CN105582846B - 液下气体脉冲搅拌装置和液体搅拌方法 - Google Patents

Abstract

液下气体脉冲搅拌装置及方法，该装置在工作状态被置于液体中，可以包括箱体(1)、竖筒(2)和浮子(3)，箱体(1)侧壁密封，使得气体不能透过侧壁逸出，底部为液体能够透过的结构，箱体的顶部存在通向箱体外部的开口，箱体具有能够通入气体的通道，竖筒(2)位于箱体(1)内部，用于容纳浮子，至少竖筒侧壁能够透过液体和气体，其顶部固定于箱体顶部，顶部存在敞口且与箱体顶部上的开口相对；以及浮子(3)位于竖筒内，浮子的重量小于浮子完全浸入液面时受到的浮力，当箱体内充满液体时浮子上端与箱体顶部上的开口接触并阻断所述开口，以及当箱体内部的气体体积达到预定数量时浮子从所述开口处坠落，其构造简单、制造容易、造价低廉、易于维护。

Description

液下气体脉冲搅拌装置和液体搅拌方法

技术领域

本发明总体地涉及水中或其他液体中形成气体扰动的液体搅拌技术，更具体地涉及一种液下气体脉冲搅拌装置和液体搅拌方法。

背景技术

在化工、水处理和生物工程等技术领域，有很多场合需要往水中通入气体形成扰动和搅拌。

例如在水处理领域，污水的生物处理工艺通常需要往细菌培养液中通入气体，其目的之一是对细菌培养液进行强度足够的搅拌。

再如，在化工和水处理领域，存在这样的情形，为了防止水中的悬浮物在容器里发生沉淀，需要对其进行搅拌或扰动。

现有的技术大多是采用机械搅拌或者连续曝气，消耗很多能量。其实上述过滤过程在很多场合下并不需要连续曝气搅拌，适当的间歇曝气也是可以达到搅拌目的并保证工艺过程顺利进行的。现有的技术中就有通过曝气管道上的阀门的开闭交替来实现间歇曝气的，但是这样的方式需要较多的阀门和控制设备，增加了投资，且可靠性差。

发明内容

鉴于现有技术的以上问题，提出了本发明。

根据本发明的一个方面，提供了一种液下气体脉冲搅拌装置，该装置在工作状态被置于液体中，可以包括箱体、竖筒和浮子，箱体侧壁密封，使得气体不能透过侧壁逸出，底部为液体能够透过的结构，箱体的顶部存在通向箱体外部的开口，箱体具有能够通入气体的通道，竖筒位于箱体内部，用于容纳浮子，至少竖筒侧壁能够透过液体和气体，其顶部固定于箱体顶部，顶部存在敞口且与箱体顶部上的开口相对；以及浮子位于竖筒内，浮子的重量小于浮子完全浸入液面时受到的浮力，当箱体内充满液体时浮子上端与箱体顶部上的开口接触并阻断所述开口，以及当箱体内部的气体体积达到预定数量时浮子从所述开口处坠落。

可选地，浮子为单个长条形物体。

可选地，浮子是由上浮子、柔性连接件和下浮子构成的浮子组件，上浮子和下浮子由柔性连接件连接在一起。

根据本发明实施例的液下气体脉冲搅拌装置，浮子的构成可以满足以下条件：(1)浮子的重心位于长度方向的轴心上并且当浮子放置于竖筒内时偏向竖直向的下端；以及(2)当浮子的上端面与所述箱体顶部上的开口完全接触时，浮子的重量>液体容重×浮子与所述箱体顶部上的开口接触处至浮子底部的垂直距离×所述箱体顶部上的开口断面积。

根据本发明实施例的液下气体脉冲搅拌装置，在为浮子组件的情况下，浮子组件的构成满足以下条件：(1)上浮子的重量小于其完全浸入到液体中所受到的浮力，且浮子组件的总重量小于其完全浸入到液体中时各部分所受到的浮力之和；以及(2)当浮子组件的上浮子完全接触曝气通道的下端口且浮子组件伸展到最大尺寸时，浮子组件总重量>液体容重×浮子与所述箱体顶部上的开口接触处到下浮子最低点的垂直高差×所述箱体顶部上的开口断面积。

可选地，所述箱体顶部上的开口可以做内倒角处理。

根据本发明实施例的液下气体脉冲搅拌装置，浮子在最大伸展状态下不同时接触所述箱体顶部上的开口和竖筒的底部。

根据本发明实施例的液下气体脉冲搅拌装置，竖筒的横截面可以为圆形。

根据本发明实施例的液下气体脉冲搅拌装置，上浮子可以为外表面光滑的球体。

根据本发明实施例的液下气体脉冲搅拌装置，所述箱体底部可以为敞口的，气体可以通过箱体底部通入。

根据本发明实施例的液下气体脉冲搅拌装置，所述竖筒可以为可拆卸部件。

根据本发明实施例的液下气体脉冲搅拌装置，液下气体脉冲搅拌装置可以用于水处理工艺。

根据本发明实施例的液下气体脉冲搅拌装置，箱体的顶部的开口可以为通向箱体外的曝气通道，浮子与曝气通道的下端口接触时能够阻断曝气通道。

根据本发明实施例的液下气体脉冲搅拌装置，曝气通道可以为横截面为圆形的管道，其上端高出箱体顶部的外表面，其下端低于箱体顶部的内表面。

根据本发明的另一方面，提供了一种利用前述权利要求中任一项的液下气体脉冲搅拌装置来进行液体搅拌的液体搅拌方法，液下气体脉冲搅拌装置被置于液体中，初始状态下，浮子阻断箱体顶部上的开口，所述液体搅拌方法可以包括：(a)持续向箱体内部通入气体；(b)箱体内部的液面下降，在箱体内部的液面下降至预定高度时，浮子自动坠落，箱体内的气体从箱体顶部上的开口逸出，液面上升，浮子再次上升阻断箱体顶部上的开口，以及再次重复步骤(b)的过程。

根据本发明实施例的液体搅拌方法，还可以包括通过下述操作来更换浮子：拆下竖筒，并取出被替换的浮子；将替代的浮子置于竖筒内；以及将竖筒固定到箱体。

根据本发明实施例的液下气体搅拌装置和方法，具有以下优点：

(1)在需要高强度搅动液体的场合，液下气体脉冲搅拌装置化小流量气流为高强度脉冲，避免使用高强度连续气流搅拌导致的大功率鼓风机或空压机的使用，从而节省设备投资和运行费用；

(2)构造简单，制造容易，造价低廉；以及

(3)不存在易损部件，故障率小且易于维护，使用寿命长。

附图说明

从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

图1示出了根据本发明一个实施例的液下气体脉冲搅拌装置100的结构示意图，其中浮子为单个长条形物体。

图2(a)-(f)示出了根据本发明实施例的图1所示的液下气体脉冲搅拌装置的工作过程示意图，其中L0指示液体液面，A0指示通气管。

图3示出了根据本发明一个实施例的其中浮子为由多个构件组成的浮子组件的液下气体脉冲搅拌装置的结构示意图。

图4(a)-4(f)示出了根据本发明实施例的图3所示的液下气体脉冲搅拌装置的工作过程示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

在进行详细说明之前，为便于本领域普通技术人员理解，首先概述一下本发明的发明思想。本发明由箱体、竖筒和浮子组成，竖筒在箱体内，浮子竖直容纳于竖筒内，箱体顶部存在开口。在箱体内完全充满液体的情况下，浮子堵住箱体顶部开口，随着向充满液体的箱体内充入气体，气体使得箱体内液面下降，当箱体内部的气体体积达到预定数量时浮子从所述开口处坠落，从而气体从箱体内曝出，由此对液体形成扰动；随着气体的逸出，箱体内的液面上升，浮子再次上升阻断箱体顶部上的开口。在气体持续充入的状态下，上述液面下降→浮子掉落→气体喷出→液面上升→浮子堵住开口为循环往复的过程，且是自动进行的，实现了气体以脉冲形式对液体的扰动。上述过程中，除了保持充入气体外，无需人为或机械控制，节省了能量，与传统的通过曝气管道上的阀门的开闭交替来实现间歇曝气的情况相比，节省了部件，避免了因阀门频繁使用容易出故障的问题，实现了经济且高可靠性的气体脉冲式液体扰动。

根据本发明实施例，提供了一种液下气体脉冲搅拌装置，该装置在工作状态被置于液体中，包括箱体、竖筒和浮子。箱体侧壁密封，使得气体不能透过侧壁逸出，底部为液体能够透过的结构，箱体的顶部存在通向箱体外部的开口，箱体具有能够通入气体的通道。竖筒位于箱体内部，用于容纳浮子，至少竖筒侧壁能够透过液体和气体，其顶部固定于箱体顶部，顶部存在敞口且与箱体顶部上的开口相对。浮子位于竖筒内，浮子的重量小于浮子完全浸入液面时受到的浮力，当箱体内充满液体时浮子上端与箱体顶部上的开口接触并阻断所述开口，以及当箱体内部的气体体积达到预定数量时浮子从所述开口处坠落。

下面结合图1描述根据本发明一个实施例的浮子为单个长条形物体情况下的液体下气体脉冲搅拌装置的结构。

图1示出了根据本发明一个实施例的液下气体脉冲搅拌装置100的结构示意图，其中浮子为单个长条形物体。

如图1所示，液下气体脉冲搅拌装置100包括箱体1、竖筒2和浮子3。

箱体1可以是一个下面敞口的立方体形或圆柱形壳体，四周侧壁密闭。不过这仅为优选示例，根据需要，箱体可以为其它形状。

在一个示例中，工作时，可以从箱体底部通入气体，如后面的图3、图4 所示。不过需要说明的是，不是必需从箱体底部开设气体通入通道，替代地，可以在箱体顶部或侧面开设气体通入通道。关于通入气体通道的数目，后面的示例中示出为一个，不过根据需要可以设置为两个或更多。

在图1所示的示例中，箱体顶部通向箱体外部的开口为曝气通道的形式，曝气通道101穿过上底且其上端开口高出箱体1的上底面的外表面，下端开口低于箱体1的上底的内表面。不过，开口的形式不局限于此，根据需要可以为其它形式，例如，可以简单地为仅在箱体顶部开一个孔。

在图1所示的示例中，竖筒2可以是一个位于箱体1内部的侧壁透水的筒状壳体，其横断面为圆形或正方形，它的上端为敞口并与曝气通道101的下端口相对，竖筒2的内腔的横断面尺寸大于曝气通道101的直径。

在图1所示的示例中，浮子3是一个置于竖筒2内部的长形物体。浮子优选表面光滑，这样摩擦力小，容易对箱体顶部的开口进行紧密密封。浮子上端可以为半球形或半椭球形或锥形或干脆是平面，只要能够堵住开口即可。

浮子3重量小于其在完全浸入到液体中所受到的浮力，其重心位于长度方向的轴心上并偏向一端，也就是说当浮子3被投放到液体中的时候呈竖直漂浮状态且其一端暴露在水面之上，这样保证在箱体内充满液体时浮子会自动上浮堵住箱体顶部开口。

此外，浮子3的长度小于竖筒2的内底到曝气通道101的下端口之间的垂直距离，也就说当浮子3被置于竖筒2内部的时候，它不能够同时接触其上下两端，即不能同时接触竖筒2的内底和曝气通道101的下端口，否则浮子只能始终保持堵住箱体顶部开口的状态，而无法从开口处掉落，也就无法放气。

此外，经过受力分析可得出，为了使得在箱体内气体已经填充至浮子底部时(假设此时浮子仍然堵住箱体顶部开口)浮子3能够从开口处掉落，浮子3的构成还需要满足以下条件：浮子3的重量大于液体的容重乘以浮子3 的下端到曝气通道101的下端口之间的垂直高差再乘以曝气通道101内腔的水平断面积(当浮子3的上端接触到曝气通道101的下端并完全阻塞曝气通道101时)。

图2(a)-(f )示出了根据本发明实施例的图1所示的液下气体脉冲搅拌装置的工作过程示意图，其中L0指示液体液面，A0指示通气管。

在图2(a)示出了箱体内充满水淹没了浮子的情形，此为初始状态，可见浮子2堵住了曝气通道的开口。

图2(b)示出了随着通过通气管A0往箱体内充气，箱体内的液面L1不断下降。

图2(c)示出了在箱体内部的气体体积达到预定数量时，浮子从曝气通道 101坠落，曝气开始。

图2(d)示出了在曝气进行过程中，液面上升。

图2(e)示出了曝气接近完成，浮子上升。

图2(f)示出了曝气完毕，浮子再次堵住曝气通道101的开口。

接下来，将重复图2(b)-2(f)的循环过程，即重复：液面下降-》浮子坠落开始曝气-》液面上升-》浮子上升-》曝气完毕、浮子堵住开口的过程。

前面结合图1和图2(a)-(f)，描述了其中浮子为单个长条形物体的液下气体脉冲搅拌装置的结构和工作过程的示例。下面参考图3和图4(a)-(f)描述其中浮子为由多个构件组成的浮子组件的液下气体脉冲搅拌装置的结构和工作过程的示例。

图3示出了根据本发明一个实施例的其中浮子为由多个构件组成的浮子组件的液下气体脉冲搅拌装置的结构示意图。

如图3所示，浮子3包括：上浮子301、柔性连接件302和下浮子303。上浮子301为球体，其直径小于竖筒2的内径或横断面边长，而且大于曝气通道101内径，优选地球体表面光滑；下浮子303为直径小于竖筒2的内径的球体或圆柱体或其他任何形状，优选外壁光滑；柔性连接件302把上浮子 301和下浮子303连结起来，其长度使得上浮子301、连接件302和下浮子 303的最大伸展长度小于竖筒2的内底到曝气通道101的下端面的垂直距离，且当上浮子301完全接触曝气通道下端口的圆周且浮子组件3垂直伸展到最大尺寸时下浮子303接触不到竖筒2的底部。此外，浮子组件的构成还需要满足以下三个条件：

条件一，上浮子301的重量小于它在液体中受到的浮力，即上浮子301 单独置于液体中时它是漂浮在液体中并且一部分是暴露在液面之上的；

条件二，上浮子301的重量小于液体的容重乘以上浮子301与曝气通道 101的下端口形成完全接触时上浮子301的最低点到曝气通道101的下端口的垂直高差再乘以曝气通道101内腔的断面积；

条件三，浮子组件的总重量大于液体的容重乘以曝气通道101下端口到下浮子303的最低点之间的垂直高度差(当上浮子301与曝气通道101的下端形成完全接触且伸展到最大长度时)再乘以曝气通道101内腔的断面积。

下面结合图4(a)-4(f)说明图3所示的液下气体脉冲搅拌装置的工作原理与过程。在实际应用时，上述液下气体脉冲搅拌装置须固定安装在需要曝气搅拌的容器或反应器内，使其完全淹没在液面之下；在箱体1的下部通入连续的气流，使得气体正好上升进入箱体1的内部。其工作过程如下：起初箱体1的内部被液体充满，浮子组件的上浮子301在液体浮力的作用下上浮并止于曝气通道的下端口，正好把曝气通道101堵塞(图4(a))；随着往箱体1 开始充气，箱体1的内部开始贮存气体，箱体1内形成气液界面且界面随着气体在箱体1内部的累积而向下移动(图4(b))，此时起上浮子301除了承受浮力之外还要承受由于曝气通道101被阻塞形成的上推力，该推力在数值上等于液体的容重乘以曝气通道101的下端面到箱体1内的气液界面的垂直高度再乘以曝气通道的断面积；随着气流继续充入箱体1，箱体1内部的液面继续下降，下浮子303也跟随液面下降，直到柔性连接件302达到其最大伸展长度(图4(c))；气体继续通入，箱体1内部的液面继续下降，但下浮子303 已被连接件302拉住并停止下降，因而下浮子303开始暴露在液面之上的气体中(图4(d))，直到浮子303几乎完全暴露在箱体1内的液面之上，浮子303 不再受到液体的浮力而把其重量全部通过柔性连接件302加在上浮子301之上；由于上述浮子组件的总重量满足上述条件三，上浮子301随即从曝气通道101的下端口坠落，曝气通道101被打开，箱体1内积累的气体从曝气通道101以很快的速率逸出并对液体形成扰动(图4(e))，而箱体1内的液面也迅速上升直至把上浮子301向上推送到再次把曝气通道101阻塞(图4(f))，曝气随即中断，箱体1内再次开始累积气体；如此循环反复，一个流量较小的连续气流即被转化为间歇的脉冲性气流。

需要说明的是，以上附图仅为示例，不应作为对本发明的限制。

例如，图3中浮子组件包括上浮子和下浮子(可将其称为子浮子)，不过子浮子的数目可以更多，例如可以有三个或更多的子浮子，换个角度说，下浮子303可以进一步拆分。

在一个示例中，所述箱体顶部上的开口做了内倒角处理。倒角的好处例如有：(1)去除尖角，避免刮伤浮子；(2)便于气体对开口的冲洗，能够冲洗掉开口上粘住的杂物

在前面的示例中，竖筒2的横截面被说明为圆形或正方形，不过竖筒2 的形状可以为其它形式，优选为正多边形，如正方形、正六边形、正八变形等。

在前面的示例中，单个浮子的上表面形状被说明为半球体，或者上浮子的形状被说明为球体，不过如前所述，浮子上端可以为其它形状，半椭球形或锥形或干脆是平面，只要能够堵住开口即可。

优选地，竖筒为可拆卸部件，从而便于浮子的安装、维护。

本发明实施例的液下气体脉冲搅拌装置适用于在化工、水处理和生物工程以及任何需要往水或其它液体中通入气体形成扰动和搅拌的场合。

根据本发明实施例，还提供了一种利用前述权利要求中任一项的液下气体脉冲搅拌装置来进行液体搅拌的液体搅拌方法，液下气体脉冲搅拌装置在工作状态被置于液体中，初始状态下，浮子阻断箱体顶部上的开口，所述液体搅拌方法包括：(a)持续向箱体内部通入气体；(b)箱体内部的液面下降，在箱体内部的液面下降至预定高度时，浮子自动坠落，箱体内的气体从箱体顶部上的开口逸出，液面上升，浮子再次上升阻断箱体顶部上的开口，以及再次重复步骤(b)的过程。

前述示例的液体搅拌方法中，可以通过下述操作来更换浮子：从箱体拆下竖筒；从竖筒中取出被替换的浮子；将替代的浮子置于竖筒内；以及将竖筒再次固定到箱体。当然，如果发现浮子不需更换，而只需进行清洁处理，也可以在将浮子进行清洁处理后再放回竖筒，然后将竖筒再次固定到箱体。

根据本发明实施例的液下气体搅拌装置和方法，具有以下优点：

(1)在需要高强度搅动液体的场合，液下气体脉冲搅拌装置化小流量气流为高强度脉冲，避免使用高强度连续气流搅拌导致的大功率鼓风机或空压机的使用，从而节省设备投资和运行费用；

(2)构造简单，制造容易，造价低廉；以及

(3)不存在易损部件，故障率小且易于维护，使用寿命长。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种液下气体脉冲搅拌装置，该装置在工作状态被置于液体中，包括箱体(1)、竖筒(2)和浮子(3)，

箱体(1)侧壁密封，使得气体不能透过侧壁逸出，底部为液体能够透过的结构，箱体的顶部存在通向箱体外部的开口，箱体具有能够通入气体的通道，

竖筒(2)位于箱体(1)内部，用于容纳浮子，至少竖筒侧壁能够透过液体和气体，其顶部固定于箱体顶部，顶部存在敞口且与箱体顶部上的开口相对；以及

浮子(3)位于竖筒内，浮子的重量小于浮子完全浸入液面时受到的浮力，当箱体内充满液体时浮子上端与箱体顶部上的开口接触并阻断所述开口，以及当箱体内部的气体体积达到预定数量时浮子从所述开口处坠落。

2.根据权利要求1的液下气体脉冲搅拌装置，所述浮子(3)为单个长条形物体。

3.根据权利要求1的液下气体脉冲搅拌装置，浮子(3)是由上浮子(301)、柔性连接件(302)和下浮子(303)构成的浮子组件，上浮子(301)和下浮子(303)由柔性连接件(302)连接在一起。

4.根据权利要求2所述的液下气体脉冲搅拌装置，其特征是，浮子的构成满足以下条件：

(1)浮子的重心位于长度方向的轴心上并且当浮子放置于竖筒内时偏向竖直向的下端；以及

(2)当浮子(3)的上端面与所述箱体顶部上的开口完全接触时，浮子的重量>液体容重×浮子与所述箱体顶部上的开口接触处至浮子底部的垂直距离×所述箱体顶部上的开口断面积。

5.根据权利要求3所述的液下气体脉冲搅拌装置，其特征是，浮子组件的构成满足以下条件：

(1)上浮子(301)的重量小于其完全浸入到液体中所受到的浮力，且浮子组件的总重量小于其完全浸入到液体中时各部分所受到的浮力之和；以及

(2)当浮子组件的上浮子完全接触曝气通道的下端口且浮子组件伸展到最大尺寸时，浮子组件总重量>液体容重×浮子与所述箱体顶部上的开口接触处到下浮子最低点的垂直高差×所述箱体顶部上的开口断面积。

6.根据权利要求1到5中任一项的液下气体脉冲搅拌装置，所述箱体顶部上的开口做了内倒角处理。

7.根据权利要求1到5中任一项的液下气体脉冲搅拌装置，所述浮子在最大伸展状态下不同时接触所述箱体顶部上的开口和竖筒的底部。

8.根据权利要求1到5中任一项的液下气体脉冲搅拌装置，竖筒(2)的横截面为圆形。

9.根据权利要求3的液下气体脉冲搅拌装置，上浮子(301)为外表面光滑的球体。

10.根据权利要求1到5中任一项的液下气体脉冲搅拌装置，所述箱体底部为敞口的，气体通过箱体底部通入。

11.根据权利要求1到5中任一项的液下气体脉冲搅拌装置，所述竖筒为可拆卸部件。

12.根据权利要求1到5中任一项的液下气体脉冲搅拌装置，液下气体脉冲搅拌装置用于水处理工艺。

13.根据权利要求1的液下气体脉冲搅拌装置，箱体的顶部的开口为通向箱体外的曝气通道(101)，浮子与曝气通道的下端口接触时能够阻断曝气通道。

14.根据权利要求13的液下气体脉冲搅拌装置，曝气通道(101)为横截面为圆形的管道，其上端高出箱体(1)顶部的外表面，其下端低于箱体(1)顶部的内表面。

15.一种利用前述权利要求中任一项的液下气体脉冲搅拌装置来进行液体搅拌的液体搅拌方法，液下气体脉冲搅拌装置被置于液体中，初始状态下，浮子阻断箱体顶部上的开口，所述液体搅拌方法包括：

(a)持续向箱体内部通入气体；

(b)箱体内部的液面下降，在箱体内部的液面下降至预定高度时，浮子自动坠落，箱体内的气体从箱体顶部上的开口逸出，液面上升，浮子再次上升阻断箱体顶部上的开口，以及再次重复步骤(b)的过程。

16.根据权利要求15的液体搅拌方法，还包括通过下述操作来更换浮子：

拆下竖筒，并取出被替换的浮子；

将替代的浮子置于竖筒内；以及

将竖筒固定到箱体。