CN101543750A - 向液体快速增溶气体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可迅速使气体在液体中的溶解量接近其饱和溶解度的方法和设备，其特征在于，待溶解的气体首先在高压下溶解进入相对少量的液体中，再用此含有超高浓度溶解气体的高压液体、即超溶液稀释到处于常压下的大容积的同种液体中，使所述大容积的同种液体溶解气体迅速达到饱和溶解度。

Description

向液体快速增溶气体的方法和设备

技术领域

本发明涉及向液体增溶气体的方法和设备，更具体地讲涉及可使气体在液体中的溶解量迅速接近其饱和溶解度的方法和设备。

背景技术

向液体增溶气体的方法，通常采用曝气法，曝气可分为气泡曝气和机械曝气。

气泡曝气是采用压缩机或鼓风机将气体直接送入液体中，气体通过各种形式的扩散器在液体中形成不同尺寸的气泡，气泡在自身上升或液体流动的过程中溶解在液体中。

机械曝气是通过机械在液面的搅动，将大量液滴并将液体以类似于瀑布状的形式抛入气体中，同时又把气体带入液体中，形成气液混合体，以增加液体和气体的接触面积，使气体溶解到液体中。

这些方法，包括其它的方法，都是在日常环境——即“标准状况”的大致条件下，直接令液体与气体接触，从而使气体溶解到液体中。

一般认为气体以扩散作用突破气液界面溶入液体中，但这个过程相对很慢，是溶解过程的限制因素。尤其是，当某种气体在日常环境下在某种液体中的饱和溶解度较小时。例如，将氧气溶入水中，曝气法和现有的其它方法都显得速度很慢，效率很低，能耗很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和设备，能以较快的速度、较高的效率和较低的能耗，把某种液体中的某种气体的溶解量，提高到其饱和溶解度的任何浓度。

本发明的方法的原理是，通过加压装置将气体的压力升高，再将该高压气体溶解到液体中去而到达其高压下的饱和溶解度。因为气体在液体中的饱和溶解度与该气体的分压成正比，因此该部分液体形成了处于高压下的、超高浓度的溶液(以下称“超溶液”)，再把超溶液与大量的、在常压下的液体混合以稀释，使如此大量的液体在常压下迅速成为任何数值的溶解气体浓度的溶液，溶解气体浓度甚至达到该气体在常压下的溶解饱和度。(以下称经最后混合稀释的、含有溶解气体的液体为“最终溶液”。)

本发明是这样一种设备，其结构包括进液口；通过进液管道与所述进液口相连的液体加压装置；通过高压液体管道与所述液体加压装置相连的超溶液发生器；进气口；通过进气管道与所述进气口相连的气体加压装置，其中所述气体加压装置通过高压气体管道与所述超溶液发生器相连；连接至所述超溶液发生器的超溶液管道；设置于所述超溶液管道的超溶液喷头；和用于控制所述液体加压装置和所述气体加压装置的电气控制装置。

本发明的特征在于，液体经由进液口通过进液管道输入到液体加压装置中，被加压后通过高压液体管道输入到超溶液发生器。气体经由进气口通过进气管道输入到气体加压装置中，被加压后通过高压气体管道也输入到超溶液发生器。在超溶液发生器中，在高压环境下，气体溶解到液体中，形成在该高压下近乎饱和的超溶液，高压的超溶液经超溶液管道送到超溶液喷头，再喷出到另外一部分处于常压下的、容积大得多的同种液体中。喷出的超溶液被大容积的液体迅速稀释，使大容积的液体中的溶解气体浓度迅速增加，形成所需的在常压下的最终溶液。

本发明的特征还在于，所述液体加压装置可以采用液压泵，液体被加压到表压0.5～2MPa(以下此加压后液体称“高压液体”)；所述气体加压装置可以采用气体压缩机，气体被加压到高于常压，但不高于高压液体的压力(以下此加压后气体称“高压气体”)。

本发明的特征还在于，所述超溶液发生器是密封不漏气的容器，该容器外设有高压液体进口、高压气体进口、超溶液输出口，高压气体喷口。高压液体管道从高压液体进口进入该容器，并延伸到容器内顶部，在高压液体管道末端设有高压液体喷口。高压气体管道从高压气体进口进入该容器中，并延伸到容器内底部，在高压气体管道末端设有高压气体喷口。高压气体喷口的安装高度可以是浸没在容器底部积聚的超溶液中，也可以是处于此超溶液的液面以上。

本发明的特征还在于，所述超溶液喷口为大喷射角的任何形式的喷头，根据超溶液流量的不同要求，其喷孔直径在0.1～10毫米范围内。

本发明的特征还在于，所述电气控制装置分别将电源提供到液压泵和气体压缩机，并可以根据运行的需要，或输入的信号，或预设的程序控制液压泵和气体压缩机的运行参数，例如，运行时间、流量、压力，并对整个系统起安全保护作用。所述电气控制装置可包括各种传感器和检测装置。

本发明还可以在所述的液体和气体加压装置之前分别加设液体和气体过滤装置，使输入各加压装置的液体气体保持清洁，以确保超溶液发生器中的高压液体和气体喷口畅通不堵塞。

本发明还可以在所述超溶液发生器安装压力检测装置、溶液浓度检测装置、易燃气体浓度检测装置等，用于检测超溶液发生器内部的工况。这些检测装置均可输出信号到所述的电气控制装置。

本发明还可以在所述的超溶液管道上，安装各种控制流量或压力的阀门，阀门可以是电动、液动或气动。

本发明所述的设备，其特征为所述超溶液发生器为任何形状的密封容器，但最好是圆筒状。为节省占地面积，其高度尺寸一般大于直径，但也可以是任何尺寸比例。所述高压液体喷口可以安装在容器内的顶部，从喷口喷出后的片状液体或液滴从容器顶部下落，气体在液体下落过程中溶解进液体。

在所述超溶液发生器内，还可以在不同的高度平面上水平安装多层液流挡板，使下落的液片或液滴在下落途中撞到液流挡板上并进一步破碎。液流挡板上开有多个通孔或缝隙，落在液流挡板上并积聚的液体从通孔或缝隙迅速流走，继续下落到下层液流挡板，并在此与下层液流挡板碰撞而再次破碎。相邻两层的通孔或缝隙错开排列，使从上层液流挡板的通孔或缝隙落下的液体能撞击到下层液流挡板上。液流挡板上的通孔或缝隙形成液体下落到容器底层的流道和气体贯通整个密封容器内部的通道。每层液流挡板之间的高度距离为0.2～1米，最好是0.25～0.45米。所述液流挡板也可以由多个直径从小到大的同心环形板组成，小号的环形板的外圆边与大号的内圆边之间的缝隙形成流道。

本发明所述的超溶液发生器内的高压液体喷口，还可以是压力喷头，把高压液体喷出为直径细小的液滴，以加快气体的溶解速度。

在水处理业或养鱼业中，经常需要迅速增加大体量的水中的溶氧量，在这种用途时，本发明所述的液体和气体分别是水和氧气。用于饮料生产业，所述的液体和气体分别可以是水和二氧化碳。用于臭氧进行水或液体的消毒时，所述液体和气体分别是水和臭氧。但本发明中所述的方法和装置，也可以用于其它任何液体和气体的互溶。

附图说明

结合附图并根据本发明的实施例，以下将详细说明本发明的内容，其中：

图1是根据本发明的系统的基本结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的结构示意图；

图3a和3b是根据本发明的超溶液发生器中的液流挡板的两个实施例。

具体实施方式

根据本发明的向液体增溶气体的系统结构如图1所示，该系统结构包括：进液口101；一端与所述进液口流体相连的进液管道102；与所述进液管道的另一端流体相连的液体加压装置103；与所述液体加压装置流体相连的高压液体管道104；进气口111；一端与所述进气口流体相连的进气管道112；与所述进气管道的另一端流体相连的气体加压装置113；与所述气体加压装置流体相连的高压气体管道114；与高压液体管道104和高压气体管道114流体相连的超溶液发生器120；设置在所述超溶液发生器中的超溶液输出口124；与所述超溶液输出口流体相连的超溶液管道130；以及与所述超溶液管道流体相连的超溶液喷头133；另外在所述系统结构中还设有电气控制装置140。

应该说明的是，在本申请中的附图(1和2)中，仅仅是出于示意性的目的示出了根据本发明的系统或设备的基本原理，其中装置或部件，可采取实现本发明所要求功能的任何已知的具体装置或部件。

如图1所示，洁净的液体100经由进液口101通过进液管道102输入到液体加压装置103中，在所述液体加压装置103中，液体被加压到表压0.5～2MPa后形成高压液体105，所述高压液体105再经高压液体管道104，从超溶液发生器的高压液体进口122输入到超溶液发生器120中。

如图1所示，洁净的气体经由进气口111通过进气管道112输入到气体加压装置113中，在所述气体加压装置中，气体被加压后形成高压气体115，高压气体115的压力高于常压，但不高于高压液体105的压力，例如为表压0.3～1.5MPa。高压气体115再经由高压气体管道114，从超溶液发生器的高压气体进口123也输入到超溶液发生器120中。

在超溶液发生器120中，在高压环境下，气体115溶解到液体105中，形成在该高压下近乎饱和的超溶液125。优选地，所述超溶液溶解气体的浓度为3～15倍于其常压下的饱和溶解度。

高压的超溶液125从超溶液发生器120底部的超溶液输出口124，经由超溶液管道130被输送到超溶液喷头133，再喷出到另外一部分处于常压下的、容积大得多的同种液体150中，超溶液125被大容积的液体150迅速稀释，使液体150中的溶解气体浓度迅速增加。

电气控制装置140根据运行的需要或预设的程序将受控的电源142a、142b提供到液体加压装置103和气体加压装置113，并控制其运行参数和运行时间，并对整个系统起安全保护作用。

本发明的实施例：

本发明的实施例如图2所示，其结构包括：进液口201；进液受控阀206；进液管道202a、202b；进液过滤装置207；液体加压装置203；高压液体开关阀208；高压液体管道204；高压液单向阀209；高压液体进口222；进气口211；进气受控阀216；进气管道212a、212b；进气过滤装置217；气体加压装置213；高压气开关阀218；高压气体管道214；高压气单向阀219；高压气体进口223；超溶液发生器220；调压阀232；超溶液管道230；超溶液喷头233和电气控制装置240。

在图2中，进液口201连接至进液受控阀206，而进液受控阀206通过进液管道202a连接至进液过滤装置207；进液过滤装置207通过进液管道202b连接至液体加压装置203；加压装置203通过高压液体开关阀208与高压液体管道204相连，而高压液体管道204通过高压液单向阀209与超溶液发生器220的高压液体进口222相连。

进气口211连接至进气受控阀216，而进气受控阀216通过进气管道212a连接至进气过滤装置217；进气过滤装置217通过进气管道212b连接至气体加压装置213；气体加压装置213通过高压气开关阀218与高压气体管道214相连，而高压气体管道214通过高压气单向阀219与超溶液发生器220的高压气体进口223。

在图2中，处于超溶液发生器220底部的超溶液输出口224通过可调液压阀232与超溶液管道230相连。

洁净的液体200经由进液口201依次经过进液受控阀206、进液管道202a进入进液过滤装置207中。进液受控阀206可以是电磁阀、电动阀、液动阀、气动阀等。进液过滤装置207的作用是保护超溶液发生器220内的高压液体喷头225，避免喷头喷口堵塞。

经过进液过滤装置207过滤后的液体，通过过滤装置207下游的进液管道202b进入液体加压装置203中，在液体加压装置203中液体被加压到表压0.5～2MPa后形成高压液体205。在本发明的实施例中，液体加压装置203采用液体泵，但也可以采用其它装置，例如，有一定压头的液源。在本发明的实施例中，高压液体205的压力为表压1MPa。

高压液体205离开液体加压装置203后，通过高压液体管道204，从高压液体进口222进入超溶液发生器220中。在高压液体管道204上，设有开关阀208和单向阀209。开关阀208可以是手动的或受控的，其作用是检修时方便把液体加压装置203与超溶液发生器220分离。单向阀209防止液体从超溶液发生器220倒流。

洁净的气体210顺着与以上所述的液体通道(201→206→202a→207→202b→203→208→204→209→222→220)相仿的气体通道，最后进入超溶液发生器220。所述气体通道包括：进气口211→进气受控阀216→进气管道212a→进气过滤装置217→进气管道212b→气体加压装置213→开关阀218→高压气体管道214→单向阀219→高压气体进口223。

气体加压装置213将气体210加压后形成高压气体215，高压气体215的压力高于常压，但不高于高压液体205的压力，在本实施例中为表压0.7MPa。气体加压装置213在本实施例中采用气体压缩机，但也可以采用其它装置，例如，有一定压力的压缩气体源。

在本实施例，超溶液发生器220是密封的圆筒状容器221，另外所述超溶液发生器也可以是任何形状的密封不漏气的容器，高压液体管道204和高压气体管道214分别从高压液体进口222和高压气体进口223进入容器221中。在容器221内，高压液体管道204延伸到容器221的顶部，高压气体管道214延伸到容器221的底部。在高压液体管道204的末端设有高压液体喷口225；在高压气体管道214的末端有高压气体喷口227a或227b。高压气体喷口227a的安装高度可以是浸没在容器221的底部的超溶液225中；高压气体喷口227b也可以是处于此超溶液225的液面以上。

在容器221内，设有多层液流挡板226，在液流挡板226上设有多个通孔或缝隙228。图3a和3b分别示出了液流挡板226的两个实施例，它们分别设有通孔或缝隙228。上层液流挡板和下层液流挡板的通孔或缝隙为错开排列，使从上层液流挡板的通孔或缝隙落下的液体229撞击在下层液流挡板上。每层液流挡板之间的高度距离在本实施例中为0.4米。可选地，所述超溶液发生器的各层液流挡板之间的高度距离为0.2～1米。如图3a所示，所述液流挡板包括多个直径从小到大的同心环形板，小号的环形板的外圆边与大号的内圆边之间的缝隙形成流道。

高压气体215从容器221下部的高压气体喷口227a或227b喷出，并通过液流挡板的通孔或缝隙228充满整个容器221内部。

高压液体205从容器221顶部的高压液体喷口225喷出，形成细小的液滴，落下撞击到最上层液流挡板226，积聚在这层液流挡板的液体从通孔或缝隙228流下，落到下层液流挡板上，并再次破碎形成液滴。在此过程中，气体215溶解进入液体205中。应该指出的是，所述高压液体喷口为压力喷头，把高压液体喷出为直径细小的液滴，以加快气体的溶解速度；但是所述高压液体喷口并不限于此，还可以是能达到同样效果的任何装置。

如此液体从一层一层液流挡板226落下，到容器221底部时，液体205形成在该容器221内的高压下近乎饱和的超溶液225。

容器221底部设有超溶液输出口224，超溶液输出口224外设有可调液压阀232，用以控制调节容器221内的压力。可调液压阀232可以是手动的或受控的节流阀，或其它可调节压力的阀门，如溢流阀。可调液压阀232的下游连接超溶液管道230。

高压的超溶液225经超溶液管道230送到超溶液喷头233，再喷出到另外一部分处于常压下的、容积大得多的同种液体250中，超溶液225被大容积的液体250迅速稀释，使液体250中的溶解气体浓度迅速增加。在本发明中，所述超溶液喷头为大喷射角的任何形式的喷头，其喷孔直径在0.1～10毫米范围。

如图2所示，在超溶液发生器220上安装有压力检测装置243、溶液浓度检测装置245、易燃气体浓度检测装置244等。压力检测装置243用于检测容器221内的压力；溶液浓度检测装置245用于检测超溶液255的溶解气体浓度；易燃气体浓度检测装置244用于检测容器221内是否存在易燃易爆气体。另外，在容纳大容积的液体250的容器上也可安装溶液浓度检测装置246，用以检测液体250的溶解气体浓度。这些检测装置均可输出信号到电气控制装置240。

电气控制装置240根据上述检测反馈信号或运行的需要与预设程序，以将受控的电源242a、242b提供到液体加压装置203和气体加压装置213，控制其运行参数和运行时间，并对整个系统起安全保护作用。

Claims (21)

1.一种可迅速使气体在液体中的溶解量接近其饱和溶解度的方法，其特征在于，待溶解的气体首先在高压下溶解进入相对少量的液体中，以形成含有超高浓度溶解气体的超溶液，然后将超溶液稀释到处于常压下的大容积的同种液体中，使所述大容积的同种液体溶解气体迅速达到饱和溶解度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高压为0.3～1.5MPa。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超溶液溶解气体的浓度为3～15倍于其常压下的饱和溶解度。

4.一种可迅速使气体在液体中的溶解量接近其饱和溶解度的设备，包括进液口；通过进液管道与所述进液口相连的液体加压装置；通过高压液体管道与所述液体加压装置相连的超溶液发生器；进气口；通过进气管道与所述进气口相连的气体加压装置，其中所述气体加压装置通过高压气体管道与所述超溶液发生器相连；连接至所述超溶液发生器的超溶液管道；和设置于所述超溶液管道的超溶液喷头，其特征在于：

液体经由所述进液口通过所述进液管道输入到所述液体加压装置中，被加压后形成高压液体，通过所述高压液体管道输入到超溶液发生器中，

气体经由所述进气口通过所述进气管道输入到所述气体加压装置中，被加压后形成其压力低于高压液体压力的高压气体，通过所述高压气体管道也输入到所述超溶液发生器中，

在所述超溶液发生器中，在高压环境下，气体溶解入液体中，形成在该高压下近乎饱和的超溶液，

高压的超溶液经所述超溶液管道送到所述超溶液喷头，再喷出到另外一部分处于常压下的、容积大得多的同种液体中；喷出的超溶液被大容积的液体迅速稀释，使大容积的液体中的溶解气体浓度迅速增加，形成最终溶液。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述高压液体的压力为0.5～2MPa，所述高压气体的压力为0.3～1.5MPa。

6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述超溶液发生器为任何形状的密封不漏气的容器，容器壁上设有高压液体进口和高压气体进口，容器底部设有超溶液输出口；所述高压液体管道从所述高压液体进口连接至所述容器中，并延伸到所述容器内的顶部，在所述高压液体管道末端设有高压液体喷口；所述高压气体管道从所述高压气体进口进入所述容器内部，延伸到所述容器内的底部，在所述高压气体管道末端有高压气体喷口；输入的高压液体从所述高压液体喷口喷出，形成液滴或液片，从所述超溶液发生器内顶部下落到底部；输入的高压气体从所述高压气体喷口喷出，充满整个超溶液发生器内部。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述高压液体喷口为压力喷头，把高压液体喷出为直径细小的液滴，以加快气体的溶解速度。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述高压气体喷口被积聚在容器内底部的超溶液浸没。

9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述高压气体喷口也可以处在超溶液的液面之上。

10.根据权利要求4和6所述的设备，其特征在于，在所述超溶液发生器内部设有多层液流挡板，所述液流挡板上开有多个通孔或缝隙；液滴或液片在下落途中撞到所述液流挡板上并进一步破碎，而落在所述液流挡板上并且积聚在其上的液体从通孔或缝隙迅速流走，继续下落到下层液流挡板，并在此与下层液流挡板碰撞而再次破碎，气体在此液体下落过程中溶解进液体。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述超溶液发生器的相邻两层液流挡板的通孔或缝隙错开排列，使从上层液流挡板的通孔或缝隙落下的液体能撞击到下层液流挡板上；其液流挡板上的通孔或缝隙形成液体下落到容器底层的流道和气体贯通整个超溶液发生器内部的通道。

12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述超溶液发生器的各层液流挡板之间的高度距离为0.2～1米。

13.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述液流挡板包括多个直径从小到大的同心环形板，小号的环形板的外圆边与大号的内圆边之间的缝隙形成流道。

14.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，在所述高压液体管道与所述液体加压装置的连接处设有开关阀，在其与所述超溶液发生器的连接处有单向阀。

15.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，在所述高压气体管道与气体加压装置的连接处设有开关阀，在其与所述超溶液发生器的连接处有单向阀。

16.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述超溶液喷头为大喷射角的任何形式的喷头，其喷孔直径在0.1～10毫米范围。

17.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述电气控制装置可以根据运行的需要，或输入的信号，或预设的程序分别将受控的电源提供到所述液体加压装置和所述气体加压装置，控制其运行参数和运行时间，并对整个系统起安全保护作用。

18.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，设有压力检测装置、溶液浓度检测装置、易燃气体浓度检测装置，用于检测所述超溶液发生器内部的工况。

19.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，设有溶液浓度检测装置，用于检测所述最终溶液的溶解气体浓度。

20.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，在所述超溶液发生器的底部的所述超溶液输出口外连接有调压阀或节流阀，用于调节超溶液发生器内部的压力。

21.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括用于控制所述液体加压装置和所述气体加压装置的电气控制装置。

Images