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设计必须先考虑总工艺之后,才能确定一座气液接触器(反应器)的尺寸。工艺是间歇的、半间歇的,还是连续的?间歇处理是在接触器内加入反应剂,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,因为臭氧一般要求连续供应,由此导致考虑半间歇操作。普通半间歇臭氧化程序是将液体装入反应器,然后连续投加臭氧直到反应完成。连续处理是将反应剂同时加入和取出。这种连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,随水连续流过反应器槽。
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),在很大程度上受特定臭氧化反应的动力学和传质之间关系的制约。这一控制机理表明,在某种程度上该型接触器可以使用。如果臭氧吸收带有快反应,需要有大的界面面积来促进臭氧传质,所以,可以优先选用填料塔。另一方面,如果反应速率慢,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 气液系统接触器及其特性
类 型 | 运行方式 | 传 质 | 优 点 | 缺 点 | 反应方式 |
填料塔 | 液体和气体相互逆流通过由填料形成的同一通道。连续运行 | 良好传质,随填料类型和气液流量变化 | 运行范围广能耐受强腐蚀的系统 | 昂贵,难以保持温度分布。易堵塞 | 气相或液相传质控制 |
板塔 | 液体和气体相互逆流通过板塔,连续运行 | 良好传质,同依气体质量而定的界面面积成比例 | 运行范围广,易清洗 | 昂贵、设计复杂、易堵塞 | 适合慢反应,中间停留容积和大液体容积 |
鼓泡塔 | 气体扩散成气泡,上升穿过液柱,能连续顺流或逆流,交替逆流,或反复逆流或顺流运行,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,引起气泡的不均匀分布,混合差。接触时间长 | 要求大液体容积受反应速率控制的系统 |
喷淋塔 | 流体扩散到含O3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 | 适合小储液量的快反应 |
搅拌塔 | 能连续,半批量或批量运行,使用带机械搅拌的罐 | 由于界面面积和气体储量可有中等到良好传质,前者依气体流量及搅拌而定 | 高度灵活性,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理论容积 | 受传质控制的反应 |
喷射器和涡轮 | 气体和液体被加压或抽吸顺流通过小孔隙 | 传质和界面面积大 | 混合好,接触时间短,接触室小 | 耗能 | 适合短暂液体滞留,传质限制的反应 |
管道接触器 | 可顺流(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,为促进气液接触需要用固定混合器 | 适合短暂液体滞留,传质限制反应 |
当设计一座气液系统时,设计者必须做多种考虑。这些要考虑的问题包括:气体和液体流量要满足生产规程、传质和化学反应关系;最后,选定一种将以最经济方式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kL,分散相的溶解度,溶质的扩散系数和分散相储存量。其他间接影响传质的因素有:分散相表面速度,气泡直径和速度。一些研究者还逐一评述了为臭氧使用的各种接触器。这些参考文献可用来查阅设计公式。下面将对表5-1所列的接触器给以讨论,并将提出一般设计构想。