TW423994B - Device for agitating a liquid in a reactor and for injecting a gas into this liquid - Google Patents

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Description

4 2 3 9 9 4 - ti A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作杜印製 五、發明說明（I ) 本發明的目標是在一反應器中攪拌液體且注射氣體至 該液體中的裝置’其包含有一放置在反應器上的驅動裝置 ，該驅動裝置具有垂直的輸出軸，在該輸出軸的端點上裝 配有至少一個浸入該液體中的軸向流動之活動裝置。 注射入液體中的氣體可以是氧氣比率在2〇·〗〇〇%之間 變化的氧化氣體、或是二氧化碳、或是臭氧化的氣體'或 是一生物氣體等等。將要注射入氣體的液體係放置在反應 器中，該反應器是特定用於工業廢水的生物處理並且其高 度一般是在2至10米的深度之間變化。 下面說的”反應器”可表示爲天然的”窪地”(礁湖、池塘 、湖等等)以及頭部空間爲密閉式或開放式的”槽”二種，該 槽的壁可以是相當地接近或是分得很開。 這些能使氣體注射入的反應器的系統一般都含有活性 污泥。而這些反應器可能是天然的窪地，或者是具有相當 接近之隔間壁之頭部空間爲開口的反應器，或者是密閉的 反應器，並且可以對該反應器加壓或不要對其加壓。 在水的生物處理領域中，已知各種不同形式之系統是 取決於氣體注射於_表面或者是注射於窪地的底部。例如， 有一些表面渦輪機及電刷使空氣經由產生攪拌作用而傳送 到液體中。該裝置只能使用在水的高度爲較低時且其限制 充氧的容積》 因此，PRAXAIR Technology Inc.的專利 ΕΡ-0 583 509 說明了一系統’其主要特徵爲一位於空心軸上的推進器， 在其旋轉時且受液體表面之渦流效應影響期間而夾帶氣體 4 ----------------— — — — — — 訂.！ (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A7 4 ^ 3 9 9 4 . ______B7___ 五、發明說明（> ) 和位在被浸漬在外蓋之下的液體。因此彤成的氣體/液體混 合物爲向下推進。未溶解的氣泡上升到作用的半徑中，該 作用半徑是相對應於整個外蓋之半徑，在該外蓋處將氣泡 收集以便於再次注射。進料氣體的輸入和洩出以及在外棻 上液體之最佳高度，主要是由外蓋之下的壓力來調節。 雖然所陳述的效率爲非常好，此系統的限制主要爲： 一作用的區域受限於像是外蓋的半徑以及相對小的水 深， —在活性淤泥應用的情況中，具有co2、N2和其他 氣體的氣相夾帶作用易由生物活性所引起，且因需要進行 的洩出會造成〇2的損失， 一在外蓋下壓力調節的複雜性， 一在高壓力下使用氣體··需要使用根據VSA或 MPSA的升壓器(藉由在壓力下之吸附操作的現場生產單元 或是以真空再生之現場生產單元 亦已知具有氣體注射及攪拌裝置的多孔性”底部”系統 。這些系統具有固定的且受到限制的充氧容積，並且容易 阻塞。最後，其它具有噴咀的”底部”裝置，或是具有注射 氣體（富含有氧氣的空氣或是純氧氣）的習知裝置，其商標 名稱爲”Ventoxal”。由申請人所發展的”Ventoxal”系統是由 一幫浦、一文丘里(Venturi)式的注射系統、一流動分配器 以及一對噴射器/噴咀所組成，對於該Ventoxal系統之氣體 注射的壓力是取決於水的高度且主要維持在大於I.5 bar的 絕對壓力。在窪地的底部中所獲得的攪拌是令人滿意，但 5 -----------!"*-----II 訂！-----線 t請先昶讀背齒之涑意箏瑣存瑱寫本 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） Α7 423 994 θ _____Β7 _ 五、發明說明（、） 可能在該容積之剩餘部份爲普通的。 本發明的目的是提出一種用於攪拌液體且將一氣體注 射入該液體中的裝置，對於上面所提到的形式，其使氣體 有效地傳送到液體中成爲可能，並且確保攪拌而使粒子可 置入在懸浮液中且維持在其中。 根據本發明，驅動裝置的輸出軸亦裝載有一浸入在液 體中的自動吸入渦輪機，且該渦輪機是由輸出軸來驅動， 而後者是以同軸心的一圓筒來包圍住，該圓筒在其上方端 與驅動裝置連結且其較低處端以開放式裝入渦輪機；在圓 柱的上方端鑽有一小孔用來注射氣體進入由輸出軸和圓筒 所限定邊界的環狀間隙中。 驅動裝置的輸出軸以相同的速度來驅動渦輪機和推進 器。 渦輪機的旋轉使得氣體經由包圍著驅動裝置之輸出軸 的空心圓筒吸入。此渦輪機將氣體/液體分散系沿徑向地推 動。 該裝置包括一用於導引被渦輪機沿徑向推出之氣體/液 體分散系體朝向推進器的裝置。 根據本發明的實施例，該裝置包含一環狀外殼和一組 大致上爲垂直的平板，該環狀外殼形成轉換器且包圍住渦 輪機且其輪廓可使得從渦輪機沿徑向流出之流被其導引朝 向推進器’而該垂直平板係沿徑向放置且固定在偏轉器上 〇 有利的是，該裝置可含有額外的攪拌活動裝置，其較 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ------—--- - '--^ir! — — 訂- - ------線 (請先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 423 994 - at ____B7_____ 五、發明說明（斗） 佳由輸出軸旋轉驅動，或者是其他任何裝置，其較佳和該 輸出軸爲相同的旋轉速度。 包圍在渦輪機上的偏轉器迫使氣體/液體分散系向下聿月 向推進器，該推進器將氣泡推向底部且產生一泵唧液流而 使窪地攪拌。反向葉片使其爲可能引導各種的液流和氣流 以便就傳送和攪拌之觀點上使性能最大化。 現在將要以參考所附的圖式來說明本發明，該圖式是 說明本明之具體實施例，而非作爲限制性的實施例。 圖1是根據本發明用於攪拌液體且注射氣體到該液體 中之裝置的具體實施例的垂直軸剖面圖。 圖2是圖1裝置的前視圖，其特別顯示了包含渦輪機 的偏轉器以及一變化的具體實施例，其以畫點虛線表示。 圖3爲表示安裝在圖1和圖2裝置中之偏導器的自動 吸入渦輪機的立體圖。 在該圖中所代表的裝置是用來攪拌反應器中的流體L 以及使氣體注射入該液體中，此氣體較佳但並非限於氧化^ 的氣體。 該裝置包含有一置於液體L表面上方驅動裝置1，例 如馬達，其具有一垂直延伸且部份浸漬在液體L中之旋轉 輸出軸2。輸出軸2在其較低端3上裝配有浸置在液體L 中的推進器4。該輸出軸2同樣裝載有自動吸入渦輸機5， 其係安裝於推進器4和液體L表面之間，該渦輪機5 浸漬在反應器中且可以由輸出軸2以與推進器4相间的_ 度來驅動。輸出軸2被一圓筒6以同軸心來包圍住，&〜 7 — — — — — ——I I — — I! ---—--— I 訂·！if* I }.. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本買) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（s) 且該圓筒6於其上端以防漏裝置7的插入與驅動裝置1連 結且其於較低端6a以開放式裝入與輸出軸2同軸的渦輪機 5之中。 自動吸入渦輪機5是由二個水平放置重疊一起的圓盤 8和9所組成，以及由一組放置在圓盤8和9之間且固定 在圓盤上的放射狀葉片11。在上方圓盤8中做一個由投射 軸環所限定邊界的中心孔12，且圓筒6的低端6a貫穿該 中心孔Π中，因此與該孔12 —起界定一環狀空間13的邊 界。 在圓筒6的上端鑽有一小孔14用來注射氣體進入環狀 間隙15中，該環狀間隙15是由輸出軸2和圓筒6所界定 出來的。用來注射氣體到小孔14的系統本身爲已知而未顯 示出來。 輸出軸2以軸向通過圓盤8和9而固定在較低的圓盤 9上’所以當驅動裝置1起動時，輸出軸2會以相同的旋 轉速度驅動渦輪機5和推進器4。渦輪機5的旋轉使氣體 經由圓筒6及小孔14吸入，以及部份經由環狀間隙13導 入之液體在渦輪機5和圓筒6之間自由離開。此氣體/液體 分散系顯示了氣泡群體，該氣泡大小主要在1〇〇μιη和2mm 之間。 該裝置同樣包含了一用來導引被渦輪機5間之葉片沿 徑向推出之氣體/液體分散系朝向推進器4的裝置。在所說 明的具體實施例中’這些裝置包含一形成偏轉器的環狀外 殻16 ’該環狀外殼上鑽有二個與輸出軸2同軸心的經重疊 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公1 ) ---.--- I - 1 -------- - ^ ·111111 I » <請先Μ讀背面之注§項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局貝工消費合作杜印製 4 2 3 9 9“ A7 B7 五、發明說明（b) 之中心孔17和IS，較低之孔18的直徑大致上爲大於在上 方孔17的直徑且大致上相當於渦輪機5的直徑(d)。 用來導引氣體/液體分散系朝向推進器4的裝置同樣含 有一組大體上形成反向葉片的垂直平板19,該反向葉片爲 沿徑向環繞偏轉器外殼16並且固定在偏轉器外殼上。爲了 此一目的，每個反向葉片19在偏轉器外殼16內部徑向穿 透一段距離，以已知的合適裝置來固定住，例如焊接或是 鉚釘固定。反向葉片19可以環繞渦輪機5和推進器4以適 當的數量在特定的角度間隔上來排放。可以穿過推進器4 之葉片端的凹槽口 21，在推進器4的高度上嵌入每個反向 葉片19的內部邊緣中。 反向葉片19從大體上相當於液體L的高度來垂直延 伸，超過在渦輪機5直徑的0.7倍到12倍之間的總高度 Η(圖 1)。 其已經說明之用來攪拌液體且將氣體注射入該液體的 裝置係操作如下。 在已經打開的驅動裝置1上，輸出軸2以相同的旋轉 速度來驅動自動吸入的渦輪機5和在終端處的推進器4。 經由小孔Η將氣體注射或吸入到環狀間隙15中，從該環 狀間隙15處氣體被吸進朝向渦輪機5，氣體在上方平板8 和圓筒6之間的環狀間隙U中成爲液體L的一部份(在圖 1中由箭頭所指出）。至少90%氣泡分散系是由於反向葉片 19和偏轉器16所存在的性能來回收，該偏轉器16導引流 體朝向推進器4 ’也在圖1中由二側的箭頭所指出。由至 9 本紙張尺度適ϋ國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) '""' — — — — — — — — i II — · * I I I I I I I <請先閲讀背面之注意Ϋ項再t寫本頁) 經濟部智慧財產局具工消费合作社印製 423 994 at B7 五、發明說明（q) 少兩個葉片4a所組成之推進器4以例如1到5 m/second 之間的速度將氣泡分散系推向窪地的底部。尺寸和所使用 的操作條件能夠使氣泡推進到1〇公尺的深度，而在底板上 保持足夠（也就是說大於0.1 m/s)的水平速度以防止或警告 在窪地底部上沉澱區域或固體粒子的形成。 移向窪地底部的氣泡大致上在攪拌活動裝置(4，5)上 環繞中心軸2的周圍上升。在液體中氣泡的滯留時間足以 確保氧氣從氣相（假如所注射的氣體爲氧化氣體時)傳送到 液相。因此氧氣可被用來作爲生物體(biomass)呼吸或某些 化合物氧化的目的。 由於補償推進器4和反向葉片19存在所引起之泵唧流 動，使其可確保環繞在攪拌活動裝置4的液體體積在推進 器4耗損的能量(在施加到馬達軸2能量的40至90%之間 的能量)所取決之半徑內劇烈地攪拌。此一劇烈搖動能使污 泥以及/或是固體粒子形成懸浮液，以確保在所有被推進器 4劇烈攪拌體積中的污泥以及/或是粒子濃度傾向於均勻。 經由小孔14注射入的氣體被氧化時，前面所說明的裝 置使其成爲可能進行工業或都市廢水的生物處理，藉由將 氧氣傳送到活性污泥中或藉由攪拌生物體以使污泥的濃度 傾向於均勻。包圍住渦輪機5的偏轉器16迫使氣體/液體 分散系下降朝向推進器4，該推進器4將氣泡推向反應器 的底部，並產生一液體抽送流動使反應器能夠攪拌。反向 葉片19使其可能導引各種的液體和氣體流體以使得就傳送 和攪拌的觀點上將性能最大化。 4 10 ------：------乂政--------訂·-------.線 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 423994 五、發明說明（f ) A7 B7 施行装置的實施級 渦輪機5的尺寸 在最佳化軌跡之後’渦輪機5的外插法和尺寸基準如 下(附圖1): Η1=0·1到5d(d爲渦輪機5的直徑） H2=0.5 到 2d H3=0.1 至[J 5d dl=0‘01到0.1*d(dl爲渦輪機5和每個反向葉片19之 間的徑向距離） d2=0.01到0.1*d(d2爲在凹槽21底部和葉片4a終點 之間的徑向距離）
Lcp=0.5到2*d(Lcp爲每個反向葉片的寬度）
Dh=l到2*d(Dh爲推進器4的直徑） 反向葉片19在圖所說明之實施例中的數目爲4個，以 相對於渦輪機的軸沿徑向來定位。反向葉片至少有2個， 其外形緊配著轉軸(推進器)的幾何形狀。 已經增加的該反向葉片使得切線流體轉變成軸向流體 而朝向容器的底部。反向葉片的數目是由實驗來決定的， 其是以朝向表面上升之氣體/液體分散系在其整個區域的周 圍分散爲目標。 這些反向葉片從液體的表面開始，並且以向下降到相 當於大約渦輪機直徑12倍的深度較爲有利。它們關於表面 的位置是必要的，以便避免會導致渦輪機停機的漩渦形成 ----------------4- — (靖先閱讀背面之注意事項再^窝本頁) , 線· 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公茇） 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 4 23 994 A7 _____ B7 五、發明說明（1 ) 對於推進器用於回收氣體/液體分散系，葉片4a的數 目在2至I2個之間變化。其是用這樣的方式做限定：對於 根據氣體/液體比率之渦輪機的操作範圍來限制阻塞的危險 〇 該氣體/液體分散系的回收速率可以經由添加一額外的 活動裝置22(圖2)而有利於增加，例如具有2個或更多葉 片的推進器。如所顯示的，此活動裝置22可以固定在輸出 軸2上，並且使其可能增加在環狀外殻中液體的圓周速度 〇 渦輪機的操作參數爲： 一浸置I是在液體水平面和渦輪機上方圓盤之間的距 離 一旋轉速度N 一氣體流動速率Qg 一氣體的注射壓力Pg 這些操作參數的外插法基準如下所列： — I/d由0.01到5 :標稱値=0.4 —修正Froude數目=Fr*=N2*d2/g*I=慣性力/重力
Fr*=從0.1到25 :標稱値= 1.1到2,5
Fr*<0.1二非常弱的氣體吸力
Fr*>243有阻塞的危險 —能源消耗=N3*d5*Np，其中Np能源數=f(Fr*) 執行由本發明所提出的裝置之模式可能如下所列： 一連續操作： 12 ----I I------- « ---111--訂--------I (請先閱讀背面之注意事項再填k本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） A7 423994 五、發明說明（丨〇 ) 一在固定的旋轉速度下操作，氣體流動速率的調整是 由放置在流體線上的流動速率控制元件來影響， 一在可變的速度和可變的氣體流動速率下操作，使得 渦輪機一直保持在最佳化之條件下操作。 一交互/依序操作： 在交替具有注射氣體之攪拌相和不具有注射氣體之攪 拌相，以及/或是具有可變速度的攪拌相的循環中操作。該 操作提供其全部的正當化和優點利益，特別是對於單一窪 地的硝化作用/脫氮作用。 操作條件的範圍如下： —在Kg02/kWh中所量$到的淨値規格輸入(NSI)可 能在〇·5到8之間變化。 一渦輪機5的吸入容積可於渦輪機每消耗kWh時達 到50Nm3/h的氣體。 攪拌速度爲約50到1000 rev/min.之間" 渦輪機5的浸入/直徑比率在0.01到5之間變化。 修正後的Frmide數目大致上是在0.1到25之間。 在窪地中水的高度傳統上可能在2到10 m之間。 一在推進器4和渦輪機5之間的耗損功率比率可能在 40/60 到 90/10 之間。 液體可能是下面中的一種：活性污泥、工業或都市廢 水、”製程用”水、海水、濃縮污泥。 上面所說明的系統可能包括有： 一無論是在包封住或開放的與物理-化學分離方法(沈 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 ---------------1--- <諳先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) -SJ· •線 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 B7 五、發明說明（（\ ) 降槽、浮選劑、薄膜、過濾器等等）之結合的生物或是/以 及化學反應器中，該反應器可以或不可以在壓力下操作。 一或者在被包封住的生物以及/或是化學反應器中’ 其係在壓力之下藉由排氣孔以控制氣體頭部空間內氣體的 含量來操作。 在深窪地的例子中(水的高度爲超過約7公尺)或是裝 備已經完成，系統可以由空氣或氧氣形式的窪地底部傳送 系統例如”Ventoxal”來操作。 根據本發明的裝置具有下面的優點： 一在低壓力下（自〇.7bar絕對壓力)吸入氣體容許將大 氣吸入或是使用氧氣，其係在現場不需再壓縮步驟中產生 或是從其他步驟中產生亦或使用其他氣體處理的位置上產 生， —可限制因再注射細菌所產生之（：02使pH降低的問 題， 一其能量爲符合需求的補償活動裝置(4)，具有一寬 的作用半徑和能夠使氣體/液體混合物被推送到窪地的底部 而同時達成滿意的攪拌程度，甚至可用於水的相當深度(約 7到10公尺之間）， 一去除攪拌和注射氣體影響的可能性，因此可使得各 種模組的執行較早進行(連續和交替/依序操作）。 當與Ventoxal系統比較時，根據本發明的系統具有在 大氣壓力下或稍微較低的壓力下注射氣體的優點，並且由 於水的高度和氣體流動速率，可增加傳送效率至少10%到 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 42399^ A7 五、發明說明（ 50%。 系統可以安裝一個或更多的軸向流動之活動裝置，例 如以同軸心安裝在輸出軸2上的推進器。 圖式主要元件符號說明 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 驅動裝置 2 輸出軸 3 輸出軸之低端 4 推進器 4a 葉片 5 渦輪機 6 圓筒 6a 低端 8 圓盤 9 圓盤 11 葉片 12 中心孔 13 環狀空間 14 小孔 15 環狀間隙 16 環狀外殼 17 孔 18 孔 19 反向葉片 21 凹槽 15 ------I ------u--------^ · J ------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 423994 π __B7_ 五、發明說明（〇 ) 22 活動裝置 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------t.衣--------訂---—----"5^11 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

  1. /123 99 A 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 A8 BS C8 D8 六、申請專利範圍 i-一種用於攪拌在反應器中之液體和注射氣體到該液 體中的裝置，其包括一放置在容器上方並設有一垂直輸出 軸（2)的驅動裝置（1)，在輸出軸(2)的端點上設有至少一個 浸入於液體中之軸向流動的活動裝置(4) |其特徵在於該驅 動裝置的輸出軸亦承載一自動吸入渦輪機(5)，該渦輪機(5) 浸入反應器中且由輸出軸(2)所驅動，且其特徵在於該輸出 軸(2)被圓筒(6)以同軸心來包圍住，該圓筒(6)在其上端與 驅動裝置的防漏裝置連結而其較低端(6a)以開放式裝進渦 輪機，且其特徵在於圓筒上方端鑽有一小孔（14)用來注射 氣體進入由輸出軸和圓筒所限定的環狀間隙（15)中。 2. 根據申請專利範圍第1項的裝置，其特徵在於該渦 輪機(5)由二個水平放置重疊的圓盤(8,9)所組成，以及由一 組放置在圓盤之間且固定在圓盤上的放射狀葉片（11)所組 成，且其特徵在於在上方圓盤(8)中製成一中心孔（I2)使圓 筒(6)的低端(6a)穿透，且該圓盤與該孔（12)之邊緣一起界 定至少一部份環狀空間（I3)，經由該環狀空間（13)可以將液 體吸入渦輪機中β 3. 根據申請專利範圍第1和2項中任一項的裝置，其 特徵在於其包含一用於導引被渦輪機(5)沿徑向推出之氣體/ 液體分散系朝向軸向流動之活動裝置(4)的裝置。 4. 根據申請專利範圍第3項的裝置，其特徵在於該裝 置包含一環狀外殼（16)，其形成轉換器且包圍渦輪機(5)並 且其輪廓使得從渦輪機沿徑向流出之流被其導引朝向軸向 流動的活動裝置(句，且該裝置包括一在此環狀外殼的較低 ------^----------訂·------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙浪尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4规格（2!〇><297公釐） ABCD 423994 六、申請專利範圍 表面中的中央孔（18)和大致上爲垂直而形成反向葉片的平 板（19)，該平板（19)係沿徑向放置並且固定在該偏轉器（16) 上。 5. 根據申請專利範圍第4項的裝置，其特徵在於該裝 置更加包含一額外的攪拌活動裝置(22)。 6. 根據申請專利範圍第4項的裝置，其特徵在於該反 向葉片（19)的數目至少有二個並且以大體上相當於在液體 (L)的水平面來垂直延伸’該總高度(H)大約是在渦輪機(5) 直徑的0.7倍到12倍之間。 7. 根據申請專利範圍第1項的裝置，其特徵在於該軸 向流動的活動裝置爲一推進器(4)。 8-根據申請專利範圍第7項的裝置，其特徵在於沿徑 向的凹槽(21)嵌入反向葉片（19)中，因而使得推進器(4)的 葉片(4a)在此處可以穿透》 -----------Id.------ΐτ----- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 私紙張尺度適用中國®家標準（CNS ) 格（210X297公釐）
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