本發(fā)明屬于氣液固三相接觸領(lǐng)域，尤其是涉及一種輕顆粒懸浮系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在過程工程及其它許多工業(yè)過程中，經(jīng)常需要用到多相流系統(tǒng)，包括氣-液、氣-固、液-固、氣-液-固等體系。并且，又常常要求在這些體系中，各相之間有著充分的接觸，以保證這類系統(tǒng)的效率。

以液固相系統(tǒng)為例，比如在某個液固化學反應(yīng)中，固體以顆粒的形式存在于連續(xù)的液體相中，其中至少部分反應(yīng)是在液固界面上進行的。為了提高液體與固體的反應(yīng)效率，就需要將固體顆粒盡量分散于液體中，使固體顆粒與液體有更大的接觸表面積。又比如在某個液相催化反應(yīng)中，固體催化劑以顆粒的形式存在于連續(xù)的液體相中，兩種或兩種以上的液體組份在固體顆粒(催化劑)的表面進行反應(yīng)。在這種情況下，為了提高液體間的催化反應(yīng)效率，也是需要將固體顆粒盡量分散于液體中，使被反應(yīng)的液體有更多的機會與固體顆粒表面進行接觸。如果這些反應(yīng)亦需要氣體相的參與者，亦可以將氣體充入，此時形成氣液固三相系統(tǒng)。又比如在某個吸附分離過程中，為了提高吸附效率，更需要將顆粒盡量分散于液體相中，使吸附劑有更多的機會與液體中溶質(zhì)接觸而發(fā)生吸附反應(yīng)。

在如上液固系統(tǒng)中，所涉及的固體顆粒一般均重于液體，因而在系統(tǒng)靜止時，顆粒將堆積在系統(tǒng)底部，不能自動上浮。為了使顆粒有效地分散在液體中，人們開發(fā)了一些有效的方法。比如通過強力攪拌，通過機械、液體或者氣體的強力射流，使至少一部分顆粒懸浮在混合體中。另一種有效的方法，就是利用固體流態(tài)化。該方法是將液體從系統(tǒng)的下部注入到液固系統(tǒng)中，形成向上的凈流體流動，導致系統(tǒng)中的顆粒，因液體向上流動所造成的曳力而被懸浮。此時，通過合理地調(diào)整液體流速，使液體流速高于最小流化速度而低最小夾帶速度，就可以有效地將顆粒比較均勻地分散在系統(tǒng)內(nèi)至少一部分空間內(nèi)。如果同時在系統(tǒng)的底部加入氣體，氣體的向上流動也可以提供額外的曳力，協(xié)助顆粒的懸浮。此時系統(tǒng)成為氣液固三相體系。

如果所涉及的固體顆粒輕于流體，在系統(tǒng)靜止時，顆粒將浮在系統(tǒng)的上表面而不會自動下沉。為了使顆粒有效地分散在液體中，除了通過強力攪拌，比如機械、液體或者氣體的強力射流，還可以采用逆向固體流態(tài)化的方法。該方法是將液體從系統(tǒng)的上部注入到液固系統(tǒng)中，形成向下的凈流體流動，導致系統(tǒng)中的顆粒，因液體向下流動所造成的曳力而被倒懸浮——一種因克服顆粒輕于液體而帶來的浮力的懸浮現(xiàn)象，有時又稱為逆向流態(tài)化。此時，通過合理地調(diào)整液體流速，使液體流速高于最小逆向流化速度而低最小逆向夾帶速度，亦可以有效地將顆粒比較均勻地分散在系統(tǒng)的至少一部分空間內(nèi)。但在此逆向流態(tài)化條件下，從上部同時加入氣體一般將沒有意義，因為氣體不會向下流動。

在上述兩類系統(tǒng)中，固體流態(tài)化方法雖然可以使顆粒比較有效地分散懸浮在液體相中(或者液體與氣體的混合相中)，但必須維持一定的液體流速，即最小流化速度。為此需要消耗能量，用來驅(qū)動如水泵等裝置，以維持較高的液體速度，因而導致不必要的能量損耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種輕顆粒懸浮系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，在液相中通入氣體，使氣液混合流體的平均比重下降，當混合流體的平均比重與輕顆粒接近或相當時，流體流動的少許攪動，即可使輕顆粒被分散在液相中，利于氣液固三相充分接觸，且節(jié)省能耗。

具體技術(shù)方案如下：

一種輕顆粒懸浮系統(tǒng)，其特征在于：包括氣液固三相區(qū)，所述氣液固三相區(qū)包括氣相、液相和固相，所述液相為連續(xù)相，所述固相為輕顆粒，所述輕顆粒的密度均一或非均一，所述輕顆粒的尺寸均一或非均一，所述氣相自下而上流動，所述輕顆粒分散于所述液相中，所述輕顆粒的密度小于所述液相密度。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：在液相中通入氣體，使輕顆粒分散于液相中，利于氣液固三相充分接觸，且節(jié)省能耗。

附圖說明

圖1為本發(fā)明輕顆粒懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)-圖2(d)為氣液固三相區(qū)中橫截面上設(shè)置一個或多個氣體分布器的型式示意圖；

圖3(a)-圖3(c)為氣液固三相區(qū)中垂直方向設(shè)置一個或多個氣體分布器的型式示意圖；

圖4(a)-圖4(d)為輕顆粒懸浮系統(tǒng)中管道與氣體分布器配合設(shè)置的示意圖；

圖5為輕顆粒在不同顆粒填裝高度下的最小流化氣速的變化。

具體實施方式：

為了更好的理解本發(fā)明的輕顆粒懸浮系統(tǒng)，下面結(jié)合圖1-5實例進行闡述。

在一個實施例中，本發(fā)明公開了一種輕顆粒懸浮系統(tǒng)，包括氣液固三相區(qū)，所述氣液固三相區(qū)包括氣相、液相和固相，所述液相為連續(xù)相，所述固相為輕顆粒，所述輕顆粒的密度小于所述液相密度。

在所述的液體連續(xù)相中放入輕顆粒，由于所述輕顆粒的密度低于所述液相密度，靜置時輕顆粒浮于液體的上部(系統(tǒng)的上部為自由界面)。液相可連續(xù)或間歇地從裝置上部或下部加入到系統(tǒng)中，若要保持液位恒定，可增設(shè)溢流堰或采用其他可實施性方案；氣體經(jīng)氣體分布器均勻分布后進入到體系中。隨著氣速的增大，使得氣液兩相流體的平均密度不斷下降，當其下降到與輕顆粒的密度接近或相當時，流體的輕微擾動即可使輕顆粒懸浮于系統(tǒng)中。由于所用的固體顆粒密度低于液相密度，若要使輕顆粒處于懸浮狀態(tài)，僅需克服液相對顆粒向上的浮力，因而很容易被流化，從而節(jié)省能量。

在該實施例中，所述液相作為連續(xù)相，用于分散所述固體輕顆粒，固體顆粒選用密度小于所述液相的輕顆粒，可在基本確保懸浮系統(tǒng)能夠維持的情況下有效地節(jié)省能量。

進一步的，在另一個實施例中，所述輕顆粒的密度均一或非均一，所述輕顆粒的尺寸均一或非均一，所述輕顆粒分散于所述液相中。當所述輕顆粒的密度小于所述液相密度時，如果氣相自下而上流動，那么使得氣相和液相混合后的流體密度下降到接近或等于輕顆粒的密度，流體的少許擾動便可使得所述輕顆粒懸浮于所述液相中。盡管密度可以非均一，但需要認識到：隨著輕顆粒密度的增大、最小流化速度隨之下降；隨著輕顆粒粒徑的增大，最小流化速度隨之增加。最小流化速度是指顆粒從部分懸浮至完全懸浮或接近完全懸浮的轉(zhuǎn)變速度。

選擇所述輕顆粒時，可以綜合考慮顆粒的材質(zhì)、形狀、密度、粒徑等等影響條件。一般可以選用聚乙烯、聚丙烯、發(fā)泡的聚苯乙烯、中空玻璃球等等。所述輕顆粒的形狀不定，可以是球形，橢球形，柱狀形，也可以是不規(guī)則多邊形等等。

選擇輕顆?？紤]顆粒直徑因素時，首選輕顆粒直徑小于10mm的輕顆粒，優(yōu)先選擇輕顆粒直徑小于5mm的輕顆粒，若所選擇的顆粒直徑越大，則顆粒的比表面積越小，同密度下的顆粒所需的最小流化速度越大，既不利于氣液固三相充分接觸又消耗能量。

在另一個實施例中：當氣相的氣速升高至臨界氣速時，至少部分所述輕顆粒開始被系統(tǒng)所懸浮。若要維持顆粒懸浮于系統(tǒng)中，應(yīng)確保足夠時間下，操作氣速是大于臨界氣速的狀態(tài)。

在另一個實施例中：所述輕顆粒的密度大于等于所述液相密度的80％且小于所述液相密度，所述輕顆粒的體積在所述氣液固三相區(qū)中的體積分率小于等于30％。對于該實施例而言，若所述輕顆粒的密度過小，則需要的所述氣相的量過大，維持懸浮狀態(tài)所需能耗就高。選擇輕顆?？紤]密度因素時首選密度大于等于所述液相密度的80％的輕顆粒，優(yōu)先選擇大于所述液相密度90％的輕顆粒。若輕顆粒的密度低于所述液相密度的80％，同等體積下所述輕顆粒與所述液相密度差過大，需要更大的動力才能克服輕顆粒本身的浮力，能耗過大，輕顆粒的密度與所述液相密度越接近，越容易在所述液相中懸浮。如果不在乎能耗，那么此處輕顆粒的密度可以放寬要求。

優(yōu)選的，所加入的輕顆粒的體積在所述氣液固三相區(qū)中的體積分率首選小于等于30％，若加入顆粒量越多，相對的，氣液兩相所占的體積分率也會降低，顆粒越不容易被完全懸浮，不利于氣液固三相充分接觸、傳質(zhì)。在另一些情況下，氣液兩相體積分率的減少會導致沒有足夠的氣液相與顆粒接觸。

更優(yōu)的，在另一個實施例中：在所述氣液固三相區(qū)中，所述氣相的體積分率小于等于25％。若所述的氣相體積分率過大，克服氣相對固相顆粒的曳力占很大的能耗，另外氣泡容易在體系中聚并形成大氣泡，容易造成顆粒分散不均，從而影響三相接觸反應(yīng)效率。

在另一個實施例中：在所述輕顆粒懸浮系統(tǒng)中，所述輕顆粒被連續(xù)或間歇地加入和取出。就該實施例而言，若所述輕顆粒連續(xù)地加入到所述系統(tǒng)中并從所述系統(tǒng)中連續(xù)取出，會有利于所述固相顆粒的循環(huán)使用，便于工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)；若所述輕顆粒間歇地加入到所述系統(tǒng)中并從所述系統(tǒng)中間歇取出，這樣可用于間歇反應(yīng)以及不常更換固相的化工過程。

類似的，在另一個實施例中：在所述輕顆粒懸浮系統(tǒng)中，所述液相被連續(xù)或間歇地加入和取出。就該實施例而言，若所述液相被連續(xù)地加入到所述輕顆粒系統(tǒng)中并從所述系統(tǒng)中連續(xù)取出，所述輕顆粒在所述氣液兩相流體共同作用下處于懸浮狀態(tài)；若所述液相被間歇地加入到所述輕顆粒的系統(tǒng)中并從所述系統(tǒng)中間歇取出，所述液相只做分散所述固體的連續(xù)相，主要靠所述氣相的作用使得所述顆粒處于懸浮狀態(tài)。

可選擇性的，在另一個實施例中，所述液相從所述氣液固三相區(qū)的上方被加入，協(xié)助所述輕顆粒的分散；亦可選擇性的，在另一個實施例中，所述液相從所述氣液固三相區(qū)的下方被加入，增加對顆粒的擾動。加入的液相可以是幫助顆粒流化且不影響反應(yīng)過程的液體，也可能是由于反應(yīng)的需要，所述的液相即是反應(yīng)物的一種或多種。

可選擇的，所述氣液固三相區(qū)之中的任何部位皆可設(shè)置一個或多個氣體分布器，所述的氣體分布器在設(shè)備中的排列多種多樣，優(yōu)選將氣體分布器設(shè)置在三相區(qū)的下部，所述氣體分布器用于均勻分布氣體。

在另一個實施例中，所述設(shè)置在三相區(qū)下部的氣體分布器，可以在系統(tǒng)橫截面上均勻分布，也可以集中設(shè)置在一個或者多個橫截面區(qū)域內(nèi)。如圖2所示，(a)、(b)為多個氣體分布器在系統(tǒng)橫截面上均勻排列的方式，(a)為中間有隔板存在的排列方式，(b)為無隔板存在的排列方式；(c)(d)為氣體分布器集中設(shè)置的方式，其中(c)含管道的排列方式，(d)不含管道的排列方式。當多個所述氣體分布器在系統(tǒng)橫截面上均勻分布排列時，可以形成均勻上升的氣流，有利于輕顆粒的自由懸??；當所述分布器集中設(shè)置于某些區(qū)域時，可以帶動所述的氣相自下而上優(yōu)先從該所述區(qū)域通過，從而促使形成局部集中的氣體上升，導致更多液體在其它區(qū)域向下流動，從而更有效地懸浮輕顆粒。

在另一個實施例中，所述設(shè)置在三相區(qū)中的氣體分布器，可以在一個或者多個相同的橫截面位置上，沿系統(tǒng)高度形成兩個或多個分布器的上下垂直排列，具體形式如圖3所示，圖3(a)、(b)為帶管道的氣體分布器，氣體分布器沿系統(tǒng)管道垂直方向上排列且不局限于管道內(nèi)部排列；圖3(c)所示的是無管道型的氣體分布器沿系統(tǒng)高度在多個橫截面位置上垂直排列。圖3(c)所示的是階段式排列氣體分布器，適用于較高大的設(shè)備，可為低效或高效型，所謂的階段式排列是指從設(shè)備下部開始，按照一定的距離往上排列。進氣的方式可采用連續(xù)式或者間歇式，間歇式可節(jié)約部分能量。氣體分布器沿系統(tǒng)高度垂直排列的這種方式導致所述的氣相自下而上優(yōu)先從所述區(qū)域通過，從而促使形成局部集中的氣體上升，導致更多液體在其它區(qū)域向下流動，從而更有效地懸浮輕顆粒。

在另一個實施例中，如圖4所示，所述的氣相自下而上流動，部分或者全部通過系統(tǒng)內(nèi)置或者外置的管道來完成，所述管道優(yōu)選垂直設(shè)置或者主體為垂直設(shè)置的管道。圖4(a)為外置的循環(huán)管道，在循環(huán)管中通入氣體，氣體在液體中形成上升的大氣泡，從而帶動循環(huán)管中的液體向上流動進入設(shè)備上部，而設(shè)備內(nèi)的液體則向下流動，從而使得輕顆粒隨著液體向下運動，最終使得顆粒懸浮于液體中；圖4(b)、(c)、(d)為內(nèi)置的管道,該管道可為全封閉式(圖4(b))、半封閉式(圖4(c))或全開放式(圖4(d))管道，氣體分布器可設(shè)置在管道下端附近或直接分布在管道中，這樣可使得氣泡向上運動的過程中帶動管道內(nèi)或周圍的液體向上流動，從而液體在其它區(qū)域向下流動，更有效地懸浮輕顆粒。

在另一個實施例中，如圖1所示，為本發(fā)明的一種輕顆粒懸浮系統(tǒng)，床直徑15.24cm,高3.6m(也可以是其他尺寸，如床高4m,直徑33cm；床高8m,直徑50cm)。此輕顆粒懸浮系統(tǒng)，選用水作為液體連續(xù)相，選用空氣作為氣相，選用顆粒密度為910kg/m³，顆粒直徑為3.5mm的橢球形聚乙烯顆粒為固相(也可是直徑小于5mm,密度800-1000kg/m³之間的輕顆粒)。水可連續(xù)也可間歇地從裝置的上部加入到系統(tǒng)中；空氣從裝置的底部通入并通過氣體分布器均勻分布后進入到三相體系中，氣體分布器在系統(tǒng)橫截面上采用均勻排列的方式。氣體分布器可選擇的類型很多，如多孔板型、微孔板型、泡罩形、多管式、膜式、填料等等，優(yōu)先選擇出氣均勻氣泡直徑小的分布器，本裝置的氣體分布器選用橡膠微孔曝氣頭。

可選擇性的，向裝置的上部通入液相水到液位2.5m處，加入5％-30％液體體積分率的固體顆粒，固體輕顆粒在浮力的作用下浮于液面的上部。向系統(tǒng)中通入氣體，隨著氣速的不斷增加，下部的顆粒開始向床底方向膨脹而流化，顆粒床層高度逐漸縮小，當氣速達到最小流化氣速時，液面上顆粒層消失，所有顆粒在氣體的作用下均懸浮于液相水中，在體系的垂直方向上顆粒的密度分布自上而下逐漸下降。不斷增加氣速，顆粒不斷向下移動，顆粒在垂直方向上的密度分布梯度也逐漸減小。當氣速增加到一定值，顆粒在系統(tǒng)的垂直方向上的密度分布達到均一。

不同的顆粒裝載高度下，最小流化氣速不同，圖2給出了直徑為3.5mm、密度為910kg/m³的輕顆粒在不同顆粒填裝高度下的最小流化氣速的變化，從圖3中可看出最小流化氣速隨顆粒的裝載高度與床層初始高度的比值的增加而增加。若輕顆粒系統(tǒng)中加入了連續(xù)的液相，則液相的加入大大的促進了顆粒的向下運動，隨著液速的增加，最小流化氣速也隨之下降。液體的連續(xù)加入和排出可協(xié)助氣體分散系統(tǒng)中的輕顆粒，使其更容易懸浮于液相中。

所述輕顆粒懸浮系統(tǒng)具有流化速率低、能耗少、固體磨損小、傳質(zhì)效率高、易于重新流化等優(yōu)點。這些優(yōu)點特別適合用于污水處理，輕顆粒可提供很大的顆粒表面積，易于大量的微生物附著生長，污水處理中液體流速較小，水力停留時間較長，這是輕顆粒懸浮系統(tǒng)更適宜的。在較低的液速下，通入空氣可為顆粒提供足夠的動力，又可以使系統(tǒng)達到較高的溶氧量，另外輕顆粒較大的比表面積能夠為生物附著提供較大的生長繁殖場所，產(chǎn)生污泥量少，可大大節(jié)約成本。需要補充的是，雖然輕顆粒懸浮系統(tǒng)在污水處理方面有較大的應(yīng)用前景，但不妨礙其用于其他適宜的反應(yīng)場景。

雖然以上的描述是針對工業(yè)過程的，但并不應(yīng)該認為所述系統(tǒng)的應(yīng)用范圍僅僅限于顆粒工業(yè)過程，特別是不僅僅限于所描述的過程中。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何細微修改，等同替換和改進，均應(yīng)包含在本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍之內(nèi)。