CN109550418A - 一种旋流型微气泡发生器及气液反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微气泡发生器和包含该微气泡发生器的气液反应器，微气泡发生器由进液管、进气孔和文丘里管组成，文丘里管从下至上依次至少包括底部封闭的渐缩段、喉管段和渐扩段，进液管位于文丘里管渐缩段底部，进气孔位于喉管段。本发明具有结构紧凑、能耗低、微气泡发生效果好、维护方便等优点。在气液反应器中使用这种微气泡发生器后，气液传质效率得到大幅提升。

Description

一种旋流型微气泡发生器及气液反应器

技术领域

本发明涉及石油化工领域，具体涉及一种新型微气泡发生器包含该微气泡发生器的气液反应器。

背景技术

微气泡具有比表面积大、气含率高、上升速度慢和溶解速度快等特点，是强化传质的重要手段，被广泛应用于石油化工领域的气液两相之间质量传递过程、废水处理、酿酒和好氧生物养殖等领域。目前微气泡的发生主要靠微气泡发生器来实现，发生方式主要分为以下几种：(1)剪切破碎成泡，如文丘里型微气泡发生器；(2)降压或升温成泡，如压力溶解型微气泡发生器；(3)超声波成泡；(4)微孔成泡，如微孔塑料、橡胶和陶瓷管等。

典型的压力溶解式微气泡发生器装置是使气液混合物在加压罐中加至一定压力后，气体以饱和浓度溶解于液相中，通过使用减压阀突然降低压力，此时饱和溶解在液相中的气体析出，从而产生微气泡。微气泡的分布和尺寸由加压罐中压力决定。这类装置目前主要用于回收悬浮在废水中的细小颗粒，对其研究集中在加压罐效率提高、简化操作、降低成本等方面。

超声波产生微气泡主要是利用了超声空化现象，高频率的声波以纵波的形式在液体中传播，当声强超过液体静压值，将会破坏液体介质的完整性，导致液体中出现空穴。因为净的液体介质基本不存在，溶液中总是存在某些溶解液体，所以当空穴形成时，一般处于真空状态，溶解在水中的气体会迅速进入空穴形成微气泡。但在超声波的影响下，微气泡会发生团聚现象。

微孔成泡技术是利用某些介质(如冶金粉末、陶瓷或塑料)作材料，再掺以适当的黏合剂，在高温下烧结而成的微多孔结构，当压缩气体经过微孔介质时，被微孔切割成微纳米气泡。这种方式相对简单，微孔介质孔径越小，分布越窄，形成气泡粒径越小越集中。但是产生粒径越小的气泡，要求介质的孔径越小，对于装置的制造加工要求相对较高，而且极易造成堵塞。

综上所述，现有微气泡法案生装置存在制造难度大、气泡尺寸离散、能耗高等缺点。因此，有必要对微气泡发生装置进行简化设计，降低制造难度和难度，提高微气泡发生效果，使其更具备工业实用性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷和不足，提供了一种结构紧凑、操作简单、维护成本低的微气泡发生器。通过进液管进入的高速液体相互撞击后湍动能增加，呈螺旋状上升进入反应器，强湍流的剪切作用使气泡发生多次破碎并产生大量微气泡，同时成螺旋流状上升的液体携带气泡进入反应器可增强气泡在反应器中的分散效果，保证气液混合效果。

本发明提供的一种微气泡发生器包括文丘里管、进液管和进气孔，文丘里管从下至上包括底部封闭的渐缩段、喉管段和渐扩段。

所述的进液管位于渐缩段底部且与渐缩段外径相切，数量为1～16个，按照顺时针或逆时针顺序依次等距布置，直径不大于喉管段半径，长度不长于渐缩段底部半径3倍，优选为底部半径的1.5～2倍。进液管可以选用任何已知的管结构，包括但不限于圆管、方管、缩径式圆管等，一种优选的方案是使用2～4个圆管作为进液管，其中圆管的直径为3～9mm，长径比为3～5。

所述的进气孔位于喉管段，个数为1～6个，优选2～4个，其直径不大于喉管半径，优选为喉管半径的0.2-1倍；进气孔可以选用任何已知的孔结构，包括但不限于圆孔、方孔等，一种优选的方案是，使用圆孔作为进气孔，圆孔的直径为3～9mm。

所述文丘里管渐缩段长度不大于渐扩管长度，渐扩管出口直径不大于渐缩段底部直径，喉管段长度不大于渐扩管长度，文丘里管高度与喉管段直径的高径比为2～14，渐缩角和渐扩角均为5～15°，渐扩段上方可设置发展段，设置发展段可增强气液混合，同时方便安装，发展段可以选用任何已知的管结构，优选为圆管，发展段长度不大于渐扩段的长度。为了获得较好的微气泡发生效果，液体需要具有足够的能量以剪切破碎气泡，因此，喉管处液速不宜过低，液体流量和气体流量之比不宜过小。一种优选的方案是喉管处液速u_l大于0.3m/s，进气孔处气速u_g大于0.03m/s，，且喉管处液速u_l与进气孔处气速u_g的比值为1～50，优选为3～15。

本发明的另一方面，提供了一种气液反应器，其包括反应器筒体、溢流槽、液体出口、气体出口和至少一个装有多个上面所述的微气泡发生器的气体分布盘。溢流槽、液体出口和气体出口均位于反应器筒体上半部，气体出口高度高于溢流槽和液体出口。

所述的气体分布盘上多个微气泡发生器等间距排列，优选地，多个微气泡发生器呈正三角形或正方形排布。

根据本发明的优选实施方式，所述气体分布盘设置在反应器的下半部，优选地，所述分布盘距反应器底端的距离不大于反应器总高度的1/4。

根据本发明的优选实施方式，所述气液反应器包括至少3个气体分布盘，所述气体分布盘沿反应器轴向设置，沿反应器轴向方向，两个相邻的微气泡发生器的间距相等或逐渐增大。

与现有微气泡发生装置相比，本发明提供的微气泡发生器具有如下优点：结构简单，便于安装和使用，能耗较低。在气液反应器内安装本发明提供的微气泡发生器后，气泡在液相中的停留时间大幅增加，气泡尺寸明显减小，微气泡分率增加，气液传质效率得到显著提升，气泡分散效果好，可以保证气液混合效果。

附图说明

图1是本发明提供的一种微气泡发生器的结构示意图；

图2是本发明提供的另一种微气泡发生器的结构示意图；

图3是本发明提供的微气泡发生器的正视图；

图4是作为对比例的常规文丘里气泡发生器结构示意图

图5是本发明提供的气液反应器结构示意图

图6是图4所示的文丘里气泡发生器产生气泡的微气泡分率；

图7-8是图2所示的微气泡发生器产生气泡的微气泡分率；

本发明中的微气泡定义为直径小于1mm的气泡。

具体实施方式

以下结合图1-6对本发明提供的微气泡发生器和气液反应器进行详细的说明。

图1所示是本发明提供的一种微气泡发生器，包括进气孔、进液管、文丘里管的渐缩段、渐扩段、喉管段。其中，进气孔位于喉管段中心处，进液管与渐缩段外径相切，顺时针方向依次等距排布，渐缩段底部封闭。使用圆管作为进液管，圆管直径为3～9mm，长径比为3～5。进气孔为圆孔，直径3～9mm。

图2所示是本发明提供的另一种微气泡发生器，包括进气孔1、进液管2、文丘里管的渐缩段3、渐扩段4、喉管段5和发展段6。其中，进气孔位于喉管段中心处，进液管与渐缩段外径相切，顺时针方向依次等距排布，渐缩段底部封闭。使用圆管作为进液管，圆管直径为3～9mm，长径比为3～5。进气孔为圆孔，直径3～9mm。

为了获得较好的微气泡发生效果，液体湍流需要具有足够的能量以剪切破碎气泡，因此，通过调节进液管液体流量使喉管段液速u_l大于0.3m/s，且喉管段液速与进气孔处气速的比值为1～50，优选为3～15。

以下通过实施例对本发明作进一步详细的说明。

对比例1

采用如图4所示的文丘里气泡发生器，包括进气孔1，文丘里管结构渐缩段2、渐扩段3、喉管段4和发展段5。文丘里气泡发生器总长95mm，其中渐缩段与渐扩段长度均为40mm，喉管段长度0mm，发展段长15mm。渐扩段入口直径等于渐缩段出口直径，均为26mm，采用圆孔进气孔，个数为1，直径6mm。

以空气作为气体实验介质，水作为与液体实验介质，采用高速相机对文丘里气泡发生器产生的气泡进行拍摄，进气孔处气速u_g＝0.24m/s，喉管处液速从0.32m/s等值增加至1.6m/s。微气泡分率如图6所示，从图中可以看出，随着喉管处液速的增加，微气泡(直径小于1mm)数量占总气泡数量的分率大幅增加，当喉管液速u_l＝1.6m/s，微气泡分率η＝62％。

实施例1

本实施例采用如图1所示的微气泡发生装置来制备微气泡。其中进液管数量为2个，直径6mm，长度30mm。以空气作为气体实验介质，水作为液体实验介质。进气孔处气速u_g＝0.24m/s，喉管处液速从0.32m/s等值增加至1.6m/s，采用高速相机对微气泡产生的气泡进行拍摄，统计得到的微气泡分率随液速的变化如图7所示，从图中可以看出，当喉管液速越大，微气泡分率越高，当喉管处液速u_l＝1.6m/s时，微气泡分率η＝65％。

实施例2

采用如图2所示的微气泡发生器，包括进气孔1，进液管2，文丘里管结构渐缩段3、渐扩管4、喉管5。微气泡发生器总长95mm，其中渐缩段底部封闭，渐缩段与渐扩段长度均为40mm，喉管长度0mm，发展段长15mm。渐扩段出口直径等于渐缩段底部直径，均为26mm。一个圆形进气孔，直径6mm，四个切向进液圆管直径6mm，长度25mm。

以空气-水体系为例，采用高速相机测量微气泡发生器产生的气泡尺寸及分布。进气孔处气速u_g＝0.24m/s，喉管处液速从0.32m/s等值增加至1.6m/s。统计得到的微气泡分率随喉管处液速的变化如图8所示，从图中可以看出，随着喉管处液速的增加，微气泡(直径小于1mm)数量占总气泡数量的分率大幅增加。当喉管液速u_l＝1.6m/s时，微气泡分率η＝72.5％。可见，本发明使用的微气泡发生器相较文丘里气泡发生器具有更好的微气泡发生效果。

实施例3

与实施例1的区别仅在于，进气孔处气速u_g＝0.36m/s，采用高速相机对微气泡发生器产生的气泡进行拍摄，当喉管处液速u_l＝1.60m/s时，微气泡分率η＝64％。

实施例4

与实施例1的区别仅在于，进气孔直径3mm，采用高速相机对微气泡发生器产生的气泡进行拍摄，当喉管处液速u_l＝0.64m/s时，微气泡分率η＝61％。

实施例5

与实施例1的区别仅在于，喉管长度为10mm，采用高速相机对微气泡发生器产生的气泡进行拍摄，当喉管处液速u_l＝0.96m/s时，微气泡分率η＝63％。

实施例6

与实施例1的区别仅在于，渐缩段长度30mm，渐扩段长度50mm，采用高速相机对微气泡发生器产生的气泡进行拍摄，当喉管处液速u_l＝0.64m/s时，微气泡分率η＝60％。

实施例7

与实施例1的区别仅在于，切向个数为6个，采用高速相机对微气泡发生器产生的气泡进行拍摄，当喉管处液速u_l＝0.96m/s时，微气泡分率η＝68％。

实施例8

本实施例采用如图5所示的气液反应器，包括反应器筒体7、气体分布盘8、气体进口9、液体进口10、出口11。其中，气体分布盘个数为1，与反应器底端的距离等于反应器总高度的1/5，分布盘上装有3个微气泡发生器，呈正三角型排布，其结构与例2相同。以空气作为气体实验介质，水作为液体实验介质。进气孔处气速u_g＝0.24m/s，喉管处液速从0.32m/s等值增加至1.6m/s，采用高速相机对微气泡产生的气泡进行拍摄，使用电解质示踪法检测液相宏观混合时间，动态溶氧响应曲线法表征反应器的气液传质性能。当喉管液速u_l＝0.96m/s时，微气泡分率η＝67％，测得液相宏观混合时间t＝51s，气液传质系数k_La＝0.016s^-1。可见，本发明使用的气液发生器具有良好的混合效果和较高的气液传质速率。

实施例9

与实施例9的区别仅在于，微气泡发生器的个数为6个，采用高速相机对微气泡发生器产生的气泡进行拍摄，当喉管处液速u_l＝0.96m/s时，微气泡分率η＝64％，混合时间t＝41s，气液传质系数k_La＝0.019s^-1。

实施例10

与实施例9的区别仅在于，气体分布盘的个数为2个，处于上方的气体分布盘距反应器底部等于反应器总高度的1/4。采用高速相机对微气泡发生器产生的气泡进行拍摄，当喉管处液速u_l＝0.96m/s时，微气泡分率η＝71％，混合时间t＝35s，气液传质系数k_La＝0.024s^-1。

实施例11

与实施例9的区别仅在于，气体分布盘距反应器底部等于反应器总高度的1/4。采用高速相机对微气泡发生器产生的气泡进行拍摄，当喉管处液速u_l＝0.96m/s时，微气泡分率η＝61％，混合时间t＝52s，气液传质系数k_La＝0.015s^-1。

综上可知，利用切向进液管使液体相互撞击增强湍流，从而剪切破碎气泡产生大量微气泡，同时呈螺旋状上升的液体携带被破碎的气泡进入反应器，增强了气泡分散，保证气液间良好混合效果，达到较高的传质速率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求中。

Claims (10)

1.一种微气泡发生器，包括文丘里管、进液管和进气孔，其特征在于，文丘里管从下至上依次至少包括底部封闭的渐缩段、喉管段和渐扩段，进液管位于文丘里管渐缩段底部，进气孔位于喉管段。

2.根据权利要求1所述的微气泡发生器，其特征在于，所述进液管与文丘里管渐缩段外径相切，称之为切向进液管，按照顺时针或逆时针依次等距布置。

3.根据权利要求1或2所述的微气泡发生器，其特征在于，所述切向进液管数量为1～16个。

4.根据权利要求1-3任一项所述的微气泡发生器，其特征在于，喉管段处液速u_l大于0.3m/s，进气孔处气速u_g大于0.03m/s，其中液气速度比为1～50。

5.根据权利要求1-4任一项所述的微气泡发生器，其特征在于，进液管直径不大于喉管段径；长度不长于文丘里管渐缩段底部半径的3倍。

6.根据权利要求1-5任一项所述的微气泡发生器，其特征在于，进气孔个数为1～6个，且进气孔直径不大于喉管段半径。

7.根据权利要求1-6任一项所述的微气泡发生器，其特征在于，文丘里管渐缩段长度不大于渐扩段长度，渐扩段出口直径不大于渐缩段底部直径，文丘里管高度与喉管段直径的高径比为2～14，渐缩段收缩角度和渐扩段扩散角度均为5～15°，喉管段长度不大于渐扩段长度。

8.根据权利要求1-7任一项所述的微气泡发生器，其特征在于，文丘里管渐扩段上方可设置发展段，发展段长度不大于渐扩段的长度。

9.一种气液反应器，包括反应器筒体、溢流槽、液体出口、气体出口和至少一个装有多个权利要求1-8任一项所述的微气泡发生器的气体分布盘，其特征在于，气体分布盘设置在反应器的下半部，气体分布盘上多个微气泡发生器等间距排布；溢流槽、液体出口和气体出口均位于反应器筒体上半部，气体出口高度高于溢流槽和液体出口。

10.根据权利要求9所述的气液反应器，其特征在于，所述气液反应器包括至少3个气体分布盘，所述气体分布盘沿反应器轴向设置，且沿反应器轴向方向，两个相邻的分布盘的间距相等或逐渐增大。