CN109966939A - 一种文丘里型微气泡发生器及气液发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种文丘里型微气泡发生器及气液发生器，属于微气泡发生器领域。针对现有技术存在的制造难度大、气泡尺寸离散、能耗高等缺点，本发明的文丘里型微气泡发生器由旋流装置、进气孔和文丘里管组成，文丘里管从下至上依次至少包括渐缩段、喉管段和渐扩段。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

一种文丘里型微气泡发生器及气液发生器
技术领域
本发明涉及石油化工领域，具体涉及一种文丘里型微气泡发生器及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，发生方式主要分为剪切接触式，如文丘里型微气泡发生器；溶气释放式，如压力溶解型微气泡发生器；微孔散气式，如微孔塑料、橡胶和陶瓷管等；超声成泡式和电解析出式五大类。
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、维护成本低的文丘里型微气泡发生器。所述文丘里型微气泡发生器至少由文丘里管、进气孔和旋流装置组成，其中，文丘里管至少包括渐缩段、喉管段和渐扩段，至少一个所述旋流装置位于渐扩段；一种优选的方案是渐缩段和渐扩段各有至少一个旋流装置，进气孔位于喉管段。所述旋流装置包括但不限于螺旋型内构件、切向管、旋流板等。
从文丘里管渐缩段底部进入的液体经过喉管段的喉管后，液速增加，湍动能增大，从进气孔将气体抽吸进入文丘里管，在高速液体射流的剪切作用下发生一次破碎；随后，位于文丘里管渐扩段的旋流装置再次增强液体剪切力，高速强湍动的液体使得气泡发生二次破碎，产生大量微气泡，被破碎的气泡由于旋流装置的作用，呈螺旋状进入反应器，增强了气泡在反应器中的分散效果，强化气液混合。
所述螺旋内构件与文丘里管内壁面相切，由中心轴和至少两列沿轴向分布的多个梯形体组成，每个梯形体的宽和高相等，每行梯形体长度相等，梯形体可绕中心轴旋转，旋转角度为0～180°。一种优选的方案是梯形体呈3～5列排布，每列个数为8～12个，每行宽2～4mm，高1～3mm，螺旋内构件的旋转角度为90～180°。
所述切向管与文丘里管外壁面相切，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。当切向管位于文丘里管入口的渐缩段时，文丘里管入口端封闭，液体从切向管进入文丘里管，形成旋流；当切向管位于文丘里管出口的渐扩段时，文丘里管出口端封闭，气液混合流体从切向管出文丘里管。一种优选的实施方式是切向管位于文丘里管入口的渐缩段。
所述旋流板与文丘里管内壁面相切，由至少三列完全一样的弯曲面组成，每扇弯曲面扭转角度为30～120°，各扇弯曲面绕中心轴等角度排列，总高度不超过文丘里管总高度的1/4。一种优选的方案是弯曲面呈4～6列排布，扭转角度为60～90°。
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入口直径，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0～15°，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ul大于0.3m/s，进气孔处气速ug大于0.03m/s，，且喉管处液速ul与进气孔处气速ug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文丘里型微气泡发生器的结构示意图；
图2是本发明提供的出口旋流装置为切向管件的文丘里型微气泡发生器的结构示意图；
图3是本发明提供的进出口旋流装置分别为螺旋内构件和切向管的文丘里微气泡发生器的结构示意图；
图4是本发明提供的进出口旋流装置分别为切向管和螺旋内构件的文丘里微气泡发生器的结构示意图；
图5是作为对比例的常规文丘里气泡发生器结构示意图
图6是本发明提供的气液反应器结构示意图
图7是图5所示的文丘里气泡发生器产生气泡的微气泡分率；
图8是图3所示的微气泡发生器产生气泡的微气泡分率；
图9是图6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1-9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文丘里型微气泡发生器，包括螺旋内构件、进气孔、渐缩段、喉管段和渐扩段。其中，进气孔位于喉管段中心处，螺旋内构件位于渐扩段并与渐扩段内壁面相切。其中梯形体呈3～5列排布，每列个数为8～12个，每个梯形体宽2～4mm，高1～3mm，螺旋内构件旋转角度90～180°，高度为渐缩段长度的1/3～2/3，进气孔为圆孔，直径3～9mm。
图2所示是本发明提供的出口装有切向管的文丘里型微气泡发生器。包括进气孔、渐缩段、喉管段、渐扩段和切向管。其中，进气孔位于喉管段中心处。切向管位于渐扩段且与渐扩段外壁面相切，此时渐扩段顶部封闭。切向管数量为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。进气孔为圆孔，直径3～9mm。
图3所示是本发明提供的另一种文丘里型微气泡发生器，包括螺旋内构件1、渐缩段2、喉管段3、进气孔4、渐扩段5和切向管6。其中，进气孔位于喉管段中心处，进气孔为圆孔，直径3～9mm。螺旋内构件位于渐缩管底部且与渐缩管内壁面相切，其中梯形体呈3～5列排布，每列个数为8～12个，每个梯形体宽2～4mm，高1～3mm，螺旋内构件旋转角度90～180°，高度为渐缩段长度的1/3～2/3，进气孔为圆孔，直径3～9mm。切向管6位于渐扩段顶部且与渐扩段外壁面相切，此时渐扩段顶部封闭。切向管数量为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，长度不长于渐扩段底部半径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个圆管作为切向管，其中圆管的直径为3～9mm，长径比为3～5。
图4所示是本发明提供的另一种文丘里型微气泡发生器，包括切向管、文丘里管和螺旋管。其中，进气孔位于喉管段中心处，进气孔为圆孔，直径3～9mm。切向管位于渐缩段底部且与渐缩段外壁面相切，此时渐缩段底部封闭。切向管数量为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个圆管作为切向管，其中圆管的直径为3～9mm，长径比为3～5。螺旋内构件位于渐扩段顶部且与渐扩管内壁面相切，其中梯形体呈3～5列排布，每列个数为8～12个，每个梯形体宽2～4mm，高1～3mm，螺旋内构件旋转角度90～180°，高度为渐扩段长度的1/3～2/3，进气孔为圆孔，直径3～9mm。
图5所示是作为对比例的常规文丘里气泡发生器结构示意图，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。其中，进气孔位于喉管段中心处，进气孔为圆孔。
图6所示包括反应器筒体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1～3个，与反应器底端的距离等于反应器总高度的1/3～1/5，分布盘上装有至少3个微气泡发生器，呈正三角型排布，其结构与例2相同。
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5所示的文丘里气泡发生器，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-水体系作为模拟实验介质，采用高速相机对文丘里发生器产生的气泡进行拍摄，进气孔处气速ug＝0.24m/s，喉管处液速ul从0.32m/s翻2-5倍等值增加至1.6m/s。微气泡分率如图7所示，从图中可以看出，随着喉管处液速ul的增加，微气泡(直径小于1mm)数量占总气泡数量的分率η大幅增加，当喉管液速ul＝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，其中螺旋内构件的梯形体为四列排布，每列梯形体个数为10，每个梯形体宽3mm，高1mm，螺旋内构件顶部长26mm，底部长22mm。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ug＝0.24m/s，喉管处液速ul从0.32m/s翻2-5倍等值增加至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8所示，从图中可以看出，当喉管液速ul越大，微气泡分率η越高，当喉管处液速ul＝0.96m/s时，微气泡分率η＝58％。
实施例2
采用如图3所示的微气泡发生器，包括螺旋内构件1、渐缩段2、喉管段3、进气孔4、渐扩段5和切向管6。微气泡发生器总长95mm，其中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入口直径，均为26mm。一个圆形进气孔，直径6mm。螺旋内构件呈四列排布，高度为20mm，旋转角度90°，每列梯形体个数为10个，每个梯形体高2mm，宽3mm，螺旋内构件顶部长26mm，底部长22mm。切向出液管数量为4个，直径6mm，长度30mm。
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ug＝0.24m/s，喉管处液速ul从0.32m/s翻2-5倍等值增加至1.6m/s。统计得到的微气泡分率随喉管处液速的变化如图9所示，从图中可以看出，随着喉管处液速ul的增加，微气泡(直径小于1mm)数量占总气泡数量的分率η大幅增加。当喉管液速ul＝0.96m/s时，微气泡分率η＝77％。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2的区别仅在于，进气孔处气速ug＝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ul＝0.96m/s时，微气泡分率η＝71％。
实施例4
与实施例2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ul＝0.96m/s时，微气泡分率η＝66％。
实施例5
与实施例2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ul＝0.96m/s时，微气泡分率η＝78％。
实施例6
与实施例2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ul＝0.64m/s时，微气泡分率η＝69％。
实施例7
与实施例2的区别仅在于，出口旋流装置为螺旋内构件，进口旋流装置为切向管，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ul＝0.96m/s时，微气泡分率η＝73％。
实施例8
与实施例2的区别仅在于，进出口旋流装置均为螺旋管，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ul＝0.96m/s时，微气泡分率η＝74％。
实施例9
与实施例2的区别仅在于，进出口旋流装置均为切向管，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ul＝0.96m/s时，微气泡分率η＝72％。
实施例10
本实施例采用如图6所示的气液反应器，尺寸与例2相同。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ug＝0.24m/s，喉管处液速从0.32m/s翻2-5倍等值增加至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ul＝0.96m/s时，微气泡分率η＝77％，测得液相宏观混合时间t＝53s，气液传质系数kLa＝0.022s-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11
与实施例10的区别仅在于，微气泡发生器的个数为3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ul＝0.96m/s时，微气泡分率η＝80％，混合时间t＝45s，气液传质系数kLa＝0.027s-1。
实施例12
与实施例10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ul＝0.64m/s时，微气泡分率η＝78％，混合时间t＝39s，气液传质系数kLa＝0.032s-1。
实施例13
与实施例10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ul＝0.96m/s时，微气泡分率η＝70％，混合时间t＝55s，气液传质系数kLa＝0.020s-1。
综上可知，利用出口旋流装置增强液体湍流，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)

1.一种文丘里型微气泡发生器，其特征在于，包括文丘里管、进气孔和旋流装置，文丘里管从下至上依次至少包括渐缩段、喉管段和渐扩段，至少一个旋流装置位于渐扩段，旋流装置包括螺旋内构件、切向管和旋流板中的一种或多种。所述螺旋内构件与文丘里管内壁面相切，由中心轴和至少两列呈螺旋状的挡板组成；所述切向管与文丘里管外壁面相切，数量为1～16个，按照顺时针或逆时针依次等距排布。
2.根据权利要求1所述的文丘里型微气泡发生器，其特征在于，渐缩段和渐扩段各有至少一个旋流装置。
3.根据权利要求1或2所述的文丘里型微气泡发生器，其特征在于，所述螺旋内构件由中心轴和至少两列沿轴向分布的多个梯形体组成，每个梯形体的宽和高相等，每行梯形体长度相等，螺旋内构件的梯形体可绕中心轴旋转，旋转角度为0～180°。
4.根据权利要求1或2所述的文丘里型微气泡发生器，其特征在于，所述切向管直径不大于喉管段半径，长度不长于文丘里型微气泡发生器的一半。
5.据权利要求1-4任一项所述的微气泡发生器，其特征在于，进气孔数量为1～16个，且进气孔直径不大于喉管段半径。
6.据权利要求1-5任一项所述的微气泡发生器，其特征在于，渐缩段长度不大于渐扩段长度，渐扩段出口直径不小于渐缩段入口直径，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0～15°，喉管段长度不大于渐扩段长度。
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，渐扩段上方可设置发展段，发展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，喉管段处液速ul大于0.3m/s，进气孔处气速ug大于0.03m/s，其中液气速度比为1～50。
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。
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