CN116272457B - 一种基于二次引射流的高效溶气反应器及其气液混合传质方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于二次引射流的高效溶气反应器及其气液混合传质方法。所述高效溶气反应器采用立式结构布局，主要包括反应罐、进液管、进气管、高压气腔套筒、弹性橡胶管、密封支撑套管、强化混合管、射流喷嘴、引射流管、旋流筛分筒、出水管、排气阀等。本发明基于微孔介质发泡、二级引射流强化气液混合溶解、旋流气泡粒径筛分等理念，有效增大了分散气泡的水力停留时间，强化了气液混合溶解过程，实现梯级强化气液混合溶解传质过程，达到高效溶气的目的，所述溶气反应器具有结构紧凑、不易堵塞、溶气效率高、工况适应范围广、运行维护成本低等特点。

Description

一种基于二次引射流的高效溶气反应器及其气液混合传质 方法

技术领域

本发明属于高效气液混合传质和微细气泡发生技术领域，具体涉及一种基于二次引射流的高效溶气反应器及其气液混合传质方法。

背景技术

微细气泡具有液流停留时间长、比表面积大、传质方效率高、能够产生大量羟基自由基等特点，在污染治理、生态修复、水产养殖、洗浴保健、化工反应过程强化等领域得到广泛应用。

按照成泡机理不同，工业常用的微细气泡产生方式主要有溶气释放法、引气分散法、微孔散气法、多相溶气泵法、电解法等。其中所述溶气释放法是指，使气体在一定压力下溶解于水中并达到过饱和状态，通过减压使水中溶解气以微细气泡析出，该方法具有产泡质量高、安装调试简单、运行稳定等优势，是目前应用最为广泛的微细气泡产生方法。

溶气罐是溶气释放产生微细气泡过程中使气相在水中充分溶解的核心设备。为保证溶气效率，需要在溶气罐内实现水与气体的充分接触传质，促使气体尽快溶入水中达到饱和程度。

根据溶气方式不同，现有溶气罐具体可以分为采用填料增大罐内气液混合传质界面的填料式和基于强化气液混合溶解过程的射流式、旋流式、涡流式等。其中填料式溶气罐目前在工业中应用最为广泛，但客观而言仍然存在填料易堵塞、高能耗等不足。而射流式、旋流式、涡流式等溶气罐存在气液混合效果差、溶气效率低、气液比工况适应性差等不足，限制了溶气效率的进一步提升。

随着微细气泡技术的应用越来越引起人们的重视，高效溶气技术已经为限制其发展的瓶颈性难题。近年来，许多研究人员提出了一些新型溶气罐结构，如：专利CN215516717U中介绍了一种气浮机双射流溶气罐，通过在溶气罐内设置双级文丘里射流器射流结构，以达到提高溶气罐内射流效果的目的；该方法虽然在一定程度上提高了气液混合效果，但并未真正解决文丘里射流发泡粒径偏大、混合传质效果差的问题。

美国专利US6485003/B2同样公开了一种溶气装置及方法，其主体溶气罐内包含有加速板、扩张溶气腔、螺旋叶片、气体回流管等，该方案主要是利用加速板提高气液流速来提高气液两相接触混合强度，然后通过扩张腔和螺旋叶片来调节气液两相流速和运动方向，强化气液传质效率，并利用气体回流管将气泡汇集至扩张溶气腔以提高气体利用率；该方案相当于是通过耦合射流式与旋流式溶气技术来达到强化气液溶解传质过程，但存在射流产生气泡粒径偏大、旋流效应容易导致气液两相发生离心分层流动等问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效溶气反应器，其具有工况适用范围广、结构紧凑、不易堵塞、溶气效率高、运行维护成本低等特点。

本发明所述的技术方案如下：

一种溶气反应器，包括反应罐；

所述反应罐的顶部配有一强化混合管，所述强化混合管的下端延伸至所述反应罐内部并连接射流喷嘴，上端延伸至所述反应罐的外部，从下向上依次连接密封支撑套管、弹性橡胶管和进液管；所述弹性橡胶管的表面有微纳米级的穿气孔；

所述弹性橡胶管和所述密封支撑套管的外部设一高压气腔套筒，所述弹性橡胶管、所述密封支撑套管和所述高压气腔套筒形成一密闭腔室，作为高压气腔；所述高压气腔套筒的侧壁上设有进气管；

所述射流喷嘴的下部设有引射流管；

所述引射流管的下部设有旋流筛分筒；

所述反应罐的上部设有排气阀，下部设有出水管。

上述溶气反应器中，所述密封支撑套管依次由缩径管、穿孔管和扩张管组成；

所述缩径管小口径端的直径为其大口径端直径的1/2-2/3，所述缩径管沿轴心倾斜角为45°-60°；

所述扩张管小口径端的直径与所述缩径管小口径端的直径一致，所述扩张管沿轴心倾斜角为45°-75°。

上述溶气反应器中，所述穿气孔的孔径为0.1-3.0μm，孔隙度为15%-50%；所述弹性橡胶管的耐压强度不低于0.5MPa；

所述弹性橡胶管被所述密封支撑套管紧固，所述弹性橡胶管的两端与所述密封支撑套管的所述缩径管和所述扩张管平行部位压紧密封。

常压时，所述弹性橡胶管张紧与所述穿孔管紧密贴合；当通入高压气体时，高压气腔内的高压气体穿过所述穿孔管，所述弹性橡胶管受高压变形，表面穿气孔被打开，高压气体透过穿气孔进入主体水流中，利用高速水流实现对连续气相的切割。

上述溶气反应器中，所述旋流筛分筒上部为开口向上的空心锥台形结构，所述空心锥台形结构内设置有旋流叶片；

所述旋流筛分筒下部为均流板，所述均流板与所述空心锥台形结构之间设有周向均流叶片。

上述溶气反应器中，所述空心锥台形结构大端与所述反应罐侧壁的间距为2-5mm；

所述空心锥台形结构的上端面与所述射流段下部大口径端的圆面的间距为所述射流段下部大口径端直径的1.3-2.0倍；

所述空心锥台形结构小端直径与所述均流板直径一致，均为所述射流段下部大口径端直径的1.5-2倍；

所述旋流叶片的厚度范围为1-10mm；

所述旋流叶片的倾斜角度范围为10~30°；

所述旋流叶片的数量为4-10片。

上述溶气反应器中，所述反应罐的上部为椭圆封头结构，中部为变径筒体结构，下部为直筒结构，底部为椭圆封头结构；所述变径筒体结构与水平倾斜角为65°-85°；

所述射流喷嘴为一段缩径管，其小口径端出口内壁面上设有6-10个V形槽；

所述V形槽的深度为所述射流喷嘴的小口径端出口直径的1/4-1/3；

上述溶气反应器中，所述引射流管包括上部引流段和下部射流段；

所述引流段为喇叭口状，其上部大口径端的直径为所述强化混合管内径的2-3倍，其下部小口径端的直径与所述射流段的内径一致，所述引流段的高度为其小口径端直径的1.5-3倍；所述引流段的水平方向倾斜角度为45°-60°；

所述射流段为锥形管结构，其上部小口径端的直径与所述引流段下部小口径端的内径一致，其下部大口径端的直径为所述强化混合管内径的2-3倍，所述射流段高度为所述反应罐高度的1/4-1/3，所述射流段的水平方向倾斜角度为75°-85°。

本发明进一步提供一种基于所述溶气反应器的气液混合传质方法，包括如下步骤：

S1、水流经所述进液管、所述密封支撑套管的缩径管进入所述弹性橡胶管直管段内，同时气体通过所述进气管进入所述高压气腔套筒；高压气体穿透所述弹性橡胶管的所述穿气孔与所述缩径管内来水接触，形成气水混合流；

S2、所述气水混合流依次进入所述密封支撑套管的穿孔管、扩张管和所述强化混合管，完成初次射流剪切气液混合；再经所述射流喷嘴射流至所述引射流管中，形成二次引射流；

S3、所述二次引射流沿所述引射流管向下流至所述旋流筛分筒，在所述旋流筛分筒的阻碍作用下部分所述二次引射流绕流向上形成围绕所述引射流管的环流，完成二次气液混合，进一步得到气液混合相；

S4、所得气液混合相向下流动进入所述旋流筛分筒内，并在旋流叶片诱导作用下形成旋流；利用旋流强度对气泡粒径进行有效筛分，所得溶气水及所含微细气泡继续向下流动，通过周向均流叶片流出旋流筛分筒，并最终排出反应罐外。

步骤S2中，所述射流喷嘴射流气水混合流的流速控制在8-15m/s之间。

步骤S3中，所述反应罐内的水力停留时间为15-45s。

本发明取得的有益效果如下：

相比常规溶气设备，本发明所提供的高效溶气反应器综合运用穿气孔介质预发泡、文丘里射流强化气液混合、二次引射流强化气液传质和旋流气流粒径筛分技术，具有如下特点：

（1）本发明所提供的反应器的弹性橡胶管通过微孔介质发泡技术将连续气相剪切破碎成小气泡分散于来液中，初步实现增大气相比表面积的目的，且利用来液高速冲刷弹性橡胶管表面的设计也降低了弹性橡胶管的穿气孔堵塞几率；此外，在低压或不注气的情况下，弹性橡胶管保持收缩状态，穿气孔通道关闭，也进一步避免了穿气孔堵塞。

（2）本发明通过引射流管进一步提高了水流对小气泡的剪切破碎程度，有效强化了气液两相混合传质过程；利用射流喷嘴和引射流管等元件，在反应罐内形成了二次引射流环形流动，延长了气泡在主体分离区内的水力停留时间，实现了强化气液混合传质过程的目的；且二次引射流可以将反应罐内顶部未被有效溶解的连续气相卷吸入引射流管内，以与射流喷嘴来液进行再次混合，大幅度提高了气体利用率，同时降低了气液比波动对反应罐溶气过程的负面影响，提高了反应罐对来液含气量波动的适应性。

（3）利用旋流筛分筒的旋流叶片引入旋流，并通过调节旋流筛分管内旋流叶片厚度和倾斜角度，控制旋流筛分管内旋流强度等参数，实现气泡粒径的有效筛分，使得粒径大的气泡向中心汇聚，并经循环流进行再次射流强化气液混合，粒径小的气泡则随主体水体流出，实现微气泡粒径筛分的目的。

（4）高效溶气反应器的流场内无填料，且具有液位自适应特性，因此操作运行维护费用更低。

综上，本发明所涉及的高效溶气反应器及溶气方法基于穿气孔材料预分散、射流剪切破碎混合和引射流强化气液传质、旋流粒径筛分等理念，实现梯级强化气液混合溶解传质过程，具有工况适用范围广、结构紧凑、不易堵塞、溶气效率高、能耗低、不易堵塞、运行维护成本低等特点。

附图说明

图1为本发明提供的基于二次引射流的高效溶气反应器的结构示意图。

图2为本发明基于二次引射流的高效溶气反应器中高压气腔套筒内部结构示意图；其中（a）表示未通气状态，（b）表示通入高压气体状态。

图3为本发明基于二次引射流的高效溶气反应器中射流喷嘴的立体模型图。

图4为本发明基于二次引射流的高效溶气反应器中引射流管的立体模型图。

图5为本发明基于二次引射流的高效溶气反应器中旋流筛分筒的结构示意图；其中（a）中上图为空心锥台形结构的前视图，（a）中下图为空心锥台形结构的俯视图，（b）为旋流叶片的结构示意图，（c）为周向均流叶片的结构示意图。

图6为主体反应罐内速度矢量图。

图7为中心竖直方向截面的速度云分布和迹线图。

图中：1-进液管；2-进气管；3-高压气腔套筒；4-弹性橡胶管；5-密封支撑套管；51-缩径管；52-穿孔管；53-扩张管；6-强化混合管；7-射流喷嘴；71-V形槽；8-引射流管；81-引流段；82-射流段，83-支撑架；9-旋流筛分筒；91-空心锥台形结构；92-旋流叶片；93-均流板；94-周向均流叶片；10-反应罐；11-出水管；12-排气阀。

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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。

本发明具体提供一种基于二次引射流和旋流粒径筛分的高效溶气反应器，如图1所示，其包括反应罐10；反应罐10的上部为椭圆封头结构，中部为变径筒体结构，变径筒体与水平倾斜角为65°-85°，下部为直筒结构，底部为椭圆封头结构。反应罐10的上部设有排气阀12，下部设有出水管11。

如图1所示，反应罐10的顶部紧固连接强化混合管6，强化混合管6的一端延伸至反应罐10的内部并紧固连接射流喷嘴7，另一端延伸至反应罐10的外部，从下向上依次连接密封支撑套管5、弹性橡胶管4、进液管1；弹性橡胶管4表面有微纳米级的穿气孔，其孔径为0.1-3.0μm，孔隙度为15%-50%，弹性橡胶管4的耐压强度不低于0.5MPa。

如图1所示，在弹性橡胶管4、密封支撑套管5外设一高压气腔套筒3，弹性橡胶管4、密封支撑套管5和高压气腔套筒3形成一密闭腔室，作为高压气腔，高压气腔套筒3的侧壁上设有进气管2。

如图2所示，密封支撑套管5由缩径管51、穿孔管52和扩张管53组成，缩径管51小口径端的直径为其大口径端直径的1/2-2/3；缩径管51沿轴心倾斜角为45°-60°；扩张管53小口径端的直径与缩径管51小口径端的直径一致；扩张管53沿轴心倾斜角为45°-75°。

如图2所示，弹性橡胶管4被密封支撑套管5紧固，弹性橡胶管4两端与缩径管51和扩张管53平行部位压紧密封，密封支撑套管5中间为穿孔管52，常压时，弹性橡胶管4张紧与穿孔管52紧密贴合，当通入高压气体时，高压气腔内的高压气体穿过穿孔管52，弹性橡胶管4受高压变形，表面穿气孔被打开，高压气体透过穿气孔进入主体水流中，利用高速水流实现对连续气相的切割。

如图3所示，射流喷嘴7为一段缩径管，其小口径端出口内壁面上设有6-10个V形槽71；V形槽的深度为射流喷嘴的小口径端出口直径的1/4-1/3。

如图1所示，射流喷嘴7的下部设有引射流管8；如图4所示，引射流管8包括上部引流段81、下部射流段82和上下支撑架83；引流段81为喇叭口状，其上部大口径端的直径为强化混合管6内径的2-3倍，其下部小口径端的直径与强化混合管6的内径一致，引流段81的高度为其下部小口径端直径的1.5-3倍；引流段81的水平方向倾斜角度为45°-60°；射流段82为锥形管结构，其上部小口径端的直径与引流段81下部小口径端的内径一致，其下部大口径端的直径为强化混合管6内径的2-3倍，射流段82高度为反应罐10高度的1/4-1/3，射流段82的水平方向倾斜角度为75°-85°。

如图1所示，引射流管8的下方设有旋流筛分筒9；如图5所示，旋流筛分筒9上部为开口向上的空心锥台形结构91，空心锥台形结构91内设置有4-10片旋流叶片92，旋流叶片的厚度范围为1-10mm，倾斜角度范围为10-30°；旋流筛分筒下部为均流板93，在空心锥台形结构91与均流板93之间设有周向均流叶片94；空心锥台形结构91大端与反应罐10侧壁之间留有2-5mm缝隙，旋流筛分筒9的空心锥台形结构91小端直径与下部均流板93直径一致，为射流段82下部大口径端直径的1.5-2倍。

利用本发明提供的溶气反应器进行气液混合时，可根据下述步骤进行：

S1、水流经进液管1、缩径管51进入弹性橡胶管4直管段内，同时气体通过进气管2进入高压气腔套筒3；当高压气腔套筒内压力较低时，弹性橡胶管4在自身弹性作用下会保持紧缩状态，与穿孔管52紧密贴合，此时弹性橡胶管4表面穿气孔通道处于关闭状态；随着高压气腔套筒内的压力升高，高压气体穿过穿孔管52，弹性橡胶管4受高压变形与穿孔管52分离，膨胀后弹性橡胶管4表面的透气孔通道被打开，高压气体穿透弹性橡胶管4，与缩径管51内水流接触，形成气水混合流；

S2、气水混合流依次进入扩张管53和强化混合管6，完成初次射流剪切气液混合过程；之后再经射流喷嘴7射流至反应罐10内的引射流管8中，射流过程中由于局部压力较低，形成负压抽吸效应，会卷吸周边流体形成二次引射流；引射流和卷吸流在该区域充分混合，有效增大了对气相的剪切作用，并进一步强化了气液传质过程；射流喷嘴7射流气水混合流的流速控制在8-15m/s之间；

S3、二次引射流沿引射流管8向下流至旋流筛分筒9，并在旋流筛分筒9阻碍作用下部分混合流绕流向上形成围绕引射流管8的环流，完成二次气液混合过程，得到气液混合相；反应罐内的水力停留时间为15-45s；

S4、所得气液混合相继续向下流动进入到旋流筛分筒9内，并在旋流叶片92作用下诱导形成旋流，随着旋流筛分筒9直径逐渐缩小，旋流强度逐渐增强，依靠控制旋流强度对气泡粒径进行有效筛分，所得溶气水及所含微细气泡继续向下流动，通过周向均流叶片94流出旋流筛分筒9，并最终排出反应罐10外。

效果验证：

为了进一步验证本发明提供的高效溶气反应设备的实际运行效果效率，利用CFD数值模拟方法对其内部流动特性进行了分析，具体如下：

图6为主体反应罐内速度矢量图。从图中可知，主体水流经进液管1进入后，在经缩径管51射流进入弹性橡胶管4直管段内，与弹性橡胶管4直管段内穿气孔贯穿的微细气流进行一次射流充分接触，经射流喷嘴7高速射流至反应罐10内的引射流管8中，在引射流管8外侧形成回环流，进一步提高气液混合破碎传质效果。

图7为中心竖直方向截面的速度云分布和迹线图。从图中可知，在引射流管8内、以及出入口段速度较高，有利于强化分散气泡破碎过程，进一步提高气液混合传质效果，强化了对分散气泡的卷吸分散作用，有利于促进气液界面更新，强化气液混合效果。同时，根据迹线图可知，在引射流管8入口段，有明显的二次引射流现象，使得主体水流围引射流管8形成大环流，通过二次引射流促进主体水流形成回环流，提高整体湍流强度，强化气液混合传质过程，实现高效溶气。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种溶气反应器，包括反应罐；

所述反应罐的顶部配有一强化混合管，所述强化混合管的下端延伸至所述反应罐内部并连接射流喷嘴，上端延伸至所述反应罐的外部，从下向上依次连接密封支撑套管、弹性橡胶管和进液管；所述弹性橡胶管的表面有微纳米级的穿气孔；

所述弹性橡胶管和所述密封支撑套管的外部设一高压气腔套筒，所述弹性橡胶管、所述密封支撑套管和所述高压气腔套筒形成一密闭腔室，作为高压气腔；

所述高压气腔套筒的侧壁上设有进气管；

所述射流喷嘴的下部设有引射流管；

所述引射流管包括上部引流段和下部射流段；

所述引流段为喇叭口状，其上部大口径端的直径为所述强化混合管内径的2-3倍，其下部小口径端的直径与所述强化混合管的内径一致，所述引流段的高度为其小口径端直径的1.5-3倍，所述引流段的水平方向倾斜角度为45°-60°；

所述射流段为锥形管结构，其上部小口径端的直径与所述引流段下部小口径端的内径一致，其下部大口径端的直径为所述强化混合管内径的2-3倍，所述射流段高度为所述反应罐高度的1/4-1/3，所述射流段的水平方向倾斜角度为75°-85°；

所述引射流管的下部设有旋流筛分筒；

所述反应罐的上部设有排气阀，下部设有出水管；

所述密封支撑套管依次由缩径管、穿孔管和扩张管组成；

所述弹性橡胶管被所述密封支撑套管紧固，所述弹性橡胶管的两端与所述密封支撑套管的所述缩径管和所述扩张管平行部位压紧密封；

所述旋流筛分筒上部为开口向上的空心锥台形结构，所述空心锥台形结构内设置有旋流叶片；

所述旋流筛分筒下部为均流板，所述均流板与所述空心锥台形结构之间设有周向均流叶片；

所述空心锥台形结构大端与所述反应罐侧壁的间距为2-5mm；

所述空心锥台形结构的上端面与所述射流段下部大口径端的圆面的间距为所述射流段下部大口径端直径的1.3-2.0倍；

所述空心锥台形结构小端直径与所述均流板直径一致，均为所述射流段下部大口径端直径的1.5-2倍。

2.根据权利要求1所述的溶气反应器，其特征在于：所述缩径管小口径端的直径为其大口径端直径的1/2-2/3，所述缩径管沿轴心倾斜角为45°-60°；

所述扩张管小口径端的直径与所述缩径管小口径端的直径一致，所述扩张管沿轴心倾斜角为45°-75°。

3.根据权利要求1所述的溶气反应器，其特征在于：所述穿气孔的孔径为0.1-3.0μm，孔隙度为15%-50%；

所述弹性橡胶管的耐压强度不低于0.5MPa。

4.根据权利要求1所述的溶气反应器，其特征在于：所述旋流叶片的厚度范围为1-10mm；

所述旋流叶片的倾斜角度范围为10~30°；

所述旋流叶片的数量为4-10片。

5.根据权利要求1所述的溶气反应器，其特征在于：所述反应罐的上部为椭圆封头结构，中部为变径筒体结构，下部为直筒结构，底部为椭圆封头结构；

所述变径筒体结构与水平倾斜角为65°-85°；

所述射流喷嘴为一段缩径管，其小口径端出口内壁面上设有6-10个V形槽；

所述V形槽的深度为所述射流喷嘴的小口径端出口直径的1/4-1/3。

6.一种基于权利要求1-5任一所述溶气反应器的气液混合传质方法，包括如下步骤：

S1、水流经所述进液管、所述密封支撑套管的缩径管进入所述弹性橡胶管直管段内，同时气体通过所述进气管进入所述高压气腔套筒；高压气体穿透所述弹性橡胶管的所述穿气孔与所述缩径管内来水接触，形成气水混合流；

S2、所述气水混合流依次进入所述密封支撑套管的穿孔管、扩张管和所述强化混合管，完成初次射流剪切气液混合；再经所述射流喷嘴射流至所述引射流管中，形成二次引射流；

S3、所述二次引射流沿所述引射流管向下流至所述旋流筛分筒，在所述旋流筛分筒的阻碍作用下部分所述二次引射流绕流向上形成围绕所述引射流管的环流，完成二次气液混合，进一步得到气液混合相；

S4、所得气液混合相向下流动进入所述旋流筛分筒内，并在旋流叶片诱导作用下形成旋流；利用旋流强度对气泡粒径进行有效筛分，所得溶气水及所含微细气泡继续向下流动，通过周向均流叶片流出旋流筛分筒，并最终排出反应罐外。

7.根据权利要求6所述的气液混合传质方法，其特征在于：步骤S2中，所述射流喷嘴射流气水混合流的流速控制在8-15m/s之间。

8.根据权利要求6所述的气液混合传质方法，其特征在于：步骤S3中，所述反应罐内的水力停留时间为15-45s。