本發(fā)明屬于氣液固三相接觸領(lǐng)域，具體涉及顆粒懸浮系統(tǒng)，尤其是涉及一種混合顆粒懸浮系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在過程工程及其它許多工業(yè)過程中，經(jīng)常需要用到多相流系統(tǒng)，包括氣-液、氣-固、液-固、氣-液-固等體系。并且，又常常要求在這些體系中，各相之間有著充分的接觸，以保證這類系統(tǒng)的效率。
以液固相系統(tǒng)為例，比如在某個(gè)液固化學(xué)反應(yīng)中，固體以顆粒的形式存在于連續(xù)的液體相中，其中至少部分反應(yīng)是在液固界面上進(jìn)行的。為了提高液體與固體的反應(yīng)效率，就需要將固體顆粒盡量分散于液體中，使固體顆粒與液體有更大的接觸表面積。又比如在某個(gè)液相催化反應(yīng)中，固體催化劑以顆粒的形式存在于連續(xù)的液體相中，兩種或兩種以上的液體組份在固體顆粒(催化劑)的表面進(jìn)行反應(yīng)。在這種情況下，為了提高液體間的催化反應(yīng)效率，也是需要將固體顆粒盡量分散于液體中，使被反應(yīng)的液體有更多的機(jī)會與固體顆粒表面進(jìn)行接觸。如果這些反應(yīng)亦需要?dú)怏w相的參與者，亦可以將氣體充入，此時(shí)形成氣液固三相系統(tǒng)。又比如在某個(gè)吸附分離過程中，為了提高吸附效率，更需要將顆粒盡量分散于液體相中，使吸附劑有更多的機(jī)會與液體中溶質(zhì)接觸而發(fā)生吸附反應(yīng)。
在如上液固系統(tǒng)中，所涉及的固體顆粒一般均重于液體，因而在系統(tǒng)靜止時(shí)，顆粒將堆積在系統(tǒng)底部，不能自動(dòng)上浮。為了使顆粒有效地分散在液體中，人們開發(fā)了一些有效的方法。比如通過強(qiáng)力攪拌，通過機(jī)械、液體或者氣體的強(qiáng)力射流，使至少一部分顆粒懸浮在混合體中。另一種有效的方法，就是利用固體流態(tài)化。該方法是將液體從系統(tǒng)的下部注入到液固系統(tǒng)中，形成向上的凈流體流動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)中的顆粒，因液體向上流動(dòng)所造成的曳力而被懸浮。此時(shí)，通過合理地調(diào)整液體流速，使液體流速高于最小流化速度而低最小夾帶速度，就可以有效地將顆粒比較均勻地分散在系統(tǒng)內(nèi)至少一部分空間內(nèi)。如果同時(shí)在系統(tǒng)的底部加入氣體，氣體的向上流動(dòng)也可以提供額外的曳力，協(xié)助顆粒的懸浮。此時(shí)系統(tǒng)成為氣液固三相體系。
如果所涉及的固體顆粒輕于流體，在系統(tǒng)靜止時(shí)，顆粒將浮在系統(tǒng)的上表面而不會自動(dòng)下沉。為了使顆粒有效地分散在液體中，除了通過強(qiáng)力攪拌，比如機(jī)械、液體或者氣體的強(qiáng)力射流，還可以采用逆向固體流態(tài)化的方法。該方法是將液體從系統(tǒng)的上部注入到液固系統(tǒng)中，形成向下的凈流體流動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)中的顆粒，因液體向下流動(dòng)所造成的曳力而被倒懸浮——一種因克服顆粒輕于液體而帶來的浮力的懸浮現(xiàn)象，有時(shí)又稱為逆向流態(tài)化。此時(shí)，通過合理地調(diào)整液體流速，使液體流速高于最小逆向流化速度而低最小逆向夾帶速度，亦可以有效地將顆粒比較均勻地分散在系統(tǒng)內(nèi)至少一部分空間內(nèi)。但在此逆向流態(tài)化條件下，從上部同時(shí)加入氣體一般將沒有意義，因?yàn)闅怏w不會向下流動(dòng)。
在上述兩類系統(tǒng)中，固體流態(tài)化方法雖然可以使顆粒比較有效地分散懸浮在液體相中(或者液體與氣體的混合相中)，但系統(tǒng)中容易存在軸向顆粒分布不均的問題，這樣造成了設(shè)備的有效體積變小，相間接觸效率降低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種混合顆粒懸浮系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)不足。
本發(fā)明提供一種混合顆粒懸浮系統(tǒng)，在懸浮體系中加入輕顆粒和重顆粒的混合顆粒，輕顆粒浮于系統(tǒng)上部，重顆粒沉于系統(tǒng)下部，在氣、液流體的共同作用下，上部輕顆粒向下流化，下部的重顆粒向上流化，較小的動(dòng)力便可使混合顆粒在系統(tǒng)中達(dá)到均勻的軸向分布，有效地提高了氣液固三相接觸效率，有效地利用空間且節(jié)省能耗。
具體技術(shù)方案如下：
一種混合顆粒懸浮系統(tǒng)，其特征在于：包括氣液固三相區(qū)，所述氣液固三相區(qū)包括氣相、液相和固相，所述液相為連續(xù)相，所述氣相自下而上流動(dòng)，所述固相為混合顆粒，所述混合顆粒包括輕顆粒和重顆粒，所述輕顆粒密度小于所述液相密度，所述輕顆粒的密度均一或非均一，所述輕顆粒的尺寸均一或非均一，所述重顆粒密度大于所述液相密度，所述重顆粒的密度均一或非均一，所述重顆粒的尺寸均一或非均一，所述混合顆粒分散于所述液相中。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：在液相中通入氣體，使混合顆粒均勻地分散于液相中，利于氣液固三相充分接觸，充分利用空間且節(jié)省能耗。
附圖說明
圖1為本發(fā)明混合顆粒懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了更好的理解本發(fā)明的混合顆粒懸浮系統(tǒng)，下面結(jié)合圖1實(shí)例進(jìn)行闡述。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明公開了一種混合顆粒懸浮系統(tǒng)，包括氣液固三相區(qū)，所述氣液固三相區(qū)包括氣相、液相和固相，所述液相為連續(xù)相，所述固相為混合顆粒，所述的混合顆粒包括輕顆粒和重顆粒，所述輕顆粒的密度小于所述液相密度，所述重顆粒的密度大于所述液相密度。對于該實(shí)施例而言，所述液相作為連續(xù)相用于分散所述混合顆粒，這種輕、重顆粒共存于體系可有效的利用空間。
對于所述混合顆粒懸浮系統(tǒng)而言，靜置時(shí)輕顆粒在浮力的作用下浮于液體的上部，重顆粒在自身重力的作用下沉降于系統(tǒng)的底部(系統(tǒng)的上部為自由界面)。液相可連續(xù)或間歇地從裝置上部或下部加入到系統(tǒng)中，若要保持液位恒定，可增設(shè)溢流堰或采用其他可實(shí)施性方案；氣體從裝置的底部通入，經(jīng)氣體分布器均勻分布后進(jìn)入到體系中。隨著氣速的增大，當(dāng)氣速達(dá)到第一臨界氣速時(shí)，上層的輕顆粒向下膨脹處于懸浮狀態(tài)，當(dāng)氣速達(dá)到第二臨界氣速時(shí)，下層的重顆粒受到向上氣體的曳力的作用，向上膨脹處于懸浮狀態(tài)。所述第一臨界氣速為所述輕顆粒在所述系統(tǒng)中形成部分懸浮的表觀氣速；所述第二臨界氣速為所述重顆粒在所述系統(tǒng)中形成部分懸浮的表觀氣速。第一臨界氣速和第二臨界氣速?zèng)]有大小區(qū)分。
液體可選擇的從裝置的上部或下部通入到系統(tǒng)中，若采用上部進(jìn)液，液體的通入可促進(jìn)輕顆粒的流化，若采用下部進(jìn)液，液體的通入可促進(jìn)下部重顆粒的流化。進(jìn)液方式可采用間歇亦也可采用連續(xù)進(jìn)液，不同的工業(yè)應(yīng)用可能采用不同的進(jìn)液方式。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體的情況選擇適當(dāng)?shù)倪M(jìn)液方式及進(jìn)液速度，使得混合顆粒在氣體或氣液兩相流體的共同作用下均勻的分散在系統(tǒng)中。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述輕顆粒的密度均一或非均一，所述輕顆粒的尺寸均一或非均一。更進(jìn)一步的，所述重顆粒的密度均一或非均一，所述重顆粒的尺寸均一或非均一。
選擇輕顆?？紤]密度因素時(shí)首選密度大于等于所述液相密度的80％且小于所述液相密度的輕顆粒，優(yōu)先選擇大于所述液相密度90％的輕顆粒。若輕顆粒的密度低于所述液相密度的80％，同等體積下所述輕顆粒與所述液相密度差過大，需要更大的動(dòng)力才能克服輕顆粒本身的浮力，能耗過大，輕顆粒的密度與所述液相密度越接近，越容易在所述液相中懸浮。選擇輕顆?？紤]顆粒直徑因素時(shí)，首選輕顆粒直徑小于10mm的輕顆粒，優(yōu)先選擇輕顆粒直徑小于5mm的輕顆粒，若所選擇的顆粒直徑過大，則顆粒的比表面積越小，不利于氣液固三相充分接觸傳質(zhì)。
所述混合顆粒懸浮系統(tǒng)中重顆粒的密度和尺寸可以均一也可以不均一，選擇重顆?？紤]密度因素時(shí)首選密度小于等于所述液相密度的120％的重顆粒，優(yōu)先選擇小于所述液相密度110％的重顆粒。若重顆粒的密度大于所述液相密度的120％，同等體積下所述重顆粒與所述液相密度差過大，需要更大的動(dòng)力才能克服重顆粒本身的重力，能耗過大，重顆粒的密度與所述液相密度越接近，越容易在所述液相中懸浮。選擇重顆?？紤]顆粒直徑因素時(shí)，首選重顆粒直徑小于10mm的重顆粒，優(yōu)先選擇重顆粒直徑小于5mm的重顆粒，若所選擇的顆粒直徑越大，則顆粒的比表面積越小，同等密度下所需的最小流化速度越大，既不利于氣液固三相充分接觸又消耗更大能量。
在選擇所述混合顆粒時(shí)，不僅需要考慮顆粒的密度、粒徑，而且需要考慮顆粒的材質(zhì)、形狀、表面性能等等影響因素。所述的輕顆?？梢允撬芰项w粒(如：聚乙烯、聚丙烯、發(fā)泡的聚苯乙烯等等)也可以是中空的玻璃球等等；重顆粒可以是塑料顆粒、火山巖、沸石等等。所述輕、重顆粒的形狀多種多樣，可以是球形，橢球形，柱狀形，也可以是不規(guī)則多邊形等等。顆粒選擇時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇比表面積大，類似球形、密度與液體接近的顆粒，既易于流化節(jié)能又具有較高的傳質(zhì)效率。
加入的輕顆粒和重顆粒的總體積在所述氣液固三相區(qū)中的體積分率不應(yīng)高于30％，若加入顆粒量越多，顆粒越不容易被完全懸浮，相對的，氣液兩相流體所占的體積分率也會降低，不利于氣液固三相間充分接觸、傳質(zhì)。在另一些情況下，氣液兩相體積分率的減少會導(dǎo)致沒有足夠的氣液相與顆粒接觸。
所述的混合顆粒系統(tǒng)中，加入的顆粒包括至少一種輕顆粒與至少一種重顆粒，這樣在一定的氣速和液速的作用下，輕顆粒向下膨脹懸浮，重顆粒向上膨脹懸浮，使顆粒更為均勻分散在接觸器中，既節(jié)省能量又充分利用空間。
進(jìn)一步的，所述的混合顆粒系統(tǒng)中，加入的輕顆粒至少包括兩種密度或尺寸，加入的重顆粒也至少包括兩種密度或尺寸，這樣在一定的氣速和液速的作用下，輕顆粒的各組分向下膨脹懸浮，重顆粒的各組分向上膨脹懸浮，有助于顆粒沿系統(tǒng)的垂直方向上形成顆粒分布梯隊(duì)，使顆粒更為均勻分散在接觸器中，充分利用空間。
進(jìn)一步的，在所述的混合顆粒系統(tǒng)，所述的輕顆粒和/或重顆粒被連續(xù)或間歇地加入和取出。示例性的，混合顆?？梢酝ㄟ^專門的泵從裝置的上部打入到系統(tǒng)中，顆?？刹捎帽梦男问綇南到y(tǒng)中移出，也不排除其他的形式，連續(xù)性操作可以使混合顆粒得到有效的循環(huán)利用，間歇性的操作更適用于經(jīng)常更換固定相的反應(yīng)體系，這樣使得這種系統(tǒng)應(yīng)用更廣，既適用于間歇反應(yīng)又可連續(xù)性生產(chǎn)，便于進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。
進(jìn)一步的，在所述的混合顆粒系統(tǒng)中，所述液相被連續(xù)或間歇地加入和取出?？蛇x擇性的，所述液相從所述氣液固三相區(qū)的上方被加入，協(xié)助氣相分散所述混合顆粒。加入的液相可以是幫助顆粒流化且不影響反應(yīng)過程的液體，也可以是作為反應(yīng)物的一種或多種的液體。
進(jìn)一步的，當(dāng)氣相的氣速升高至第一臨界氣速時(shí)，至少部分所述的輕顆粒開始被系統(tǒng)懸浮。由于所選用的輕顆粒的密度和尺寸可以均一也可以不均一，因此不同密度不同尺寸的輕顆粒的第一臨界氣速不盡相同。
進(jìn)一步的，當(dāng)氣相的氣速升高至第二臨界氣速時(shí)，至少部分所述的重顆粒開始被系統(tǒng)懸浮。同樣，所選用的重顆粒密度和尺寸可以均一也可以不均一，因此不同重顆粒的第二臨界氣速不盡相同。
進(jìn)一步的，在所述氣液固三相區(qū)中，所述氣相的體積分率小于等于25％。若所述的氣相體積分率過大，氣泡在體系中容易聚并形成大氣泡，使得顆粒分散不均，從而影響三相接觸反應(yīng)效率。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述氣液固三相區(qū)中設(shè)有氣體分布器。
在另一個(gè)實(shí)施例中，所述氣液固三相區(qū)的下部設(shè)有氣體分布器。
在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，為本發(fā)明的一種混合顆粒懸浮系統(tǒng)。床層高6m,直徑0.5m(也可以是其他尺寸，如高4m,直徑0.3m；高8m,直徑0.6m等)。此混合顆粒懸浮系統(tǒng)包括氣相、液相、固相。選擇空氣為氣相、水為液相、混合顆粒為固相?；旌项w粒由輕顆粒和重顆粒組成，其中輕顆粒是密度為910kg/m3,直徑為3.5mm和2.28mm的聚丙烯球形顆粒(也可是直徑小于5mm,密度是如下范圍800-1000kg/m3之間的輕顆粒)，重顆粒是密度為1030kg/m3,直徑為1mm，0.8mm的聚苯乙烯球形顆粒原生料(也可是直徑小于5mm,密度1000-1200kg/m3之間的重顆粒)。
液相水可選擇的從裝置的上部或下部向混合顆粒系統(tǒng)中間歇或連續(xù)的加入。空氣從裝置的底部通入經(jīng)氣體分布器進(jìn)入系統(tǒng)中，氣體分布器選用橡膠微孔曝氣頭?？蛇x擇性的在裝置中通入液相水到液位4m處，向系統(tǒng)中加入10％體積分率的重顆粒，重顆粒在重力的作用下沉降到裝置的底部，再向裝置中加入10％體積分率的輕顆粒，輕顆粒浮于液面上部。此時(shí)向體系中通入氣體，隨著氣速的加大，位于液體底部的重顆粒受到氣體的曳力作用開始向上膨脹，位于液面上部的輕顆粒由于氣液混合密度的降低以及氣體對液體的作用而造成的擾動(dòng)的影響開始向下部膨脹。當(dāng)達(dá)到一定的氣速時(shí)，混合顆粒在垂直方向上達(dá)到較為均勻的密度分布，充分的利用空間，達(dá)到最大的傳質(zhì)效率。
所述混合顆粒懸浮系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)流化速率低，能耗少；2)傳質(zhì)效率高?；旌项w粒較大的比表面積為氣、液、固三相接觸提供了更大的機(jī)率；3)空間利用率高。輕、重顆粒充滿整個(gè)體積，有效地利用空間?；旌项w粒懸浮系統(tǒng)特有的優(yōu)點(diǎn)尤其適用于生物污水處理，顆粒較大的比表面積為微生物提供更多的場所附著生物膜，附著的微生物的量越多，處理污水的效率越高，另外使顆粒懸浮所需的液體流速低，水力停留時(shí)間長，液體的回流少，因此更節(jié)省能量。雖然混合顆粒懸浮系統(tǒng)在污水處理方面有較大的應(yīng)用前景，但不妨礙其用于其他適宜的反應(yīng)場景。
雖然以上的描述是針對工業(yè)過程的，但并不應(yīng)該認(rèn)為所述系統(tǒng)的應(yīng)用范圍僅僅限于顆粒工業(yè)過程，特別是不僅僅限于所描述的過程中。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何細(xì)微修改，等同替換和改進(jìn)，均應(yīng)包含在本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。