气体溶解设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种气体溶解设备，其将处于第一压力的气体组合到工作流体中，所述工作以等于或大于所述第一压力的第二压力存在。装置包含被设计为位于入口与出口之间的截头圆锥形室的分子混合室。所述装置可包含用于使所述气体进入到混合区段中的多个入口及穿过所述截头圆锥形室的多个通路。所述截头圆锥形室由通向所述室的所述出口的圆柱形室环绕。
【专利说明】 气体溶解设备
【技术领域】【背景技术】
[0001]本发明针对一种供应用于化学及生物工艺的经溶解气体(例如氧、臭氧、氯等)的设备。溶解于液态流体中的气体存在数种工业应用，但首先，关键驱动因素是环境责任及卫生保健。
[0002]在以下各项中的一者或一者以上中提出了初步分类:C02F1 / 24 ；C02F1 / 40;C02F1 / 72 ；C02F3 / 02 ；B01F1 / 00 ；B03D ；A01K63 / 04 ;A61L。
[0003]多年以来且基于国际社会共识，联合国已遵从关于人权、劳工标准、环境保护及反腐败的普遍认知。所述工作产生了需要包括、支持且制定以作为全球组织的核心价值的十项主要原则。
[0004]原则7、8及9与环境相关且其为:原则7:企业应支持对环境挑战的预防方法；原则8:承担提倡更大环境责任的主动性；及原则9:鼓励环境友好型技术的开发及传播。非常期望提供符合国际社会最高标准及联合国所认识到的大多数进口生活物质的核心价值的工艺及设备。
[0005]依据前文，可了解，长期以来需要可用于以有效且高效的方式产生氧合液体的方法及装置。还指出，需要且期望产生由其它气态及/或液体化合物的混合物组成的流体材料。最后，指出需要具有独特富集特性的流体且此类材料一直难以(如果不是不可能的话)获得。
【发明内容】
[0006]一种气体溶解设备，其将以第一压力存在的气体组合到工作流体中，所述工作流体以等于或大于所述第一压力的第二压力存在。装置包含被设计为位于入口与出口之间的截头圆锥形室的分子混合室。所述装置可包含用于使所述气体进入到混合区段中的多个入口及穿过所述截头圆锥形室的多个通路。所述截头圆锥形室由通向所述室的所述出口的圆柱形室环绕。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]通过参考以下详细描述及图式，本发明设备的各种特征、优点及其它用途将变得更显而易见，图式中:
[0008]图1描述如本文中所揭示的气体溶解设备及其组件的实施例的示意性侧视图；
[0009]图2是在用于废水处理工艺设备的通气器中起作用的气体溶解设备的实施例的透视图；
[0010]图3是在用于游泳池水的消毒装置中起作用的气体溶解设备的实施例的透视图；且
[0011]图4是在用于提高河流及其它耗尽大型水体中的氧溶解水平的通气器群集中起 作用的气体溶解设备的实施例的透视图。
【具体实施方式】
[0012]本文中揭示一种用于将气体整合到流体中的设备，其包含:第一管，其经配置以将液体流从第一点输送到第二点；螺旋形状的元件，其附贴于所述第一管内部；缩窄区段，其位于所述第一管的下游；截头圆锥体，其具有比第二区段宽的第一区段，其中较宽区段连接到所述第一管且第二较窄区段连接到第二管。所述截头圆锥体界定内区段。所述设备还包含配置有至少一个气体通路单元的外室。所述外室含纳所述截头圆锥体、所述第二管的至少一部分及所述第一管的至少一部分。所述内室包含在所述截头圆锥体中界定的穿孔。
[0013]如所广泛地解释，设备10包含液体流能够通过的第一管I。所述流由连接到所述第一管I的普通泵吸系统产生。以任何适合方式，第一管I具有固定于内部的螺旋形状的元件8。螺旋形状的元件8经配置以在液体流通过螺旋形状的元件8时增加所述液体流中的旋转。
[0014]液体向第一管下游继续而到达缩窄区段2，借此其经受可观的缩窄。此导致所述流的速度的增加。管直径与缩窄器开口的大小之间的关系使得速度增加可处于1: 2到I: 10之间或更大的比率。
[0015]在图1中所描绘的实施例中，缩窄器接近第一管I的排出端定位。
[0016]缩窄区段2可具有适合缩窄器配置。图式图中描绘缩窄区段2的一个非限制性实例。所述缩窄区段具有横向壁，所述横向壁具有朝向即将到来的流体流定向的渐缩或曲线面及对置面。所述渐缩或曲线面从位于横向壁的外周界附近的最大点渐缩到接近中心开口的变窄区段。所述中心开口具有任何适合几何形状，例如圆形、卵形等。中心开口的面积将小于第一管的横截面积。相应横截面积之间的比率将适合于在流体流横越中心开口时产生增加的流体流速度。
[0017]缩窄区段2通向内室3。内室3由具有上游区域及下游区域的带壁主体界定。带壁主体的上游区域具有大于缩窄区段2中的中心开口的横截面直径。在许多实施例中，所述室的上游区域的直径将大于第一管I的横截面直径。
[0018]在图式图中所描绘的实施例中，内室包括具有连接到第一管I的较宽半径区域及连接到第二管4的窄半径的截头圆锥体。所述截头圆锥体经配置以将流体流从在缩窄区段中界定的中心开口输送到在第二管4的第一端中界定的开口。
[0019]第二管4可充当从内室3的出口。所述截头圆锥体可通过任何适合手段连接到第一管I。非限制性实例包含焊接、钎焊整体模制等。在图1中所阐述的实施例中，所述截头圆锥体的较宽区段啮合面板部件。在面板部件的中心部分中界定孔口。第一管I的外表面啮合面板部件。在所描绘的实施例中，面板部件由两个平面部件组成，其中一个平面部件啮合第一管2的外表面且一个平面部件啮合缩窄部件的外表面。
[0020]在液体流通过内室3时，所述液体流面临从其排出而进入内室的缩窄区段2的突然扩大。流体流的速度可在其横越内室时经历减小。在流体流进入内室3时所经历的扩大导致压力减小的形成，从而在内室3内部产生低压区及吸入效应。所述吸入效应足以将气体抽吸到内室3中且形成其中驻留在内室中的气体及经过内室的液体将面临极端湍流、面临不同压力且混合在一起以形成新的质量体积的环境。内室3中的流体流具有涡流的属性。
[0021]内室3的壁可配置有适合孔口或通道以促进气体的流入来补偿压力减小。在内室壁中界定的开口的大小及数目至少部分地取决于例如穿过装置的流体流量及待引入到流体中的气体的所要浓度等参数。在内室配置有截头圆锥体的情况下，圆锥形壁可具有分布于其上的多个穿孔。穿孔的密度将为足以准许气体传送但将小于将危及壁结构的量的密度。可影响所采用的穿孔的密度及/或数目的其它因素可包含正通过设备传送的液体的粘性。举例来说，对于具有处于或接近水的密度的密度的流体，在某些情形中较高穿孔密度为合意的。本发明预期，穿孔密度可取决于所输送及处理的流体的密度而变化。
[0022]内室3由较大外室6环绕。外室6填充有需要溶解的气体。所述外室配置有入口7以让气体进入并填充其空间。内室3的壁5具有许多小穿孔以便让气体从外室6通到内室3，借此如先前所描述存在于内室3中的吸入效应从外室6抽吸气体。
[0023]在内室3内部，液体流遇到气体并形成强烈湍流，从而提供有助于将气体溶解到液体中的环境。与气体组合的新液体流通过排出管4而去往适合用途。排出管4具有窄于或等于第一管I的直径。此形成压力的增加，从而提供有助于增加气体溶解于液体中的速率的环境。可在许多有用的应用中采用具有升高水平的经溶解气体的所得流体。
[0024]还应注意，通过在设备中发生的过程产生的吸入效应可将比可能溶解的气体更多的气体抽吸到其室中。假定湍流及吸入，如本文中所揭示的设备可触发在从设备排出时在流体流中产生的微泡的产生。这些泡可以数以千计的大小形成。此流体可具有多种最终用途应用，例如用于浮选目的的用途。
[0025]使用将自然资源的高效利用作为其核心价值的可持续工程概念来构思本文中所揭示的气体溶解设备。在不受限于任何理论的情况下，据信如所揭示的设备促进氧合。据信，大气气体或空气的使用导致空气的溶解，从而产生被认为是通过其它氧合工艺仅在使用纯氧(气体中的85%加氧浓度)的情况下可实现的效率水平。因此，所述设备可显著减少成本，因为其用户能够利用自由普通空气实现所要结果，而非利用其它昂贵的方法及技术。通过组合自由大气空气与先前所解释的能量效率，本文中所揭示的装置能够实现低的长期操作成本。
[0026]据信，可利用氧合潜力来处理例如湖泊、河流、游泳池等水体。在本发明的范围内也考虑到其它较小容量应用。设备的特定应用将影响例如设备吞吐量等参数。
[0027]可在数个装置及应用中利用本文中所揭示的设备。在以下论述中呈现此类应用的一些非限制性实例。在利用如本文中所揭示的气体溶解设备的装置的第一实施例中，使用本发明作为如随后将更详细地描述的图2中所描绘的节能且无化学品通气器的组件来形成绿色且可持续解决方案。
[0028]如本文中所揭示的气体溶解设备为节能的。已开发将高量的气体溶解于例如液体等流体中同时消耗比常规装备少的电能或其它能量的核心技术。高效率水平是可能的，因为如所揭示的设备所利用的仅有能量源来自产生初始液体流的泵吸系统。从那时起，设备不需要任何补充能量源来实现气体溶解。
[0029]所揭示的装置不仅如所提及为节能的，而且在液态流体与内室内部的气体混合时其变得立即富含所述气体，从而加速溶解过程速度。
[0030]如先前所提及，可采用如本文中所揭示的气体溶解设备来促进浮选。由于所述设备产生微泡作为整个过程的副产物，因此所得流体可用于浮选目的。此效应发生是因为设备将比可能溶解的量更多的气体抽吸到液体中，从而导致在排出管上形成微泡。这些泡以数以千计的大小形成。所述微泡可用于与存在于液体流中或液体流被引入到的较大水体中的目标材料缔合且使所述目标材料上升到可将其从液体撇取或以其它方式分离的表面。此类材料的非限制性实例包含可存在于液体中且可在排出时上升到表面从而促进用于移除或分离的高效浮选效应的油、脂肪、生物废物、油脂及悬浮固体。因此，本发明包含一种用于利用本文中所揭示的装置从液体移除目标材料的方法。
[0031]本发明还预期一种利用本文中所揭示的设备将气体溶解于处于高温的液体中的方法。根据亨利溶解度定律，随着液体的温度增加，任何携入气体变得较不可溶。因此，在暖热液体中，气体溶解工艺为具挑战性的任务。如目前所揭示的装置克服暖热液体的一些主要问题，因为气体及液体两者的混合在不同压力下发生，从而使得能够高效地将气体溶解于高于40摄氏度的液体中。
[0032]可容易组装所述气体溶解设备。所揭示的装置不利用任何移动组件。在利用本文中所揭示的装置的气体溶解工艺中，通过用于产生流体流的构件(例如普通泵吸系统)来形成液体流。本文中所揭示的气体溶解装置可在不使用任何移动组件的情况下操作。此降低总体维护成本且在大规模生产线内组装显著较容易。另外，在许多情形中，气体溶解设备代表了长期低成本操作。本文中所揭示的装置的一个所预期应用是将氧溶解于液态流体中。可使用含有平均20%的氧的普通大气空气来实现氧溶解。
[0033]本发明还预期将气体溶解设备包含到具有移动的流体流的各种组合件中。此装置的一个非限制性实例为在废水处理应用中使用的装置。举例来说，可利用所述气体溶解设备作为用于废水处理工艺的通气器。在如图2中所展示的一个非限制性实例中，潜水泵9形成由废水组成的液体流，其流过连接到气体溶解设备10的管道系统2。在所述设备内部，源自大气空气的氧溶解于液体流中且所得材料向下游行进到排出管4。在所描绘的实施例中，排出管4垂直定向且相对于装置为固定的。混合物(气体与液体)行进穿过排出管4直到到达扩散器11为止，扩散器11经配置以在相关联的废水处理容器中散布富氧液体。
[0034]可了解，图2中所描绘的装置可用于增加相关联容器中的可用氧，借此克服例如氧耗尽等问题。本发明还预期，可采用图2中所描绘的装置来借助于在排出设备时存在于液体流中的微泡12实现废水中的目标材料(例如携入固体颗粒)的浮选。由于大气空气在通过设备时并不完全溶解，因此其以数以千计的不同大小产生微泡。这些泡负责使存在于废水中的悬浮粒子浮起以通过例如撇取等工艺进行分离。
[0035]图2中所描绘的装置还呈现如本文中所揭示的通气器的一般形式的非限制性实例。所述通气器包含例如双体漂浮装置等浮选构件，其使用防锈刚性框架13连接到双体船
14、管道系统1、气体溶解设备核心10及潜水泵吸系统9。如在此配置中可见，存在用于全部工艺的仅一个能量源；即，由泵吸系统使用的能量源。本发明预期可不使用额外的化学添加剂(液体、固态或气体)(因为装置使用自由大气空气作为气体)来实现通气。然而，如果期望或需要，那么如本文中所揭示的通气装置可与其它水处理装置及系统协同使用。
[0036]本发明还预期供与水再循环一起使用以作为例如可在游泳池等中采用的处理系统的装置。在设备的第二实例中，形成健身与娱乐解决方案的一个非限制性实例，即，将在游泳池中使用的消毒工艺。[0037]图3是利用气体溶解设备的装置的第二实例的透视图，其中所述设备充当用于游泳池水的处理与消毒装置。如图3中所展示，泵吸机构9用于从游泳池16泵吸水，使其流过过滤器15，例如在大多数池过滤系统中采用的那些过滤器。在水流通过过滤器15之后，其流过连接到气体溶解设备核心10的管道系统I。在设备10内部，液体流溶解存在于大气空气中的氧，所述液体流向下游流到连接到游泳池16的排出管4，从而返回其富氧的经过滤水。消毒工艺包括使微生物经受包括富氧液体的液体且还使含有微生物的液体富含氧。这些双重消毒工艺的最终效应是减少在水中使用的氯且有时甚至完全避免其使用。
[0038]在气体溶解设备的第三示范性应用中，使用本发明形成另一绿色且可持续解决方案:用于正在萎缩的河流及其它氧耗尽的大型水体的节能且无化学品通气器。
[0039]如图4中所描绘，气体溶解设备为起作用而用作用于耗尽大型水体的通气器的装置的组件。如图4中所展示，将若干个类似于结合图2所描述的通气器的漂浮通气器17群集在一起，从而形成跨越河流的两个岸18之间的宽度延伸的岛或处理带。在河流上游19的氧耗尽的水流过通气器群集且被灌注富有来自通气器17的经溶解氧的水，其富化在河流下游20的水中的经溶解氧水平。富氧水提高了支持下游位置20中的水生生物的机会。所述处理还有助于通过杀灭粪大肠型细菌以及减少生物需氧量(BOD)及/或控制气味来对水进行消毒，借此为河流恢复提闻的水质。
[0040]基本上，当与纯氧或富氧气体(例如，大气空气)组合时，本发明促进液态流体(例如废水及工业流出物)中的氧化。
[0041]整个工艺不仅导致水处理本身，而且在特定情况中还可成为水再循环/再使用工艺的一部分。
[0042]在其关于环境保护及复原领域的数个应用当中，本发明特别适合于包含但不限于以下各项的工艺:1)有机物质的生物降解(例如在市政及工业废水处理中)；2)经溶解污染物(例如，铁及锰离子)的氧化及沉淀；3)废水中的经溶解有机污染物的氧化及破坏；4)水生物种(例如鱼及虾)的养殖；5)对气味(例如由被污染废水或污泥中的厌氧细菌导致的那些气味)的控制；6)有害细菌(例如，大肠型细菌)的杀灭；7)被污染(例如，因油产物)或氧耗尽的水体的生物修复；8)萎缩湖泊的复原；9)生物需氧量(BOD)减少技术；10)水培农业；及/或11)饮用水中及待排放到公共流中的水中的杀虫剂的移除。
[0043]关于卫生保健，也已知氧合液体具有治疗效应。举例来说，富氧饮料的消耗可对康乐及体能具有有利的效应，因为其通过胃粘膜或肠壁为血流提供氧。在摄取富集水之后的短周期之后，存在如通过平均血氧水平增加所观察到的肺功能旁路的证据，且通过平均脉搏率减小而观察到伴发心脏缓解的效应。
[0044]存在其中可有利地采用氧合液体的较多治疗工艺,举例来说,包含伤口的氧合以增加治愈速率且减少感染；氧合器官移植储存培养基；放射疗法及化学疗法的肿瘤氧合；在肺缺陷的情况中通过氧合液体的肺旁路；对一氧化碳中毒的治疗；漱口剂、牙膏；局部(包含美容治疗)培养基；隐形镜片处理溶液；及细胞级治疗应用。
[0045]还可在某一消毒工艺中有利地采用氧合液体。此类消毒工艺为其中利用极高水平的经溶解氧来杀灭微生物(与氯或臭氧一样)的工艺。这些氧浓度水平将超过在如上文所描述用于其需氧处理的生物量的稀释之后产生的那些水平。举例来说，已发现，有盖培养皿中的细菌在仅经受富氧水时即被杀灭。先前也已推测，并非使特定微生物经受包括氧合液体的消毒剂，消毒工艺可替代地涉及使被微生物污染的液体氧合，借此消毒将在氧合过程期间发生。当与废水一起使用时，消毒工艺确保甚至更好的水质，因为大肠型细菌的杀灭是水处理的目标之一。
[0046]也已知，一些发酵工艺(即，涉及发酵通常在通过微生物进行的药物生产或食品加工中采用的发酵液的工艺)从发酵液由氧合液体构成获益。
[0047]尽管已关于流体流的氧合呈现了前述揭示内容，但应理解，可采用与本文一起揭示的本发明来引入各种其它气体，包含但不限于氯、各种卤素、氮、氦等。
[0048]尽管已结合目前被视为最实际且优选实施例的实施例描述了本发明，但将理解，本发明并不限于所揭示的实施例，而是相反，本发明打算涵盖包含在所附权利要求书的精神及范围内的各种修改及等效布置，所述范围将被赋予最宽广的解释以便囊括依据法律所准许的所有此类修改及等效结构。
【权利要求】
1.一种气体溶解设备，其包括: 第一管，所述第一管具有第一端及在所述第一端下游的第二端； 湍流诱发部件，其定位于所述第一管中在所述第一与第二端中间； 缩窄器，其接近所述第一管的所述第二端位于所述湍流诱发部件的下游； 内室元件，其与所述第一管的所述第二端流体连通，所述内室元件具有截头圆锥形渐缩壁部件，所述截头圆锥形渐缩壁部件具有第一上游端及第二下游端，其中所述第一上游端具有比所述第二下游端宽的直径，且其中所述截头圆锥形壁部件的所述第一端大于所述第一管的所述第二端，所述截头圆锥形渐缩壁部件经配置以促进气态材料从在第一室外部的第一区域到位于所述室元件的内部中的第二区域的传送； 第二管，其位于所述内室的下游，与所述内室流体连通，所述第二管具有第一端及在所述第一端下游的第二端，其中所述第二管的所述第一端具有等于或小于所述第一管的宽度的宽度；及 外室元件，其由其中界定有至少一个气体传送入口的外壁部件组成，其中所述内室元件含纳在所述外室内。
2.根据权利要求1所述的气体溶解设备，其中所述湍流诱发部件具有经配置以在通过所述第一管的流体流中诱发旋转移动的至少一个区域，所述区域在其中界定有至少一个螺旋特征。
3.根据权利要求2所 述的气体溶解设备，其中所述湍流诱发部件为螺旋部件。
4.根据权利要求1所述的气体溶解设备，其中所述缩窄器经配置以增加从所述第一管通入所述内室中的液体流的速度。
5.根据权利要求1所述的气体溶解设备，其中所述截头圆锥形渐缩壁具有经配置以准许气体从在所述室外部的区域的所述传送的多个穿孔。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置经采用、经配置以处理生物材料、油中的酚醛物质中的至少一者。
7.一种用于将气体以溶解状态引入到液体流中的方法，所述方法包括将具有第一气体浓度的液体以第一速度及压力引入到根据权利要求1所述的装置中、允许所述液体流经过所述装置，所述液体流以第二速度及压力以及升高的气体浓度排出，其中所述气体为空气。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述液体为水。
9.一种水再循环及再使用工艺，其包括以下步骤: 将废水引入到根据权利要求1所述的装置中，所述废水在引入时具有第一氧浓度； 准许所述废水通过所述缩窄器而进入到根据权利要求1所述的装置的所述第一室元件中，到所述内室中的通路在所述内室内部产生低压区及吸入效应，从而将气态氧抽吸到所述内室中，且所述液体流形成湍流； 准许所述富氧液体排出所述装置；及 允许所述所引入气体与所述所引入废水及/或所述富氧水被引入到其中的较大储水器中的至少一者中的微生物材料相互作用。
10.根据权利要求9所述的工艺，其中以足以产生微泡的速率引入所述气态氧，所述工艺进一步包括以下步骤 将所述经处理水引入到废水体中，所述废水含有脂肪、油、油脂、生物物质或悬浮固体中的至少一者；及 允许所述微泡与所述脂肪、油脂或生物物质或悬浮固体缔合，并螯合所述废水体的一部分中的所述脂肪、油脂或生物物质或悬浮固体。
11.根据权利要求9所述的工艺，其中所述所引入氧使油复合废水中的酚醛物质降解，此包括在包括富氧液体的液体中执行化学及微生物反应中的一者。
12.一种发酵工艺，其包括以下步骤: 发酵包括通过根据权利要求9所述的工艺制备的富氧液体的液剂。
13.一种需氧工艺，其包括在包括通过根据权利要求9所述的工艺制备的富氧液体的液体中执行化学及微生物反应中的一者。
14.一种治疗工艺，其包括借助包括通过根据权利要求9所述的工艺制备的富氧液体的药剂执行对身体的治疗处理。
15.一种用于将饮用饮料装瓶的工艺，其包括将包括使用根据权利要求1所述的设备制备的富氧液体的饮料引入到容器中并密封所述容器。
16.一种制备生理盐水溶液的工艺，其包括以下步骤:提供通过根据权利要求1所述的设备制备的富氧液体；及将钠浓缩物溶解到所述富氧液体中。
17.一种消毒工艺，其包括使微生物经受包括通过根据权利要求1所述的设备制备的富氧液体的液体。
18.一种消毒工艺，其包括借助根据权利要求1所述的设备使含有微生物的液体富含氧。
19.根据权利要求1所述的设`备，其中所述液体为暖热的，其中温度高于40摄氏度。
20.一种在暖热液体中的需氧工艺，其包括在包括通过根据权利要求1所述的设备制备的富氧的液体中执行化学及微生物反应中的一者。
【文档编号】B01F13/02GK103826731SQ201180071904
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2011年4月26日 优先权日:2011年4月26日
【发明者】凯厄斯·阿劳约·马丁斯·迪卡马戈 申请人:奇泰克特许有限责任公司