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塔式鼓泡反應(yīng)器混合法

    臭氧發(fā)生器提供的臭氧源能否得到充分應(yīng)用，是臭氧工程技術(shù)人員研究的重要課題，也是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐運(yùn)行所積累經(jīng)驗(yàn)。常用的投加方式有：鼓泡法、射流法、渦輪混合法、尼可尼混合法等方式。

鼓泡法

鼓泡法一般有塔式鼓泡和池式鼓泡兩種（又稱汽 - 液反應(yīng)器）。

1.塔式鼓泡反應(yīng)器

    設(shè)計(jì)必須先考慮總工藝之后，才能確定一座氣液接觸器（反應(yīng)器）的尺寸。工藝是間歇的、半間歇的，還是連續(xù)的？間歇處理是在接觸器內(nèi)加入反應(yīng)劑，反應(yīng)后取出產(chǎn)品的一種加工過(guò)程。這種方法難得用于臭氧化，因?yàn)槌粞跻话阋�求連續(xù)供應(yīng)，由此導(dǎo)致考慮半間歇操作。普通半間歇臭氧化程序是將液體裝入反應(yīng)器，然后連續(xù)投加臭氧直到反應(yīng)完成。連續(xù)處理是將反應(yīng)劑同時(shí)加入和取出。這種連續(xù)臭氧化處理的一個(gè)例子是飲水凈化，此時(shí)臭氧氣投加到水中，隨水連續(xù)流過(guò)反應(yīng)器槽。

    有關(guān)工藝類型的決定要同臭氧反應(yīng)器的選擇相一致。選擇的氣 - 液接觸器（反應(yīng)器），在很大程度上受特定臭氧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)之間關(guān)系的制約。這一控制機(jī)理表明，在某種程度上該型接觸器可以使用。如果臭氧吸收帶有快反應(yīng)，需要有大的界面面積來(lái)促進(jìn)臭氧傳質(zhì)，所以，可以優(yōu)先選用填料塔。另一方面，如果反應(yīng)速率慢，從而大的液相容積（儲(chǔ)液量）有益，鼓泡塔更有效。表 5-1 列出常用氣液接觸器（表內(nèi)“轉(zhuǎn)化”一詞指反應(yīng)劑轉(zhuǎn)換到中間產(chǎn)物或最終產(chǎn)品的百分?jǐn)?shù)，而不是指臭氧從氣相向液相的轉(zhuǎn)化）。

表 5-1 氣液系統(tǒng)接觸器及其特性

    當(dāng)設(shè)計(jì)一座氣液系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)者必須做多種考慮。這些要考慮的問(wèn)題包括：氣體和液體流量要滿足生產(chǎn)規(guī)程、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)關(guān)系；最后，選定一種將以最經(jīng)濟(jì)方式進(jìn)行的氣液接觸器和操作方法。

    在選擇氣液接觸器過(guò)程中，需要考察以下一些參數(shù)對(duì)傳質(zhì)的影響：比界面面積 a ，傳質(zhì)系數(shù) k L ，分散相的溶解度，溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)和分散相儲(chǔ)存量。其他間接影響傳質(zhì)的因素有：分散相表面速度，氣泡直徑和速度。一些研究者還逐一評(píng)述了為臭氧使用的各種接觸器。這些參考文獻(xiàn)可用來(lái)查閱設(shè)計(jì)公式。下面將對(duì)表 5-1 所列的接觸器給以討論，并將提出一般設(shè)計(jì)構(gòu)想。

1.1 填料塔

    填料塔是立罐內(nèi)裝以填料，來(lái)分散氣流和水流，并促進(jìn)混合。用于氣體凈化的填料塔，通常稱作吸收塔，一般以氣液逆流方式運(yùn)行。從乙醇胺液中吸收二氧化碳和硫化氫便是一例。

    某些填料也可以起催化劑作用來(lái)促進(jìn)反應(yīng)。當(dāng)三氧化二鐵催化劑用于填料塔內(nèi)，同惰性填料相比，提高了臭氧氧化酚水溶液的臭氧利用率。填料塔采用逆流運(yùn)行，但是帶催化的填料塔逆流順流操作都可以。在后一種情況下同向升流和同向降流操作都能遇到。升流可提供較好的氣液混合，但會(huì)碰到壓降較高和流量限制問(wèn)題。同向降流以連續(xù)氣相和分散液相方式通過(guò)催化填料，通常稱作“滴濾床反應(yīng)器”。填料塔可提供大的界面面積，因此，它們適用于受傳質(zhì)控制的反應(yīng)。它們不需要大的壓降，但在運(yùn)行范圍方面多少有些受限制。因?yàn)橐后w和氣體基本上在同一通道內(nèi)通過(guò)塔填料，對(duì)于有效運(yùn)行來(lái)說(shuō)，液體和氣體負(fù)荷的范圍較窄。塔內(nèi)可能發(fā)生孤立溫度偏離。

    新型塑料填料可降低填料塔的費(fèi)用，并可暴露于腐蝕性氣體之中�，F(xiàn)有多種填料型號(hào)可從中選擇，填料公司在提供 K a G 及其他設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)方面是有幫助的。不過(guò)，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到臭氧同多種增塑劑反應(yīng)，推薦的塑料材料在它們確定使用之前，應(yīng)在有臭氧存在情況下加以試驗(yàn)。

1.2 板式塔

    板式塔比填料塔更貴，但可提供較寬廣的運(yùn)行范圍。氣液逆流，同時(shí)液體在每層塔板是重新分配的，由于水流在整個(gè)塔高度方向均勻地分布，因此，高通水量時(shí)可使用大直徑塔。塔板可設(shè)計(jì)為保證慢反應(yīng)所需要的儲(chǔ)液量，同時(shí)可為傳質(zhì)提供大界面面積。當(dāng)尋求一座有廣泛運(yùn)行靈活性的板式塔時(shí)，閥板——可變孔徑的穿孔塔板，是供吸收塔使用的理想塔板型式。

1.3 鼓泡塔

    鼓泡塔向裝滿液體的塔內(nèi)鼓氣泡，是飲水消毒最常用的臭氧反應(yīng)器，混合的程度依氣泡大小和表面氣體流速而定。鼓泡塔運(yùn)行簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，極適用于高壓臭氧化。為了控制溫度，塔內(nèi)可安裝熱交換器。

    鼓泡塔也適用于化學(xué)反應(yīng)速率控制的臭氧化反應(yīng)，氣體接觸時(shí)間主要通過(guò)氣泡上升速度和液柱高度予以控制。在氣 - 液接觸系統(tǒng)中，鼓泡塔傳質(zhì)效率所受壓力的影響，不像它在氣 - 氣接觸系統(tǒng)中那么大。

在某些化學(xué)反應(yīng)情況下，能投加催化劑顆粒構(gòu)成一種絮體反應(yīng)器。催化劑顆粒因氣泡運(yùn)動(dòng)被保持在懸浮狀態(tài)，但是，催化劑顆粒也能引起噴頭堵塞問(wèn)題，特別是如果氣流變成間歇的，或者如果氣泡上升速度太慢不足以保持催化劑顆粒的懸浮。

1.4 噴淋塔

    在噴淋塔內(nèi)液體被噴灑到大量含臭氧的氣體中。這種方法抽水費(fèi)用很高，可產(chǎn)生很大的界面面積。噴淋塔，由于短接觸時(shí)間和高界面面積對(duì)瞬時(shí)或快速反應(yīng)適用。它們?yōu)橐恍�歐洲的處理廠大批使用，而且在試驗(yàn)室試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)它們有破壞氰化物的能力。

1.5 攪拌槽

    攪拌槽（攪拌反應(yīng)槽）可用于其間傳質(zhì)速率和化學(xué)反應(yīng)速率為同一數(shù)量級(jí)的中速反應(yīng)方式。攪拌槽為高氣液儲(chǔ)量提供一種經(jīng)濟(jì)的方法，所以，三種運(yùn)行方式（間歇、半間歇和連續(xù)）都可使用攪拌槽。連續(xù)向固定容積廢水供臭氧氣的半間歇運(yùn)行，已成功地用于處理某些難降解工業(yè)廢水。

    以連續(xù)方式運(yùn)行的攪拌槽，一般又稱作返混反應(yīng)器。假設(shè)是完全混合，它將使整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)成分均勻，從而，出流成分與反應(yīng)器內(nèi)相同。對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率限制的反應(yīng)方式來(lái)說(shuō)，其內(nèi)的傳質(zhì)效果不明顯，返混反應(yīng)器設(shè)計(jì)用公式表明，它們需要最大的理論容積，以獲得所需的化學(xué)轉(zhuǎn)化程度。

    攪拌速度對(duì)氣液平衡的主要作用是改變界面面積。通過(guò)使用強(qiáng)力攪拌，攪拌槽能接近填料塔的界面面積，并能近似無(wú)攪拌鼓泡塔的界面面積。改變攪拌速度的方法，常用于驗(yàn)證反應(yīng)方式。當(dāng)反應(yīng)機(jī)理隨增加攪拌作用（界面面積）從一種受傳質(zhì)限制的，轉(zhuǎn)變到另一種受反應(yīng)速率限制的時(shí)候，將可得到一條類似圖 1 的中速反應(yīng)曲線。

    因攪拌器消耗電能明顯增加其運(yùn)行費(fèi)用是一缺點(diǎn)。不過(guò)，當(dāng)氣體被擴(kuò)散到液體內(nèi)以后，降低了混合體的密度，所需攪拌電能也降低�；旌嫌霉β市枰�值最好使用未加氣的液體來(lái)測(cè)定。

    攪拌槽的優(yōu)點(diǎn)是混合及傳熱效果好。機(jī)械攪拌作用能使投加的催化劑保持懸浮狀態(tài)，從而改善絮體反應(yīng)器的運(yùn)行。由于攪拌作用極好的傳熱速率是可能的，無(wú)論夾套式或是嵌管式熱交換器均可使用，用后者可提供更好的傳熱效果。

    韋斯特普（ Weserterp ）等以及普林格爾和巴羅那（ Frengle 和 Barona ），根據(jù)傳質(zhì)研究為攪拌反應(yīng)槽設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造形式。標(biāo)準(zhǔn)圖型中常用反應(yīng)槽尺寸與直徑的不同比例關(guān)系。這些比例可很容易地將反應(yīng)槽的規(guī)模從半生產(chǎn)性放大到生產(chǎn)性裝置。圖2 給出標(biāo)準(zhǔn)攪拌反應(yīng)槽構(gòu)造圖。

    當(dāng)需要高度混合時(shí)可用噴射器和渦輪，可獲得中到高度界面面積，而且在短接觸時(shí)間內(nèi)就能完成快速反應(yīng)。

    水泵可提供 1~10s 的停留時(shí)間。為了更高程度的混合或充分剪切以產(chǎn)生界面面積，可以使用軸向混合器（管道混合器）。 為將臭氧化氣吸入到流體內(nèi)，也常用文丘里反應(yīng)器。它的主要優(yōu)點(diǎn)是易安裝，但會(huì)產(chǎn)生堵塞問(wèn)題。

1.6 管道反應(yīng)

    管道反應(yīng)器可以用單根連續(xù)管道制成，也可用幾根并聯(lián)運(yùn)行的管道制成，大多數(shù)采用同向流通過(guò)管道以獲得活塞流。活塞流反應(yīng)器的特征假定在直徑方向完全混合，而在流動(dòng)方向無(wú)擴(kuò)散可利用。這就使得在垂直于流線的任一斷面面積上的流速、溫度和濃度分布都是相等的，惟獨(dú)組成成分沿流程變化。對(duì)于受化學(xué)反應(yīng)速率控制的反應(yīng)方式來(lái)說(shuō)，其內(nèi)傳質(zhì)效果是不重要的，活塞流反應(yīng)器設(shè)計(jì)公式表明，為獲得所希望的化學(xué)轉(zhuǎn)換程度，它們需要的理論值最小。

    由于要確定氣 - 液流線圖型是很復(fù)雜的，管道反應(yīng)器很難設(shè)計(jì)用于氣液反應(yīng)。西奇（ Cichy ）等及雷斯（ Rase ）給出管道反應(yīng)器 25 種可能流動(dòng)方式的討論，利用巴克爾（ Baker ）和戈維爾（ Gorier ）圖來(lái)預(yù)計(jì)流線圖型已取得某些成功。

    氣液管道反應(yīng)器主要由于它們的費(fèi)用低、易擴(kuò)建和優(yōu)良的傳熱特性而被采用。在臥式管道反應(yīng)器中常用紊流促進(jìn)混合并給出活塞流狀態(tài)。在這種環(huán)境下，為重新往液體內(nèi)分配氣體，軸向固定混合器正在變得流行起來(lái)。這種裝置是將一些固定構(gòu)造裝在管道內(nèi)，它們迫使同向流的氣體和液體通過(guò)迂回通道，從而不斷增加兩流體間的表面相互作用。既然這些嵌裝的元件在管內(nèi)是固定不動(dòng)的，它們保證混合程度并傳質(zhì)增強(qiáng)到這種地步，都是由于受通過(guò)管道兩種流體流速的影響。如果液體流速很慢，達(dá)到的傳質(zhì)量接近用兩相同向流運(yùn)行的管道接觸器內(nèi)可能得到的傳質(zhì)量。理查茲（ Richards ）等用固定混合器研究了臭氧向水中的傳質(zhì)，并報(bào)道改善后的傳質(zhì)超過(guò)一般的管道反應(yīng)器。

    化學(xué)工業(yè)中最常用的立式管道反應(yīng)器是濕壁塔，在塔內(nèi)，液相沿塔內(nèi)壁向下流動(dòng)，在塔中心，氣體可以同向或逆向流動(dòng)。這些反應(yīng)器用于特殊發(fā)熱化學(xué)反應(yīng)極好，但由于有限的界面面積而僅限于瞬時(shí)反應(yīng)使用。濕壁塔極少用于臭氧反應(yīng)，因?yàn)閮H僅少數(shù)臭氧反應(yīng)是高發(fā)熱的。這是由于臭氧反應(yīng)往往是處在低濃度下并且是被稀釋到某種溶劑內(nèi)的緣故。

    在這些初步試驗(yàn)中含臭氧空氣是循環(huán)通過(guò)試驗(yàn)裝置的，而且一部分未經(jīng)通過(guò)多孔擴(kuò)散元件即被分解。這是由于幾種因素包括光的影響的氣流的攪動(dòng)造成的。所以，考慮到為濃度比較用，在通過(guò)擴(kuò)散器或未通過(guò)擴(kuò)散器的出口處所量測(cè)到的那些濃度必須是精確的。