CN104944495A - 轴流式同轴膜管微细气泡均混装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轴流式同轴膜管微细气泡均混装置，应用于含油污水和工业废水气浮处理。该装置采用同轴膜管和电驱多级串联螺旋叶片的特殊结构，实现微孔旋流发泡和气泡破碎增压均匀混合技术的有机结合；膜管组件完成微孔旋流第一级发泡并产生携带微气泡的两相流，大管径膜管结合旋流齿和高速旋转旋流叶片，增大了旋转液流的发泡面积并提高了气浮气利用率，且实现膜管内外双向射流高效发泡；增压均混器完成轴流破碎第二级发泡并产生粒度微细的气泡流，多级串联螺旋叶片剪切破碎气泡并且微细气泡与污水均混程度高，同时实现气泡螺旋增压和自冷却功能；发泡均混控制系统远程自动控制供气管汇内气浮气流量、供液管汇内污水流量及变频电机转速。

Description

轴流式同轴膜管微细气泡均混装置

技术领域

本发明涉及一种工业废水和含油污水气浮处理用的微细气泡两相流发生装置，特别是涉及一种同轴膜管组件微孔旋流发泡和微细气泡与污水增压均混的轴流式装置及其工艺流程。

背景技术

根据微细气泡的形成机理，气浮处理技术分为加压溶气气浮(Dissolved Gas Flotation)、多相溶气泵气浮、诱导气浮(Induced Gas Flotation)等，当前工业废水和含油污水(以下统称为污水)处理以加压溶气气浮和诱导气浮技术为主。

常规加压溶气气浮技术所产生的气泡颗粒细小，然而系统组成复杂，需要配套气体压缩机、填料溶气罐、释气器等设备，使得设备运行能耗较高且占地面积相对较大。多相溶气泵气浮技术如美国ExterranTM公司的ONYX-Micro Bubble泵、德国Edur公司的溶气泵等，该系统配置简单，运行维护容易，但其功耗和泵自身的成本问题不可忽视，并且多相溶气泵对待处理污水存在着较强的乳化作用，会引起净化效率的大幅度降低。诱导气浮技术中的机械诱导气浮缺点是机械系统所具有的转动部件维护复杂，同时系统无法进行回流操作，而且叶轮旋切气浮机存在液位控制难度较大、较易出现短流和死流区；水力诱导气浮如美国Natco公司Wemco ISF Systems及国内YFP喷射式诱导气浮机等，该技术的电能消耗低，同时射流器内没有转动部件，剪切力较小，不会造成粘附体的破散，但微气泡粒径较大，且其效率受射流器出口孔径的影响较大，对进入喷嘴的水质和压力要求较为苛刻，较小的波动可能会对净化效率造成较大影响。

综上所述，现有的加压溶气气浮、多相溶气泵气浮、诱导气浮技术在现场应用中存在诸多的问题，为此依托现有可行性技术的基础上，通过解决气体利用效率，气泡粒度、均匀度和发生量，气泡与污水均混程度，加工与安装等问题，研制出新型微细气泡均混装置。该装置将微孔旋流发泡技术和气泡破碎均混技术有机结合，省去了加压溶气气浮技术庞大的压缩机、填料溶气罐等设备，而且气体的利用效率较高，同时有效克服了诱导气浮技术对待处理污水流的强剪切作用，所产生气泡的粒径细小且量大，气泡与污水相间的均混程度也较高。

发明内容

为了克服现有加压溶气气浮和诱导气浮技术存在的缺陷和不足，本发明的目的是提供一种适合工业废水和含油污水气浮(包括旋流气浮等)处理用的轴流式同轴膜管微细气泡均混装置。该微细气泡均混装置将微孔旋流发泡技术和气泡破碎增压均匀混合技术有机结合，并依据同轴膜管组件和电驱多级串联螺旋叶片的特殊结构，具备气浮气利用率高、微孔旋流和轴流破碎两级发泡、膜管内外双向射流高效发泡、气泡粒度微细、气泡螺旋增压均混、微细气泡与污水均混程度高、增压均混器自冷却、远程自动控制等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是开发一种轴流式同轴膜管微细气泡均混装置，主要由破碎筒、增压均混器、旋流体、膜管组件、发泡筒、稳压筒和气液供给器几部分组成。气浮作业中，待处理的污水经供液管汇和稳压筒进入同轴膜管组件的内外环腔并通过膜管壁上的旋流齿和高速旋转旋流体上的旋流叶片形成连续旋转液流，同时气浮气经上供气管汇进入发泡筒并由下供气管汇和稳压筒进入同轴膜管组件的中环腔，通过膜管组件微孔流道射流切割而形成微细气流，内外环腔中的旋转液流连续剪切冲刷内外双向微细气流产生微气泡后进入破碎筒；变频电机驱动多级串联螺旋叶片高速旋转并强迫携带微气泡的两相流沿轴向继续流动以获得更高的动能，而且多级间旋向相反的螺旋叶片不断剪切破碎两相流中的气泡产生粒度更小的微细气泡并使微细气泡与污水相间均匀混合形成气泡流，与此同时螺旋叶片的多级扩压作用将气泡流的动能转化为压力能而完成增压功能。

破碎筒采用轴向双筒构造，筒腔中容纳多级螺旋叶片，它包括破碎内筒、破碎外筒、密封盒、排液管和压力安全阀接头，破碎内筒和破碎外筒由内而外同轴心布置并采用圆柱体和圆锥体相结合的筒体构造，且其材质均采用压力容器材料Q345R，筒壁通体内衬金属陶瓷。破碎内筒的筒盘和发泡筒的隔板将整个均混装置分隔成破碎筒室、发泡筒室和稳压筒室三个由上而下布置的腔室，发泡筒室内生成的两相流进入破碎筒室后形成气浮所需的气泡流。

破碎外筒由筒盖和筒体两部分组成，筒盖和筒体间通过法兰盘和双头螺柱进行联接并通过金属垫片实现密封，筒盖的中央孔腔用于放置密封盒，其腔壁上加工有等间距分层排列的环形凹槽，筒盖四周对称分布排液管和压力安全阀接头且二者的出口朝向相反；筒体的柱面高度大于多级串联螺旋叶片的总高度，所形成的气泡流在其上部腔室缓冲后，经由排液管排出破碎筒并进入气浮选装置继续浮选作业；筒体的锥面上对称布置有压差变送器，且其外锥面的锥度大于内锥面的锥度。破碎内筒下部的筒盘下端面由内而外同心布置有三层环形凹槽，凹槽的横截面呈直角梯形，且最外两层凹槽间的筒盘上加工有沿圆周均匀布置的倒圆锥形孔眼，锥孔大端圆周间相切，且锥孔大端圆周的内包络线直径等于中膜管的外径而其外包络线直径等于外膜管的内径；破碎内筒锥体的外锥面锥度小于破碎外筒筒体的内锥面锥度，保证两锥面间的环形空间截面不断收缩而使得携带微气泡的两相流压力逐渐提升；破碎内筒锥体的内锥面采用倒圆锥面，其锥面小端圆面的直径等于内膜管的内径。破碎外筒筒体的内锥面小端圆面、破碎内筒锥体的外锥面小端圆面与内锥面大端圆面相互间平齐且处于同一水平面。

密封盒采用填料密封和迷宫密封的上下双重密封，实现增压均混器旋转部件中间轴与破碎筒间的密封；上部填料密封的填料选用油浸石棉盘根，通过螺纹压盖压紧填料进行密封并由法兰盘和紧定螺钉实现密封盒与破碎外筒间的联接，填料密封与迷宫密封间辅以垫片加强密封；而下部迷宫密封与破碎外筒筒盖腔壁上的环形凹槽进行配合，同时与中间轴间辅以三个沿轴向等间距均匀排列的○形密封圈实现密封。

增压均混器依据电驱多级串联螺旋叶片实现气泡破碎增压均混技术，完成轴流破碎第二级发泡并产生气泡粒度微细的气泡流，多级间旋向相反的螺旋叶片剪切破碎气泡并且产生的微细气泡与污水均混程度高，同时螺旋叶片的多级扩压作用实现微细气泡的螺旋增压且均混体与破碎筒所构成的多环空构造实现增压均混器的自冷却。增压均混器包括多级螺旋叶片、均混体、变频电机、支座、联轴器、中间轴和传动轴，多级螺旋叶片和均混体的材质选用超级双向不锈钢，而中间轴和传动轴的材质选用合金钢40MnB。变频电机作为增压均混器的动力机，它通过定位螺栓接于支座的环板上并通过支座的支腿固定于破碎筒的顶端，电机轴通过联轴器和紧固件与中间轴进行联接，变频电机经变频器调速后由中间轴驱动均混体和多级螺旋叶片高速旋转。

中间轴用来将变频电机的动力传递至均混体，采用变截面的阶梯回转体结构，它包括上轴头、上轴身和上轴颈。上轴头位于中间轴的最上端，其上的键槽内安装平键后接于联轴器；上轴身外环面进行精细加工，分别与密封盒的填料密封和迷宫密封进行配合；上轴颈实现中间轴与均混体间的联接，其上端面与密封盒的下端面间保持间隙。传动轴上接中间轴而下连旋流轴，用来将变频电机的动力传递至旋流体，采用圆柱体形结构，其下部加工有内螺纹，且其下端面位于均混体下端面的上部。

均混体采用轴向圆柱筒体构造，其下端面与破碎外筒筒体柱面的下端面和旋流轴下轴颈柱面的下端圆面相互间平齐且处于同一水平面。传动轴、破碎内筒、均混体和破碎外筒由内而外依次同轴心布置并形成三个环形空间，膜管组件发泡后形成两股携带有微气泡的两相流并经由破碎内筒的筒盘进入破碎筒和增压均混器，其中内膜管发泡所形成的两相流顺次流经旋流轴与破碎内筒、传动轴与破碎内筒及破碎内筒与均混体的环形空间，及时冷却多级螺旋叶片压缩两相流而造成均混体筒壁的温升，实现增压均混器的自冷却功能，而后两相流进入破碎内筒和破碎外筒锥体的环形空腔内并与中膜管和外膜管发泡所形成的两相流进行充分混合，再一起被吸入均混体与破碎外筒环形空间内的多级螺旋叶片上。

多级螺旋叶片采用多级轴向串联的方式，各级间的螺旋叶片相同并实现标准化设计，同时各级间的螺旋叶片高度相等且其轴向串联后的总高度等于均混体筒体的高度。变频电机驱动多级螺旋叶片高速旋转，底层螺旋叶片的入口处形成低压区，吸入携带微气泡的两相流并强迫两相流沿轴向继续流动以获得更高的动能。每级螺旋叶片包含上下两层螺旋叶片，各级间和上下层间的螺旋叶片旋向相反，由此多级螺旋叶片不断剪切破碎两相流中的气泡，气泡粒度逐渐减小并最终产生微细气泡。同时，各级间的螺旋叶片交错排列，而上下层间的螺旋叶片首尾相连，使得微细气泡与污水相间可以均匀混合形成气泡流。

每级的上下两层螺旋叶片的数量相同，各螺旋叶片沿均混体外环面均匀排列且其轮廓线为沿均混体外环面展开的组合曲线，该组合曲线呈现上凹下凸的特殊形状，同时上下两层螺旋叶片的轮廓线与均混体轴线间的夹角依次增大，而层间高度依次降低；此外，上下两层螺旋叶片垂直于轮廓线的法面端面均为矩形，且法面端面的宽度均由上而下从零开始而后逐渐增大，最后不断收缩并在最底端再次缩为零，由此，各螺旋叶片的曲面组合形成截面先不断收缩而后逐渐扩张的多变流道，实现螺旋叶片的多级扩压作用，并将气泡流的动能转化为压力能而最终达到螺旋增压的目的。

膜管组件依据同轴布置膜管实现微孔旋流发泡技术，完成微孔旋流第一级发泡并产生携带微气泡的两相流，而且大管径膜管组件结合管壁旋流齿和高速旋转旋流叶片，增大旋转液流的发泡剪切面积并提高气浮气利用率，同时膜管内环腔和外环腔的旋转液流剪切冲刷内外双向微孔射流实现高效发泡。膜管组件由内膜管、中膜管和外膜管三组管件构成，各膜管的长度相等而管径依次增大，同时各膜管与旋流体由内而外同轴心布置且将膜管组件分隔出内环腔、中环腔和外环腔三个环形空腔，其中内环腔和外环腔作为污水流转换为两相流的流道，而中环腔作为气浮气流通的通道。

各膜管采用壁厚相同的管式构件，其材质均采用强度高且耐腐蚀的陶瓷，其中内膜管和外膜管采用内旋流齿陶瓷管，而中膜管采用外旋流齿陶瓷管。内外旋流齿的轮廓线为沿膜管内表面或者外环面展开的螺旋线，且其轮廓线的齿距均相等，同时内外旋流齿的旋向相同，以保证污水在内外旋流齿上形成连续的旋转液流，同时污水流由直流转变为旋转流，由此增大了污水流的发泡剪切面积。内外旋流齿间的膜管管壁上布置有沿旋流齿轮廓线分层且均匀排列的微孔，每层微孔的数量由内膜管而外至外膜管分别增多，所有微孔的形状和大小相同，均依次采用小圆锥面、圆柱面和大圆锥面相结合的结构，圆柱面的直径等于小圆锥面和大圆锥面小端圆面的直径，且小圆锥面、圆柱面和大圆锥面的高度依次增大，同时小圆锥面的锥度大于大圆锥面的锥度。内膜管和外膜管上微孔的大圆锥面朝内侧布置，而中膜管上微孔的大圆锥面朝外侧布置，以保证气浮气流经微孔上小圆锥面流道的短暂压缩后由圆柱面流道切割形成微细气流，并通过大圆锥面流道的减速增压作用后射流至内环腔和外环腔，达到膜管内外双向射流的高效发泡目的。各膜管的两端均设计有环形卡箍，卡箍的横截面呈直角梯形，与破碎内筒筒盘和发泡筒隔板上的环形凹槽相配合，保证各膜管通过孔眼与破碎筒和稳压筒间保持联通。

旋流体依据高速旋转的旋流叶片并结合内膜管管壁上的旋流齿形成分层高速旋转液流，进一步增大了小管径内膜管的旋转液流发泡剪切面积并提高气浮气利用率。旋流体包括旋流轴和旋流叶片两部分，变频电动的动力经由中间轴和传动轴传递至旋流轴并驱动旋流叶片高速旋转，旋流轴的材质选用合金钢38CrMoAlA，而旋流叶片的材质采用超级双向不锈钢。旋流轴由下轴头、下轴颈和下轴身组成，旋流轴的下轴颈柱面直径等于中间轴的上轴颈锥面大端圆面直径和传动轴的轴径，而旋流轴的下轴身轴体直径等于中间轴的上轴头和上轴身柱面直径以及电机轴的轴径。旋流轴通过下轴头的外螺纹与传动轴进行联接，旋流轴下轴颈锥面的高度等于破碎内筒锥体的内锥面高度，且联接后的旋流轴的下轴颈锥面小端圆面与破碎内筒锥体的内锥面小端圆面相互间平齐且处于同一水平面。下轴身的下部采用流线型的倒锥形构造，避免进入内膜管的污水流发生局部涡流，同时下轴身的底端与内膜管的旋流齿下端面相互间平齐。

旋流叶片采用多头结构并沿圆周方向均匀排列，每头旋流叶片的轮廓线为沿旋流轴下轴身柱面展开的螺旋线，轮廓线的起始点与下轴身柱面的底端面相平齐，轮廓线的螺距为内膜管旋流齿螺距的两倍；旋流叶片垂直于轮廓线的法面端面为等腰梯形，且外窄内宽，该法面端面的宽度由下而上先是保持不变，而后在顶部的四分之一螺距处开始逐渐收缩并在最顶端缩为一条直线，同时该法面端面的高度由下而上从零开始依次增大，并在一至六个螺距处以十分之一倍的下轴身轴径等增幅由十分之一倍的下轴身轴径增至五分之三倍的下轴身轴径，随后法面端面的高度保持不变。旋流叶片与内膜管旋流齿的旋向相同，以保证污水在旋流叶片上形成稳定的分层高速旋转液流，并由此解决了由于内膜管管径变小而引发的污水流发泡剪切面积缩小的问题。高速旋转的旋流叶片将一部分动能转化为内膜管中两相流的压力能，同时，旋流叶片的顶部低于内膜管的顶端面，内膜管发泡所形成携带微气泡的两相流经旋流轴与破碎内筒间柱形和倒锥形的环形空腔而减速增压，使得两相流的流压始终大于中膜管和外膜管发泡所形成两相流的流压。

发泡筒采用轴向圆柱筒体构造，筒腔中容纳膜管各组件，气浮气经上供气管汇进入发泡筒缓冲稳压后，通过外膜管微孔实施射流高效发泡。它包括发泡筒体和隔板，发泡筒体与各膜管同轴心布置，其中部沿圆周方向均匀布置上供气管汇，而其下部则布置有压差变送器。发泡筒体下端由隔板进行封隔，隔板的上端面由内而外同心分三层布置与破碎内筒的筒盘凹槽相对应的环形凹槽，最外两层凹槽间的隔板上也加工有与破碎内筒的筒盘锥孔相对应的液锥孔，最内两层凹槽间的隔板上设置内外两层沿圆周方向均匀排列的气锥孔，内外层气锥孔的锥度和锥高相等，层间气锥孔的大端圆周间相切，且外层气锥孔大端圆周的外包络线直径等于中膜管的内径而内层气锥孔大端圆周的内包络线直径等于内膜管的外径，由此稳压内筒中的污水流经隔板液锥孔后进入膜管组件的外环腔，同时气浮气经隔板气锥孔减速增压后进入中环腔。此外，隔板的中央部位加工有柱形孔眼，且其下端面上位于液锥孔和气锥孔之间的部位布置有环形凹槽。

稳压筒采用轴向双筒构造，用来实现污水流和气浮气流的缓冲稳压，它通过双头螺柱上联发泡筒下接供液管汇和下供气管汇，同时上下两端分别由隔板和供给盘进行封隔。稳压筒包括稳压内筒和稳压外筒两部分，稳压外筒的筒径和壁厚与发泡筒体相同，而稳压内筒则将稳压筒分隔成液环腔和气环腔两个同轴心布置的腔室，其两端设置截面为直角梯形的环形卡箍，并分别与隔板下端面和供给盘上端面的环形凹槽相配合，实现液环腔和气环腔间的密封。

气液供给器为整个均混装置提供污水、气浮气等原液，它由上供气管汇、供液管汇、下供气管汇和供给盘组成，其中供液管汇和下供气管汇通过供给盘集于一体。自供给盘中心向外依次布置主液喷嘴、气喷嘴和支液喷嘴，并分别与膜管组件的内环腔、稳压筒的气环腔和液环腔相联通，同时气喷嘴和支液喷嘴依次呈鼠笼式排列且其轴线均与主液喷嘴的轴线相平行。上供气管汇用来将气浮气输送至发泡筒，气浮气流经上供气主管并由分气路由统一分配给各上供气支管；而下供气管汇用来将气浮气输送至稳压筒，气浮气经下供气主管统一分配给各下供气支管后，由下供气支管末端的气喷嘴喷入稳压筒的气环腔内。供液管汇用来将待处理的污水输送至稳压筒和膜管组件，污水流经供液主管并由多路阀和分液路由统一配送至供液支管，其中分配给中央供液支管的污水量最多以保证主液喷嘴的污水供给量，而分配给四周各供液支管的污水量相等且其总供给量为主液喷嘴喷液量的4～8倍。供液管汇通过主液喷嘴和支液喷嘴与供给盘进行联接，各支液喷嘴的结构相同且其内表面采用柱面，污水由支液喷嘴进入稳压筒的液环腔后经隔板液锥孔喷射入膜管组件的外环腔；而主液喷嘴外环面的上部与隔板中央的孔眼间采用过盈配合，主液喷嘴内表面的流道由下而上依次为圆锥面、柱面和倒圆锥面，且下锥面的锥度大于上锥面，而下锥面的高度则小于上锥面，带压污水经流道调速后由上锥面流道直接喷射进膜管组件的内环腔。

发泡均混控制系统用于远程自动控制供气管汇内气浮气流量、供液管汇内污水流量以及变频电机的转速。破碎外筒的筒体锥面与其筒盖上的排液管均设置有压差变送器，通过监测微孔旋流第一级发泡后形成的两相流和轴流破碎第二级发泡后形成的气泡流间的压差，并经气电转换器将电信号转换成气信号，自动控制供液主管上气动控制阀的气动量，进而自动调整供液管汇内的污水流量。与此同时，发泡筒体和破碎外筒的筒体上均设置有压差变送器，通过监测第一级发泡前气流和第二级发泡前气流间的压差，并经气电转换器控制上下供气主管上气动控制阀的气动量，进而自动调整供气管汇内的气浮气流量。

发泡均混控制系统通过监测破碎外筒筒盖上的排液管内气泡流的压力经气电转换器控制变频控制阀，通过变频器的调频来改变电机的转速，进而调整多级螺旋叶片对携带微气泡两相流的扩压程度，最终保证两级发泡后所形成气泡流压力的稳定。

破碎外筒筒盖上的压力安全阀接头设置压力泄放阀，在破碎筒和增压均混器内出现超压工况时，压力泄放阀会自动释放破碎筒内的压力。另外，在出现高高压差信号或整个装置发生故障时，供液主管上的紧急关断阀会自动关闭并停止污水原液的供给。

本发明所能达到的技术效果是，该微细气泡均混装置采用同轴膜管组件和电驱多级串联螺旋叶片的特殊结构，实现微孔旋流发泡技术和气泡破碎增压均匀混合技术的有机结合；膜管组件完成微孔旋流第一级发泡并产生携带微气泡的两相流，而且大管径膜管组件结合管壁旋流齿和高速旋转旋流叶片，增大了旋转液流的发泡剪切面积并提高了气浮气的利用率，同时膜管内环腔和外环腔的旋转液流剪切冲刷内外双向微孔射流实现高效发泡；增压均混器完成轴流破碎第二级发泡并产生粒度微细的气泡流，多级间旋向相反的螺旋叶片剪切破碎气泡并且产生的微细气泡与污水均混程度高，同时螺旋叶片的多级扩压作用实现微细气泡的螺旋增压且均混体与破碎筒所构成的多环空构造实现增压均混器的自冷却；发泡均混控制系统用于远程自动控制供气管汇内气浮气流量、供液管汇内污水流量以及变频电机的转速。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于以下实施例。

图1是根据本发明所提出的轴流式同轴膜管微细气泡均混装置的典型结构简图。

图2是轴流式同轴膜管微细气泡均混装置中破碎筒的结构简图。

图3是轴流式同轴膜管微细气泡均混装置中增压均混器的结构简图。

图4是轴流式同轴膜管微细气泡均混装置中膜管组件的结构简图。

图5是轴流式同轴膜管微细气泡均混装置中旋流体和内膜管的结构简图。

图6是轴流式同轴膜管微细气泡均混装置中发泡筒和稳压筒的结构简图。

图7是轴流式同轴膜管微细气泡均混装置中气液供给器的结构简图。

图8是轴流式同轴膜管微细气泡均混装置中发泡均混控制系统的流程图。

图9是轴流式同轴膜管微细气泡均混装置的两级轴流式发泡流程简图。

图中1－破碎筒，2－增压均混器，3－旋流体，4－膜管组件，5－发泡筒，6－稳压筒，7－气液供给器，8－压力安全阀接头，9－密封盒，10－破碎外筒，11－破碎内筒，12－排液管，13－变频电机，14－支座，15－联轴器，16－中间轴，17－多级螺旋叶片，18－均混体，19－传动轴，20－内膜管，21－中膜管，22－外膜管，23－旋流轴，24－旋流叶片，25－上供气管汇，26－发泡筒体，27－隔板，28－稳压外筒，29－稳压内筒，30－液喷嘴，31－供给盘，32－气喷嘴，33－供液支管，34－下供气支管，35－下供气主管，36－供液主管。

具体实施方式

在图1中，轴流式同轴膜管微细气泡均混装置由破碎筒1、增压均混器2、旋流体3、膜管组件4、发泡筒5、稳压筒6、气液供给器7和发泡均混控制系统组成。装配时，首先将气液供给器7的供液管汇和下供气管汇通过供给盘接于稳压筒6下部，然后将稳压筒6的稳压内筒置入稳压外筒内并通过法兰盘和隔板完成稳压筒6与发泡筒5间的联接，接着将膜管组件4的各膜管依次置入发泡筒5内，将气液供给器7的上供气管汇接于发泡筒5的筒壁，并通过法兰盘和破碎筒1的筒盘完成破碎筒1与发泡筒5间的联接，再者通过螺纹将旋流体3接于增压均混器2下部并将旋流体3和增压均混器2的多级螺旋叶片、均混体、中间轴和传动轴一起插入破碎筒1与发泡筒5内，最后盖好破碎筒1的筒盖并通过增压均混器2的联轴器将变频电机接于均混体的上部。

在图1中，轴流式同轴膜管微细气泡均混装置装配完成后，气液供给器7的供液管汇通过法兰盘接于放置有待处理污水的污水或废水处理系统；气液供给器7的上下供气管汇通过法兰盘接于气浮气储罐，气浮气的气源可以为氮气发生系统所制出的氮气，也可以直接利用油气处理系统分离出的以天然气为主要成分的伴生气；破碎筒1上的排液管通过法兰盘联接至气浮处理系统并为其提供携带微细气泡的气泡流。

在图1中，轴流式同轴膜管微细气泡均混装置调试时，需要对整个均混装置进行气密性试验和液压试验，并检查设备接口是否连接正确，各电路连接是否完好，破碎筒1与增压均混器2间的密封、各筒体和管汇法兰、管线接头是否有泄露，是否畅通，以及各阀门的开关是否正确。运行中，监测微细气泡与污水间的均混程度，气泡粒径是否微细，气泡流的流量和压力是否稳定。维护时，依次检查破碎筒1的筒盘、发泡筒5的隔板和气液供给器7的供给盘上是否有异物堆积，破碎筒1、发泡筒5和稳压筒6的内壁上是否有锈蚀，增压均混器2的多级螺旋叶片和旋流体3的旋流叶片表面是否有锈蚀，锈蚀厚度超过1mm时，需要进行更换；检查膜管组件4各膜管微孔和旋流齿以及气液供给器7的供液管汇主液喷嘴和支液喷嘴上的污垢，厚度大于3mm时，需要进行冲洗。

在图1中，污水和气浮气两股液流通过膜管组件4微孔旋流第一级发泡和增压均混器2轴流破碎第二级发泡最终产生气液均匀混合且粒度微细的气泡流，污水的处理量通过增压均混器2和膜管组件4的轴径和长度进行调整，而气浮气的处理量通过膜管组件4和稳压筒6的轴径和长度进行调整。

在图2中，破碎筒1的破碎外筒10和破碎内筒11与增压均混器2的多级螺旋叶片和均混体相互间高精度同轴布置，并且破碎外筒10与多级螺旋叶片的外环面间始终保持小间隙。破碎外筒10的筒径依据多级螺旋叶片的串联级数进行设计，排液管12的管径依据均混装置所产生气泡流量进行设计，而排液管12内气泡流压力的稳定通过自动调整增压均混器2变频电机的转速来实现。压力安全阀接头8上设置压力泄放阀，用于紧急工况时压力的释放，而密封盒9通过双重密封实现增压均混器2的旋转部件与破碎筒1间的密封。

在图3中，两相流的轴向流动通过变频电机13驱动多级螺旋叶片17高速旋转来不断驱动与维持，气泡流中的微细气泡由级间旋向相反的多级螺旋叶片17不断剪切破碎微气泡而形成，而微细气泡的粒径通过多级螺旋叶片17的串联级数、叶片数及螺旋叶片轮廓线与均混体18轴线间的夹角来调整，微细气泡与污水两相间的均混通过多级螺旋叶片17级间交错排列和层间首尾相连的共同作用来实现。微细气泡的螺旋增压通过均混体18与破碎外筒10间多级螺旋叶片17的多变流道和高速旋转共同作用来实现，增压均混器2的自冷却功能通过传动轴19、破碎内筒11以及均混体18之间的环形空腔流道的进出口压差驱动两相流不断流动来实现。增压均混器2的变频电机13通过支座14固定于破碎筒1上，其动力经联轴器15由中间轴16传递至均混体18和多级螺旋叶片17。

在图4中，两相流中微气泡的粒径通过膜管组件4的各膜管长度及其管壁单位面积上的微孔数量进行调整，而气浮气的利用率通过调整各膜管的管径、管壁上旋流齿的齿距以及旋流体3旋流叶片的转速来实现。膜管内外双向射流高效发泡通过内膜管20的内环腔以及中膜管21与外膜管22间的外环腔内旋转液流剪切冲刷内外双向微孔射流而实现。

在图5中，旋流体3的旋流轴23和旋流叶片24与内膜管20相互间高精度同轴布置，以保证旋流体3与内膜管20环空内分层高速旋转液流运动的稳定性，同时旋流叶片24的螺距与内膜管20旋流齿的齿距保持一致，并通过旋流叶片24的头数调整，保证内膜管20的旋转液流发泡剪切面积及其内气浮气的利用率。

在图6中，发泡筒5的轴向长度依据各膜管的长度进行设计，而其筒径依据外膜管22的管径进行调整，保证发泡筒体26与外膜管22间气浮气的缓冲空间。气浮气经上供气管汇25输送至发泡筒体26内并最终射入膜管组件4的外环腔，膜管组件4通过破碎内筒11的筒盘和隔板27实现破碎筒1、发泡筒5和稳压筒6间的联通。稳压外筒28与稳压内筒29间的液环腔用于污水流的缓冲稳压，而稳压内筒29内的气环腔用于气浮气流的缓冲稳压。

在图7中，气浮气流经下供气主管35和下供气支管34后，由气喷嘴32喷入稳压筒6内，而污水流经供液主管36和供液支管33后，由液喷嘴30分别射入稳压筒6的液环腔和膜管组件4的内环腔。供给盘31用于稳压筒6的端部封隔，并通过液喷嘴30和气喷嘴32将供液管汇和下供气管汇集于一体。

在图8中，发泡均混控制系统实现微细气泡均混装置的远程自动控制功能，供液管汇内污水的流量通过监测两相流和气泡流间的压差并经气电转换器和气动控制阀自动进行调整，而供气管汇内气浮气的流量通过监测两级发泡前气流间的压差并经气动控制阀自动进行调整，事故工况下紧急关断阀自动关断并停止污水供给。

在图9中，该微细气泡均混装置的微孔旋流第一级发泡流程为，污水经稳压筒6分成两股液流分别进入膜管组件4的内环腔和外环腔中，其中内环腔中的液流通过内膜管20内壁上的旋流齿和高速旋转旋流体3上的旋流叶片24共同作用形成分层高速旋转液流，而外环腔中的液流通过中膜管21外壁和外膜管22内壁上旋流齿的共同作用形成连续旋转液流；与此同时，气浮气也分两股同时由上供气管汇25进入发泡筒5与外膜管22的环形空腔以及稳压筒6进入膜管组件4的中环腔，其中发泡筒5与外膜管22环腔中的气浮气流通过外膜管22管壁上的微孔流道切割而形成微细气流并射流至外环腔内，而中环腔中的气浮气流通过内膜管20和中膜管21管壁上的微孔流道切割而形成微细气流并分别射流至内环腔和外环腔内；内环腔和外环腔中所形成的旋转液流剪切冲刷内外双向微孔射流进行高效发泡并产生两股携带有微气泡的两相流。

在图9中，该微细气泡均混装置的增压均混器自冷却流程为，膜管组件4微孔旋流第一级发泡后形成两股携带有微气泡的两相流，分别经由破碎内筒11的筒盘进入破碎筒1和增压均混器2，其中内膜管20发泡所形成的两相流顺次流经旋流轴23与破碎内筒11的环形空间、传动轴19与破碎内筒11的环形空间以及破碎内筒11与均混体18的环形空间，及时冷却多级螺旋叶片17压缩两相流而造成的均混体18筒壁温升，保持增压均混器2内温度的恒定。

在图9中，该微细气泡均混装置的轴流破碎第二级发泡流程为，增压均混器2自冷却后，膜管组件4内膜管20发泡所形成的两相流进入破碎内筒11和破碎外筒10锥体的环形空腔内，并与膜管组件4的中膜管21和外膜管22发泡所形成的两相流进行充分混合；同时，变频电机13驱动多级螺旋叶片17高速旋转，底层螺旋叶片的入口处形成低压区，不断吸入携带微气泡的两相流并强迫两相流沿轴向继续流动以获得更高的动能；而且，各级间和上下层间旋向相反的螺旋叶片不断剪切破碎两相流中的气泡，气泡粒度逐渐减小并最终产生粒度更小的微细气泡，同时多级螺旋叶片17使微细气泡与污水相间均匀混合并形成气泡流；此外，各螺旋叶片曲面组合形成的多变流道实现螺旋叶片的多级扩压作用，并将气泡流的动能转化为压力能而最终达到螺旋增压的目的。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种轴流式同轴膜管微细气泡均混装置，将微孔旋流发泡技术和气泡破碎增压均匀混合技术有机结合，并采用同轴膜管组件和电驱多级串联螺旋叶片的特殊结构，其特征在于：

一破碎筒；所述破碎筒采用轴向双筒构造，筒腔中容纳多级螺旋叶片，破碎内筒和破碎外筒由内而外同轴心布置并采用圆柱体和圆锥体相结合的筒体构造，破碎内筒的筒盘和发泡筒的隔板将整个均混装置分隔成破碎筒室、发泡筒室和稳压筒室三个由上而下布置的腔室；

一增压均混器；所述增压均混器依据电驱多级串联螺旋叶片实现气泡破碎增压均混技术，变频电机经变频器调速后由中间轴驱动均混体和多级螺旋叶片高速旋转，传动轴、破碎内筒、均混体和破碎外筒由内而外依次同轴心布置并形成三个环形空间；多级螺旋叶片采用多级轴向串联的方式，各级间的螺旋叶片相同并实现标准化设计，每级螺旋叶片包含上下两层螺旋叶片，各级间和上下层间的螺旋叶片旋向相反，各级间的螺旋叶片交错排列，而上下层间的螺旋叶片首尾相连，各螺旋叶片的曲面组合形成截面先不断收缩而后逐渐扩张的多变流道；

一膜管组件；所述膜管组件依据同轴布置膜管实现微孔旋流发泡技术，膜管组件由内膜管、中膜管和外膜管三组管件构成，各膜管与旋流体由内而外同轴心布置且将膜管组件分隔出内环腔、中环腔和外环腔三个环形空腔；各膜管采用壁厚相同的管式构件，其中内膜管和外膜管采用内旋流齿陶瓷管，而中膜管采用外旋流齿陶瓷管，内外旋流齿的轮廓线齿距相等且旋向相同；内外旋流齿间的膜管管壁上布置有沿旋流齿轮廓线分层且均匀排列的微孔，内膜管和外膜管上微孔的大圆锥面朝内侧布置，而中膜管上微孔的大圆锥面朝外侧布置；

一旋流体；所述旋流体的旋流叶片采用多头结构并沿圆周方向均匀排列，旋流叶片轮廓线的螺距为内膜管旋流齿螺距的两倍，旋流叶片垂直于轮廓线的法面端面为等腰梯形，且外窄内宽；旋流叶片与内膜管旋流齿的旋向相同，同时旋流叶片的顶部低于内膜管的顶端面，内膜管发泡所形成携带微气泡的两相流经旋流轴与破碎内筒间柱形和倒锥形的环形空腔而减速增压；变频电动的动力经由中间轴和传动轴传递至旋流轴并驱动旋流叶片高速旋转；

一发泡筒；所述发泡筒的筒腔中容纳膜管各组件，发泡筒体与各膜管同轴心布置，其中部沿圆周方向均匀布置上供气管汇，而发泡筒体下端由隔板进行封隔；

一稳压筒；所述稳压筒采用轴向双筒构造，其上下两端分别由隔板和供给盘进行封隔，稳压内筒将稳压筒分隔成液环腔和气环腔两个同轴心布置的腔室；

一气液供给器；所述气液供给器的供液管汇和下供气管汇通过供给盘集于一体，自供给盘中心向外依次布置主液喷嘴、气喷嘴和支液喷嘴，并分别与膜管组件的内环腔、稳压筒的气环腔和液环腔相联通；

一发泡均混控制系统；所述发泡均混控制系统远程自动控制供气管汇内气浮气流量、供液管汇内污水流量以及变频电机的转速。

2.根据权利要求1所述的轴流式同轴膜管微细气泡均混装置，其特征在于：所述破碎外筒筒盖的中央孔腔用于放置密封盒，其腔壁上加工有等间距分层排列的环形凹槽，破碎外筒筒体的柱面高度大于多级串联螺旋叶片的总高度；密封盒采用填料密封和迷宫密封的上下双重密封，其中迷宫密封与破碎外筒筒盖腔壁上的环形凹槽进行配合；

所述破碎内筒筒盘的下端面由内而外同心布置有三层环形凹槽，凹槽的横截面呈直角梯形，且最外两层凹槽间的筒盘上加工有沿圆周均匀布置的倒圆锥形孔眼，锥孔大端圆周间相切，且锥孔大端圆周的内包络线直径等于中膜管的外径而其外包络线直径等于外膜管的内径；

所述破碎内筒锥体的外锥面锥度小于破碎外筒筒体的内锥面锥度，而内锥面小端圆面的直径等于内膜管的内径；破碎外筒筒体的内锥面小端圆面、破碎内筒锥体的外锥面小端圆面与内锥面大端圆面相互间平齐且处于同一水平面。

3.根据权利要求1或2所述的轴流式同轴膜管微细气泡均混装置，其特征在于：所述增压均混器的中间轴将变频电机的动力传递至均混体，中间轴的上轴身外环面进行精细加工，分别与密封盒的填料密封和迷宫密封进行配合；

所述均混体采用轴向圆柱筒体构造，其下端面与破碎外筒筒体柱面的下端面和旋流轴下轴颈柱面的下端圆面相互间平齐且处于同一水平面；

所述增压均混器的自冷却流程为，膜管组件微孔旋流第一级发泡后形成两股携带有微气泡的两相流，分别经由破碎内筒的筒盘进入破碎筒和增压均混器，其中内膜管发泡所形成的两相流顺次流经旋流轴与破碎内筒、传动轴与破碎内筒及破碎内筒与均混体的环形空间，及时冷却多级螺旋叶片压缩两相流而造成的均混体筒壁温升，保持增压均混器内温度的恒定。

4.根据权利要求1所述的轴流式同轴膜管微细气泡均混装置，其特征在于：所述多级螺旋叶片各级间的螺旋叶片高度相等且其轴向串联后的总高度等于均混体筒体的高度，每级的上下两层螺旋叶片的数量相同，各螺旋叶片沿均混体外环面均匀排列且其轮廓线为沿均混体外环面展开的组合曲线，该组合曲线呈现上凹下凸的特殊形状，同时上下两层螺旋叶片的轮廓线与均混体轴线间的夹角依次增大，而层间高度依次降低；上下两层螺旋叶片垂直于轮廓线的法面端面均为矩形，且法面端面的宽度均由上而下从零开始而后逐渐增大，最后不断收缩并在最底端再次缩为零；

所述增压均混器完成轴流破碎第二级发泡并产生气泡粒度微细的气泡流，其轴流破碎第二级发泡流程为，变频电机驱动多级螺旋叶片高速旋转，底层螺旋叶片的入口处形成低压区，不断吸入携带微气泡的两相流并强迫两相流沿轴向继续流动以获得更高的动能；而且，各级间和上下层间旋向相反的螺旋叶片不断剪切破碎两相流中的气泡，气泡粒度逐渐减小并最终产生粒度更小的微细气泡，同时多级螺旋叶片使微细气泡与污水相间均匀混合并形成气泡流；此外，各螺旋叶片曲面组合形成的多变流道实现螺旋叶片的多级扩压作用，并将气泡流的动能转化为压力能而最终达到螺旋增压的目的。

5.根据权利要求1所述的轴流式同轴膜管微细气泡均混装置，其特征在于：所述膜管组件的内环腔和外环腔作为污水流转换为两相流的流道，而中环腔作为气浮气流通的通道；各膜管的两端均设计有环形卡箍，与破碎内筒筒盘和发泡筒隔板上的环形凹槽相配合；

所述膜管组件的各膜管内外旋流齿间每层微孔的数量由内膜管而外至外膜管分别增多，所有微孔的形状和大小相同，均依次采用小圆锥面、圆柱面和大圆锥面相结合的结构，圆柱面的直径等于小圆锥面和大圆锥面小端圆面的直径，且小圆锥面、圆柱面和大圆锥面的高度依次增大，同时小圆锥面的锥度大于大圆锥面的锥度；气浮气流经微孔上小圆锥面流道的短暂压缩后由圆柱面流道切割形成微细气流，并通过大圆锥面流道的减速增压作用后射流至内环腔和外环腔。

6.根据权利要求1或5所述的轴流式同轴膜管微细气泡均混装置，其特征在于：所述膜管组件完成微孔旋流第一级发泡并产生携带微气泡的两相流，其微孔旋流第一级发泡流程为，污水经稳压筒分成两股液流分别进入膜管组件的内环腔和外环腔中，其中内环腔中的液流通过内膜管内壁上的旋流齿和高速旋转旋流体上的旋流叶片共同作用形成分层高速旋转液流，而外环腔中的液流通过中膜管外壁和外膜管内壁上旋流齿的共同作用形成连续旋转液流；与此同时，气浮气也分两股同时由上供气管汇进入发泡筒与外膜管的环形空腔以及稳压筒进入膜管组件的中环腔，其中发泡筒与外膜管环腔中的气浮气流通过外膜管管壁上的微孔流道切割而形成微细气流并射流至外环腔内，而中环腔中的气浮气流通过内膜管和中膜管管壁上的微孔流道切割而形成微细气流并分别射流至内环腔和外环腔内；内环腔和外环腔中所形成的旋转液流剪切冲刷内外双向微孔射流进行高效发泡并产生两股携带有微气泡的两相流。

7.根据权利要求1所述的轴流式同轴膜管微细气泡均混装置，其特征在于：所述旋流体旋流轴的下轴颈柱面直径等于中间轴的上轴颈锥面大端圆面直径和传动轴的轴径，而旋流轴的下轴身轴体直径等于中间轴的上轴头和上轴身柱面直径以及电机轴的轴径；旋流轴下轴颈锥面的高度等于破碎内筒锥体的内锥面高度，且联接后的旋流轴的下轴颈锥面小端圆面与破碎内筒锥体的内锥面小端圆面相互间平齐且处于同一水平面；旋流轴下轴身的下部采用流线型的倒锥形构造，同时下轴身的底端与内膜管的旋流齿下端面相互间平齐；

所述旋流叶片轮廓线的起始点与旋流轴下轴身柱面的底端面相平齐，旋流叶片垂直于轮廓线的法面端面的宽度由下而上先是保持不变，而后在顶部的四分之一螺距处开始逐渐收缩并在最顶端缩为一条直线，同时该法面端面的高度由下而上从零开始依次增大，并在一至六个螺距处以十分之一倍的下轴身轴径等增幅由十分之一倍的下轴身轴径增至五分之三倍的下轴身轴径，随后法面端面的高度保持不变。

8.根据权利要求1所述的轴流式同轴膜管微细气泡均混装置，其特征在于：所述发泡筒隔板的上端面由内而外同心分三层布置与破碎内筒的筒盘凹槽相对应的环形凹槽，最外两层凹槽间的隔板上也加工有与破碎内筒的筒盘锥孔相对应的液锥孔，最内两层凹槽间的隔板上设置内外两层沿圆周方向均匀排列的气锥孔，内外层气锥孔的锥度和锥高相等，层间气锥孔的大端圆周间相切，且外层气锥孔大端圆周的外包络线直径等于中膜管的内径而内层气锥孔大端圆周的内包络线直径等于内膜管的外径；

所述稳压筒通过双头螺柱上联发泡筒下接供液管汇和下供气管汇，它包括稳压内筒和稳压外筒两部分，稳压外筒的筒径和壁厚与发泡筒体相同，而稳压内筒两端设置截面为直角梯形的环形卡箍，并分别与隔板下端面和供给盘上端面的环形凹槽相配合。

9.根据权利要求1所述的轴流式同轴膜管微细气泡均混装置，其特征在于：所述气液供给器的气喷嘴和支液喷嘴依次呈鼠笼式排列且其轴线均与主液喷嘴的轴线相平行，上供气管汇将气浮气输送至发泡筒，而下供气管汇将气浮气输送至稳压筒，供液管汇则将待处理的污水输送至稳压筒和膜管组件，其中分配给中央供液支管的污水量最多，而分配给四周各供液支管的污水量相等且其总供给量为主液喷嘴喷液量的4～8倍；

所述供液管汇各支液喷嘴的结构相同且其内表面采用柱面，污水由支液喷嘴进入稳压筒的液环腔后经隔板液锥孔喷射入膜管组件的外环腔；而主液喷嘴内表面的流道由下而上依次为圆锥面、柱面和倒圆锥面，且下锥面的锥度大于上锥面，而下锥面的高度则小于上锥面，带压污水经流道调速后由上锥面流道直接喷射进膜管组件的内环腔。

10.根据权利要求1所述的轴流式同轴膜管微细气泡均混装置，其特征在于：所述发泡均混控制系统通过监测微孔旋流第一级发泡后形成的两相流和轴流破碎第二级发泡后形成的气泡流间的压差，并经气电转换器控制供液主管上气动控制阀的气动量，进而自动调整供液管汇内的污水流量；通过监测第一级发泡前气流和第二级发泡前气流间的压差，并经气电转换器控制上下供气主管上气动控制阀的气动量，进而自动调整供气管汇内的气浮气流量；

所述发泡均混控制系统通过监测破碎外筒筒盖上的排液管内气泡流的压力经气电转换器控制变频控制阀，通过变频器的调频来改变电机的转速，进而调整多级螺旋叶片对携带微气泡两相流的扩压程度，保证两级发泡后所形成气泡流压力的稳定。