CN112351839A

CN112351839A - 气液混合喷嘴

Info

Publication number: CN112351839A
Application number: CN201980039787.3A
Authority: CN
Inventors: 吉田有香
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2039-04-04
Also published as: JP7052878B2; JPWO2020070912A1; WO2020070912A1; CN112351839B

Abstract

气液混合喷嘴具备：入口部，其供气体以及液体流入，该入口部具有规定的第一内径，并且包括使流路的内径比第一内径缩小的环状的缩小端面；管状的喉部，其与缩小端面的下游侧连接，具有比第一内径小的第二内径，并且沿中心轴线的方向具有长度；以及出口部，其与喉部的下游侧连接，包括使流路的内径扩大的环状的扩大端面，并且具有比第二内径大的第三内径。在包括中心轴线的剖面中，缩小端面形成的角度为180度，喉部的长度相对于第二内径的比为15以上。

Description

气液混合喷嘴

技术领域

本发明涉及气液混合喷嘴。

背景技术

作为用于使气体溶解于液体的方法，如专利文献1所记载的那样，公知有通过加压容器使气液混合来溶解气体的气体溶解促进法。另外，作为新的气体溶解促进法，如非专利文献1所记载的那样，提出了产生微小气泡的方法。另一方面，如专利文献2～5所记载的那样，进行了生成微小气泡的喷嘴的开发。这些喷嘴例如在水处理装置、化学反应器等中使用。

微小气泡生成喷嘴例如如专利文献2记载的那样，具备形成流路的入口侧的流入部、形成流路的出口侧的排出部、以及设置在流入部与排出部之间的气泡生成部。气泡生成部的截面积小于流入部的截面积、排出部的截面积。即，气泡生成部在微小气泡生成喷嘴的流路中具有最小的截面积。专利文献3记载的微小气泡生成喷嘴还具备喉部，该喉部形成在锥形部与扩大部之间并具有最小的截面积。专利文献4记载的微小气泡产生器还具备小管径部，该小管径部形成在大管径部与圆锥状流路之间，并具有与大管径部的流路的直径相比相对小的直径。

专利文献1：日本特开2017-51892号公报

专利文献2：日本特开2012-170849号公报

专利文献3：日本专利第5825852号公报

专利文献4：日本专利第4942434号公报

专利文献5：日本专利第4328904号公报

非专利文献1：九州经济产业局，“纳米气泡利用例手册”，2017年2月，P.3，[2017年9月12日检索]网络(URL：http://www.kyushu.meti.go.jp/seisaku/kankyo/jirei/fbjirei.pdf)

上述以往的喷嘴是以生成微小气泡来促进气体溶解为目的开发的。然而，以往的喷嘴虽着眼于微小气泡的生成，但关于气体的溶解并不能说是最佳的，关于气体的溶解仍存在改进的余地。具体而言，要求能够以更低的动力增加气体的溶解量的气液混合喷嘴。

发明内容

本发明对能够以相同的泵动力而增加气体的溶解量的气液混合喷嘴进行说明。

本发明的一个方式提供一种气液混合喷嘴，其沿着中心轴线分别形成有入口部、出口部、配置在入口部以及出口部之间的喉部，通过将入口部、喉部以及出口部连接而形成气体以及液体的流路，该气液混合喷嘴具备：入口部，其供气体以及液体流入，该入口部具有规定的第一内径，并且包括使流路的内径比第一内径缩小的环状的缩小端面；管状的喉部，其与缩小端面的下游侧连接，具有比第一内径小的第二内径，并且沿着中心轴线的方向具有长度；以及出口部，其与喉部的下游侧连接，包括使流路的内径扩大的环状的扩大端面，并且具有比第二内径大的第三内径，在包括中心轴线的剖面中，缩小端面形成的角度为180度，喉部的长度相对于第二内径的比为15以上。

根据本发明的一个方式，能够以相同的泵动力来增加气体的溶解量。

附图说明

图1是一个实施方式的气液混合喷嘴的包括中心轴线的剖视图。

图2是将变形方式的气液混合喷嘴的一部分放大表示的剖视图。

图3是表示氧总移动容量系数的测定试验所使用的装置的图。

图4是表示实施例以及各比较例中的泵动力与氧总移动容量系数的关系的图。

图5的(a)～图5的(c)分别是比较例1～3的气液混合喷嘴的包括中心轴线的剖视图。

具体实施方式

根据该气液混合喷嘴，气体以及液体流入入口部，接着流入管状的喉部。从入口部至喉部，流路的内径借助环状的缩小端面而缩小。缩小端面形成的角度为180度。具有比入口部的第一内径小的第二内径的喉部具有第二内径的15倍以上的长度。根据具有这样的结构的入口部以及喉部，能够以相同的泵动力进一步增加气体的溶解量。包含溶解的气体的液体经过具有比第二内径大的第三内径的出口部，而供给至与出口部连接的配管或者反应器。

在几个方式中，喉部的长度相对于第二内径的比为30以下。根据该结构，能够以相同的泵动力进一步增加气体的溶解量。因此总的能量效率优异。

在几个方式中，喉部的第二内径相对于入口部的第一内径的比为0.12以上且0.37以下。根据该结构，能够在喉部使气体适当地溶解。

在几个方式中，气液混合喷嘴具备在入口部与喉部之间的角部形成的倒角部。

以下，一边参照附图、一边对本发明的实施方式进行说明。另外，在附图的说明中，对相同要素标注相同附图标记并省略重复的说明。在本说明书中，“上游”或者“下游”的用语是液体的流动为基准使用的。

参照图1对本实施方式的气液混合喷嘴10进行说明。气液混合喷嘴10例如在水处理装置、化学反应器等中使用。气液混合喷嘴10也可以组装于与水槽或者反应器连接的配管、亦即组装于供给气体以及液体的配管。即，气液混合喷嘴10例如是用于使气体溶解于液体的直通式的喷嘴。气液混合喷嘴10也可以设置在配管与水槽或者反应器之间，与水槽或者反应器内的液体直接接触。气液混合喷嘴10也可以是用于将溶解有气体的液体直接吹入水槽或者反应器内的液体的喷嘴。应用气液混合喷嘴10的液体例如是水。水例如是包括被水处理装置处理的排水(废水)或污水的概念。应用气液混合喷嘴10的液体也可以是水以外的液体。借助气液混合喷嘴10溶解于液体的气体例如是氧气(空气)。借助气液混合喷嘴10溶解于液体的气体也可以是氧气(空气)以外的气体。借助气液混合喷嘴10溶解于液体的气体例如也可以是二氧化碳气体、氮气、氦气、氩气、氢气、臭氧气体、氨气等。

如图1所示，气液混合喷嘴10具备在内部形成有流路的主体20。主体20由对主体20所接触的液体以及气体具有耐腐蚀性以及耐热性的材料构成。主体20可以是树脂制，也可以是金属制。主体20可以具有一体成型的构造，也可以具有在后述的各部单独成型后被相互接合的构造。主体20能够通过公知的方法制造。

气液混合喷嘴10具备与上游侧的配管等连接的入口连接部14、与入口连接部14连续而形成的例如圆筒状的入口部11、与入口部11连续而形成的例如圆管状的喉部12、以及与喉部12连续而形成的例如圆筒状的出口部13。上述入口连接部14、入口部11、喉部12以及出口部13在主体20的内部沿着中心轴线L分别形成。上述入口连接部14、入口部11、喉部12以及出口部13例如形成为关于中心轴线L位于同轴上。将入口连接部14、入口部11、喉部12以及出口部13连接而形成气体以及液体的流路。

入口连接部14位于气液混合喷嘴10的入口侧的端部。在入口连接部14的内表面例如形成有内螺纹。在入口连接部14连接有配管。入口连接部14的内径例如与入口部11的第一内径φ1大致相等。入口连接部14沿中心轴线L的方向具有第四长度L4。另外，入口连接部14也可以省略。在该情况下，入口部11位于气液混合喷嘴10的入口侧的端部。另外，在入口连接部14的外周面也可以形成有外螺纹。

在入口部11气体以及液体通过入口连接部14流入。流入入口部11的液体，例如借助设置于比气液混合喷嘴10靠上游侧的泵向入口部11供给。流入入口部11的气体在比气液混合喷嘴10靠上游侧的位置，借助鼓风机等供给至与入口连接部14连接的配管内(参照图3所示的试验装置)。也可以使流入入口部11的气体通过喷射器等进行自供。入口部11具有规定的第一内径φ1。入口部11在中心轴线L的方向具有第一长度L1。上述第一内径φ1以及第一长度L1根据在气液混合喷嘴10内流动的液体的流量、气体的供给量等决定。

入口部11包括使流路的内径缩小的环状的缩小端面11b。缩小端面11b位于入口部11的下游端。在本实施方式中，缩小端面11b与和中心轴线L正交的平面平行。即，如图1所示，在包括中心轴线L的剖面中，缩小端面11b形成的角度α为180度。缩小端面11b是将入口部11的具有第一内径φ1的圆筒部与喉部12的入口端连接的壁面。另外，本实施方式的气液混合喷嘴10具有与使图1所示的剖面绕中心轴线L旋转360度所得到的立体相等的形状。

喉部12配置在入口部11与出口部13之间。喉部12是在气液混合喷嘴10内形成的流路内的最窄的(直径小的)流路。喉部12是在气液混合喷嘴10内形成的流路内的沿中心轴线L的方向最长的流路。喉部12与入口部11的缩小端面11b的下游侧连接。喉部12例如具有恒定的第二内径φ2。喉部12的第二内径φ2小于入口部11的第一内径φ1。喉部12的第二内径φ2相对于入口部11的第一内径φ1的比优选为0.12以上且0.37以下。喉部12的第二内径φ2相对于入口部11的第一内径φ1的比更优选为0.15以上且小于0.2。喉部12的第二内径φ2相对于入口部11的第一内径φ1的比也可以小于0.15，也可以为0.2以上。在入口部11包括圆筒部与其他部分(例如，作为缩小端面的一种的锥形部等)的情况下，入口部11的第一内径φ1为该圆筒部的内径。

喉部12沿中心轴线L的方向具有第二长度L2。该第二长度L2以提高气体相对于液体的溶解量(溶解度)的观点来设定。特别是第二长度L2以喉部12的内径为基准设定。作为喉部12的内径，在喉部12为内径恒定的圆管状的情况下，直接使用喉部12的第二内径φ2。在喉部12的剖面形状为圆形以外(例如椭圆、使两个圆的一部分重叠而成的眼镜形状等)的情况下，喉部12的内径能够计算为具有与其截面积相同的面积的圆的直径。在喉部12的剖面形状沿中心轴线L的方向变化的情况下，喉部12的内径能够计算为具有第二长度L2且具有与喉部12的总容积相同的容积的圆柱的直径。

出口部13位于气液混合喷嘴10的出口侧的端部。出口部13包括与喉部12的下游侧连接并使流路的内径扩大的环状的扩大端面13b。在本实施方式中，扩大端面13b与和中心轴线L正交的平面平行。即，在包括中心轴线L的剖面中，扩大端面13b形成的角度β为180度。出口部13与扩大端面13b的外周缘连接，包括具有规定的第三内径φ3的圆筒部。出口部13的第三内径φ3大于喉部12的第二内径φ2。扩大端面13b是将喉部12的出口端与出口部13的具有第三内径φ3的圆筒部连接的壁面。出口部13沿中心轴线L的方向具有第三长度L3。另外，在出口部13的内表面例如形成有内螺纹。也可以在出口部13连接有配管。另外，也可以在出口部13不形成内螺纹。也可以在出口部13的外周面形成有外螺纹。

接着，对喉部12的第二长度L2进行说明。喉部12的第二长度L2相对于喉部12的内径(在本实施方式中为第二内径φ2)的比为15以上。喉部12的第二长度L2相对于喉部12的内径的比优选为30以下。喉部12的第二长度L2相对于喉部12的内径的比更优选为25以下，进一步优选为20以下。喉部12的第二长度L2相对于喉部12的内径的比可以大于30，也可以大于40。

根据该气液混合喷嘴10，气体以及液体流入入口部11，接着流入管状的喉部12。从入口部11至喉部12，流路的内径因环状的缩小端面11b而缩小。缩小端面11b形成的角度α为180度。具有比入口部11的第一内径φ1小的第二内径φ2的喉部12，具有第二内径φ2的15倍以上的第二长度L2。根据具有这样的结构的入口部11以及喉部12，能够利用相同的泵动力使气体的溶解量进一步增加。包含溶解的气体在内的液体经过具有比第二内径φ2大的第三内径φ3的出口部13，被供给至与出口部13连接的配管或者反应器。在以往的微小气泡生成喷嘴中，生成微小气泡是意味着无法溶解于液体的气体作为微小气泡而残留的状态。或者，意味着使溶解的气体作为微小气泡产生的状态。因此，以往的喷嘴在气体的溶解方面不能称为最佳，仍留有改进的余地。根据本实施方式的气液混合喷嘴10，能够使气体高效地溶解。根据本实施方式的气液混合喷嘴10，与以往的方法相比较，在以相同的水/气体量通过气液混合喷嘴10的情况下，能够使气体高效地溶解。更详细而言，在施加相同的压力(泵动力)的情况(参照图4)和以相同的流量流动的情况的任一情况下，都能够使气体的溶解量增加。

另外，在气液混合喷嘴10的设计时，能够根据想要混合的气体相对于液体的溶解度、溶解速度来决定适当的压力(泵动力)。例如，若为容易溶解的气体，则以成为0.1MPa左右的方式决定压力，若为难以溶解的气体，则以成为0.3MPa左右等的方式决定压力。然后，相对于决定的压力，利用伯努利公式(伯努利定理)决定喉部12的粗细。喉部12的长度长会使气液反应时间增长，因此优选。若使混合有气体以及液体的流体在气液混合喷嘴10流动，则在通过喉部12时，气体被拉长而破碎(破裂)，从而促进气体的溶解。

喉部12的第二长度L2相对于第二内径φ2的比为30以下。根据该结构，能够利用相同的泵动力使气体的溶解量进一步增加，并且抑制必要的能量(泵的动力等)的增大。因此，总的能量效率优异。

喉部12的第二内径φ2相对于入口部11的第一内径φ1的比为0.15以上且小于0.2。根据该结构，能够在喉部12使气体适当地溶解。

入口部11的角度(缩小端面11b形成的角度)对于溶解效率的影响，在90度和180度处，没有明显的不同或者较少。在该情况下，考虑入口部11的角度较小会使能量的损失较小。在入口部11的角度较小且内径相同的情况下，考虑若倾斜部分的长度增长，则损失增大。因此如图2所示，成为具备在入口部11与喉部12之间的角部形成的倒角部16的结构，因此能够抑制能量损失。倒角部16例如遍布环状的角部的整周形成。倒角部16可以为弧面，也可以为角面。在倒角部16为弧面的情况下，倒角部16的曲率半径R例如用下述公式(1)表示。在此，φ1-φ2相当于缩小端面11b的径向的长度。

【公式1】

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式。

(氧总移动容量系数的测定试验)

以下，使用实施例1的气液混合喷嘴10和比较例1～3的各种气液混合喷嘴，进行了测定氧总移动容量系数的试验。图3表示试验所使用的装置。该试验装置100具有收容水W的水槽101、与水槽101连接的流入配管102以及返回配管104、以及设置于它们之间的泵103。在流入配管102组装有实施例的气液混合喷嘴10(或者比较例的气液混合喷嘴)。在流入配管102的气液混合喷嘴与泵103之间设置有压力计106。在返回配管104设置有流量计107。在水槽101设置有测定水槽101内的水W的溶解氧(DO)的DO计108和测定水W的温度的温度计109。DO计108包括浸渍于水W的DO传感器108a。温度计109包括浸渍于水W的温度传感器109a。

水槽101在大气开放状态下设置。水槽101的容量为18L。从气体入口以100ml/min的流量供给空气。测定开始时的DO为1.5mg/L。氧总移动容量系数(KLa)的计算条件分出(提取)DO值5～7mg/L，通过下述公式(2)进行计算。

【公式2】

在此，C₁：t₁小时后的DO浓度(mg/L)

C₂：t₂小时后的DO浓度(mg/L)

(出处：https://www.jstage.jst.go.jp/article/jriet1972/11/10/11_10_739/_pdf)

对试验所使用的气液混合喷嘴的规格进行说明。对实施例1的气液混合喷嘴进行说明。

＜实施例1的气液混合喷嘴10＞

第四长度L4：18mm

第一长度L1：29mm

第二长度L2：60mm

第三长度L3：18mm

第一内径φ1：24mm

第二内径φ2：4mm

第三内径φ3：Rc3/4

角度α：180度

角度β：180度

参照图5的(a)～图5的(c)，对比较例1～3的气液混合喷嘴进行说明。

＜比较例1的气液混合喷嘴10A＞(参照图5的(a))

第一长度L1：20mm

第二长度L2：5mm

第三长度L3：20mm

第一内径φ1：20mm

第二内径φ2：4mm

第三内径φ3：20mm

角度α：180度

角度β：180度

＜比较例2的气液混合喷嘴10B＞(参照图5的(b))

第一长度L1：20mm

第二长度L2：5mm

第三长度L3：60mm(锥形部的长度)

第一内径φ1：20mm

第二内径φ2：4mm

第三内径φ3：20mm

角度α：180度

角度β：7.9度×2＝15.8度

＜比较例3的气液混合喷嘴10C＞(参照图5的(c))

第一长度L1：42.4mm

第一长度L1的细项：

圆筒部的长度L1a：20mm，锥形部的长度L1b：22.4mm

第二长度L2：5mm

第三长度L3：20mm

第一内径φ1：20mm(圆筒部的内径)

第二内径φ2：4mm

第三内径φ3：20mm

角度α：40度

角度β：180度

使用以上的试验装置100以及各气液混合喷嘴，进行了氧总移动容量系数(KLa)的测定试验。实施例1进行了三次试验，比较例1～3各进行了两次试验。表1、图4表示试验结果。在图4中进行泵动力与KLa的比较。

【表1】

如表1以及图4所示，在实施例1中在用同等的泵动力进行比较的情况下，与比较例1～3相比，能够获得较高的KLa值。

附图标记说明

10…气液混合喷嘴；11…入口部；11b…缩小端面；12…喉部；13…出口部；13b…扩大端面；14…入口连接部；16…倒角部；20…主体；L…中心轴线；L1…第一长度；L2…第二长度；L3…第三长度；α…(缩小端面的)角度；β…(扩大端面的)角度；φ1…第一内径；φ2…第二内径；φ3…第三内径。

Claims

1.一种气液混合喷嘴，沿着中心轴线分别形成有入口部、出口部、配置在所述入口部以及所述出口部之间的喉部，通过将所述入口部、所述喉部以及所述出口部连接而形成气体以及液体的流路，所述气液混合喷嘴的特征在于，具备：

所述入口部，其供所述气体以及所述液体流入，该入口部具有规定的第一内径，并且包括使所述流路的内径比所述第一内径缩小的环状的缩小端面；

管状的所述喉部，其与所述缩小端面的下游侧连接，具有比所述第一内径小的第二内径，并且沿所述中心轴线的方向具有长度；以及

所述出口部，其与所述喉部的下游侧连接，包括使所述流路的内径扩大的环状的扩大端面，并且具有比所述第二内径大的第三内径，

在包括所述中心轴线的剖面中，所述缩小端面形成的角度为180度，

所述喉部的所述长度相对于所述第二内径的比为15以上。

2.根据权利要求1所述的气液混合喷嘴，其特征在于，

所述喉部的所述长度相对于所述第二内径的比为30以下。

3.根据权利要求1或2所述的气液混合喷嘴，其特征在于，

所述喉部的所述第二内径相对于所述入口部的所述第一内径的比为0.12以上且0.37以下。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的气液混合喷嘴，其特征在于，

具备在所述入口部与所述喉部之间的角部形成的倒角部。