TWI380851B

TWI380851B - 用於供應氣體至一液體之裝置

Info

Publication number: TWI380851B
Application number: TW096134271A
Authority: TW
Inventors: Stefan Schafer; Klaus Vobenkaul; Dirk Volmering; Darren Lawrence
Original assignee: Koch Membrane Systems Gmbh
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2013-01-01
Also published as: CA2666783C; AU2007299231B2; DE102006044624A1; JP2010503529A; ZA200901434B; MX2009002709A; WO2008034570A1; US20100013110A1; CA2666783A1; CN101516486A; ES2341737T3; JP5054112B2; IL197366A0; EP2069058B1; TW200848153A; DE602007004677D1; KR20090057411A; CN101516486B; ATE456978T1; KR101061084B1

Description

用於供應氣體至一液體之裝置

本發明係關於一種用於供應氣體至一液體之裝置，其具有一氣體供應通道及在供應氣體操作中排放氣流之連接至該氣體供應通道的至少一氣體噴槍。該裝置將尤其適用於浸沒操作中所使用之薄膜設施，上升之氣泡被用於清潔該等薄膜。

實務上，具有一氣體供應通道及自該氣體供應通道分支之多個氣體噴槍的供應氣體裝置被用於供應氣體至浸沒操作中所使用之薄膜設施。氣體供應通道基本上水平地定向。氣體噴槍垂直地向上延伸且由待被供應氣體之液體圍繞。自公開案WO 97/06880已知此供應氣體裝置，氣體噴槍在上部開口末端處突出至待被供應氣體之液體中，且在下部傾斜末端處突出至氣體供應通道中。液體可無障礙地滲入供應氣體間隔之間的氣體供應通道中，沈積物能夠形成於氣體噴槍中。若個別氣體噴槍歸因於沈積物而發生即使輕微的橫截面改變，則亦會在個別氣體噴槍中發生變化的壓力損失，使得觀察到不同氣體噴槍之非均勻起泡。

為了避免液體滲入氣體噴槍及氣體供應通道之氣體腔室在供應氣體間隔之間被注滿，自DE 203 00 546 U1已知向氣體噴槍提供蓋罩，其定位於氣體噴槍之突出末端上且環形地封閉氣體噴槍之末端截面。在供應氣體期間，空氣自頂部至底部流過蓋罩與氣體噴槍之間的環形腔室且自環形間隙之下部末端排放。在長期操作中，可能存在之危險為：環形間隙將歸因於污染物或生物薄膜之形成而部分地或完全地阻塞。並聯地連接之氣體噴槍由於氣體噴槍中之不同的流動阻力而並不使均勻流動流過其中。詳言之，若使用較小氣體量之流動，則供應氣體為不穩定的且非均勻的。僅可能自氣體腔室不良地移除在系統中之減壓之後滲過氣體噴槍而進入氣體供應通道之水。殘餘物保留在系統之氣體腔室中，自長遠的觀點而言，其將損害供應氣體裝置之操作。

本發明係基於指定一供應氣體裝置之目的，該供應氣體裝置即使在較小氣體量之流動時亦允許穩定操作，且其中尤其使並聯地定位之氣體噴槍之均勻衝擊成為可能。供應氣體裝置亦易於維護。

根據本發明，藉由一種用於供應氣體至一液體之裝置，尤其是用於浸沒操作中所使用之薄膜設施之裝置來達成該目的，該裝置具有一氣體供應通道及在供應氣體操作中排放氣流之至少一氣體噴槍，其中該氣體噴槍藉由至少一連接通道而連接至氣體供應通道，該至少一連接通道包含在氣體噴槍之側上之第一孔口區域及來自氣體供應通道之側之第二孔口區域，且由於節流而產生進入氣體噴槍之氣流之流動壓力損失，且其中在第一孔口區域下方提供一延伸截面，其鄰接氣體噴槍且在第一孔口區域下方具有一開口。

待被供應氣體之液體中所存在之壓力作用於由氣體噴槍與延伸截面經由氣體噴槍之上部末端處的氣體出口且亦經由延伸截面之底部開口而封閉的腔室上，延伸截面之下部開口處的壓力由於封閉裝置之液柱的高度而大於氣體噴槍之上部末端處的壓力。在供應氣體裝置之操作期間，底部開口被用作壓力均衡器且確定氣體噴槍中之壓力條件，連接通道之節流效應確保所供應氣體之均勻流動。為了確保明確界定之節流效應，總是將每一連接通道僅連接至一氣體噴槍，然而，一氣體噴槍能夠經由多個連接通道而連接至氣體供應通道而無限制。詳言之，在所描述之實施例中具有多個氣體噴槍的根據本發明之裝置中，連接通道之節流效應及(此外)穿過延伸截面之開口之壓力均衡確保整個氣流至個別氣體噴槍之均勻分布及氣體噴槍之均勻起泡。

產生進入氣體噴槍之氣流之流動損失的連接通道之節流效應可在本發明之範疇內得以達成，此在於：連接通道具有(例如)以縮窄部或噴嘴開口之形式的節流點。連接通道在其長度範圍內亦可具有小於氣體噴槍之橫截面且產生進入氣體噴槍之氣流之流動壓力損失的橫截面。在無限制之情況下，至少一氣體噴槍可經由多個連接通道或僅一連接通道而連接至氣體供應通道，一連接通道亦能夠具有多個並聯縮窄部或噴嘴出口。然而，在連接通道中僅提供一流動路徑之實施例為尤其較佳的，因為在此實施例之情況下，在預定節流效應下，在連接通道內可能有相當大之流動橫截面，且因此減少了由沈積物對連接通道所引起之阻塞的危險。

連接通道使用第一孔口區域而連接至氣體噴槍，且使用第二孔口區域而連接至氣體供應通道。在本發明之較佳實施例中，將第一孔口區域定位於第二孔口區域下方，使得自連接出發至氣體供應通道之連接通道向下延伸。在使供應氣體裝置進入操作狀態時，確保已滲入氣體供應通道之液體自氣體供應通道經移除至高達第二孔口區域之高度。尤其較佳將第二孔口區域定位於氣體供應通道之底部，使得在使供應氣體裝置進入操作狀態時，總是存在整個氣體供應通道之完全殘餘物排空。

在使在浸沒操作中操作的根據本發明之裝置進入操作狀態時，必須使用至少來自氣體供應通道、連接通道、延伸截面及氣體噴槍之氣體而藉由衝擊來移位液體。液體部分地穿過連接通道之開口且部分地穿過頂部敞開之氣體噴槍而離開裝置。在排空氣體腔室之後，氣體隨後穿過氣體噴槍而流出。此為正常操作狀態。在供應氣體裝置之並聯地定位之氣體噴槍的情況下導致較大的氣流。延伸截面之開口向並聯地定位之使均勻流動流過其中的氣體噴槍提供顯著的貢獻，因為開口確保所界定之壓力條件在每一情況下導致流動方向在經設計為節流之連接通道後部。

在供應氣體裝置之一較佳操作模式中，整個氣流被向上引導穿過至少一氣體噴槍，壓力墊由於氣體噴槍中之流動阻力而形成於延伸截面中。若將少量氣體傳送穿過氣體噴槍，則液體可能穿過連接截面之開口而進入，其在氣體噴槍中藉由氣流而被向上傳送。觀察到抽汲效應，其通常隨氣體流動速率減小而增加且可支持氣泡之清潔過程。

自較佳操作模式出發，若增加氣體供應通道中之壓力且因此增加流過氣體噴槍之氣體量，則延伸截面中之壓力墊膨脹，直至最終，氣流之一部分亦向下逸出穿過延伸截面之開口。在供應氣體裝置之底部處排放的額外氣流亦可用於液體之目標供應氣體。若根據本發明之裝置被用於薄膜設施中，例如，薄膜束定位於氣體噴槍周圍，則出自裝置之底部中的額外氣流尤其有利地允許在外部周圍處及在薄膜纖維束之邊界區中的額外清潔。

可間歇地操作供應氣體裝置。在間歇操作期間，在較佳操作模式中較大氣流或空氣流被使用時之供應氣體間隔與氣流被充分地節流以使得氣體供應通道中之壓力被維持、但僅有非常輕微之氣體量或無氣體量逸出穿過至少一氣體噴槍時的間隔交替。視情況，在間歇操作－如上文所描述－中，若發生很大的氣流或空氣流，則可在供應氣體裝置之底部處產生額外氣流。若在間歇操作期間使用較小氣流來操作供應氣體裝置，則至少一氣體噴槍被周圍液體注滿。在氣體噴槍中導致一液柱，其延伸至高達連接通道，但由於供應通道中所存在之更高壓力而未穿過連接通道進入氣體供應通道。若使氣體供應通道再次與較大氣流衝擊，則液體自氣體噴槍被移位，氣沖首先逸出穿過延伸截面之開口，且氣流之一部分向上流過氣體噴槍。一旦液體自氣體噴槍被移位，便實施較佳操作模式，其中整個氣流穿過氣體噴槍而流出。與起初所描述之已知組態相比，整體系統之壓力損失顯著地較少。此外，氣流之調節範圍更大。即使在較小氣體量之流動的情況下，亦確保該氣體噴槍或該等氣體噴槍之均勻流動。另一優點在於：裝置可以使得在使裝置進入操作狀態時可自氣體供應通道移除液體而無殘餘物之方式被實施。詳言之，在具有多個氣體噴槍之裝置的較佳實施例中，確保供應氣體操作中穿過所有氣體噴槍之均勻流動。

導致針對根據本發明之裝置之另一建設性實施的多個可能性。因此，連接通道可直接鄰接或亦經由作為節流點之間隙(諸如，環形間隙)而鄰接氣體噴槍。在本發明之一實施例中，連接通道連續地進入氣體噴槍，連接通道與氣體噴槍具有相同橫截面。在此實施例之尤其簡單的改進中，將氣體噴槍及延伸截面作為管道之截面而實施，氣體噴槍在連接通道上方延伸，且延伸截面在連接通道下方延伸。管道較佳具有圓形橫截面且可經圓柱形地或部分地圓錐形地成形。在線性管道之情況下，其即使在安裝狀態下亦(例如)使用刷子或加壓噴射器而被尤其容易地清潔。

根據本發明之裝置之另一實施例包含一附著至氣體供應通道之連接件。氣體噴槍向上延伸至連接件之收納腔室中，且一覆蓋物位於連接件上，其在底部敞開且形成延伸截面。可將覆蓋物插入於連接件中，連接通道較佳形成於覆蓋物中。亦可將覆蓋物置放於連接件上。至少一氣體噴槍較佳延伸至連接件之收納腔室中，由連接件所界定之連接通道在氣體噴槍之衝進收納腔室之末端處具有節流點。自此實施例出發，導致根據本發明之裝置之多個有利的建設性改進。

覆蓋物可具有藉由形成節流點之環形間隙來封閉氣體噴槍之末端的內面。覆蓋物較佳亦具有與氣體噴槍之末端相對且形成延伸截面之流動平靜腔室的凹陷部。覆蓋物側開口排出至流動平靜腔室中。

根據本發明之另一實施例，包含兩個閥體之節流閥定位於由連接件及氣體噴槍所定界之環形腔室中，第一閥體定位於氣體噴槍之末端上，且橋接氣體噴槍與連接件之間的環形腔室且亦具有氣體通路開口。第二閥體具有與氣體通路開口一起工作且定位於覆蓋物與第一閥體之間的腔室中之閥座。此外，第二閥體可具有一通路，其在節流點後部形成延伸截面之流動平靜腔室且與覆蓋物中之開口對準。可將閥座實施為圓錐形或凹形座面。第一閥體可含有排出至環形地封閉氣體噴槍之末端之流動腔室中的軸向孔。流動腔室及第二閥體之座面形成所界定之節流間隙。兩個閥體彼此適當地連接。在(例如)螺旋連接之情況下，存在調整兩個閥體之間的節流間隙之寬度的可能性。亦在本發明之範疇內的是，第二閥體為插入部分，其係由覆蓋物抵靠第一閥體而夾持。第一銼體可具有用於使氣體流入噴槍中之噴嘴狀縮窄氣體入口。

延伸截面之底側開口適當地具有相當於氣體噴槍之流動橫截面之0.5至2倍的橫截面。開口之橫截面與氣體噴槍之流動橫截面較佳基本上相當。

氣體噴槍較佳在其遠離氣體供應通道而突出之上部末端處自由地終止於待被供應氣體之液體中，而無蓋罩且無縮窄部。當然，亦在本發明之範疇內的是，氣體噴槍另外具備套側開口。此外，可能有利的是以流動橫截面之擴散器型膨脹部而在氣體出口處實施氣體噴槍之末端。

所描述之供應氣體裝置尤其意欲用於浸沒操作中所使用之薄膜設施。在薄膜設施中之使用期間，較佳藉由中空纖維薄膜束來封閉至少一氣體噴槍，該等中空纖維薄膜在一開口末端處嵌入於頭部部分中且排出至與氣體供應通道分離之滲透物收集腔室中。

根據本發明之裝置較佳具有連接至氣體供應通道之多個氣體噴槍，其中每一者如上文所述而被實施。在一尤其較佳之實施例中，裝置係由各具有一氣體噴槍之個別片段組裝，該等個別片段各如上文所述而被實施。

在下文中，基於僅僅說明一例示性實施例之圖式來解釋本發明。

圖1a至圖1g展示根據本發明之用於供應氣體至一液體1之裝置之實施例的細節，該裝置具有一氣體供應通道2及在供應氣體操作中排放氣流之連接至氣體供應通道2的至少一氣體噴槍3。整個裝置較佳具有經相應地實施之其他氣體噴槍3(未圖示)。氣體噴槍3垂直地向上延伸且具有自氣體供應通道2突出之開口末端4，而無縮窄部且無蓋罩。氣體噴槍3經由連接通道5而連接至氣體供應通道2，連接通道5由於節流而產生進入氣體噴槍3之氣流的流動壓力損失，且總是僅有一氣體噴槍3連接至連接通道5。連接通道5使用第一孔口區域8而連接至氣體噴槍3，且使用第二孔口區域8'而連接至氣體供應通道2，氣體噴槍3向上延伸，且延伸截面6自第一孔口區域8開始向下延伸。鄰接氣體噴槍3之延伸截面6在第一孔口區域8下方具有開口7。在圖1a及圖1b所示之實施例中，第一孔口區域8定位於第二孔口區域8'下方。在使根據本發明之裝置進入操作狀態時，因此確保已在氣體供應通道2中所收集之液體1首先被完全移除。在圖1c所示之實施例中，連接通道5突出至氣體供應通道2中，第二孔口區域8'定位於氣體供應通道2之底部上方。若已在氣體供應通道2中收集液體1，則在操作期間，液體1亦保留於氣體供應通道2中之第二孔口區域8'下方。此防止已在氣體供應通道2之底部處所收集之污染物到達連接通道5。圖1d展示以下一實施例：其中連接通道5使用其第二孔口區域8'來鄰接氣體供應通道之頂部且向上通向第一孔口區域8，氣體噴槍3以及延伸截面6兩者皆定位於供應通道2上方。在圖1e所示之實施例中，連接通道自上方突出至氣體供應通道2中。若在進入操作狀態時氣體供應通道2完全被液體1填充，則首先將此液體自氣體供應通道2移除至高達第二孔口區域8'之高度，隨後在具有多個氣體噴槍之組態中在所有氣體噴槍3處實際上同時開始供應氣體。

自圖1f及圖1g可推斷，連接通道5亦可具有傾斜或彎曲路線。儘管氣體噴槍3、延伸截面6及第一孔口區域8定位於氣體供應通道2上方，但在使根據本發明之裝置進入操作狀態時，圖1g中因此仍確保所收集液體1之完全移除。

儘管在來自圖1a之實施例中將節流點9提供於連接通道中，但圖1b所示之連接通道5在其長度範圍內具有小於氣體噴槍3之橫截面且產生進入氣體噴槍3之氣流之流動壓力損失的橫截面。在來自圖1b之實施例中，氣體噴槍3及延伸截面6經實施為線性管道之截面，氣體噴槍3向上延伸，且延伸截面6自連接通道5開始向下延伸。延伸截面6連續地進入氣體噴槍3，延伸截面6及氣體噴槍3具有相等之橫截面，使得所示之實施例即使在安裝狀態下仍(例如)使用刷子或壓力噴射器而被易於清潔。

諸圖所示之裝置被用於供應氣體至一液體。該裝置之基本構造包括一氣體供應通道2及在供應氣體操作中同時排放氣流之連接至氣體供應通道2的多個氣體噴槍3。將該裝置降低至液體1中，氣體供應通道2基本上水平地定向(圖2至圖4)。氣體噴槍3垂直地向上延伸，且在其自氣體供應通道2突出之末端4處自由地終止於待被供應氣體之液體1中，而無蓋罩。氣體供應通道2包含自氣體供應通道分支之連接件10，該等連接件10在末端處由覆蓋物11封閉，覆蓋物11形成延伸截面6。氣體噴槍3向上延伸至連接件10之收納腔室12中，連接通道5中之節流點9被提供於氣體噴槍3之被浸沒於收納腔室中的末端處，其產生進入氣體噴槍3之氣流的流動壓力損失。自圖2至圖9c中之說明亦可看出，在定位於連接件10上之覆蓋物11中提供開口7，其排出至節流點9後部之延伸截面6的流動腔室14中。覆蓋物11可移除地連接至連接件10。在移除覆蓋物11之後，可接取節流點9，且可容易地清潔氣體噴槍3。穿過開口7之清潔亦為可能的。

圖2展示裝置在其已被降低至待被供應氣體之液體1中之後進入操作狀態。氣體供應通道2含有液體1'，其已滲過頂部敞開之氣體噴槍3而進入氣體腔室。現使氣體供應通道2與壓力衝擊，且供應氣流。在壓力下所供應之氣流或空氣流使液體1'自氣體供應通道2移位。液體1'流入底部連接件10，且穿過頂部敞開之氣體噴槍3中的開口7而離開裝置。

在已使液體1'自連接件10之收納腔室12移位時，短暫地導致圖3所示之操作狀態。氣流流過節流點9且使液柱15在氣體噴槍3內部移位。氣流之一部分以短暫脈衝之形式而排放穿過覆蓋物側開口7。一旦已使液柱15自氣體噴槍3移位，便導致圖4所示之操作狀態。整個氣流向上流過氣體噴槍3，在氣體噴槍3中導致等量之氣流。由於覆蓋物側開口7處之液體壓力大於氣體噴槍3之上部出口側突出末端4處之液體壓力，故在所示之操作模式中無任何氣體在覆蓋物6之底部開口7處排放。在所有氣體噴槍3中導致穿過覆蓋物側開口7之所界定且相等之壓力條件，此導致使用相等氣體量之流動而發生穿過並聯地定位之氣體噴槍3的流動。

覆蓋物11經實施為蓋罩或插入物，且其(例如)藉由螺旋連接16而可移除地連接至連接件10。在圖5所示之例示性實施例中，覆蓋物11具有使用形成節流點9之環形間隙18來封閉氣體噴槍3之末端13的內面17。覆蓋物11亦各具有一與氣體噴槍3之末端13相對且形成流動平靜腔室19的凹陷部。覆蓋物側開口7排出至流動平靜腔室19中。

在圖6之例示性實施例中，包含兩個閥體20、21之節流閥22配置於由連接件10與氣體噴槍3所定界之每一環形腔室中。第一閥體20定位於氣體噴槍3之末端13上、橋接氣體噴槍3與連接件10之間的環形腔室，且具有氣體通路開口23。第二閥體21具有與氣體通路開口23一起工作且定位於覆蓋物11與第一閥體20之間的腔室中之閥座24。第二閥體21含有在節流點9後部形成流動平靜腔室19之通路。自圖6以及圖7a至7c中可看出，閥座24可經實施為圓錐形或凹形座面。第一閥體20具有經分布於圓周周圍作為氣體通路開口23之多個軸向孔，其排出至環形地封閉氣體噴槍3之末端13的流動腔室14中。流動腔室14藉由第二閥體21之座面來形成節流點9。第一閥體20亦可具有用於使氣體流入氣體噴槍3之噴嘴狀縮窄氣體入口25。在圖7c之例示性實施例中，在節流點9後部形成流動平靜腔室19的第二閥體21之通路與覆蓋物11中之開口7對準。

定位於覆蓋物11中之延伸截面6的開口7具有較佳相當於氣體噴槍3之流動橫截面之0.5至2倍的橫截面。在例示性實施例中，覆蓋物側開口7之橫截面與氣體噴槍3之流動橫截面大致等大。

在圖2至圖8之例示性實施例中，根據本發明之較佳實施例，氣體噴槍3之出口側突出末端4具有擴散器型膨脹部26。

供應氣體裝置適用於浸沒操作中所使用之薄膜設施。薄膜設施可具有薄膜束、薄膜板或其他薄膜元件，氣體在薄膜之邊緣處或薄膜束內部自供應氣體裝置上升且清潔該薄膜。氣體噴槍3之出口側突出末端4在所示之實施例中由中空纖維薄膜束27封閉，該等中空纖維薄膜在一開口末端處嵌入於頭部部分28中且排出至與氣體供應腔室2分離之滲透物收集腔室29中。如圖8所示之單元可經組裝成一陣列或薄膜模組30，其中整合根據本發明而實施之供應氣體單元。

圖9a至圖9c展示在薄膜模組30中根據本發明之供應氣體裝置之替代性實施例的細節。在圖9a所示之實施例中，覆蓋物11插入於連接件10中且由插座31固定。連接通道5形成於覆蓋物11中，使得連接通道5之橫截面尤其有利地不會由安裝不規則性改變。由覆蓋物11所形成之延伸截面6直接鄰接氣體噴槍3，彈性體墊片32被提供於氣體噴槍3與覆蓋物11之間，且此外，被提供於連接件10與覆蓋物11之間。圖9b及圖9c展示覆蓋物11經旋擰至連接件10上之實施例。儘管在來自圖9b之實施例中將連接通道5基本上亦形成於覆蓋物11中，但來自圖9c之實施例在覆蓋物11與氣體噴槍3之間具有節流點9。

在供應氣體裝置之正常操作期間，壓力墊形成於具有開口7之延伸截面6中，其確定所指派之氣體噴槍3中的壓力條件。然而，在較小流動速率時，液體1可穿過延伸截面6而進入氣體噴槍3，且可藉由穿過氣體噴槍3之氣流而被向上輸送。圖10中展示根據本發明之裝置的抽汲效應，由裝置所傳送之液體1的量係作為氣流之流動速率的函數而被展示。

1．．．液體

1'．．．液體

2．．．氣體供應通道

3．．．氣體噴槍

4．．．開口末端/突出末端

5．．．連接通道

6．．．延伸截面

7．．．開口

8．．．第一孔口區域

8'．．．第二孔口區域

9．．．節流點

10．．．連接件

11．．．覆蓋物

12．．．收納腔室

13．．．末端

14．．．流動腔室

15．．．液柱

16．．．螺旋連接

17．．．內面

18．．．環形間隙

19．．．流動平靜腔室

20．．．第一閥體

21．．．第二閥體

22．．．節流閥

23．．．氣體通路開口

24．．．閥座

25．．．縮窄氣體入口

26．．．擴散器型膨脹部

27．．．中空纖維薄膜束

28．．．頭部部分

29．．．滲透物收集腔室

30．．．薄膜模組

31．．．插座

32．．．彈性體墊片

圖1a至圖1g以截面說明來示意性地展示根據本發明之供應氣體裝置的實施例，圖2至圖4示意性地展示在不同操作狀態下之操作期間穿過根據本發明之供應氣體裝置的截面，圖5以關於圖2至圖4而放大之說明來示意性地展示根據本發明之裝置的細節，圖6示意性地展示圖4中所說明之標的物的另一實施例，圖7a至圖7c示意性地展示圖6中所說明之標的物的不同實施例，圖8示意性地展示供應氣體裝置在用於浸沒操作中所使用之薄膜設施之薄膜模組中的使用，圖9a至圖9c示意性地展示薄膜模組中之供應氣體裝置的替代實施例，圖10示意性地展示關於在低氣流時根據本發明之供應氣體裝置之抽汲效應的圖表。