[发明专利]气－液交叉流自由表面传热传质的方法与装置

说明书

技术领域本发明涉及一种气-液交叉流自由表面传热传质的方法与装置，具有各种组成与不同温度的溶液在重力作用下展开为自由表面流，与气流直接接触除尘和传热传质。

背景技术现有气-液直接接触的气体净化与传热传质技术，当气体为连续相时气-液接触的方法主要有三类：填料塔与喷淋塔、喷雾塔、降膜与升膜。气液两相在接触表面上传热传质伴随着动量传递，由之引起气相阻力损失和雾沫夹带，这两个问题是影响气-液直接接触传热传质效率的主要因素。当液相介质容易析出结晶或本身就含颗粒杂质时，上述依赖填料表面或壁面的气-液直接接触传热传质，还会产生堵塞而严重影响操作。

发明内容本发明公开一种气-液交叉流自由表面传热传质的方法与装置，目的是使气体净化或气液两相传热传质操作可以在-15℃～380℃的任何溶液与气相介质之间进行、气液操作空间内无固体元件、不产生堵塞，液体连续流动保持连续的自由表面、不产生雾沫夹带，气体以低于4.0米/秒的流速交叉流过溶液自由表面其流动阻力低于100Pa/每米长流道。采用本方法可以产生的自由比表面积在100～800平方米/每立方米溶液，气体所含的细粒状物质被液体表面粘附，气-液两相蒸发冷凝传热传质每平方米自由表面每小时传质量在5～20千克之间，通过传质气体得到净化、溶液得到增浓。

本发明主要发明思想是：利用重力作用使溶液分散形成规则分布的、具有高的自由表面积的连续柱状流动，气体则在与液体流动相垂直的方向形成规则的交叉流动，由流动产生的气液两相直接接触表面上既有正对气流的法向动量传递、又有气体绕流的切向动量传递、还有液体流动方向上的切向动量传递，因此具有良好的气体净化和传热传质特征，由于气液两相的流动均被控制在滞流范围，其自由接触表面保持连续性避免雾沫夹带、并且气体的流动阻力很低从工程的角度可以忽略不计。

本发明技术要点是：根据容器内的溶液在静液柱压力推动下通过孔口的流动原理(见：朱家骅等编，《化工原理(上)》，科学出版社，2005年第二版，pp.122～123)，在装置上部水平安置液体分布器，溶液在分布器内维持3～10毫米高的静液柱并通过分布器上开的直径3～8毫米的圆孔后由上至下形成不与任何固体壁面相接触的自由表面柱状流、流速在每秒0.3～1.5米之间、雷诺数小于2000保持光滑连续的自由表面、穿过防溅孔流入装置下部的受液盘收集并由连接管道引出装置。由矩形多孔板构成的分布器，板上的开孔布置为垂直于气流方向上同一排开孔数10～200、相邻两孔中心线距离为1.5～2.5倍孔径，顺气流方向上相邻两排的距离为3～4倍孔径。由圆形多孔板构成的分布器，板上的开孔为同心圆环布置，同一环上相邻两孔中心线距离为1.5～2.5倍孔径、相邻两同心圆环的径向距离为3～4倍孔径。

在包含有溶液自由表面柱状流的容积空间内，温度可以在-15℃～320℃范围内，气体流动空间占70％～95％，气体流动方式与溶液自由表面柱状流垂直交叉并直接接触，气体流速低于4米/每秒以保证气液接触表面处于连续的滞流状态，气液界面上不产生雾沫夹带，气体流动阻力低于100Pa/每米长流道。采用本方法产生的自由比表面积在100～800平方米/每立方米溶液，气体所含的细粒状物质被液体表面粘附，气-液两相蒸发冷凝传热传质每平方米自由表面每小时传质量为5～20千克。

由以上所述发明技术要点构成的气-液交叉流自由表面传热传质的方法和基本操作单元，可以进行并联或串联组装，并联可以扩大液体和气体的流通面积适应大流量要求，串联可以增加接触时间以适应大的传热传质量要求，串联时气体折流实现多程交叉流。

附图说明  图1是本发明提供的2层串联矩形气-液交叉流自由表面传热传质装置示意图，图中虚线箭头代表溶液柱状流方向，与气流垂直交叉。

图2是本发明提供的矩形多孔板分布器开孔布置，H代表孔距为1.5～2.5倍孔径，L代表排距为3～4倍孔径。

图3是本发明提供的轴对称型液体单程气体2程气-液交叉流自由表面传热传质装置示意图，图中虚线箭头代表溶液自由表面柱状流方向，气流2次变向交叉流动。

图4是本发明提供的圆形多孔板分布器开孔布置，Hr代表孔距为1.5～2.5倍孔径，Lr代表环距为3～4倍孔径。

具体实施方式  以下结合实施例阐述具体实施方式

实施例1：磷酸与硝酸钙混合水溶液结晶分离。采用液体单程气体2程圆形气-液交叉流自由表面传热传质装置，容器直径1.8米总高3米、1/2高处设外环形档圈，分布器直径1米，开直径3毫米小孔，孔距Hr＝6毫米，环距Lr＝10毫米。