CN114288980A - 一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料，包括中心球体和尖刺，其中，尖刺的数量为多个，均匀分布在中心球体的表面，中心球体的半径与尖刺长度的比例范围为1:2～1:1。本发明的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料结构简单，成本低廉，能有效增大气液接触面积，增加停留时间，增强气液传质；能够控制密度悬浮于不同液体之中，并可以根据鼓泡塔的高度适配出几种不同大小的填料，对气泡进行分级破碎。
Description
技术领域
本发明涉及填料技术领域，具体涉及一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料。
背景技术
人类利用煤、石油以及天然气等化石燃料来推动经济和社会的发展，随着能源的消耗也导致各种各样的环境问题，比如温室效应、酸雨和光化学污染等。二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)等有害气体是煤和石油燃烧的副产物，其排放主要来自燃烧过程。
鼓泡塔在气体吸收、烟气净化方面有广泛应用。与其他接触装置相比，鼓泡塔的主要优点如下：无活动部件，维护简单；气液接触面积大，增强传热传质能力；结构紧凑，占地面积小；能够控制停留时间使气液两相发生缓慢反应。
鼓泡塔净化烟气过程中，采用小直径气体导管产生小气泡，阻力较大且能耗高；采用大直径气体导管产生大气泡，阻力较小且能耗低。然而产生大气泡的鼓泡塔气液接触面积较小，无法达到较高的污染物脱除效率。针对以上缺陷，在鼓泡塔内添加一定数量的填料可增大气液接触面积，延长气泡停留时间，并且填料可作为催化剂的载体。
目前的填料种类繁多，现实中常用的填料材质是金属或者陶瓷。中国专利CN212662741 U公开了一种丝网波纹填料，采用金属材质，适用于精密精馏及真空精馏装置。中国专利CN 212492261 U公开了一种金属填料及填料塔，采用金属材质并适用于填料塔，改善填料塔的传质效率、结构稳定性和通量。中国专利CN 211303072 U公开了一种填料塔用填料结构，所用填料结构为聚丙烯填料结构或聚氟乙烯填料结构，有利于液体雾化，将液体破碎成小液滴。
但是，现有技术中的填料大多无法实现密度可控以及对气泡进行分级破碎的功能。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料。
本发明提供了一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料，具有这样的特征，包括：中心球体；尖刺，其中，尖刺的数量为多个，均匀分布在中心球体的表面，中心球体的半径与尖刺长度的比例范围为1:2～1:1。
在本发明提供的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料中，还可以具有这样的特征：其中，悬浮仿生填料的尺寸为中心球体与尖刺组成的整体尺寸，悬浮仿生填料的尺寸根据气泡的大小相应设计，悬浮仿生填料的尺寸大于气泡尺寸的1/4，最小尺寸不低于5mm。
在本发明提供的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料中，还可以具有这样的特征：其中，悬浮仿生填料的不同尺寸用于鼓泡塔分级破碎气泡，按照初始生成气泡尺寸的2～4倍分为一级，各级按照气泡尺寸适配悬浮仿生填料。
在本发明提供的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料中，还可以具有这样的特征：其中，中心球体为可打开的中空球体，壁厚不小于1.5mm，用于装配尖刺，中心球体中间的镂空部分加入不同质量的填充物改变密度，从而使悬浮仿生填料悬浮于不同液体中。
在本发明提供的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料中，还可以具有这样的特征：其中，尖刺分别均匀设计在中心球体的上视基准面、前视基准面、右视基准面、第一基准面以及第二基准面上，第一基准面、第二基准面分别与前视基准面、右视基准面成45°角。
在本发明提供的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料中，还可以具有这样的特征：其中，尖刺为直角三角形绕长直角边旋转360°得到的尖刺结构，长直角边的长度依据中心球体的半径与尖刺的长度比例确定，直角三角形的短直角边的长度依据尖刺排列不重叠准则确定。
在本发明提供的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料中，还可以具有这样的特征：其中，尖刺的位置为以直角三角形的直角为旋转中心，依次顺时针或逆时针旋转30°或45°，从而形成多个尖刺。
在本发明提供的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料中，还可以具有这样的特征：其中，根据尖刺排列不重叠准则，相邻两尖刺的旋转重合点位于中心球体半径范围内。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料，因为包括中心球体和尖刺。其中，尖刺的数量为多个，均匀分布在中心球体的表面，中心球体的半径与尖刺长度的比例范围为1:2～1:1。
所以，本发明的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料添加到鼓泡塔中随气泡上升产生的湍流而运动，进而破碎气泡强化气体传质吸收。气体导管通入鼓泡塔底部产生气泡，添加若干个本发明的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料能显著提高气体吸收效率。
此外，本发明的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料能有效增大气液接触面积，增加停留时间，增强气液传质。
附图说明
图1是本发明的实施例1中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的立体结构示意图；
图2是本发明的实施例1中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构设计中的装配图；
图3是本发明的实施例1中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构设计过程中的基准面建立图；
图4是本发明的实施例1中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构设计过程中各基准面上的一种尖刺分布图；
图5是本发明的实施例1中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构设计中的尖刺排列不重叠准则示意图；
图6是本发明的实施例1中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的一种结构在实验中破碎气泡对比图；
图7是本发明的实施例6中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的几种结构在鼓泡塔中多级破碎气泡图；
图8是本发明的实施例7中“小球半径3.5mm+尖刺长度5mm”填料不同添加量对脱硫效率差值的影响图；
图9是本发明的对比例中添加2.5cm3体积量的商用填料鲍尔环与狄克松环对脱硫效率差值的影响图；以及
图10是本发明的对比例中添加5cm3体积量的商用填料鲍尔环与狄克松环对脱硫效率差值的影响图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料作具体阐述。
<实施例1>
在本实施例中提供了一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料。
图1是本实施例中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的立体结构示意图。
如图1所示，本实施例的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料100包括中心球体1和尖刺2。尖刺2的数量为多个，均匀分布在中心球体1的表面。
悬浮仿生填料的尺寸为中心球体1与尖刺2组成的整体尺寸，填料尺寸随气泡大小进行设计，大尺寸填料可以使气泡破碎，小尺寸填料与气泡碰撞后弹开，填料尺寸应大于气泡尺寸的1/4。
悬浮仿生填料的不同尺寸用于鼓泡塔分级破碎气泡，按照初始生成气泡尺寸的2～4倍分为一级，各级按照气泡尺寸适配悬浮仿生填料。
图2是本实施例中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构设计中的装配图。
如图2所示，中心球体1为可打开的中空球体，一个半球的外壁11上有四个凸起12，另一个半球的外壁11上有四个和凸起12相适配的凹槽13，实现中心球体1的打开和合起。
外壁厚11不小于1.5mm，用于装配尖刺2，中心球体1中间的镂空部分加入不同质量的填充物改变密度，从而使悬浮仿生填料悬浮于不同液体中。
图3是本实施例中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构设计过程中的基准面建立图。
如图3所示，尖刺2分别均匀设计在中心球体1的上视基准面3、前视基准面4、右视基准面5、第一基准面6以及第二基准面7上，第一基准面6、第二基准面7分别与前视基准面4、右视基准面5成45°角。
图4是本实施例中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构设计过程中各基准面上的一种尖刺分布图。
如图4所示，尖刺2为直角三角形8绕长直角边旋转360°得到的尖刺结构，长直角边的长度依据中心球体1的半径与尖刺2的长度比例确定，直角三角形8的短直角边的长度依据尖刺排列不重叠准则确定。
尖刺2的位置为以直角三角形8的直角为旋转中心，依次顺时针或逆时针旋转30°或45°，从而形成多个尖刺2。
图5是本实施例中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构设计中的尖刺排列不重叠准则示意图。
如图5所示，根据尖刺排列不重叠准则，相邻两尖刺的旋转重合点(9)位于中心球体1半径范围内。
本实施例中的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料100的制作过程包括如下步骤：
步骤S1，采用三维建模软件进行仿生填料的设计，根据“海胆”的仿生学原理，包括中心球体和尖刺。填料尺寸随气泡大小进行设计，大尺寸填料可以使气泡破碎，小尺寸填料与气泡碰撞后弹开，填料尺寸应大于气泡尺寸的1/4。中心球体半径与尖刺长度的比例范围为0.5～1，尖刺均匀分布在中心球体表面。尖刺结构的分布根据排列不重叠准则确定，如图4所示。将填料中心球体进行镂空处理并平分成上下两部分，留出不小于1.5mm的壁厚来进行装配设计。
步骤S2，将设计好的仿生填料以STL格式导出，采用3D打印技术生产。可以往装配体中间添加不同质量的填充物，来控制填料的密度。
图6是本实施例中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的一种结构在实验中破碎气泡对比图。
<实施例2>
本实施例中提供了一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料。
本实施例中的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构与实施例1相同，中心球体1的半径为3.5mm，尖刺2的长度为5mm。中心球体1为实心不做镂空处理，得到密度为1.05g/cm3，略高于水的密度。
<实施例3>
本实施例中提供了一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料。
本实施例中的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构与实施例1相同，中心球体1的半径为3.5mm，尖刺2的长度为5mm。中心球体1为中空球体，壁厚为1.5mm，中间空腔不加入任何物质，进行装配后，得到密度为0.924g/cm3，小于水的密度。
<实施例4>
本实施例中提供了一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料。
本实施例中的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构与实施例1相同，中心球体1的半径为3.5mm，尖刺2的长度为5mm。中心球体1为中空球体，壁厚为2mm，中间空腔不加入任何物质，进行装配后，得到密度为0.997g/cm3，接近水的密度。
<实施例5>
本实施例中提供了一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料。
本实施例中的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构与实施例1相同，中心球体1的半径为3.5mm，尖刺2的长度为5mm。中心球体1为中空球体，壁厚为1.5mm，中间空腔加入0.1g的密度为7.85g/cm3的小铁球，进行装配后，得到密度为1.283g/cm3，大于水的密度。
<实施例6>
本实施例中提供了一种分级破碎气泡的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料。
本实施例中的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的结构与实施例1相同。采用高度为30cm、半径为5cm的鼓泡塔，1/2英寸导管通入鼓泡塔底部，总气体流量为2L/min，初始生成气泡尺寸大约40mm，设计每10cm一层分为3级鼓泡。
分别采用中心球体1的半径为4mm，尖刺2的长度为7mm、中心球体1的半径为3.5mm，尖刺2的长度为5mm、中心球体1的半径为3mm，尖刺2的长度为4mm的仿生填料进行分级破碎气泡。
图7是本实施例中强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的几种结构在鼓泡塔中多级破碎气泡图。
<实施例7>
本实施例中提供了一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料的性能测试。具体方法为：
采用100ml鼓泡塔，加入60ml去离子水作为吸收液，1/4英寸导管通入鼓泡塔底部，总气体流量为2L/min，SO2浓度控制在600ppm，平衡气为N2，吸收时间为300s。测得未加入填料情况下的鼓泡塔脱硫效率。
分别在鼓泡塔中添加数量为5、10、15、20个的“小球半径3.5mm+尖刺长度5mm”仿生填料，测得每一情况下的脱硫效率，与未加入填料情况下进行对比作差，得到脱硫效率差值。
<对比例>
本对比例中提供了一种与实施例7中的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料进行对比的性能测试。与实施例7的区别在于：将仿生填料替换成商用填料鲍尔环和狄克松环，分别添加2.5cm3、5cm3的填料数量，2.5cm3、5cm3对应于大约10个、20个仿生填料的体积。
图8是实施例7中“小球半径3.5mm+尖刺长度5mm”填料不同添加量对脱硫效率差值的影响图。
图9是对比例中添加2.5cm3体积量的商用填料鲍尔环与狄克松环对脱硫效率差值的影响图。
图10是对比例中添加5cm3体积量的商用填料鲍尔环与狄克松环对脱硫效率差值的影响图。
如图8～图10所示，实施例7中添加了20个仿生填料的鼓泡塔能在原有的脱硫效率基础上提高8％的效率，并且在100s内保持较高的促进脱硫效率，而对比例中添加了鲍尔环和狄克松环的鼓泡塔只能提高2％的效率。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料，因为包括中心球体和尖刺。其中，尖刺的数量为多个，均匀分布在中心球体的表面，中心球体的半径与尖刺长度的比例范围为1:2～1:1。
所以，上述实施例中的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料添加到鼓泡塔中随气泡上升产生的湍流而运动，进而破碎气泡强化气体传质吸收。气体导管通入鼓泡塔底部产生气泡，添加若干个本发明的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料能显著提高气体吸收效率。
此外，上述实施例中的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料能有效增大气液接触面积，增加停留时间，增强气液传质。
此外，上述实施例中的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料能够改变密度来使填料悬浮于不同液体中。
此外，随着鼓泡塔高度的增加，气泡聚并会更加频繁，上述实施例中的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料可以根据鼓泡塔的高度适配出几种不同大小的填料，对气泡进行分级破碎。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料，其特征在于，根据“海胆”的仿生学原理设计，包括：
中心球体(1)；
尖刺(2)，
其中，所述尖刺(2)的数量为多个，均匀分布在中心球体(1)的表面，
所述中心球体(1)的半径与所述尖刺(2)长度的比例范围为1:2～1:1。
2.根据权利要求1所述的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料，其特征在于：
其中，所述悬浮仿生填料的尺寸为所述中心球体(1)与所述尖刺(2)组成的整体尺寸，
所述悬浮仿生填料的尺寸根据气泡的大小相应设计，
所述悬浮仿生填料的尺寸大于气泡尺寸的1/4，最小尺寸不低于5mm。
3.根据权利要求2所述的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料，其特征在于：
其中，所述悬浮仿生填料的不同尺寸用于鼓泡塔分级破碎气泡，按照初始生成气泡尺寸的2～4倍分为一级，各级按照气泡尺寸适配所述悬浮仿生填料。
4.根据权利要求1所述的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料，其特征在于：
其中，所述中心球体(1)为可打开的中空球体，壁厚不小于1.5mm，用于装配所述尖刺(2)，
所述中心球体(1)中间的镂空部分加入不同质量的填充物改变密度，从而使所述悬浮仿生填料悬浮于不同液体中。
5.根据权利要求1所述的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料，其特征在于：
其中，尖刺(2)分别均匀设计在所述中心球体(1)的上视基准面(3)、前视基准面(4)、右视基准面(5)、第一基准面(6)以及第二基准面(7)上，
所述第一基准面(6)、所述第二基准面(7)分别与所述前视基准面(4)、所述右视基准面(5)成45°角。
6.根据权利要求1所述的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料，其特征在于：
其中，尖刺(2)为直角三角形(8)绕长直角边旋转360°得到的尖刺结构，
所述长直角边的长度依据中心球体(1)的半径与尖刺(2)的长度比例确定，
直角三角形(8)的短直角边的长度依据尖刺排列不重叠准则确定。
7.根据权利要求1所述的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料，其特征在于：
其中，所述尖刺(2)的位置为以直角三角形(8)的直角为旋转中心，依次顺时针或逆时针旋转30°或45°，从而形成多个尖刺(2)。
8.根据权利要求6所述的强化气体鼓泡吸收的悬浮仿生填料，其特征在于：
其中，根据所述尖刺排列不重叠准则，相邻两尖刺的旋转重合点(9)位于中心球体(1)半径范围内。
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|---|---|---|---|---|
| WO2024000837A1 (zh) * | 2022-06-28 | 2024-01-04 | 广东邦普循环科技有限公司 | 一种含锰废水的处理方法 |
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2022
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