氣體注入方法及設(shè)備的制作方法
【專利摘要】用于將氣體注入到液體中的方法及設(shè)備，其中，在浸沒在液體中的通流管(20)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)的螺旋葉輪(30)產(chǎn)生了通流管內(nèi)的液體流。氣泡在螺旋葉輪的上方或下方或旁邊或所有三個位置中注入到通流管中。液體以比氣泡的大致一致的末端上升速度更大的表面速度吸入通流管中，以允許大體積液體中的未溶解的氣泡被夾帶入吸入通流管中的液體中。氣泡以大約10.0微米至大約1.0毫米之間的一致直徑注入。小氣泡尺寸使氣體在液體中的溶解增大，且還允許氣體被夾帶入吸入通流管中的液體中。氣體可為氧、臭氧或二氧化碳。
【專利說明】氣體注入方法及設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣體注入方法及設(shè)備，其中氣體通過使用位于通流管(drafttube)內(nèi)且由馬達驅(qū)動的螺旋葉輪(helical impeller)來注入到液體中。更具體而言，本發(fā)明涉及一種方法及設(shè)備，其中氣體由位于通流管內(nèi)的注入器(可為噴射器(sparger)或噴嘴)來在通流管上方或下方或旁邊注入螺旋葉輪，以產(chǎn)生一致(uniform)小尺寸的氣泡，來增強氣體在液體中的溶解以及未溶解的氣泡回到通流管的再循環(huán)。
【背景技術(shù)】
[0002]多種過程涉及氣體在液體中溶解。例如，在需氧廢水處理系統(tǒng)中，能夠去除水中的有機廢物的細菌需要氧。所需的氧量可使用機械地攪動的混合器系統(tǒng)來有效地溶解入過程流中。類似地，在諸多飲用水處理系統(tǒng)中，加入了化學(xué)制品(例如，凝聚劑和凝結(jié)劑)來促進液體中的污染固體的沉淀和去除。借助于機械地攪動的氣體溶解系統(tǒng)，加入了二氧化碳來用于在一些凝聚和凝結(jié)過程中保持最佳PH狀態(tài)。
[0003]盡管廣泛地使用了表面混合和氣體溶解系統(tǒng)，但水下的混合系統(tǒng)具有某些優(yōu)點。一個優(yōu)點在于此類水下混合系統(tǒng)可出于定向混合或更理想的氣體溶解的目的而垂直地、水平地或成角地定向。深度對有效系統(tǒng)壓力具有顯著影響；并且氣體的可溶性已知是顯著地受壓力影響的。因此，水下混合系統(tǒng)在十米的深度處的水中運行時可有效地使如果混合在表面處發(fā)生時可能的大 約兩倍的氣體體積能夠溶解。
[0004]US6, 273，402中公開了一種水下混合設(shè)備。該設(shè)備適于浸沒在可包含廢水和淤泥的槽(tank)中。在此裝置中，連接到馬達上的螺旋葉輪在水下通流管內(nèi)旋轉(zhuǎn)。通流管和馬達連接到壓載室上，壓載室可填充有壓載物，以引起該設(shè)備沉沒在液體內(nèi)。壓載室具有:頭部空間，氧經(jīng)由該頭部空間注入；以及下表面，其提供了朝向至通流管的入口開口的微小傾斜。旋轉(zhuǎn)的葉輪將液體吸入入口開口中，用于與進入的氧混合。所得的氣體-液體混合物在膨脹的射流狀流中從通流管的另一端排出。未溶解的任何氧氣泡在液體內(nèi)朝向表面上升。這些氧氣泡的一部分將由壓載室的下表面捕集，且被夾帶(entrain)在被吸入入口開口的液體中。未溶解的氣泡的另一部分將從液體的表面散逸。
[0005]在US6，273，402中描述的混合和氣體溶解系統(tǒng)存在若干缺點。一個主要缺點在于葉輪自身提供了吸力來將氣體吸入液體中。當(dāng)被吸入的氣體量增加時，將存在由葉輪提供的較少的吸力，且因此能夠由此類裝置吸收的液體的量將是有限的，直到在液體不再可由葉輪吸入時最后發(fā)生已知為溢流的狀態(tài)。
[0006]此外，不存在對通過葉輪的作用來產(chǎn)生的氣體氣泡的氣泡尺寸的控制。盡管存在將影響此類混合裝置內(nèi)的液體內(nèi)的氣體的溶解速率的諸多因素，但對于經(jīng)歷特定運行條件的給定裝置，氣泡的尺寸將確定對于氣體-液體接觸可用的界面表面面積，且因此確定能夠溶解在液體中的氣體的量。另一個主要的關(guān)注在于，在此專利中示出的裝置僅可在垂直定向中運行，因為在未溶解于液體中而再循環(huán)回至通流管的氣體的收集中，該設(shè)備取決于壓載室的下側(cè)，且依靠壓載室的水平定向來在任何給定深度處維持穩(wěn)定性。在一些水處理系統(tǒng)中，可為重要的是不將流從通流管直接地引導(dǎo)入處理池的底部。如果池是淺的且具有土制底部或聚合物襯里，則液體的射流可破壞底部表面或?qū)印Ｈ欢?，即使在池由實心材?例如，混凝土)制成的情況下，如果離開通流管的液體以高速沖撞底部，則在氣泡從高速液體脫離之前，氣泡將擴散足夠的距離，這將阻止上升的氣泡收集在壓載室的下側(cè)上。這在大氣泡尺寸的情況下惡化，大氣泡尺寸將獲得足夠的末端上升速度來從液體的表面散逸，且避免了與被吸入通流管中的液體一起被再夾帶。
[0007]已存在并非必須在垂直定向中運行的裝置。在此類裝置中的一個中，氣體經(jīng)由環(huán)狀歧管注入通流管的內(nèi)部和葉輪的下方。此類型的裝置具有各自為一英寸的1/8的一系列開口。這產(chǎn)生了大的氣泡，其將獲得足夠高的末端上升速度，以致注入氣體的非不顯著的部分將從液體的表面散逸。此外，使用的葉輪并非螺旋葉輪，而是葉片葉輪。存在可在此類設(shè)備中溶解的氣體的量上的限制，因為如可領(lǐng)會的那樣，當(dāng)氣體量增加時，將不存在由葉輪吸入并加速的足夠的液體。
[0008]如將論述的那樣，本發(fā)明提供了一種方法及設(shè)備，其中氣體以受控的氣泡尺寸來直接地注入到通流管中，這將不僅提高氣體可溶解于液體中的程度，且還將提高未溶解的氣體將被夾帶在由葉輪吸入通流管中的氣體流中的程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種注入氣體的方法，其中螺旋葉輪在位于液體中的通流管內(nèi)旋轉(zhuǎn)。這通過將液體從位于通流管的一端處的至少一個入口開口吸入通流管中且將液體流從位于通流管的另一端處的通流管的排出開口排出來產(chǎn)生液體流。氣體的氣泡在位于螺旋葉輪的上方或下方或旁邊的至少一個位置中注入到通流管中，使得一部分氣泡在通流管內(nèi)的液體流中溶解，且氣泡的其余部分從排出開口排出。從排出開口排出的氣泡被運送入液體流內(nèi)的液體中，其中氣泡的其余部分的一部分在液體中溶解，且氣泡的其余部分的另一部分被夾帶入通過至少一個入口開口被吸入通流管中的液體中。
[0010]氣泡以大約10.0微米與大約1.0毫米之間的一致直徑注入到液體流中，以增大氣泡的表面面積，且因此增大液體內(nèi)的氣體的溶解速率，且將浮力賦予氣泡的其余部分的另一部分，這將導(dǎo)致其至少大致一致的末端上升速度。將注意到的是，當(dāng)在本文中和權(quán)利要求中使用時，用語〃大約〃在與氣泡尺寸相關(guān)聯(lián)使用時意指正或負(fù)百分之十。液體以大于氣泡的大致一致的末端上升速度的表面速度被吸入通流管中，以使氣泡的其余部分的另一部分能夠被夾帶入液體中，同時大致防止氣體從液體的表面散逸。
[0011] 氣泡可從位于在通流管的徑向地間隔的位置處的通流管內(nèi)部的多個噴射器注入。備選地，氣泡可從位于通流管內(nèi)且具有環(huán)狀構(gòu)造的噴射器的內(nèi)多孔區(qū)段注入。在任一此類情況中，氣泡的一致直徑為大約10.0微米至大約500.0微米之間。另一選擇是將供應(yīng)的氣體供應(yīng)至位于在通流管的徑向地間隔開的位置處的通流管內(nèi)的多個噴嘴，且氣泡從多個噴嘴注入。在噴嘴注入的情況中，氣泡的一致直徑為大約500.0微米至大約1.0毫米之間。注入的氣體可為氧、含有混合物的臭氧或二氧化碳。
[0012]本發(fā)明還提供了一種用于將氣體注入到液體中的設(shè)備。該設(shè)備具有通流管，該通流管適于浸沒在液體中且具有位于通流管的一端處的至少一個入口開口和位于通流管的另一端處的排出開口。螺旋葉輪位于通流管內(nèi)，且馬達連接到通流管上。馬達的軸從通流管的一端突入通流管中且連接到螺旋葉輪上來使螺旋葉輪旋轉(zhuǎn)，且由此產(chǎn)生液體流。此液體流通過將液體從至少一個入口開口吸入通流管中且將液體流從排出開口排出而產(chǎn)生。提供了機構(gòu)來用于在位于螺旋葉輪上方或下方或旁邊的至少一個位置中將氣體的氣泡注入到通流管內(nèi)的液體流中。由于此注入，氣泡的一部分在通流管內(nèi)部的液體流中溶解，且氣泡的其余部分從排出開口排出并被運送入液體流內(nèi)的液體中。氣泡的其余部分的一部分在液體中溶解，且氣泡的其余部分的另一部分被夾帶入通過至少一個入口開口吸入通流管中的液體中。氣泡注入器機構(gòu)構(gòu)造成注入帶有大約10.0微米與大約1.0毫米之間的一致直徑的氣泡，以增大氣泡的表面面積，且因此增大液體內(nèi)的氣體的溶解速率，且將浮力賦予氣泡的其余部分的另一部分，這將導(dǎo)致其至少大致一致的末端上升速度。構(gòu)造葉輪，且馬達能夠使葉輪以足夠的速度旋轉(zhuǎn)，使得吸入通流管中的液體具有比氣泡的大致一致的末端上升速度更大的最小表面速度，以使氣泡的其余部分的另一部分能夠被夾帶入吸入通流管中的液體中，同時大致防止氣體從液體的表面散逸。
[0013]氣泡注入器機構(gòu)可包含具有至少一個注入器開口的至少一個注入器以及用于將氣體以預(yù)定流動速率供應(yīng)至至少一個注入器的機構(gòu)。至少一個注入器開口定尺寸來以預(yù)定流動速率產(chǎn)生帶有至少大致一致直徑的在液體內(nèi)的氣泡。至少一個氣體注入器可為位于在通流管的徑向地間隔開的位置處的通流管內(nèi)的多個噴射器，且至少一個注入器開口為由金屬、燒結(jié)金屬或聚合物超細氣泡表面層形成的多個注入器開口。至少一個注入器可為具有多個注入器開口 的噴射器。此類噴射器可包括位于通流管內(nèi)且具有用于穿透通流管的側(cè)壁的氣體的入口的環(huán)狀元件。環(huán)狀元件具有外實心區(qū)段和內(nèi)多孔區(qū)段，內(nèi)多孔區(qū)段連接到外實心區(qū)段上且由金屬、燒結(jié)金屬或聚合物超細氣泡表面層形成，以提供多個注入器開口。在噴射的情況下，多個注入器開口定尺寸來以預(yù)定流動速率在液體內(nèi)產(chǎn)生帶有大約10微米至大約500微米之間的范圍內(nèi)的一致直徑的氣泡。備選地，至少一個氣體注入器可為多個噴嘴，這些多個噴嘴位于在通流管的徑向地間隔開的位置處的通流管內(nèi)且提供來自多個噴嘴的多個注入器開口。多個注入器開口中的每一個均定尺寸來以預(yù)定流動速率在液體內(nèi)產(chǎn)生帶有大約500.00微米至大約1.0毫米之間的范圍內(nèi)的一致直徑的氣泡。
[0014]在本發(fā)明的任一實施例中，馬達可構(gòu)造成與通流管一起浸沒在液體內(nèi)。通流管可具有在通流管的另一端處的引導(dǎo)葉片的十字形布置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]盡管說明書以特別地指出了 申請人:認(rèn)為是他們的發(fā)明的主題的權(quán)利要求書來結(jié)束，所相信的是本發(fā)明在與附圖相關(guān)聯(lián)時將得到更好的理解，在這些附圖中:
圖1為在以片段截面視圖示出的以在廢水處理池之內(nèi)的運行狀態(tài)示出的用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的設(shè)備的前視圖；
圖2為圖1中示出的設(shè)備的頂部平面視圖；
圖3為圖1中示出的設(shè)備的片段示意性截面視圖；
圖4為根據(jù)本發(fā)明的氣體注入器的頂部平面視圖；
圖5為根據(jù)本發(fā)明的氣體注入器的頂部平面視圖；以及 圖6為根據(jù)本發(fā)明的氣體注入器的頂部平面視圖?！揪唧w實施方式】
[0016]參考圖1，圖示了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備I。設(shè)備I設(shè)計成將由箭頭"A"標(biāo)識的氣體(例如，氧)注入液體2中，出于圖示的目的，液體2示出為容納在具有側(cè)壁3的槽中。此類槽可為需氧廢水處理系統(tǒng)的一部分，其中液體2為含有廢水的混合液體，且氣體"A〃(氧)注入到混合液體中以便其溶解在液體中。然而，本發(fā)明不限于此類應(yīng)用，且前文僅出于圖示的目的而提及。
[0017]另外參考圖2，設(shè)備I設(shè)計為完全地浸沒在液體2內(nèi)，且因此懸在液體2中。這借助于浮體10的布置以常規(guī)方式來實現(xiàn)，浮體10由連接到上翼緣(top flange) 14上的構(gòu)件12連接。朝下延伸的構(gòu)件16繼而連接到上翼緣14和設(shè)備I上。然而，這僅為出于圖示的目的，且設(shè)備I可連接到梁或其他如跨過槽的側(cè)壁3的構(gòu)件或本領(lǐng)域中的技術(shù)人員想到的其他方式。此外，盡管設(shè)備I在垂直定向中圖示，但有可能的是將設(shè)備I定向為與垂直線成角度。
[0018]另外參考圖3，設(shè)備I設(shè)有通流管20，該通流管20具有由通流管20的開口端24形成的入口開口 22。所理解的是入口開口還可位于通流管的側(cè)壁處，且通流管的對應(yīng)端封閉。排出開口 26位于其相對端28處。螺旋葉輪30位于通流管20內(nèi)，該螺旋葉輪30由附接到馬達34上的軸32驅(qū)動。馬達34借助于葉片狀元件36連接到通流管20上。馬達34還連接到朝下延伸的構(gòu)件16上，以由此將設(shè)備I連接到朝下延伸的構(gòu)件16上。馬達34可為能夠在浸沒于液體中時起作用的類型的電動馬達。氣體驅(qū)動的馬達也是可能的。然而，設(shè)備I的實施例是可能的，其中運行接近于液體2的表面執(zhí)行；且在此類情況下，馬達34可并非能夠在水下運行的類型。螺旋葉輪30優(yōu)選設(shè)計成以便在各次回轉(zhuǎn)中，液體體積經(jīng)由具有一定體積的通流管20被推進，通流管20的體積接近且位于通流管中的螺旋葉輪30下方的液體的體積。螺旋葉輪的設(shè)計使得螺旋葉輪的各次旋轉(zhuǎn)。此外，在螺旋葉輪30與形成通流管20的側(cè)壁之間必須存在一些空隙。此空隙設(shè)計成至少小于或等于葉輪直徑的30%。
[0019]如可在圖1中最佳地所見，螺旋葉輪30的旋轉(zhuǎn)通過將液體2如由箭頭〃B"所指出的那樣從入口開口 22吸入通流管20來產(chǎn)生液體流。液體流隨后如由箭頭〃C〃所指出的那樣從排出開口 26排出。如圖3中所示，優(yōu)選地，引導(dǎo)葉片29的十字形流動布置可設(shè)在出口開口 26處作為流調(diào)直器，以通過協(xié)助除去此類流之內(nèi)的旋轉(zhuǎn)來促進在箭頭"C"的方向上的流動，以及將進一步的剪切力賦予氣體-液體混合物。
[0020] 繼續(xù)參考圖3，三個分離的氣體注入器位于通流管20內(nèi)，氣體注入器設(shè)計成將氣泡注入到穿過通流管20的液體流中。兩個氣體注入器38位于葉輪30的上方和下方，且氣體注入器40位于葉輪30旁邊。氣體注入器將氣泡注入到通流管20內(nèi)的流中。參考圖4，各個注入器38均具有在徑向地間隔開的位置處位于通流管20內(nèi)的多個長形噴射器42，間隔開的位置可為以90度間隔開。如果提供更大數(shù)目的噴射器42，那么間隔可為小于90度。各個噴射器42均由金屬、燒結(jié)金屬或聚合物超細氣泡表面層形成，以形成多個注入器開口，氣泡從多個注入器開口注入到通流管20內(nèi)的流中。如圖所示，噴射器42為圓柱形構(gòu)造，且氣泡將主要地從其彎曲的側(cè)表面發(fā)出。噴射器42優(yōu)選地連接到也位于通流管20內(nèi)的環(huán)狀歧管44上。相對的入口 46以氣體〃A〃來給送環(huán)狀歧管，且因此以氣體〃A〃來給送噴射器42。將注意到的是可采用此類入口 46中的一個。相對的入口 46連接至且穿透形成了通流管20的側(cè)壁。[0021]參考圖5，氣體注入器40包括環(huán)狀元件48，該環(huán)狀元件48具有用于氣體的供應(yīng)的至少一個且如所圖示優(yōu)選地兩個相對的入口 50。環(huán)狀元件48具有外實心區(qū)段52和連接到該外實心區(qū)段52上的內(nèi)多孔區(qū)段54。內(nèi)多孔區(qū)段54由金屬、燒結(jié)金屬或聚合物超細氣泡表面層形成，以提供多個注入器開口，氣泡從這些多個注入器開口發(fā)出。為了提供與螺旋葉輪30的空隙，通流管20分成兩個區(qū)段56和58，這兩個區(qū)段56和58由環(huán)形構(gòu)造的朝外延伸的中間區(qū)段60連接。氣體注入器40安裝在朝外延伸的中間區(qū)段60內(nèi)。兩個相對的入口 50穿透此朝外延伸的區(qū)段60。將注意到的是，有可能形成單個區(qū)段中的通流管20，其中氣體注入器40的內(nèi)表面與螺旋葉輪30齊平。
[0022]再次具體參考圖1，相對的歧管61和62提供為分別具有給送導(dǎo)管64和66，給送導(dǎo)管64和66繼而連接到氣體注入器38的相對的入口 46和50上。歧管61借助于連接導(dǎo)管68連接到歧管62上，且歧管62繼而連接到供應(yīng)管70上，氣體〃A〃從壓縮氣體源經(jīng)由該供應(yīng)管70給送。
[0023]在設(shè)備I的運行期間，產(chǎn)生了用于未溶解的氣泡的再循環(huán)環(huán)路，氣泡從排出開口26排出且至此氣泡保持未溶解的程度，其在被吸入通流管20的入口開口 22中的液體流"B"內(nèi)被再捕獲。在此再循環(huán)環(huán)路中，一部分氣泡溶解在通流管20內(nèi)部的液體流中，且氣泡72的其余部分從排出開口 26排出且運送到液體流內(nèi)的液體2中，其中氣泡72的其余部分的一部分溶解在液體2中。氣泡74的其余部分的另一部分由于它們的浮力而在液體2內(nèi)升高，以被夾帶到通過入口開口 22吸入通流管20中的液體"B"中。為了實現(xiàn)此，注入的氣泡必須具有10.0微米至1.0毫米之間的至少大致一致的直徑。此范圍內(nèi)的氣泡直徑服務(wù)于兩個目的。當(dāng)然，小的氣泡尺寸將提高氣泡的表面面積，且因此提高液體2內(nèi)的氣體"A〃的溶解速率。此外，給予此類氣泡的浮力由于氣泡的尺寸將導(dǎo)致可被控制的至少大致低的一致的末端上升速度。上升速度的此控制將允許此類速度與被吸入通流管的入口開口中的液體〃B〃的表面速度(s uperficial speed)相匹配。液體〃B〃的表面速度由通過馬達34及其軸32給予葉輪30的葉輪30的旋轉(zhuǎn)速度來控制。取決于注入的氣體的量的此夾帶可作用來大致上防止氣體從液體2的表面散逸。鑒于此，構(gòu)想了本發(fā)明的運行，其中存在氣體從液體2的表面的一些散逸。然而，即使在此類運行中，受控制以獲得小于液體"B"的表面速度的一致的末端上升速度的小氣泡尺寸仍然將允許大部分氣體被再捕獲，用于再循環(huán)回到通流管20中。
[0024]為了獲得注入氣泡的氣泡尺寸，氣體注入器38的噴射器42和氣體注入器40的內(nèi)表面54設(shè)有為期望的氣泡尺寸一定的平均孔尺寸，使得注入氣泡不可小于孔，氣體從這些孔注入到液體2中。在金屬、燒結(jié)金屬或聚合物超細氣泡表面層的情況下，平均孔徑及因此氣泡尺寸可在大約10微米至大約500微米的范圍內(nèi)。在此方面，替代氣體注入器38的噴射器42，如圖6中所示，可使用具有替代了噴射器42的噴嘴42’的氣體注入器38’。各噴嘴42’均為圓柱形構(gòu)造，且設(shè)有終止于開口的軸向圓柱形通路43，氣泡從該開口進入液體中。此類通路可在從500微米至Imm直徑范圍內(nèi)，以形成大約500微米至大約Imm之間的氣泡。除噴嘴42’外，氣體注入器38’將與氣體注入器38相同。對本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說已知的是，氣體〃A〃的壓力必須足以克服氣體注入器的壓力下降。這在具有噴嘴的氣體注入器中較少地關(guān)注。至氣體注入器的氣流的重要之處在于，如果氣流太高，則氣泡將再組合，且因此不會在期望的尺寸范圍中。此外，將總是存在在使用燒結(jié)金屬或聚合物超細氣泡表面層的噴射器的孔尺寸中的微小變化。結(jié)果，如上文所述的在氣泡尺寸中的正或負(fù)百分之十的變化在根據(jù)本發(fā)明的方法的實施中是可接受的。在利用金屬、燒結(jié)金屬或聚合物超細氣泡表面層的噴射器的情況中，此類材料的表面面積將對可在液體中溶解的氣體的量具有直接影響。
[0025]盡管圖示了三個氣體注入器38和40，但有可能僅在單個位置(例如，螺旋葉輪30上方或下方)中使用此類氣體注入器中的一個，氣體注入器38或氣體注入器40。在氣體注入器40的情況中，如圖中所圖示，單個此類注入器可位于螺旋葉輪30旁邊。此外，單個氣體注入器38’可位于螺旋葉輪30上方或下方。取決于應(yīng)用，氣體可在任一水平處注入。例如，在高粘性系統(tǒng)中，有益的是使用允許細氣泡與靠近螺旋葉輪區(qū)域或在螺旋葉輪區(qū)域之內(nèi)的高剪切力區(qū)中的液體接觸的燒結(jié)金屬噴射器系統(tǒng)來在高剪切力螺旋葉輪上方注入諸如氧的過程氣體。在最大剪切力的點處注入氣體允許最佳的氣體-液體接觸和氣泡的分散。將注意到的是，無論是否使用多個氣體注入器，都將注意到的是，對于位于螺旋葉輪30上方的注入器，氣體的流將為較少的，假如在此類位置中的氣流增加，氣體將使液體轉(zhuǎn)移且螺旋葉輪將更不有效地推動液體流通過通流管20。
[0026]更明確地，在通流管20中的氣體-液體接觸過程期間溶解的氣體"A"量由若干因素確定，這些因素包括:(i)通流管20的長度；(ii)通流管20中的有效壓力；(iii)在通流管20中的溫度和壓力條件下的氣體的溶解度；(iv)通流管20中的剪切力和混合條件；(V)氣泡的尺寸，這將確定可用于氣體-液體接觸的界面表面面積；(vi)氣體與液體體積的比；以及(vii)可用于通流管20中的氣體-液體接觸的時間。在通流管20的排出開口 26處噴出的未溶解的氣泡72的量因此由如以上概述的通流管20中的質(zhì)量傳遞過程的有效性來確定。 [0027]通流管20中的葉輪30的向下泵送作用設(shè)立了以上所述的再循環(huán)環(huán)路，其具有由通流管20中的自由容積或掃過容積及葉輪30的旋轉(zhuǎn)速度確定的最大體積流。由再循環(huán)環(huán)路覆蓋的范圍(即，其水平達到范圍)將為若干變量的函數(shù)，這些變量包括:(i)入口開口22上的液體高度；(ii)內(nèi)在液體吸力，其可通過將通流管20內(nèi)的掃過容積或換言之在各次旋轉(zhuǎn)期間由螺旋葉輪30從通流管抽出的液體的體積乘以螺旋葉輪30的旋轉(zhuǎn)速度來確定；以及(iii)通流管20離含有液體2的池的底部(這在圖中為池底部4)的間隙。此間隙可影響二次混合流的出現(xiàn)或發(fā)展，二次混合流可有助于或阻止主要循環(huán)流。再循環(huán)環(huán)路的水平范圍影響可收回多少未溶解的氣體。寬的水平范圍使較大量的未溶解氣體能夠被捕獲。
[0028]未溶解的氣泡74被夾帶于在通流管20的排出開口 26處噴出的高速射流〃C〃中。只要液體的粘性阻力超過氣泡的朝上的浮力，則氣泡將繼續(xù)在此射流中被朝下運送。當(dāng)液體射流朝下行進時，液體射流將動量傳遞至大體積(bulk)液體的靠近層。如由線"D"所示，射流"C〃的速度將由于粘性阻力而減小，且因此從出口開口 26發(fā)出的液體流的射流將趨于隨著速度減小而分叉。在一定臨界深度處，粘性力與浮力平衡抵消且氣泡脫離?？傮w上，氣泡72的末端上升速度超過在該點處的夾帶液體射流的大體積速度。在液體循環(huán)環(huán)路中捕獲的任何未溶解的氣體將需要克服夾帶流的高速度，以打破液體表面。例如，假設(shè)了 1.0mm的平均氣泡直徑，斯托克斯定律規(guī)定了水中的球形氣泡將具有大約0.55米/秒的末端上升速度。相比之下，對于在表格I中詳述的系統(tǒng)，被吸入通流管的入口開口 22中的液體流"B"的表面液體流動速率度為大約6.4米/秒。在此方面，當(dāng)在本文中和權(quán)利要求中使用時，用語"表面速度"在與液體流"B"的液體流動速率度相關(guān)聯(lián)使用時指的是穿過通流管20的流動速率除以通流管20的截面面積。通流管中的表面液體速度至氣泡的末端上升速度的較高的值確保了未溶解的氣體被夾帶在液體循環(huán)流中，且不破壞表面。通過確保保持了通流管中的表面液體速度至末端氣泡上升速度的較高的相對值，可在沒有收集罩或容納表面的情況下實現(xiàn)未溶解氣體的可靠捕獲和回收。
[0029]以下表格示出了在廢水環(huán)境中起作用的設(shè)備I的計算示例，在其中通流管20接近液體2的表面。
[0030]表格I
【權(quán)利要求】
1.一種將氣體注入到液體中的方法，其包括: 使位于所述液體中的通流管內(nèi)的螺旋葉輪旋轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生液體流，這通過將所述液體從位于所述通流管的一端處的至少一個入口開口吸入所述通流管中且將所述液體流從位于所述通流管的另一端處的所述通流管的排出開口排出而實現(xiàn)； 將所述氣體的氣泡在位于所述螺旋葉輪上方或下方或旁邊的至少一個位置處注入到所述通流管中，使得所述氣泡的一部分在所述通流管內(nèi)部的所述液體流中溶解，且所述氣泡的其余部分從所述排出開口排出且被運送入所述液體流內(nèi)的所述液體中，其中所述氣泡的所述其余部分的一部分在所述液體中溶解，且所述氣泡的所述其余部分的另一部分被夾帶入通過所述至少一個入口開口吸入所述通流管中的所述液體中；所述氣泡以大約10.0微米至大約1.0毫米之間的一致直徑注入到所述液體流中，以增大所述氣泡的表面面積，且因此增大所述液體內(nèi)的所述氣體的溶解速率，且將浮力賦予所述氣泡的所述其余部分的所述另一部分，這將導(dǎo)致其至少大致一致的末端上升速度；以及所述液體以比所述氣泡的所述大致一致的末端上升速度更大的表面速度吸入所述通流管中，以使得所述氣泡的所述其余部分的所述另一部分能夠被夾帶入所述液體中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 所述氣泡從在所述通流管的徑向地間隔開的位置處的位于所述通流管內(nèi)部的多個噴射器注入；以及 所述一致直徑為大約 10.0微米至大約500.0微米之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中: 所述氣泡從位于所述通流管內(nèi)且具有環(huán)狀構(gòu)造的噴射器的內(nèi)多孔區(qū)段注入；以及 所述一致直徑為大約10.0微米至大約500.0微米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 所述一致直徑為大約500.0微米至大約1.0毫米之間； 所述氣體供應(yīng)至在所述通流管的徑向地間隔開的位置處的位于所述通流管內(nèi)部的多個噴嘴；以及 所述氣體的所述氣泡從所述多個噴嘴注入。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，其中所述氣體為氧、含有混合物的臭氧或二氧化碳。
6.一種用于將氣體注入到液體中的設(shè)備，其包括: 通流管，其適于浸沒在液體中，且具有位于所述通流管的一端處的至少一個入口開口和位于所述通流管的另一端處的排出開口 ； 位于所述通流管內(nèi)的螺旋葉輪； 馬達，其連接到所述通流管以及從所述通流管的所述一端突入所述通流管中并連接到所述螺旋葉輪的軸上來使所述螺旋葉輪旋轉(zhuǎn)，且由此通過將所述液體從所述至少一個入口開口吸入所述通流管中且將所述液體流從排出開口排出來產(chǎn)生液體流； 機構(gòu)，其用于在位于所述螺旋葉輪的上方或下方或旁邊的至少一個位置中將所述氣體的氣泡注入到所述通流管內(nèi)的所述液體流中，使得所述氣泡的一部分在所述通流管內(nèi)的所述液體流中溶解，且所述氣泡的其余部分從所述排出開口排出，且被運送入所述液體流內(nèi)的所述液體中，其中所述氣泡的所述其余部分的一部分在所述液體中溶解，且所述氣泡的所述其余部分的另一部分被夾帶入通過所述至少一個入口開口吸入所述通流管中的所述液體中；以及 所述氣泡注入器機構(gòu)構(gòu)造來注入帶有大約10.0微米至大約1.0毫米之間的至少大致一致直徑的所述氣泡，以增大所述氣泡的表面面積且因此增大所述液體內(nèi)的所述氣體的溶解速率，且將浮力賦予所述氣泡的所述其余部分的所述另一部分，這將導(dǎo)致其至少大致一致的末端上升速度；以及 構(gòu)造所述葉輪，并且所述馬達能夠使所述葉輪以足夠的速度旋轉(zhuǎn)，使得吸入所述通流管中的所述液體具有比所述氣泡的所述大致一致的末端上升速度更大的最小表面速度，以使所述氣泡的所述其余部分的所述另一部分能夠被夾帶入吸入所述通流管中的所述液體中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述氣泡注入器機構(gòu)包括: 具有至少一個注入器開口的至少一個注入器； 用于以預(yù)定流動速率來將所述氣體供應(yīng)至所述至少一個注入器的機構(gòu)；以及 所述至少一個注入器開口定尺寸來以所述預(yù)定流動速率產(chǎn)生的帶有所述一致直徑的在所述液體內(nèi)的所述氣泡。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中: 所述至少一個氣體注入器為在所述通流管的徑向地間隔開的位置處的位于所述通流管內(nèi)部的多個噴射器； 所述至少一個注入器開口為由金屬、燒結(jié)金屬或聚合物超細氣泡表面層形成的多個注入器開口 ；以及 所述多個注入器開口定尺寸來以所述預(yù)定流動速率產(chǎn)生帶有大約10微米至大約500微米之間的范圍內(nèi)的所述一致直徑的所述液體內(nèi)的所述氣泡。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中: 所述至少一個注入器為具有多個注入器開口的噴射器； 所述噴射器包含位于所述通流管內(nèi)部且具有用于穿透所述通流管的側(cè)壁的所述氣體的入口的環(huán)狀元件； 所述環(huán)狀元件具有外實心區(qū)段和內(nèi)多孔區(qū)段，所述內(nèi)多孔區(qū)段連接到所述外實心區(qū)段上且由金屬、燒結(jié)金屬或聚合物超細氣泡表面層形成，以提供所述多個注入器開口 ；以及 所述多個注入器開口定尺寸來以所述預(yù)定流動速率產(chǎn)生帶有大約10微米至大約500微米之間的范圍內(nèi)的所述一致直徑的在所述液體內(nèi)的所述氣泡。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述至少一個氣體注入器為多個噴嘴，所述多個噴嘴在所述通流管的徑向地間隔開的位置處的位于所述通流管內(nèi)部且從所述多個噴嘴提供了所述多個注入器開口 ；以及 所述多個注入器開口中的每一個均定尺寸來以所述預(yù)定流動速率產(chǎn)生帶有大約500.00微米至大約1.0毫米之間的范圍內(nèi)的所述一致直徑的所述液體內(nèi)的所述氣泡。
11.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7或權(quán)利要求8或權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述馬達構(gòu)造成與所述通流管一起浸沒在所述液體內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，所述通流管具有在所述通流管的另一端處的引導(dǎo)葉片的十字形布置。
【文檔編號】C02F3/12GK103946164SQ201280059050
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月1日
【發(fā)明者】M.E.法比伊, W.瓦塔納帕諾姆, R.A.諾瓦克, K.康納里 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司