一種多級空化反應器的製作方法
2023-10-23 10:44:17 2
本發明屬於汙水空化處理技術領域，特別涉及一種基於文丘裡管的水力空化處理有機汙染物的多級空化反應器及汙水空化降解方法。
技術背景
水是人類賴以生存和發展的物質基礎，水資源的保護和循環利用是環境保護中最重要的課題之一。中國是世界上十三個貧水國之一，近二十幾年來，我國的水體汙染十分嚴重，對118個大中城市所調查的水體表明，重度汙染佔40％。造成水汙染的主要汙染源為工業汙染廢水、農業汙染廢水和城市生活汙水。尤其是難降解的「三致」(致癌、致畸、致基因突變)有機汙染物，它們不僅大量消耗水體中的溶解氧，使水體失去自我淨化的能力，而且能長期在環境中的存在，並通過食物鏈侵入到人體中並逐步積累，對人體健康已構成了嚴重威脅。同時，由於水體的汙染，造成許多水資源無法再利用，從而加重了水資源的匱乏程度，影響了環境的可持續利用和經濟的可持續發展。我國的科學家、社會與經濟學學者和政府管理部門十分關注水資源的可持續利用，強調水資源的可持續利用是所有自然資源可持續開發利用中最重要的一個問題，因此，尋求新的方法和技術對流量大、汙染物多且又成分複雜的工業、農業汙染廢水和城市生活汙水進行有效地、深度處理，將為水資源的再利用創造條件。
物理方法進行水處理，由於不產生二次汙染，被稱為「綠色水處理」，受到了廣泛的關注。其中的空化法，因可以廉價簡易地集高溫、高壓、機械剪切和破碎為一體，為物理方法進行有機汙染物降解和水體淨化處理創造了特殊的形式。早期的空化應用是穿孔板10和文丘裡管，他們的優勢在於，空化所形成的空化泡隨液體流動，能在較大範圍內形成空化場，而且能量利用率高，處理量大，然而它們處理汙水雖然有效，但有機物降解率不高，造成這個原因的是當汙水經過一次空化後，要經過較長的時間才能進行第二次空化，尤其是大處理量時，經過第二次空化的時間將更長，導致空化降解效率不高，以國內專利「多級水力空化強化蔗汁中和反應的方法」(申請號：201410212544.4)為例，該專利中喇叭形管小端截面面積與大端橫截面面積的比值為0.1～0.3，以該申請的專利圖1和圖2為例，設想：從進水口(大截面)經過連接管(小截面)也就是喉部，容易產生空化現象，可是從連接管射出來的水經過中間管(大截面)再射向連接管時就難以產生空化，即當連接管和連接管的直徑相等時，從連接管出來的水將毫無阻礙地完全穿過了連接管，顯然不能產生空化現象。因此，現有技術中應用穿孔板和文丘裡管實現的空化技術均存在空化效果不理想，導致處理效率低、能量利用率低等問題，特別是在水力空化降解有機汙染物方面，由於有機汙染物本身處理難度較大，空化效果不理想，使有機汙染物空化降解過程中，降解效率低、成本高，在應用中大大受限。
技術實現要素：
為了克服現有水力空化降解有機汙染物效率不高的問題，本發明提供了一種多級空化反應器，其是基於傳統的文丘裡管或穿孔板實現空化，採用多級連續空化的方式，大大加快管內空化降解汙染物速度，提高汙水中有機汙染物的降解效率。
本發明為了實現上述目的所採用的技術方案是：
該多級空化反應器，包括反應主管以及串接在反應主管出口端的n級反應支管組，n＝1，2，3；每一級反應支管組包括並列設置的2～4個呈擴散型分布的反應支管，在反應主管1的出口端以及第m級反應支管的出口端設置有擋板，m為1～n-1，所述反應主管是文丘裡管或者內設穿孔板的直管式結構。
進一步優選，第n級的反應支管中心軸與第n-1級的反應支管中心軸之間形成5～10°的夾角。
進一步優選，所述第n級的反應支管所在平面與第n-1級的反應支管所在平面在同一個平面上。
進一步優選，所述第n級的反應支管所在平面與第n-1級的反應支管所在平面分布在兩個交叉的平面上且夾角小於90°。
進一步優選，設置在最末端的一級反應支管組的反應支管呈擴散型分布，並且反應支管的中心軸相交於反應主管的中心軸的任意一點。
進一步限定，所述反應主管是文丘裡管，其喉部設置在其整個流程的1/3～2/3處，反應主管的喉部直徑與入口直徑之比為0.2～0.4。
進一步優選，所述反應支管是文丘裡管式結構，喉部直徑與入口直徑之比為0.2～0.4。
進一步優選，所述第n級反應支管的入口直徑D與第n+1級反應支管的入口直徑之比d為D:d＝3.0～3.46。
進一步優選，所述反應支管是內設穿孔板的直管式結構，穿孔板設置在距離反應支管出口端40～50mm的位置，穿孔板與反應支管出口端的擋板平行。進一步優選，所述穿孔板的孔隙率5～8％。
本發明的多級空化反應器是基於文丘裡管或者穿孔板涉及，採用多級空化的方式，使液體經反應主管喉部或者穿孔板後產生空化微氣泡，運動至擋板後受到高壓作用發生崩潰，產生強氧化性自由基，再經多級反應支管後連續多次產生空化微氣泡，並在擋板壓力作用下崩潰，產生更多呈數量級增加的強氧化性自由基，大大提高的文丘裡管空化降解汙染物速度，提高汙水中有機汙染物的降解效率。
附圖說明
圖1為n＝2且反應支管為2個時的多級空化反應器的外部結構示意圖。
圖2為圖1的正面剖視圖。
圖3為n＝2且反應支管均為4個時的多級空化反應器的結構示意圖。
圖4為圖3的A-A剖視示意圖。
圖5為n＝2且反應支管不對稱分布時的多級空化反應器的結構示意圖。
圖6為圖5的俯視圖。
圖7為n＝2且二級反應支管與一級反應支管分布在兩個交叉的平面時的多級空化反應器的結構示意圖。
圖8為圖7的俯視圖。
圖9為n＝3時的多級空化反應器結構示意圖。
圖10為穿孔板10的安裝示意圖。
圖11為n＝2且一級反應支管為3個、二級反應支管為2個時的多級空化反應器的外部結構示意圖。
具體實施方式
現結合附圖和實施例對本發明的技術方案進行進一步說明。
實施例1
由圖1和2可知，本發明的多級空化反應器包括反應主管1、一級反應支管組2、二級反應支管組3、主擋板5、一級擋板6。其中，反應主管1是文丘裡管結構，其入口直徑為40mm，管長為60mm，喉部直徑為12mm，喉部設置在其整個流程的1/2處，並可在1/3～2/3範圍內調整，反應主管1的喉部直徑與入口直徑之比可在0.2～0.4範圍內調整。反應主管1的入口端與進水泵連通，反應主管1的出口端固定有主擋板5，使水流經過反應主管1的喉部段發生空化反應，產生大量的微氣泡，隨著液體流動，微氣泡運動至該主擋板5發生碰撞，使微氣泡崩潰。在主擋板5上加工有2個支管連接孔，在支管連接孔上分別安裝有管接頭通過連接彎管與一級反應支管組2連接。
參見圖2，本實施例n＝2，在反應主管1的出口端連接有2個一級反應支管，即一級反應支管組2包括第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2，第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的中心軸相交於反應主管1的中心軸上。第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2均為文丘裡管結構，第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的中心軸與反應主管1中心軸之間形成9°的夾角，且第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2是關於反應主管1的中心軸對稱分布。第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的入口直徑均為13.3mm，管長為60mm，喉部直徑為2.66mm，喉部直徑與入口直徑之比為0.2～0.4即可保證較優的空化效果。在第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的出口端固定安裝有一級擋板6，使水流經過第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的喉部段發生空化反應，產生大量的微氣泡，隨著液體流動，微氣泡運動至一級擋板6發生碰撞，使微氣泡崩潰。
在上述的第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的出口端一級擋板6上加工有支管連接孔，通過連接彎管與二級反應支管組3連通。二級反應支管組3包括第一個二級反應支管3-1、第二個二級反應支管3-2、第三個二級反應支管3-3和第四個二級反應支管3-4，即在第一個一級反應支管2-1的出口端通過轉接頭連接有第一個二級反應支管3-1和第二個二級反應支管3-2，在第二個一級反應支管2-2的出口端也通過轉接彎管連接有第三個二級反應支管3-3和第四個二級反應支管3-4。第一個二級反應支管3-1和第二個二級反應支管3-2所在平面與第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2所在的平面為同一平面。第一個二級反應支管3-1和第二個二級反應支管3-2均為文丘裡管結構，且第一個二級反應支管3-1和第二個二級反應支管3-2可以是關於第一個一級反應支管2-1的中心軸對稱分布。第一個二級反應支管3-1和第二個二級反應支管3-2的入口直徑均為4.16mm，管長均為60mm，喉部直徑為0.83mm，喉部直徑與入口直徑之比為0.2～0.4即可保證較優的空化效果，為了補償流體運行過程中的水壓損耗，上述二級反應支管的直徑d與一級反應支管的直徑D之比滿足：D＝3～3.46d。第一個二級反應支管3-1、第二個二級反應支管3-2、第三個二級反應支管3-3和第四個二級反應支管3-4的中心軸相交於反應主管1的中心軸上。由於二級反應支管組3是在出水端，其出口端無需安裝擋板。
上述第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2也可以呈非對稱分布，即第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的中心軸與反應主管1的中心軸之間的夾角可以不同，在5～10°的範圍內調整，因為角度過大，水壓損失太大，到下一級反應支管內水壓不足，會影響氣液混合和空化效果。
由圖3和4可知，上述反應主管1的出口端面上並列連接有4個一級反應支管組2，即分別為第一個一級反應支管2-1、第二個一級反應支管2-2、第三一級反應支管2-3以及第四一級反應支管2-4，第一個一級反應支管2-1、第二個一級反應支管2-2、第三一級反應支管2-3以及第四一級反應支管2-4在反應主管1的出口端面上均勻且呈擴散型分布，且第一個一級反應支管2-1、第二個一級反應支管2-2、第三一級反應支管2-3以及第四一級反應支管2-4的中心軸與反應主管1的中心軸之間的夾角為10°。在第一個一級反應支管2-1、第二個一級反應支管2-2、第三一級反應支管2-3以及第四一級反應支管2-4的出口端面上均分別連接有4個二級反應支管組3，每個二級反應支管組3包括4個二級反應支管，每個二級反應支管中心軸與對應的一級反應支管中心軸之間的夾角為8°。4個二級反應支管呈向外擴散型分布，保證二級反應支管組3的出水方向各不相同，向外輻射型。
此外，上述實施例中的一級反應支管所在平面與二級反應支管所在平面可以是同一平面，也可以是相互交叉的兩個平面，當分布在交叉的兩個平面時，兩平面之間的夾角不超過90°。
以圖5和6所示為例說明，第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2所在平面與第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2所在的平面為同一平面。第三個二級反應支管3-3和第四個二級反應支管3-4所在平面與第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2所在平面交叉，且所在兩平面的夾角為30°，即二級反應支管在反應主管1的中心軸兩側非對稱分布。
進一步以圖7、8所示為例說明，第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2所在平面、第三個二級反應支管3-3和第四個二級反應支管3-4所在平面均與第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2所在的平面交叉，且所在兩平面的夾角為45°，即二級反應支管在反應主管1的中心軸兩側對稱分布。
如圖9所示，本實施例n＝3，即上述實施例的二級反應支管的出口端還可通過轉接頭增設三級反應支管組4，即在第一個二級反應支管3-1和第二個二級反應支管3-2的出口端分別連接2個相同的三級反應支管4-1，4-2，在第三個二級反應支管3-3和第四個二級反應支管3-4的出口端也分別連接2個相同的三級反應支4-3，4-4。三級反應支管組4所在平面與二級反應支管3所在平面交叉，三級反應支管組4所在平面與一級反應支管2所在平面是在同一平面。
實施例2
本實施例中在反應主管1內安裝有主穿孔板107，在反應主管1的出口端安裝有主擋板5，反應主管1通過開設在主擋板5上的2個安裝孔連接有2個一級反應支管，即一級反應支管組2包括第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2，第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2均為內設一級穿孔板108的直管式結構，參見圖10，第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的中心軸與反應主管1中心軸之間形成9°的夾角，且第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2可以是關於反應主管1的中心軸對稱分布。第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的直徑均為13.3mm，管長為60mm，即在第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的內腔距離出口端40～50mm的位置安裝了一級穿孔板108，一級穿孔板108的孔徑為1mm，孔隙率為6％，也可以在5～8％範圍內調整。在第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的出口端內壁上安裝有一級擋板6，使水流經過第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的一級穿孔板108發生空化反應，產生大量的微氣泡，隨著液體流動，微氣泡運動至一級擋板6發生碰撞，使微氣泡崩潰。第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2也可以呈非對稱分布，即第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的中心軸與反應主管1的中心軸之間的夾角可以不同，在5～10°的範圍內調整。
在上述的第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2的出口端一級擋板6外側分別連接有二級反應支管組3，二級反應支管組3包括第一個二級反應支管3-1、第二個二級反應支管3-2、第三個二級反應支管3-3和第四個二級反應支管3-4。為了安裝方便，在一級擋板6上開設有四個支管安裝孔，即在第一個一級反應支管2-1的出口端通過安裝在支管安裝孔上的三通轉接頭連接有第一個二級反應支管3-1和第二個二級反應支管3-2，在第二個一級反應支管2-2的出口端通過安裝在支管安裝孔上的三通轉接頭連接有第三個二級反應支管3-3和第四個二級反應支管3-4。第一個二級反應支管3-1和第二個二級反應支管3-2所在平面與第一個一級反應支管2-1和第二個一級反應支管2-2所在的平面為同一平面。第一個二級反應支管3-1和第二個二級反應支管3-2均為內設二級穿孔板109的直管式結構，且第一個二級反應支管3-1和第二個二級反應支管3-2可以是關於第一個一級反應支管2-1的中心軸對稱分布。第一個二級反應支管3-1和第二個二級反應支管3-2的直徑均為4.15mm，管長均為60mm，在第一個二級反應支管3-1和第二個二級反應支管3-2的內腔距離出口端40～50mm的位置安裝二級穿孔板109，二級穿孔板109的孔徑為1mm，孔隙率為7％。
參見圖11，本發明的結構還可以是在上述反應主管1的出口端面上並列連接有3個一級反應支管組2，即分別為第一個一級反應支管2-1、第二個一級反應支管2-2以及第三一級反應支管2-3，第一個一級反應支管2-1、第二個一級反應支管2-2以及第三一級反應支管2-3在反應主管1的出口端面上均勻且向外輻射呈擴散型分布，且第一個一級反應支管2-1、第二個一級反應支管2-2以及第三一級反應支管2-3的中心軸與反應主管1的中心軸之間的夾角為10°。在第一個一級反應支管2-1、第二個一級反應支管2-2以及第三一級反應支管2-3的出口端面上均分別連接有2個二級反應支管組3，每個二級反應支管組3包括2個二級反應支管，每個二級反應支管中心軸與對應的一級反應支管中心軸之間的夾角為8°，二級反應支管出水端向外輻射呈擴散型分布，保證二級反應支管組3的出水方向各不相同。
此外，上述實施例中的一級反應支管所在平面與二級反應支管所在平面可以是同一平面，也可以是相互交叉的兩個平面，當分布在交叉的兩個平面時，兩平面之間的夾角不超過90°。
上述實施例中所提及的主擋板5和一級擋板6可以直接嵌裝在反應主管1和一級支管組2的出口端，也可以通過螺紋方式固定，或者還可以在其邊緣通過連接杆與對應各管道內腔固定，擋板在管道中一方面能夠使氣泡碰撞崩潰，提高空化效果，另一方面擋板阻流，補償流體在管道運行過程中的壓力損耗，此外對管道之間的連接也要起到承接作用。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，對於上述實施例中的每一級反應支管的個數以及偏轉角度可以依據管道截面直徑以及水流量大小而確定，可以在上述實施例的範圍內任意組合。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。