CN118122159A - 一种新型的气液混合装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的气液混合装置及方法，包括外套筒，所述外套筒的空腔内设置有安装在居中位置的上游内套筒和贴合安装在所述上游内套筒的一侧的下游内套筒；所述外套筒的左端开口为第一物料主入口；所述上游内套筒由多孔材料制成，其左端开口为第一物料副入口，所述第一物料副入口为管径渐缩式的三角形端头，其右端开口为强制混合腔室；所述下游内套筒的左端开口与所述强制混合腔室联通，其右端开口为混合扩散出口，所述混合扩散出口为管径渐扩式。该装置通过采用多孔材料的设计，以及优化出口设计和仅利用泵作为动力源，不需要机械搅拌等其他设备，能够在降低能耗的同时还能有效的提高溶气效率。
Description
技术领域
本发明涉及纳米气泡生成与混合技术领域，具体为一种新型的气液混合装置及方法。
背景技术
气液混合技术是一种广泛应用于化学工程、环境工程、生物工程等多个领域的关键技术，主要涉及将气体有效地溶解于液体中，以便提高反应效率、改善液体性质或提升环境质量。在水处理、食品饮料生产、医药制造和矿物加工等行业中，气液混合技术发挥着至关重要的作用。特别是在需要大量气体参与反应或处理过程的场合，如曝气增氧、二氧化碳溶解、气体发酵等，气液混合技术的应用效果直接关系到整个工程的效能和成本。
虽然气液混合技术已被广泛应用，但传统的气液混合设备和方法仍存在诸多局限。一方面，大多数现有技术依赖于机械搅拌或高压泵等机械手段来实现气体的溶解，这不仅导致能耗高、运行成本增加，还往往需要复杂的设备维护和操作。另一方面，传统方法在提高气体溶解率方面往往效果有限，尤其是在需要快速溶解大量气体的应用场合，现有技术难以满足高效率和低能耗的双重要求。
目前的气液混合技术，尤其是在处理液体中溶解气体方面，广泛应用于日常食品饮料工业、清洁行业、浴业、养殖业以及化学工业中的污水处理和矿物加工等。现有的气液混合设备，如CN217662641U所揭露的一种快速溶解气体的气液混合模块，虽然在一定程度上改善了气体溶解效率，但存在出口阻碍高、能耗高的问题。此外，该设备的结构仅仅是对传统曝气盘的一种改进，缺乏创新性和高效性。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型的气液混合装置及方法，该装置采用多孔材料设置在装置的入口附近或入口位置，这种设置有助于在气体释放时形成更细小的气泡，从而提高气体在液体中的溶解率，并且还采用具有开口的出口设计，以减少出口处的流体阻力，并仅利用泵作为动力源，以降低能耗并提高溶气效率。解决了现有技术中的气液混合装置能耗高的技术问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型的气液混合装置，包括外套筒，所述外套筒的空腔内设置有安装在居中位置的上游内套筒和贴合安装在所述上游内套筒的一侧的下游内套筒；
所述外套筒的左端开口为第一物料主入口；所述上游内套筒由多孔材料制成，其左端开口为第一物料副入口，所述第一物料副入口为管径渐缩式的三角形端头，其右端开口为强制混合腔室；所述下游内套筒的左端开口与所述强制混合腔室联通，其右端开口为混合扩散出口，所述混合扩散出口为管径渐扩式。
进一步地，还包括贯穿所述外套筒管壁的倾斜狭管，所述倾斜狭管的上端口为第二物料入口，其下端口通过由多孔材料制成的所述上游内套筒与所述强制混合腔室联通。
进一步地，所述倾斜狭管的倾斜角的角度为10～45°。
进一步地，所述上游内套筒内位于所述三角形端头的一侧设置有涡流环隙，所述涡流环隙部分与所述强制混合腔室联通。
进一步地，外套筒、上游内套筒和下游内套筒之间为可拆卸连接。
进一步地，位于所述混合扩散出口的出口处与水平方向之间形成扩散角。
进一步地，所述扩散角为3～10°。
本发明还提供了一种新型的气液混合方法，用于使用上述的一种新型的气液混合装置，包括以下步骤：
S1，将需要混合的气体和液体利用泵提供动力通过外套筒的第一物料主入口进入，进入后的气体和液体一部分被由多孔材料制成所述上游内套筒快速切割成微小气泡和小液珠并渗透进入强制混合腔室；另一部分通过第一物料副入口顺着管径渐缩式的三角形端头流入强制混合腔室，由于管径渐缩式使得流速逐渐加速，在涡流环隙的出口处的流速达到最高值，使得一部分被切割的气体和液体与另一部分高流速的气体和液体更快的溶解混合起来，形成高浓度的气液混合物。
S2，在S1步骤中，还可以将气体通过倾斜狭管通入由多孔材料制成所述上游内套筒内，经过多孔材料的分割后由涡流环隙进入强制混合腔室，进一步加快了气体混合的速度和浓度。
S3，混合后的气液混合物通过混合扩散出口排出，由于下游内套筒为管径渐扩式，混合后的物料的流速逐渐减慢后平缓排出。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种新型的气液混合装置及方法及方法，具备以下有益效果：
1、该装置采用多孔材料设置在装置的入口附近或入口位置，这种设置有助于在气体释放时形成更细小的气泡，这一设计基于对气液混合过程中气泡形成和破裂机制的深入理解。多孔材料的设置不仅有助于在气体释放时形成更多的微小气泡，提高气体的表面积，从而增加气体和液体之间的接触面积，同时，微小气泡的形成还可以有效降低液体的表面张力，进一步促进气体的溶解，从而提高气体在液体中的溶解率，且能够定向调控纳米气泡的尺寸。
2、该装置采用了特殊设计的气体和液体的强制混合腔室，通过对泵的控制来调节混合室内的流动流速，使得气体和液体能够在混合室内充分接触和混合。此外，混合室内还可以根据需要设置特定的搅拌或振动装置，以进一步提高气液混合的效率和均匀性。该装置采用具有开口的出口设计，以减少出口处的流体阻力，降低了降低整体能耗。
综上所述，该装置通过采用多孔材料的设计，以及优化出口设计和仅利用泵作为动力源，不需要机械搅拌等其他设备，能够在降低能耗的同时还能有效的提高溶气效率。
附图说明
图1为本发明一种新型的气液混合装置实施例1的结构示意图；
图2为本发明一种新型的气液混合装置实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例1的测试结果是可见平均粒径约33纳米的曲线图；
图4为本发明实施例2的测试结果是可见平均粒径约22纳米的曲线图；
图中：1、外套筒；101、第一物料主入口；2、上游内套筒；201、第一物料副入口；202、三角形端头；203、强制混合腔室；3、下游内套筒；301、混合扩散出口；302、扩散角；4、倾斜狭管；401、第二物料入口；402、倾斜角；5、涡流环隙。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例1：
请参阅图1，本实施例采用了一种新型的气液混合装置，包括外套筒1，其特征在于：外套筒1的空腔内设置有安装在居中位置的上游内套筒2和贴合安装在上游内套筒2的一侧的下游内套筒3；外套筒1的左端开口为第一物料主入口101；上游内套筒2由多孔材料制成，其左端开口为第一物料副入口201，第一物料副入口201为管径渐缩式的三角形端头202，其右端开口为强制混合腔室203，上游内套筒2内位于三角形端头202的一侧设置有涡流环隙5，涡流环隙5部分与强制混合腔室203联通；下游内套筒3的左端开口与强制混合腔室203联通，其右端开口为混合扩散出口301，混合扩散出口301为管径渐扩式。
在上述实施列中，外套筒1、上游内套筒2和下游内套筒3之间为可拆卸连接，位于混合扩散出口301的出口处与水平方向之间形成扩散角302，扩散角302为3～10°。
本实施例利用ZetaView纳米粒子追踪分析器NTA测试，如图3所示，得到测试结果是可见平均粒径约33纳米，图3中横轴表示纳米气泡的直径(单位为nm)，纵轴表示每毫升有多少个纳米气泡。
实施例2：
请参阅图2，实施例2与实施例1区别在于在外套筒1管壁上贯穿设置有倾斜狭管4，倾斜狭管4的上端口为第二物料入口401，其下端口通过由多孔材料制成的上游内套筒2与强制混合腔室203联通。倾斜狭管4的倾斜角402的角度为10～45°。
本实施例利用ZetaView纳米粒子追踪分析器NTA测试，如图4所示，得到测试结果是可见平均粒径约22纳米，图4中横轴表示纳米气泡的直径(单位为nm)，纵轴表示每毫升有多少个纳米气泡。
实施例3：
本实施例采用了一种新型的气液混合方法，用于使用实施例1或实施例2的一种新型的气液混合装置，即气液混合的工作原理，包括以下步骤：
S1，将需要混合的气体和液体利用泵提供动力通过外套筒1的第一物料主入口101进入，进入后的气体和液体一部分被由多孔材料制成上游内套筒2快速切割成微小气泡和小液珠并渗透进入强制混合腔室203；另一部分通过第一物料副入口201顺着管径渐缩式的三角形端头202流入强制混合腔室203，由于管径渐缩式使得流速逐渐加速，在涡流环隙5的出口处的流速达到最高值，使得一部分被切割的气体和液体与另一部分高流速的气体和液体更快的溶解混合起来，形成高浓度的气液混合物。
S2，在S1步骤中，还可以将气体通过倾斜狭管4通入由多孔材料制成上游内套筒2内，经过多孔材料的分割后由涡流环隙5进入强制混合腔室203，进一步加快了气体混合的速度和浓度。这一步骤仅仅在使用实施例2方案时进行操作使用。
S3，混合后的气液混合物通过混合扩散出口301排出，由于下游内套筒3为管径渐扩式，混合后的物料的流速逐渐减慢后平缓排出。
综上所述，该装置通过采用多孔材料的设计，以及优化出口设计和仅利用泵作为动力源，不需要机械搅拌等其他设备，能够在降低能耗的同时还能有效的提高溶气效率。具体描述为如下两点：
1、该装置采用多孔材料设置在装置的入口附近或入口位置，这种设置有助于在气体释放时形成更细小的气泡，这一设计基于对气液混合过程中气泡形成和破裂机制的深入理解。多孔材料的设置不仅有助于在气体释放时形成更多的微小气泡，提高气体的表面积，从而增加气体和液体之间的接触面积，同时，微小气泡的形成还可以有效降低液体的表面张力，进一步促进气体的溶解，从而提高气体在液体中的溶解率，且能够定向调控纳米气泡的尺寸。
2、该装置采用了特殊设计的气体和液体的强制混合腔室，通过对泵的控制来调节混合室内的流动流速，使得气体和液体能够在混合室内充分接触和混合。此外，混合室内还可以根据需要设置特定的搅拌或振动装置，以进一步提高气液混合的效率和均匀性。该装置采用具有开口的出口设计，以减少出口处的流体阻力，降低了降低整体能耗。
需要说明的是，如果在本文中，诸如有“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种新型的气液混合装置，包括外套筒(1)，其特征在于：所述外套筒(1)的空腔内设置有安装在居中位置的上游内套筒(2)和贴合安装在所述上游内套筒(2)的一侧的下游内套筒(3)；
所述外套筒(1)的左端开口为第一物料主入口(101)；所述上游内套筒(2)由多孔材料制成，其左端开口为第一物料副入口(201)，所述第一物料副入口(201)为管径渐缩式的三角形端头(202)，其右端开口为强制混合腔室(203)；所述下游内套筒(3)的左端开口与所述强制混合腔室(203)联通，其右端开口为混合扩散出口(301)，所述混合扩散出口(301)为管径渐扩式。
2.根据权利要求1所述的一种新型的气液混合装置，其特征在于：还包括贯穿所述外套筒(1)管壁的倾斜狭管(4)，所述倾斜狭管(4)的上端口为第二物料入口(401)，其下端口通过由多孔材料制成的所述上游内套筒(2)与所述强制混合腔室(203)联通。
3.根据权利要求2所述的一种新型的气液混合装置，其特征在于：所述倾斜狭管(4)的倾斜角(402)的角度为10～45°。
4.根据权利要求1所述的一种新型的气液混合装置，其特征在于：所述上游内套筒(2)内位于所述三角形端头(202)的一侧设置有涡流环隙(5)，所述涡流环隙(5)部分与所述强制混合腔室(203)联通。
5.根据权利要求1所述的一种新型的气液混合装置，其特征在于：外套筒(1)、上游内套筒(2)和下游内套筒(3)之间为可拆卸连接。
6.根据权利要求1所述的一种新型的气液混合装置，其特征在于：位于所述混合扩散出口(301)的出口处与水平方向之间形成扩散角(302)。
7.根据权利要求6所述的一种新型的气液混合装置，其特征在于：所述扩散角(302)为3～10°。
8.一种新型的气液混合方法，用于使用权利要求1-7任一项所述的一种新型的气液混合装置，其特征在于：包括以下步骤：
S1，将需要混合的气体和液体利用泵提供动力通过外套筒(1)的第一物料主入口(101)进入，进入后的气体和液体一部分被由多孔材料制成所述上游内套筒(2)快速切割成微小气泡和小液珠并渗透进入强制混合腔室(203)；另一部分通过第一物料副入口(201)顺着管径渐缩式的三角形端头(202)流入强制混合腔室(203)，由于管径渐缩式使得流速逐渐加速，在涡流环隙(5)的出口处的流速达到最高值，使得一部分被切割的气体和液体与另一部分高流速的气体和液体更快的溶解混合起来，形成高浓度的气液混合物。
S2，在S1步骤中，还可以将气体通过倾斜狭管(4)通入由多孔材料制成所述上游内套筒(2)内，经过多孔材料的分割后由涡流环隙(5)进入强制混合腔室(203)，进一步加快了气体混合的速度和浓度。
S3，混合后的气液混合物通过混合扩散出口(301)排出，由于下游内套筒(3)为管径渐扩式，混合后的物料的流速逐渐减慢后平缓排出。
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