本發明屬于氣液固三相接觸領域，具體涉及顆粒懸浮系統，尤其是涉及一種混合顆粒懸浮系統。
背景技術：
在過程工程及其它許多工業過程中，經常需要用到多相流系統，包括氣-液、氣-固、液-固、氣-液-固等體系。并且，又常常要求在這些體系中，各相之間有著充分的接觸，以保證這類系統的效率。
以液固相系統為例，比如在某個液固化學反應中，固體以顆粒的形式存在于連續的液體相中，其中至少部分反應是在液固界面上進行的。為了提高液體與固體的反應效率，就需要將固體顆粒盡量分散于液體中，使固體顆粒與液體有更大的接觸表面積。又比如在某個液相催化反應中，固體催化劑以顆粒的形式存在于連續的液體相中，兩種或兩種以上的液體組份在固體顆粒(催化劑)的表面進行反應。在這種情況下，為了提高液體間的催化反應效率，也是需要將固體顆粒盡量分散于液體中，使被反應的液體有更多的機會與固體顆粒表面進行接觸。如果這些反應亦需要氣體相的參與者，亦可以將氣體充入，此時形成氣液固三相系統。又比如在某個吸附分離過程中，為了提高吸附效率，更需要將顆粒盡量分散于液體相中，使吸附劑有更多的機會與液體中溶質接觸而發生吸附反應。
在如上液固系統中，所涉及的固體顆粒一般均重于液體，因而在系統靜止時，顆粒將堆積在系統底部，不能自動上浮。為了使顆粒有效地分散在液體中，人們開發了一些有效的方法。比如通過強力攪拌，通過機械、液體或者氣體的強力射流，使至少一部分顆粒懸浮在混合體中。另一種有效的方法，就是利用固體流態化。該方法是將液體從系統的下部注入到液固系統中，形成向上的凈流體流動，導致系統中的顆粒，因液體向上流動所造成的曳力而被懸浮。此時，通過合理地調整液體流速，使液體流速高于最小流化速度而低最小夾帶速度，就可以有效地將顆粒比較均勻地分散在系統內至少一部分空間內。如果同時在系統的底部加入氣體，氣體的向上流動也可以提供額外的曳力，協助顆粒的懸浮。此時系統成為氣液固三相體系。
如果所涉及的固體顆粒輕于流體，在系統靜止時，顆粒將浮在系統的上表面而不會自動下沉。為了使顆粒有效地分散在液體中，除了通過強力攪拌，比如機械、液體或者氣體的強力射流，還可以采用逆向固體流態化的方法。該方法是將液體從系統的上部注入到液固系統中，形成向下的凈流體流動，導致系統中的顆粒，因液體向下流動所造成的曳力而被倒懸浮——一種因克服顆粒輕于液體而帶來的浮力的懸浮現象，有時又稱為逆向流態化。此時，通過合理地調整液體流速，使液體流速高于最小逆向流化速度而低最小逆向夾帶速度，亦可以有效地將顆粒比較均勻地分散在系統內至少一部分空間內。但在此逆向流態化條件下，從上部同時加入氣體一般將沒有意義，因為氣體不會向下流動。
在上述兩類系統中，固體流態化方法雖然可以使顆粒比較有效地分散懸浮在液體相中(或者液體與氣體的混合相中)，但系統中容易存在軸向顆粒分布不均的問題，這樣造成了設備的有效體積變小，相間接觸效率降低。
技術實現要素：
有鑒于此，本發明旨在提出一種混合顆粒懸浮系統，以克服現有技術不足。
本發明提供一種混合顆粒懸浮系統，在懸浮體系中加入輕顆粒和重顆粒的混合顆粒，輕顆粒浮于系統上部，重顆粒沉于系統下部，在氣、液流體的共同作用下，上部輕顆粒向下流化，下部的重顆粒向上流化，較小的動力便可使混合顆粒在系統中達到均勻的軸向分布，有效地提高了氣液固三相接觸效率，有效地利用空間且節省能耗。
具體技術方案如下：
一種混合顆粒懸浮系統，其特征在于：包括氣液固三相區，所述氣液固三相區包括氣相、液相和固相，所述液相為連續相，所述氣相自下而上流動，所述固相為混合顆粒，所述混合顆粒包括輕顆粒和重顆粒，所述輕顆粒密度小于所述液相密度，所述輕顆粒的密度均一或非均一，所述輕顆粒的尺寸均一或非均一，所述重顆粒密度大于所述液相密度，所述重顆粒的密度均一或非均一，所述重顆粒的尺寸均一或非均一，所述混合顆粒分散于所述液相中。相對于現有技術，本發明具有以下優勢：在液相中通入氣體，使混合顆粒均勻地分散于液相中，利于氣液固三相充分接觸，充分利用空間且節省能耗。
附圖說明
圖1為本發明混合顆粒懸浮系統結構示意圖。
具體實施方式
為了更好的理解本發明的混合顆粒懸浮系統，下面結合圖1實例進行闡述。
在一個實施例中，本發明公開了一種混合顆粒懸浮系統，包括氣液固三相區，所述氣液固三相區包括氣相、液相和固相，所述液相為連續相，所述固相為混合顆粒，所述的混合顆粒包括輕顆粒和重顆粒，所述輕顆粒的密度小于所述液相密度，所述重顆粒的密度大于所述液相密度。對于該實施例而言，所述液相作為連續相用于分散所述混合顆粒，這種輕、重顆粒共存于體系可有效的利用空間。
對于所述混合顆粒懸浮系統而言，靜置時輕顆粒在浮力的作用下浮于液體的上部，重顆粒在自身重力的作用下沉降于系統的底部(系統的上部為自由界面)。液相可連續或間歇地從裝置上部或下部加入到系統中，若要保持液位恒定，可增設溢流堰或采用其他可實施性方案；氣體從裝置的底部通入，經氣體分布器均勻分布后進入到體系中。隨著氣速的增大，當氣速達到第一臨界氣速時，上層的輕顆粒向下膨脹處于懸浮狀態，當氣速達到第二臨界氣速時，下層的重顆粒受到向上氣體的曳力的作用，向上膨脹處于懸浮狀態。所述第一臨界氣速為所述輕顆粒在所述系統中形成部分懸浮的表觀氣速；所述第二臨界氣速為所述重顆粒在所述系統中形成部分懸浮的表觀氣速。第一臨界氣速和第二臨界氣速沒有大小區分。
液體可選擇的從裝置的上部或下部通入到系統中，若采用上部進液，液體的通入可促進輕顆粒的流化，若采用下部進液，液體的通入可促進下部重顆粒的流化。進液方式可采用間歇亦也可采用連續進液，不同的工業應用可能采用不同的進液方式。在實際應用中應根據具體的情況選擇適當的進液方式及進液速度，使得混合顆粒在氣體或氣液兩相流體的共同作用下均勻的分散在系統中。
在另一個實施例中，所述輕顆粒的密度均一或非均一，所述輕顆粒的尺寸均一或非均一。更進一步的，所述重顆粒的密度均一或非均一，所述重顆粒的尺寸均一或非均一。
選擇輕顆粒考慮密度因素時首選密度大于等于所述液相密度的80％且小于所述液相密度的輕顆粒，優先選擇大于所述液相密度90％的輕顆粒。若輕顆粒的密度低于所述液相密度的80％，同等體積下所述輕顆粒與所述液相密度差過大，需要更大的動力才能克服輕顆粒本身的浮力，能耗過大，輕顆粒的密度與所述液相密度越接近，越容易在所述液相中懸浮。選擇輕顆粒考慮顆粒直徑因素時，首選輕顆粒直徑小于10mm的輕顆粒，優先選擇輕顆粒直徑小于5mm的輕顆粒，若所選擇的顆粒直徑過大，則顆粒的比表面積越小，不利于氣液固三相充分接觸傳質。
所述混合顆粒懸浮系統中重顆粒的密度和尺寸可以均一也可以不均一，選擇重顆粒考慮密度因素時首選密度小于等于所述液相密度的120％的重顆粒，優先選擇小于所述液相密度110％的重顆粒。若重顆粒的密度大于所述液相密度的120％，同等體積下所述重顆粒與所述液相密度差過大，需要更大的動力才能克服重顆粒本身的重力，能耗過大，重顆粒的密度與所述液相密度越接近，越容易在所述液相中懸浮。選擇重顆粒考慮顆粒直徑因素時，首選重顆粒直徑小于10mm的重顆粒，優先選擇重顆粒直徑小于5mm的重顆粒，若所選擇的顆粒直徑越大，則顆粒的比表面積越小，同等密度下所需的最小流化速度越大，既不利于氣液固三相充分接觸又消耗更大能量。
在選擇所述混合顆粒時，不僅需要考慮顆粒的密度、粒徑，而且需要考慮顆粒的材質、形狀、表面性能等等影響因素。所述的輕顆粒可以是塑料顆粒(如：聚乙烯、聚丙烯、發泡的聚苯乙烯等等)也可以是中空的玻璃球等等；重顆粒可以是塑料顆粒、火山巖、沸石等等。所述輕、重顆粒的形狀多種多樣，可以是球形，橢球形，柱狀形，也可以是不規則多邊形等等。顆粒選擇時應優先選擇比表面積大，類似球形、密度與液體接近的顆粒，既易于流化節能又具有較高的傳質效率。
加入的輕顆粒和重顆粒的總體積在所述氣液固三相區中的體積分率不應高于30％，若加入顆粒量越多，顆粒越不容易被完全懸浮，相對的，氣液兩相流體所占的體積分率也會降低，不利于氣液固三相間充分接觸、傳質。在另一些情況下，氣液兩相體積分率的減少會導致沒有足夠的氣液相與顆粒接觸。
所述的混合顆粒系統中，加入的顆粒包括至少一種輕顆粒與至少一種重顆粒，這樣在一定的氣速和液速的作用下，輕顆粒向下膨脹懸浮，重顆粒向上膨脹懸浮，使顆粒更為均勻分散在接觸器中，既節省能量又充分利用空間。
進一步的，所述的混合顆粒系統中，加入的輕顆粒至少包括兩種密度或尺寸，加入的重顆粒也至少包括兩種密度或尺寸，這樣在一定的氣速和液速的作用下，輕顆粒的各組分向下膨脹懸浮，重顆粒的各組分向上膨脹懸浮，有助于顆粒沿系統的垂直方向上形成顆粒分布梯隊，使顆粒更為均勻分散在接觸器中，充分利用空間。
進一步的，在所述的混合顆粒系統，所述的輕顆粒和/或重顆粒被連續或間歇地加入和取出。示例性的，混合顆粒可以通過專門的泵從裝置的上部打入到系統中，顆粒可采用泵吸的形式從系統中移出，也不排除其他的形式，連續性操作可以使混合顆粒得到有效的循環利用，間歇性的操作更適用于經常更換固定相的反應體系，這樣使得這種系統應用更廣，既適用于間歇反應又可連續性生產，便于進行工業化生產。
進一步的，在所述的混合顆粒系統中，所述液相被連續或間歇地加入和取出。可選擇性的，所述液相從所述氣液固三相區的上方被加入，協助氣相分散所述混合顆粒。加入的液相可以是幫助顆粒流化且不影響反應過程的液體，也可以是作為反應物的一種或多種的液體。
進一步的，當氣相的氣速升高至第一臨界氣速時，至少部分所述的輕顆粒開始被系統懸浮。由于所選用的輕顆粒的密度和尺寸可以均一也可以不均一，因此不同密度不同尺寸的輕顆粒的第一臨界氣速不盡相同。
進一步的，當氣相的氣速升高至第二臨界氣速時，至少部分所述的重顆粒開始被系統懸浮。同樣，所選用的重顆粒密度和尺寸可以均一也可以不均一，因此不同重顆粒的第二臨界氣速不盡相同。
進一步的，在所述氣液固三相區中，所述氣相的體積分率小于等于25％。若所述的氣相體積分率過大，氣泡在體系中容易聚并形成大氣泡，使得顆粒分散不均，從而影響三相接觸反應效率。
在另一個實施例中，所述氣液固三相區中設有氣體分布器。
在另一個實施例中，所述氣液固三相區的下部設有氣體分布器。
在另一個實施例中，如圖1所示，為本發明的一種混合顆粒懸浮系統。床層高6m,直徑0.5m(也可以是其他尺寸，如高4m,直徑0.3m；高8m,直徑0.6m等)。此混合顆粒懸浮系統包括氣相、液相、固相。選擇空氣為氣相、水為液相、混合顆粒為固相。混合顆粒由輕顆粒和重顆粒組成，其中輕顆粒是密度為910kg/m3,直徑為3.5mm和2.28mm的聚丙烯球形顆粒(也可是直徑小于5mm,密度是如下范圍800-1000kg/m3之間的輕顆粒)，重顆粒是密度為1030kg/m3,直徑為1mm，0.8mm的聚苯乙烯球形顆粒原生料(也可是直徑小于5mm,密度1000-1200kg/m3之間的重顆粒)。
液相水可選擇的從裝置的上部或下部向混合顆粒系統中間歇或連續的加入。空氣從裝置的底部通入經氣體分布器進入系統中，氣體分布器選用橡膠微孔曝氣頭。可選擇性的在裝置中通入液相水到液位4m處，向系統中加入10％體積分率的重顆粒，重顆粒在重力的作用下沉降到裝置的底部，再向裝置中加入10％體積分率的輕顆粒，輕顆粒浮于液面上部。此時向體系中通入氣體，隨著氣速的加大，位于液體底部的重顆粒受到氣體的曳力作用開始向上膨脹，位于液面上部的輕顆粒由于氣液混合密度的降低以及氣體對液體的作用而造成的擾動的影響開始向下部膨脹。當達到一定的氣速時，混合顆粒在垂直方向上達到較為均勻的密度分布，充分的利用空間，達到最大的傳質效率。
所述混合顆粒懸浮系統具有以下優點：1)流化速率低，能耗少；2)傳質效率高。混合顆粒較大的比表面積為氣、液、固三相接觸提供了更大的機率；3)空間利用率高。輕、重顆粒充滿整個體積，有效地利用空間。混合顆粒懸浮系統特有的優點尤其適用于生物污水處理，顆粒較大的比表面積為微生物提供更多的場所附著生物膜，附著的微生物的量越多，處理污水的效率越高，另外使顆粒懸浮所需的液體流速低，水力停留時間長，液體的回流少，因此更節省能量。雖然混合顆粒懸浮系統在污水處理方面有較大的應用前景，但不妨礙其用于其他適宜的反應場景。
雖然以上的描述是針對工業過程的，但并不應該認為所述系統的應用范圍僅僅限于顆粒工業過程，特別是不僅僅限于所描述的過程中。
以上所述，僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何細微修改，等同替換和改進，均應包含在本發明技術方案的保護范圍之內。