用于改善气液传质的气体分散装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了均匀分散臭氧气泡到液相水中以用于其处理的装置和方法。所述装置由与具有结构化填料或具有平行流动通道的整块体的部分连接的水进口部分组成。一部分进水作为侧流从主水流中取出，通过泵加压，与含臭氧的气体混合，且随后回注到所述主水流中。所述侧流可在与所述含臭氧的气体混合之前或之后分成多个物流，且随后在填充部分上游注入主流部分中。在供选的实施方案中，所述含臭氧的气体可刚好在所述填充部分上游经由气体扩散器直接注入，以在进入所述整块体的流体中获得均匀的气体和液体浓度。

【技术实现步骤摘要】
用于改善气液传质的气体分散装置
技术介绍
臭氧是一种有力的消毒剂且用以氧化来自饮用水的有机污染物,包括天然存在的产生味道和气味的化合物。臭氧还用于来自废水二次处理的流出物中以在作为间接饮用水再次使用或排放到水体中之前从水中除去痕量的有机污染物和内分泌破坏化合物(EDCs)。 EDCs可在例如药物残留物、杀虫剂和除草剂以及个人护理产品的许多成分中见到。臭氧对于废水的三次处理的该应用比臭氧的其他用途发展更快，这归因于水荒和对于EDCs对水生生物的影响的担忧。对于涉及饮用水或城市废水处理的大多数应用，在排放到河流和湖泊中之前，典型的臭氧剂量在3mg臭氧/L水-5mg/L范围内。在这些应用中的水流速取决于其供应的人群且通常为约700m3/h或更大。用于处理工业废水和用于诸如脱色的专门应用的臭氧剂量为10mg/L至数百mg/L,但该水流速较低，为约150m3/h或更低。对于通常在化学污染的地下水场所中见到的诸如MTBE、TCEU, 4_ 二氧六环等合成有机污染物，使用“提前氧化(advanced oxidation) ”方法来进行水处理。该提前氧化方法组合了过氧化物和溶解于水中的臭氧以生成反应性高的羟基，这些羟基自由基使顽抗的有机污染物氧化。羟基自由基通过水相中在臭氧和过氧化氢或催化剂之间的反应生成。该提前氧化方法用以处理工业工艺水以便在成套设备中再次使用或者之后排放被污染的流出物到都市下水道或环境中。臭氧气体一般在基于电晕放电的发生器中由空气或高纯度氧气生成。在气相中臭氧的典型浓度视发生器功率和在用以产生臭氧的进料气中氧气的浓度而为3-14%。对于有机污染物的氧化，基于臭氧的水处理方法取决于臭氧从气相到水相的传递。对于水处理目的，已经使用了各种方法来使臭氧从气相传递到液相。所有这些方法都取决于在气液界面处产生混合或相对运动和在使臭氧从气相传递到液相的工艺操作条件下臭氧的溶解度。选择设备的关键准则包括在操作期间消耗的能量、所要的臭氧剂量率、设备的成本和尺寸及臭氧传质效率。臭氧传质效率定义为在工艺期间引入 的臭氧气体溶解于水相中的百分数。为了增加臭氧的传递量且因此增加臭氧传质效率，需要在高于常压的操作压力下使用约8%或更高(重量)的高浓度臭氧。该高臭氧浓度降低了在气液混合装置中必须处理的气体的量且增加了臭氧在水中的溶解度。在高于常压下操作该工艺也增加了臭氧在水中的溶解度。高臭氧浓度和较高操作压力的组合效应为增加的气体传质驱动力，这改善了臭氧传质效率。在来自该工艺的流出气流中的残留臭氧代表在臭氧发生器中浪费的能量且引起氧气成本增加。该流出气流必须通过臭氧破坏单元以便除去未溶解的臭氧，随后安全地将气体排放到大气中。工业臭氧发生器通常在15psig_30psig (103. 4kPa-206. 8kPa)的气体压力下生成臭氧。在较高压力下，电晕放电发生器的能量效率和产生容量降低，使得在大于 15psig (103. 4kPa)的压力下生成臭氧的费用更高。这将经济的臭氧气体源限制到15psig (103. 4kPa)。利用在高气体压力下的较好的传质效率，基于文丘里喷射器的方法优于其他方法之处在于在常压或略高于常压下操作。然而，文丘里喷射器自身提供臭氧从气相到水的低溶解度。质量传递大多在气体由运动水流抽吸的喉部中发生。在喷射器的下游，混合效率低且仅提供有限的额外质量传递。为了改善喷射器下游的臭氧溶解，使用了静态混合器。该静态混合器需要通过其的高流体速度以将气体混合到水中，从而传递臭氧。所需要的最小速度对于静态混合器具有特异性且产生混合器两端的大压降，因此增加了工艺的能量需求。用于水处理目的的一种将臭氧从气相传递到液相的已知方法为泡罩塔或盆式反应器，泡罩塔或盆式反应器包括大塔或盆和位于该塔或盆底部的多个气体扩散器。在一些实施方案中，该等气体扩散器可位于水下约15-20英尺(4.6-6.1米)。该塔或盆用被污染的水连续填充且臭氧气体引入通过气体扩散器。臭氧气体的细小气泡在塔或盆中上升通过水，这在盆中提供混合和水的湍流且促进臭氧溶解到水中(在本文中也称作“臭氧传递”)。 臭氧传递效率可通过从塔或盆的顶部捕集未溶解的臭氧并使其再循环和/或使臭氧通过使用挡板的一系列塔或盆来改善。根据臭氧剂量和盆设计，在一些实施方案中，盆的一部分或两部分用于气体喷雾，而剩余部分用于完成溶解气体去除和对于该水所要的臭氧接触时间(CT)。在达到所要的CT之后，将处理过的水从盆中除去。盆接触器方法在窄范围的总气体流量下操作以便在盆中实现良好的混合和质量传递。如果总气体流量降低，则在水中没有显著混合或湍流的情况下气泡会在上升通过水塔。这降低了接触器中的臭氧传质效率。因为臭氧气体产生为该工艺的主要成本，所以接触器中臭氧传质效率降低使得该工艺的经济性较低。由于气流减少引起的适当混合缺乏还导致臭氧在盆中分布不均匀，且可降低CT到低于相关水消毒规章所需要的CT。为了克服这些问题，通过降低气体中的臭氧浓度使总气体流量维持恒定。典型的臭氧处理方法使用高纯度氧气作为进料气体来产生臭氧。当进料气体中的臭氧浓度响应由于低水流量或较低污染物浓度引起的低臭氧需求而降低时，每单位质量的臭氧需要更大量的高纯度氧气来维持通过气泡扩散器的恒定的总气流。使用大分数的高纯度氧气增加了处理水的单位成本且导致在低臭氧需求期期间的能量浪费。 使用盆式接触器的另一缺点在于气体扩散器中的细孔(常为微米尺寸)随时间而堵塞，且因此显著影响接触器的性能。扩散器的堵塞需要将其定期清洁或更换，这导致工艺停工且维修成本增加。废水处理对于传统的细小气泡基于扩散器的盆接触器法也是更大的挑战，因为废水带有较高浓度的细小悬浮固体，这导致扩散器频繁堵塞且接触器性能差。在饮用水和废水处理车间中的水流量在日间且随季节而显著变化，这使得最传统的接触法的操作在低臭氧需求期期间浪费。基于扩散器的方法的其他缺点包括需要大且深的盆来有效传递臭氧到水中，因此成本和空间需求增加；气泡的通道降低了传质效率；且该方法不适合高压操作,而高压操作将增加臭氧气体在水中的溶解。另一种已知的臭氧传递方法为使用文丘里喷射器，其中水流过文丘里且臭氧气体在文丘里的喉处引出(educt)。该基于文丘里的方法仅可以在具有相对低的水流量的系统中有效地使用。在以相对大的流量操作的系统中，可使一部分水转向到文丘里位于其上的 “滑流”中。该滑流随后注回到主流中且通过湍流混合到主流中。该转向流文丘里方法通常仅对于相对低剂量的臭氧传递(例如，10mg/L或更低)有效。该方法还需要在主管道中的高错流速度的进水以提供来自射流的两相流到主流的混合且在管道中携带混合流比稍慢水流更长的距离。高速喷射的目的在于经由射流的湍流能的迅速消散实现在主流中的额外臭氧传递。在主流中臭氧的有效混合和质量传递需要的高速两相射流导致注入喷嘴两端的高压降。该高压降代表实现臭氧传递浪费的且由侧流泵供给的能量。该方法的能量需求通常远大于盆接触器的能量需求。在基于文丘里的臭氧传递的另一变体中，可在喷射器或气体注入喷嘴的下游使用静态混合器以实现臭氧在水相中的额外混合和溶解。该系统设计更简单，因为其没有活动部件。但用于经静态混合器的良好臭氧传递的混合和气体分散需要气体和液体的强烈湍流。这需要通过静态混本文档来自技高网...

【技术保护点】
处理水的方法，所述方法包括：(a)?导引水流通过预处理管线；(b)?将来自所述预处理管线的水流引入包括具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端的膨胀部分，第二横截面积大于第一横截面积；(c)?提供含有至少3%臭氧气体的气流；(d)?在至少一个注入点将所述气流引入所述膨胀部分，同时所述水流流动通过所述膨胀部分，在所述下游端产生包含臭氧气体和水的气液混合相流；和(e)?使所述混合相流通过位于所述膨胀部分下游的整块体，产生其中所述臭氧气体的至少一部分溶解于水中的反应产物。

【技术特征摘要】
2011.09.22 US 13/240,0001.处理水的方法，所述方法包括 (a)导引水流通过预处理管线； (b)将来自所述预处理管线的水流引入包括具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端的膨胀部分，第二横截面积大于第一横截面积； (c)提供含有至少3%臭氧气体的气流； (d)在至少一个注入点将所述气流引入所述膨胀部分，同时所述水流流动通过所述膨胀部分，在所述下游端产生包含臭氧气体和水的气液混合相流；和 (e)使所述混合相流通过位于所述膨胀部分下游的整块体，产生其中所述臭氧气体的至少一部分溶解于水中的反应产物。2.权利要求1的方法，其中步骤(d)包括 (i)使来自所述预处理管线的水流的一部分转向到至少一个侧流中； ( )将所述气流引入所述侧流中以形成气液混合物；和 (iii)在所述至少一个注入点将所述气液混合物注入所述膨胀部分中。3.权利要求2的方法，其还包括 (f)使在所述至少一个侧流中的那部分水流的压力增加到第二压力，在所述预处理管线中的水流具有第一压力，第二压力大于第一压力。4.权利要求3的方法，其中步骤(f)通过定位于与所述至少一个侧流流体连通的泵送装置进行。5.权利要求2的方法，其还包括在进行步骤(d)(ii)的下游将所述至少一个侧流分成多个侧流。6.权利要求2的方法，其还包括在进行步骤(d)(ii)的上游将所述至少一个侧流分成多个侧流，其中步骤(d) (ii)还包括将所述气流引入所述多个侧流中的每一个中以在所述多个侧流中的每一个中形成气液混合物，且其中步骤(d) (iii)还包括在所述至少一个注入点处将来自所述多个侧流中的每一个的气液混合物注入所述膨胀部分中。7.权利要求6的方法，所述至少一个注入点包括多个注入点，其中步骤(d)(iii)还包括在所述多个注入点的不同注入点处将来自所述多个侧流中的每一个的气液混合物注入所述膨胀部分中。8.权利要求2的方法，其中步骤(b)包括将来自所述预处理管线的水流引入包括具有第一横截面积的上游端和具有第二横截面积的下游端的膨胀部分中，第二横截面积为第一横截面积的至少两倍。9.权利要求2的方法，其中步骤(d)包括在至少一个注入点将所述气流引入所述膨胀部分中，所述至少一个注入点包括气体扩散器。10.权利要求1的方法，其还包括 (g)使在所述反应产物中的任何不溶解的气体与所述反应产物的液相部分分离；和 (h)使所述反应产物的液相部分的至少一部分转向到流出流。11.权利要求10的方法，其还包括 (i)使所述反应产物的液相部分的至少一部分再循环到在所述预处理管线中的水流中。12.权利要求1的方法，其还包括(j)将过氧化氢注入在所述整块体上游的所述水流中。13.权利要求1的方法，其中步骤(e)包括使所述混合相流通过所述至少一个注入点下游的整块体，所述整块体具有浸溃在其上的催化剂，使得所述臭氧气体的至少一部分溶解到所述水流中且将所溶解的臭氧的至少一部分传递到催化剂表面以便反应。14.权利要求1的方法，其还包括 (k)使所述水流的一部分转向以形成流入流； (I)将所述流入流注入...

【专利技术属性】
技术研发人员：VP德霍拉基亚，AO维斯特，DL小米切尔，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：