CN113144929A - 一种预混均质耦合式气泡发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预混均质耦合式气泡发生器，包括依次连接的气液预混合段、气液强化混合段、气液均质段和破涡段；所述气液预混合段被配置为利用高速湍流对气液两相进行初步剪切分散，形成气液混合分散场；所述气液强化混合段包括顺次分布的起旋段和收缩段，所述起旋段内部形成有多维旋流场，被配置为诱导来自所述气液预混合段的气液混合相发生旋流运动；所述收缩段内部形成有直径沿气液混合相流动方向渐缩的流道；所述气液均质段内部形成有串联的至少两级文丘里管状的流道；所述破涡段内形成微流道。

Description

一种预混均质耦合式气泡发生器

技术领域

本发明涉及一种气泡发生器，特别涉及一种预混均质耦合式气泡发生器。

背景技术

微细气泡因具有比表面积大、上浮速度慢、传质效率高等特性，被广泛应用于矿物浮选、污染治理、生态修复、化工反应等领域。气泡发生器是产生微细气泡群的核心设备，也是微细气泡技术大范围应用的前提和关键。按照气泡产生方式，气泡发生器可分为溶气释放式、引气制造式、微孔散气式和电解式等。

溶气释放式气泡发生器是在一定压力下将气相与主体水相充分混合形成饱和溶气水，随后通过降压释放消能等将溶解气释放形成微细气泡。溶气释放式气泡发生系统一般需要包含加压溶气系统和溶气释放系统两部分，其中加压溶气系统又包含有压力容器罐、加压水泵、气体供给设备，溶气释放系统主要采用溶气释放器、物理激发器等(ZL201920521975.7、ZL201920739934.5等)。溶气释放式气泡发生系统目前商业化应用非常成熟，已经成为常规矿物浮选、污染治理等过程微细气泡主要产生方式。但该系统存在占地面积大、能耗高等问题，限制了其进一步发展应用。

微孔散气式气泡发生器是利用微孔介质材料特殊微孔结构将连续气相切割成无数微细气流，然后利用高速水流剪切作用使其破碎形成微细气泡。宁波威瑞泰默赛多相流仪器设备有限公司、日本日本宫崎县工业科技中心、北京石油化工学院等都设计研发了该类气泡发生器。例如，肖灿等人在ZL201910748704.X专利中提出了一种微细气泡发生方法及微细气泡发生器，该气泡发生器包括微孔装置、中空管、旋转接头、电机、动力输出轴、传动轴以及气泵等，利用高速旋转的电机带动中空微孔装置，使得微孔装置与主体水流存在剧烈速度梯度，从而剪切破碎生成气泡。该装置耦合协同了微孔发泡技术与旋流剪切发泡技术，具有结构简单、发泡质量高等优势，但由于引入了动设备，因此能耗及维护成本增高，同时不利于进行大处理工业推广应用。微孔散气式气泡发生器具有结构简单、能耗低等优势，但由于该类气泡发生器在处理含油污水、固体悬浮物时微孔介质材料微孔结构极易堵塞，维护及更换成本较高。

引气制造式气泡发生器是利用射流文丘里、叶轮旋转等结构诱导流体湍流脉动和剪切分散气相形成微细气泡。该类气泡发生器具有结构简单、能耗低、易于实现管流化等优势，在对紧凑性要求高效的浮选分离装置等得到了较为广泛的应用。但该技术存在发泡粒径较大的缺点，限制了其进一步的工程应用。射流文丘里结构发泡效果虽然差强人意，但其在大处理来液条件下的高紧凑性、低能耗和易于操作维护等优势是其他发泡技术难以比拟的。因此，基于文丘里结构设计新型气泡发生器成为热点发展方向。李强等人在ZL202010244711.9专利中基于文丘里结构提出了一种微纳米气泡发生器，主要由进液管、旋流槽、渐缩管、进气管、壳体、喉管、扩散管、混合管、破碎器、释放头等组成，该装置耦合协同旋流剪切发泡、文丘里射流发泡以及孔板节流发泡等，能够产生尺寸小、分散均匀的气泡发生器，且可以更换不同释放头实现气泡直径的调节。但该装置需采用多级进气方式供气，结构更加复杂，流动阻力也较大，能耗较高。同时在大处理量下容易出现气液分层现象，降低气液混合发泡效果。杜敏等人在ZL202010287711.7专利中提出了一种复合文丘里式微气泡发生装置，该装置利用一级文丘里通道和二级文丘里通道串联气液混合发泡，其中一级文丘里通道和二级文丘里通道间设置有诱导旋流结构，使得在二级文丘里通道形成旋流流动，强化气液混合效果。该装置具有结构简单、操作维护费用低、安全可靠等优点，发泡质量虽较单级文丘里有所提升，但气泡直径仍普遍偏大，且未能解决气液易于分层的现象。王德忠等人在ZL201710539509.7、ZL202010119928.7等专利中也都通过改进文丘里结构或用多级文丘里串联结构来强化发泡质量，其中ZL202010119928.7提出了一种多级台阶型文丘里式气泡发生装置，该装置主要是在文丘里扩散段设置多级台阶来强化该区域湍流强度，虽然发泡质量较传统文丘里管有所提高，但整体而言仍然较大，不能够满足气浮等对气泡质量要求。孙伟等人在ZL201811244061.7中提出了一种混流式微泡发生器及气泡分布器，主要包括螺旋叶片、收缩管、喉管以及扩散管等，该装置利用文丘里结构进行气液初步破碎，然后利用后端螺旋叶片产生旋流流动进一步打散气泡，该装置产生的气泡主要在0.1mm-0.3mm。ZL202010147482.9中提出了一种微纳气泡气液反应器，通过两级文丘里串联结构强化气泡碎化和气液传质过程。该结构虽然具有结构简单紧凑、成本低廉等优点，但仅采用文丘里结构进行气液混合其对气泡破碎剪切程度有限，在重力作用下容易出现气液分层现象，影响气液混合效果。

综合来看，经过多年的发展，管式微气泡发生的种类、型号不断增多，发泡质量也在不断改善，但纵观国内外已公开的管式气泡发生器结构方案，尤其是基于文丘里结构的气泡发生器，仍普遍存在发泡质量差、存在气液分层现象难以满足大处理工业应用要求等问题。有鉴于此，有必要对国内外现有的技术方案进行系统梳理，突破相关技术瓶颈性制约，尽快研制出高效紧凑型管式气泡发生器，以满足国内外紧凑高效型含油污水浮选处理、曝气等设备对高效紧凑型气泡发生器的现实迫切需求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构紧凑、操作简单、发泡效率高、维护成本低的预混均质耦合式气泡发生器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种预混均质耦合式气泡发生器，包括依次连接的气液预混合段、气液强化混合段、气液均质段和破涡段；

所述气液预混合段被配置为利用高速湍流对气液两相进行初步剪切分散，形成气液混合分散场；

所述气液强化混合段包括顺次分布的起旋段和收缩段，所述起旋段内部形成有多维旋流场，被配置为诱导来自所述气液预混合段的气液混合相发生旋流运动；所述收缩段内部形成有直径沿气液混合相流动方向渐缩的流道；

所述气液均质段内部形成有串联的至少两级文丘里管状的流道；

所述破涡段内形成微流道。

所述的预混均质耦合式气泡发生器，优选地，所述气液预混合段包括顺次布置的来水进口、预混管和气液混合出口，以及下端伸入所述预混管中心的进气管。

所述的预混均质耦合式气泡发生器，优选地，在所述预混管内设置文丘里结构或静态混合结构。

所述的预混均质耦合式气泡发生器，优选地，所述起旋段包括起旋管和螺旋型涡片，若干所述螺旋型涡片周向均布地设置在起旋管的内壁上，所示螺旋型涡片的始端与所述起旋管同向，所述螺旋型涡片的末端与所述起旋管的管壁相切。

所述的预混均质耦合式气泡发生器，优选地，所述收缩段为直径沿气液混合相流动方向渐缩的锥形管，锥形管的大端直径与起旋管的直径相同，锥形管的小端直径为其大端直径的1/3～2/3。

所述的预混均质耦合式气泡发生器，优选地，所述气液均质段包括顺次连接的一级扩张段、一级缩颈段、直管段和二级扩张段，构成串联的两级文丘里管状的流道。

所述的预混均质耦合式气泡发生器，优选地，所述一级扩张段为直径沿气液混合相流动方向渐扩的锥形管；所述一级扩张段的的小端直径与所述收缩段的小端直径相一致，所述一级扩张段的大端直径与所述收缩段的大端直径相一致。

所述的预混均质耦合式气泡发生器，优选地，所述一级缩颈段为直径沿气液混合相流动方向渐缩的锥形管，所述一级缩颈段的大端直径与一级扩张段的大端直径一致，所述一级缩颈段的小端直径为气液预混合段内径的1/4～3/5。

所述的预混均质耦合式气泡发生器，优选地，所述直管段为圆直管，内径与一级缩颈管小端的内径一致；所述二级扩张段为直径沿气液混合相流动方向渐扩的锥形管，所述二级扩张段的小端直径与一级缩颈管小端直径一致，大端直径与破涡段直径一致。

所述的预混均质耦合式气泡发生器，优选地，所述破涡段为内部形成有蜂窝状直管型流道的管路；或者为内部设置孔板结构或若干并行支流道的管路。

本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：

1、本发明的气液强化混合段包括起旋段和收缩段，起旋段内采用螺旋型涡片形成多维旋流场，诱导气液两相产生旋流运动，起旋涡片可以实现多旋流分散冲击过程，在保证气液混合效果的同时，降低旋流作用引起的气液两相分层流动，强化气液分散混合效果；收缩段使得仍然具有较高的旋流分速度的气液两相间速度梯度极速增大，分散气泡将被进一步剪切形成更小气泡，保证气液混合分布的均质程度，有效提高文丘里结构内气液两相流速，强化速度梯度对气泡的剪切破碎过程，使得其更加适用于大处理工程应用。

2、本发明的气液均质段内部形成有串联的至少两级文丘里管状的流道，利用多级文丘里脉冲结构，不仅有效实现管道内气液两相流速度脉冲变化，强化气液间流动速度梯度，保证剪切发泡效果，同时可以引起管道内压力脉动变化，强化气液混合分散和溶解释放过程，保证气液分散混合效果，有效保证发泡质量，此外，多级文丘里脉冲结构前的起旋涡片的设计，保证气液混合分布的均质程度，有效提高文丘里结构内气液两相流速，强化了速度梯度对气泡的剪切破碎过程，使得其更加适用于大处理工程应用。

3、本发明的破涡段内形成微流道，如蜂窝状直管型流道、孔板结构或若干并行支流道，可对依次经气液强化混合段和气液均质段进入破涡段的气液混合过程实现破涡及稳定效果，同时利用每个蜂窝状微流道内边壁效果强化流体流动速度差，稳定气液两相分散混合效果。

4、本发明的气泡发生器包括依次连接的气液预混合段、气液强化混合段、气液均质段和破涡段；具有结构紧凑、无动元件、可操作性强、且易于维护等优势，有利于简化工艺流程，减少投资。

综上所述，本发明综合运用静态混合、旋流分散和脉冲破碎等三种气液混合分散技术，解决传统管式气泡发生器气液混合效果差、发泡平均粒径大、不适合于大规模工程应用等问题；具有结构紧凑、安装操作方便、运行维护成本低、分离效率高等优点，可在强化气液分散混合的同时大幅度减小占地面积。

在工程应用领域上，本发明的气泡发生器可以用于陆上及海上油田等含油污水处理过程中浮选设备，代替当前工程常用的复杂且能耗较高的溶气释放设备或发泡质量较差的文丘里发生器等，还可以用于含油污水、黑臭水体等曝气充氧领域，降低水处理成本。

附图说明

图1是本公开实施例提供的预混均质耦合式气泡发生器的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的预混均质耦合式气泡发生器中起旋段的结构示意图；

图3是本公开实施例提供的预混均质耦合式气泡发生器中破涡段的结构示意图；

图4是本公开实施例提供的预混均质耦合式气泡发生器中气液预混合段内设置静态混合结构的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”“内”、“外”、“横”、“竖”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本公开一实施例提供的一种预混均质耦合式气泡发生器，包括依次连接的气液预混合段1、气液强化混合段2、气液均质段3和破涡段4；

气液预混合段1的结构主要是依据处理液流流量和气液比进行确定，气液预混合段1被配置为利用高速湍流对气液两相进行初步剪切分散，形成气液混合分散场，保证气液两相混合均匀程度；气液强化混合段2包括顺次分布的起旋段21和收缩段22，起旋段21内部形成有多维旋流场，被配置为诱导来自气液预混合段1的气液混合相发生旋流运动；收缩段22内部形成有直径沿气液混合相流动方向渐缩的流道；气液均质段3内部形成有串联的至少两级文丘里管状的流道；破涡段4内形成微流道。

在一些示例中，气液预混合段1包括顺次布置的来水进口11、预混管12和气液混合出口13，以及下端伸入预混管12中心的进气管14；由此自来水进口11进入的水相和进气管14进入的气相在预混管12内发生对冲流动，使得气液两相在气液预混合段1充分混合。

在一些示例中，如图4所示，可根据实际情况，在预混管12内设置文丘里结构或静态混合结构15，以强化气液混合效果。

在一些示例中，如图2所示，起旋段21包括起旋管211和起旋涡片212，若干起旋涡片212周向均布地设置在起旋管211的内壁上；具体地，起旋涡片212可为螺旋型涡片，数量在4～12个，间隔30～90°地均匀布置在起旋管211的内周壁上，螺旋型涡片的始端与起旋管211同向，螺旋型涡片的末端与起旋管211的管壁相切，螺旋型涡片始端和末端之间的夹角作为螺旋型涡片的内旋角度，内旋角度可根据气液比进行调整，由此可将气液混合相的直线流动转变为旋流流动，强化气液混合。

在一些示例中，收缩段22为直径沿气液混合相流动方向渐缩的锥形管，锥形管的大端直径与起旋管211的直径相同，锥形管的小端直径为其大端直径的1/3～2/3。

在一些示例中，气液均质段3包括顺次连接的一级扩张段31、一级缩颈段32、直管段33和二级扩张段34，一级扩张段31和一级缩颈段32之间构成一级文丘里管状的流道，一级缩颈段32、直管段33和二级扩张段34构成二极文丘里管状的流道。气液混合相通过一级扩张管31的大端进入到气液均质段3，此时流体流速会有所降低，相应压力会有所增大，气相溶解速率会增大，然后气液两相流会进入到一级缩颈管32，使得流速再一次提升，强化气液混合过程；经过一级缩颈管32气液混合后，气液两相流通过一级缩颈管32小端进入到直管段33，利用直管段33内持续高流速强化气液混合剪切破碎过程，然后气液两相流进入到二级扩张管34，此时流速降低，水压增高，气相溶解速率会增大，进一步强化气体溶解过程。气液均质段3中串联的两级文丘里管状的流道内速度脉动可以促进对气泡的剪切破碎过程，同时该区域的压力脉动可以强化气液混合分散和溶解释放过程，从而保证气泡产生质量，需要理解的是，气液均质段3中串联的包含缩颈管、扩张管的文丘里管状的流道数量可以根据实际工程调整。

在一些示例中，一级扩张段31为直径沿气液混合相流动方向渐扩的锥形管。一级扩张段31的的小端直径与收缩段22的小端直径相一致，一级扩张段31的大端直径与收缩段22的大端直径相一致。

在一些示例中，一级缩颈段32为直径沿气液混合相流动方向渐缩的锥形管，一级缩颈段32的大端直径与一级扩张段31的大端直径一致，一级缩颈段32的小端直径一般为气液预混合段1内径的1/4～3/5。

在一些示例中，直管段33为圆直管，内径与一级缩颈管32小端的内径一致。

在一些示例中，二级扩张段34为直径沿气液混合相流动方向渐扩的锥形管，二级扩张段34的小端直径与一级缩颈段32小端直径一致，大端直径与破涡段4直径一致。

在一些示例中，如图3所示，破涡段4为内部形成有蜂窝状直管型流道的管路，可以根据实际情况通过调整蜂窝状直管单管管径来调整直管型流道内蜂窝状直管数量和分布；

或者，破涡段4也可为内部设置孔板结构或若干并行支流道的管路，支流道的直径小于蜂窝状直管型流道的直径。

本公开实施例提供的预混均质耦合式气泡发生器的工作过程如下：

主体水流经来水进口11进入到预混管12，同时高压气相经进气管14进入到预混管12，气液两相在预混管12进行强烈对冲形成气液初步混合，使气相分散成小气泡；经过初步混合的气液两相进入到气液强化混合段2，利用起旋涡片212诱导产生涡旋流动，使气液两相进行进一步混合，降低气液密度差引起的分层流，经过混合的气液两相通过收缩管22，流体流通截面积迅速减小，且流体仍然具有较高的旋流分速度，气液两相间速度梯度会极速增大，分散气泡将被进一步剪切形成更小气泡；气液两相经气液强化混合段2强化分散后，通过一级扩张段31的大端进入到气液均质段3，此时流体流速会有所降低，相应压力会有所增大，气相溶解速率会增大，然后气液两相流会进入到一级缩颈段32，使得流速再一次提升，强化气液混合过程；经过一级缩颈段32气液混合后，气液两相流通过一级缩颈段32小端进入到直管段33，利用直管段33内持续高流速强化气液混合剪切破碎过程，然后气液两相流进入到二级扩张段34，此时流速降低，水压增高，气相溶解速率会增大，进一步强化了气体溶解过程；气液两相流经过二级扩张段34大端进入破涡段4，利用微流道(例如蜂窝状直管型流道)加速气液两相流动速度，在进一步强化气泡分散破碎过程的同时，减压使得溶解气体释放产生更多数量的微细气泡。

综上所述，本公开实施例提供的预混均质耦合式气泡发生器，综合运用气液对冲混合、静态混合、高梯度剪切分散和溶解释放等技术理念，基于多级多梯度理念的高效管式微气泡发生技术，不仅能够适应不同气液比的气液混合分散，同时具有结构紧凑、安装操作方便、运行维护成本低等优势，从根本上解决了传统气泡发生设备占地面积大和分离效率低等问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种预混均质耦合式气泡发生器，其特征在于：包括依次连接的气液预混合段、气液强化混合段、气液均质段和破涡段；

所述气液预混合段被配置为利用高速湍流对气液两相进行初步剪切分散，形成气液混合分散场；

所述气液强化混合段包括顺次分布的起旋段和收缩段，所述起旋段内部形成有多维旋流场，被配置为诱导来自所述气液预混合段的气液混合相发生旋流运动；所述收缩段内部形成有直径沿气液混合相流动方向渐缩的流道；

所述气液均质段内部形成有串联的至少两级文丘里管状的流道；

所述破涡段内形成微流道。

2.如权利要求1所述的一种预混均质耦合式气泡发生器，其特征在于：所述气液预混合段包括顺次布置的来水进口、预混管和气液混合出口，以及下端伸入所述预混管中心的进气管。

3.如权利要求2所述的一种预混均质耦合式气泡发生器，其特征在于：在所述预混管内设置文丘里结构或静态混合结构。

4.如权利要求1所述的一种预混均质耦合式气泡发生器，其特征在于：所述起旋段包括起旋管和螺旋型涡片，若干所述螺旋型涡片周向均布地设置在起旋管的内壁上，所示螺旋型涡片的始端与所述起旋管同向，所述螺旋型涡片的末端与所述起旋管的管壁相切。

5.如权利要求4所述的一种预混均质耦合式气泡发生器，其特征在于：

所述收缩段为直径沿气液混合相流动方向渐缩的锥形管，锥形管的大端直径与起旋管的直径相同，锥形管的小端直径为其大端直径的1/3～2/3。

6.如权利要求1所述的一种预混均质耦合式气泡发生器，其特征在于：所述气液均质段包括顺次连接的一级扩张段、一级缩颈段、直管段和二级扩张段，构成串联的两级文丘里管状的流道。

7.如权利要求6所述的一种预混均质耦合式气泡发生器，其特征在于：所述一级扩张段为直径沿气液混合相流动方向渐扩的锥形管；所述一级扩张段的的小端直径与所述收缩段的小端直径相一致，所述一级扩张段的大端直径与所述收缩段的大端直径相一致。

8.如权利要求6所述的一种预混均质耦合式气泡发生器，其特征在于：所述一级缩颈段为直径沿气液混合相流动方向渐缩的锥形管，所述一级缩颈段的大端直径与一级扩张段的大端直径一致，所述一级缩颈段的小端直径为气液预混合段内径的1/4～3/5。

9.如权利要求6所述的一种预混均质耦合式气泡发生器，其特征在于：所述直管段为圆直管，内径与一级缩颈管小端的内径一致；所述二级扩张段为直径沿气液混合相流动方向渐扩的锥形管，所述二级扩张段的小端直径与一级缩颈管小端直径一致，大端直径与破涡段直径一致。

10.如权利要求1所述的一种预混均质耦合式气泡发生器，其特征在于：所述破涡段为内部形成有蜂窝状直管型流道的管路；或者为内部设置孔板结构或若干并行支流道的管路。

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