塔式鼓泡反应器混合法

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

类型运行方式传质优点缺点反应方式

填料塔液体和气体相互逆流通过

由填料形成的同一通道。连

续运行

良好传质，随填料

类型和气液流量变

化

运行范围广能耐

受强腐蚀的系统

昂贵，难以保持温

度分布。易堵塞

气相或液相传质控制

板塔

液体和气体相互逆流通过

板塔，连续运行良好传质，同依气

体质量而定的界面

面积成比例

运行范围广，易

清洗

昂贵、设计复杂、

易堵塞

适合慢反应，中间停留容积

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。

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。

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