用于将气体溶解到液体中的系统和方法与流程

本申请要求2014年4月28日提交的美国临时专利申请号61/984,996的权益和优先权，所述临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

背景

1.本公开的领域

本公开涉及用于在几乎没有外部能量输入的情况下帮助控制一种或多种气体在液体中溶解的经济实用的系统和方法。

2.相关技术的背景

视应用而定，许多不同的系统和方法可用于将气体溶解于液体中。一些主要应用属于以下领域：市政、商业以及工业用途中的水和废水处理；水产养殖；地下水修复；生态恢复和保护；饮料制造和装瓶以及农业。大部分溶解气体输送方法(即气泡扩散法、文丘里喷射法(Venturi injection)、U型管法、增氧锥法(Speece cone))试图利用亨利定律(Henry's law)来实现载流中存在高浓度的溶解气体。这些方法通常需要来自侧流泵送的高流速和/或高压力以实现高速率的气体溶解。

较高操作压力导致较高气体浓度；然而，此必须与同实现较高压力相关联的较高操作成本相平衡。虽然在现有技术操作参数之间存在变化，但所有需要侧流泵送的技术均按照相同的物理定律来操作。一般来说，这些技术产生大的气/液界面，并且使其处于高压下持续一段时间，随后增加液体中的溶解气体浓度。所有技术最终均要求气体和液体在所需压力下接触。

某些技术向液体和/或气体中提供能量输入(例如，经由泵送)以实现所需容器压力。一些技术在添加额外能量的情况下向液体中提供能量输入，使得可利用文丘里喷射器(venturi injector)形成真空，从而允许气体进入而不从气体来源输入额外的能量。

通过代数运算，可得出关于任何侧流饱和装置的效率(以质量/时间/能量(lb/d/hp)为单位)的方程式。

E＝(1/694.444*((P/Kh)*(s/100))*8.34)/(1*((P+L)*2.3097)/3960/(i/100))。如以上所见，这个方程式只考虑以下各项：侧流压力要求(P,psi)、亨利定律常数(Kh,L*psi/mg)、所得到的饱和度百分比(s,％)、系统间水头损失(L,psi)以及泵效率(I,％)。

出于此处讨论的目的，氧气将为所选气体。然而，本领域技术人员将容易认识到，本文公开的方法/设备可应用于任何气/液溶解组合。所附的附录1示出依据亨利定律压力对溶解气体浓度的影响。侧流泵送的影响和相关系统水头损失可见于所附的附录2中。基于所列出的假定，可见这些系统在各种压降值下的最大效率，其中最大的可能是约58-lb/d/hp。降低系统压力损失将极大地影响总体效率，尤其在低于约100-psi的压力下。

侧流泵送的影响和相关泵效率可见于所附的附录3中。泵并不非常有效，并且在较大固体处置容量下变得效率更低。基于所列出的假定，可见这些系统在各种压降值下的最大效率，其中最大的可能是约41-lb/d/hp，或比理论值低约30％(附录2)。

所附的附录4示出各种氧气溶解技术及方法以及本文所公开的系统的实施方案的总能量需求、侧流泵送加上气体生成。正如所见，消除侧流泵送需要使总体功率消耗降低约60％。

在大多数情况下，现有技术涉及侧流泵送以及加压气体来源或真空气体来源。虽然较高操作压力导致较高气体浓度，但为了实现这些较高压力，涉及到较高成本。

因此，需要一种简化的低成本方法来用于将气体溶解到液体中，优选地同时还维持所述液体的特定的恒定流速。本公开的实施方案可消除对侧流泵送的需求，并极大地降低侧流气体溶解系统的操作成本。

概述

本公开的实施方案涉及用于在无外部能量输出的情况下帮助控制一种或多种气体在液体(例如水)中溶解的简易又经济的系统和方法。供所公开的系统和方法中使用的气体包括例如空气、氧气、臭氧以及二氧化碳。然而，本领域技术人员将容易了解到任何合适气体的适用性。某些应用包括例如在市政、工业或自然环境中对工艺池、管道和管道系统、河流、溪流、湖泊以及池塘的处理。

更具体来说，本公开的实施方案涉及用于将气体溶解到液体中的系统，其尤其包括溶解罐组件，所述溶解罐组件具有压力容器、加压气体来源以及能够使加压气体在升高的压力下溶解到液体中的控制阀。溶解罐还包括至少一个液体控制阀，所述液体控制阀容许将流体传送到容器中并且将流体从容器中传送出去；所述出口流体具有来自压力容器的所需气体浓度。本公开的系统的实施方案进一步包括与所述容器以及供气集管和供气管道连通的气体来源。还提供用于形成大的气/液界面面积的进气装置。通过液体流量控制阀和进口/出口管道排出饱和液体。提供用于排出被汽提和/或未溶解的气体的装置作为控制液相和气相中的多个浓度的手段。

在某些实施方案中，一种方法包括重获与进入和离开的水的动力相关的能量。本公开的实施方案包括独立的进口和出口流量控制阀和能量回收装置(例如微型涡轮机)。

某些实施方案利用串联的多个容器与相互连接的阀、管道以及配件的组合来提供更一致的输出。本公开的实施方案包括一系列高压和低压歧管和相关阀，使得可对一个容器中的气体顶部空间向另一容器进行排气，从而允许在操作中有较大灵活性并确保所产生的气体有最大利用率。另外，在此类实施方案中，可利用文丘里原理将低压下的过量气体添加到容器排放物中。

另一个实施方案采用能量回收装置与多个容器的组合。这个实施方案提供一致的输出并且提高总体系统效率。

根据本公开的至少一个方面，用于在不进行侧流泵送的情况下将气体溶解到液体中的系统尤其包括压力容器，所述压力容器界定内部腔室，所述内部腔室被配置成容纳液体并在液体上方提供气体顶部空间。压力容器可界定进液口和出液口。进气装置可被安置于压力容器的内部腔室内且可被配置成允许气体进入压力容器。气体来源可通过气体控制阀与进气装置和压力容器的内部腔室选择性流体连通以将气体供给到压力容器。气体来源被配置成提供气体压力。进液管可通过进液阀与压力容器的进液口选择性流体连通。出口管可通过出液阀与出液口选择性流体连通以从压力容器的内部腔室排放液体。气体压力不仅有助于气体溶解于液体中，并且当液体暴露于气体压力时将液体从压力容器中压出来。

进气装置可被配置成将加压气体引入液体中。进气装置的表面积可为压力容器底部的表面积的至少一半或任何其他合适的表面积。

所述系统可进一步包括能量回收装置。能量回收装置可为例如微型涡轮机。

在某些实施方案中，出口管和进口管可为同一条管，并且进液阀和出液阀可为同一个阀。

所述系统可进一步包括串联连接并被配置成供给恒定流量输出的多个压力容器。此外，所述系统可包括与所述多个压力容器中的至少一个连接的能量回收装置。

可设想在某些实施方案中，所述系统可进一步包括控制系统。该控制系统可被配置成打开进液阀以允许液体流进内部腔室中，直到第一预定条件出现；在关闭进液阀后打开气体控制阀，以用气体对内部腔室加压，直到第二预定条件出现；并且打开出液阀以使液体从内部腔室流出。控制系统可包括如本领域技术人员所了解的任何合适的电子设备、硬件、软件等。

第一预定条件可包括例如时间或内部腔室的填充水平中的至少一个。第二预定条件可包括例如时间、内部腔室压力、气体溶解到液体中的速率或液体的气体含量中的至少一个。

所述系统的实施方案可包括文丘里管，所述文丘里管被安置成与出液管流体连通并且被配置成将来自气体顶部空间的气体添加到出口流中。

根据本公开的至少一个方面，所公开系统的实施方案可包括浮动容器，其包括被配置成位于水体的水位以下的浸没部分以及如本文中所述安置于浸没部分内的压力容器。

在某些实施方案中，还可将气体来源安置于浮动容器的浸没部分内。浸没部分可使压力容器的进液口与水体连接。

根据本公开的至少一个方面，用于在不进行泵送的情况下将气体溶解到液体中的方法可包括打开进液阀以允许液体流进压力容器的内部腔室中，直到第一预定条件出现；在关闭进液阀后打开与气体来源流体连通的气体控制阀，以用气体来源的气体对内部腔室加压，直到第二预定条件出现；以及打开出液阀以使液体从内部腔室流出。

根据以下对本公开的实施方案的操作性描述并且结合下文所述的图式，本公开的实施方案的这些和其他特征和益处以及其组装和使用方式将变得更容易为本领域普通技术人员所显而易见。

附图简述

为了本发明所属领域的技术人员将容易理解如何制作和使用本公开的系统和方法的实施方案而无需过度实验，本文将在下文中参照某些图详细描述其优选实施方案，其中：

图1为说明本公开的一个实施方案的示意图，该实施方案包括压力容器、加压气体的来源以及能够使加压气体在升高的压力下有效地溶解到液体中的控制阀；

图2为本公开的一个实施方案的示意图，其中进口/出口管道可包括能量回收装置(例如微型涡轮机)以重获与进入/离开的水的动力相关的能量；

图3为示出串联的多个压力容器以及相互连接的阀、管道以及配件的组合的示意图；

图4为示出与多个容器组合使用以提供一致的输出并提高总体系统效率的能量回收装置的示意图；

图5为示出基于地面的安装方案的一个实施方案的示意图，其中进口进料压力是由罐、池等中的现有水位提供。

图6为示出一种安装方案的一个实施方案的示意图，其中进口进料压力是由加压管线提供；并且

图7为示出一种安装方案的一个实施方案的示意图，其中进口进料压力是由水体中的现有水位提供，该实施方案被示出包括提供水体的可移动、原位处理的浮动容器。

根据以下对本发明的详细描述并且结合图式，本发明的这些和其他方面将变得更容易为本领域普通技术人员所显而易见。

对优选实施方案的详细描述

本文公开了对用于在不使用外部能量输入的情况下将气体溶解到液体中的本发明系统和方法的具体实施方案的详细描述。应理解，所公开的实施方案仅仅是可实现本发明的某些方面的方式的实施例，且并不代表可体现本发明的所有方式的详尽列举。实际上，应理解，可用不同和替代的形式来体现本文中所述的系统、装置以及方法。各图未必按比例绘制，并且一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。熟知的部件、材料或方法未必得以详尽描述，以免使本公开模糊不清。

说明部件的图示出本领域技术人员已知并且将了解的一些元件。对此类元件的详细描述对于理解本发明来说并非必需的，并且因此在本文中仅在有助于理解本发明的新颖特征所必需的程度上加以展示。

本文中公开的方法允许操作员不使用任何外部能量输入来操纵气体在液体中的溶解。当打开液体控制值时可获得的大气压力是足够的，从而允许液体流进加压容器中。

如本文在下文中将描述，用于增加容器内的气体转移的方法的一个实施方案涉及打开液体控制阀，使得液体经由可获得的大气压力流进压力容器中，在无任何外部能量输入。在实现所需液体水平后，液体控制阀关闭并打开气体控制阀。气体以由加压气体来源决定的速率流进压力容器中。随着容器中的压力朝着气体来源的规定压力增加，液体内的溶解气体浓度根据亨利定律按比例增加。在已经实现预定的压力或时间后，关闭供气控制阀并打开液体控制阀。容器内的升高的压力提供为通过液体流量控制阀排出饱和液体所需的能量。

现参照图1，其说明已根据本公开的一个实施方案构建的用于将气体溶解于液体中的系统。包括压力容器100的气体溶解方法/设备尤其包括加压气体的来源111以及能够使加压气体111在升高的压力下有效地溶解到液体101中的控制阀121和113。打开液体控制阀121，并且液体经由可获得的大气压力或液体水头压力通过进口/出口管道122流进压力容器100中，而无外部能量输入。在实现所需液体水平101后，液体控制阀121关闭。打开气体控制阀113，并且气体经由供气管道112以由加压气体来源111决定的速率流进压力容器100中。经由进气装置102将气体引入压力容器100，所述进气装置优选地能够形成大的气/液界面面积。随着容器100中的压力朝着气体来源111的规定压力增加，液体101内的溶解气体浓度根据亨利定律按比例增加。在已经实现预定的压力或时间后，关闭供气控制阀113并打开液体控制阀121。容器内的升高的压力提供为通过液体流量控制阀121和进口/出口管道122排出饱和液体所需的能量。本领域技术人员将容易认识到，多个压力容器100可同时从单一加压气体来源111和112开始操作。另外，由于液体101内的气泡的汽提潜力，在一些情形下，提供排气能力103将是有利的，以便可容易地从系统中去除被汽提和/或未溶解的气体。可利用对排气阀103的操作来优化系统性能并控制液体内和气体顶部空间内的各种气体的浓度。

如图2中所示，进口/出口管道122可包括能量回收装置153(例如微型涡轮机)以重获与进入/离开的水的动力相关的能量。由于所述系统利用最小的可用压力来填充压力容器100，并且由于能量回收装置153可能具有一些相关的压力损失，故可提供独立的进口和出口流量控制阀151、152以及管道121、122以最小化所需填充时间和/或进口和出口管道尺寸。

图3示出一个替代实施方案，其中通过使用串联的多个压力容器以及相互连接的阀、管道以及配件的组合，可提高气体利用率并且使溶解气体输送更加一致。在填充容器100并对其加压后，出口阀121打开，使得富含溶解气体的液体101开始离开。此时，容器中的压力仍处于最大值下。在这些高压下，可经由高压出口控制阀132和管道131将过量气体从排放压力容器引导到另一个填充容器。在压力下降到给定水平后，对于在低压下可获得的过量气体来说，可使用类似方法经由低压出口控制阀142和管道141来进行。另外，可利用文丘里原理145经由低压入口控制阀143和管道144将低压下的过量气体添加到容器排放物中。

图4示出一个替代实施方案，其中能量回收装置153可与如上文所公开的多个容器100中的一个或多个组合使用，由此提供一致的输出并提高总体系统效率。

本公开的实施方案可应用于任何合适的安装方案，例如其在图5、6以及/或者7中所示出的实施方案。举例来说，图5展示了一种安装方案，其中进口进料压力是由容器箱(container vessel)201(例如，罐、池等)中的现有水位提供。在一些情形下，装备可能够安装在同一平面上，但在其他情况下，这个设置可能需要使所述装备成穹形。

图6展示了一种替代安装方案，其中进口进料压力是由加压管线202提供，所述加压管线是使用任何合适的手段(例如，泵)加压。安装可处于同一平面上(假定存在足够的压力)，或者基于项目约束条件而成穹形。

图7展示了一种安装方案的另一实施方案，其中进口进料压力是由水体203(例如，湖泊、河流、水池等)中的现有水位提供。与图5的基于地面的安装方案相比，如图7种所示的安装方案的实施方案可包括浮动箱，从而提供水体203的可移动、原位处理。如所示，可将水从水体203进给到容器100中，使用气体来源111进行加压，且然后仅使用由气体来源111加压而排泄到高于、等于以及/或者低于水体203的水位。

本公开的实施方案可用多个压力容器100来进行操作，以提供连续输出并且/或者确保所产生的气体的充分利用。以下附录5示出被设计成提供溶解气体的连续输出的系统规模设计和成批操作时间安排的实施例。附录5.1a和附录5.2a示出在高度、直径、面积以及体积方面具有完全相同的性质的反应器的规模计算。在进口直径和气体流量方面可发现差异。附录5.1b和5.2b展示附录5.1a和5.2a中所示设计的成批操作可如何运行以产生一致的输出。

本发明的设计背后的逻辑为气体溶解将一直需要供气。为了实现快速且有效的气体溶解，需要升高的压力。工业气体可在压力下以气态或液体形式提供。较高压力可无需额外成本而获得。这些工业气体还可现场生成。由于气体生成技术的进步，高压可以小幅增加的成本获得。

气体溶解不一定需要侧流泵送。本发明利用可获得的液体水头来用液体填充压力容器，然后利用由储气罐可获得的压力或现场生成器，不仅供给气体需求，而且还提供为容器加压所需的能量和清空容器所需的动力。

虽然已经参照上文所公开的某些实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将容易理解，可对其进行改变和修改，而不脱离如由随附权利要求书限定的本公开的精神和范围。

附录1

压力对溶解气体浓度的影响(氧气实施例)

结合下文参见图8

附录4

氧气喷射技术评价

氧气需求

输送的总量＝2000.00lb/d

附录5.1a

示例性规模计算

反应器性质

总高度(in)＝60

直径(in)＝30

面积(ft²)＝4.9

体积(ft³)＝24.5

1/10体积(ft³)＝2.5

进口出口规模/流速

z1+v1^2/(2*g)＝z2+v2^2/(2*g)+L

z1＝v2^2/(2*g)+L

v2＝[(z1-L)*(2*g)]^0.5

驱动水头，z1(ft)＝1

水头损失，L(ft)＝0.5

重力，g(ft/s²)＝32.2

速率，v2(ft/s)＝5.7

进口直径(in)＝6

面积(ft²)＝0.20

流量(ft³/s)＝1.1

流量(gpm)＝500

Q＝C*A*(2*g*h)*0.5

系数，C＝0.65

面积(ft²)＝0.20

重力，g(ft/s²)＝32.2

驱动水头，z1(ft)＝1

流量，Q(ft³/s)＝1.0

流量(gpm)＝460 8％

系统定时(批次)

反应器中的液体(％)＝80％

液体体积(ft³)＝19.6

液体流量(ft³/s)＝1.0

填充时间(s)＝19

反应器中的气体(％)＝20％

气体体积(ft³)＝19.6

气体流量(scfm)＝30

压力时间(s)＝39

附录5.1b

示例性成批操作

附录5.2a

用于将气体溶解于液体中的方法/设备

示例性规模计算

反应器性质

总高度(in)＝60

直径(in)＝30

面积(ft²)＝4.9

体积(ft³)＝24.5

1/10体积(ft³)＝2.5

进口出口规模/流速

z1+v1^2/(2*g)＝z2+v2^2/(2*g)+L

z1＝v2^2/(2*g)+L

v2＝[(z1-L)*(2*g)]^0.5

驱动水头，z1(ft)＝1

水头损失，L(ft)＝0.5

重力，g(ft/s²)＝32.2

速率，v2(ft/s)＝5.7

进口直径(in)＝4

面积(ft²)＝0.09

流量(ft³/s)＝0.5

流量(gpm)＝222

Q＝C*A*(2*g*h)*0.5

系数C＝0.65

面积(ft²)＝0.09

重力，g(ft/s²)＝32.2

驱动水头，z1(ft)＝1

流量，Q(ft³/s)＝0.5

流量(gpm)＝204 8％

系统定时(批次)

反应器中的液体(％)＝80％

液体体积(ft³)＝19.6

液体流量(ft³/s)＝0.5

填充时间(s)＝43

反应器中的气体(％)＝20％

气体体积(ft³)＝19.6

气体流量(scfm)＝12

压力时间(s)＝98

附录5.2b

示例性成批操作