一種微氣泡環流反應系統的製作方法

2023-05-20 10:57:02

本發明屬於汙水處理設備技術領域，具體涉及一種強化氣液混合的微氣泡環流反應系統。

技術背景

據2014年的我國水質調查顯示：全國十大水系水質一半汙染；國控重點湖泊水質4成汙染；31個大型淡水湖泊水質17個汙染；9個重要海灣中，遼東灣、渤海灣和膠州灣水質差，長江口、杭州灣、閩江口和珠江口水質極差……對118個大中城市所調查的水體表明，重度汙染佔40％,地表水劣V類(喪失使用功能的水)斷面比例達30％以上，受汙染的地下水佔三分之一.對全國4778個地下水監測點中，約六成水質較差和極差。根據《全國水資源綜合規劃》，在全國主要江河湖庫劃定的6834個水功能區中，有33％的水功能區化學需氧量或氨氮現狀汙染物入河量超過其納汙能力，且為其納汙能力的4－5倍，部分河流(段)甚至高達13倍。由此可知汙水治理已到了刻不容緩的地步，因此尋求新的技術方法是解決水汙染的重要手段。

氣升式環流反應器是它具有較好的傳熱、傳質和混合特性，近年來廣泛應用於石油化工、生物化工、環境工程及溼法冶金等領域中。與單室相比，多室具有更好的傳質和流動性能。多室氣升式環流反應器，它是由多個升液區和多個降液區構成，多路氣體輸出，液體在反應器內的個流道中做升液一降液一升液一降液的自循環流動。

當前氣升式環流反應器的氣流是採用布氣盤供氣的方式，提供氣源。儘管布氣盤的孔徑是微米級，但大量的氣體同時從布氣盤中射出，這些微小的氣泡密集地擁擠在一起，不可避免地發生碰撞融合在一起，在上升過程中形成大的氣泡，這樣帶來兩個不利影響：1)大氣泡受到的浮力大而液體的曳力小，不能被環流帶到下降段；2)氣液界面積減小，對傳質不利，處理效果將大大折扣。

技術實現要素：

為了克服現有技術中氣升式環流反應器所存在的不足，本發明提供了一種能有效阻止氣泡的合併，氣液混合效果好、傳質速度快、能夠有效提高水力空化降解水體汙染物的能力的微氣泡環流反應系統。

本發明解決上述技術問題所採用的技術方案是：

該微氣泡環流反應系統，包括水槽、進液泵、進氣泵以及環流反應器，進液泵入口通過管道與水槽出口連通，在環流反應器的底部開通有混合氣液入口、側壁上開設有出水口，所述系統還包括Y型氣液混合器，Y型氣液混合器的入口分別與進液泵出口以及進氣泵的出口連通，Y型氣液混合器的出口通過穿過環流反應器底部延伸至環流反應器內的導流管與環流反應器連通。

進一步優選，所述Y型氣液混合器包括主管以及串接在主管出口端的n級支管組，n＝1，2，3；每一級支管組包括並列設置的2～4個支管，第n級的支管中心線與第n-1級的支管中心線之間形成5～10°的夾角。

進一步優選，所述第n級的支管所在平面與第n-1級的支管所在平面在同一個平面上或者分布在兩個交叉的平面上且夾角小於90°。

進一步優選，所述主管和支管均是圓形管，第n級的支管橫截面S、第n+1級的支管橫截面s之間滿足：S＝9～12s。

進一步優選，所述主管和支管均是文丘裡管，主反應管和支管的喉部均設置在其整個流程的1/3～2/3處，主反應管的喉部直徑與入口直徑之比為0.2～0.4。

進一步優選，所述主管和支管均是內設穿孔板的直管式結構，穿孔板設置在距離支管出口端40～50mm的位置。

進一步優選，所述環流反應器包括環流筒和安裝在環流筒內腔的導流筒，導流管的出口端延伸至導流筒底部或者導流筒內且與導流筒同軸。

進一步優選，所述導流筒是多個且呈陣列布設，一個導流筒的外壁與相鄰一個導流筒外壁之間的最小間距是20mm。

本發明的微氣泡環流反應系統是採用多級Y型氣液混合器，並將該混合器的出口與環流反應器內的導流筒連在一起，通過在Y型氣液混合器的主管的出口端設置多級支管，形成多個分支，有效阻止氣泡的合併，加速氣液的混合，加速氣泡對水體汙染物的降解與復修能力，此外將各級支管的結構以及排布進行合理布局，將管結構與角度綜合考慮，大大提升氣液混合效率、提高系統的處理效果，大大縮短處理時間，而且本發明的氣體與液體在Y型氣液混合器中充分混合後再經多個導流筒導流，在升液一降液一升液一降液的自循環流動中氣液混合，一方面能夠有效阻止微氣泡在上升過程中合併，另一方面還能增強氣液間的傳質和傳熱效果，提高水體的空化降解能力，而且本發明能耗低、運行成本相對較低，適於工業化應用。

附圖說明

圖1為微氣泡環流反應系統的結構示意圖。

圖2為n＝2且支管為2個時的Y型氣液混合器3的結構示意圖。

圖3為圖2的正面視圖。

圖4為n＝2且支管均為4個時的Y型氣液混合器3的結構示意圖。

圖5為圖4的A-A剖視示意圖。

圖6為n＝2且支管不對稱分布時的Y型氣液混合器3的結構示意圖。

圖7為圖6的俯視圖。

圖8為n＝2且二級支管與一級支管分布在兩個交叉的平面時的Y型氣液混合器3的結構示意圖。

圖9為圖8的俯視圖。

圖10為n＝3時的Y型氣液混合器3結構示意圖。

圖11為文丘裡管的結構示意圖。

圖12為內設穿孔板35的直管式結構示意圖。

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。

由圖1可知，本實施例的微氣泡環流反應系統包括水槽1、進液泵2、環流反應器5、Y型氣液混合器3以及導流管4組合構成。其中，水槽1的頂部敞口，在水槽1的底部開設有出水口，水槽1的出水口通過安裝在管道上的進液泵2與Y型氣液混合器3的進液口連通，即Y型氣液混合器3的入口通過三通管分別進液泵2出口以及安裝在管道上的進氣泵出口連通，Y型氣液混合器3的出口通過導流管4與環流反應器5的導流筒52底端連通。

參見圖2，Y型氣液混合器3是包括主管31、一級支管組32和二級支管組33。主管31水平放置，其直徑為40mm，長度為60mm，其入口端分別與進液泵2和進氣泵連通，使氣體和液體在主管31內混合，在氣液壓力下輸送至一級支管組32，一級支管組32包括並列連接在主管31出口端的2～4個支管。

圖2、3中，在主管31的出口端面上並列連接有2個一級支管，即一級支管組32包括第一一級支管321和第二一級支管322，第一一級支管321和第二一級支管322分別通過轉接頭與主管31連通。第一一級支管321和第二一級支管322均為圓形管，其直徑均為13.3mm、管長為60mm，與反應主管1的橫截面之比為1：9，一級反應支管的截面積s小於1/9反應主管1的橫截面，以補償氣液流動過程中壓力損耗所帶來的影響。第一一級支管321和第二一級支管322的中心線均與主管31的中心線之間形成5°的夾角，而且第一一級支管321和第二一級支管322可以是關於主管31的中心線對稱分布，也可以不對稱分布，即第一一級支管321和第二一級支管322的中心線與主管31的中心線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，到下一級支管內水壓不足，會影響氣液混合和空化效果。在第一一級支管321和第二一級支管322的出口端分別連接有二級支管組33，二級支管組33包括第一二級支管331、第二二級支管332、第三二級支管333和第四二級支管334，即在第一一級支管321的出口端通過轉接頭連接有第一二級支管331和第二二級支管332，在第二一級支管322的出口端也通過轉接頭連接有第三二級支管333和第四二級支管334。第一二級支管331和第二二級支管332所在平面與第一一級支管321和第二一級支管322所在的平面為同一平面，第一二級支管331和第二二級支管332均為圓形管，其管內直徑均為4.16mm，管長為60mm，橫截面sc與一級支管的橫截面Sc之間滿足：Sc＝10.22sc，也可以在2.2～2.65倍的範圍內浮動，為了保證氣液混合效果並有效防止微氣泡在輸出過程中合併，二級支管3的橫截面隨著流體壓力損耗增大而逐級減小。第三二級支管333和第四二級支管334所在平面與第一一級支管321和第二一級支管322所在平面在同一平面，即二級支管在主管31的中心線兩側非對稱分布。第三二級支管333和第四二級支管334均為圓形管，其直徑均為4.16mm，管長為60mm，橫截面sD與一級支管的橫截面SD之間滿足：SD＝10.22sD。

圖4、5中，在主管31的出口端面上並列連接有4個一級支管組32，即分別為第一一級支管321、第二一級支管322、第三一級支管2-3以及第四一級支管2-4，第一一級支管321、第二一級支管322、第三一級支管2-3以及第四一級支管2-4在主管31的出口端面上均勻且呈擴散型分布，且第一一級支管321、第二一級支管322、第三一級支管2-3以及第四一級支管2-4的中心線與主管31的中心線之間的夾角為10°。在第一一級支管321、第二一級支管322、第三一級支管2-3以及第四一級支管2-4的出口端面上均分別連接有4個二級支管組33，每個二級支管組33包括4個二級支管，每個二級支管中心線與對應的一級支管中心線之間的夾角為8°，4個二級支管呈向外擴散型分布，保證二級支管組33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支管所在平面與二級支管所在平面可以是同一平面，如圖2所示，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6和7所示為例說明，第一一級支管321和第二一級支管322所在平面與第一一級支管321和第二一級支管322所在的平面為同一平面，第一一級支管321和第二一級支管322均為圓形管，其管內直徑均為13.3mm，管長為60mm，橫截面sc與一級支管的橫截面Sc之間滿足：Sc＝9sc，也可以在2.2～2.6倍的範圍內浮動。第三二級支管333和第四二級支管334所在平面與第一一級支管321和第二一級支管322所在平面交叉，且所在兩平面的夾角為30°，即二級支管在主管31的中心線兩側非對稱分布。第三二級支管333和第四二級支管334均為圓形管，其橫截面和管長規格與第一一級支管321和第二一級支管322相同。

進一步以圖8、9所示為例說明，第一一級支管321和第二一級支管322所在平面、第三二級支管333和第四二級支管334所在平面均與第一一級支管321和第二一級支管322所在的平面交叉，且所在兩平面的夾角為45°，即二級支管在主管31的中心線兩側對稱分布。

如圖10所示，上述實施例的二級支管的出口端還可通過轉接頭增設三級支管34，即在第一一級支管321和第二一級支管322的出口端分別連接2個相同的三級支管341，342，在第三二級支管333和第四二級支管334的出口端也分別連接2個相同的三級反應支343，344。三級支管34所在平面與二級支管3所在平面交叉，三級支管34所在平面與一級支管2所在平面是在同一平面。二級反應管3的橫截面是三級反應管4的橫截面的2.5倍，還可以在2.2～2.6倍的範圍內浮動，二級反應管3的管長是三級反應管4的管長的1.5倍，可以在1.2～1.8倍的範圍內浮動。

上述實施例的Y型氣液混合器的結構也可以是在主管31的出口端僅連接一級支管組32，一級支管組22包括2～3個一級支管，而且一級支管在反應主管1的截面上均勻分布，但是該種結構適用於處理水量相對較少的情況。

由圖11可知，上述的主管31以及各級的支管也可以是文丘裡管結構，其喉部均設置在其整個流程的1/3～2/3處，喉部直徑與入口直徑之比為0.2～0.4即可。由圖12可知，上述的主管31以及各級的支管還可以是內設穿孔板35的直管式結構，穿孔板35設置在距離支管出口端40～50mm的位置，其孔徑為1mm，孔隙率為6～8％均可，這樣當氣液在主管31中混合後運動到文丘裡管喉部或穿孔板35後發生空化，一部分氣泡會發生崩潰，產生大量的強氧化自由基，即可與水中的有機物發生氧化反應，降解部分有機物，剩餘部分一起進入環流反應器5進一步處理，分兩步降解，大大提高系統的有機物降解能力。

上述Y型氣液混合器3的出口端分別連接有並列排布的導流管4，導流管4的管徑分別與Y型氣液混合器3的最後一級支管的出口端直徑相同，導流管4是直管狀且縱向排布，即導流管4的中心軸與Y型氣液混合器3的最後一級支管的中心軸之間形成90°的夾角。該導流管4還可以是彎曲角度為90～150°的彎管。導流管4的另一端延伸至環流反應器5的內部，使Y型氣液混合器3通過導流管4與環流反應器5的導流筒52連通。

本實施例的環流反應器5是由環流筒51和安裝在環流筒51內腔的導流筒52組成，環流筒51是直徑為500mm的圓筒結構，在環流筒51的上端側部開設有出水口，在環流筒51的底部開設有與導流管4一一對應的導流孔，在環流筒51內腔距離出水口200mm以下通過連接杆固定安裝有導流筒52，導流筒52的中心線與環流筒51的中心線平行，且成陣列排布，導流筒52與導流管4一一對應。導流管4穿過導流孔延伸至導流筒52的下端內腔與導流筒52套接。每個導流筒52的直徑為100mm，下埠距離環流筒51的底部高度是60mm，一個導流筒52的外壁與相鄰一個導流筒52外壁之間的最小間距是20mm，保證導流筒52外部的水循環。

本發明的氣液在Y型氣液混合器3中混合均勻，經導流管4分多路導流後進入導流筒52內，由於導流筒52內液體的含氣率較高，密度相對較低，與導流筒52外部形成密度差，從而形成導流筒52內液體向上、導流筒52外液體向下的升液一降液一升液一降液的自循環流動，可有效防止微氣泡在上升過程中合併，使氣液充分混合，加快對水體汙染物的降解與復修能力。

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。