CN117813266A - 用于将气体溶解于水中的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将气体溶解于水中的装置(100)，该装置包括：轴流泵(110)，该轴流泵用于产生水流；和文丘里溶解器(120)，该文丘里溶解器用于将气体溶解于轴流泵(110)下游的水流中。

Description

用于将气体溶解于水中的装置
本发明涉及一种用于将气体溶解于水中的装置。
背景技术
为了使水富含对应的气体，将气体溶解于水中可能是必要的。例如，为了曝气或氧化，可以将空气或氧气溶解于水中，例如溶解于天然水体如湖泊、河流等中，或者溶解于水罐中，例如在废水处理过程中。例如，可以将CO2溶解于水中以用于pH控制。
文献EP 2 327 470 B1描述了一种喷嘴单元，该喷嘴单元用于在液体中分配气体，例如用于氧化水。喷嘴单元包括在流动方向上一个接着另一个的两个或更多个环形喷嘴，其中每个喷嘴与下一个喷嘴重叠，其中每个喷嘴在重叠处具有用于供应气体的一个或多个孔口，其中在喷嘴的后侧存在用于供应气体的环形空间，该环形空间可以朝向孔口打开。
希望增加气体在水中溶解的效率。
发明内容
本发明涉及一种用于将气体溶解于水中的装置，该装置具有独立权利要求1的特征。根据描述和附图，本发明的其他优点和实施方案将变得显而易见。
该装置包括轴流泵，该轴流泵用于产生水流，特别是通过轴流泵下游的管道。该装置还包括文丘里溶解器，该文丘里溶解器用于将气体或进料气体溶解于轴流泵下游的水流中。在文丘里溶解器的下游，富含气体的水可以通过出水口排出。具体地，该装置可以被设置用于借助轴流泵从水源(例如，从天然水体或从工业废水处理罐池)抽取一定量的水、用于借助文丘里溶解器使所抽取的水富含对应气体或进料气体，以及用于使富含气体的水返回到水源。
轴流泵通常也被称为轴流式泵或螺旋桨式泵。其用于促进不可压缩的流体并且在相对低的输送压头下采用大体积流量。具体地，轴流式泵包括叶轮，该叶轮固定在使流体轴向移动的轴上。泵送的流体的量可以通过调节叶轮的螺距来改变。该泵通过叶轮的作用产生离心力而工作，该叶轮迫使水在流动方向上前进。由于流动方向平行于叶轮轴，因此称为轴流。
文丘里溶解器或文丘里喷嘴是利用文丘里效应的部件，即根据伯努利原理，当经过收缩部时，不可压缩流体的速度根据质量连续性原理增大，而其静压根据机械能守恒原理减小。具体地，轴流泵下游的水流被引导通过文丘里溶解器中的收缩部，由此加速水并形成压降或低压区域，从而使气体能够被吸入水流中。
在本发明的过程中，已经认识到，轴流泵和文丘里溶解器两者的使用是用于将对应的进料气体溶解于水中的具体有利的组合。轴流泵和文丘里溶解器的独特特征便利地彼此互补并且能够实现将进料气体溶解于水中的具体有效和优化的方式。
具体地，轴流泵能够实现高体积流量和低输送压头。便利地，气体溶解效率(GDE)随着气/液比的减小而增大，即随着泵流量的增大而增大。然而，由于泵流量较高导致每单位溶解气体的功率消耗较高，因此使用低压头来优化能量成本是有利的。另外，文丘里溶解器具体地能够实现改善的质量传递并产生足够的湍流以有效地混合水和进料气体。此外，上述喷嘴的设计具有低压降并且与高流量和低输送压头操作相容。
文丘里溶解器与高体积流量、低输送压头轴流泵的组合具体地在气体溶解效率(GDE)和标准气体传递效率(SGTE)上得到改善，并且因此降低对应进料气体的消耗以及降低资本和操作成本。
有利地，文丘里溶解器包括设置在管道中的至少一个喷嘴和用于将气体供应到管道中的至少一个气体入口。管道具体地与轴流泵流体连通并且便利地与轴流泵连接并且设置在轴流泵的下游。每个气体入口可以特别地被设置作为管道的壁中的入口孔洞。这些气体入口可以便利地与对应的气体供应或气罐连接。轴流泵将水泵送到文丘里溶解器的管道中。借助管道内的喷嘴，形成加速区，在该加速区中加速所泵送的水。另外，形成低压区域，使得气体可以通过气体入口被吸入管道中。
具体地，如EP 2 327 470 B1中所述，文丘里溶解器可以被设置作为用于将气体分配于液体中的喷嘴单元，其中多个喷嘴在流动方向上一个接一个地设置在管道中，每个喷嘴与下一个喷嘴重叠，每个喷嘴具有用于在重叠处供应气体的一个或多个孔口。在喷嘴的后侧，环形空间可以被设置用于供应气体，该环形空间可以朝向孔口打开。对于这种喷嘴单元的进一步细节和实施方案，参考所述文献EP 2 327 470 B1的全部内容，其中所述文献的公开内容也将成为本申请的主题。此外，根据EP 2 327 470 B1的这种喷嘴单元的设计具有低压降并且与高流量和低输送压头操作相容。
优选地，文丘里溶解器被设置用于溶解含氧气体，特别是氧气、空气或它们的混合物。在该实施方案中，该装置可以具体地用于水的曝气或氧化。使用用于提供含氧气体的文丘里溶解器与具有高流量、低压头和低气/液比的轴流泵的组合具体地能够实现改善的氧溶解效率(ODE)、标准氧传递效率(SOTE)和标准曝气效率(SAE)。
文丘里溶解器具体地可以被设置作为如由本申请所分配的所谓“SOLVOX A”装置，具体地用于将氧气溶解于水流中。“SOLVOX A”是用于将氧气优化地溶解于水中的低压单元，该低压单元可以容易地安装，将高氧化效率与低能量需求相结合。
优选地，文丘里溶解器被设置用于溶解含臭氧气体，具体是在其已经过热破坏单元之后，例如臭氧排气气体或臭氧破坏排气气体混合物。臭氧可以例如用于对水消毒，产生不含有毒消毒副产物的排放水、用于在不添加化学品的情况下脱色，或用于控制味道、气味和颜色。
优选地，文丘里溶解器被设置用于溶解CO2，例如在pH控制的过程中。
根据一个具体有利的实施方案，溶解元件被设置用于将第二气体或第二进料气体溶解于泵下游的水流中。该第二气体具体是与由文丘里溶解器提供的(第一)气体不同种类的气体。取决于特定的气体，溶解元件可以设置在文丘里溶解器的下游或上游。借助溶解注入元件和文丘里溶解器的这种组合，混合喷嘴或混合溶解器可以被设置用于灵活地供应第一进料气体、第二进料气体或它们的混合物。可以灵活且容易地调节应当提供气体中的哪一种。另外，可以单独且灵活地控制每种提供的气体的量以及因此溶解于水流中的第一进料气体和第二进料气体的比率。每种气体的量可以例如取决于当前需求或情况来调节，例如取决于季节和生产有关的变化、需求峰值等。这种混合溶解器设计允许适应在不同操作条件和情形下出现的不同客户需求，并且提供最佳气体比率，同时减少成本和努力。
根据一个具体优选的实施方案，文丘里溶解器被设置用于将氧气溶解于水流中，并且溶解元件被设置用于将空气溶解于水流中。文丘里溶解器可以具体地提供足够的湍流以用于空气和氧气的有效混合。因此，可以改善氧溶解效率(ODE)、标准氧传递效率(SOTE)和标准曝气效率(SAE)。
有利地，溶解元件也被设置作为文丘里溶解器。因此，根据该优选实施方案，轴流泵与用于溶解第一进料气体(具体是第一含氧气体)的第一文丘里溶解器和用于溶解第二进料气体(部分是第二含氧气体)的第二文丘里溶解器组合。这两个文丘里溶解器具体地设置在与轴流泵连接的管道中。用于供应两种不同气体的两个文丘里溶解器的使用提供了气体在水流中的具体有效的溶解和混合
根据一个具体优选的实施方案，该装置被构造成在废水处理厂中执行废水的曝气过程，优选地是活性污泥过程。活性污泥过程是使用曝气和由细菌和原生动物组成的生物絮凝物的废水处理过程，具体是用于从废水中去除含碳和含氮污染物，其中将空气和/或氧气注入废水中，使得生物絮凝物可以从澄清的处理水中分离生物污泥。在普通的废水处理厂中，通常使用空气作为氧源，并且有时使用氧气来提升容量或进行备份。然而，由于空气中的氧分压(20.9％)，这种普通处理厂的每单位体积的曝气强度是有限的。与此相反，轴流泵与文丘里溶解器并且进一步具体地与溶解元件(特别地用于提供空气和/或氧气)的组合，得到了有效的质量传递和气/水混合以及改善的氧溶解效率(ODE)、标准氧传递效率(SOTE)和标准曝气效率(SAE)。此类效率改善具体地帮助节省氧气消耗和能量成本，并且同时减少VOC排放(挥发性有机化合物)、污泥产生、起泡，并且改善废水处理工艺的性能。
本装置允许适应在废水处理厂中的不同操作条件和情况下出现的不同客户需求，从而当季节性需求、峰值削减或能量考虑需要单独的空气或氧气供应时为最终用户提供最佳解决方案。具有文丘里溶解器和溶解元件的混合喷嘴的使用可以特别地有助于利用相同的曝气装置在氧气与空气溶解之间灵活地切换，使得可以保持较低的操作费用(OPEX)、资本费用(CAPEX)、投资成本和维护成本。例如取决于容量/季节变化，空气/氧气比可以灵活地和单独地调节。借助在管道中设置文丘里溶解器，可以设置侧流再循环系统。轴流泵可以被设置作为陆基泵或潜水泵。
优选地，该装置被构造成在天然水体中，特别是在湖泊、河流、水库或堤坝中执行曝气过程。轴流泵可以具体地被设置作为陆基泵或潜水泵。具体地，空气和/或氧气可以经由包括文丘里溶解器和溶解元件的混合喷嘴设计提供，从而提供天然水体的有效曝气或氧化。
优选地，该装置被构造成执行水罐或天然水体的pH控制。为此，可以具体地经由文丘里溶解器供应CO2。另外，具体地，可以经由具有文丘里溶解器和溶解元件的混合喷嘴设计提供CO2和含氧气体两者，具体是空气和/或氧气。
应当指出的是，在不脱离本发明的范围的情况下，上文提及的特征以及将在下文进一步描述的特征不仅可用于分别指示的组合，而且可进一步组合或单独使用。
现在将参考附图，以举例的方式进一步描述本发明，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的用于将气体溶解于水中的装置的优选实施方案。
具体实施方式
图1a和图1b各自示意性地示出了根据本发明的用于将气体溶解于水中的装置的优选实施方案。
在附图中，相同的附图标记是指相同或相同构造的元件。
装置100包括入口101，水可以通过该入口被吸入到装置100中以便富含气体。对应富含的气体可以通过出口102排出。
该装置包括轴流泵110，该轴流泵用于通过入口101吸水并用于在管道111中产生水流。轴流泵110具体地被设置用于促进不可压缩的流体，具有大体积流量和低输送压头。
文丘里溶解器120设置在轴流泵110的下游以用于将第一气体溶解于泵下游的水流中。文丘里溶解器120包括一个或若干个喷嘴122，该一个或若干个喷嘴设置在管道121中，该管道经由管道111与轴流泵110连接。至少一个气体入口123被设置作为管道121的壁中的孔穴或孔洞。气体入口123可以与对应的气体供应124连接。轴流泵110将水泵送到文丘里溶解器120的管道121中。借助管道121内的喷嘴122，加速所泵送的水并形成低压区域，使得对应的第一气体可以通过气体入口123被吸入管道121中。
优选地，溶解器元件130可以被设置用于将第二气体溶解于泵下游的水流中。溶解器元件130也可以被设置作为文丘里溶解器并且可以包括设置在管道131中的一个或若干个喷嘴132。至少一个气体入口133可以被设置作为管道131的壁中的孔洞并且可以与对应的气体供应134连接。
文丘里溶解器120、130例如也可以被设置作为如在EP 2 327 470 B1中所描述的喷嘴单元或者为由本申请人分配的“SOLVOX A”装置。
如图1a中所示，溶解器元件130可以设置在文丘里溶解器120的下游。然而，溶解器元件130也可以设置在文丘里溶解器120的上游，如图1b中所示。
具有高体积流量和低输送压头的轴流泵110与文丘里溶解器120的组合具体地能够实现改善的质量传递，并产生足够的湍流以有效地混合水和进料气体，并且在气体溶解效率(GDE)和标准气体传递效率(SGTE)上得到改善。可以降低对应进料气体的消耗、资本成本和操作成本。
文丘里溶解器120和溶解器元件130的组合提供用于灵活地供应第一气体、第二气体或它们的混合物的混合喷嘴。例如取决于季节变化、与生产有关的变化、需求峰值等，可以灵活地控制每种供应气体的量以及因此溶解于水中的气体的比率。
装置100可以有利地用于废水处理厂中，以用于执行废水的曝气过程，特别是活性污泥过程。为此，文丘里溶解器120被设置用于将氧气溶解到废水中，并且溶解器元件130被设置用于溶解空气。装置100允许有效的质量传递和气/水混合以及改善的氧溶解效率(ODE)、标准氧传递效率(SOTE)和标准曝气效率(SAE)。装置100还允许降低氧气消耗、操作费用(OPEX)、资本费用(CAPEX)、能量成本、投资成本和维护成本，以及降低VOC排放(挥发性有机化合物)、污泥产生、起泡，并且改善废水处理工艺的性能。轴流泵110可以被设置作为陆基泵或潜水泵，并且可以设置侧流再循环系统。
装置100还可以被设置用于天然水体(例如，湖泊、河流、水库、堤坝等)的曝气或氧化。为此，文丘里溶解器120具体地被设置用于溶解氧气，并且溶解元件130被设置用于溶解空气。
另外，装置100可以被设置用于例如水罐或天然水体的pH控制。为此，可以具体地经由文丘里溶解器120供应CO2。另外，可以经由具有文丘里溶解器120和溶解元件130的混合喷嘴提供CO2和含氧气体两者，具体是空气和/或氧气。
附图标记列表
100用于将气体溶解于水中的装置
101入口
102出口
110轴流泵
111管道
120文丘里溶解器
121管道
122喷嘴
123气体入口
124气体供应
130溶解元件、第二文丘里溶解器
131管道
132喷嘴
133气体入口
134气体供应

Claims (9)

1.一种用于将气体溶解于水中的装置(100)，所述装置包括
轴流泵(110)，所述轴流泵用于产生水流，和
文丘里溶解器(120)，所述文丘里溶解器用于将气体溶解于所述轴流泵(110)下游的所述水流中。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中所述文丘里溶解器(120)包括设置在管道(121)中的至少一个喷嘴(122)和用于将所述气体供应到所述管道(121)中的至少一个气体入口(123)。
3.根据权利要求1或2所述的装置(100)，其中所述文丘里溶解器(120)被设置用于溶解含氧气体，特别是氧气、空气或它们的混合物，或含臭氧气体或臭氧破坏排气气体混合物或CO2。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，所述装置还包括溶解元件(130)，所述溶解元件用于将第二气体溶解于所述泵(110)下游的所述水流中。
5.根据权利要求4所述的装置(100)，其中所述文丘里溶解器(120)被设置用于将氧气溶解于所述水流中，并且其中所述溶解元件(130)被设置用于将空气溶解于所述水流中。
6.根据权利要求4或5所述的装置(100)，其中所述溶解元件(130)还被设置作为文丘里溶解器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，所述装置被构造成在废水处理厂中执行废水的曝气过程，特别是活性污泥过程。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(100)，所述装置被构造成在天然水体，特别是湖泊、河流、水库或堤坝中执行曝气过程。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(100)，所述装置被构造成执行水罐或天然水体的pH控制。
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