本發明屬于環保設備/廢水處理/資源化回收技術領域，涉及一種旋流鼓泡塔三相反應器，尤其涉及一種利用二氧化碳從錳渣濾液中回收錳的旋流鼓泡塔三相反應器。

背景技術：

電解錳廢渣主要來源于礦石酸浸后固液分離產生的錳渣和尾礦廢石。其它廢渣有陽極泥、硫化渣、含鉻廢水處理過程中產生的含鉻污泥等。每生產1噸電解金屬錳排放6-10噸錳渣，我國存量錳渣已達5000萬噸以上，同時每年新增1000多萬噸錳渣。錳渣是一種高鈣、高硅和含有微量重金屬的工業廢渣，其中Mn²⁺和其他重金屬離子濃度高，在長期的淋溶作用下可能產生大量浸濾液，污染周圍環境。因此，如果對錳渣濾液中的錳進行資源化回收，則具有顯著的經濟效益和環境效益。

另一方面，電解錳生產過程中，錳礦酸浸時，會產生大量二氧化碳，利用電解錳所產生二氧化碳回收錳渣濾液/含錳廢水中的錳已被證實是一條行之有效的技術路線。一定條件下二氧化碳與錳渣濾液中的錳離子反應生成碳酸錳，得到較高純度的碳酸錳，是典型的氣、液、固三相反應過程，因此，如何提高二氧化碳的利用率，反應生成的碳酸錳沉淀得以及時分離，顯得尤為重要。

傳統的三相反應器根據使固體顆粒懸浮的作用力不同，可將其分為呈4個類型：①機械攪拌懸浮式；②不帶攪拌的息浮床三相反應器，用氣體鼓泡攪拌，也稱為鼓泡淤漿反應器；③不帶攪拌的氣液兩相并流向上而顆粒不被帶出床外的三相流化床反應器；④不帶攪拌的氣液兩相并流向上面顆粒隨液體帶出床外的三相輸送床反應器，或稱為三相攜帶床反應器。

氣、固、液三相反應器為利用電解錳所產生二氧化碳回收錳渣濾液/含錳廢水中的錳的關鍵裝置，上述四種傳統的三相反應器針對回收錳，具有以下缺點：

1)導流筒外壁與鼓泡塔壁間無其他附件，液、氣、固三相向上并流流動，傳質效果受影響；

2)無內循環，主要用于氣體與固體顆粒反應；

3)內部設有規整填料，不適合用于含有固體的反應。

技術實現要素：

針對傳統三相反應器的不足，本發明在于提供一種可提高廢氣中二氧化碳的利用率以及可有效沉淀并去除反應生成的大顆粒碳酸錳的旋流鼓泡塔三相反應器。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種旋流鼓泡塔三相反應器，其特征在于：所述旋流鼓泡塔三相反應器包括反應器筒體、鼓風機、外循環裝置以及射流器；所述反應器筒體的頂部設置有出氣管；所述反應器筒體的側壁上分別設置有進氣管、進液管、出液管、人孔以及排泥管；所述進氣管、進液管以及出液管的高度相同；所述進氣管、人孔以及排泥管自上而下依次設置在反應器筒體的側壁上；所述反應器筒體的內部自上而下依次設置有除沫裝置、中心循環管、反射導流板以及泥斗；所述反應器筒體的內壁與中心循環管之間設置有螺旋導流葉片；所述中心循環管的底部與反射導流板之間設置有小微孔布氣裝置；所述泥斗的底部與排泥管相貫通；所述進液管伸入中心循環管中；所述鼓風機通過進氣管與小微孔布氣裝置相貫通；所述鼓風機通過射流器與進液管相貫通；所述外循環裝置與射流器相連通；所述出液管與外循環裝置相連通。

作為優選，本發明所采用的螺旋導流葉片包括設置在中心循環管外壁上的內螺旋導流葉片。

作為優選，本發明所采用的螺旋導流葉片還包括設置在反應器筒體內壁上的外螺旋導流葉片。

作為優選，本發明所采用的外螺旋導流葉片的外輪廓與內螺旋導流葉片的外輪廓相交、相切或相離；所述內螺旋導流葉片以及外螺旋導流葉片均是一片或多片螺旋線形葉片。

作為優選，本發明所采用的旋流鼓泡塔三相反應器還包括以輪輻狀的方式設置在反射導流板的上表面的多片反射導流曲線形葉片；所述反射導流板是截面呈圓形的平板或截面呈圓形的錐體；所述反射導流曲線形葉片的展開面呈直角梯形。

作為優選，本發明所采用的旋流鼓泡塔三相反應器還包括設置在中心循環管頂部的受液盤；所述受液盤呈倒錐形；所述進液管通過倒錐形受液盤后伸入中心循環管中。

作為優選，本發明所采用的進液管伸入中心循環管中并置于中心循環管的管口0.3～0.5米處。

作為優選，本發明所采用的外循環裝置包括外循環水箱以及循環泵；所述出液管接入外循環水箱；所述循環泵分別與外循環水箱和射流器相貫通。

作為優選，本發明所采用的反應器筒體包括自上而下依次連接的大直徑圓柱形上部、圓錐臺形中間變徑段以及小直徑圓柱形下部；所述出氣管設置在大直徑圓柱形上部的頂部；所述進氣管、進液管以及出液管均設置在大直徑圓柱形上部的側壁上；所述人孔以及排泥管均設置在小直徑圓柱形下部的側壁上。

作為優選，本發明所采用的旋流鼓泡塔三相反應器還包括設置在大直徑圓柱形上部側壁上的加藥管；所述除沫裝置是絲網。

本發明的優點是：

本發明涉及一種旋流鼓泡塔三相反應器，該旋流鼓泡塔三相反應器包括反應器筒體、鼓風機、外循環裝置以及射流器；反應器筒體的頂部設置有出氣管；反應器筒體的側壁上分別設置有進氣管、進液管、出液管、人孔以及排泥管；進氣管、進液管以及出液管的高度相同；進氣管、人孔以及排泥管自上而下依次設置在反應器筒體的側壁上；反應器筒體的內部自上而下依次設置有除沫裝置、中心循環管、反射導流板以及泥斗；反應器筒體的內壁與中心循環管之間設置有螺旋導流葉片；中心循環管的底部與反射導流板之間設置有小微孔布氣裝置；泥斗的底部與排泥管相貫通；進液管伸入中心循環管中；鼓風機通過進氣管與小微孔布氣裝置相貫通；鼓風機通過射流器與進液管相貫通；外循環裝置與射流器相連通；出液管與外循環裝置相連通。本發明相對現有技術，作出如下改進：1)在中心循環管的底部增加反射導流板，促使進入中心循環管內的液體在觸及反射導流板后反方向運動，加速了液體在反應器筒體內部的運動，保證了分離效果；2)在中心循環管與反應器筒體之間增加了螺旋導流葉片，進一步增大了待分離液體與反應器筒體內壁的碰撞幾率，強化了分離效果；3)通過引入外部的二氧化碳以及中心循環管與反射導流板之間的小微孔布氣裝置，使得通入反應器筒體內部的二氧化碳更加細化，攜帶的待分離的液體更多，接觸面積更大，增強了分離效果；4)通過外部循環裝置將二氧化碳與待分離的液體在反應器筒體外部直接結合。本發明通過上述多種方式，共同作用，相互協同，加速了二氧化碳從錳渣濾液中回收錳的進程，其反應速率快、反應更加徹底、利用率更高，生成的碳酸錳沉淀顆粒大、易于固液分離。

附圖說明

圖1是本發明所提供的旋流鼓泡塔三相反應器的結構示意圖；

圖2是本發明所提供的旋流鼓泡塔三相反應器的簡化結構示意圖；

圖3是本發明所采用的反射導流板的俯視結構示意圖；

圖4是圖3的A-A向剖視圖；

其中：

1-進氣管；2-出氣管；3-進液管；4-出液管；5-加藥管；6-反應器筒體；7-內螺旋導流葉片；8-外螺旋導流葉片；9-小微孔布氣裝置；10-反射導流板；11-泥斗；12-排泥管；13-人孔；14-中心循環管；15-變徑段；16-受液盤；17-除沫裝置；18-射流器；19-外循環水箱；20-循環泵；21-鼓風機。

具體實施方式

參見圖1以及圖2，本發明提供了一種旋流鼓泡塔三相反應器，旋流鼓泡塔三相反應器包括反應器筒體6、鼓風機21、外循環裝置以及射流器18；反應器筒體6的頂部設置有出氣管2；反應器筒體6的側壁上分別設置有進氣管1、進液管3、出液管4、人孔13以及排泥管12；進氣管1、進液管3以及出液管4的高度相同；進氣管1、人孔13以及排泥管12自上而下依次設置在反應器筒體6的側壁上；反應器筒體6的內部自上而下依次設置有除沫裝置17、中心循環管14、反射導流板10以及泥斗11；反應器筒體6的內壁與中心循環管14之間設置有螺旋導流葉片；中心循環管14的底部與反射導流板10之間設置有小微孔布氣裝置9；泥斗11的底部與排泥管12相貫通；進液管3伸入中心循環管14中；鼓風機21通過進氣管1與小微孔布氣裝置9相貫通；鼓風機21通過射流器18與進液管3相貫通；外循環裝置與射流器18相連通；出液管4與外循環裝置相連通。布氣裝置由小孔或微孔布氣裝置和射流布氣裝置組合而成。小孔或微孔布氣裝置固定在旋流鼓泡塔中心循環管出口處，位于三相反應器中部的反應區內。射流布氣裝置布置在反應器外。

螺旋導流葉片包括設置在中心循環管14外壁上的內螺旋導流葉片7。螺旋導流葉片還包括設置在反應器筒體6內壁上的外螺旋導流葉片8。外螺旋導流葉片8的外輪廓與內螺旋導流葉片7的外輪廓相交、相切或相離；內螺旋導流葉片7以及外螺旋導流葉片8均是一片或多片螺旋線形葉片。內螺旋導流葉片7以及外螺旋導流葉片8的數量例如可采用1～6條，整體或分斷焊接在筒體內壁及循環管外壁上。

參見圖3以及圖4，本發明所采用的反射導流板10的上表面設置有輪輻狀的多片反射導流曲線形葉片；反射導流板10是截面呈圓形的平板或截面呈圓形的椎體，反射導流曲線形葉片的展開面是直角梯形。反射導流曲線性葉片的出口切線方向與圓形反射導流板10在反射導流曲線性葉片的最高點的切線方向夾角為15～20°。

旋流鼓泡塔三相反應器還包括設置在中心循環管14頂部的受液盤16；受液盤16呈倒錐形；進液管3通過倒錐形受液盤16后伸入中心循環管14中；進液管3伸入中心循環管14中并置于中心循環管14的管口0.3～0.5米處。

外循環裝置包括外循環水箱19以及循環泵20；出液管4接入外循環水箱19；循環泵20分別與外循環水箱19和射流器18相貫通。

反應器筒體6包括自上而下依次連接的大直徑圓柱形上部、圓錐臺形中間變徑段15以及小直徑圓柱形下部；出氣管2設置在大直徑圓柱形上部的頂部；進氣管1、進液管3以及出液管4均設置在大直徑圓柱形上部的側壁上；人孔13以及排泥管12均設置在小直徑圓柱形下部的側壁上。

旋流鼓泡塔三相反應器還包括設置在大直徑圓柱形上部側壁上的加藥管5；除沫裝置17是絲網。

本發明所提供的旋流鼓泡塔三相反應器的工作過程是：

旋流鼓泡塔反應器分為下部的沉淀區，中部的旋流循環反應區及上部的除沫區，該旋流鼓泡塔三相反應器內中心設有循環管受液盤及內循環管，中心的內循環管與外筒壁之間設有螺旋形導流葉片，內循環管下部出口處設有帶曲線導葉的反射板。

其中，內循環工作過程是：

工作時，小孔或微孔布氣裝置由鼓風機供氣，氣泡上升，同時在氣泡提升作用下含有固體的三相混合流體向上流動，在螺旋形導葉引導下形成螺旋形上升，到達上部分離區后，未反應的氣體與液體及反應生成的固體分離。由于此時液固混合流體液面高于中心循環管受液盤的液面，因此混合流體進入中心循環管向下流動，在中心循環管底部出口處遇到反射板10后，在反射板10上曲線導葉引導下，變為沿徑向和切向方向分速度，形成預旋。小孔或微孔布氣裝置產生的氣泡推動預旋的混合流體上升，進入下一循環。

該過程中，上升的氣泡由于液體切向速度作用在氣泡上，引起氣泡變形，增大了氣液接觸面積，提高了二氧化碳的利用率。同時混合液預旋產生的切向方向分速度有利于大顆粒的固體在離心力作用下與液體的分離，致大顆粒沉降到反應器下部的沉淀區。

外循環工作過程是：

射流布氣裝置布置在反應器外，射流器出口伸入旋流鼓泡塔中心循環管內0.3～0.5米，工作時，循環泵啟動，外循環水箱內液體經射流器收縮的喉管處時產生負壓，吸入含二氧化碳的尾氣，吸入的尾氣被液體切割成小氣泡后與液體充分混合反應，進入旋流鼓泡塔中心筒內，在出口處氣液混合物高速流出會帶動周圍的液體一起向下流動，中心循環管內混合液向下流速為0.35～1.5m/s，當流速大于0.35m/s時，直徑小于5mm的氣泡會跟隨液體一起向下運動；而當流速大于0.7m/s時，直徑小于8mm的氣泡會跟隨液體一起向下運動至中心循環管出口，經反射板后混合物向上流動，到達上部后氣液分離，大部分液體溢流回外循環水箱，形成外循環。小部分流體經中心循環管向下流動，構成內循環。

該過程中，混合液內混有的氣泡進入中心筒后先向下運動，到達反射板后再向上升，明顯增加了氣泡與液體的接觸時間；同時由于水壓力增大，導致氣泡體積縮小，比表面積增大，提高了傳質效率，均有利于二氧化碳利用率的提高。

基于本發明所提供的旋流鼓泡塔三相反應器進行相關實驗時，可通過以下具體實施方式做驗證：

實施例1：

采用連續式進水，含錳廢水流量1m³/h(5.5g/L Mn)，加堿流量0.15m³/h(125g/L NaOH)，CO₂濃度為11％，將含錳廢水、堿液、CO₂從旋流鼓泡塔三相反應裝置上端加入，經底部向上旋流上升，通過pH控制系統調節pH維持在6.85以上，經過旋流三相反應裝置的沉淀、干燥后得到的沉淀物碳酸錳含量(以Mn計)為41.9％，達到了《HGT 4203-2011工業碳酸錳》合格品要求，出水Mn濃度為0.0383g/L，錳回收率為99.30％。

實施例2：

采用連續式進水，含錳廢水流量1.1m³/h(4.8g/L Mn)，加堿流量0.16m³/h(125g/L NaOH)，CO₂濃度為12％，將含錳廢水、堿液、CO₂從旋流鼓泡塔三相反應裝置上端加入，經底部向上旋流上升，通過pH控制系統調節pH維持在6.80以上，經過旋流三相反應裝置的沉淀、干燥后得到的沉淀物碳酸錳含量(以Mn計)為42.2％，達到了《HGT 4203-2011工業碳酸錳》合格品要求，出水Mn濃度為0.0152g/L，錳回收率為99.68％。

實施例3：

采用間歇式進水，一次性加入含錳廢水2.8m³(5.5g/L Mn)，加堿量0.15m³(125g/L NaOH)，CO₂濃度為11％，將含錳廢水、堿液、CO₂從旋流鼓泡塔三相反應裝置上端加入，經底部向上旋流上升，通過pH控制系統調節pH維持在6.90，反應2h，經過旋流三相反應裝置反應后的沉淀、干燥后得到的沉淀物碳酸錳含量(以Mn計)為42.9％，達到了《HGT 4203-2011工業碳酸錳》一級品要求，出水Mn濃度為0.0131g/L，錳回收率為99.76％。

實施例4：

采用間歇式進水，一次性加入含錳廢水3.0m³(4.8g/L Mn)，加堿量0.15m³(125g/L NaOH)，CO₂濃度為12％，將含錳廢水、堿液、CO₂從旋流鼓泡塔三相反應裝置上端加入，經底部向上旋流上升，通過pH控制系統調節pH維持在6.85，反應2h，經過旋流三相反應裝置反應后的沉淀、干燥后得到的沉淀物碳酸錳含量(以Mn計)為42.5％，達到了《HGT 4203-2011工業碳酸錳》一級品要求，出水Mn濃度為0.0162g/L，錳回收率為99.66％。