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。

在某些化学反应情况下，能投加催化剂颗粒构成一种絮体反应器。

催化剂颗粒因气泡运动被保持在悬浮状态，但是，催化剂颗粒也能引起喷头堵塞问题，特别是如果气流变成间歇的，或者如果气泡上升速度太慢不足以保持催化剂颗粒的悬浮。

1.4 喷淋塔
在喷淋塔内液体被喷洒到大量含臭氧的气体中。

这种方法抽水费用很高，可产生很大的界面面积。

喷淋塔，由于短接触时间和高界面面积对瞬时或快速反应适用。

它们为一些欧洲的处理厂大批使用，而且在试验室试验中还发现它们有破坏氰化物的能力。

1.5 搅拌槽
搅拌槽（搅拌反应槽）可用于其间传质速率和化学反应速率为同一数量级的中速反应方式。

搅拌槽为高气液储量提供一种经济的方法，所以，三种运行方式（间歇、半间歇和连续）都可使用搅拌槽。

连续向固定容积废水供臭氧气的半间歇运行，已成功地用于处理某些难降解工业废水。

以连续方式运行的搅拌槽，一般又称作返混反应器。

假设是完全混合，它将使整个反应器内成分均匀，从而，出流成分与反应器内相同。

对化学反应速率限制的反应方式来说，其内的传质效果不明显，返混反应器设计用公式表明，它们需要最大的理论容积，以获得所需的化学转化程度。

搅拌速度对气液平衡的主要作用是改变界面面积。

通过使用强力搅拌，搅拌槽能接近填料塔的界面面积，并能近似无搅拌鼓泡塔的界面面积。

改变搅拌速度的方法，常用于验证反应方式。

当反应机理随增加搅拌作用（界面面积）从一种受传质限制的，转变到另一种受反应速率限制的时候，将可得到一条类似图 1 的中速反应曲线。

因搅拌器消耗电能明显增加其运行费用是一缺点。

不过，当气体被扩散到液体内以后，降低了混合体的密度，所需搅拌电能也降低。

混合用功率需要值最好使用未加气的液体来测定。

搅拌槽的优点是混合及传热效果好。

机械搅拌作用能使投加的催化剂保持悬浮状态，从而改善絮体反应器的运行。

由于搅拌作用极好的传热速率是可能的，无论夹套式或是嵌管式热交换器均可使用，用后者可提供更好的传热效果。

韦斯特普（ Weserterp ）等以及普林格尔和巴罗那（ Frengle 和 Barona ），根据传质研究为搅拌反应槽设计了标准构造形式。

标准图型中常用反应槽尺寸与直径的不同比例关系。

这些比例可很容易地将反应槽的规模从半生产性放大到生产性装置。

图2 给出标准搅拌反应槽
构造图。

当需要高度混合时可用喷射器和涡轮，可获得中到高度界面面积，而且在短接触时间内就能完成快速反应。

水泵可提供 1~10s 的停留时间。

为了更高程度的混合或充分剪切以产生界面面积，可以使用轴向混合器（管道混合器）。

为将臭氧化气吸入到流体内，也常用文丘里反应器。

它的主要优点是易安装，但会产生堵塞问题。

1.6 管道反应
管道反应器可以用单根连续管道制成，也可用几根并联运行的管道制成，大多数采用同向流通过管道以获得活塞流。

活塞流反应器的特征假定在直径方向完全混合，而在流动方向无扩散可利用。

这就使得在垂直于流线的任一断面面积上的流速、温度和浓度分布都是相等的，惟独组成成分沿流程变化。

对于受化学反应速率控制的反应方式来说，其内传质效果是不重要的，活塞流反应器设计公式表明，为获得所希望的化学转换程度，它们需要的理论值最小。

由于要确定气 - 液流线图型是很复杂的，管道反应器很难设计用于气液反应。

西奇（ Cichy ）等及雷斯（ Rase ）给出管道反应器 25 种可能流动方式的讨论，利用巴克尔（ Baker ）和戈维尔（ Gorier ）图来预计流线图型已取得某些成功。

气液管道反应器主要由于它们的费用低、易扩建和优良的传热特性而被采用。

在卧式管道反应器中常用紊流促进混合并给出活塞流状态。

在这种环境下，为重新往液体内分配气体，轴向固定混合器正在变得流行起来。

这种装置是将一些固定构造装在管道内，它们迫使同向流的气体和液体通过迂回通道，从而不断增加两流体间的表面相互作用。

既然这些嵌装的元件在管内是固定不动的，它们保证混合程度并传质增强到这种地步，都是由于受通过管道两种流体流速的影响。

如果液体流速很慢，达到的传质量接近用两相同向流运行的管道接触器内可能得到的传质量。

理查兹（ Richards ）等用固定混合器研究了臭氧向水中的传质，并报道改善后的传质超过一般的管道反应器。

化学工业中最常用的立式管道反应器是湿壁塔，在塔内，液相沿塔内壁向下流动，在塔中心，气体可以同向或逆向流动。

这些反应器用于特殊发热化学反应极好，但由于有限的界面面积而仅限于瞬时反应使用。

湿壁塔极少用于臭氧反应，因为仅仅少数臭氧反应是高发热的。

这是由于臭氧反应往往是处在低浓度下并且是被稀释到某种溶剂内的缘故。

在这些初步试验中含臭氧空气是循环通过试验装置的，而且一部分未经通过多孔扩散元件即被分解。

这是由于几种因素包括光的影响的气流的搅动造成的。

所以，考虑到为浓度比较用，在通过扩散器或未通过扩散器的出口处所量测到的那些浓度必须是精确的。