CN108704504A - 文丘里微气泡发生器及其在臭氧催化氧化中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微气泡产生装置，特别是指一种文丘里微气泡发生器及其在臭氧催化氧化中的应用。包括两端开设有入口及出口的主管，主管的入口接气液混合泵输出端，主管的入口通过第一文氏管接气液混合泵输出端，主管的出口通过第二文氏管输出，第一文氏管及第二文氏管自外向内包括依次连接的入口段、收缩段、喉道及扩散段，主管内固定有与物料行进方向同向的螺旋叶片，螺旋叶片上设有开孔，开孔孔径沿径向自内向外依次减小，位于同一圆周上的开孔等角度间隔分布。本发明有效解决了现有技术微气泡产生效果差的技术难题，具有安装便利、微气泡产生及应用效果好等优点。

Description

文丘里微气泡发生器及其在臭氧催化氧化中的应用
技术领域
本发明属于微气泡产生装置，特别是指一种文丘里微气泡发生器及其在臭氧催化氧化中的应用。
背景技术
微细气泡有比表面积大、停留时间长、界面ζ电位高、自身增压溶解、产生自由基、强化传质效率等优点。目前微气泡技术已广泛应用于化学工业、水处理、医学、浮选、石油开采及冶金工业等行业。
微气泡产生根据机理包括分散空气法、溶气释气法、超声空化法、电解法、化学法等。超声空化法、电解法、化学法产生气泡精度较高，但产生气泡较少，且产生成本较高。分散空气法、溶气释气法气泡产生量高，但气泡精度及均匀度很难控制。
溶气释气法原理简单但实际操作复杂，气泡产生过程不连续，且气泡直径难以控制在50μm以下。分散空气法主要通过高速旋流、水力剪切等方式把空气剪切破碎以产生微纳米气泡。分散空气法实现形式分为高速旋流、过流断面渐缩突扩、微多孔结构等。高速旋流、过流断面渐缩突扩两种方式面对充气量需求较大情况时难以满足，虽能切割形成微细气泡但气泡均匀化程度不高；微多孔结构对于装置的加工要求相对较高，且容易造成堵塞。
尽管微气泡技术具有诸多优点，但由于传统微气泡发生装置存在结构复杂加工困难、充气量低、气泡大小精度、均匀度不高等缺点，微气泡技术应用效率与效果有待进一步提高。
就申请人了解的范围而言，对于衡量微气泡发生装置技术性能优劣的技术参数主要包括微气泡的直径及数量，其测定方法包括声波共振反射法和光学照相法。声波共振反射法测量微气泡的尺度分布时，误差大、精度低且易受干扰；光学照相法虽能较准确地获得图像对应空间的气泡尺度分布信息，但目前多用于实验室测量分析阶段，而测量方法只是针对一个气泡或一列气泡进行的测量，其模型太过简单，不能解决工程应用中气泡密度相对较大时的测量问题。
申请人所检索的背景技术包括：
申请号为201180033648.3的专利文献中公开了一种微气泡产生装置，通过气体供给装置和液体供给装置，液体流路切向进入气液产生槽内腔，与垂直方向气体混合，气体借助回旋流的剪切力使气体微气泡化。根据水力学原理，水在回旋流产生的离心力作用下呈现管周边分布点，另外，垂直方向进入的气体由于负压作用聚集在中心位置。所以气液两相并不能很好的进行混合，同时气泡大小及分布均匀度等技术参数以及相应的技术效果未见说明。
申请号为201220561697.6的专利文献中公开了一种螺旋型管式静态混合器。采用旋向相同交叉180°分布的螺旋叶片用以混合双组份聚氨酯胶。所述混合单元由10-100节螺旋叶片等间距分布固定，制作加工难度较大，因此难于实现大面积的工业化推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种文丘里微气泡发生器及其在臭氧催化氧化中的应用，针对现有技术存在的技术缺陷，创造性地将文氏管应用于微气泡发生装置并通过对其结构进行优化，使其在满足便于工业化制作的同时，具有较好的微气泡产生效果以及工业化应用前景。
本发明的整体技术构思是：
文丘里微气泡发生器，包括两端开设有入口及出口的主管，主管的入口接气液混合泵输出端，主管的入口通过第一文氏管接气液混合泵输出端，主管的出口通过第二文氏管输出，第一文氏管及第二文氏管自外向内包括依次连接的入口段、收缩段、喉道及扩散段，主管内固定有与物料行进方向同向的螺旋叶片，螺旋叶片上设有开孔，开孔孔径沿径向自内向外依次减小，孔径为0.5mm-2.5mm，同一径向上相邻的开孔间距为0.8mm-5mm，环向上相邻的开孔间距为0.8mm-5mm，位于同一圆周上的开孔等角度间隔分布。
文丘里微气泡发生器在臭氧催化氧化中的应用。
螺旋叶片上开孔分布的主要机理是：在水力旋流作用下，气液混合液中气泡直径在离心力作用下沿径向接近内壁方向由小到大分布，同时螺旋叶片开孔大小分布与气泡分布相反呈由大至小分布，小直径的微气泡在经过大孔其直径得以保持，大气泡直径的微气泡经过开孔时经历渐缩渐扩的变化，得以进一步破碎细化。
本发明的具体技术构思还有：
螺旋叶片的主要作用是在水流压力和其导流作用下，气液混合液产生离心力，微气泡在离心力作用下其直径沿径向自内向外呈由小至大分布。小直径微气泡经螺旋叶片上的开孔直接流出，大直径微气泡经螺旋叶片的开孔进一步破碎，使大直径的微气泡得以破碎细化。优选的技术方案是，所述的相邻螺旋叶片的间距自主管入口至出口依次减小，相邻螺旋叶片的间距为200mm-50mm。随着气液混合物的流动，螺旋叶片间距逐渐减小，离心力增大，对于微气泡的细化破碎效果进一步增强。这样在总流量不变条件下，由于旋流截面面积减小，气液混合液流速及压力逐渐增大，气液混合液中直径较大的微气泡在离心力作用下也沿径向接近主管内壁方向分布。根据水力旋流特征流体压力沿径向接近壁面方向压力逐渐增大，气泡在流速增大与压力增大作用下被破碎细化。另外，气液混合液经过螺旋叶片开孔时经过渐缩渐扩的变化，直径较大的微气泡得以细化。
为便于螺旋叶片与主管实现快速固定装配，优选的技术方案是，所述的主管内壁与螺旋叶片外侧之间的间距不大于0.3mm。间隙配合的主要目的是装配时在螺旋叶片安装到位后，方便地通过点焊或焊接的方式将外侧的螺旋叶片与主管内侧固定，进而实现螺旋叶片在主管内的定位。
为使气液混合液导流至螺旋叶片，提高气液混合液在圆周方向的均布效果，优选的技术方案是，所述的主管内沿轴线设置有分水轴，分水轴与主管内壁之间固定有螺旋叶片，螺旋叶片内侧与分水轴之间的间距不大于0.3mm，间隙配合的主要目的是便于装配时螺旋叶片内侧与分水轴的焊接定位。
更为优选的技术改方案是，与主管入口相邻的分水轴端部呈锥度角为β的圆锥形，10°≤β≤20°。
为便于本发明中的设备与气液混合泵及其他外接设备的连接，优选的技术方案是，所述的第一文氏管及第二文氏管的入口段外侧设有连接卡箍。可以显而易见的是，连接卡箍可以采用其它形式的连接接口及固定构件，并不脱离本发明的技术实质。
第一文氏管及第二文氏管的主要作用是使气液混合液经第一文氏管的扩散段时截面直径变大，流速变小，压力减小，微气泡变大；经第二文氏管的扩散段时截面直径变小，流速增大，压力增大，微气泡变小；为获得较为理想的微气泡直径，优选的技术方案是，第一文氏管及第二文氏管的扩散段的锥度角为α，10°≤α≤20°。
开孔的结构设计主要是为了进一步提高微气泡的破碎效果，使其进一步细化，优选的技术方案是，开孔的外侧及内侧为锥孔，所对应的锥度角分别为γ1、γ2，100°≤γ1≤160°，100°≤γ2≤160°；开孔的中部为圆形通孔，孔径为φ，0.5mm≤φ≤2.5mm；螺旋叶片的厚度为δ，1mm≤δ≤5mm。开孔设计主要采用文丘里的设计原理，开孔的大小是影响孔内和孔外压差的直接因素，孔径越小压差越大，孔径越大压差越小。小孔径开孔对于气液混合体中气体细化程度大，大孔径对于气液混合液中气体细化程度低。
为提高微气泡发生器的微气泡产生效果，以进一步满足应用的需要，优选的技术方案是，气液混合泵输出端输出的气液混合液流速为1m/s-10m/s，压力为0.1MPa-0.5MPa。
申请人需要说明的是：
在本发明的描述中，术语“外侧”、“入口”、“出口”、“内壁”、“外侧”、“纵向”、“两端”、“内侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于简化描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明所具备的实质性特点及取得的显著技术进步在于：
1、本发明利用文丘里设计原理对微气泡发生器的管路及开孔进行设计，有效实现了微气泡的破碎机细化。经对比试验证实，采用本发明的设备用于臭氧催化氧化废水处理技术效果明显优于现有曝气设备。
2、螺旋叶片采用间距逐渐缩小的结构设计，使微气泡的细化破碎效果进一步增强。
3、根据利用水力旋流的特点，进行开孔在螺旋叶片上的布局以及采用文丘里原理设计的开孔结构，进一步提高了微气泡破碎细化程度，并提高了微气泡的均匀度。
4、分水轴的结构设计，使螺旋叶片的定位装配更加便利，分水轴端部采用锥形结构设计，使气液混合液导流至螺旋叶片，提高气液混合液在圆周方向的均布效果。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是图1的A-A向放大视图。
图3是开孔结构示意图。
附图中的附图标记如下：
1、连接卡箍；2、第一文氏管；3、螺旋叶片；4、分水轴；5、主管；6、第二文氏管；7、开孔。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述，但不应理解为对本发明的限定，本发明的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书所做出的等效技术手段替换，均不脱离本发明的保护范围。
本实施例的整体结构如图示，其中包括两端开设有入口及出口的主管5，主管5的入口接气液混合泵输出端，主管5的入口通过第一文氏管2接气液混合泵输出端，主管5的出口通过第二文氏管6输出，第一文氏管2及第二文氏管6自外向内包括依次连接的入口段、收缩段、喉道及扩散段，主管5内固定有与物料行进方向同向的螺旋叶片3，螺旋叶片3上设有开孔7，开孔7孔径沿径向自内向外依次减小，孔径为0.5mm-2.5mm，同一径向上相邻的开孔7间距为0.8mm-5mm，环向上相邻的开孔7间距为0.8mm-5mm，位于同一圆周上的开孔7等角度间隔分布。
文丘里微气泡发生器在臭氧催化氧化中的应用。
所述的相邻螺旋叶片3的间距自主管5入口至出口依次减小，相邻螺旋叶片3的间距为200mm-50mm。
所述的主管5内壁与螺旋叶片3外侧之间的间距不大于0.3mm。装配时在螺旋叶片安装到位后，方便地通过点焊方式将外侧的螺旋叶片与主管内侧固定，进而实现螺旋叶片在主管内的定位。
所述的主管5内沿轴线设置有分水轴4，分水轴4与主管5内壁之间固定有螺旋叶片3，螺旋叶片3内侧与分水轴4之间的间距不大于0.3mm，装配时螺旋叶片内侧与分水轴的通过点焊实现定位。
与主管5入口相邻的分水轴4端部呈锥度角为β的圆锥形，10°≤β≤20°。
所述的第一文氏管2及第二文氏管6的入口段外侧设有连接卡箍1。
第一文氏管2及第二文氏管6的扩散段的锥度角为α，10°≤α≤20°。
开孔7的外侧及内侧为锥孔，所对应的锥度角分别为γ1、γ2，100°≤γ1≤160°，100°≤γ2≤160°；开孔7的中部为圆形通孔，孔径为φ，0.5mm≤φ≤2.5mm；螺旋叶片3的厚度为δ，1mm≤δ≤5mm。
气液混合泵输出端输出的气液混合液流速为1m/s-10m/s，压力为0.1MPa-0.5MPa。
为验证本实施例的技术效果，申请人进行了如下试验：
由于现有的声波共振反射法和光学照相法对微气泡发生器进行测定在实际应用中缺乏可行性，且所需要的测定设备并非常规检测设备，因此申请人通过将本实施例中的微气泡发生器应用于臭氧催化氧化废水处理，并与普通曝气设备进行对比以验证微气泡产生效果，具体试验过程设计如下：
1、时间：2016年10月-12月；
2、试验内容：普通曝气盘曝气及本实施例中的文丘里微气泡发生器两种曝气方式对于废水处理效果进行对比试验；
3、试验设备：臭氧催化氧化一体式试验设备；
4、试验水源：晋州化工园区废水；
5、试验工艺：臭氧催化氧化，催化剂：原始AC，投加量为反应器有效体积的1/3；水力停留时间0.5h；曝气方式：曝气盘曝气和微气泡曝气；
6、试验结果:(1)采用曝气盘臭氧曝气试验出水COD120mg/L左右，臭氧利用率50％-60％；采用微气泡臭氧曝气出水COD30mg/L以下，臭氧利用率90％以上。(2)采用本实施例中的文丘里微气泡发生器处理废水可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A排放标准。

Claims (10)

1.文丘里微气泡发生器，包括两端开设有入口及出口的主管(5)，主管(5)的入口接气液混合泵输出端，其特征在于主管(5)的入口通过第一文氏管(2)接气液混合泵输出端，主管(5)的出口通过第二文氏管(6)输出，第一文氏管(2)及第二文氏管(6)自外向内包括依次连接的入口段、收缩段、喉道及扩散段，主管(5)内固定有与物料行进方向同向的螺旋叶片(3)，螺旋叶片(3)上设有开孔(7)，开孔(7)孔径沿径向自内向外依次减小，孔径为0.5mm-2.5mm，同一径向上相邻的开孔(7)间距为0.8mm-5mm，环向上相邻的开孔(7)间距为0.8mm-5mm，位于同一圆周上的开孔(7)等角度间隔分布。
2.根据权利要求1所述的文丘里微气泡发生器，其特征在于所述的主管(5)内壁与螺旋叶片(3)外侧之间的间距不大于0.3mm。
3.根据权利要求1所述的文丘里微气泡发生器，其特征在于所述的相邻螺旋叶片(3)的间距自主管(5)入口至出口依次减小，相邻螺旋叶片(3)的间距为200mm-50mm。
4.根据权利要求1所述的文丘里微气泡发生器，其特征在于所述的主管(5)内沿轴线设置有分水轴(4)，分水轴(4)与主管(5)内壁之间固定有螺旋叶片(3)，螺旋叶片(3)内侧与分水轴(4)之间的间距不大于0.3mm。
5.根据权利要求4所述的文丘里微气泡发生器，其特征在于与主管(5)入口相邻的分水轴(4)端部呈锥度角为β的圆锥形，10°≤β≤20°。
6.根据权利要求1所述的文丘里微气泡发生器，其特征在于所述的第一文氏管(2)及第二文氏管(6)的入口段外侧设有连接卡箍(1)。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的文丘里微气泡发生器，其特征在于第一文氏管(2)及第二文氏管(6)的扩散段的锥度角为α，10°≤α≤20°。
8.根据权利要求7所述的文丘里微气泡发生器，其特征在于开孔(7)的外侧及内侧为锥孔，所对应的锥度角分别为γ1、γ2，100°≤γ1≤160°，100°≤γ2≤160°；开孔(7)的中部为圆形通孔，孔径为φ，0.5mm≤φ≤2.5mm；螺旋叶片(3)的厚度为δ，1mm≤δ≤5mm。
9.根据权利要求1-8所述的文丘里微气泡发生器在臭氧催化氧化中的应用。
10.根据权利要9所述的文丘里微气泡发生器在臭氧催化氧化中的应用，其特征在于气液混合泵输出端输出的气液混合液流速为1m/s-10m/s，压力为0.1MPa-0.5MPa。
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