免液体在轴向上产生剧烈混合。就像两列火车并排行驶时，车厢间的空气扰动较小，液体也因此能保持从底部到顶部逐步反应的浓度梯度，接近平推流的理想状态。原料气汇总环管3环绕设置在反应器下部，多个分布头沿环管圆周均匀分布，使气泡在反应器横截面内各处均匀冒出。能避免反应器中心与靠近器壁处的液体流速差异过大，减少因流速不均导致的液体乱流，进一步降低径向的返混。

作为另一具体的实施方式，所述烛式微孔气体分布头5竖直设置，且所述烛式微孔气体分布头5的下部和原料气汇总环管3连通。分布头采用类似蜡烛的立式布置，进气口设在底部，能让气体携带的杂质因重力自然沉降，不易进入微孔内部。同时，竖直布置能确保气体从分布头顶部均匀溢出，形成垂直向上的气泡流，与液相并流流动方向一致，减少气泡横向偏移导致的流场紊乱，且竖直结构可使分布头在环管上的安装更紧凑，便于沿圆周均匀分布，进一步提升气泡在反应器横截面内的分散均匀性，强化气液传质效果并降低返混。

作为另一具体的实施方式，所述原料气汇总环管3水平设置。能避免因气泡分布高度不一致导致的液相流速波动，进一步抑制轴向返混。并且可使气泡在反应器中心与靠近器壁处的分布密度相近，从而平衡不同区域的液体流速。

作为另一具体的实施方式，所述原料气汇总环管3的底部设有积液腔8，所述积液腔8的底部设有排污孔9。积液腔8的作用是排出原料气带入的杂质和液体，因为烛式微孔气体分布头5的通道极小，要求原料气非常干净，但工业化装置中往往因为系统庞大，上游可能带来杂质，为了避免出现微孔堵塞的情况，需要在环管底部设置一个积液腔8，原料气带来的杂质都进入积液腔8，在积液强底部设置小孔，正常运行时底部的杂质能够自动被环管内的气体带入反应液中，而避免进入烛式微孔气体分布头5的通道。

作为另一具体的实施方式，所述烛式微孔气体分布头5通过法兰10与原料气汇总环管3可拆卸连接。便于在设备检修或维护时快速拆卸分布头，可直接对微孔进行清理、更换磨损部件或根据反应工艺调整分布头数量及型号。避免因分布头失效而整体拆卸反应器，大幅降低设备维护成本与停机时间，同时为反应器在不同反应体系中的适应性改造提供了结构基础，保障设备长期稳定运行的同时提升了工艺操作的灵活性。其中，所述法兰10的中部具有进气孔，所述进气孔连通所述烛式微孔气体分布头5。且所述法兰10的上部具有用于放置烛式微孔气体分布头5的分布头基座。

作为另一具体的实施方式，所述烛式微孔气体分布头5为圆筒型，所述圆筒形的顶部具有圆弧顶；所述烛式微孔气体分布头5上具有若干微孔。圆筒形结构表面平整且面积规则，整个圆筒形结构采用微孔材质，使其整体均具有微孔，并沿圆周均匀排布，原料气从圆筒的内底部进入，经微孔向外分散后，气泡能从分布头四周及顶部均匀逸出，避免因形状不规则导致的局部气泡密集或稀疏，确保在反应液中形成全域均匀的气泡分布，进一步增大气液接触的均匀性。顶部圆弧顶设计消除了棱角，气泡从圆筒表面逸出后，在圆弧面引导下向上平稳流动，减少因结构突变导致的气泡碰撞聚并。烛式微孔气体分布头5可以由橡胶、钛金属、陶瓷等材料制作而成，一般根据溶剂的腐蚀环境、需要的机械强度需求选用，操作压力在0.1~1.0MPa，可以把原料气分散为0.1~100微米的气泡，且因为表面微孔，所以溶液中的固体和液体不易返流进分布头的内部，适用于液体中有固体颗粒的场合。

作为另一具体的实施方式，所述反应器本体1的内壁还设有多个轴向隔板11，多个所述轴向隔板11沿反应器本体1的周向分布，所述轴向隔板11的长度方向沿轴向设置。当反应器本体1大于一米时，采用轴向隔板11可将反应器内部分割为若干个沿轴向延伸的狭长反应通道，有效削弱大尺寸反应器中因壁面效应导致的径向流速差异，使每个通道内的流速分布更均匀，减少水流紊乱；同时，狭长通道内气泡与液相的并流流动方向更趋一致，抑制了径向返混和漩涡形成，进一步强化了轴向平推流状态，使液相反应物浓度沿流动方向稳定衰减，配合微米级气泡的均匀分布，显著提升了大尺寸设备的反应效率。

作为另一具体的实施方式，所述轴向隔板11位于原料气汇总环管3和反应物出口6之间。该区域是气液传质与反应的主要场所，隔板通过限制径向流动，使液相浓度沿轴向梯度衰减的平推流特性贯穿反应全流。

一种液相低返混的气液反应方法，包括以下步骤：

S1.安装气体分散与布气结构：在反应器本体1内设置原料气汇总环管3，沿原料气汇总环管3圆周连接若干烛式微孔气体分布头5，多个烛式微孔气体分布头5安装在原料气汇总管上，浸没在反应液中。

S2.控制气液并流流动：原料气被烛式微孔气体分布头5离散成大量微米级气泡，分散在反应液中进行反应；液相从反应器本体1的底部或侧面靠下位置进入，与气泡以相近流速并流向上流动，抑制气液界面曳力导致的轴向返混；

S3.气液分离与产物排出：反应后的气液混合物经反应器本体1的顶部气液分离空间完成气液分离，液相自流或泵送出反应器，未反应气体经除雾后排出。

通过环管均匀分配原料气至各分布头，利用微孔结构将气体离散为微米级气泡，解决传统反应器气泡分散度不足的问题，几何级增大气液接触面积，提升气体溶解速率。其中，环管水平设置确保气泡横向分布均匀，分布头竖直安装借助重力防止杂质堵塞微孔，配合环管底部的积液腔8与排污孔9，形成自清洁系统，避免工业原料气中的杂质影响传质效率。并流流动通过流速匹配抑制气液界面曳力导致的轴向返混，使液相浓度沿轴向呈梯度衰减，解决传统鼓泡反应器中液相全混流导致的浓度稀释问题。顶部集中分离设计确保液相在反应器内有足够停留时间完成反应，避免未充分反应的液体提前排出；气体除雾处理防止液滴夹带，提升产物纯度与后续气体处理的安全性。

作为另一具体的实施方式，S1中在反应器本体1内璧设置轴向隔板11优化流场；

S2中轴向隔板11将反应空间分隔为若干狭长通道，减少径向流速差及主体漩涡，进一步降低返混。

轴向隔板11沿反应器轴向安装，将反应器内部空间分割为多个独立的流动通道，消除大尺寸设备的壁面效应，减少径向漩涡，通过约束流体流动路径，消除因反应器直径较大导致的壁面效应。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，并且凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且本实施例未公开的细节性技术特征，如具体结构，均为现有技术，本领域技术人员均可以从现有技术中获取；连接方式可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是固定连接、活动连接或铰接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体方式，本公开实施例对此不做具体限定。

Claims (10)

1.一种液相低返混的气液反应器，其特征在于：包括应器本体，所述反应器本体(1)的底部设有反应液入口(2)；所述反应器的下部设有原料气汇总环管(3)，所述原料气汇总环管(3)连通有原料气入口(4)，所述原料气入口(4)贯穿反应器本体(1)并设于反应器本体(1)外；所述原料气汇总环管(3)上环绕设有多个烛式微孔气体分布头(5)；所述反应器本体(1)的上部设有反应物出口(6)；所述反应器本体(1)的顶部设有尾气出口(7)。

2.如权利要求1所述的液相低返混的气液反应器，其特征在于：所述烛式微孔气体分布头(5)竖直设置，且所述烛式微孔气体分布头(5)的下部和原料气汇总环管(3)连通。

3.如权利要求1所述的液相低返混的气液反应器，其特征在于：所述原料气汇总环管(3)水平设置。

4.如权利要求1所述的液相低返混的气液反应器，其特征在于：所述原料气汇总环管(3)的底部设有积液腔(8)，所述积液腔(8)的底部设有排污孔(9)。

5.如权利要求1所述的液相低返混的气液反应器，其特征在于：所述烛式微孔气体分布头(5)通过法兰(10)与原料气汇总环管(3)可拆卸连接。

6.如权利要求1所述的液相低返混的气液反应器，其特征在于：所述烛式微孔气体分布头(5)为圆筒型，所述圆筒形的顶部具有圆弧顶；所述烛式微孔气体分布头(5)上具有若干微孔。

7.如权利要求1所述的液相低返混的气液反应器，其特征在于：所述反应器本体(1)的内壁还设有多个轴向隔板(11)，多个所述轴向隔板(11)沿反应器本体(1)的周向分布，所述轴向隔板(11)的长度方向沿轴向设置。

8.如权利要求7所述的液相低返混的气液反应器，其特征在于：所述轴向隔板(11)位于原料气汇总环管(3)和反应物出口(6)之间。

9.一种液相低返混的气液反应方法，包括以下步骤：

S1.安装气体分散与布气结构：在反应器本体(1)内设置原料气汇总环管(3)，沿原料气汇总环管(3)圆周连接若干烛式微孔气体分布头(5)，多个烛式微孔气体分布头(5)安装在原料气汇总管上，浸没在反应液中；

S2.控制气液并流流动：原料气被烛式微孔气体分布头(5)离散成大量微米级气泡，分散在反应液中进行反应；液相从反应器本体(1)的底部或侧面靠下位置进入，与气泡以相近流速并流向上流动，抑制气液界面曳力导致的轴向返混；

S3.气液分离与产物排出：反应后的气液混合物经反应器本体(1)的顶部气液分离空间完成气液分离，液相自流或泵送出反应器，未反应气体经除雾后排出。

10.如权利要求9所述的液相低返混的气液反应方法，其特征在于：S1中在反应器本体(1)内璧设置轴向隔板(11)优化流场；

S2中轴向隔板(11)将反应空间分隔为若干狭长通道，减少径向流速差及主体漩涡，进一步降低返混。