一种气-液-液撞击流超重力装置、系统及控制方法

1.本发明属于超重力化工过程强化的技术领域，具体公开了一种气-液-液撞击流超重力装置、系统及控制方法。


背景技术：

2.超重力技术是化工过程强化技术之一，为流体提供了超重力场，形成了微纳级尺度的流体微元，实现快速接触及传质。依托于旋转填料床(旋转填充床)装置，将液体在巨大的剪切力作用下被拉伸或撕裂形成细小的液丝、液滴、液膜，在高速旋转条件下，可将液相流体雾化，大大增加了液体的比表面积，从而强化液体的传质过程，被广泛应用于反应和萃取、吸收、吸附、精馏等多相分离、蒸发结晶、加热等化工单元操作过程。
3.超重力装备可分为用于气-液两相传质的多种旋转填料床、用于液-液混合传质和液-液-固催化反应过程的撞击流旋转填料床，以及各种流动形态的超重力设备，如螺旋式、折流式、镶嵌式旋转填料床。根据气液接触方式分为错流、逆流、并流，按填料层的数量可分为单级、两级、多级，按填料层旋转方向可分为卧式、立式。
4.中北大学刘有智教授提出的撞击流旋转填料床是将撞击流技术与旋转填料床相耦合，利用两股高速射流相向撞击，经撞击混合后形成的撞击雾面沿径向进入旋转填料床内侧，混合较弱的撞击雾面边缘在旋转填料床中得到进一步混合。
5.现有超重力装置可以实现气-液、液-液、气-液-固、液-液-固的接触混合，例如中国专利cn104226202a公布的撞击流结构以及撞击流旋转填料床、cn104226203b公布的三喷嘴撞击流结构以及三喷嘴撞击流—旋转填料床装置、cn110026145b公布的一种超重力反应装置及其应用、cn108079752a公布的一种多级错流-逆流旋转填料床用液体分布器及其应用、cn104474996b公布的一种多级错流旋转填料床传质与反应设备、cn103463829b公布的一种气流逆向剪切旋转填料床传质与反应设备、cn113769684a公布的用于液-液非均相反应及产物两相分离过程高效耦合强化的超重力装置、cn106268285b公布的一种同步脱除二氧化碳和硫化氢气体的系统装置及方法、cn114849595a公布的一种超重力多相催化反应器装置及应用、cn107754495b公布的一种烟气净化的系统装置及其应用。
6.气-液-液三相的反应非常多，如羧化反应、聚合反应及其他生化反应和精细化学产品合成反应等。近年来气-液-液三相反应体系的应用及研究越来越多，研究者对气-液-液三相反应体系的研究主要致力于加入第二液相以大大提高气体在连续相中的传质速率。研究者发现第二相的加入能使气液传质的吸收速率增加1-4倍。《气-液-液三相催化氧化合成2，3，5-三甲基苯醌的反应网络及动力学研究》硕士学位论文报道了采用了多颈烧瓶为反应器装置进行三相催化氧化反应。气-液-液三相反应萃取过程是反应萃取集成系统的重要部分，博士学位论文《气-液-液反应萃取制备过氧化氢基础研究》报道了在萃取过程中通入气体，可以在塔设备中实现搅拌扰动，可以强化液-液相间传质，从而提高萃取效率，气液液三相萃取总板效率是普通液-液两相萃取的2倍左右。进一步发展，气体不仅作为扰动源，也可以作为反应物质，实现同步进行反应和萃取过程，气-液-液三相反应萃取过程要比液-液
两相反应萃取过程复杂的多，系统包括气-液传递过程、气-液反应过程和液-液传递过程。气-液-液、气-液-液-固的同时混合快速接触传质的装置设备较少。直接在撞击流旋转填料床上设置气体进口和出口，气体的流动路径是不规则的，气体的利用率较低，不适用于多相反应过程。现有撞击流超重力装置是两股液体对撞，对撞对于液液传质反应效果是最好的，但是导致形成的撞击面小且单一，流动速度的损耗大，不适用于大尺寸装置，易堵塞喷嘴孔，而且对撞不利于液相与气体接触，不适用于气-液-液的传质和反应。


技术实现要素：

7.基于现有撞击流超重力装置存在的缺陷，本发明提供一种气-液-液撞击流超重力装置，适用于气-液-液和气-液-液-固多相反应，在特殊气体氛围保护下的液-液两相的快速混合、传质和(催化)反应，以及极易放热或吸热的剧烈快速反应，并基于上述气-液-液撞击流超重力装置提供配套的系统和控制方法。
8.本发明提供一种气-液-液撞击流超重力装置，包括外壳、填料层、驱动元件、环形液体分布器、上液体进口、下液体进口、液体出口、气体进口和气体出口；填料层包括上填料层和下填料层，均位于外壳内；上填料层包括上挡板和上填料圆环柱；上填料圆环柱的上表面与上挡板的下表面固定相接，上挡板和上填料圆环柱同轴设置；下填料层包括下挡板和下填料圆环柱；下挡板与上挡板同轴设置；下填料圆环柱的下表面与下挡板的上表面固定相接，下挡板和下填料圆环柱同轴设置；上填料圆环柱和下填料圆环柱交错嵌套；上下两组填料层中的一组固定在外壳内，一组由驱动元件驱动旋转；或两组填料层均由驱动元件驱动同向或反向旋转，同速旋转或差速旋转；环形液体分布器包括上环形液体分布器和下环形液体分布器，均位于最内层填料圆环柱内，与填料层同轴设置，分别与上液体进口和下液体进口连通，相对面上设置有液体喷射通道，液体喷射通道为沿圆周均匀分布的圆孔或线状开孔；上环形液体分布器和下环形液体分布器的液体喷射通道上下对应，且均向环形液体分布器外边缘倾斜；液体由环形液体分布器喷出穿过填料圆环柱，由液体出口引出外壳；气体由气体进口引入外壳穿过填料圆环柱，经过最内层填料圆环柱的圆柱内腔由气体出口引出，气体与液体在填料圆环柱处逆流；或气体由气体进口引入外壳经过最内层填料圆环柱的圆柱内腔，穿过填料圆环柱由气体出口引出，气体与液体在填料圆环柱处并流。
9.进一步地，上挡板为圆盘结构，同心设置有至少一圈上环形凹槽和至少一圈上环形凸台，上环形凹槽和上环形凸台交错设置；下挡板为圆盘结构，同心设置有至少一圈下环形凹槽；上填料圆环柱的上表面与上环形凹槽的底板下表面固定相接，与下环形凹槽相对的上填料圆环柱的下表面嵌入下环形凹槽内；下填料圆环柱的上表面嵌入上环形凸台内。
10.进一步地，下环形凹槽的侧壁上设置有排液孔；液体出口穿过外壳，位于下填料层的下方。
11.进一步地，上述气-液-液撞击流超重力装置，还包括上连接轴和下连接轴；上连接轴穿过外壳与上挡板连接；下连接轴穿过外壳与下挡板连接；上液体进口穿过上连接轴，上液体进口、上连接轴和上填料层同轴设置；下液体进口穿过下连接轴，下液体进口、下连接轴和下填料层同轴设置；气体进口穿过外壳且与填料圆环柱垂直，气体出口穿过连接轴和液体进口之间的环形空间且与环形空间同轴设置；或气体进口穿过连接轴和液体进口之间的环形空间且与环形空间同轴设置，气体出口穿过外壳且与填料圆环柱垂直。
12.进一步地，驱动元件为电机；可旋转的填料层对应的连接轴由电机驱动旋转，与外壳密封转动连接，与液体进口、气体进口、气体出口密封转动连接。
13.进一步地，固定在外壳内的填料层对应的挡板直接固定在外壳内壁上或通过挡板架悬空设置在外壳内；挡板架为圆筒结构，一端与外壳内壁固定，一端与挡板固定，封闭式隔离挡板架内侧与外侧空间；固定在外壳内的填料层对应的连接轴与外壳密封连接，与液体进口、气体进口、气体出口密封连接。
14.进一步地，外壳为圆柱结构；填料层中的挡板与外壳的圆形端面平行；上挡板中，位于最外侧的上环形凹槽或上环形凸台的侧壁垂直向外伸出形成遮檐，遮檐位于上环形凸台的顶板下方。
15.本发明提供一种气-液-液撞击流超重力系统，包括气体缓存罐、风机、气体流量计、液体储存罐ⅰ、泵ⅰ、液体流量计ⅰ、液体储存罐ⅱ、泵ⅱ、液体流量计ⅱ、液体储存罐ⅲ、阀ⅲ以及上述气-液-液撞击流超重力装置；气体缓存罐与风机的进口连接，风机的出口与气体流量计的进口连接，气体流量计的出口与气体进口连接；液体储存罐ⅰ与泵ⅰ的进口连接，泵ⅰ的出口与液体流量计ⅰ的进口连接，液体流量计ⅰ的出口与上液体进口连接；液体储存罐ⅱ与泵ⅱ的进口连接，泵ⅱ的出口与液体流量计ⅱ的进口连接，液体流量计ⅱ的出口与下液体进口连接；液体出口与阀ⅲ的进口连接，阀ⅲ的出口与液体储存罐ⅲ连接。
16.本发明提供上述气-液-液撞击流超重力系统的控制方法，通过调节变频器控制气-液-液撞击流超重力装置中填料层的转速，气体经过气体流量计并控制其流量，经过气体进口进入填料圆环柱；两种液体分别经过液体流量计并控制其流量，分别经过上下液体进口进入上下环形液体分布器，两种液体进行倾斜撞击，气相与两种液体进行第一次接触混合，形成大于环形液体分布器直径的圆环状的撞击面，且以预设速度向外缘分散进入填料圆环柱；气体与两种液体在填料圆环柱进行多次接触混合和分散；气相由气体出口排出，液相由液体出口排出。
17.进一步地，通过控制环形液体分布器上液体喷射通道的大小和倾斜角度以及两种液体的流量，使两种液体在倾斜撞击后的流动速度方向和撞击面均与填料圆环柱径向方向平行。
18.本发明具有以下有益效果：
19.1、上述气-液-液撞击流超重力装置，实现处理气-液-液和气-液-液-固(随液体进入装置的固体、在装置中反应生成的固体或装入填料内的催化剂固体)多相混合传质或传热的过程，实现了气液逆流或并流接触方式且流动路径的控制；
20.2、改进了填料层结构，上填料圆环柱和下填料圆环柱交错嵌套，气体和液体穿过填料圆环柱时，相邻两层填料圆环柱之间气体和液体穿过会重新进入下一填料圆环柱，多次改变气体和液体的速度和分散状态，提高了气体利用率，增大气体的湍流和扰动程度，增加气液传质的端效应，进一步强化了气液的传质和反应过程；
21.3、挡板采用凹凸结构，在高速旋转和曲折空间的条件下，上挡板与下填料圆环柱之间、下挡板与上填料圆环柱之间会的气压高于填料圆环柱内的气压，形成气密封，可改善气体短路泄露的问题；
22.4、液体喷射通道向环形液体分布器外边缘倾斜，使环形液体分布器形成的撞击液面位于液体喷射通道的一侧，距离较远，可以避免堵塞液体喷射通道；可形成良好的撞击效
果，形成的撞击面和处理的液体流量远远大于现有液体分布器的对撞情况，更适用于大型设备和处理液量较大的工况；撞击面和液体速度方向与填料圆环柱径向方向平行，流动速度比现有液体分布器形成流动速度大，撞击产生损耗较小，可以以较大的速度流动至填料层；
23.5、所述的填料层的填料圆环柱包含各类化工填料和催化剂，丰富了超重力装置的填料结构，拓宽了超重力装置的适用范围。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为气-液-液撞击流超重力装置的结构示意图(上下填料层均旋转，气液逆流)；
26.图2为气-液-液撞击流超重力装置的结构示意图(上填料层固定，下填料层旋转，气液并流)；
27.图3为上挡板的主视图；
28.图4为图3的仰视图；
29.图5为下挡板的主视图；
30.图6为图5的俯视图；
31.图7为图5中下环形凹槽的主视图；
32.图8为图7的俯视图；
33.图9为环形液体分布器的主视图；
34.图10为图9的仰视图；
35.图11为气-液-液撞击流超重力系统的结构示意图。
36.图中：1-外壳；2.1.1-上挡板；2.1.2-上填料圆环柱；2.1.3-上环形凹槽；2.1.4-上环形凸台；2.1.5-遮檐；2.2.1-下挡板；2.2.2-下填料圆环柱；2.2.3-下环形凹槽；2.2.4-排液孔；3-电机；4.1-上环形液体分布器；4.2-下环形液体分布器；4.3-液体喷射通道；5.1-上液体进口；5.2-下液体进口；6-液体出口；7-气体进口；8-气体出口；9.1-上连接轴；9.2-下连接轴；10-轴密封；11-气体缓存罐；12-风机；13-气体流量计；14-液体储存罐ⅰ；15-泵ⅰ；16-液体流量计ⅰ；17-液体储存罐ⅱ；18-泵ⅱ；19-液体流量计ⅱ；20-液体储存罐ⅲ；21-阀ⅲ；22-阀ⅰ；23-阀ⅱ。
具体实施方式
37.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.实施例1
39.本实施例提供一种气-液-液撞击流超重力装置，包括外壳1、填料层、驱动元件、环形液体分布器、上液体进口5.1、下液体进口5.2、液体出口6、气体进口7和气体出口8。
40.填料层包括上填料层和下填料层，均位于外壳1内；上填料层包括上挡板2.1.1和上填料圆环柱2.1.2；上填料圆环柱2.1.2的上表面与上挡板2.1.1的下表面固定相接，上挡板2.1.1和上填料圆环柱2.1.2同轴设置；下填料层包括下挡板2.2.1和下填料圆环柱2.2.2；下挡板2.2.1与上挡板2.1.1同轴设置；下填料圆环柱2.2.2的下表面与下挡板2.2.1的上表面固定相接，下挡板2.2.1和下填料圆环柱2.2.2同轴设置；上填料圆环柱2.1.2和下填料圆环柱2.2.2交错嵌套；上下两组填料层中的一组固定在外壳1内，一组由驱动元件驱动旋转；或两组填料层均由驱动元件驱动同向或反向旋转，同速旋转或差速旋转。
41.上挡板2.1.1为圆盘结构，同心设置有至少一圈上环形凹槽2.1.3和至少一圈上环形凸台2.1.4，上环形凹槽2.1.3和上环形凸台2.1.4交错设置；下挡板2.2.1为圆盘结构，同心设置有至少一圈下环形凹槽2.2.3；上填料圆环柱2.1.2的上表面与上环形凹槽2.1.3的底板下表面固定相接，与下环形凹槽2.2.3相对的上填料圆环柱2.1.2的下表面嵌入下环形凹槽2.1.3内，形成用于气密封的环形空间，其余上填料圆环柱2.1.2的下表面与下挡板2.2.1的上表面相对；下填料圆环柱2.2.2的上表面嵌入上环形凸台2.1.4内，形成用于气密封的环形空间。
42.为了保证气密封的效果，下挡板2.2.1与最外侧上填料圆环柱2.1.2对应的位置设置有下环形凹槽2.2.3，其余位置可不设置下环形凹槽2.2.3。
43.环形液体分布器包括上环形液体分布器4.1和下环形液体分布器4.2，均位于最内层填料圆环柱内，与填料层同轴设置，分别与上液体进口5.1和下液体进口5.2连通，相对面上设置有液体喷射通道4.3，液体喷射通道4.3为沿圆周均匀分布的圆孔或线状开孔；上环形液体分布器4.1和下环形液体分布器4.2的液体喷射通道4.3上下对应，且均向环形液体分布器外边缘倾斜，使得上下液体倾斜撞击，呈圆环面向外缘水平流动，流动至填料层内缘。
44.液体由环形液体分布器喷出穿过填料圆环柱，由液体出口6引出外壳1。
45.本装置可实现气体与液体的逆流或并流：气体由气体进口7引入外壳1穿过填料圆环柱，经过最内层填料圆环柱的圆柱内腔由气体出口8引出，气体与液体在填料圆环柱处逆流；或气体由气体进口7引入外壳1经过最内层填料圆环柱的圆柱内腔，穿过填料圆环柱由气体出口8引出，气体与液体在填料圆环柱处并流。
46.下环形凹槽2.2.3的侧壁上设置有排液孔2.2.4，排液孔2.2.4可设置为圆孔、横向线状开口或纵向线状开口；液体出口6穿过外壳1，位于下填料层的下方。
47.上述气-液-液撞击流超重力装置，还包括上连接轴9.1和下连接轴9.2；挡板设置有中心孔，上挡板2.1.1的中心孔平面可以是上环形凹槽2.1.3的底板，或上环形凸台2.1.4的顶板，或连接上环形凹槽2.1.3和上环形凸台2.1.4的侧壁；上连接轴9.1穿过外壳1与上挡板2.1.1的中心孔连接；下连接轴9.2穿过外壳1与下挡板2.2.1的中心孔连接；上液体进口5.1穿过上连接轴9.1与上环形液体分布器4.1连接，上液体进口5.1、上连接轴9.1和上填料层同轴设置；下液体进口5.2穿过下连接轴9.2与下环形液体分布器4.2连接，下液体进口5.2、下连接轴9.2和下填料层同轴设置；气体进口7穿过外壳1且与填料圆环柱垂直，气体出口8穿过连接轴和液体进口之间的环形空间且与环形空间同轴设置，气体与液体在填料圆环柱处逆流；或气体进口7穿过连接轴和液体进口之间的环形空间且与环形空间同轴设置，气体出口8穿过外壳1且与填料圆环柱垂直，气体与液体在填料圆环柱处并流。
48.驱动元件为电机3；可旋转的填料层对应的连接轴由电机3驱动旋转，与外壳1密封转动连接，与液体进口、气体进口7、气体出口8密封转动连接。可旋转的填料层对应的挡板与连接轴之间可通过圆环连接。
49.固定在外壳1内的填料层对应的挡板直接固定在外壳1内壁上或通过挡板架悬空设置在外壳1内；挡板架可采用内外两个圆环，内圆环连接挡板的中心孔和连接轴，外圆环连接挡板的外边缘和外壳1；挡板架可采用圆筒结构，一端与外壳1内壁固定，一端与挡板固定，封闭式隔离挡板架内侧与外侧空间；固定在外壳1内的填料层对应的连接轴与外壳1密封连接，与液体进口、气体进口7、气体出口8密封连接。
50.当上下两组填料层均旋转时，连接轴与液体进口、气体进口7、气体出口8密封转动连接有以下几种情况：
51.气体与液体在填料圆环柱处逆流，气体出口8在上下两侧环形空间中择一穿过，则该侧连接轴与气体出口8密封转动连接，另一侧连接轴与液体进口密封转动连接；
52.气体与液体在填料圆环柱处逆流，气体出口8分别穿过上下两侧环形空间，则上下两侧连接轴均与气体出口8密封转动连接；
53.气体与液体在填料圆环柱处并流，气体进口7在上下两侧环形空间中择一穿过，则该侧连接轴与气体进口7密封转动连接，另一侧连接轴与液体进口密封转动连接；
54.气体与液体在填料圆环柱处并流，气体进口7分别穿过上下两侧环形空间，则上下两侧连接轴均与气体进口7密封转动连接。
55.当一组填料层均旋转，一组填料层固定时，连接轴与液体进口、气体进口7、气体出口8连接有以下几种情况：
56.气体与液体在填料圆环柱处逆流，气体出口8在上下两侧环形空间中择一穿过，且该侧环形空间对应的连接轴旋转，则该侧连接轴与气体出口8密封转动连接，另一侧连接轴与液体进口密封连接；
57.气体与液体在填料圆环柱处逆流，气体出口8在上下两侧环形空间中择一穿过，且该侧环形空间对应的连接轴固定，则该侧连接轴与气体出口8密封连接，另一侧连接轴与液体进口密封转动连接；
58.气体与液体在填料圆环柱处逆流，气体出口8分别穿过上下两侧环形空间，则旋转的连接轴与气体出口8密封转动连接，固定的连接轴与气体出口8密封连接；
59.气体与液体在填料圆环柱处并流，气体进口7在上下两侧环形空间中择一穿过，且该侧环形空间对应的连接轴旋转，则该侧连接轴与气体进口7密封转动连接，另一侧连接轴与液体进口密封连接；
60.气体与液体在填料圆环柱处并流，气体进口7在上下两侧环形空间中择一穿过，且该侧环形空间对应的连接轴固定，则该侧连接轴与气体进口7密封连接，另一侧连接轴与液体进口密封转动连接；
61.气体与液体在填料圆环柱处并流，气体进口7分别穿过上下两侧环形空间，则旋转的连接轴与气体进口7密封转动连接，固定的连接轴与气体进口7密封连接。
62.上述密封均采用轴密封10。
63.本实施例中上填料层静止或旋转，下填料层旋转。
64.外壳1为圆柱结构；填料层中的挡板与外壳1的圆形端面平行；上挡板2.1.1中，位
于最外侧的上环形凹槽2.1.3或上环形凸台2.1.4的侧壁垂直向外伸出形成遮檐2.1.5，遮檐2.1.5位于上环形凸台2.1.4的顶板下方，用于限制气液混合物被填料圆环柱甩出的范围，当气体与液体在填料圆环柱处逆流，还可改善气体直接进入上环形凸台2.1.4和下填料圆环柱2.2.2之间环形空间的问题。
65.填料圆环柱包含各类化工填料和固体催化剂。
66.实施例2
67.本实施例提供一种气-液-液撞击流超重力系统，包括气体缓存罐11、风机12、气体流量计13、液体储存罐ⅰ14、泵ⅰ15、液体流量计ⅰ16、液体储存罐ⅱ17、泵ⅱ18、液体流量计ⅱ19、液体储存罐ⅲ20、阀ⅲ21以及上述气-液-液撞击流超重力装置；气体缓存罐11与风机12的进口连接，风机12的出口与气体流量计13的进口连接，气体流量计13的出口与气体进口7连接；液体储存罐ⅰ14与泵ⅰ15的进口连接，泵ⅰ15的出口与液体流量计ⅰ16的进口连接，液体流量计ⅰ16的出口与上液体进口5.1连接；液体储存罐ⅱ17与泵ⅱ18的进口连接，泵ⅱ18的出口与液体流量计ⅱ19的进口连接，液体流量计ⅱ19的出口与下液体进口5.2连接；液体出口6与阀ⅲ21的进口连接，阀ⅲ21的出口与液体储存罐ⅲ20连接。
68.泵ⅰ15和液体流量计ⅰ16之间设置有阀ⅰ22，泵ⅱ18和液体流量计ⅱ19之间设置有阀ⅱ23。
69.上述气-液-液撞击流超重力系统的控制方法如下所述：通过调节变频器控制气-液-液撞击流超重力装置中填料层的转速，气体经过气体流量计13并控制其流量，经过气体进口7进入填料圆环柱；两种液体分别经过液体流量计并控制其流量，分别经过上下液体进口进入上下环形液体分布器，两种液体进行倾斜撞击，气相与两种液体进行第一次接触混合，形成大于环形液体分布器直径的圆环状的撞击面，且以预设速度向外缘分散进入填料圆环柱；气体与两种液体在填料圆环柱进行多次接触混合和分散，被填料圆环柱多次改变速度和分散状态，增大气体的湍流程度，增加气液传质的端效应，强化气液的传质和反应过程；气相由气体出口8排出，液相由液体出口6排出。
70.通过控制环形液体分布器上液体喷射通道4.3的大小和倾斜角度以及两种液体的流量，使两种液体在倾斜撞击后的流动速度方向和撞击面均与填料圆环柱径向方向平行。
71.上述系统及其控制方法适用于气-液-液多相的反应、吸收、吹脱等化工单元操作以及同步进行的过程；适用于在特殊气体氛围保护下的液-液两相的反应、萃取、结晶、混合等化工单元操作；适用于气液反应同时液体换热的过程。
72.实施例3
73.将催化剂水相cucl2和fecl3金属盐水溶液作为第一液体、油相含2,3,6-三甲基苯酚(tmp)的正己醇溶液作为第二液体，两液体分别由液体进口通入气-液-液撞击流超重力装置中，两液相撞击形成圆环状液面，完成第一次接触；液体分散到填料圆环柱，被高速旋转的填料剪切，不断分散聚并，由内缘流动至外缘飞出，完成第二次接触；氧气作为氧化剂由气体进口7进入填料圆环柱内部，气体与两种液体在第一、二次接触过程中快速接触传质并反应，混合液体由液体出口6流出，气体由气体出口8流出，实现气-液-液催化氧化合成2,3,5-三甲基苯醌(tmq)过程。
74.实施例4
75.将含四水合硝酸钙(ca(no3)2·
4h2o)的无水乙醇作为第一液体、含磷酸氢二按
((nh4)2hpo4)的水溶液作为第二液体，两液体分别由液体进口通入气-液-液撞击流超重力装置中，两液相撞击形成圆环状液面，完成第一次接触；液相进入填料圆环柱内部不断分散聚并，进行第二次接触；含氨气的气体由气体进口7进入填料圆环柱内部，气体与两种液体在第一、二次接触过程中快速接触传质并反应，气体由气体出口8流出，混合液体由液体出口6流出，在室温下搅拌混合液2h，陈化24h，用无水乙醇和去离子水反复洗涤产物，60℃的真空干燥箱中干燥12h，经研磨获得纳米介孔羟基磷灰石(ha)，实现气-液-液沉淀法制备介孔羟基磷灰石。
76.实施例5
77.将氢化蒽醌工作液作为第一液体、去离子水作为第二液体，两液体分别由液体进口通入气-液-液撞击流超重力装置中，两液相撞击形成圆环状液面，完成第一次接触；液体在填料圆环柱内部多次分散聚并，完成第二次接触；氧气(空气)由气体进口7进入填料圆环柱内部，气体与两种液体在第一、二次接触过程中快速接触传质和反应、萃取过程，氢化蒽醌工作液被氧气氧化生成过氧化氢(h2o2)，过氧化氢原位直接由油相萃取到水相，混合液体由液体出口6流出，气体由气体出口8流出，实现了氧气-氢化蒽醌工作液-水相三相反应原位萃取过程。含氧气体既是反应物之一，又作为扰动介质。由于气体的搅动作用，增大了液-液相间接触面积、传质速率，从而提高了萃取效率，同时生成的过氧化氢产品被及时从反应过程中移出，从而使反应和萃取两个过程都得到了强化。
78.实施例6
79.甲苯的单硝化制备mnt是复杂的液一液两相反应，反应过程剧烈放热，多级串联釜式硝化工艺的反应物分散均匀需要较长时间，停留时间较长、且持液量大，易产生局部热点影响产品质量，生成络合物或二硝基甲苯(dnt)及多硝基酚，造成精馏、洗涤过程中碱液及水、耗能等处理成本较高的问题。采用气-液-液撞击流超重力装置，甲苯为第一液体，硝酸溶液为第二液体，低温氮气作为保护和换热气体，可以实现小批量生产、快速移热、快速均匀分散和反应，减少了杂质的生成，大大提高了生产的安全性。
80.实施例7
81.配置ph＝2、0.05mol/l的feso4溶液作为第一液体，0.2mo1/l的h2o2溶液作为第二液体，液体流量均为15l/h，分别从两个进液口注入气-液-液撞击流超重力装置；设置上下填料层的转速为1400r/min，逆向旋转；no含量500ppm的气体通入到装置中，气体流量100l/h；气体与两种液体在第一、二次接触过程中快速接触传质并反应，混合液体由液体出口6流出，气体由气体出口8流出；采用红外分析仪在线监测气体出口no浓度，出口no浓度76ppm，脱除效率达到84.8％。
82.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种气-液-液撞击流超重力装置，其特征在于，包括外壳、填料层、驱动元件、环形液体分布器、上液体进口、下液体进口、液体出口、气体进口和气体出口；所述填料层包括上填料层和下填料层，均位于外壳内；所述上填料层包括上挡板和上填料圆环柱；所述上填料圆环柱的上表面与上挡板的下表面固定相接，上挡板和上填料圆环柱同轴设置；所述下填料层包括下挡板和下填料圆环柱；所述下挡板与上挡板同轴设置；所述下填料圆环柱的下表面与下挡板的上表面固定相接，下挡板和下填料圆环柱同轴设置；所述上填料圆环柱和下填料圆环柱交错嵌套；上下两组填料层中的一组固定在外壳内，一组由驱动元件驱动旋转；或两组填料层均由驱动元件驱动同向或反向旋转，同速旋转或差速旋转；所述环形液体分布器包括上环形液体分布器和下环形液体分布器，均位于最内层填料圆环柱内，与填料层同轴设置，分别与上液体进口和下液体进口连通，相对面上设置有液体喷射通道，液体喷射通道为沿圆周均匀分布的圆孔或线状开孔；所述上环形液体分布器和下环形液体分布器的液体喷射通道上下对应，且均向环形液体分布器外边缘倾斜；液体由环形液体分布器喷出穿过填料圆环柱，由液体出口引出外壳；气体由气体进口引入外壳穿过填料圆环柱，经过最内层填料圆环柱的圆柱内腔由气体出口引出，气体与液体在填料圆环柱处逆流；或气体由气体进口引入外壳经过最内层填料圆环柱的圆柱内腔，穿过填料圆环柱由气体出口引出，气体与液体在填料圆环柱处并流。2.根据权利要求1所述的气-液-液撞击流超重力装置，其特征在于，所述上挡板为圆盘结构，同心设置有至少一圈上环形凹槽和至少一圈上环形凸台，上环形凹槽和上环形凸台交错设置；所述下挡板为圆盘结构，同心设置有至少一圈下环形凹槽；所述上填料圆环柱的上表面与上环形凹槽的底板下表面固定相接，与下环形凹槽相对的上填料圆环柱的下表面嵌入下环形凹槽内；所述下填料圆环柱的上表面嵌入上环形凸台内。3.根据权利要求2所述的气-液-液撞击流超重力装置，其特征在于，下环形凹槽的侧壁上设置有排液孔；液体出口穿过外壳，位于下填料层的下方。4.根据权利要求1-3任一项所述的气-液-液撞击流超重力装置，其特征在于，还包括上连接轴和下连接轴；挡板设置有中心孔；所述上连接轴穿过外壳与上挡板的中心孔连接；所述下连接轴穿过外壳与下挡板的中心孔连接；上液体进口穿过上连接轴与上环形液体分布器连接，上液体进口、上连接轴和上填料层同轴设置；
下液体进口穿过下连接轴与下环形液体分布器连接，下液体进口、下连接轴和下填料层同轴设置；气体进口穿过外壳且与填料圆环柱垂直，气体出口穿过连接轴和液体进口之间的环形空间且与环形空间同轴设置；或气体进口穿过连接轴和液体进口之间的环形空间且与环形空间同轴设置，气体出口穿过外壳且与填料圆环柱垂直。5.根据权利要求4所述的气-液-液撞击流超重力装置，其特征在于，驱动元件为电机；可旋转的填料层对应的连接轴由电机驱动旋转，与外壳密封转动连接，与液体进口、气体进口、气体出口密封转动连接。6.根据权利要求5所述的气-液-液撞击流超重力装置，其特征在于，固定在外壳内的填料层对应的挡板直接固定在外壳内壁上或通过挡板架悬空设置在外壳内；所述挡板架为圆筒结构，一端与外壳内壁固定，一端与挡板固定，封闭式隔离挡板架内侧与外侧空间；固定在外壳内的填料层对应的连接轴与外壳密封连接，与液体进口、气体进口、气体出口密封连接。7.根据权利要求6所述的气-液-液撞击流超重力装置，其特征在于，外壳为圆柱结构；填料层中的挡板与外壳的圆形端面平行；上挡板中，位于最外侧的上环形凹槽或上环形凸台的侧壁垂直向外伸出形成遮檐，遮檐位于上环形凸台的顶板下方。8.一种气-液-液撞击流超重力系统，其特征在于，包括气体缓存罐、风机、气体流量计、液体储存罐ⅰ、泵ⅰ、液体流量计ⅰ、液体储存罐ⅱ、泵ⅱ、液体流量计ⅱ、液体储存罐ⅲ、阀ⅲ以及权利要求1-7任一项所述的气-液-液撞击流超重力装置；所述气体缓存罐与风机的进口连接，风机的出口与气体流量计的进口连接，气体流量计的出口与气体进口连接；所述液体储存罐ⅰ与泵ⅰ的进口连接，泵ⅰ的出口与液体流量计ⅰ的进口连接，液体流量计ⅰ的出口与上液体进口连接；所述液体储存罐ⅱ与泵ⅱ的进口连接，泵ⅱ的出口与液体流量计ⅱ的进口连接，液体流量计ⅱ的出口与下液体进口连接；液体出口与阀ⅲ的进口连接，阀ⅲ的出口与液体储存罐ⅲ连接。9.一种权利要求8所述的气-液-液撞击流超重力系统的控制方法，其特征在于，通过调节变频器控制气-液-液撞击流超重力装置中填料层的转速，气体经过气体流量计并控制其流量，经过气体进口进入填料圆环柱；两种液体分别经过液体流量计并控制其流量，分别经过上下液体进口进入上下环形液体分布器，两种液体进行倾斜撞击，气相与两种液体进行第一次接触混合，形成大于环形液体分布器直径的圆环状的撞击面，且以预设速度向外缘分散进入填料圆环柱；气体与两种液体在填料圆环柱进行多次接触混合和分散；气相由气体出口排出，液相由液体出口排出。10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，通过控制环形液体分布器上液体喷射通道的大小和倾斜角度以及两种液体的流量，使两种液体在倾斜撞击后的流动速度方向和撞击面均与填料圆环柱径向方向平行。

技术总结
本发明提供了一种气-液-液撞击流超重力装置、系统及控制方法，属于超重力化工过程强化的技术领域，包括外壳、填料层、驱动元件、环形液体分布器、上液体进口、下液体进口、液体出口、气体进口和气体出口。本发明适用于气-液-液和气-液-液-固多相反应，在特殊气体氛围保护下的液-液两相的快速混合、传质和(催化)反应，以及极易放热或吸热的剧烈快速反应。以及极易放热或吸热的剧烈快速反应。以及极易放热或吸热的剧烈快速反应。


技术研发人员：郭强 张程前 郭舒伟 刘有智 祁贵生 袁志国 张巧玲
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/9/7