CN100556519C - 混合装置 - Google Patents
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Abstract
用于混合液体和另一种物质的混合装置，包括容器(101)，该容器具有将液体和其他物质引人容器(101)的至少一个入口(102)，容器内的表面(105)，液体和其他物质设置成对着该表面喷溅，以及用于从容器释放混合物的出口(103)。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合装置，其用于将两种或多种物质混合以有助于一种物质溶解到其他物质中。更特别的是但也不排它的，本发明涉及用于将气体溶解到液体中。
背景技术
有很多工业处理需要将一种或多种流体溶解解到另一种物质中。然而，流体的物理和化学特性有时限制它们相互混溶，这就妨碍了有效的溶解。另外，有时还有能量、成本和空间的附加限制。由于取决于各种限制，目前已知的工业溶解解方法有时不适用或不有效。
一种非易溶气体需要在液态溶剂中溶解处理的例子可以是空调系统或热交换系统的冷却水中的臭氧溶解，现对此进行描述。
空调系统中的冷却水用于吸收热交换中的热量。通过使加热的水经过冷却塔，将热量从冷却水中连续除去。冷却水然后被空调系统重新回收以进行进一步的热交换。
一般来讲，冷却水通过喷雾嘴进入冷却塔，然后经过将喷洒流分为小水滴的带孔板。小水滴再克服向上受力的气流滴入冷却塔中的水箱。反向流动的气流导致一些小水滴蒸发，除去水主体中的热量。
冷却塔中向上的气流由风扇产生，风扇持续地从周围环境吸入大量的未过滤的周围空气。不可避免地，环境中的微生物和有机污染物随着周围空气被吸入，且污染了冷却水。随着良好通气的冷却水的持续再次重新利用，提供了细菌和藻类茂盛生长的适当环境，有机沉积物和矿物沉淀物过长时间地积累在冷却系统中。
在这样冷却水中旺盛生长的一些细菌被人们所知为引起有生命危险的感染。例如，军团菌病(Legionnaires’disease)是由于从被军团菌感染的空调系统吸入空中的水滴感染的。因此，由于水是持续利用和回收，需要经常清洁和消毒。
在工业规模上消毒冷却水的一种方法是使用臭氧，其需要将上述的臭氧溶解在水中。臭氧作为氧化剂比氯强，是能用于较宽PH范围的有效生物杀灭剂。臭氧的强有力的氧化特性能有效地控制微生物的生长，并减小一般生物量。总之，臭氧处理被认为是消毒工业用水的最有效的处理方法之一。
此外，臭氧在环境温度下有小于10分钟的半衰期，因而由臭氧的氧化特性导致对系统的不需要的破坏可以通过温度的调节进行控制。当臭氧分解时，它变为不导致腐蚀或污染问题的对环境无害的氧气。
然而，存在妨碍将臭氧用于工业应用消毒剂的限制。臭氧在水中具有限定的溶解度，且从气态向液体媒介的质量转换率低。臭氧在水中的溶解度一般是在很多应用中的主要问题。在10°或更低温度下的冷水改善臭氧在水中的溶解度，即臭氧在水中的溶解度随着温度的降低而增加。然而，将大量工业用水冷却到较低的温度是需大量能量的工艺，且不总是可行的。
由Kai E.Blakstad撰写的发表在挪威AS臭氧技术(OzoneTechnology AS，Norway)上的题目为“臭氧注射-一种清洁场所应用的超级选择(A Superior Choice for Clean-In-Place Applications)”的文章，提出了一种批量臭氧化水的方法。Blakstad提出使用文氏注射器将臭氧精细地注入处理水中，以增加液体中的臭氧量转换率。然而，文氏注射器除了增加臭氧与水的交界面积，该方法没有考虑臭氧吸收中的其他问题。因此，该方法中臭氧仅仅扩散而没有完全理想地吸收。
在一个实验中，水中臭氧的分解是通过使用烧结玻璃器皿作为臭氧与水混合的简单装置，充入含臭氧的气体(10-20ppm)。常使用高速机械搅拌来把气泡分解成更小的气泡，以增加表面区域来增进对水的臭氧转化。
目前工业方法一般将带有高浓度臭氧的臭氧化气体注入水中。然而，仅有一些臭氧被水吸收，而大多数未溶解逸出。试图溶解的少量的臭氧一般以较低的副ppm(＜1ppm)水平存在水中。结果，水不能被理想地消毒。此外，由于这种方法不能完全溶解臭氧化气体，未溶解的臭氧化气体有时被吸入处理系统，并融入系统的气体容器。再者，进入处理系统的大量未溶解的臭氧在其到达排出气流时，不能有效地分解成氧气，就被排出到空气中，引起区域地面污染。例如，大量用管排入到冷却塔中未溶解的臭氧气体被释放到周围环境中，因此需要臭氧破坏单位满足排放标准。
为了增加在液体中溶解的气体量，EP0323954提出一种装置，其包括带有轴向间隔分离的自由旋转涡轮的容器。该容器充满液体，从底部向容器内充气。气体通过液体形成上升的气泡，有些气体沿着路径溶解在液体中。随着它们上升，气泡产生向上流经的气流使涡轮旋转。旋转的涡轮将气泡分解成更小的气泡，因而增加了气体-液体的接触面积。气体和液体交接面积的增加增进了气体向液体的质量转化率。到达液体表面的气泡未分解逸出。在容器中产生的气压帮助气体溶解。该方法的一种变换是以切线的角度将混合气流引入容器，这样，液体形成涡旋导致涡流，阻止气泡合并，因此保持较大的气体-液体交界面。基本上，EP0323954提出增加气体-液体接触面积来增加溶解率和溶解的气体量。然而，由于该方法中的液体限于容器中，不能用于持续的处理，且EP0323954不特别适于在水中溶解臭氧的持续处理。
本发明的目的是提供一种新型的混合装置和/或新型混合方法。
发明内容
概括地说，本发明提出一种用于混合两种或多种物质的混合装置。
本发明的第一方面提出一种将液体和另一种物质混合的混合装置，该装置包括一容器，该容器具有将液体和其他物质引人容器的至少一个入口，容器内的表面，液体和其他物质设置成对着该表面喷洒，以及用于从容器释放混合物的出口。
在一个实施例中，所述表面是包括浮体，稳定器和碰撞面的组件，该组件能漂浮在含有混合物质的液体上，该液体的高度由入口和出口流速决定并改变。在另一个实施例中，所述表面是具有固定位置的碰撞件，其不随液体的高度而改变。
本发明的第二方面提出一种将液体和另一种物质混合的方法，其包括步骤：将液体和其他物质引入容器，将液体向一个表面导向以便液体和其他物质喷洒以形成混合物，并从容器中将结果混合物释放。
附图说明
下面将结合附图以举例方式描述本发明的实施例。
图1是在混合腔室内具有导向和漂浮碰撞件的本发明实施例的示意图；
图1a是本发明另一实施例的示意图，其中除去了图1装置的出口流量控制阀，并由一个倒U形管取代；
图2说明图1的实施例如何应用到冷却塔；
图3是具有冷却塔的冷却系统的示意图；
图4是本发明的另一实施例的示意图，其具有漂浮碰撞件而没有任何导向件；以及
图5是本发明的又一实施例的示意图，其具有在固定位置的碰撞件。
具体实施方式
图1表示根据本发明第一个实施例的混合装置100。混合装置100包括腔室101，其优选为中空圆柱的形状，腔室100是混合装置100的主体，其具有入口102、出口103和压力释放阀113。包括碰撞件或反射器105、稳定器106和浮体107的组件104位于腔室101内。碰撞件105的顶面起碰撞表面的作用，并优选为凹面。也可以用其他的形状替换，例如平面，凸面或有织纹的表面。
在混合装置100的上游，臭氧化空气111通过臭氧发生器从干燥空气中制备。臭氧化空气111中的臭氧体积百分比含量一般为每百万(ppm)分之几十，例如79％氮气、21％氧气和0.001％臭氧(1％＝10,000ppm)。臭氧化空气111分散到水112的水流中，水通过文氏注射器116或扩散器(未显示)来消毒或氧化。分散到水流112中的臭氧绝对量是可调的。一般，在消毒处理中需要0.1Qg/hr的臭氧，其中Q是以m3/hr为单位的水的体积流量。吸入水112中的臭氧化空气111形成气体-液体混合物；这时，只有微量的不充足的臭氧化空气111溶解在水112中，形成臭氧化空气和水的混合物(由于一些臭氧已经溶解在水中，水实际上是臭氧水溶液)。
臭氧化空气和臭氧水溶液的混合物是在传统液压泵110的压力下，通过入口102持续喷射入腔室101。臭氧化空气和臭氧水溶液混合物的喷射被直接导向组件104。设备优选设置为入口102位于组件104之上，这样，重力有助于混合物流向组件104。臭氧化空气和臭氧水溶液混合物的喷射碰到碰撞件105上并喷溅，以产生小水滴117、雾和泡沫121。一些臭氧水溶液喷溅到腔室101的壁上，形成沿壁流下的臭氧水溶液114的薄膜。最终，臭氧水溶液118在腔室101聚集成有一定液面115的表面。浮体107使组件104在臭氧水溶液118主体上浮动。当组件104根据臭氧水溶液的液面115的变化在腔室101内上升或下降时，稳定件106减小组件104的摆动和过度旋转。优选为在组件104和腔室101的壁之间保持至少一毫米的间隙，以易于组件104的运动。
通过相对于入口102处的流入量控制出口103处的持续流出量，来保持腔室101中臭氧水溶液118的液面115。出口103具有调节容器内臭氧水溶液高度控制和/或流出率的装置，例如由压力启动的阀门119、手动液体高度监测器。一般，出口103具有大于入口102的直径，以保证如果流量调整失败，允许流出率大于流入率的故障-安全操作。
保证腔室101内有一定容积的臭氧水溶液118，以便在入口102和碰撞件105之间保持预定的高度109。如果臭氧与水的混合物的落下水流有足够的惯性来向碰撞件105表面冲击，以产生喷溅117，需要有预定的高度109。
与预定高度119一致的臭氧水溶液115表面上方的空气，提供了一“顶部空间”，该空间包括带入腔室101的未溶解的臭氧化空气。随着臭氧化空气和臭氧水溶液的混合物被持续地供入腔室101，建立了顶部空间内的压力。同时，也增加了顶部空间内的臭氧的空间压力，这使得气态臭氧与溶解的臭氧平衡向溶解倾斜。一般，在腔室101底部的臭氧水溶液的最小高度108为至少1cm深。臭氧水溶液的最小高度108提供了一液体表面，其阻止顶部空间的气体通过出口103逸出，以允许建立顶部空间内气体压力。因此，臭氧水溶液的最小高度108提供了保证腔室101内压力大于腔室101外压力的背压。周期性地，如果顶部空间的压力太高，压力释放阀113将顶部空间中一些气体释放到腔室101外，这些气体可能被文氏注射器116注回系统122或简单排除。
在工作时，碰到碰撞件105上的混合物的力和混合物导致的喷溅，使混合物中的一些臭氧化空气陷入形成气泡120的臭氧水溶液中。气泡中的一些臭氧被吸收入臭氧水溶液118，因此，通过淹没和液压增加了溶解的臭氧量。
由于喷溅进入顶部空间的小水滴117、雾和泡沫121增加了顶部空间中臭氧化空气和臭氧水溶液之间的接触面积，即不是气体在液体中的混合，而是液体在气体中的分散。结果，由于增加接触面积，更多臭氧被吸收入臭氧水溶液。水表面的泡沫头部121和腔室101壁上的水薄膜114也扩大了气体和液体的交接面，因而增加了臭氧的吸收。由于顶部空间中分散的小水滴/雾117向腔室101中的臭氧水溶液118主体落下/下沉，在顶部空间存在小水滴/雾117和臭氧的相互作用，这也导致更多臭氧吸收入臭氧水溶液。
混合物的喷溅，小水滴117、雾和泡沫121的下沉都促成了臭氧化空气和臭氧水溶液的动态和自发的混合。臭氧化的空气/臭氧水溶液交接面积的同时增加也增加了臭氧溶解率。与现有技术相比，基于碰撞的混合更有动力及无序，比仅仅只搅拌能更好地混合。臭氧化空气和水的不断搅动改善了整个臭氧的吸收率，而不需搅动器和机械搅动。
腔室101内的臭氧水溶液118的量与“停留时间”(或居留时间)周期有关，这是一个延迟时间，在这期间，尽管通过出口103臭氧水溶液持续排出，在腔室101内也保留一定容量的臭氧水溶液118。该延迟时间提供了使臭氧足够发生分解的停留时间，以及氧化和消毒水的停留时间，并且也允许陷入臭氧水溶液的未分解的臭氧气泡再溶解到废臭氧水溶液中。因此，没有气泡通过腔室101的底部出口103随着臭氧水溶液的流出而排出。根据停留时间的量，从混合装置100排出的臭氧水溶液或者全部或者部分被消毒和氧化。
腔室101内臭氧水溶液的液面115，是基于需要提供足够停留时间的臭氧水溶液118的量来确定的，以及根据将预混合的臭氧化气/液臭氧碰撞和喷溅到碰撞件105上的足够高度109确定的。
图1a表示另一个实施例，其中除去了图1实施例中的流量控制阀119，倒U形管123连接到出口103。倒U形管123在倒U形的弯曲部有最大的高度，该高度对应腔室101中预定的最大允许液面115。随着腔室101中臭氧水溶液液面115的上升，U形管123的上游臂125中的臭氧水溶液124高度上升。当腔室101中臭氧水溶液液面115上升到高于倒U形管123的弯曲的高度，上游臂125中的臭氧水溶液流过弯曲部，因此减小了腔室101中臭氧水溶液的液面115。这样，最大限度设置在腔室101中的臭氧水溶液液面115。管123可选由刚性或柔性材料(如软管)制成。如果管132由柔性材料制成，可以通过调整倒U形管123的高度，动态调整液面115的高度。U形管123有预定的尺寸，因此通过管123的液体质量流量不足以在腔室101中的臭氧水溶液118主体产生虹吸效应。图2是表示图1的混合装置100是如何安装到冷却塔203旁的示意图；在冷却塔被冷却的冷却水与臭氧一同被注入，并在102端由管输入到混合装置100。如上所述，混合装置100帮助臭氧的混合和溶解，并将在103端由管输入的臭氧化水释放回冷却塔的处理下流中。
图3是表示图2的冷却塔203的冷却系统300的示意图。如前所述，冷却塔203是借着向上鼓风并逆着瀑布般下落的水流进行工作的，这些水流已在热交换处理(未表示)中被加热。回流的水流在泵110处从冷却水的主流从管子排出，变成图1中的水流112，其用于从文氏注射器116吸入臭氧化空气。臭氧化空气是在臭氧发生器308中从周围空气306中产生的。文氏注射器116保证臭氧化空气与回流水流112混合。然而，臭氧化空气不容易溶解在水中。因此，如上所述的混合装置100被放置在泵110和冷凝器303之间，以将臭氧化空气混合和溶解到水中。结果，只有消毒过的水到达混合装置100下流的冷凝器303。根据操作调节，从混合装置100释放出的剩余臭氧的消毒和氧化作用也清洁了冷却系统300。
图4表示混合装置400的另一个实施例。除了缺少浮体107和运动稳定器106外，图4中的所有部件对应图1所示实施例的部件；反射器组件404仅包括碰撞件405。碰撞件405的位置是固定在腔室101中，而不是依赖腔室101的臭氧水溶液液面115。固定的碰撞件405因而比第一实施例中在臭氧水溶液液面115上下摆动的碰撞件105提供更坚固的碰撞表面。在该实施例中，腔室401中的臭氧水溶液液面115必须保持低于碰撞件405，以不淹没碰撞件405。
图5表示混合装置500的另一个实施例，其中反射器组件504具有碰撞件505和浮体507，但没有稳定器106。
由于上述实施例通过增加部分压力以及增加了气体和液体之间的交接面面积，有助于臭氧的溶解，这些实施例也能增进在环境温度下水的臭氧化程度。
在一个变换实施例中，专用的入口分别向腔室引入气体和液体，即气体和液体不预混合再引入混合装置。
在又一个实施例中，使用几个碰撞件来产生瀑布喷溅效果。在这样一系列碰撞件的最底部的碰撞件，可选为如与图1第一实施例的组件104一起，漂浮在臭氧水溶液表面上。
在另一个实施例中，出口流量控制包括倒U形管132和流量控制阀119。
在又一实施例中，臭氧化空气和臭氧水溶液的混合物被抽入腔室，其设置为混合物的喷射物碰撞到腔室的壁或其他部分，而不是碰撞件，这种冲击提供了动态和自发的混合，并增加了气体和液体之间的交接面面积。
在又一实施例中，混合装置成批混合臭氧和水，而不是连续处理。
在又一实施例中，选择适当的水喷射压力，臭氧水溶液118的液面115可用作碰撞件。
除了混合臭氧和水，上述的混合装置100可用于将其他气体分解到其他液体中。在一些应用中，在入口102引入腔室101的物质不形成气/液预混合物，而是形成液/液或固/液预混合物。输入物质形成固/液预混合物的例子是盐溶解在水中。
除了溶解处理外，上述实施例能用于如扩散、乳化、均化、化学反应(如聚合)、形成胶体或甚至制备悬浮混合液(如从沉淀反应产生悬浮液)等处理中来混合物质。在任何的处理中，至少有一种物质是液体。
应该理解，上述实施例只构成本发明基础的举例。尽管没有描述替换实施例，本发明也意在含盖如权利要求所述的范围。
Claims (28)
1、用于混合液体和另一种物质的混合装置，该装置包括：
容器，其具有将液体和其他物质引人容器的至少一个入口；
出口，其设置成从容器中释放物质的混合物并从而控制混合物的液面；以及
碰撞件，其设置成保持在上述混合物的液面上并提供容器内的表面，液体和其他物质设置成对着该表面泼洒。
2、根据权利要求1所述的混合装置，其容器具有壁并且泼洒的液体在容器的该壁上形成液体的膜。
3、根据权利要求1所述的混合装置，其中装置设置成在使用时，入口高于所述表面。
4、根据权利要求2所述的混合装置，其中装置设置成在使用时，入口高于所述表面。
5、根据权利要求1或2所述的混合装置，进一步包括在容器中保有预定量的混合物的装置。
6、根据权利要求1所述的混合装置，进一步包括在容器中保有预定量的混合物的装置，所述混合装置进一步设置成在使用时入口高于所述表面。
7、根据权利要求5所述的混合装置，其中在容器中保有预定量的混合物的装置包括连接到出口的调整阀。
8、根据权利要求1所述的混合装置，其中碰撞件设置成在混合物上漂浮。
9、根据权利要求8所述的混合装置，进一步包括与碰撞件连接的浮体。
10、根据权利要求8所述的混合装置，进一步包括用于在容器中稳定碰撞件的稳定器。
11、根据权利要求1所述的混合装置，其中碰撞件在容器中具有固定的位置。
12、根据权利要求1所述的混合装置，进一步包括设置成将液体引入容器的泵。
13、根据权利要求1所述的混合装置，其中其他物质选自气体、液体或固体。
14、根据权利要求1所述的混合装置，液体和其他物质是其中一种能溶于另一种物质中。
15、根据权利要求1所述的混合装置，其中混合物是溶液、悬浮液、胶体或液体的乳状液和其他物质的混合物。
16、根据权利要求1所述的混合装置，其中液体是水，且其他物质包括臭氧。
17、一种将液体和其他物质混合的方法，包括步骤：
将液体和其他物质引入容器，该容器具有碰撞件；
将液体导向该碰撞件，以便液体和其他物质喷溅以形成混合物；以及
从容器中释放所产生的混合物，以便混合物保持在低于碰撞件的液面。
18、根据权利要求17所述的方法，其中喷溅的液体在容器的壁上形成液体的膜。
19、根据权利要求17所述的方法，其中在混合物被释放到下流处理前，保留的混合物的量在容器中给混合物提供一预定期间的停留时间。
20、根据权利要求18所述的方法，其中在混合物被释放到下流处理之前，所保留的混合物的量为容器中的混合物提供了预定的停留时间。
21、根据权利要求17所述的方法，其中，碰撞件漂浮在混合物表面上。
22、根据权利要求17或21所述的方法，进一步包括步骤：在入口装置和碰撞件之间设置预定的距离，其中液体和物质经所述入口装置进入容器。
23、根据权利要求17所述的方法，其中液体和其他物质的供给是连续的。
24、根据权利要求17所述的方法，其中其他物质是选自气体、液体或固体。
25、根据权利要求17所述的方法，其中混合物是溶液、悬浮液、胶体或液体的乳状液和其他物质的混合物。
26、根据权利要求17所述的方法，其中混合引起物质之间的化学反应。
27、根据权利要求26所述的方法，其中反应是物质之间的沉淀化学反应。
28、根据权利要求17所述的方法，其中液体是水，且其他物质是包括臭氧的气体混合物。
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