CN104870074A - 用于混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物的方法和系统 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物或颗粒的方法，其基于缩短化合物在容器中的平均自由程且包括如下步骤：重力贫化，包括减少化合物和具有更大直径和更大体积的液体化学溶液滴；物理沉积，包括在容器的湿表面上凝聚减少的化合物；化学吸附，包括减少的化合物与液体化学溶液中的物质之间的化学反应。

Description

用于混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种混合气体和液体物流以在液体物流中收集存在于流体物流中的化学化合物的方法和系统，特别地，用于混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物的方法和系统。

背景技术

已知人类的日常生活对环境的影响在每个领域都产生问题。一个问题是由工业工厂、运输、居住和农业活动(包括耕作)所导致的污染物的产生，通常是空气污染。

例如，由市政废弃物焚化排出的废气包含颗粒物、O₃、HCl、SO_x、NO_x、重金属(包括水银)，或少量成分如二英、呋喃，就环境保护角度而言，必须除去这些有毒物质。其它物质如CH₄、C₆H₆和PAH被排放至大气中。已知这些物质中的一些具有显著高的毒性且进一步具有致癌作用，捕集/收集/除去这些二英类化合物被认为是一个迫切的问题。

另一实例是在工业领域中由于工人呼吸来自玻璃纤维、石棉、木材、大理石等的粉尘而对其造成的健康保护问题。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提出一种用于混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物的方法和系统，其能解决上述问题。

本发明的具体目的是一种用于在容器中混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物或颗粒的方法，其包括如下步骤：

-重力贫化，包括减少化合物或颗粒和具有与所述化合物或颗粒的直径和体积相比更大的直径和更大的体积的液体化学溶液滴；

-物理沉积，包括在容器的湿表面上凝聚减少的化合物；

-化学吸附，包括减少的化合物与液体化学溶液中的物质之间的化学反应，

从而缩短所述化合物或颗粒在容器中的平均自由程。

优选地，所述方法包括如下步骤：

-使气体经由气体入口进入容器的分离室中，在容器中存在液体溶液浴；

-在分离室中，使气体物流与液体溶液物流以顺流方式混合，从而变成流体物流，以使得：

-一些化合物或颗粒沉积在分离室壁上，然后洗出至液体溶液浴中，

-一些其它的化合物或颗粒吸附在化学溶液滴中，然后收集在液体溶液浴中，

-一些其它的化合物或颗粒通过转向表面瓦解并洗出；

-剩余的化合物或颗粒随液体溶液物流进入容器底部，然后以非层流方式上升至容器的混合室内部的分离器床，其中流体以逆流方式与喷射的液体化学溶液流混合，从而使得所有已湿润的化合物或颗粒被所述流吸收并在重力驱使下降至液体浴中；

-在分离所述化合物或颗粒之后，从容器中排出流体物流。

本发明的另一目的是一种适于在容器中混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物或颗粒的系统，其包括如下元件：

-重力贫化单元，其设置用于减少化合物和具有与所述化合物或颗粒的直径和体积相比更大的直径和更大的体积的液体化学溶液滴；

-物理沉积单元，其设置用于在容器的湿表面上凝聚减少的化合物；

-化学吸附单元，其设置用于减少的化合物与液体化学溶液中的物质之间的化学反应，

从而缩短所述化合物或颗粒在容器中的平均自由程。

优选地，所述系统包括：

-所述容器，其适于容纳所述液体且包括所述液体表面上方的所述气体和液体的混合体积；

-多个与对应的饱和室连接的气体加载导管，其将所述流体物流加载至混合体积中，所述饱和室的内壁起第一气体与液体交换表面的作用；

-至少一个用于在混合后将流体排出至容器外部的导管；

-至少一个具有多个喷嘴的所述液体的分布器，其适于将所述液体喷入所述混合体积和所述饱和室中；

-至少一个置于对应的饱和室末端的转向器，所述转向器驱动流体物流进入容器底部并起第二流体与液体交换表面的作用，起催化表面的作用。

这些和其它目的通过所附权利要求书中所述的一种用于混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物的方法和系统来实现，所述权利要求书构成本说明书的主要部分。

附图说明

在参照附图阅读下，本发明将由下文的详细描述而变得充分清楚，所述详细描述仅仅以示例和非限制性实例给出，在所述附图中：

-图1显示了本发明容器的实施方案的实例；

-图2显示了容器的歧管、喷嘴、饱和室组件的实施方案的实例；

-图3显示了容器的喷嘴系统组件的实施方案的实例；

-图4显示了容器的风扇系统组件的实施方案的实例；

-图5显示了容器的分离器/除沫器洗涤系统和UV系统组件的实施方案的实例。

在附图中，相同的附图标记和字母表示相同或功能上等效的部件。

具体实施方式

本发明的主题，即用于混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物的方法的一般原理如下。

所述方法基于使用重力贫化、物理沉积和化学吸附来缩短化合物在容器中的平均自由程。

-第一种机理(重力贫化)包括减少化合物和具有更大直径和更大体积的液体化学溶液滴(大液滴意指较大体积的液滴)；

-第二种机理(物理沉积)包括在系统的大湿表面上凝聚减少的化合物；

-第三种机理(化学吸附)包括减少的化合物与液体化学溶液中的物质之间的化学反应。

随后将描述所述方法的实施方案的实例。

对所述方法的实施方案而言，提供了一种用于混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物的系统，其基于缩短化合物在容器中的平均自由程且其包括如下元件：

-重力贫化单元，其包括减少化合物和具有更大直径和更大体积的液体化学溶液滴；

-物理沉积单元，包括在容器的湿表面上凝聚减少的化合物；

-化学吸附单元，包括减少的化合物与液体化学溶液中的物质之间的化学反应。

下文将参照附图描述本发明系统的实施方案的实例。

首先，所述系统包括图1中的容器。

如下所述，容器适于容纳用于该方法中的液体物流的液体。容器可置于带轮的平台112上，该平台112用于定位和保持水平。优选存在手柄106以控制容器的运动。

容器可具有圆筒形几何形状或立方体或平行六面体或定制的几何形状。体积尺寸取决于待处理的气体物流的体积。

容器材料可为聚合物如聚乙烯、金属如钢、玻璃纤维和其它对环境和生物生命无危险的稳定材料。针对所用液体和气体的类型以及用途选择材料。

容器提供有用于排出液体的连接器103(直径大于半英寸)、用于收集液体的连接器102(直径大于半英寸)和用于加载液体的连接器114(直径大于半英寸)。

容器包含处于底部104’中的液体化学溶液，和优选覆盖所述液体化学溶液表面的浮动表面和/或浮动聚合物网和/或具有多个直径的浮球。

可存在外管107以显示容器中的液位。

这些物体浮动在容器中并适于增大流体-液体接触表面，且取决于领域，减少液体化学溶液(例如水)的蒸发。

容器提供有位于容器侧面的用于在容器内部加载气体的多个导管105，和至少一个用于将流体排出至容器外部的导管110。导管可具有圆形、正方形、矩形、椭圆形和常规截面。在任一容器中，该类导管的数量可达6个。容器中的进入流体加载压力小于10bar。

导管包括气体流量传感器、温度和相对湿度传感器。

导管用网113进行安全防护以避免侵入容器内部。

网可由金属如钢、聚合物或任何对环境和生物生命无危险的材料制成。所述网具有大于0.5[mm]的筛目。

容器包括吸气器110，优选风扇，其驱使流体物流通过其从容器中排出。风扇在容器内部产生低压，这有利于外部气体(空气)经由导管105进入容器内部。

风扇具有可变的角速度，其包括电压和电流传感器、流体流量传感器、温度和相对湿度传感器。

参照图1和2，容器显示出上部104和底部104’。在二者之间存在至少一个液体溶液的分布器，即歧管109，其位于液体溶液表面上方的中间位置且围绕容器的圆周设置，特别地，取决于形状，围绕容器的周长设置。

容器中存在闭合液体溶液泵送系统，包括泵101、用于使液体溶液从容器底部104’流至歧管109和从歧管流入容器内部的加料管108。容器外部存在用于液体溶液的加料连接器和阀门102以及出料连接器和阀门103。

在歧管上对称分布有多个具有喷嘴211的管，取决于导管105的数量，该分布甚至可为非对称的。

泵包括电压和电流传感器，且水力管包括液体流量传感器。

在与用于加载气体的导管105连接的多个饱和室205和容器内部的混合体积中，液体分别相对于流体物流逆流和顺流地喷射(图2，3)。混合体积为其中流体侧面由容器表面界定、底部由液体化学溶液表面上的浮动表面界定、顶部由填料床表面(如下文所述)界定的体积。

导管105和饱和室205优选以0-90°、优选30-60°、优选α＝45°的角度α向下弯曲。

喷嘴211(图3)将液体溶液由歧管109喷射至饱和室205的内部和容器内部的混合体积中的导管外部。

喷嘴211产生具有大范围的液滴直径、优选大于0.1μm的液体射流。

液滴形状为球形至椭球形。

喷射形状为全圆锥的、中空圆锥的、扁平射流，喷射角为15-100°，优选为80-100°，优选为90°。

为了使喷嘴保持清洁，压电组件(图中未示出)以机械方式与喷嘴完美接触。周期性地，合适的电子控制系统优选以大于3mHz的频率激发所有存在的压电元件大于100ms的时间。

在该过程中不允许发生污染物的沉积。

如下文参照图5所述，在容器的内壁处存在多个用于相应数量的分离器/除沫器洗涤系统的支架212。

用于加载气体物流的导管105-205类似于饱和室工作。

如上所述，在导管内存在具有喷嘴211的管以润湿该导管的所有表面、在所有导管体积内与气体物流顺流地释放喷射的液体物流，以产生流体物流。

在导管/饱和室的末端存在转向器314：喷射的液体在其停止处润湿所述转向器。

饱和室的内壁为第一气体与液体交换表面。

饱和室包括气体流量传感器以及温度和相对湿度传感器。

由图3可见，转向器314用于改变流体物流的方向。转向器驱使流体物流进入容器的底部。

转向器为第二气体与液体交换表面且为存在于流体物流中的较大颗粒化合物的挡板器。所述转向器具有取决于流动参数的几何形状；转向器的轮廓可为抛物线形、椭圆形、圆形、线形或轮廓的组合。

用于转向器314的材料优选为金属、聚合物和任何对环境和生物生命无危险的材料。转向器的表面材料取决于所涉及的催化过程。

所述转向器起催化表面的作用。

除一些歧管之外，在容器底侧的上圆周上可存在支架313。

参照图4，容器的上侧存在风扇系统110。

如上所述，所述风扇系统提供流体物流。

优选地，流量必须高于10[m³h^-1]，且容器内的压降必须高于50Pa。

使风扇电绝缘，从而使得根据ATEX(ATmosphères ed EXplosibles)标准，根据Directive 94/9/CE即使在爆炸性气氛环境下也能工作。

为了将容器的两个部分闭合在一起，围绕边缘存在紧固的螺栓和螺母417以及增强和密封带415。垫圈416围绕风扇。

在一些情况下，所述系统可处理包含细菌、孢子和通常微生物的气体、液体和流体。

为了避免污染和贫化微生物进料，在容器内部对流体(气体+液体)进行微生物处理；优选在形成流体处安装UV光系统。

如图5所示，存在UV灯系统521，其与用于分离器/除沫器520的夹持结构212相连；夹持结构212与容器的侧壁相连。此外，存在分离器/除沫器洗涤管和喷嘴518以由歧管109收集液体溶液并将其喷射至分离器/除沫器520上，其可位于歧管上方。

分离器和除沫器(特别地称为填料床)示于图5中。在化学处理中，这通常为填充有填料的中空管、管道或其它容器。填料可乱堆填充有小物体如拉西环、圆盘、球状或圆柱状物体，或者其可为专门设计的规整填料。填料床也可包含催化剂颗粒或吸附剂如沸石丸粒、颗粒状活性炭等。填料床的目的通常是改善化学或类似工艺中两相之间的接触以从流体相中提取特定化合物。

下文描述了本发明的用于混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物的方法的实施方案的实例，所述方法在上文所述的容器中实施。

流体物流中存在多个不希望的化合物或颗粒，例如让我们考虑平均直径为约5μm的石棉颗粒。

这些颗粒通过气体入口管进入所述系统中并通过格栅进入分离室中。

在分离室中，气体物流与液体溶液物流混合，由此产生流体物流；两种物流呈顺流方式：一些颗粒沉积在分离室壁上，然后洗出至液体溶液浴中，其它一些吸附在化学溶液滴中，然后收集在液体溶液浴中，其它一些在转向器表面上瓦解并洗出。

剩余颗粒随流体物流进入容器底部，然后以非层流方式上升至容器的混合室内的分离器床，其中流体以逆流方式与喷射的液体化学溶液的强的密集流混合。

所有被大体积液体溶液滴吸附的已湿润的颗粒在重力驱使下降至液体浴中。

其它颗粒沉积在容器的混合室上，然后洗出。

一些颗粒的体积和重量由于润湿而增大并到达分离器。此处，分离表面非常大且颗粒继续在表面上凝聚。平均自由程在此明显缩短。

为了确保分离器表面上的润湿，洗涤系统将液体溶液喷至分离器内部。流体物流中的极高百分比的颗粒从该物流中除去并强迫进入浴中。

流体物流通过安装有风扇的流体出口从该系统中流出。

在系统内，在液体浴中以及催化表面(如容器内的金属表面)上发生流体物质与液体化学物质之间的化学反应。

液体:气体比Ψ

所述系统的重要参数是歧管和管中的液体流速。

在该系统的术语中，通常将液体流量表示为被处理的气体流的流量的函数。

这通常称为液体:气体比Ψ且使用液体/立方米[lm^-3]的单位。

将液体的用量表示为比值能容易地比较不同尺寸的系统。

Ψ为系统机械设计的函数；然而对气体吸收而言，该比值给出了除去污染物的难度的表征。

对颗粒物控制而言，Ψ优选为0.3-3[lm^-3]。

取决于系统设计，需要最小体积的液体以“润湿”内部交换表面并产生足够的收集目标物。向该系统中添加过量液体不会影响效率，且实际上不会导致压力损失。

对气体吸收而言，Ψ通常更高，为3-6[l/m³]。

开发了上文所述的系统的特定实施方案，其在Ψ>0.5[lm^-3]下工作。

液体:流体比优选为Ψ≤10[lm^-3]，更优选还为Ψ>0.5[lm^-3]。

例如，在大城镇中，其可为Ψ＝7.83[lm^-3]。

动态质量流比Ξ

因为设计依赖性，参数Ψ并非描述该系统的唯一重要参数。更重要的是与所述系统和方法中所用液体和气体的密度有关的两种物流(液体和气体)的质量。

下文给出了描述所述系统工作范围的关系式。

设m为测得的质量[Kg]，δ为测得的密度[Kg m^-3]，V为测得的体积[m³]，对所述两种物流，我们得到：

m_物流＝δ_物流·V_物流

所述系统的动力学使得我们定义了两种物流的质量变化：

然后，所述系统必须遵循如下关系式：

液体:流体比优选为Ψ≤10[lm^-3]，更优选还为Ψ>0.5[lm^-3]。

例如，考虑到以具有2300[m³h^-1]流速的空气作为气体，且以具有18[m³h^-1]流速的水作为液体，动态质量流之比为0.154。

在考虑公开了本发明优选实施方案的本说明书和附图之后，本发明的许多变化、调整、变动以及其它用途和应用对本领域技术人员而言是明显的。不偏离本发明范围的所有这些变化、调整、变动以及其它用途和应用视为被本发明所涵盖。

优选实施方案的各种形式中所述的要素和特征可相互组合而不偏离本发明的范围。

因为本领域技术人员能由上述说明书的教导出发实施本发明，所以未描述进一步的实施细节。

Claims (13)

1.一种用于混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物或颗粒的方法，其基于缩短化合物在容器中的平均自由程且包括如下步骤：

-重力贫化，包括减少化合物和具有更大直径和更大体积的液体化学溶液滴；

-物理沉积，包括在容器的湿表面上凝聚减少的化合物；

-化学吸附，包括减少的化合物与液体化学溶液中的物质之间的化学反应。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述混合基于根据如下关系式确定液体和气体之间的质量比：

3.根据权利要求1的方法，包括如下步骤：

-使气体经由气体入口进入容器内的分离室中，其中容器中存在液体溶液浴；

-在分离室中，使气体物流与液体溶液物流以顺流方式混合，以产生流体物流，以使得：

-一些化合物或颗粒沉积在分离室壁上，然后洗出至液体溶液浴中，

-一些其它的化合物或颗粒吸附在化学溶液滴中，然后收集在液体溶液浴中，

-一些其它的化合物或颗粒通过转向表面瓦解并洗出；

-剩余的化合物或颗粒随液体溶液物流进入容器底部，然后以非层流方式上升至容器的混合室内部的分离器床，其中所述流体以逆流方式与喷射的液体化学溶液流混合，从而使得所有已湿润的化合物或颗粒被所述流吸收并在重力驱使下降至液体浴中；

-在分离所述化合物或颗粒之后，从容器中排出流体物流。

4.一种适于混合气体和液体以重力、物理和化学收集化合物或颗粒的系统，其基于缩短化合物在容器中的平均自由程且包括如下元件：

-重力贫化单元，包括减少化合物和具有更大直径和更大体积的液体化学溶液滴；

-物理沉积单元，包括在容器的湿表面上凝聚减少的化合物；

-化学吸附单元，包括减少的化合物与液体化学溶液中的物质之间的化学反应。

5.根据权利要求4的系统，包括：

-所述容器(104，104’)，其适于容纳所述液体且包括所述液体表面上方的所述气体和液体的混合体积，以产生流体物流，

-多个与其中形成流体物流的对应饱和室(205)连接的气体加载导管(105)，其将所述流体物流加载至混合体积中，所述饱和室的内壁起第一气体与液体交换表面的作用；

-至少一个用于在混合后将流体排出至容器外部的导管(110)；

-至少一个具有多个喷嘴(211)的所述液体的分布器(109)，其适于将所述液体喷入所述混合体积和所述饱和室(205)中；

-至少一个置于对应饱和室末端的转向器(314)，所述转向器驱动流体物流进入容器底部并起第二流体与液体交换表面的作用，起催化表面的作用。

6.根据权利要求5的系统，其特征在于包括：

-一个或多个分离器/除沫器(520)，其位于容器内部的至少一个分布器(109)的上方，其作为用于从所述流体中分离化学化合物的填料床；

-一个或多个与对应的分离器/除沫器(520)相连的UV灯系统(521)。

7.根据权利要求5的系统，其特征在于包括在容器内部的液体表面上的浮体，其适于增大流体-液体接触表面并减少液体化学溶液的蒸发。

8.根据权利要求5的系统，其中所述至少一个用于排出流体的导管(110)包括吸气器(110)，其驱动流体物流经由其从容器中排出。

9.根据权利要求5的系统，其特征在于包括泵送系统(101，108)，其适于使液体从容器(104’)的底部流至分布器(109)和从分布器流至容器内部。

10.根据权利要求5的系统，其中所述加载导管和饱和室(205)以0-90°、优选30-60°、更优选α＝45°的角度α向下弯曲。

11.根据权利要求5的系统，其中所述多个喷嘴(211)产生具有15-100°、优选80-100°、更优选90°的喷射角的液体射流。

12.根据权利要求5的系统，其特征在于包括与喷嘴相连的压电组件，其适于保持喷嘴清洁。

13.根据权利要求8的系统，其中所述吸气器(110)适于产生大于10[m³h^-1]的从容器中流出的流体物流流量，和容器内大于50[Pa]的压降。