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塔式鼓泡反應器混合法

    臭氧發生器提供的臭氧源能否得到充分應用，是臭氧工程技術人員研究的重要課題，也是經過長時間的實踐運行所積累經驗。常用的投加方式有：鼓泡法、射流法、渦輪混合法、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兩種（又稱汽 - 液反應器）。

1.塔式鼓泡反應器

    設計必須先考慮總工藝之后，才能確定一座氣液接觸器（反應器）的尺寸。工藝是間歇的、半間歇的，還是連續的？間歇處理是在接觸器內加入反應劑，反應后取出產品的一種加工過程。這種方法難得用于臭氧化，因為臭氧一般要求連續供應，由此導致考慮半間歇操作。普通半間歇臭氧化程序是將液體裝入反應器，然后連續投加臭氧直到反應完成。連續處理是將反應劑同時加入和取出。這種連續臭氧化處理的一個例子是飲水凈化，此時臭氧氣投加到水中，隨水連續流過反應器槽。

    有關工藝類型的決定要同臭氧反應器的選擇相一致。選擇的氣 - 液接觸器（反應器），在很大程度上受特定臭氧化反應的動力學和傳質之間關系的制約。這一控制機理表明，在某種程度上該型接觸器可以使用。如果臭氧吸收帶有快反應，需要有大的界面面積來促進臭氧傳質，所以，可以優先選用填料塔。另一方面，如果反應速率慢，從而大的液相容積（儲液量）有益，鼓泡塔更有效。表 5-1 列出常用氣液接觸器（表內“轉化”一詞指反應劑轉換到中間產物或最終產品的百分數，而不是指臭氧從氣相向液相的轉化）。

表 5-1 氣液系統接觸器及其特性

    當設計一座氣液系統時，設計者必須做多種考慮。這些要考慮的問題包括：氣體和液體流量要滿足生產規程、傳質和化學反應關系；最后，選定一種將以最經濟方式進行的氣液接觸器和操作方法。

    在選擇氣液接觸器過程中，需要考察以下一些參數對傳質的影響：比界面面積 a ，傳質系數 k L ，分散相的溶解度，溶質的擴散系數和分散相儲存量。其他間接影響傳質的因素有：分散相表面速度，氣泡直徑和速度。一些研究者還逐一評述了為臭氧使用的各種接觸器。這些參考文獻可用來查閱設計公式。下面將對表 5-1 所列的接觸器給以討論，并將提出一般設計構想。

1.1 填料塔

    填料塔是立罐內裝以填料，來分散氣流和水流，并促進混合。用于氣體凈化的填料塔，通常稱作吸收塔，一般以氣液逆流方式運行。從乙醇胺液中吸收二氧化碳和硫化氫便是一例。

    某些填料也可以起催化劑作用來促進反應。當三氧化二鐵催化劑用于填料塔內，同惰性填料相比，提高了臭氧氧化酚水溶液的臭氧利用率。填料塔采用逆流運行，但是帶催化的填料塔逆流順流操作都可以。在后一種情況下同向升流和同向降流操作都能遇到。升流可提供較好的氣液混合，但會碰到壓降較高和流量限制問題。同向降流以連續氣相和分散液相方式通過催化填料，通常稱作“滴濾床反應器”。填料塔可提供大的界面面積，因此，它們適用于受傳質控制的反應。它們不需要大的壓降，但在運行范圍方面多少有些受限制。因為液體和氣體基本上在同一通道內通過塔填料，對于有效運行來說，液體和氣體負荷的范圍較窄。塔內可能發生孤立溫度偏離。

    新型塑料填料可降低填料塔的費用，并可暴露于腐蝕性氣體之中。現有多種填料型號可從中選擇，填料公司在提供 K a G 及其他設計數據方面是有幫助的。不過，應該認識到臭氧同多種增塑劑反應，推薦的塑料材料在它們確定使用之前，應在有臭氧存在情況下加以試驗。

1.2 板式塔

    板式塔比填料塔更貴，但可提供較寬廣的運行范圍。氣液逆流，同時液體在每層塔板是重新分配的，由于水流在整個塔高度方向均勻地分布，因此，高通水量時可使用大直徑塔。塔板可設計為保證慢反應所需要的儲液量，同時可為傳質提供大界面面積。當尋求一座有廣泛運行靈活性的板式塔時，閥板——可變孔徑的穿孔塔板，是供吸收塔使用的理想塔板型式。

1.3 鼓泡塔

    鼓泡塔向裝滿液體的塔內鼓氣泡，是飲水消毒最常用的臭氧反應器，混合的程度依氣泡大小和表面氣體流速而定。鼓泡塔運行簡單經濟，極適用于高壓臭氧化。為了控制溫度，塔內可安裝熱交換器。

    鼓泡塔也適用于化學反應速率控制的臭氧化反應，氣體接觸時間主要通過氣泡上升速度和液柱高度予以控制。在氣 - 液接觸系統中，鼓泡塔傳質效率所受壓力的影響，不像它在氣 - 氣接觸系統中那么大。

在某些化學反應情況下，能投加催化劑顆粒構成一種絮體反應器。催化劑顆粒因氣泡運動被保持在懸浮狀態，但是，催化劑顆粒也能引起噴頭堵塞問題，特別是如果氣流變成間歇的，或者如果氣泡上升速度太慢不足以保持催化劑顆粒的懸浮。

1.4 噴淋塔

    在噴淋塔內液體被噴灑到大量含臭氧的氣體中。這種方法抽水費用很高，可產生很大的界面面積。噴淋塔，由于短接觸時間和高界面面積對瞬時或快速反應適用。它們為一些歐洲的處理廠大批使用，而且在試驗室試驗中還發現它們有破壞氰化物的能力。

1.5 攪拌槽

    攪拌槽（攪拌反應槽）可用于其間傳質速率和化學反應速率為同一數量級的中速反應方式。攪拌槽為高氣液儲量提供一種經濟的方法，所以，三種運行方式（間歇、半間歇和連續）都可使用攪拌槽。連續向固定容積廢水供臭氧氣的半間歇運行，已成功地用于處理某些難降解工業廢水。

    以連續方式運行的攪拌槽，一般又稱作返混反應器。假設是完全混合，它將使整個反應器內成分均勻，從而，出流成分與反應器內相同。對化學反應速率限制的反應方式來說，其內的傳質效果不明顯，返混反應器設計用公式表明，它們需要最大的理論容積，以獲得所需的化學轉化程度。

    攪拌速度對氣液平衡的主要作用是改變界面面積。通過使用強力攪拌，攪拌槽能接近填料塔的界面面積，并能近似無攪拌鼓泡塔的界面面積。改變攪拌速度的方法，常用于驗證反應方式。當反應機理隨增加攪拌作用（界面面積）從一種受傳質限制的，轉變到另一種受反應速率限制的時候，將可得到一條類似圖 1 的中速反應曲線。

    因攪拌器消耗電能明顯增加其運行費用是一缺點。不過，當氣體被擴散到液體內以后，降低了混合體的密度，所需攪拌電能也降低。混合用功率需要值最好使用未加氣的液體來測定。

    攪拌槽的優點是混合及傳熱效果好。機械攪拌作用能使投加的催化劑保持懸浮狀態，從而改善絮體反應器的運行。由于攪拌作用極好的傳熱速率是可能的，無論夾套式或是嵌管式熱交換器均可使用，用后者可提供更好的傳熱效果。

    韋斯特普（ Weserterp ）等以及普林格爾和巴羅那（ Frengle 和 Barona ），根據傳質研究為攪拌反應槽設計了標準構造形式。標準圖型中常用反應槽尺寸與直徑的不同比例關系。這些比例可很容易地將反應槽的規模從半生產性放大到生產性裝置。圖2 給出標準攪拌反應槽構造圖。

    當需要高度混合時可用噴射器和渦輪，可獲得中到高度界面面積，而且在短接觸時間內就能完成快速反應。

    水泵可提供 1~10s 的停留時間。為了更高程度的混合或充分剪切以產生界面面積，可以使用軸向混合器（管道混合器）。 為將臭氧化氣吸入到流體內，也常用文丘里反應器。它的主要優點是易安裝，但會產生堵塞問題。

1.6 管道反應

    管道反應器可以用單根連續管道制成，也可用幾根并聯運行的管道制成，大多數采用同向流通過管道以獲得活塞流。活塞流反應器的特征假定在直徑方向完全混合，而在流動方向無擴散可利用。這就使得在垂直于流線的任一斷面面積上的流速、溫度和濃度分布都是相等的，惟獨組成成分沿流程變化。對于受化學反應速率控制的反應方式來說，其內傳質效果是不重要的，活塞流反應器設計公式表明，為獲得所希望的化學轉換程度，它們需要的理論值最小。

    由于要確定氣 - 液流線圖型是很復雜的，管道反應器很難設計用于氣液反應。西奇（ Cichy ）等及雷斯（ Rase ）給出管道反應器 25 種可能流動方式的討論，利用巴克爾（ Baker ）和戈維爾（ Gorier ）圖來預計流線圖型已取得某些成功。

    氣液管道反應器主要由于它們的費用低、易擴建和優良的傳熱特性而被采用。在臥式管道反應器中常用紊流促進混合并給出活塞流狀態。在這種環境下，為重新往液體內分配氣體，軸向固定混合器正在變得流行起來。這種裝置是將一些固定構造裝在管道內，它們迫使同向流的氣體和液體通過迂回通道，從而不斷增加兩流體間的表面相互作用。既然這些嵌裝的元件在管內是固定不動的，它們保證混合程度并傳質增強到這種地步，都是由于受通過管道兩種流體流速的影響。如果液體流速很慢，達到的傳質量接近用兩相同向流運行的管道接觸器內可能得到的傳質量。理查茲（ Richards ）等用固定混合器研究了臭氧向水中的傳質，并報道改善后的傳質超過一般的管道反應器。

    化學工業中最常用的立式管道反應器是濕壁塔，在塔內，液相沿塔內壁向下流動，在塔中心，氣體可以同向或逆向流動。這些反應器用于特殊發熱化學反應極好，但由于有限的界面面積而僅限于瞬時反應使用。濕壁塔極少用于臭氧反應，因為僅僅少數臭氧反應是高發熱的。這是由于臭氧反應往往是處在低濃度下并且是被稀釋到某種溶劑內的緣故。

    在這些初步試驗中含臭氧空氣是循環通過試驗裝置的，而且一部分未經通過多孔擴散元件即被分解。這是由于幾種因素包括光的影響的氣流的攪動造成的。所以，考慮到為濃度比較用，在通過擴散器或未通過擴散器的出口處所量測到的那些濃度必須是精確的。