專利名稱：氣-液交叉流自由表面傳熱傳質的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣一液交叉流自由表面傳熱傳質的方法與裝置，具有各種組成與 不同溫度的溶液在重力作用下展開為自由表面流，與氣流直接接觸除塵和傳熱傳質。
技術背景現有氣一液直接接觸的氣體凈化與傳熱傳質技術，當氣體為連續相時氣一液接觸 的方法主要有三類填料塔與噴淋塔、噴霧塔、降膜與升膜。氣液兩相在接觸表面上傳熱傳 質伴隨著動量傳遞，由之引起氣相阻力損失和霧沫夾帶，這兩個問題是影響氣一液直接接觸 傳熱傳質效率的主要因素。當液相介質容易析出結晶或本身就含顆粒雜質時，上述依賴填料 表面或壁面的氣—液直接接觸傳熱傳質，還會產生堵塞而嚴重影響操作。發明內容本發明公開一種氣一液交叉流自由表面傳熱傳質的方法與裝置，目的是使氣體凈化或氣液兩相傳熱傳質操作可以在一 15°C~380°C的任何溶液與氣相介質之間進行、氣液操作 空間內無固體元件、不產生堵塞，液體連續流動保持連續的自由表面、不產生霧沫夾帶，氣 體以低于4.0米/秒的流速交叉流過溶液自由表面其流動阻力低于100Pa/每米長流道。采用本 方法可以產生的自由比表面積在100~800平方米Z每立方米溶液，氣體所含的細粒狀物質被液 體表面粘附，氣一液兩相蒸發冷凝傳熱傳質每平方米自由表面每小時傳質量在5~20千克之 間，通過傳質氣體得到凈化、溶液得到增濃。本發明主要發明思想是利用重力作用使溶液分散形成規則分布的、具有高的自由表面 積的連續柱狀流動，氣體則在與液體流動相垂直的方向形成規則的交叉流動，山流動產生的 氣液兩相直接接觸表面上既有正對氣流的法向動量傳遞、又有氣體繞流的切向動量傳遞、還 有液體流動方向上的切向動量傳遞，因此具有良好的氣體凈化和傳熱傳質特征，由于氣液兩 相的流動均被控制在滯流范圍，其自由接觸表面保持連續性避免霧沫夾帶、并且氣體的流動 阻力很低從工程的角度可以忽略不計。本發明技術要點是根據容器內的溶液在靜液柱壓力推動下通過孔口的流動原理(見-朱家驊等編，《化工原理(上)》，科學出版社，2005年第二版，pp.122 123),在裝置上部水平 安置液體分布器，溶液在分布器內維持3 10毫米高的靜液柱并通過分布器上開的直徑3 8 毫米的圓孔后由上至下形成不與任何固體壁面相接觸的自由表面柱狀流、流速在每秒0.3 1.5米之間、雷諾數小于2000保持光滑連續的自由表面、穿過防濺孔流入裝置下部的受液盤 收集并由連接管道引出裝置。由矩形多孔板構成的分布器，板上的開孔布置為垂直于氣流方 向上同一排開孔數10 200、相鄰兩孔中心線距離為1.5 2.5倍孔徑，順氣流方向上相鄰兩 排的距離為3 4倍孔徑。由圓形多孔板構成的分布器，板上的開孔為同心圓環布置，同一環上相鄰兩孔中心線距離為1. 5 2. 5倍孔徑、相鄰兩同心圓環的徑向距離為3 4倍孔徑。在包含有溶液自由表面柱狀流的容積空間內，溫度可以在一15'C 32(TC范闈內，氣體流 動空間占70% 95%，氣體流動方式與溶液自由表面柱狀流垂直交叉并直接接觸，氣休流速 低于4米/每秒以保證氣液接觸表面處于連續的滯流狀態，氣液界面上不產生霧沫夾帶，氣體 流動阻力低于100Pa7每米長流道。采用本方法產生的自由比表面積在100-800平方米/每立方 米溶液，氣體所含的細粒狀物質被液體表面粘附，氣一液兩相蒸發冷凝傳熱傳質每平方米自 由表面每小時傳質量為5~20千克。由以上所述發明技術要點構成的氣一液交叉流自由表面傳熱傳質的方法和基本操作單 元，可以進行并聯或串聯組裝，并聯可以擴大液體和氣體的流通面積適應大流量要求，串聯 可以增加接觸時間以適應大的傳熱傳質量要求，串聯時氣體折流實現多程交叉流。
圖1是本發明提供的2層串聯矩形氣一液交叉流自由表面傳熱傳質裝置示意圖， 圖中虛線箭頭代表溶液柱狀流方向，與氣流垂直交叉。圖2是本發明提供的矩形多孔板分布器開孔布置，H代表孔距為1. 5 2. 5倍孔徑，L代 表排距為3 4倍孔徑。圖3是本發明提供的軸對稱型液體單程氣體2程氣一液交叉流自由表面傳熱傳質裝置示 意圖，圖中虛線箭頭代表溶液自由表面柱狀流方向，氣流2次變向交叉流動。圖4是本發明提供的圓形多孔板分布器開孔布置，Hr代表孔距為1. 5 2. 5倍孔徑，Lr 代表環距為3 4倍孔徑。
具體實施方式
以下結合實施例闡述具體實施方式
實施例1:磷酸與硝酸鈣混合水溶液結晶分離。采用液體爭程氣體2程圓形氣一液交叉流自由表面傳熱傳質裝置，容器直徑1.8米總高3米、1/2高處設外環形檔圈，分布器 直徑1米，丌直徑3毫米小孔，孔距Hr^6毫米，環距Lr二10毫米。 每小時66噸混合溶液，含溶解的磷酸9.7噸和礎酸鈣34噸，溫度20 4(TC，由裝置頂 部加入分布器并維持8 10毫米液層高度，通過分布器的小孔分散為直徑略小于3毫米的向 下流動的柱狀流，裝置內部保持150 250 Pa的絕對壓力，向下流動的柱狀流自由表面上發 生水分的蒸發，蒸汽向上與液柱交叉流動，溶液因蒸發而降溫到一6 一3'C，在裝置底部的 受液盤中析出硝酸鈣結晶28 30噸/小時，溶液水分蒸發量3. 2 3. 6噸/小時。實施例2:無水氫氧化鈉生產。采用液體單程氣體2程圓形氣一液交叉流自由表面傳熱傳質 裝置，容器直徑2米總高3米、1/2高處設外環形檔圈，分布器直徑1.2米，開直徑3毫米小孔，孔距Hr二6毫米，環距Lr二10毫米。 每小時8~9噸氫氧化鈉溶液，含水量10~20%，溫度218 287'C，由裝置頂部加入分布 器，通過分布器的開孔分散為直徑小于3毫米的向下流動的自由表面柱狀流，裝置內部保持 55 75 kPa的絕對壓力，由裝置上部環隙區引進溫度為580 62(TC的熱空氣27噸/小時、與 液柱交叉向下流動，溶液被加熱到380 40(TC并在柱狀流自由表面上發生水分的蒸發，蒸汽 隨熱空氣一并向下與液柱交叉流動并從環隙流出容器，溶液水分完全蒸發而成為無水氫氧化 鈉。實施例3:廢水與廢氣無害化處理。采用2層串聯矩形氣一液交叉流自由表面傳熱傳質裝置， 上、下2層氣一液交叉流空間尺寸均為寬0.8米、高0.8米、流動方向長l米，分 布器開直徑5毫米小孔，孔距H二12毫米，排距L二18毫米。 每小時8 9噸廢水，溫度20 80'C， A裝置頂部加入分布器，通過分布器的小孔分散為 直徑小于5毫米的向下流動的自由表面柱狀流，向下連續通過上、下2層氣一液交叉流空間， 溫度為80 180。C的含塵含煙廢氣6000 8000立方米/小時，從水平方向進入下層氣一液交 叉流空間與柱狀流的自由表面接觸、煙塵被液柱表面粘附使氣體凈化，液柱表面水分蒸發， 廢氣流動到上層繼續與柱狀流的液體自由表面接觸傳熱傳質，廢水蒸發量可達到350 420千 克/小時，廢氣煙塵去除率可達到95%以上。
權利要求
1、一種氣-液交叉流自由表面傳熱傳質的方法，其特征是-15℃～380℃之間的任何溫度的溶液在重力作用下展開為自由比表面積在100～800平方米/每立方米溶液之間的任何值，可以與溶液發生傳熱傳質的任何氣相介質在由溶液熱力學平衡決定的溫度和壓力條件下以不大于4.0米/秒的任何流速、交叉流過溶液自由表面時其所含的細粒狀物質被粘附、氣-液兩相蒸發冷凝傳質每平方米溶液自由表面每小時產生的傳質量在5～20千克之間，因此氣體得到凈化、溶液得到增濃。
2、 根據權利要求1所述的氣一液交叉流自ti表面傳熱傳質的方法，其特征是實現溶液自由表 面流裝置的幾何結構與流體力學特征，溶液從裝置上部由3 10毫米靜液柱壓力推動由上 至下通過水平安置的分布器上開的直徑3 8毫米的圓孔、產生不與任何固體壁面相接觸 的自由表面柱狀流、流速在每秒0. 3 1. 5米之間、雷諾數小于2000保持光滑連續的自由 表面、穿過防濺孔流入裝置下部的受液盤收集并由連接管道引出裝置。
3、 根據權利要求1所述的氣—液交叉流自由表面傳熱傳質的方法和權利要求2所述的實現溶 液自由表面流裝置的幾何結構與流體力學特征，其特征是溶液分布器包括一塊均勻開孔的 矩形多孔板，板上的開孔布置為垂直于氣流方向上同一排開孔數10 200之間、相鄰兩孔 中心線距離為1. 5 2. 5倍孔徑，順氣流方向上相鄰兩排距離為3 4倍孔徑。
4、 根據權利要求1所述的氣一液交叉流自由表面傳熱傳質的方法和權利要求2所述的實現溶 液自由表面流裝置的幾何結構與流體力學特征，其特征是溶液分布器包括一塊均勻開孔的 圓形多孔板，板上的開孔為同心圓環布置，同一環上相鄰兩孔中心線距離為L5 2.5倍 孔徑、相鄰兩同心圓環的徑向距離為3 4倍孔徑。
5、 根據權利要求1所述的氣一液交叉流自由表面傳熱傳質的方法、權利要求2所述實現溶液 自由表面流裝置的幾何結構與流體力學特征和權利要求3所述溶液分布器上的開孔布置， 其特征是以所述裝置為一個基本單元進行并聯組裝，氣體折流實現多程交叉流。
6、 根據權利要求1所述的氣一液交叉流自由表面傳熱傳質的方法、權利要求2所述實現溶液 自由表面流裝置的幾何結構與流體力學特征和權利要求4所述溶液分布器的開孔布置，其 特征是以所述裝置為一個基本單元進行串聯組裝，氣體折流實現多程交叉流。
全文摘要
一種氣-液交叉流自由表面傳熱傳質的方法與裝置，其主要技術特點是使氣體凈化或氣液兩相傳熱傳質在連續流動的液體自由表面上進行，操作空間內無固體元件、不產生堵塞、適用于含顆粒物質或易結晶的液相，氣體以低于4.0米/秒的流速交叉流過溶液自由表面其流動阻力低于100Pa/每米長流道，不產生霧沫夾帶，采用本方法可以產生的自由比表面積在100～800平方米/每立方米溶液，氣體所含的細粒狀物質被液體表面粘附，氣-液兩相蒸發冷凝傳熱傳質每平方米自由表面每小時傳質量在5～20千克之間，通過傳質氣體得到凈化、溶液得到增濃。
文檔編號F28C1/04GK101239245SQ20071005055
公開日2008年8月13日 申請日期2007年11月21日 優先權日2007年11月21日
發明者夏小全, 夏素蘭, 朱家驊 申請人:四川大學;廣漢欣欣實業有限公司