一种利用膜分散技术实现液/液不互溶体系换热的方法

摘要

利用膜分散技术实现液/液不互溶体系换热的方法，属于化学化工中传热、换热技术领域。该方法利用膜分散设备，以微孔膜作为分散介质，使液/液体系中的一相作为分散相穿过微孔膜，在作为连续相的另一相的流体错流剪切作用下形成50到900微米范围的小液滴，从而制备出液/液微分散体系。借助液/液微分散体系优异的混合、传递性质实现两相间的高效换热。该方法所需设备简单，操作方便，能够有效强化传热过程。使用该方法，物料仅需要20－200ms的停留时间，就可以达到83％～95％的传热效率，体积传热系数可以达到传统液/液直接接触换热方法的15～20倍。

说明书

技术领域

本发明涉及两种液体之间的换热方法，特别涉及不互溶液体间的传热方法，属于化学化工中传热、换热技术领域。

背景技术

化工生产中传统的换热设备以管式换热器，空气冷却器等带有金属导热壁面的设备为主，这些设备利用列管或金属板壁面作为换热面来实现两股流体间的传热，换热面积受到设备的限制，而且金属壁面容易受到腐蚀和结垢的影响。而对于不互溶体系的换热采用液/液两相直接接触传热却不受此限制，该方法将不互溶流体中的一相作为分散相，以液滴的形式分散到称为连续相的另一相中，从而在没有金属壁面的情况下两相流体实现直接接触，并且在温度差的作用下完成传热过程。对于不互溶液/液体系直接传热问题国内外对相关过程已有研究，如采用类似于传统的吸收塔或萃取塔等形式的设备来实现两相间的传热，但是存在设备体积大、传热效率低、放大困难和因为体系内流动状态依靠体系密度差而带来的传热难以强化的问题。

近几年来在微加工、微测试技术的不断促进下，关于微尺度下分散、混合等方面的科学和技术发展极为迅速。利用微结构，微型化工设备能够使液/液不互溶体系的分散尺度从毫米级降到微米级，从而通过减小传质距离、增大比表面积来强化传递过程，因此液/液微分散技术能够有效的改变了液/液分散体系的混合、传递性质。相关研究表明，液/液微分散体系的传质系数可以比传统的萃取塔高出一个数量级以上。通过传质和传热过程的类比，利用液/液微分散技术强化传热过程也是可行的。但是目前将液/液微分散技术应用于不互溶液体间的传热过程还鲜有研究，因此利用带有微结构的新型设备得到液/液微分散体系，进而实现液/液不互溶流体间的高效换热是一个非常有意义的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用膜分散技术实现液/液不互溶体系换热的方法，即利用微分散体系良好的混合传递性质，强化液/液不互溶流体间的直接接触传热过程，进而实现液/液不互溶流体间的高效换热。

本发明的技术方按如下：

一种利用膜分散技术实现液/液不互溶体系换热的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：将液/液不互溶体系中的一相作为分散相，使该分散相在压力作用下从微孔膜的一侧穿过微孔膜；将液/液不互溶体系中的另一相作为连续相，使该连续相沿微孔膜的另一侧表面流过，并剪切穿过微孔膜的分散相流体。分散相被连续相剪切成微小液滴后分散到连续相中，在膜分散设备内进行相间换热。

本发明的技术特征还在于：所述的微孔膜的孔径在0.1～10μm之间。所述的连续相的流速在0.1～10m/s之间，分散相过膜流速在0.1～10m/s之间。所述的连续相和所述的分散相的体积流量比在0.6～20的范围内。所述的连续相和所述的分散相在膜分散设备中的停留时间在20～200ms之间。

本发明具有以下优点及突出性效果：该方法以微孔膜作为分散介质，液/液不互溶体系的一相作为分散相，另一相作为连续相，分散相首先分散在连续相中形成液/液微分散体系，进而在微分散状态下接触传热。该方法所需设备简单，操作方便，能够有效强化传热过程。使用该方法，物料仅需要20-200ms的停留时间，就可以达到83％～95％的传热效率，体积传热系数可以达到传统液/液直接接触换热方法的15～20倍。

具体实施方式

本发明所提供的利用膜分散技术实现液/液不互溶体系换热的方法，将液/液不互溶体系中的一相作为分散相，使该分散相在压力作用下从微孔膜的一侧穿过微孔膜，将液/液不互溶体系中的另一相作为连续相，使该连续相沿微孔膜的另一侧表面流过并剪切穿过微孔膜的分散相流体；分散相被连续相剪切成微小液滴后分散到连续相中，在膜分散设备内停留一定时间，进行相间换热。微孔膜孔径在0.1～10μm之间。一般连续相的流速在0.1～10m/s之间，分散相过膜流速在0.1～10m/s之间。分散相流体通过微孔膜被连续相剪切成50～900微米范围内的微小液滴后分散到连续相中，在膜分散设备内进行相间换热。经过20～200ms的停留时间后两相流体离开反应器，完成这一传热过程。此外，过程中连续相和分散相的体积流量比在0.6～20的范围内。

该方法的原理在于：该方法以微孔膜作为分散介质，使液/液体系的中的一相作为分散相穿过微孔膜，在作为连续相的另一相流体的错流剪切作用下，分散相在连续向内形成大比表面积的微小液滴，两相流体在微分散体系中仅通过毫秒级的接触，就可以达到83％～95％的传热效率，离开换热设备后两相流体相分离后即完成传热过程。

实施例1：

根据本方法对水/辛烷的体系进行了实验，采用平均孔径为0.1μm的微孔膜作为分散介质。辛烷温度为22℃，作为分散相，过膜速度为0.1m/s。水温度为50℃，作为连续相，流速为1m/s，连续相和分散相的体积流量比为20，两相流体在膜分散设备内停留时间为180ms。传热效率达到90％。

实施例2：

根据本方法对水/环己烷的体系进行了实验，采用平均孔径为5μm的微孔膜作为分散介质。环己烷温度为18℃，作为分散相，过膜速度为2m/s。水温度为69℃，作为连续相，流速为10m/s，连续相和分散相的体积流量比为5，两相流体在膜分散设备内停留时间为20ms。传热效率达到95％。

实施例3：

根据本方法对氯化钠溶液/煤油的体系进行了实验，采用平均孔径为10μm的微孔膜作为分散介质。煤油温度为19，作为分散相，过膜速度为0.3m/s。氯化钠溶液温度为80℃，作为连续相，流速为0.1m/s，连续相和分散相的体积流量比为1.0，两相流体在膜分散设备内停留时间为200ms。传热效率达到87％。

实施例4：

根据本方法对氯化钠溶液/辛烷的体系进行了实验，采用平均孔径为10μm的微孔膜作为分散介质。辛烷温度为28℃，作为分散相，过膜速度为10m/s。氯化钠溶液温度为71℃，作为连续相，流速为6m/s，连续相和分散相的体积流量比为0.6，两相流体在膜分散设备内停留时间为80ms。传热效率达到83％。