CN107207287A - 用于注入含有溶解气体的加压水的优化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于注入含有溶解气体的加压水的喷嘴，所述喷嘴包括：‑用于所述加压水的柱形的进入腔室(20)；‑柱形的膨胀腔室(30)，其包括出口以及通过孔口(401)与所述进入腔室(20)连通的入口(301)；‑具有截锥形截面的扩散腔室(60)，其与所述膨胀腔室(30)的出口连通并且从所述膨胀腔室变宽；所述喷嘴包括用于使从所述膨胀腔室(30)流出的水流转动的部件。该注入喷嘴使不太小也不太大的微气泡的生产量最大化，即可以增加直径在100微米‑200微米之间的微气泡的比例，这可以实施快速且有效的浮选。

Description

用于注入含有溶解气体的加压水的优化喷嘴

技术领域

本发明的领域是用于通过浮选处理液体流出物的处理方法和处理装置的领域。

背景技术

用于处理液体流出物的许多处理方法包括一般在凝结和絮凝步骤之后的浮选步骤。

浮选是旨在将液体流出物中处于悬浮状态的颗粒分离的技术。

为此，将含有如空气的溶解气体的加压水通过浮选反应器的浮选区域2的底部处的喷嘴1注入，在所述浮选反应器内经由入口管3输送要处理的流出物。在溶解于该水中的气体的膨胀的作用下，在要处理的流出物中形成气体微气泡。与处于悬浮状态的颗粒一起升起到要处理的流出物的表面的这些微气泡粘附到这些颗粒，这些颗粒主要呈现絮体的形式。然后将粘附有微气泡的这些颗粒称作絮体-气泡团块。流出物和团块的混合物从浮选区域2通过到达反应器的分离区域4，这两个区域由竖直壁7彼此分离。从而在分离区域4内将处于悬浮状态的颗粒分离。处理后的流出物经由为此目的设计的管道5在分离区域4的下部排出。从流出物分离的所述颗粒经由为此目的设置的沟槽6在反应器的上部排出。

为了将含有溶解气体的加压水注入到要处理的流出物中，使用注入喷嘴。它们均匀地分布在浮选反应器的浮选区域的下部中。

因此，如图2中所示，其示出了由本申请人开发的一种注入喷嘴，该注入喷嘴包括：

-用于加压水的柱形的进入腔室10，其包括入口100和出口101；

-柱形的膨胀腔室11，其包括通过孔口12与进入腔室10连通的入口110；

-扩散腔室13，其截面包括一个或多个回转截锥，这多个回转截锥一个接一个延伸并且从膨胀腔室向喷嘴的出口变宽并通过围绕喷嘴的回转轴线均匀分布的孔14与膨胀腔室11连通。

处理液体流出物的产业工人一直在增加它们处理厂的生产率。为此，他们寻求增加要处理的流出物在处理厂内的通过速度以在浮选反应器的分离区域中达到流出物波前速度的值大于30m/h-40m/h。更具体地，流出物波前速度是流出物在位于将浮选区域2与分离区域4分离的竖直壁7上方的区域中的速度。

浮选反应器中要处理的流出物的最大允许通过速度取决于要分离的处于悬浮状态的颗粒和粘附到这些颗粒的微气泡的浮选能力，即所述团块的浮选能力。

为了促使气体微气泡粘附到处于悬浮状态的颗粒，本领域技术人员按照惯例寻求产生最小可能的微气泡，即等效直径小于100微米的微气泡。

然而，这种方法由于每个絮体可粘附的微气泡的最大数量而降低了团块的浮动性，从而降低了处理的速度。这与要增加处理速度的产业工人的目标是不一致的。

从相反的观点来看，具有大于200微米的等效直径的大的微气泡的使用，可以增加团块的浮动性。这可以导致增加处理速度。然而，其导致要消除的物质的絮体破坏的风险，也引起了大的耗散。

斯托克斯定律可以使浮选反应器内的流出物的处理速度与微气泡的尺寸联系起来，如由图3的曲线所示。如可以在该曲线显示出的，对于进入反应器中的要处理的流出物的大约30m/h的通过速度，需要承担有效的浮力但是没有处理后的流出物携带有微气泡的风险或者没有絮体破坏的风险，微气泡的最佳直径大约为140微米。如也可以在该曲线中显示出的，对于进入反应器中的要处理的流出物的30m/h左右的通过速度，确保有效浮力但是没有处理后的流出物携带有微气泡的风险或者没有絮体破坏的风险，微气泡的最佳直径为大约为190微米。

因此，为了确保有效且快速的浮选，微气泡的尺寸应该在100微米-200微米之间。

然而，没有可以用于使不太小也不太大的微气泡的生产量最大化——即可以增加直径在100微米-200微米之间的微气泡的比例，从而可以实施快速且有效的浮选——的注入喷嘴。

发明内容

本发明的目的尤其在于提供一种有效的技术方案来解决这些不同问题中的至少一些问题。

特别地，根据至少一个实施方式，本发明的一个目的是提供一种使通过浮选的处理最优化的技术。

特别地，根据至少一个实施方式，本发明的目的在于提供一种这种技术，其可以增加通过浮选处理的速度而同时防止了处理后的流出物中携带气体微气泡。

根据至少一个实施方式，本发明的另一个目的是提供一种这种技术，其可以有利于直径在100微米-200微米之间的微气泡的生产。

在至少一个实施方式中，本发明的另一个目的是提供一种简单和/或有效和/或可靠和/或经济的技术。

为此，本发明提出了一种用于注入含有溶解气体的加压水的喷嘴，所述喷嘴包括：

-用于所述加压水的柱形的进入腔室；

-柱形的膨胀腔室，其包括出口以及通过孔口与所述进入腔室连通的入口；

-具有截锥形截面的扩散腔室，其与所述膨胀腔室的出口连通并且从所述膨胀腔室开始变宽，

所述喷嘴包括用于使从所述膨胀腔室流出的水流转动的部件。

因此使从所述膨胀腔室流出的水流围绕膨胀腔室的轴线转动，即围绕喷嘴的轴线转动。这可以耗散其能量且提高了微气泡与絮体的后续粘附，同时防止过多的紊乱急流注入到要处理的水流中，从而防止絮体的破坏。这还使所述水流改变方向并将所述水流分散到扩散腔室内用以与扩散壁更好地接触并继续能量的耗散。

因此，有利于形成直径在100微米-200微米之间的微气泡。

在一个特定实施方式中，所述膨胀腔室的所述出口包括至少两个孔，所述至少两个孔围绕所述膨胀腔室的回转轴均匀分布，每个所述孔沿着这样一条轴线延伸：

-该轴线位于与所述膨胀腔室的回转轴线平行的平面内，并且

-该轴线相对于所述膨胀腔室的回转轴线倾斜，

所述孔的轴线在相同的方向上倾斜以便使从所述膨胀腔室流出的水流沿着所述相同的方向转动。

该实施方式有助于以简单且有效的方式使直径在100微米-200微米之间的微气泡的形成最大化。

根据一个特定实施方式，截锥形的所述扩散腔室相对于其回转轴的角度γ以及所述孔的倾斜角度α选择成在所述扩散腔室的出口处保持基本在100微米-200微米之间的气泡尺寸。

这些角度的值的选择还有助于简单并有效地形成直径在100微米-200微米之间的微气泡。

根据本发明的一个特定特征，所述喷嘴包括放置在所述膨胀腔室中的针体，所述针体面对所述孔口且指向所述孔口的方向。

因此，根据该方面，本发明在于将针体放置在回转轴线上并朝向孔口取向，所述孔口连接用于注入包含溶解气体的加压水的喷嘴的进入腔室和膨胀腔室。

所述针体的存在可以：

-将加压水均匀地分布在膨胀腔室内，

-增大成核表面，从而提高微气泡的尺寸的均匀性。

根据本发明的一个特定特征，喷嘴可以包括用于维持使所述水流变成转动的维持部件，所述维持部件位于所述扩散腔室中。

这样能够使流入喷嘴中的水流保持其转动运动。这样提高了微气泡与絮体的后续粘附性，同时继续耗散注入水流的能量；该水流在限制湍流方面是稳定的。

在这种情况下，所述维持部件可以包括从所述扩散腔室的回转轴线开始延伸到所述扩散腔室的外周轮廓并围绕该回转轴线均匀分布的至少两个叶片，每个所述叶片在通过与所述扩散腔室的回转轴线垂直的轴线的一平面内延伸并且在所述相同的方向上倾斜。

根据本发明的一个特定特征，所述喷嘴可以包括放置在所述膨胀腔室与所述扩散腔室之间的至少一个截锥形的中间扩散腔室，所述中间扩散腔室的截面朝所述扩散腔室的方向变宽。

中间扩散腔室的实施可以防止产生也称作循环流的水平涡流。

具有过大开口的圆锥存在不包含该水流且因为将以高速度差注入静止介质(相对于注入的流体)中的流体会形成涡流运动而在壁处引起循环流的风险。因此，该中间扩散腔室引导流体并防止产生显著地存在于称作环形注入的注入情形中(这里是因为水流是围绕通过所述孔的轴线分布的情形)的涡流状“循环流”。

根据本发明的一个特定特征，所述喷嘴可以包括位于所述扩散腔室与所述中间扩散腔室之间的侧向水入口。

要处理的流出物包含处于悬浮状态的颗粒，这些颗粒在喷嘴内构成了形成微气泡的部位的成核位置。因此，增加了空气微气泡的形成。

在这种情形中，所述扩散腔室的入口直径可以大于所述中间扩散腔室的出口直径，所述扩散腔室的入口与所述中间扩散腔室的出口重叠以在所述扩散腔室和所述中间扩散腔室之间形成构成所述侧向水入口的空间。

根据本发明的一个特定特征，截锥形的所述扩散腔室相对于其回转轴线的角度γ以及所述中间扩散腔室相对于其回转轴线的角度β是相同的。

根据本发明的一个特定实施方式，截锥形的所述扩散腔室相对于其回转轴线的角度γ大于所述中间扩散腔室相对于其回转轴线的角度β。

根据本发明的一个特定特征，角度γ和角度β的值在0°-30°之间。

根据本发明的一个特定特征，所述孔的倾斜角度α在20°-60°之间。

根据本发明的一个特定特征，所述叶片的倾斜角度在20°-60°之间。

附图说明

通过阅读下面的对作为简单和非限制性示例给出的特定实施方式的描述并参考附图，本发明的其他特征和优点将显示出来，其中：

-图1示出了浮选反应器的简图；

-图2示出了根据现有技术的注入喷嘴的纵向剖面图；

-图3示出了根据斯托克斯定律的微气泡的直径与要处理的流出物进入浮选反应器中的速度之间的联系；

-图4示出了根据本发明的第一实施方式的喷嘴的透视图；

-图5示出了图4中示出的喷嘴的纵向剖面图；

-图6和7示出了图5的两个细部；

-图8示出了图4和5的喷嘴的俯视图；

-图9示出了根据本发明的第二实施方式的喷嘴的纵向剖面图；

-图10示出了根据通过侧向水入口的平面的图9的喷嘴的侧向剖面图；

-图11示出了显示出由现有技术中的喷嘴的实施方式形成的微气泡的尺寸与根据本发明的喷嘴的实施方式形成的微气泡的尺寸的曲线。

具体实施方式

架构

喷嘴的底部、基部或入口表示加压水进入喷嘴的端部。喷嘴的顶部或出口表示膨胀的加压水从喷嘴流出的端部。

第一种类型

参见图4到8，示出了根据本发明的注入喷嘴的第一实施方式。

因此，如这些附图所示，这种喷嘴包括进入腔室20，含有溶解气体的加压水可以通过该进入腔室引入到喷嘴中。该进入腔室20包括入口200和出口201。该进入腔室具有柱形回转截面。在该实施方式中，进入腔室20的高度等于其直径D的3/2倍。

直径D优选地在10mm-50mm之间。

孔口401的直径d优选地在2mm-6mm之间。

喷嘴还包括膨胀腔室30。

膨胀腔室30在进入腔室20的延长部分中延伸并与进入腔室在相同的轴线上。膨胀腔室具有柱形回转截面。膨胀腔室通过壁40与所述进入腔室20分离。膨胀腔室包括入口301，该入口通过沿着所述膨胀腔室30的纵向轴线穿过所述壁40形成的孔口401与所述进入腔室20的出口201连通。在该实施方式中，壁40的厚度等于孔口401的直径d，膨胀腔室30的厚度等于孔口401的直径d，膨胀腔室30的直径等于进入腔室20的直径。

喷嘴包括在膨胀腔室30的延长部分中且在膨胀腔室30的轴线上延伸的中间扩散腔室50。在一个变型中，多个中间扩散腔室可以一个接一个地设置。该扩散腔室具有截锥形状。扩散腔室通过由孔901穿过的壁90与所述膨胀腔室30分离，所述孔构成了膨胀腔室30的出口和中间扩散腔室50的入口。所述膨胀腔室30和中间扩散腔室50因此通过所述孔901彼此连通。在该实施方式中，壁90的厚度等于孔口401的直径d，中间扩散腔室50的回转轴线与每个孔901的朝向该回转轴线放置的端部之间的距离等于进入腔室20的直径D的四分之一。此外在该实施方式中，孔901具有正方形截面，该正方形截面的边长等于孔口401的直径d。每个孔901沿着这样一条轴线延伸：

-该轴线位于与所述膨胀腔室的回转轴线平行的平面内，且

-该轴线相对于所述膨胀腔室的回转轴线倾斜。

孔901的轴线在相同的方向上倾斜以便在该方向上使从所述膨胀腔室流出的水流转动，如这在下面将更详细地解释。

在该实施方式中，孔901相对于壁90的上表面的倾斜角度α的值等于45°。这里孔901的数量是4个。这些孔围绕膨胀腔室30的回转轴线均匀分布。

中间扩散腔室50的底部的直径等于膨胀腔室30的直径。在该实施方式中，截锥相对于其回转轴线的角度β等于7°。该截锥从膨胀腔室30朝中间扩散腔室50的出口变宽。在该实施方式中，中间扩散腔室50的高度等于进入腔室20的直径D的3/2倍。

膨胀腔室30容纳有针体80。该针体伸出壁90的表面并面对和指向孔口401。因此该针体30是从壁90的表面伸出的尖的元件并且在所述回转轴线上指向孔口401。针体80的高度等于膨胀腔室的高度。针体的底部的直径大约等于孔口401的直径的6/10。

该喷嘴包括在中间扩散腔室50的延长部分中且在相同轴线上延伸的扩散腔室60。该扩散腔室具有回转截锥的形状，其相对于其回转轴线的角度γ在该实施方式中等于15°。该截锥从中间膨胀腔室50向扩散腔室60的出口变宽。该截锥底部的直径等于中间扩散腔室50的最后端的直径。在该实施方式中，扩散腔室60的高度等于进入腔室20的直径D的两倍。

扩散腔室60容纳有叶片70，也称作桨叶。这些叶片70围绕扩散腔室60的回转轴线均匀分布。这些叶片每个从该回转轴线延伸到扩散腔室60的外周壁。在该实施方式中，这些叶片的数量是4个。每个叶片70沿着一平面延伸，该平面通过垂直于扩散腔室60的回转轴线的轴线且在膨胀腔室的出口处在水流的转动方向上倾斜。在该实施方式中叶片相对于水平面或者相对于垂直于喷嘴的轴线的平面的倾斜角度等于45°。

在该实施方式中：

-叶片70的水平伸出宽度等于进入腔室20的直径D的四分之一；

-叶片70的竖直伸出高度等于进入腔室20的直径D的四分之一；

-叶片的纵向轴线相对于扩散腔室60的底部的高度等于进入腔室20的直径。

在该实施方式中，进入腔室20的直径D等于27mm，孔口401的直径d等于3.5mm。

所述喷嘴的运行范围优选地为3巴-10巴的压力和0.3m³/h-3m³/h的流速。

第二种类型

参见图9和10，示出根据本发明的喷嘴的第二实施方式。这里仅详细描述根据第一实施方式的喷嘴与根据该第二实施方式的喷嘴之间的差别。

根据该第二实施方式，喷嘴包括位于扩散腔室60与中间扩散腔室50之间的侧向水入口100。

为此，扩散腔室60的入口直径大于中间扩散腔室50的出口直径，扩散腔室60的底部与中间扩散腔室60的出口重叠以便在它们之间相互形成构成侧向水入口100的空间。因此在扩散腔室60与中间扩散腔室50之间形成空间以构成侧向水入口100。支撑件101间置在扩散腔室60与中间扩散腔室50之间以规则的间隔将扩散腔室和中间扩散腔室相互连接。

在该实施方式中扩散腔室60与中间扩散腔室50的重叠高度等于进入腔室20的直径D的四分之一，而在重叠区域中扩散腔室60和中间扩散腔室50的壁之间的距离等于进入腔室20的直径D的十六分之一。

在该实施方式中，扩散腔室50和中间扩散腔室50的截锥的角度是相同的且等于7°。

运行

第一种类型的喷嘴

根据本发明的喷嘴用于布置在浮选反应器的底部处以通过浮选处理液体流出物。

在该处理过程中，通过进入腔室20将含有如空气的溶解气体的加压水引入到每个喷嘴中。

加压水然后通过孔口401并穿过膨胀腔室30，在膨胀腔室内加压水遭受高的负载损失并膨胀从而形成空气微气泡。针体80的存在能够：

-使加压水在膨胀腔室内均匀分布；

-使成核表面增加，从而提高微气泡尺寸的均匀性。

水继续在喷嘴内移动，通过孔901以穿过中间扩散腔室50的内部。

由于形成斜槽的孔901的倾斜，使从膨胀腔室流出的水流转动。这允许消散了其能量并提高了微气泡与絮体的后续粘附。这样还使扩散腔室与中间扩散腔室之间的水流改变方向并分散。

水流继续在喷嘴中移动，流过中间扩散腔室50，该实施方式通过使水流再附到壁上而防止形成水平涡流。

然后水流进入扩散腔室60中，该实施方式减慢了水流能量的耗散，同时提供与喷嘴壁的接触。耗散能量能够在喷嘴出口使絮体与气泡之间更好粘附，从而防止絮体破坏。水流沿着叶片70流动，该实施方式可以维持转动运动。这样进一步提高了微气泡与絮体的后续粘附。

也称作白水的水和微气泡的混合物然后通过扩散腔室60的端部从喷嘴排出。

倾斜孔的使用能够产生直径在100微米-200微米之间的尺寸的微气泡。这些孔应该以处于悬浮状态的颗粒必须与它们轮廓的上表面接触的方式倾斜。因此理论上的倾斜角度小于45°但是可以在20°-60°之间。因此由倾斜孔引起的转动可以使微气泡与颗粒没有湍流中那样彼此激烈地接触，从而可以形成更大的微气泡。

针体不是必要的，但是通过增加成核位置的数量可以使微气泡的产生均匀化。

因此，防止了形成不能提供快速有效浮选的过小的微气泡或者过大的微气泡。

第二种类型的喷嘴

除了在加压水在喷嘴内移动的影响下，在侧向水入口100处通过低压力将没入喷嘴的要处理的周围流出物吸入之外，根据第二实施方式的喷嘴的运行与第一实施方式的喷嘴的运行是相同的。

要处理的流出物包含在喷嘴内构成了成核位置的悬浮颗粒，这些成核位置是形成微气泡的部位。

因此，增加了空气微气泡的形成。

结果

一方面利用根据现有技术的喷嘴以及另一方面利用根据第一实施方式的喷嘴做了对比试验。

在这些试验过程中，喷嘴的进入腔室的直径等于27mm，孔口的直径等于3.5mm，针体80的直径等于2mm。进入腔室中入口处加压水的压力等于5巴，加压水的流速等于0.74m³/h。

示出了获得的结果的图11的曲线可以显示出根据本发明的喷嘴能够使产生的大部分微气泡具有足够大的尺寸以在要处理的流出物进入反应器的速度为50m/h以上的情况下有效地确保浮选。事实上，对于由斯托克斯定律计算的50m/h的速度，由根据本发明的喷嘴形成的大多数微气泡具有接近其最佳尺寸的尺寸；由根据现有技术的喷嘴形成的微气泡的一部分在该阈值以下，因此没有足够的浮动性来增加进入浮动工程的速度。

Claims (14)

1.一种用于注入含有溶解气体的加压水的喷嘴，所述喷嘴包括：

-用于所述加压水的柱形的进入腔室(20)；

-柱形的膨胀腔室(30)，其包括出口以及通过孔口(401)与所述进入腔室(20)连通的入口(301)；

-具有截锥形截面的扩散腔室(60)，其与所述膨胀腔室(30)的出口连通并且从所述膨胀腔室开始变宽；

所述喷嘴包括用于使从所述膨胀腔室(30)流出的水流转动的部件。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述膨胀腔室(30)的所述出口包括至少两个孔(901)，所述至少两个孔(901)围绕所述膨胀腔室(30)的回转轴线均匀分布，每个所述孔(901)沿着这样一条轴线延伸：

-该轴线位于与所述膨胀腔室(30)的回转轴线平行的平面内，并且

-该轴线相对于所述膨胀腔室(30)的回转轴线倾斜，

所述孔的轴线在相同的方向上倾斜以便使从所述膨胀腔室(30)流出的水流沿着所述相同的方向转动。

3.根据权利要求2所述的喷嘴，其中，截锥形的所述扩散腔室(60)相对于其回转轴线的角度γ和所述孔(901)的倾斜角度α选择成在所述扩散腔室(60)的出口处保持基本在100微米-200微米之间的气泡尺寸。

4.根据权利要求2或3所述的喷嘴，其中，所述喷嘴包括放置在所述膨胀腔室(30)中的针体(80)，所述针体面对所述孔口(401)且指向所述孔口的方向。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的喷嘴，其中，所述喷嘴包括用于维持使所述水流转动的维持部件(30)，所述维持部件容纳在所述扩散腔室(60)中。

6.根据权利要求5所述的喷嘴，其中，所述维持部件包括从所述扩散腔室(60)的回转轴线开始延伸到所述扩散腔室的外周轮廓并且围绕所述扩散腔室的回转轴线均匀地分布的至少两个叶片(70)，每个所述叶片(70)在通过与所述扩散腔室(60)的回转轴线垂直的轴线的一平面内延伸并且在所述相同的方向上倾斜。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的喷嘴，其中，所述喷嘴包括放置在所述膨胀腔室(30)与所述扩散腔室(60)之间的至少一个截锥形的中间扩散腔室(50)，所述中间扩散腔室的截面朝所述扩散腔室(60)的方向变宽。

8.根据权利要求7所述的喷嘴，其中，所述喷嘴包括位于所述扩散腔室(60)与所述中间扩散腔室(50)之间的侧向水入口(100)。

9.根据权利要求8所述的喷嘴，其中，所述扩散腔室(60)的入口直径大于所述中间扩散腔室(50)的出口直径，所述扩散腔室(60)的入口与所述中间扩散腔室(50)的出口重叠以在所述扩散腔室和所述中间扩散腔室之间形成构成所述侧向水入口(100)的空间。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的喷嘴，其中，截锥形的所述扩散腔室(60)相对于其回转轴线的角度γ和所述中间扩散腔室(50)相对于其回转轴线的角度β是相同的。

11.根据权利要求7-10中任一项所述的喷嘴，其中，截锥形的所述扩散腔室(60)相对于其回转轴线的角度γ大于所述中间扩散腔室(50)相对于其回转轴线的角度β。

12.根据权利要求7-11中任一项所述的喷嘴，其中，角度γ和角度β的值在0°-30°之间。

13.根据权利要求3-12中任一项所述的喷嘴，其中，所述孔(901)的倾斜角度α在20°-60°之间。

14.根据权利要求6-13中任一项所述的喷嘴，其中，所述叶片的倾斜角度在20°-60°之间。