CN104003460B - 基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，包括外形呈管柱状的外筒体，外筒体的上端和下端分别通过法兰盖密封，外筒体内靠近两侧壁的部位隔出两个独立的气体腔室，外筒体内其它的空腔为水流腔室；水流腔室的上部设有锥形导流筒，锥形导流筒的上部空间为旋流腔，旋流腔处的外筒体的筒壁上设有切向进水管，外筒体下部的筒壁上设有出水管；气体腔室处的外筒体的筒壁上设有进气管，所述气体腔室与所述水流腔室之间设有矩形微孔板。气体利用率高、处理量大、拆装方便。主要为水质气浮净化处理或其他需要充分气-液接触的工艺过程提供大量微细气泡。

Description

基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置

技术领域

本发明涉及一种微细气泡发生装置，尤其涉及一种基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置。

背景技术

气浮技术是向待处理水中通入大量高度分散的微细气泡，使微细气泡与颗粒状污染物(如悬浮固体(SS)、油滴等)发生碰撞粘附后，依靠浮力作用上浮至水面形成浮渣，将浮渣去除后实现污水净化。气浮技术最早出现在选矿工业中，主要用于去除矿石中的杂质或者用于矿物的精选或浮选。后来随着气浮技术的逐步发展，C.L.Peck于1920年首次提出将其用于处理污水的想法。但因微细气泡产生技术的限制，直到20世纪70年代以后，气浮技术才真正得到快速发展。特别是近年来，气浮技术得到了国内外的高度重视，已广泛应用于各种工业废水和城市生活污水处理中。

对于气浮技术而言，决定其效果的关键是微细气泡的质量。而微细气泡质量的提高主要通过以下两个方面：一是降低微细气泡的直径，目前普遍认为微细气泡粒径在100μm以下效果较好；二是增大微细气泡的密集度，提高微细气泡与颗粒状污染物的粘附几率。在现有的微细气泡产生方式中，加压溶气析出气泡、引气制造气泡、电解析出气泡以及微孔介质发泡等四种方法均能通过改变结构或运行操作参数来提高微细气泡的质量，但加压溶气析出气泡、引气制造气泡、电解析出气泡等方式存在能耗过高、占地面积过大的缺点。因此，具有结构简单、能耗低、所产生微细气泡尺寸大小均匀等优点的微孔介质发泡方式逐渐受到人们的重视。

微孔介质发泡机理主要是利用气液两相间的压力差，首先使高压气体透过微孔介质被分散形成微细气流，在高速液体的剪切冲刷作用下形成微细气泡并分散在液体中，与此同时，也会有部分气体在压力作用下溶解在原水中形成溶气水，在后续处理工艺过程中会因压力的降低而从原水中以微细气泡的形式从原水中释放出来。

目前国内外所研制的基于微孔介质发泡机理的微细气泡发生器，多采用“管中管(Pipe-in-Pipe)”布置模式。根据其中气、水两相流动流道的不同，可将现有基于微孔介质发泡机理的微细气泡发生器分为内腔走水-外环充气式和内腔充气-外环走水式两种。

1.内腔走水-外环充气式

内腔走水-外环充气式微细气泡发生器的主体由两个同心圆管构成，其中内部圆管为微孔管。微孔管内部为水流腔室，微孔管外部环形空间为气体腔室。气体经微孔管进入水流腔室中主要有两种方式，一种是人为主动注入高压气体，使气体腔室内的气压高于水流腔室中的水压；另一种是依靠节流降压原理形成负压后自动从外界环境吸入气体。进入水流腔室中的微细气流在水流剪切作用下被分割成微细气泡并溶于水中，从而形成富含微细气泡的气-水两相混合物。

(1)依靠高压注气

宁波威瑞泰默赛多相流仪器设备有限公司在专利CN101347687B中提出了一种带微细气泡含油水的发生装置，核心设备溶气水发生器由柱状容器及其内的旋流式溶气水发生管组成，后者又包括带有切向导流口的圆柱形密封管部、圆锥形密封管部以及下部的圆柱段微孔管部。结构设计所达到的最终效果是，进入到圆柱段微孔管部的含油污水呈螺旋状旋转，而进气腔内的带压气体穿过带有无数微小固定孔径的圆柱段微孔管壁，产生大量符合规定尺寸的微细气泡，并最终从旋流式溶气水发生管底部的开口流入第一出液腔。但该专利中的微孔管部采用微孔金属烧结管或微孔金属激光钻孔或微孔陶瓷管，在其所用操作参数条件下所产生的气泡粒径均值偏大且大气泡数量较多，因此在溶气水发生器后面串联使用了一个大气泡去除器。依据该技术加工制造的微气泡浮选撬装结构体积较为庞大、运行维护麻烦，污水处理量200m³/h时配套微气泡浮选橇结构重达6.8t，且使用了2.5(m)×2.4(m)×3.5(m)和1.6(m)×1.2(m)×1.5(m)两个橇装。

中国地质大学杨义勇等人在专利CN101549257A中提出了一种气泡发生器以处理含藻海水，含藻海水通过直流方式流经微孔膜管，同时压缩空气通过充气接口送入到环形空腔，并经微孔膜管上的微孔形成微细气流，在高速流动的流体剪切作用下形成微细气泡并随流体进入管道结构的混合器。该方案结构进水管路采用直行形式，不仅流体中的混杂颗粒会导致流体流动不均，而且缺乏对微细气流的剪切冲刷效应；同时进气管路采用双入气口，引起气体在环形空腔内的压力与流速不均匀，导致微细气流粗细不均匀，气泡直径跨度大，所产生的微细气泡质量较差。

任逸在专利CN201644234U中提出了一种选矿矿浆用充气矿化的管束式微孔气泡混合器，矿浆进入到由多根微孔管组成的液体管道内部，高压气体由筒体侧壁进入到筒体与微孔管之间的气腔中，气体在内外压差作用下透过微孔形成微细气流进入矿浆中，使矿浆充气矿化。该装置处理量较大，但因液体入口采用直行线路，缺乏对微细气流的剪切冲刷效应，且因微孔管内部矿浆在管内流动距离减小，溶于矿浆中的微细气泡数量也相应不够充分。

申请人在专利CN203269611U中设计了一种污水气浮处理用微细气泡发生器，总体上由水腔管和单一微孔管组成，水腔管上部轴向端口封闭、下部端口与所述微孔管相连接，且其水腔管上部设有切向入口水管、中下部内壁上固定有螺旋导流片；微孔管外套设有环形气腔管，气腔管的侧壁上设有入口气管；微孔管的开口端与出口管相连接。工作时原水、气体分别通过入口水管、入口气管进入所述微气泡发生器的水腔管、环形气腔管，气体经管壁微孔切割并经过处理水流的不断冲刷剪切形成微细气泡，并最终形成“微细气泡+原水”的多相混合物从出口管排出。该结构的微细气泡发生器能够有效地产生足够数量、尺寸均匀的微细气泡，其优良的性能已经在油田现场使用中得到了成功验证，但原水流量不大于10m³/h，离满足工程实际中动辄上百m³/h的流量需要尚有差距，且难以通过简单放大该微气泡发生器水腔管、微孔管相关径向尺寸的方式来予以解决。

(2)依靠负压吸气

日本熊本大学的Sadatomi和Kawahara在专利JP2003-305494中提到了一种新型结构的微细气泡发生器(Micro-bubbleGenerator，MBG)。该微细气泡发生器在水管内安装有一个小球体，使水管内部流体的流通通道变窄，当流体通过球体与管壁之间的窄小通道时，因流速增加而流体压力降低，因形成负压而将环境气体吸入到环形腔室内；随后经过气腔处的小孔被切割成细小气流进入到水管内，形成富含微细气泡的混合物。由于存在球体固定以及加工大量小孔等困难，Sadatomi随后在专利JP2008-173631中进行了改进，将不易固定的球体更换成孔板，用多孔管段替代人工钻孔段，性能得到了一定的提高，产生的微细气泡在100μm以下。

国内昆明理工大学李浙昆教授等人在专利CN201565361U中提到一种将微孔发泡技术与射流发泡技术相结合的微泡发生器。矿浆通过微泡发生器扩散喷嘴进入到内管中形成射流，由于节流降压原理在管内产生负压，在负压作用下空气被吸入锥形气腔，随后经微孔管段上的微孔进入液体内管形成微细气泡。

从运行能耗来看，依靠负压吸气的微细气泡发生器相比于依靠高压注气的微细气泡发生器而言，减小了增加气体压力所消耗的能量。但当流量一定时，无法精确控制气腔和水腔的压差，也就无法实现微细气泡尺寸的可调节性，所产生的微细气泡直径偏大且难以均匀稳定。

2.内腔充气-外环走水式

从结构上来看，内腔充气-外环走水式微细气泡发生器与内腔走水-外环充气式微细气泡发生器大体相似，不同之处在于微孔管内部为气体腔室，微孔管外部环形腔室为水流腔室。这种设计最突出的特点在于，缩小了气体腔室所占的空间，从理论上讲可以适度增大水流腔室的面积，对大流量的适应能力更强一些。

何旭龙等人在专利CN2304456Y中提到一种微细气泡发生器，其中气腔部分由环形纤维布堆叠而成，两端利用压板压紧密封。加压气体通过进气道进入气腔，进而通过环形纤维布的缝隙喷入液体中，形成大量云雾状的微细气泡，可以通过调节螺母与螺帽间的松紧来改变产生气泡的大小。但是，由于整个气腔由纤维布材质堆叠而成，当污水中污染物的成分比较复杂时，往往会因腐蚀或堵塞作用而容易导致纤维布堵塞，维护更换频率较高。除此以外，采用堆叠方式虽然能够通过压紧压板来改变空隙大小，但不能保证纤维布之间的空隙大小均匀，进而所产生的微细气泡质量较差，影响气浮效果。

美国CleanWaterTechnology公司在专利US20040178152A1中提出了一种液-固-气混合器(LiquidSolidGasMixer，LSGM)，其主要作用或首要功能就是充当微细气泡发生器。液体通过切向进水管进入到接收腔中并充满整个腔室，随后通过多孔管进入到LSGM的环形腔室中。与此同时，气体通过顶部进气口进入到内部微孔管内，在内外压差作用下穿过微孔管壁进入到环形腔室中，在水力旋流剪切作用下形成富含微细气泡的混合液体后经底部排水口排出。相比于内腔走水-外环充气式结构，这种结构缩减了气体腔室所占的体积，理论上增大了处理能力；但该结构的主要缺点在于内部流体存在较为强烈的湍流剪切耗散，致使单级流动阻力损失较大。该公司公开的资料表明，实际工作过程中往往采用五级以上的液-固-气混合器串联，必然相应配备的高扬程输送设备致使运行能耗较高。此外不得不指出的是，当处理含油污水时，强烈的湍流剪切耗散将增强油滴粒径的破碎和乳化，反而给后续的气浮除油分离增加了难度。

总的来看，虽然内腔走水-外环充气、内腔充气-外环走水两种形式的微细气泡发生器均可产生质量较好的微细气泡，但迄今目前尚未出现工程实际现场推广应用方面的报道，大多都是室内实验研究方面的数据。仔细深究可能有两个方面的原因：一方面，原水处理量增大时液体流动通道的径向尺寸必然相应增大，为了使微细气泡能够较为均匀地分布在整个流动通道上，必须相应增加注气压力，从而致使气体用量过高且气体利用率偏低，而且出现较大粒径气泡的可能性大大增加；另一方面，当微细气泡发生器因故停运一段时间后，微孔介质材料制作的内部同心圆管难免会出现结垢堵塞等现象，但清洗维修、拆装过程相对较繁琐。

基于以上原因，有必要进一步设计研制基于微孔介质发泡机理的新型微细气泡发生装置，从而克服现有微细气泡发生设备的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种气体利用率高、处理量大、拆装方便的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

本发明的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，包括外形呈管柱状的外筒体，所述外筒体的上端和下端分别通过法兰盖密封，所述外筒体内靠近两侧壁的部位隔出两个独立的气体腔室，所述外筒体内其它的空腔为水流腔室；

所述水流腔室的上部设有锥形导流筒，所述锥形导流筒的上部空间为旋流腔，所述旋流腔处的外筒体的筒壁上设有切向进水管，所述外筒体下部的筒壁上设有出水管；

所述气体腔室处的外筒体的筒壁上设有进气管，所述气体腔室与所述水流腔室之间设有矩形微孔板。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，由于外筒体内设有水流腔室和两个独立的气体腔室，气体腔室与水流腔室之间设有矩形微孔板，微细气泡的产生方法主要是基于板式微孔介质发泡机理，气体利用率高、处理量大、拆装方便。主要为水质气浮净化处理或其他需要充分气-液接触的工艺过程提供大量微细气泡。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置的主视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置的侧视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例中采用串联方式时整体结构示意图。

图中各标记如下：

1-法兰盖；2-管法兰；3-切向进水管；4-锥形导流筒；5-瓦块状上端盖；6-矩形垫圈；7-气体腔室；8-固定杆；9-矩形定位框；10-外筒体；11-矩形微孔板；12-水流腔室；13-进气管；14-密封垫圈；15-出水管。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，其较佳的具体实施方式是：

包括外形呈管柱状的外筒体，所述外筒体的上端和下端分别通过法兰盖密封，所述外筒体内靠近两侧壁的部位隔出两个独立的气体腔室，所述外筒体内其它的空腔为水流腔室；

所述水流腔室的上部设有锥形导流筒，所述锥形导流筒的上部空间为旋流腔，所述旋流腔处的外筒体的筒壁上设有切向进水管，所述外筒体下部的筒壁上设有出水管；

所述气体腔室处的外筒体的筒壁上设有进气管，所述气体腔室与所述水流腔室之间设有矩形微孔板。

两个所述气体腔室相对所述外筒体的中心轴线对称布置。

所述气体腔室包括瓦块状上端盖，所述瓦块状上端盖上固定有矩形定位框，所述矩形微孔板固定在所述矩形定位框内，所述瓦块状上端盖通过固定杆固定在所述外筒体筒壁上，所述瓦块状上端盖、矩形微孔板与矩形定位框构成封闭的空腔，所述进气管的内端开口于所述瓦块状上端盖内。

所述外筒体的上端和下端分别设有管法兰，所述法兰盖与所述管法兰之间通过螺栓压紧密封。

所述瓦块状上端盖由沿纵向剖切为1/4～1/2部分的钢管两端焊接薄钢板后形成一个弧形腔室，所述钢管的边缘部位焊接钢板并在钢板上设置凹槽，所述矩形定位框内侧也设有相对应的凹槽，所述矩形微孔板放置在所述矩形定位框与所述钢板中间的凹槽中，所述矩形定位框与所述钢板通过螺栓压紧密封。

所述固定杆和进气管处的所述瓦块状上端盖与所述外筒体之间设有Ｏ形密封圈。

所述矩形微孔板与所述瓦块状上端盖和矩形定位框的凹槽中之间设有矩形垫圈。

所述矩形微孔板的材料为以下任一种或多种：陶瓷微孔膜管、聚乙烯微孔膜管、金属粉末烧结而成的金属微孔管、不锈钢金属丝网板。

所述两个独立的气体腔室的矩形微孔板之间的距离为0.25m，注气压力高出水流压力0.1-0.7MPa，优选所述注气压力高出水流压力0.35MPa。

本发明的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，微细气泡的产生方法主要是基于板式微孔介质发泡机理，气体利用率高、处理量大、拆装方便。

与现有微细气泡发生装置相比，本发明具有如下优点：

1.现有的微细气泡发生装置主要采用同心圆管结构，借助圆管将整个内部空间分成水流腔室和气体腔室。本发明在气腔部分进行了独特的改进创新，采用两个独立于水流腔室的瓦块状气体腔室，气体腔室所占的内部空间减小的同时气液接触区域增大了很多。

2.同等清水或污水处理量情况下，本发明注气空间仅为现有微细气泡发生装置气腔的1/3～1/2，因此在提高气体压力上所需的耗功更少。此外，本发明采用橇装结构，既可以竖直安放也可以水平安放，移动非常方便。

3.本发明最大的特点在于气腔与水腔为相互独立的两个部分，拆装非常方便，避免了污水中杂质堵塞微孔管的情况，能够实现长期稳定运行。同时内部无运动部件，噪音小，操作维修较方便。

具体实施例：

如图1至图4所示，整个内部空间由水流腔室12和气体腔室7两大部分组成。其中水流腔室12主要是由外筒体10及上下法兰盖1所围成的封闭空间，依靠螺栓的作用来实现压紧密封；气体腔室7是由瓦块状上端盖5、矩形微孔板11及矩形定位框9所形成的独立空间。其中矩形微孔板11既可以是陶瓷材质，也可以是金属材质。所述矩形微孔板11放置在矩形定位框9与瓦块状上端盖5中间的凹槽中，上下放置橡胶矩形垫圈6，在矩形定位框9周围的螺栓紧固作用下实现密封。气体腔室7依靠瓦块状上端盖5弧形腔顶部的两根带螺纹的固定杆8来实现固定。在螺母和小O型密封圈14共同作用下实现固定杆处的密封，防止水流从固定杆8与外筒体10的间隙流出。进气管13位于气体腔室7的瓦块状上端盖5弧形腔中间部分，与外部气源相接；切向进水管3位于外筒体10上部，外端与污水或清水水源相接。在切向进水管13下部有一锥形导流筒4，主要起到增强旋流强度和防止水力损失过大的作用，同时还具有防止水流进入气体腔室7与外筒体10之间间隙中的作用。

矩形微孔板的制作材料可能采用陶瓷微孔膜管(如Shirasuporousglassmembranes，SPG膜)，也可以是其他材料合成加工而成的、带有大量微细孔隙、且具有一定强度和耐腐蚀性的管状构件，如聚乙烯(PE)微孔板、金属粉末烧结而成的金属微孔板等以及不锈钢金属丝网板。

工作过程中，原水从顶部切向进水管3进入到水流腔室12中并形成一定强度的旋流。随后不断旋流的原水进入到锥形导流筒4中，由于横截面积不断减小，使原水旋流强度得到加强后进入到两个气体腔室7之间。与此同时，加压气体由进气管13进入到气体腔室(7)中。由于气体腔室7内部压力高于水流腔室12内压力，在内外压差作用下，气体从矩形微孔板11上的微孔以微小气流形式注入到水流中。向下螺旋运动的原水对矩形微孔板11不断切割冲刷，从而形成大量的微细气泡并被带走，生成富含大量微细气泡的气液混合物，最终从底部侧壁的出水管15排出。

显然，当矩形微孔板11这一核心部件的材料确定后，两个气体腔室7的注气压力与矩形微孔板11之间的相对(相向)距离就是影响微细气泡质量和气水混合物混合效果的关键因素。实验测试研究表明，当两个气体腔室7相对(相向)矩形微孔板11之间的距离为0.25m时，注气压力一般应高出水流压力约0.1-0.7MPa，最合适的压力差宜为0.35MPa。气体腔室7内的气体在该压差作用下，以微细气流的形式通过矩形微孔板11管壁上的微米级小孔被剪切分散地挤压入水腔中，在压力水流的冲刷作用下形成微细气泡；与此同时，也会有部分气体在压力作用下溶解在原水中形成溶气水，在后续处理工艺过程中会因压力的降低而从原水中以微细气泡的形式从原水中释放出来。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，其特征在于，包括外形呈管柱状的外筒体(10)，所述外筒体(10)的上端和下端分别通过法兰盖(1)密封，所述外筒体(10)内靠近两侧壁的部位隔出两个独立的气体腔室(7)，所述外筒体(10)内其它的空腔为水流腔室(12)；

所述水流腔室(12)的上部设有锥形导流筒(4)，所述锥形导流筒(4)的上部空间为旋流腔，所述旋流腔外筒体(10)的筒壁上设有切向进水管(3)，所述外筒体(10)下部的筒壁上设有出水管(15)；

所述气体腔室(7)处的外筒体(10)的筒壁上设有进气管(13)，所述气体腔室(7)与所述水流腔室(12)之间设有矩形微孔板(11)；

两个所述气体腔室(7)相对所述外筒体(10)的中心轴线对称布置；

所述气体腔室(7)包括瓦块状上端盖(5)，所述瓦块状上端盖(5)上固定有矩形定位框(9)，所述矩形微孔板(11)固定在所述矩形定位框(9)内，所述瓦块状上端盖(5)通过固定杆(8)固定在所述外筒体(10)筒壁上，所述瓦块状上端盖(5)、矩形微孔板(11)与矩形定位框(9)构成封闭的空腔，所述进气管(13)的内端开口于所述瓦块状上端盖(5)内。

2.根据权利要求1所述的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，其特征在于，所述外筒体(10)的上端和下端分别设有管法兰(2)，所述法兰盖(1)与所述管法兰(2)之间通过螺栓压紧密封。

3.根据权利要求2所述的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，其特征在于，所述瓦块状上端盖(5)由沿纵向剖切为1/4～1/2部分的钢管两端焊接薄钢板后形成一个弧形腔室，所述钢管的边缘部位焊接钢板并在钢板上设置凹槽，所述矩形定位框(9)内侧也设有相对应的凹槽，所述矩形微孔板(11)放置在所述矩形定位框(9)与所述钢板中间的凹槽中，所述矩形定位框(9)与所述钢板通过螺栓压紧密封。

4.根据权利要求3所述的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，其特征在于，所述固定杆(8)和进气管(13)处的所述瓦块状上端盖(5)与所述外筒体(10)之间设有O型密封圈。

5.根据权利要求4所述的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，其特征在于，所述矩形微孔板(11)与所述瓦块状上端盖(5)和矩形定位框(9)的凹槽中之间设有矩形垫圈(6)。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，其特征在于，所述矩形微孔板(11)的材料为以下任一种或多种：陶瓷微孔膜管、聚乙烯微孔膜管、金属粉末烧结而成的金属微孔管、不锈钢金属丝网板。

7.根据权利要求1至5任一项所述的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，其特征在于，所述两个独立的气体腔室(7)的矩形微孔板(11)之间的距离为0.25m，注气压力高出水流压力0.1-0.7MPa。

8.根据权利要求7所述的基于板式微孔介质发泡机理的微细气泡发生装置，其特征在于，所述注气压力高出水流压力0.35MPa。

9.根据权利要求1所述的微细气泡发生装置，其特征在于主要依赖微孔介质发泡和水流冲刷剪切作用产生大量的微细气泡，不过当注气压力高出水流压力一定值时，也存在不同程度的加压溶气作用，溶气水减压后也必然会相应释放出微细气泡。