CN112119042A - 将液体介质中的臭氧氧化分为三个单元操作用于工艺优化 - Google Patents

Abstract

披露了用于生产氧化液体的解耦合的系统和方法。该方法包括以下步骤：在质量传递单元中生成浓臭氧水，在混合单元中将该浓臭氧水与工艺液体混合以形成该浓臭氧水和该工艺液体的均匀且无气体的混合物，将该均匀且无气体的混合物运送到反应单元，以及在该反应单元中生产该氧化液体。与在大气压和中性或碱性pH下的现有技术工艺相比，该方法利用酸性进料液体来生成具有在饱和或几乎饱和的浓度下的较高浓度的溶解在水中的臭氧。

Description

将液体介质中的臭氧氧化分为三个单元操作用于工艺优化

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月28日提交的美国专利申请序列号15/938,786的权益，出于所有的目的将所述申请通过引用以其全文结合在此。

技术领域

本发明涉及用于将液体介质中的臭氧(O₃)氧化分为三个单元操作用于工艺优化的方法和设备，特别是用于将水中的臭氧氧化分为三个单元操作用于使用溶解在水中的臭氧(“浓臭氧水(ozone strong water)”)生产氧化液体的方法和设备。臭氧溶解水(ozonedissolved water)是加压无气体的高浓缩或饱和或接近饱和(例如饱和浓度的10％以内，如5％或1％或0.1％)的臭氧溶解水，其若在大气压下则是过饱和的。

背景技术

液体氧化用于氧化在溶液中时的化合物。在典型的液体氧化工艺中，将含氧气体掺入液体或受污染的液体介质中以适当地破坏化学污染物。它可以用于修复各种有机和无机化合物，包括抗自然降解的一些有机和无机化合物。此工艺中使用的常见氧化剂之一是臭氧(O₃)。

基于臭氧的氧化处理在工业界是常见的。臭氧在制药工业中用于若干化合物的氧化。它也可用于漂白物质以及杀死空气和水源中的微生物。大多数臭氧反应发生在液体介质中。臭氧是气体，首先需要将其溶解在水或液体介质中(所谓的质量传递)，并且然后将溶解在水或液体介质中的臭氧(dO₃)用作氧化剂与化合物反应来进行氧化。在工业中，臭氧溶解水或液体介质可以用于以下领域但不限于以下领域：

·除去微污染物和氧化三级水中的硬的可降解有机组分；

·化学攻击水中的污染物(铁、砷、硫化氢、亚硝酸盐、复杂的有机物和去定殖物(decolonization)；

·代替氯对水进行消毒，如饮用水、工艺液体等；

·为絮凝(分子的团聚，其有助于过滤，在该过滤中除去铁和砷)提供助剂；

·经由化学合成制造化合物；

·洗涤新鲜水果和蔬菜以杀死酵母菌、霉菌和细菌；以及

·漂白纸浆和纸。

当前，用于基于臭氧的废水处理的臭氧溶解、混合和反应的工艺在单个反应器中进行，例如，在废水处理厂(WWTP)的大型混凝土水池中进行。图1是设计为在单个反应器100中具有所有工艺(溶解(质量传递)、混合和反应)的常见臭氧反应器系统的框图。在那些系统中，臭氧气体通常经由气泡扩散器或泵注射器系统注入到臭氧反应器中。在此注意，在单个反应器100中，混合工艺可能发生或可能不发生，因为溶解的臭氧将立即在反应器中与反应物反应。此类反应器的实例是由威德高公司(Wedeco)制造的中试设备：瑞士的雷根斯多夫WWTP和洛桑WWTP以及德国的埃姆舍联合WWTP和杜伊斯堡WWTP(WWTP Regensdorf&WWTPLausanne in Switzerland,and WWTP Emscher Verbund and WWTP Duisburg inGermany)。此种系统通常具有大体积的反应器(例如，333m³)，因为水力停留时间通常在20min与40min之间。取决于不同的氧化应用，通常的臭氧剂量范围为在2g与200g之间的臭氧/m³经处理的工艺液体。另外，上述单个反应器典型地在约1巴的大气压下操作，在不进一步加压下无法回收来自单个反应器的废气流中未溶解的臭氧和氧气，造成臭氧和/或氧气和在系统中生成臭氧所消耗的能量的浪费。

一般来说，已知与溶解的臭氧和在工艺液体中的可氧化成分的反应速率相比，臭氧在水中的溶解速率(也称为气体到液体质量传递速率)是速率限制步骤。在许多工业工艺(例如，将臭氧用于废水的高级或三次处理)中，臭氧在水中的溶解或臭氧质量传递是整个工艺中的时间限制步骤。另外，在许多情况下，因为溶解和反应都在同一反应器中发生，所以这些反应器没有针对溶解或反应过程进行优化。因此，使臭氧注入/臭氧施加设备的溶解、混合和反应解耦合将产生工艺灵活性，并使得臭氧生成器能够在更经济和技术上优化的条件下操作和/或使得臭氧气体再循环能够更有效。

发明内容

披露了一种用于生产氧化液体的方法，该方法包括以下步骤：在质量传递单元中生成浓臭氧水，在混合单元中将该浓臭氧水与工艺液体混合以形成该浓臭氧和该工艺液体的均匀且无气体的混合物，将该均匀且无气体的混合物运送到反应单元，以及在该反应单元中生产该氧化液体。

还披露了该方法进一步包括以下步骤：将CO₂气体或酸注入配置成且适于形成酸性进料液体的加压进料液体中，并将加压酸性进料液体进料到配置成且适于形成大量加压酸性液体的质量传递单元中以在其中生成该浓臭氧水。

还披露了该方法进一步包括利用酸性进料液体生成具有在饱和或几乎饱和的浓度下的较高浓度的溶解在水中的臭氧(与在大气压和中性或碱性pH下的现有技术工艺相比)。

还披露了该方法进一步包括从来自该质量传递单元的加压废气流中再循环臭氧气体，以用作到该质量传递单元中的臭氧进料；和/或从来自该质量传递单元的加压废气流中再循环氧气，以用作到现有的二级废水处理系统中的氧气进料。

还披露了该浓臭氧水的pH值在3至7的范围内。

还披露了该浓臭氧水的pH值在4至6的范围内。

还披露了该浓臭氧水的pH值为5。

还披露了该浓臭氧水的pH值为4。

还披露了该浓臭氧水和工艺液体的均匀且无气体的混合物是混合质量为>大约95％的该浓臭氧水和该工艺液体的混合物。

还披露了该浓臭氧水的压力范围为从2巴表压(barg)至7巴表压。

还披露了该浓臭氧水的压力范围为从3巴表压至6巴表压。

还披露了该浓臭氧水的压力为约5巴表压。

还披露了维持来自该质量传递单元的该浓臭氧水的压力，直至将该浓臭氧水注入到该工艺液体中，从而避免脱气。

还披露了该反应单元中的该均匀且无气体的混合物的压力为大约1巴或大气压。

还披露了维持该反应单元中的该均匀且无气体的混合物的压力与该浓臭氧水的压力相同。

还披露了该反应单元中的该均匀且无气体的混合物的压力为约5巴表压。

还披露了该工艺液体主要由水构成。

还披露了该工艺液体包括淡水、自来水、工艺水、流出水、市政废水和工业废水、已经通过二级处理工艺处理的废水等。

还披露了该工艺液体携带待被氧化的组分。

还披露了该进料液体由水构成。

还披露了该进料液体包括淡水、自来水、工艺水、流出水、市政废水和工业废水、已经通过二级处理工艺处理的废水等。

还披露了该进料液体和该工艺液体来自同一来源。

还披露了该浓臭氧水中臭氧的稳态浓度大于大约150mg/L。

还披露了该浓臭氧水中臭氧的稳态浓度范围为从大约150mg/L至约300mg/L。

还披露了该浓臭氧水中臭氧的稳态浓度为最高达大约200mg/L。

还披露了该浓臭氧水中臭氧的稳态浓度为最高达大约300mg/L。

还披露了一种用于生产氧化液体的液体氧化系统，该系统包括配置成并适于生成浓臭氧水的质量传递单元、配置成并适于将该浓臭氧水与工艺液体混合以形成该浓臭氧水和该工艺液体的均匀且无气体的混合物的混合单元以及配置成并适于接收该均匀且无气体的混合物并在其中生产氧化液体的反应单元。

还披露了该系统进一步包括pH调节单元，该调节单元配置成并适于形成加压酸性进料液体，并且进一步配置成并适于向该质量传递单元中进料以在酸性条件下生成该浓臭氧水。

还披露了将CO₂气体或无机酸注入加压进料液体中，该加压进料液体流过该配置成且适于形成加压酸性进料液体的pH调节单元。

还披露了该浓臭氧水的pH低于7。

还披露了该浓臭氧水的pH为约5。

还披露了该浓臭氧水的pH为约4。

还披露了该质量传递单元内部的压力范围为从2至7巴表压。

还披露了该质量传递单元内部的压力范围为从3至6巴表压。

还披露了该质量传递单元内部的压力为约5巴表压。

还披露了一种用于使用液体氧化剂进行液体氧化工艺的方法，该方法包括以下步骤：在混合单元中将液体氧化剂与工艺液体混合以形成该氧化剂和该工艺液体的均匀且无气体的混合物，将该均匀且无气体的混合物运送到反应单元，以及在该反应单元中生产氧化液体。

还披露了该氧化剂是气态的，进一步包括在质量传递单元中生成该液体氧化剂的步骤。

符号和命名法

以下详细说明和权利要求书利用了本领域中通常众所周知的许多缩写、符号和术语，并且包括：

如本文所用，除非另外指定或从上下文清楚地针对单数形式，否则不定冠词“一个/种(a/an)”通常应被解释为意指“一个/种或多个/种”。

如本文所用，在正文或权利要求书中的“约(about)”或“大约(around或approximately)”意指所述值的±10％，如±5％或±1％。

如本文所用，在正文或权利要求书中的“接近(close to)”或“几乎(nearly)”意指所述术语的10％内，如5％或1％内。例如，“接近或几乎饱和浓度”是指饱和浓度的10％以内。

如本文所用，在正文或权利要求书中的“快速稀释(quick dilusion/rapiddilusion)”意指稀释过程在大约几秒内发生，如2秒或1秒或0.5秒。

如本文所用，术语“臭氧传递”、“臭氧质量传递”和“臭氧溶解”均旨在是指将臭氧气体溶解到水中。

术语“浓臭氧水”是指加压无气体的高浓缩或饱和或接近饱和(例如饱和浓度的10％以内，如5％或1％或0.1％)的臭氧溶解水，其若在大气压下则是过饱和的。该浓臭氧水的应用之一是用作液体氧化剂。

术语“进料液体”是指典型地主要由水构成的液体，如淡水、自来水、工艺水、流出水、市政废水和工业废水、已经通过二级处理工艺处理的废水等。

术语“工艺液体”是指典型地主要由水构成的液体，如淡水、自来水、工艺水、流出水、市政废水和工业废水、已经通过二级处理工艺处理的废水等。

术语“氧化液体”是指其非水成分已被氧化剂部分或完全氧化的工艺液体。可替代地，术语“氧化液体”是指具有已在工艺液体中被浓臭氧水氧化的组分的生产的液体。可替代地，术语“氧化液体”在特定情况下是指从氧化工艺中出来的液体，其中由于合适的氧化剂的作用，存在于工艺液体中的各种有机和无机成分已被转化成氧化形式。

术语“臭氧化”是指通过输注臭氧而破坏微生物并降解有机和无机污染物的水处理工艺。臭氧化是基于将臭氧输注到水中的化学水处理技术。臭氧化是一种高级氧化工艺，涉及生产非常具反应性的氧物种(其能够攻击各种各样的有机和无机化合物以及所有微生物)。

术语“臭氧化的水”是指将臭氧鼓泡通过水的产物，其含有一定水平的溶解在水中的臭氧。

术语“臭氧剂量”被定义为进料到水中的气相中的臭氧量(克/分钟)。

术语“过饱和的”是指气体的液体溶解，其在大气条件下不稳定并且会脱气。

术语“均匀的”是指混合质量为>大约95％的流体的混合物。在此，混合质量是混合物均匀性或一致性的量度，并且是从统计基本变量计算的。变动系数是最常用的量度。此值越接近0，则混合物越均匀。为了形象化，将其从1中减去并以％指定。因此，100％的混合质量(或变动系数＝0)是指最佳混合条件，但这实际上是不可实现的。混合质量>95％被认为是技术上均匀的。

术语“无气体的”是指没有可见的单个气泡和/或没有由微气泡引起的可检测浊度的液体。

在本文中对“一个实施例”或“实施例”的提及意指关于该实施例描述的特定特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中不同地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部是指同一个实施例，单独的或替代性的实施例也不一定与其他实施例互斥。上述情况也适用于术语“实施”。

此外，术语“或”旨在意指包括性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另有说明或从上下文中清楚，否则“X采用A或B”旨在意指任何自然的包括性排列。也就是说，如果X采用A；X采用B；或者X采用A和B两者，则在任何前述情况下均满足“X采用A或B”。

权利要求书中的“包括(comprising)”是开放式过渡术语，其是指随后确定的权利要求要素是无排他性的清单，即，其他任何事物可以附加地被包括并且保持在“包括”的范围内。“包括”在此被定义为必要地涵盖更受限制的过渡术语“基本上由……组成”和“由……组成”；因此“包括”可以被“基本上由……组成”或“由……组成”代替并且保持在“包括”的清楚地限定的范围内。

权利要求中的“提供”被定义为是指供给、供应、使可获得或制备某物。该步骤可以相反地由任何行动者在权利要求中没有明确的语言的情况下执行。

在本文中范围可以表述为从大约一个具体值和/或到大约另一个具体值。当表述此种范围时，应理解的是另一个实施例是从所述一个具体值和/或到所述另一个具体值、连同在所述范围内的所有组合。

附图说明

为了进一步理解本发明的本质和目的，应结合附图来参考以下详细说明，在附图中相似元件给予相同或类似的参考号，并且其中：

图1是设计为在单个反应器100中具有所有三种工艺(溶解(质量传递)、混合和反应)的常见臭氧反应器系统的框图；

图2是取决于温度和压力的计算的在水中的臭氧溶解度的结果；

图3是解耦合氧化系统的示例性实施例的框图，该系统将液体介质中的臭氧氧化工艺分为三个单元操作用于工艺优化；并且

图4是图3中所用的示例性pH调节装置的框图。

具体实施方式

披露了用于将液体介质中的氧化工艺分成或解耦合成三个单元操作用于工艺优化的方法和设备，特别是用于将水中的臭氧(O₃)氧化工艺分为三个单元操作用于用浓臭氧水生产氧化液体的方法和设备。浓臭氧水是加压无气体的高浓缩或饱和或接近饱和(例如饱和浓度的10％以内，如5％或1％或0.1％)的臭氧溶解水，其若在大气压下则将是过饱和的。该浓臭氧水的应用之一是用作生产氧化液体的液体氧化剂。

所披露的解耦合氧化系统将臭氧氧化工艺分为三个步骤，即，臭氧溶解(质量传递)步骤、混合步骤和反应步骤。关于臭氧质量传递的步骤，臭氧溶解度是使臭氧溶解于水中的最大限制因素。在水中的臭氧溶解度表示为臭氧在水中的饱和点，并取决于水的温度、臭氧气体的浓度、水的压力、臭氧气泡的大小等。图2示出了取决于温度和压力的计算的在水中的臭氧溶解度的结果。看到的是，随着反应器中压力的增加，从气态臭氧到溶解在水中的臭氧的质量传递动力学增加。除了水的压力和温度之外，发现臭氧溶解度还取决于水的pH。pH值低于7有利于将臭氧溶解在水中。

参考图3，示出了所披露的解耦合氧化系统的示例性实施例的框图，该系统包括三个单独的单元，质量传递单元204、混合单元206和反应单元208。三个单独的单元各自是压力容器，并串联流体连接。pH调节装置202将加压酸性进料液体进料至质量传递单元204。pH调节装置202可以包括与CO₂气体注射器14流体连接的泵12，如图4所示。泵12是高压液体泵，其被设置用于将进料液体注入到质量传递单元204。在此，质量传递单元204的流入物、压力和水位由反馈控制回路控制。进料液体典型地主要由水构成，如淡水、自来水、工艺水、流出水、市政废水和工业废水、已经通过二级处理工艺处理的废水等。进料液体通过泵12加压并且然后通过CO₂气体注射器14，在该气体注射器中将CO₂注入加压进料液体以实现酸性pH，实验证实了其通过解离溶解在水中的臭氧来抑制OH自由基的形成，从而增加了稍后水中的溶解的O₃(dO₃)的浓度。本领域技术人员将认识到，除了CO₂气体之外，无机酸或其他酸也可能为进料液体提供酸性pH。CO₂气体注射器14可以是气液文丘里喷嘴，如果可用的CO₂气体压力低于质量传递单元204内部的压力，则该气液文丘里喷嘴将CO₂气体吸入加压进料液体流中。参照图3，将由pH调节装置202形成的加压酸性进料液体进料到质量传递单元204，在该质量传递单元中臭氧气体在其中扩散以在该质量传递单元204中生产浓臭氧水。臭氧气体可以通过将氧气转化成臭氧气体的臭氧生成器生成。进料到质量传递单元204的臭氧气体是臭氧和未转化的氧气的气体混合物。

为了生产浓臭氧水的目的，优选地通过将CO₂气体(或无机酸或其他酸)添加到进料液体中而将质量传递单元204中水的pH值维持在低于7。这通过在泵12与质量传递单元204之间安装CO₂气体注射器14来完成。注入到CO₂气体注射器14中的CO₂量和进料液体的流速可以通过合适的仪器连续地监测并调节。

为了产生最大的臭氧质量传递速率，质量传递单元204中水的pH值优选地维持在大约3至7的范围内。更优选地，质量传递单元204中水的pH值为大约3至5。甚至更优选地，质量传递单元204中水的pH值维持在大约5。甚至更优选地，质量传递单元204中水的pH值维持在大约4。本领域普通技术人员将认识到，pH值可以通过经由CO₂气体注射器14控制CO₂进入加压进料液体的净流量来调节。

结合到质量传递单元204的冷却旋管可以被调节以将质量传递单元204中水的温度维持在所希望的恒定水平下用于生产浓臭氧水。优选地，质量传递单元204的温度范围为从10℃至30℃。更优选地，质量传递单元204的温度范围为从15℃至25℃。甚至更优选地，质量传递单元204的温度维持在环境温度(如大约20℃)下，以在优化操作成本下实现目标操作。

在所披露的解耦合氧化系统的连续操作期间，质量传递单元204连续地填充有加压酸性进料液体。在质量传递单元204中形成大量加压酸性液体。优选地，质量传递单元204的气体顶部空间的压力维持在大约2至7巴表压的范围内。更优选地，质量传递单元204的气体顶部空间的压力维持在大约3至6巴表压的范围内。甚至更优选地，质量传递单元204的气体顶部空间的压力维持在大约5巴表压。相应地，由泵12泵送的进料到质量传递单元204的水的压力略微大于质量传递单元204中的气体顶部空间的压力，以便将水进料到质量传递单元204中。在生产浓臭氧水时，将含有臭氧和氧气的废气流从质量传递单元204排出，可以将其再循环回到质量传递单元204，以再利用为臭氧进料或耦合回到二级废水处理溶液以用作氧气进料，因为从质量传递单元204出来的废气流具有的压力高于环境压力。气体顶部空间的压力或质量传递单元的内部压力可通过控制废气的流速来调节。这样，质量传递单元204中生产的浓臭氧水的压力在大约2至7巴表压的范围内。更优选地，质量传递单元204中生产的浓臭氧水的压力在大约3至6巴表压的范围内。甚至更优选地，质量传递单元204中生产的浓臭氧水的压力在大约5巴表压下。

质量传递单元204可以包括具有一个反应器的单级臭氧化工艺。质量传递单元204可以包括具有两个反应器的两级臭氧化工艺，其中两个反应器之一是利用含有臭氧和氧气的再循环废气流的预臭氧化反应器。质量传递单元204可以将溶解在水中的臭氧的可达到的稳态浓度增加到大于大约150mg/L、优选最高达大约200mg/L、更优选最高达大约300mg/L。在高压下水中的溶解臭氧的高浓度可以对应于水中的溶解臭氧的饱和浓度或接近饱和浓度。当压力下降时，水中的溶解臭氧的浓度可以是过饱和的。浓臭氧水的生产可能耗费大约20min。另外，质量传递单元204的体积可以比如图1中示出的常见臭氧反应器系统小得多。例如，在所披露的解耦合氧化系统中使用的大约20m³反应器可以等同于在常见臭氧反应器系统中使用的用于生成相同量的溶解臭氧的大约333m³反应器。

进料到质量传递单元204的加压酸性进料液体的流速和从质量传递单元204递送出的生产的浓臭氧水的流速可被调节以在连续操作期间，将质量传递单元中的液体积维持在近似恒定的水平。进料到质量传递单元204的加压酸性进料液体的流速与从质量传递单元204递送出的生产的浓臭氧水的流速可以大致相同。然后将生产的浓臭氧水进料到混合单元206，在该混合单元中将该生产的浓臭氧水与进料到其中的工艺液体混合。将浓臭氧水与工艺液体混合以形成浓臭氧水与工艺液体的均匀混合物用于氧化微污染物、杀死微生物或进行任何类似的氧化工艺。在此，工艺液体典型地主要由水构成，如淡水、自来水、工艺水、流出水、市政废水和工业废水、已经通过二级处理工艺处理的废水等。工艺液体携带应通过液体氧化工艺氧化的组分。运送到混合单元206的工艺液体的压力范围为但不限于在0.1巴表压与1.6巴表压之间。此外，在一个实施例中，进料液体和该工艺液体可以来自同一来源。

混合单元206可以具有用于将所生产的浓臭氧水和工艺液体分别注入其中的液体入口。混合单元206包括压力容器或压力管和混合器。压力管与混合器流体连接。注射装置与压力管联接。工艺液体通过压力管。通过注射装置将浓臭氧水注入到压力管的主流中。浓臭氧水和工艺液体可以同时注入到混合单元206中。注入到混合单元206中的浓臭氧水的流速可以不同于进料到混合单元206中的工艺液体的流速。所披露的混合单元被设计成在将臭氧溶解气体与工艺液体混合的同时消除臭氧气体的脱气。所披露的混合单元能够将浓臭氧水和工艺液体的均匀且无气体的混合物递送到反应单元208中。浓臭氧水注入步骤优选地应尽可能快以限制在混合单元206中的混合器之前的脱气量。否则，当混合单元206的压力低于质量传递单元204的压力时，可能发生臭氧的过度脱气。也就是说，将混合单元206的压力维持在大约0至5巴表压的范围内。更优选地，将混合单元206的压力维持在大约0.5至1.5巴表压的范围内。混合过程的时间可能耗费大约1到5秒。将浓臭氧水快速稀释在工艺液体中可能耗费大约1秒或小于1秒以内。

在注射过程期间，可能发生一些脱气。在此情况下，臭氧气体可以在混合器中再次溶解回到水中。

本领域普通技术人员将认识到，所披露的混合单元可以用于将任何液体氧化剂与工艺液体混合用于液体氧化工艺，以将工艺液体转化为氧化液体。

然后将混合单元206中产生的浓臭氧水与工艺液体的混合物进料到反应单元208，在该反应单元中进行液体氧化工艺，并且将工艺液体转化为氧化液体。反应单元208的压力低于混合单元206的压力，并维持在大约1巴下或大气压下。反应单元208中的反应时间可能耗费大约5分钟。

基于质量传递单元204的操作条件，当从质量传递单元204运送到混合单元206时，浓臭氧水的压力范围可以在3巴表压至10巴表压之间。取决于反应单元208的条件，运送到混合单元206的工艺液体的压力范围可以在0.1巴表压与1.6巴表压之间。工艺液体和在混合单元206中生成的无气体液体氧化剂的所产生的均匀且无气体的混合物的压力范围可以在0.1巴表压与1.5巴表压之间，这主要取决于反应单元208下游的条件。在混合单元中出现大的压降。因此，混合单元206提供从发生高压臭氧动力学的质量传递单元204到在大约大气压下执行氧化工艺的反应单元208的压力转变或压力缓冲。混合单元206将浓臭氧水的压力降低至避免脱气的工艺液体的压力(例如，从6巴降低至1巴)，从而防止来自溶解臭氧的臭氧损失。本领域普通技术人员将认识到在一些实施例中是否可以对反应单元208加压以维持工艺液体的压力以进一步减缓臭氧脱气。

例如，反应单元208中的压力可以维持在与从质量传递单元204出来的浓臭氧水的压力相等的压力，在这种情况下，甚至可以省略混合单元206。例如，如果将浓臭氧水的压力维持在5巴表压，并且工艺液体的压力也维持在5巴表压，那么可以不需要混合单元。

此外，质量传递单元204和反应单元208的尺寸总和比图1中所示的单个反应器的尺寸小得多。与质量传递单元204和反应单元208的尺寸相比，混合单元206的尺寸可被省略。例如，在单罐系统中在20min的停留时间情况下臭氧化1000m³/h的水需要在大气压下333m³的罐体积以进行整个氧化过程(包括溶解和反应过程)。相比之下，如图5中所示，在50m³/h的流速的进料液体进入质量传递单元1中、20分钟的停留时间、5巴表压的压力和pH5下，用质量传递单元1的16.7m³罐体积实现了大约200mg/L的浓臭氧水。然后在混合单元2中将所产生的浓臭氧水与950m³/h的工艺液体混合，并将混合物运送至反应单元3。在1巴下5min的停留时间下，1000m³/h流速的氧化液体需要83.3m³的罐容积。所披露的解耦合系统的总体积要求为16.7m³+83.3m³＝100m³，这远小于单罐系统的333m³的罐体积。

除了使用浓臭氧水作为氧化剂在反应单元208中执行氧化工艺之外，还可以在使用浓臭氧水的反应单元208中进行其他工艺，如消毒工艺。

在连续操作模式下，各个阶段的液体流速处于控制之下。进料到质量传递单元204的进料液体的流速、从质量传递单元204出来的浓臭氧水的流速和进料到混合单元206的浓臭氧水的流速大致相同，其在质量传递单元204中维持了加压酸性水的约恒定体积。从混合单元206出来的混合物的流速与进料到混合单元206的工艺液体的流速有关。从反应单元208出来的氧化液体的流速优选地控制为随着时间的推移与进料到反应器单元208的混合物的流速大致相同。设计三个单元的体积，以确保从所披露的解耦合氧化系统连续地生产氧化液体。

与常规系统(例如，图1)相比，所披露的解耦合氧化系统具有优点。在一些实施例中，所披露的解耦合氧化系统利用酸性进料液体来生成具有在饱和或几乎饱和的浓度(稳态的溶解臭氧水平)下的较高臭氧浓度的溶解在水中的臭氧。与常规系统相比，所披露的解耦合氧化系统利用更小的压力容器，从而节省了空间并且易于操作且易于控制。所披露的解耦合氧化系统能够再循环废气流中的氧气/臭氧气体，以再利用或耦合回到二次废水处理溶液中。因此，所披露的解耦合氧化系统具有与使用氧气的现有废水处理解决方案集成的潜力。另外，由于增加的臭氧溶解和生产性氧化的效率，所披露的解耦合氧化系统可能需要较少的起始臭氧生成，这显著地降低了能量成本(基于臭氧化的工艺液体处理系统的操作的主要成本因素)。由于整个氧化工艺包括各自具有各种可调节因素的多个过程，因此披露的解耦合氧化系统在工艺控制中是灵活的。所披露的解耦合氧化系统将混合过程和反应过程与臭氧溶解生成过程分开，这改善了在反应单元中发生的氧化的反应动力学。此外，所披露的解耦合氧化系统通过对进料液体加压来利用高压臭氧动力学，这有利于增加溶解在水中的臭氧的浓度。

应当理解，由本领域技术人员可在如所附权利要求中所表述的本发明的原则和范围内做出本文已经描述且阐明以解释本发明的本质的细节、材料、步骤和零件布置上的许多附加的改变。因此，本发明不意图限于上面给出的实例和/或附图中的特定实施例。

尽管已示出且描述了本发明的实施例，但本领域技术人员可在不脱离本发明的精神或传授内容的情况下对其进行修改。在此所述的实施例只是示例性的且是非限制性的。组成和方法的许多变化和修改是可能的且在本发明的范围内。因此，保护范围不限于在此所描述的实施例，而仅受随后的权利要求书所限定，其范围应包括这些权利要求的主题的所有等效物。

Claims (15)

1.一种用于生产氧化液体的方法，该方法包括以下步骤：

在质量传递单元中生成浓臭氧水；

在混合单元中将该浓臭氧水与工艺液体混合以形成该浓臭氧水和该工艺液体的均匀且无气体的混合物；

将该均匀且无气体的混合物运送到反应单元；以及

在该反应单元中生产该氧化液体。

2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括以下步骤：

将CO₂气体或无机酸注入配置成且适于形成酸性进料液体的加压进料液体中；以及

将该加压酸性进料液体进料到配置成且适于形成大量加压酸性液体的质量传递单元中以在其中生成该浓臭氧水。

3.如权利要求2所述的方法，其进一步包括以下步骤：

与在大气压和中性或碱性pH下的现有技术工艺相比，利用该酸性进料液体生成具有在饱和或几乎饱和的浓度下的较高浓度的溶解在水中的臭氧。

4.如权利要求3所述的方法，其进一步包括以下步骤：

从来自该质量传递单元的加压废气流中再循环臭氧气体，以用作到该质量传递单元中的臭氧进料；和/或

从来自该质量传递单元的加压废气流中再循环氧气，以用作到现有的二级废水处理系统中的氧气进料。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，该浓臭氧水的pH值低于7。

6.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，该浓臭氧水的压力范围为从2巴表压至7巴表压。

7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，该浓臭氧水中臭氧的稳态浓度大于大约150mg/L。

8.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，该浓臭氧水中臭氧的稳态浓度范围为从大约150mg/L至约300mg/L。

9.一种用于生产氧化液体的液体氧化系统，该系统包括：

质量传递单元，其配置成并适于生成浓臭氧水；

混合单元，其配置成并适于将该浓臭氧水与工艺液体混合以形成该浓臭氧水和该工艺液体的均匀且无气体的混合物；以及

反应单元，其配置成并适于接收该均匀且无气体的混合物并在其中生产氧化液体。

10.如权利要求9所述的系统，其进一步包括pH调节单元，其配置成并适于形成加压酸性进料液体，并且进一步配置成并适于向该质量传递单元中进料以在酸性条件下生成该浓臭氧水。

11.如权利要求10所述的系统，其中，将CO₂气体或无机酸注入加压进料液体中，该加压进料液体流过该配置成且适于形成加压酸性进料液体的pH调节单元。

12.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，该浓臭氧水的pH低于7。

13.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，该质量传递单元内的压力范围为从2至7巴表压。

14.一种用于使用液体氧化剂进行液体氧化工艺的方法，该方法包括以下步骤：

在混合单元中将液体氧化剂与工艺液体混合以形成该氧化剂和该工艺液体的均匀且无气体的混合物；

将该均匀且无气体的混合物运送到反应单元；以及

在该反应单元中生产氧化液体。

15.如权利要求14所述的方法，其中，氧化剂是气态的，该方法进一步包括在质量传递单元中生成该液体氧化剂的步骤。

Images