CN112642310A - 微气泡发生装置、微气泡发生控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了石油化工技术领域，涉及微气泡发生装置、微气泡发生控制方法及装置。利用液态物料从收缩段通过之后，进入进气段上的气体分布多孔管内，并在气体分布多孔管内进行气体和液体的混合，再进入扩张段和气液扩展段。该微气泡发生装置利用文丘里管和微孔分布原理，既形成离散度高的微气泡，又使流体有效地对气泡形成剪切破碎，较大气泡在微气泡发生装置内压力恢复作用下发生破碎，形成微气泡；不采用内构件或旋流装置，有效减小流体能量耗散，也避免了微小气泡的聚并，使微气泡分率显著增加。

Description

微气泡发生装置、微气泡发生控制方法及装置
技术领域
本发明涉及石油化工技术领域，且特别涉及微气泡发生装置、微气泡发生控制方法及装置。
背景技术
在化工、生物及环境领域，气液相反应广泛存在，通过气泡分散进行传质已取得广泛的应用。对于加氢、氧化等受传质速率控制的气液反应过程，采用微气泡来强化传质具有重要的实用价值。对于气液传质过程，微气泡具有巨大的单位体积气液接触面积可以强化传质，微气泡具有很小的体积这使其受到的升力较小。因此，微气泡可提高气液装置的接触效率，可以应用在鼓泡塔、反应器、气体吸收和发酵罐等设备中。采用微气泡强化传质的前提是设计制造一种能稳定产生微气泡的发生装置，并尽可能提高气液两相的体积比。
现有的微气泡发生器中进行微气泡的破碎大多采用内构件或旋流装置，存在以下问题：(1)使流体耗散能量增加，且内构件在破碎气泡的同时易导致微小气泡的聚并；(2)液体流不能对进气孔处产生的气泡进行有效的流体剪切破碎，易形成大气泡；(3)形成的微气泡尺寸离散，且气泡直径接近毫米级或含有大量直径为毫米级的气泡；微气泡直径难以控制且气体分率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微气泡发生装置，旨在结合微孔分布和文丘里管原理，形成离散度高的微气泡，能够提升微气泡的分率。
本发明的另一目的在于提供一种微气泡发生控制方法，其能够形成离散度高的微气泡，又使流体有效地对气泡形成剪切破碎，微气泡的分率高。
本发明的第三目的在于提供一种微气泡发生控制装置，其生产的微气泡分布率高，气泡尺寸分布窄。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出了一种微气泡发生装置，其为两端开口的管状结构，且管状结构的一端为液体进口，另一端为气液混合出口；自液体进口至气液混合出口，管状结构内包括依次设置的进液段、收缩段、进气段、扩张段和气液扩展段；
收缩段自进液段的一端至进气段的直径逐渐减少；
进气段内设置有气体分布多孔管，气体分布多孔管的一端与收缩段的端部连通，气体分布多孔管的另一端与扩张段的进口端连通，气体分布多孔管的外壁与进气段的内壁之间形成进气空腔，进气段的侧壁上设置有与进气空腔连通的进气孔，气体分布多孔管的侧壁上设置有连通气体分布多孔管内腔和进气空腔的多个连通孔；
扩张段自进气段至气液扩展段的直径逐渐增大。
本发明还提出一种微气泡发生控制方法，其采用上述微气泡发生装置产生微气泡，包括：将液体物料从进液段的一端通入，通过收缩段后在进气段与进入的气体物料混合，经过扩张段后从气液扩展段输出，通过控制进气段和进液段的压力差，以调控微气泡的尺寸、气液体积比和微气泡的尺寸分布；其中，控制进气段的压力高于进液段的压力，且压力差为0.03-0.3MPa。
本发明还提出一种微气泡发生控制装置，其包括液体物料输送组件、气体物料输送组件和上述微气泡发生装置，液体物料输送组件的出料端与进液段的一端连通，气体物料输送组件的出料端与进气段上的进气孔连通。
本发明实施例的有益效果是：本发明实施例提供的微气泡发生装置，利用液态物料从收缩段通过之后，进入进气段上的气体分布多孔管内，并在气体分布多孔管内进行气体和液体的混合，再进入扩张段和气液扩展段。该微气泡发生装置利用文丘里管和微孔分布原理，既形成离散度高的微气泡，又使流体有效地对气泡形成剪切破碎，较大气泡在微气泡发生装置内压力恢复作用下发生破碎，形成微气泡；本发明实施例中的微气泡发生装置不采用内构件或旋流装置，有效减小流体能量耗散，也避免了微小气泡的聚并，使微气泡分率显著增加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的微气泡发生装置的结构示意图；
图2为图1中收缩段的放大图；
图3为本发明实施例提供的微气泡发生控制装置的结构示意图。
图标：10-微气泡发生控制装置；100-微气泡发生装置；101-液体进口；102-气液混合出口；110-进液段；111-进口法兰；112-液体测压孔；113-液体测压传感器；120-收缩段；121-第一圆弧；122-第二圆弧；130-进气段；131-气体分布多孔管；132-进气空腔；133-进气孔；134-气体测压传感器；135-气体测压孔；140-扩张段；150-气液扩展段；151-出口法兰；200-液体物料输送组件；210-储液罐；220-输液管路；230-液体过滤器；240-计量泵；250-脉冲阻尼器；260-液体流量计；300-气体物料输送组件；310-压缩机；320-气体缓冲罐；330-输气管路；340-气体过滤器；350-气体流量计；360-第一调节阀；370-第二调节阀；380-第一输气管；381-单向阀；390-第二输气管；391-单向阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的微气泡发生装置、微气泡发生控制方法及装置进行具体说明。
请参照图1，本发明实施例提供了一种微气泡发生装置100，其为两端开口的管状结构，且管状结构的一端为液体进口101，另一端为气液混合出口102；自液体进口101至气液混合出口102，管状结构内包括依次设置的进液段110、收缩段120、进气段130、扩张段140和气液扩展段150。
进液段110用于连接液体输送的管路，使液体从进液段110流入，其端部为液体进口101，在进液段110的进口端还可以安装有进口法兰111，便于和液体输送的管路相连。
进一步地，进液段110的侧壁上设置有液体测压孔112，进液段110上的液体测压孔112处连接有液体测压传感器113，通过液体测压传感器113检测液体的压力，便于通过压力检测调节液体的流速。具体地，进液段的长径比为3-10，进液段的直径为12-30mm，液体测压孔的直径为5-8mm。
收缩段120自进液段110的一端至进气段130的直径逐渐减少，以和扩张段140配合利用文丘里原理提升气体和液体的混合效果。在一些优选的实施例中，收缩段120的内壁包括第一圆弧121和第二圆弧122，第一圆弧121的一端与进液段110的端部相切连接，第一圆弧121的另一端与第二圆弧122的一端相切连接，第二圆弧122的另一端与进气段130中的气体分布多孔管131的端部相切连接。通过相切连接的第一圆弧121和第二圆弧122可有效减小液体通过进气段130、收缩段120的动能耗散；同时，收缩段120圆弧和气体分布多孔管131相切连接，液体从进入气体分布多孔管131即与气体分布多孔管131呈平行流动，且流速显著增加，从而减薄流体边界层，使气泡在气体分布多孔管131内壁一旦形成，就能被具有足够能量的液体剪切破碎形成微气泡。
进气段130用于通过气体并进行气体和液体的混合，进气段130内设置有气体分布多孔管131，气体分布多孔管131的一端与收缩段120的端部连通，气体分布多孔管131的另一端与扩张段140的进口端连通，气体分布多孔管131的外壁与进气段130的内壁之间形成进气空腔132，进气段130的侧壁上设置有与进气空腔132连通的进气孔133，气体分布多孔管131的侧壁上设置有连通气体分布多孔管131内腔和进气空腔132的多个连通孔(图未示)。通过进气孔133通入气体进入进气空腔132，然后通过气体分布多孔管131上的连通孔进入管内与液体混合。气体分布多孔管131上的连通孔是非常密集的，利用微孔分布的原理进行进气，结合文丘里管的原理，形成离散度高的微气泡，又使流体有效地对气泡形成剪切破碎，较大气泡在微气泡发生装置内压力恢复作用下发生破碎，形成微气泡。形成的微气泡由微孔气泡和压力释放气泡两部分组成，气液体积比大，微气泡数分率高，气泡尺寸分布窄。
进气段130的侧壁上设置有气体测压孔135，进气段130上的气体测压孔135处连接有气体测压传感器134。利用液体测压传感器113和气体测压传感器134进行液体和气体的监测，通过控制流速调整气体和液体的比例，进而控制微气泡的尺寸。
具体地，进气段130上的气体分布多孔管131的长径比为1-10，优选为2-4；气体分布多孔管131的内径为4-20mm，优选为4-10mm；气体分布多孔管131的壁厚为1.5-8mm，优选为壁厚为2-4mm；气体分布多孔管131侧壁上的连通孔的直径为3-300μm，优选为5-30μm；进气段130侧壁上的进气孔133的直径为4-10mm，气体测压孔135的直径为2-8mm。通过进一步调控进气段130的尺寸，进一步提升微气泡的分率和尺寸分布。
在一些实施例中，进气孔133为相对设置的两个，可以为上下相对的两个，以提升气体分布的均匀度。
扩张段140自进气段130至气液扩展段150的直径逐渐增大，收缩段120靠近进气段130的一端直径与气体分布多孔管131的内径和扩张段140的入口端内径相同，扩张段140的出口端直径与气液扩展段150的入口端直径相同，以防止在流动过程中产生阻力，造成流体的能量耗散。
在一些实施例中，扩张段140的长度与入口端直径之比为5-20，更优选为10-15。扩张段140沿轴向的截面呈等腰梯形，且扩张段140的内壁沿轴向方向的延伸线与轴线的夹角为3-15°，更优选为3-6°。通过进一步控制扩张段140的具体尺寸，使流体通过扩张段140之后保持微气泡的状态，进一步增加微气泡的分率。
气液扩展段150是气液混合物流过的通道，通过气液扩展段150后输送至反应器等装置，可以在气液扩展段150的出口端安装有出口法兰151，便于与管路进行连接。进一步地，气液扩展段150的长径比为2-10，优选为3-6；气液扩展段的直径为8-37.5mm。
需要说明的是，微气泡发生装置100的进液段110、收缩段120、气体分布多孔管131、扩张段140、气液扩展段150表面的算术平均粗糙度Ra≤6.3μm；微气泡发生装置100均采用不锈钢或高分子材料制造，不同部位连接处无缝隙和焊接、铸造疤痕。
请参照图2-3，本发明实施例还提供一种微气泡发生控制装置10，其包括液体物料输送组件200、气体物料输送组件300和微气泡发生装置100，液体物料输送组件200的出料端与进液段110的一端连通，气体物料输送组件300的出料端与进气段130上的进气孔连通。利用液体物料输送组件200和气体物料输送组件300分别进行液体物料和气体物料的输送，在微气泡发生装置100中进行混合并产生微气泡。
进一步地，液体物料输送组件200包括储液罐210和用于连通储液罐210和微气泡发生装置100的进液段110的输液管路220，输液管路220上依次设置有液体过滤器230、计量泵240、脉冲阻尼器250和液体流量计260。将液体物料经储液罐210预热，液体过滤器230过滤后进入计量泵240，经计量泵240后的液体进入脉冲阻尼器250，由脉冲阻尼器250出来的液体保持稳定的流量进入液体流量计260，经液体流量计260计量后进入微气泡发生装置100的进液段110，进液段110内的液体压力由液体测压传感器113测量并记录。
在一些优选的实施例中，计量泵为柱塞计量泵；液体过滤器为Y型过滤器，液体过滤器的孔径为0.5-1mm。柱塞计量泵通过变频器控制流量，可以进行增压和计量的工作。在输液管路220上也设置有用于调控流速的调节阀门，其位于液体流量计260之前。
进一步地，气体物料输送组件300包括压缩机310、气体缓冲罐320和用于连通气体缓冲罐320的气体出口和进气段130上的进气孔133的输气管路330，压缩机310的出气口与气体缓冲罐320的气体进口连通；在输气管路330上依次设置有气体过滤器340和气体流量计350，压缩机310和气体缓冲罐320之间的管路上设置有第一调节阀360，气体过滤器340和气体流量计350之间的管路上设置有第二调节阀370。气体经压缩机310压缩，第一调节阀360调节压力后，进入气体缓冲罐320，由气体缓冲罐320出来的一定压力的气体流经气体过滤器340过滤，第二调节阀370调节后进入气体流量计350计量，计量后的气体进入微气泡发生装置100的进气段130，进气段130内的压力采用气体测压传感器134测量并记录。
在优选的实施例中，气体流量计350和进气段130上的进气孔133之间的连通管路包括第一输气管380和第二输气管390，第一输气管380和第二输气管390的进气端均与气体流量计350的出气端连通，第一输气管380和第二输气管390的出气端均对应进气段130上的一个进气孔133；第一输气管380和第二输气管390上分别设置有单向阀381和单向阀391；气体过滤器为孔径1-50μm的微孔膜过滤器。气体流量计350计量后的气体分两股流经单向阀381和单向阀391后，进入微气泡发生装置100的进气段130，气体分布更加均匀。
本发明实施例还提供了一种微气泡发生控制方法，其采用上述微气泡发生装置100产生微气泡，包括：将液体物料从进液段110的一端通入，通过收缩段120后在进气段130与进入的气体物料混合，经过扩张段140后从气液扩展段150输出，通过进液段110侧壁上的液体测压孔检测液体压力，通过进气段130侧壁上的气体测压孔检测气体压力，通过控制进气段和进液段的压力差、液体物料和气体物料的流量，以调控微气泡的尺寸、气液体积比和微气泡的尺寸分布；其中，控制进气段的压力高于进液段的压力，且压力差为0.03-0.3Mpa；优选地，进气段与进液段的压力差为0.05-0.15Mpa。
发明人发现，进气段130与进液段110的压力差控制在上述范围内为宜，在此范围内微气泡的分率更高，且尺寸分布较为理想。
具体地，气体物料选自空气、氧气、氢气、合成气、二氧化碳和烃类气体中的至少一种；液体物料选自水溶液、轻质油和重质油中的至少一种，如汽油、柴油、蜡油、渣油和油浆等。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种微气泡发生控制装置，其结构见图1，具体参数如下：
进液段110直径为14mm，长度为60mm，进液段110中部靠近液体进口101侧安装直径5mm的1个液体测压孔112，并连接液体测压传感器113。
收缩段120的第一圆弧121的圆弧半径R1为7mm，第二圆弧122的圆弧半径R2为10mm，两段圆弧分别与进液段110和气体分布多孔管131相切。
进气段130上、下两侧各装有直径为4mm的进气孔133，靠近收缩段120的进气段130上装有直径为3mm的气体测压孔135，并连接气体测压传感器134；气体分布多孔管131的内径为4mm，长径比为2，壁厚为1.5mm，气体分布多孔管131孔径为5μm。
扩张段140轮廓线与轴线夹角为3°，扩张段140长度为55mm。
气液扩展段150直径为9.8mm，长度为50mm；整个装置采用不锈钢制造，表面的算术平均粗糙度Ra为6.3μm。
实验中气体为空气、液体为蒸馏水；微气泡发生装置100出口与容器相连，容器压力为常压。先通过气体管路向进气段130中通入空气，然后通过液体管路向进液段110中通入蒸馏水，蒸馏水流量为0.2m3/h，控制进气段130和进液段110内的压力差为0.1MPa，对应空气流量为0.02m3/h。采用高速摄像机采集微气泡发生装置出口处的产生的气泡大小、数量及分布，产生气泡的索特尔平均直径D32为412μm，产生微气泡分率(小于1mm气泡数量占所有气泡数量分数)为98.8％。
实施例2
本实施例提供一种微气泡发生控制装置，与实施例1不同之处仅在于：进液段110直径为30mm，长度为140mm，液体测压孔112直径为8mm；收缩段120的第一圆弧121的圆弧半径R1为15mm，第二圆弧122的圆弧半径R2为21mm；进气段130上、下两侧进气孔133直径为10mm，气体测压孔135直径为8mm；气体分布多孔管131的内径为20mm，长径比为5，壁厚为8mm，气体分布多孔管131孔径为300μm；扩张段140轮廓线与轴线夹角为5°，扩张段140长度为100mm；气液扩展段150直径为37.5mm，长度为100mm；除气体分布多孔管外，整个装置采用聚丙烯酸酯高分子材料制造，表面的算术平均粗糙度Ra为0.26μm。
气体为空气、液体为蒸馏水，蒸馏水流量为5.65m3/h，进气段130和进液段110内的压力差为0.054MPa，对应空气流量为0.84m3/h。产生气泡的索特尔平均直径D32为703μm，产生微气泡分率为82.1％。
实施例3
本实施例提供一种微气泡发生控制装置，与实施例1不同之处仅在于：进液段110直径为12mm，进液段110长度为80mm，液体测压孔112直径为5mm；收缩段120的第一圆弧121的圆弧半径R1为6mm，第二圆弧122的圆弧半径R2为9mm；进气段130上、下两侧进气孔133直径为4mm，气体测压孔135直径为2mm；气体分布多孔管131的内径为4mm，长径比为1，壁厚为2mm，气体分布多孔管131孔径为3μm；扩张段140轮廓线与轴线夹角为3°，扩张段140长度为40mm；气液扩展段150直径为8.2mm，长度为50mm；整个装置采用聚丙烯酸酯高分子材料制造，装置表面的算术平均粗糙度Ra为0.12μm。
气体为空气、液体为蒸馏水，蒸馏水流量为0.35m3/h，进气段130和进液段110内的压力差为0.22MPa，对应空气流量为0.071m3/h。产生气泡的索特尔平均直径D32为527μm，产生微气泡分率为90.7％。
实施例4
本实施例提供一种微气泡发生控制装置，与实施例1不同之处仅在于：进液段110直径为20mm，进液段110长度为60mm，液体测压孔112直径为6mm；收缩段120的第一圆弧121的圆弧半径R1为10mm，第二圆弧122的圆弧半径R2为18mm；进气段130上、下两侧进气孔133直径为6mm，气体测压孔135直径为4mm；气体分布多孔管131的内径为6mm，长径比为4，壁厚为2mm，气体分布多孔管131孔径为25μm；扩张段140轮廓线与轴线夹角为6°，扩张段140长度为60mm；气液扩展段150直径为18.6mm，长度为110mm；除气体分布多孔管外，整个装置采用聚丙烯酸酯高分子材料制造，表面的算术平均粗糙度Ra为0.30μm。
气体为氢气、液体为蜡油，蜡油温度保持在80～82℃。液体流量为0.509m3/h，进气段130和进液段110内的压力差为0.15MPa，对应氢气流量为1.992m3/h。产生气泡的索特尔平均直径D32为540μm，产生微气泡分率为97.0％。
实施例5
本实施例提供一种微气泡发生控制装置，与实施例1不同之处仅在于：进液段110直径为12mm，进液段110长度为80mm，液体测压孔112直径为5mm；收缩段120的第一圆弧121的圆弧半径R1为6mm，第二圆弧122的圆弧半径R2为9mm；进气段130上、下两侧进气孔133直径为4mm，气体测压孔135直径为2mm；气体分布多孔管131的内径为4mm，长径比为3，壁厚为2mm，气体分布多孔管131孔径为3μm；扩张段140轮廓线与轴线夹角为3°，扩张段140长度为55mm；气液扩展段150直径为10mm，长度为50mm；除气体分布多孔管外，整个装置采用聚丙烯酸酯高分子材料制造，表面的算术平均粗糙度Ra为0.30μm。
气体为氢气、液体为蜡油和减压渣油的混合油(质量比为1:1)，混合油温度保持在130～132℃。混合油流量为0.226m3/h，进气段130和进液段110内的压力差为0.21MPa，对应氢气流量为1.80m3/h。产生气泡的索特尔平均直径D32为710μm，产生微气泡分率为94.6％。
实施例6
本实施例提供一种微气泡发生控制装置，与实施例1不同之处仅在于：进液段110直径为16mm，进液段110长度为80mm，液体测压孔112直径为5mm；收缩段120的第一圆弧121的圆弧半径R1为8mm，第二圆弧122的圆弧半径R2为12mm；进气段130上、下两侧进气孔133直径为5mm，气体测压孔135直径为4mm；气体分布多孔管131的内径为6mm，长径比为3，壁厚为2mm，气体分布多孔管131孔径为25μm；扩张段140轮廓线与轴线夹角为5°，扩张段140长度为55mm；气液扩展段150直径为13.6mm，长度为70mm；除气体分布多孔管外，整个装置采用聚丙烯酸酯高分子材料制造，表面的算术平均粗糙度Ra为0.30μm。
气体为氢气、液体为催化油浆，催化油浆脱固后固体颗粒粒径小于1μm，油浆温度保持在130～132℃。混合油流量为0.509m3/h，进气段130和进液段110内的压力差为0.18MPa，对应氢气流量为2.0m3/h。产生气泡的索特尔平均直径D32为613μm，产生微气泡分率为91.7％。
对比例1
本对比例提供一种微气泡发生控制装置，与实施例1不同之处仅在于：
本实施例提供一种微气泡发生控制装置，与实施例1不同之处仅在于：进液段110直径为15mm，长度为45mm，液体测压孔112直径为5mm；收缩段120的第一圆弧121的圆弧半径R1为6mm，第二圆弧122的圆弧半径R2为8.5mm；进气段130上、下两侧进气孔133直径为2mm，气体测压孔135直径为6mm；气体分布多孔管131的内径为20mm，长径比为1，壁厚为8mm，气体分布多孔管131孔径为100μm；扩张段140轮廓线与轴线夹角为30°，扩张段140长度为40mm；气液扩展段150直径为46.2mm，长度为40mm；整个装置采用不锈钢制造，装置表面的算术平均粗糙度Ra为7.9μm。
气体为空气、液体为蒸馏水，蒸馏水流量为5.0m3/h，进气段130和进液段110内的压力差为0.087MPa，对应空气流量为0.96m3/h。产生气泡的索特尔平均直径D32为946μm，产生微气泡分率为32.6％。
本对比例中由于气体分布多孔管的孔径为100μm过大，导致气泡在生成初期直径过大，而气体分布多孔管的内径较大，液体流速相对较低，不能对新生成的气泡形成有效剪切破碎；同时，由于扩张段轮廓线与轴线夹角过大，导致液体在扩张段形成大量漩涡而使部分气泡发生聚并，从而导致气泡的索特尔平均直径D32显著增大，产生的微气泡分率也显著下降。
对比例2
本对比例提供一种微气泡发生控制装置，与实施例1不同之处仅在于：
本实施例提供一种微气泡发生控制装置，与实施例1不同之处仅在于：进液段110直径为30mm，长度为60mm，液体测压孔112直径为3mm；收缩段120的第一圆弧121的圆弧半径R1为12mm，第二圆弧122的圆弧半径R2为17mm；进气段130上、下两侧进气孔133直径为8mm，气体测压孔135直径为4mm；气体分布多孔管131的内径为3mm，长径比为10，壁厚为2mm，气体分布多孔管131孔径为3μm；扩张段140轮廓线与轴线夹角为10°，扩张段140长度为40mm；气液扩展段150直径为14.1mm，长度为85mm；除气体分布多孔管外，整个装置采用聚丙烯酸酯高分子材料制造，表面的算术平均粗糙度Ra为0.3μm。
气体为空气、液体为蒸馏水，蒸馏水流量为0.5m3/h，进气段130和进液段110内的压力差为0.27MPa，对应空气流量为0.17m3/h。产生气泡的索特尔平均直径D32为1145μm，产生微气泡分率为15.3％。
本对比例中由于进液段直径和气体分布多孔管内径的比值过大，收缩段前后液体压差较大；气体分布多孔管长径比选取过大，导致多孔管前端生成的微气泡在随液体运动过程中与后端新生成的部分气泡发生聚并，同时，扩张段轮廓线与轴线夹角也较大，达到液体在扩张段形成大量漩涡而使部分气泡再次聚并。因此，在气液体积比较大情况下，产生气泡的索特尔平均直径大于1000μm，微气泡分率很低。
对比例3
本对比例提供一种微气泡发生控制装置，与实施例1不同之处仅在于：
本实施例提供一种微气泡发生控制装置，与实施例1不同之处仅在于：进液段110直径为14mm，长度为42mm，液体测压孔112直径为4mm；收缩段120的第一圆弧121的圆弧半径R1为5mm，第二圆弧122的圆弧半径R2为8mm；进气段130上、下两侧进气孔133直径为4mm，气体测压孔135直径为4mm；气体分布多孔管131的内径为5mm，长径比为2，壁厚为2mm，气体分布多孔管131孔径为5μm；扩张段140轮廓线与轴线夹角为15°，扩张段140长度为30mm；气液扩展段150直径为16mm，长度为48mm；整个装置采用聚丙烯酸酯高分子材料制造，表面的算术平均粗糙度Ra为0.12μm。
气体为空气、液体为蒸馏水，蒸馏水流量为0.35m3/h，进气段130和进液段110内的压力差为0.03MPa，对应空气流量为0.012m3/h。产生气泡的索特尔平均直径D32为97μm，产生微气泡分率为99.4％。
本对比例中主要由于扩张段轮廓线与轴线夹角较大，导致液体在扩张段形成大量漩涡而使部分气泡发生聚并；进一步增大进气段和进液段内的压力差，将会生成大量的大气泡(平均直径大于1mm)，因此在该控制条件下，对应的气体流量较低，尽管产生气泡的索特尔平均直径较小，微气泡的分率也很高，但气液体积比很小。
综上，本发明提供的微气泡发生装置，利用液态物料从收缩段通过之后，进入进气段上的气体分布多孔管内，并在气体分布多孔管内进行气体和液体的混合，再进入扩张段和气液扩展段，通过液体测压孔和气体测压孔进行液体和气体压力的检测，从而控制气液流量控制二者的压力差。其结构简单，便于安装，不采用内构件或旋流装置，有效减小流体能量耗散，也避免了微小气泡的聚并，使微气泡分率显著增加。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种微气泡发生装置，其特征在于，其为两端开口的管状结构，且所述管状结构的一端为液体进口，另一端为气液混合出口；自所述液体进口至所述气液混合出口，所述管状结构内包括依次设置的进液段、收缩段、进气段、扩张段和气液扩展段；
所述收缩段自所述进液段的一端至所述进气段的直径逐渐减少；
所述进气段内设置有气体分布多孔管，所述气体分布多孔管的一端与所述收缩段的端部连通，所述气体分布多孔管的另一端与所述扩张段的进口端连通，所述气体分布多孔管的外壁与所述进气段的内壁之间形成进气空腔，所述进气段的侧壁上设置有与所述进气空腔连通的进气孔，所述气体分布多孔管的侧壁上设置有连通所述气体分布多孔管内腔和所述进气空腔的多个连通孔；
所述扩张段自所述进气段至所述气液扩展段的直径逐渐增大。
2.根据权利要求1所述微气泡发生装置，其特征在于，所述收缩段靠近所述进气段的一端直径与所述气体分布多孔管的内径和所述扩张段的入口端内径相同，所述扩张段的出口端直径与所述气液扩展段的入口端直径相同；
所述收缩段的内壁包括第一圆弧和第二圆弧，所述第一圆弧的一端与所述进液段的端部相切连接，所述第一圆弧的另一端与所述第二圆弧的一端相切连接，所述第二圆弧的另一端与所述气体分布多孔管的端部相切连接。
3.根据权利要求1所述微气泡发生装置，其特征在于，所述进液段的侧壁上设置有液体测压孔，所述进气段的侧壁上设置有气体测压孔，所述进液段上的所述液体测压孔处连接有液体测压传感器，所述进气段上的所述气体测压孔处连接有气体测压传感器；
优选地，所述进液段的长径比为3-10；
更优选地，所述进液段的直径为12-30mm，所述液体测压孔的直径为5-8mm；
更优选地，所述进液段的进口端安装有进口法兰。
4.根据权利要求3所述微气泡发生装置，其特征在于，所述进气段上的所述气体分布多孔管的长径比为1-10，优选为2-4；
优选地，所述气体分布多孔管的内径为4-20mm，壁厚为1.5-8mm；更优选地，所述气体分布多孔管的内径为4-10mm，壁厚为2-4mm；
优选地，所述气体分布多孔管侧壁上的所述连通孔的直径为3-300μm，更优选为5-30μm；
优选地，所述进气段侧壁上的所述进气孔的直径为4-10mm，所述气体测压孔的直径为2-8mm；
更优选地，所述进气孔为相对设置的两个。
5.根据权利要求1所述微气泡发生装置，其特征在于，所述扩张段的长度与入口端直径之比为5-20，优选为10-15；
优选地，所述扩张段沿轴向的截面呈等腰梯形，且所述扩张段的内壁沿轴向方向的延伸线与轴线的夹角为3-15°，更优选为3-6°。
6.根据权利要求1所述微气泡发生装置，其特征在于，所述气液扩展段的长径比为2-10，优选为3-6；
优选地，所述气液扩展段的直径为8-37.5mm；
优选地，所述气液扩展段的出口端安装有出口法兰。
7.一种微气泡发生控制方法，其特征在于，其采用权利要求1-6中任一项所述微气泡发生装置产生微气泡，包括：将液体物料从所述进液段的一端通入，通过收缩段后在所述进气段与进入的气体物料混合，经过扩张段后从所述气液扩展段输出，通过控制所述进气段和所述进液段的压力差，以调控微气泡的尺寸、气液体积比和微气泡的尺寸分布；
其中，控制所述进气段的压力高于所述进液段的压力，且压力差为0.03-0.3MPa；
优选地，所述进气段与所述进液段的压力差为0.05-0.15MPa；
优选地，所述气体物料选自空气、氧气、氢气、合成气、二氧化碳和烃类气体中的至少一种；
优选地，所述液体物料选自水溶液、轻质油和重质油中的至少一种。
8.一种微气泡发生控制装置，其特征在于，其包括液体物料输送组件、气体物料输送组件和权利要求1-6中任一项所述微气泡发生装置，所述液体物料输送组件的出料端与所述进液段的一端连通，所述气体物料输送组件的出料端与所述进气段上的所述进气孔连通。
9.根据权利要求8所述微气泡发生控制装置，其特征在于，所述液体物料输送组件包括储液罐和用于连通所述储液罐和所述微气泡发生装置的所述进液段的输液管路，所述输液管路上依次设置有液体过滤器、计量泵、脉冲阻尼器和液体流量计；
优选地，所述计量泵为柱塞计量泵；
优选地，所述液体过滤器为Y型过滤器，所述液体过滤器的孔径为0.5-1mm。
10.根据权利要求8所述微气泡发生控制装置，其特征在于，所述气体物料输送组件包括压缩机、气体缓冲罐和用于连通所述气体缓冲罐的气体出口和所述进气段上的所述进气孔的输气管路，所述压缩机的出气口与所述气体缓冲罐的气体进口连通；
在所述输气管路上依次设置有气体过滤器和气体流量计，所述压缩机和所述气体缓冲罐之间的管路上设置有第一调节阀，所述气体过滤器和所述气体流量计之间的管路上设置有第二调节阀；
优选地，所述气体流量计和所述进气段上的所述进气孔之间的连通管路包括第一输气管和第二输气管，所述第一输气管和所述第二输气管的进气端均与所述气体流量计的出气端连通，所述第一输气管和所述第二输气管的出气端均对应所述进气段上的一个所述进气孔；
更优选地，所述第一输气管和所述第二输气管上均设置有单向阀；
更优选地，所述气体过滤器为孔径1-50μm的微孔膜过滤器。
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