臭氧反应装置介绍

臭氧反应装置

臭氧发生器提供的臭氧源能否得到充分应用，是臭氧工程技术人员研究的重要课题，也是经过长时间的实践运行所积累经验。常用的投加方式有：鼓泡法、射流法、涡轮混合法、尼可尼混合法等方式。

鼓泡法

鼓泡法一般有塔式鼓泡和池式鼓泡两种（又称汽 - 液反应器）。

1.塔式鼓泡反应器

设计必须先考虑总工艺之后，才能确定一座气液接触器（反应器）的尺寸。工艺是间歇的、半间歇的，还是连续的？间歇处理是在接触器内加入反应剂，反应后取出产品的一种加工过程。这种方法难得用于臭氧化，因为臭氧一般要求连续供应，由此导致考虑半间歇操作。普通半间歇臭氧化程序是将液体装入反应器，然后连续投加臭氧直到反应完成。连续处理是将反应剂同时加入和取出。这种连续臭氧化处理的一个例子是饮水净化，此时臭氧气投加到水中，随水连续流过反应器槽。

有关工艺类型的决定要同臭氧反应器的选择相一致。选择的气 - 液接触器（反应器），在很大程度上受特定臭氧化反应的动力学和传质之间关系的制约。这一控制机理表明，在某种程度上该型接触器可以使用。如果臭氧吸收带有快反应，需要有大的界面面积来促进臭氧传质，所以，可以优先选用填料塔。另一方面，如果反应速率慢，从而大的液相容积（储液量）有益，鼓泡塔更有效。表 5-1 列出常用气液接触器（表内“转化”一词指反应剂转换到中间产物或最终产品的百分数，而不是指臭氧从气相向液相的转化）。

表 5-1 气液系统接触器及其特性

流通过板塔，连续运行依气体质量而

定的界面面积

成比例

广，易清洗杂、易堵塞停留容积和大液体

容积

鼓泡塔气体扩散成气泡，上

升穿过液柱，能连续

顺流或逆流，交替逆

流，或反复逆流或顺

流运行，可以是半批

量的

低传质，依界

面面积而定，

后者是气体流

量的函数

低能耗

喷头可能堵

塞，引起气泡

的不均匀分

布，混合差。

接触时间长

要求大液体容积受

反应速率控制的系

统

喷淋塔

流体扩散到含 O 3

的气体内借助大的界面

面积有中等传

质

气相均匀

高能耗，固体

物能堵塞喷

嘴

适合小储液量的快

反应

搅拌塔能连续，半批量或批

量运行，使用带机械

搅拌的罐

由于界面面积

和气体储量可

有中等到良好

传质，前者依

气体流量及搅

拌而定

高度灵活

性，能处理

固体，传热

特性好

搅拌需要能

量，为获得所

需转化，搅拌

反应器需要

最大理论容

积

受传质控制的反应

喷射器和涡轮气体和液体被加压

或抽吸顺流通过小

孔隙

传质和界面面

积大

混合好，接

触时间短，

接触室小

耗能

适合短暂液体滞

留，传质限制的反

应

管道接触器可顺流（通常可用立

管）或逆流运行

如水流量高，

在高气体流速

下可得高传质

易控温，低

造价，易操

作

需要能量，为

促进气液接

触需要用固

定混合器

适合短暂液体滞

留，传质限制反应

当设计一座气液系统时，设计者必须做多种考虑。这些要考虑的问题包括：气体和液体流量要满足生产规程、传质和化学反应关系；最后，选定一种将以最经济方式进行的气液接触器和操作方法。

在选择气液接触器过程中，需要考察以下一些参数对传质的影响：比界面面积 a ，传质系数 k L ，分散相的溶解度，溶质的扩散系数和分散相储存量。其他间接影响传质的因素有：分散相表面速度，气泡直径和速度。一些研究者还逐一评述了为臭氧使用的各种接触器。这些参考文献可用来查阅设计公式。下面将对表 5-1 所列的接触器给以讨论，并将提出一般设计构想。

1.1 填料塔

填料塔是立罐内装以填料，来分散气流和水流，并促进混合。用于气体净化的填料塔，通常称作吸收塔，一般以气液逆流方式运行。从乙醇胺液中吸收二氧化碳和硫化氢便是一例。

某些填料也可以起催化剂作用来促进反应。当三氧化二铁催化剂用于填料塔内，同惰性填料相比，提高了臭氧氧化酚水溶液的臭氧利用率。填料塔采用逆流运行，但是带催化的填料塔逆流顺流操作都可以。在后一种情况下同向升流和同向降流操作都能遇到。升流可提供较好的气液混合，但会碰到压降较高和流量限制问题。同向降流以连续气相和分散液相方式通过催化填料，通常称作“滴滤床反应器”。填料塔可提供大的界面面积，因此，它们适用于受传质控制的反应。它们不需要大的压降，但在运行范围方面多少有些受限制。因为液体和气体基本上在同一通道内通过塔填料，对于有效运行来说，液体和气体负荷的范围较窄。塔内可能发生孤立温度偏离。

新型塑料填料可降低填料塔的费用，并可暴露于腐蚀性气体之中。现有多种填料型号可从中选择，填料公司在提供 K a G 及其他设计数据方面是有帮助的。不过，应该认识到臭氧同多种增塑剂反应，推荐的塑料材料在它们确定使用之前，应在有臭氧存在情况下加以试验。

1.2 板式塔

板式塔比填料塔更贵，但可提供较宽广的运行范围。气液逆流，同时液体在每层塔板是重新分配的，由于水流在整个塔高度方向均匀地分布，因此，高通水量时可使用大直径塔。塔板可设计为保证慢反应所需要的储液量，同时可为传质提供大界面面积。当寻求一座有广泛运行灵活性的板式塔时，阀板——可变孔径的穿孔塔板，是供吸收塔使用的理想塔板型式。

1.3 鼓泡塔

鼓泡塔向装满液体的塔内鼓气泡，是饮水消毒最常用的臭氧反应器，混合的程度依气泡大小和表面气体流速而定。鼓泡塔运行简单经济，极适用于高压臭氧化。为了控制温度，塔内可安装热交换器。

鼓泡塔也适用于化学反应速率控制的臭氧化反应，气体接触时间主要通过气泡上升速度和液柱高度予以控制。在气 - 液接触系统中，鼓泡塔传质效率所受压力的影响，不像它在气 - 气接触系统中那么大。