專利名稱：將冷氣與熱液體混合的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及這種系統的改進，而這種系統涉及出于下述各種目的之一而將氣泡引入熱液體中例如除臭充氣，液體氧化反應(LOR)，制氫或其它目的。其中系統的效率取決于經過氣一液界面的質量傳遞，而該質量傳遞又取決于氣泡的表面/體積比。較小的氣泡，表面/體積比較大并比大氣泡不易漂浮，因此可提供較大的氣體-液體界面和較長的停留時間，以產生所希望的諸如溶解，氧化置換，化學反應或其它氣-液交換的結果。
出于各種目的，在商業上經常采用通過諸如食用油和其它溶解的含油物質的熱液體的氣泡，在這方面，可參考共同擁有的美國專利4919894,5004571,5009816及Re32562。這些有代表性的專利公開了各種先進氣體反應器(AGR)氣化及再循環系統，該系統利用引流管作為葉輪圈將氣本從過熱氣體空間向下吸入葉輪，使其與大量的液體混合，用于予想的用途。
利用單個或多個葉輪攪動液體和/或如美國專利5004571所示利用液面下引入新鮮氣體的這種AGR系統中形成的氣泡沒有大的表面/體積比。通過液體的氣體的單一通道不能提供令人滿意的氣體-液體交換，因此，AGR系統依賴來自過熱氣體空間的氣體的連續的再循環及通過葉輪的攪動才能產生所希望的氣體-液體交換。將過熱氣體向下吸入葉輪則依賴容器中液面高度，因此，這種系統使用麻煩，效率又不高。
還知道有利用管起泡裝置，粉末冶金起泡裝置或帶有各種噴嘴的噴射器的其它商用充氣式系統。
通過氣體-液體界面的質量傳遞常常是氣體-液體反應及分解作業的控制因素。小的氣泡比大的氣泡的表面/體積比大，因此，小氣泡比大氣泡的反應及質量傳遞進行得快。因此，采用各種型式的起泡裝置將小氣泡引入液體中。然而，熱液體的溫度可比噴射氣體的溫度高得多，例如，在除臭狀態下的食用油的溫度可以高達650°F。在室溫下噴射氣體所形成氣泡的大小取決于小孔的尺寸及壓力。當小泡通過熱油升起時，其迅速被加熱至工作溫度，并且隨著溫度的升高，氣體的體積在膨脹。膨脹的氣泡的表面-體積比很小，導致不希望的質量傳遞率的降低。
與膨脹氣泡尺寸相關聯的問題是很重要的，特別是假如氣體耗量是關鍵因素的時候，例如，氮耗量必須保持最小才能使氮氣除臭機經濟地工作。為使氮氣除臭機運轉，需要產生大體積的真空噴射。假如不可壓縮的氮氣的流量增加，原動蒸汽的要求將大大增加。在這種情況下，氮氣除臭機將不再能與蒸汽除臭機抗衡。
在制氫或制氧反應中，氣泡從液箱的底部升起到液面并消失，除非像在LOR或AGR系統中所用的再循環機構重新利用頂上空間的氧或氫。然而，如果氣體溶于第一通道，則反應率可以改善。沒有熱膨脹的較小的氣泡由于有大的界面面積則可以以較高的速率溶解。隨著氧或氫溶解量的增加，副產品構成的量及析出提取率可能變化。對于一個大的工藝過程，析出率及速率的10％的改善可以轉變成效率的增加及經濟性的改善。
像在美國專利5241092中公開的例如用于食用油的除臭機一般在真空及高溫條件下工作。在這種條件下，機械的攪動是不可行的，因為密封的整體性將受到威脅。
本發明提供出于改變熱液體的目的(例如通過充氣、溶解，反應，置換或其它處理)將氣泡引入該熱液體中并防止其熱膨脹及其界面質量傳遞面積相應減少的新穎方法和設備。它是這樣完成的通過熱液體的有效而迅速的熱傳遞，連續地使供氣予熱及膨脹，同時供氣在與熱液體進行熱傳遞中被分隔開來并循環，并且將予熱的予膨脹的氣體以熱的小氣泡的形式連續地釋放入熱的液體中，熱的小氣泡的溫度與熱液體的溫度相似，因此可避免釋放出的小氣泡的進一步加熱及膨脹，從而該系統的效率可大大提高。
本發明提供一種新穎的熱交換設備，用于盛裝在熱液體內但與之隔開的連續的供氣，并利用熱液體的熱量有效地迅速地將冷的或室溫的氣體予熱到熱液體的溫度，并且將熱氣體以小泡的形式直接排入熱液體中，小泡在熱液體的溫度下抗熱膨脹，不需采用機械攪拌器。
圖1是本發明的一個實施例設備的示意剖視圖；圖2是沿圖1的2-2線所截取的放大的橫剖視圖。
圖1示出本發明的熱液體設備的氣體噴射及加熱元件10，它包括氣體噴射定位器11，該定位器的螺紋端12用于與供氣導管，供氣管13及同軸溫度傳感器管14連續。元件10包括一長管式氣體循環套15，該套15有一向供氣管13敞開的下段16及在套15的內壁18和外壁19之間形成的長的環形循環室17的相間的豎段17A和17B。循環室17由徑向傳熱隔板20隔開，而傳熱隔板20包括相間的高度隔板21a和21b及全隔板22，它們之中的每一個都與徑向傳熱片23呈熱傳導聯結，而徑向傳熱片23由套15的內壁18內向內朝中央液體循環室及氣/液混合室24延伸，如圖2所示。隔板21和傳熱片23使隔板20與二相液流接觸，以改善傳熱效率。每一高度隔板21a的頂端與頂環段17C向下隔開，而每一高度隔板21a的底端與室17的底面30密封接觸。另一種高度隔板21b與頂環段17c密封接觸而與室17的底面30隔開。因此，使得室17內的氣流沿著盤旋路徑經過每一豎向弧段17A，越過每一隔板21a，再向下經過每一豎向弧段17B及從每隔板21b下方流過。
如在環形氣體室17內的箭頭所示，引入下段16的氣體向上流經第一豎向弧段17A到頂部隔開的圓環段17c，而圓環段17c在隔板21a的上方與兩個豎向段17A和17B是敞開的。然后，氣體向下吸，經過豎向段17B，從另一高度隔板21b下方通過，再向上通過下一個豎向段17A，再向下通過下一個豎向段17B，提供一個氣體流過八個豎向弧段的盤旋回路，然后才經通道25排出，進入噴嘴26。最后的隔板22是環形氣室17中的全隔板，其使氣體進入通道16沿反時針流動，以盤旋方式順序向上經過每一段17A及向下經過每一段17B，以便經通道25流出，到達處于予熱狀態的噴嘴26，因此，來自噴嘴26的氣泡小且抗膨脹。
最好是環形氣室17含有諸如球狀，小顆粒等的金屬填料，以增加從熱油至在室17內循環的氣體的熱傳導。
氣體經噴嘴26的排出及氣室17的豎向分隔使來自導管13的氣體流經室16，按照順序向上流經第一段17A和向下流經下一段17B，然后被迫流經通道25到達噴嘴26并變成氣泡，進入中央室24的熱液體28中。
從噴嘴26釋放出的小氣泡27使氣泡向上以一定速度通過中央液體室24，導致內部傳熱系數的增加。另外，氣泡27與核化沸騰類似，大家知道，核化沸騰有高的傳熱系數。該系數，而不是熱傳導是本發明設備的效率的主導因素。
整個氣體噴射及加熱元件10浸沒在諸如除臭劑容器的那種容器的熱液體中。這使不與經導管13引入的冷氣體產生熱交換的熱液體的高溫能提高氣體的溫度，因此，當氣體循環至噴嘴26時，其與液體的溫度相同，這可由與噴嘴26相通的傳感器管14探測到。噴嘴26的運行由傳感器管14進行恒溫控制，以調節流經噴嘴26的氣流率，并借此調節氣體在套15中的停留時間，以獲得予定的要求的氣體溫度。
其中浸有氣體噴射及加熱元件10的熱液體，經過處于套15下壁區域的多個進口通道29循環，如圖1箭頭所示。在中央管室24中的熱的小氣泡27的上行運動會引致室24中的液體28的上行流動，這又會將其它的熱液體經壁孔29吸入，產生氣/液的混合及上行的循環，直至到達環形套段17c之上的套15的出口，進入在反應容器中的液體的主體中。
因為整個元件10都浸入熱的液體之中，所以氣體加熱套15的內、外壁18和19便與諸如溫度高達約650°F的熱油那樣的熱液體處于熱傳遞接觸之中，熱液體對壁18，19，在室24內的傳熱片23及相連的在套中15中的隔板20，21及22進行加熱。這樣，當氣體被迫沿套15的豎向壁段17A和17B上、下循環最后出去到達通道25及噴嘴26的過程中，會將引入套的下進口段16的冷氣體或室溫氣體的溫度提高到與熱油28一樣的溫度。
經氣體導管13引入的冷氣體對于熱液體的溫度基本沒有冷卻作用，因為例如油這樣的液體的每°F的熱容量是相同容積的例如氮氣的氣體的熱容量的幾千倍。
本發明的新穎的氣體噴射和加熱元件10經濟且效率高，因為，它采用液體的熱量使氣體迅速加熱，因此，在將氣體引入盛有熱油的容器之前不需采用耗資的外部加熱裝置來予熱外部的供氣。另外，外部加熱及供氣系統要求采用絕緣裝置以減少熱損失，而在本發明的內部的用油加熱的系統中，氣體在現場被加熱到油的溫度，因此，氣體的熱損失是不可能的，而這又增加了優點，即避免了氣體的過熱，而氣體的過熱是危險的并會引起液體的局部過熱。某些液體食用油在約530°F以上的溫度下會迅速變質和/或分解。
對于本行業的普通技術人員來講進行下列行為是輕而易舉的事，即本發明圖示的氣體噴射和加熱元件10可代之以其它的可浸沒的熱交換裝置，這種裝置可使從進口進入的封閉氣體循環，即使其經過浸入熱液體的長蛇管，蜂窩狀結構，迷宮或其它遷回的熱交換管，使氣體加熱到液體的溫度，然后使氣體以熱氣的抗膨脹的小氣泡的形式噴入出口室的液體中(出口室與進口隔開)。例如，可采用纏緊的銅管豎向蛇形管使氣體循環，使其向上，然后向下到達下部的噴嘴裝置，噴嘴裝置釋放出被加熱氣體的小氣泡，使其向上經過產生液體循環路徑的蛇管的中心，其情況類似于由圖1裝置的管套15所產生的情況。
應當理解，前述僅為本發明的描述。本領域的普通技術人員還可設計出各種變型和改進而不脫離本發明，因此，本發明是要包括所有屬于附后權利要求的保護范圍的這樣的變型，改進。
權利要求
1.通過增加熱液體和氣體之間的界面傳遞面積來提高氣泡進入與之反應的熱液體效率的方法，它包括將該氣體引入浸于加熱至高溫的液體的熱交換套中，通過由該液體至該氣體的熱交換使該氣體加熱至所述的高溫；將該加熱氣體的小氣泡釋放入與之相互反應的該熱液體中，該小氣泡可抵抗其體積的熱膨脹及在該熱液體溫度下其質量傳遞液體界面區域的有效減少。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于它包括在氣體釋放區域探測氣體在該熱交換套中的溫度；控制氣體流動速率，以便使釋放氣體的溫度與液體的溫度相同。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，它包括使通過該熱交換套的該熱液體產生一個連續的再循環路徑；將該氣體的小氣泡釋放入該再循環的路徑中。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于其中該熱交換套是一帶有芯部的豎向管套，該芯部向從其中通過的循環液體敞開，它包括在該管套的底部將該小氣泡釋放入在該管套的芯部中的熱液體中，以產生該液體通過該芯部的向上的循環及通過該芯部的連續的液體再循環。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于它包括使該氣體通過在該熱交換套中的盤旋通道循環，以便增長氣體在其內的停留時間。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于它包括向該熱交換套提供吸收熱液體的熱量并將熱量傳給在套中循環的該氣體的金屬裝置。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于它包括向該套提供金屬隔板及從套向該熱液體延伸的肋片。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于它包括將諸如球狀或小顆粒的金屬粒狀填充物引入該套中，并使該氣體通過該填充物而循環，以改善熱傳導。
9.一種氣體噴射和加熱裝置，用于浸入熱液體中，以便盛有氣體并將氣體加熱至熱液體的溫度，然后將氣體釋放入液體中，它包括一個長長的熱交換氣體的容器，該容器有大的表面面積，以便將其內浸有該裝置的熱液體的熱量傳給引入該容器的氣體，該容器有一進口，用于引入通過該長長的容器而循環和加熱的氣體，和一個與該進口隔開的噴嘴，用于將被加熱的氣體以抗膨脹的小泡的形式釋放入該熱液體中。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于該長長的容器包括一豎向氣體管套，該管套包圍著一個管芯，當該裝置浸于熱液體中時該管芯適于熱液體在其內的循環，另外，該噴嘴位于該豎向管套的底部，使該被加熱的氣體釋放，向上通過該管芯，以產生該熱液體向上通過該管芯的連續的再循環。
11.根據權利要求10所述的裝置，其特征在于其中，該豎向管套包括形成一個豎向室環狀氣體容器的內，外壁用于向該套供應氣體的在該容器底部的氣體進口裝置；使氣體從該進口裝置至該管套頂部循環一次或多次并使其向下至該噴嘴裝置的裝置，該噴嘴裝置將氣體從該管套的頂部向下吸并將其作為熱的小氣泡釋放出來向上通過該管芯。
12.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，它還包括與該噴嘴相聯的溫度探測裝置，用于僅當在該噴嘴處的氣體溫度達到予定值時才使該噴嘴工作。
13.根據權利要求11所述的裝置，其特征在于其中，該環狀氣體容器包裝豎向徑向金屬隔板，該隔板與豎向徑向金屬傳熱片傳熱相聯，該傳熱片伸入該管芯中，將在該芯部中的液體的熱量傳給在該容器中的氣體。
14.根據權利要求11所述的裝置，其特征在于其中，該環狀氣體容器包括諸如球狀或顆粒狀的顆粒金屬填充物，氣體通過填充物循環，以改善熱傳導性能。
全文摘要
一種氣體噴射和加熱裝置及使泡體氣體進入與氣體反應的熱液體中的方法。該裝置包括一長長的熱交換氣體容器，用于浸入熱液體中，使氣體通過與液體的熱交換在現場預熱。將冷氣體供給該長長的氣體容器，通過容器循環變熱，達到與液體一樣的溫度，然后，以熱的小氣泡的形式從一噴嘴中釋放入液體的深處，小氣泡有大的液體界面質量傳遞面積。
文檔編號B01F3/04GK1117403SQ9510520
公開日1996年2月28日 申請日期1995年4月24日 優先權日1994年4月25日
發明者A·T·Y·鄭 申請人:普拉塞爾技術有限公司