专利名称：搅拌反应器中液体并把气体喷入液体中的设备的制作方法
技术领域：
本发明的主题是搅拌反应器中液体并把气体喷入该液体中的设备，设备包括了设在反应器上面的驱动装置，驱动装置上设有一根垂直输出轴，在轴端至少装有一个浸在液体中的轴流活动组件。
喷入液体的气体可以是具有20～100％比例氧的充氧气体，或是二氧化碳，或是离子化气体，或是生物气体，等等。把要喷入气体的液体放在反应器中，特别是用于对工业废水作生物处理，其高度一般2到10米深。
在下文中，“反应器”既是指一种天然“盆”(水塘、水池、湖泊等)，也是指一种液面上空间被封闭或敞开的“容器”，其侧壁可以相互靠近或分开。
由这些系统把气体喷入其中的反应器一般包含着活化的沉积物。因此这些反应器可以是天然盆，或者是侧壁隔开很近的液面敞开的反应器，或者是封闭的反应器，它们可以加压或不加压。
在对水进行生物处理的领域中，根据气体是否喷入盆的表面或底部，已经有了各种类型的系统。例如，有液面涡轮、液面刷，它们可产生搅动来把空气传送到液体中。这种设备仅可用于高度小的水，并且充氧能力有限。
因此，PRAXAIR技术股份有限公司的专利EP-0 583 509描述了一种系统，其主要特征是在一个空心轴中有一个螺旋桨，在它转动时和依靠液面的涡旋效应，来夹带位于浸水盖之下的气体和液体。由此向下推进所形成的气/液混合物。未溶解的气泡在一般与盖半径相应的作用半径范围内上升，在那里气泡被收集，从而再次被喷射。由盖下的压力来调节送进气体的输入和排出，以及液体在盖中的最佳高度。
虽然据说传送效率很好，但该系统的主要限制是
-作用区限制在与盖半径差不多的半径内，并且限制在相当小的水深，-在活化沉积物应用的情形中，由于生物活性引起具有CO2、N2和其它气体的气相浓度增加，并需要进行通风而造成O2损失，-在盖下压力调节的复杂性，-在高压下使用气体，需要采用按照VSA或MPSA的附加装置(依靠压力或真空再生的吸附作用来工作的现场生产装置)。
也已经有了具有气体喷射和搅拌装置的多孔“盆底”系统。这些系统的充氧能力固定和有限，并且会堵塞。最后，还有其它的“盆底”设备，包括带有气体(富氧空气或纯氧)喷射的喷射器或商品名为“Ventoxal”的设备。由申请者研制的“Ventoxal”系统包括一个泵，一个Venturi型的喷射系统，一个流量分配器和成对的喷射器/喷管，对此，气体喷射压力与水的高度有关，并主要保持在大于1.5巴的绝对压力。所得到的搅拌在盆底中是满意的，但在水容积的其余部分中则一般。
本发明的目的是提出一种上述类型的设备，用于搅拌液体并把气体喷入该液体，可以有效地把气体传送到液体中并保证搅拌，使得颗粒呈悬浮状态并保持在那里。
按照本发明，驱动装置的输出轴上还带有一个自动抽吸的涡轮，涡轮浸在液体中，并可由输出轴驱动，输出轴由一个圆筒同轴地包围，圆筒的上端与驱动装置连接，下端敞开进入涡轮中；在圆筒上端钻了一个开孔，用于把气体喷入由轴和圆筒限定的环形间隙中。
驱动装置的输出轴以相同的速度驱动着涡轮和螺旋桨。
涡轮的转动引起被吸入气体通过包围着驱动装置输出轴的空心圆筒。这个涡轮沿径向推进气体/液体的弥散物。
设备包括了把被涡轮沿径向排出的气体/液体弥散物引向螺旋桨的装置。
按照本发明的一个实施例，上述装置包括一个环形箱，它形成导向器，包围着涡轮，并且其形状作成可直接把从涡轮沿径向流出的流体导向到螺旋桨，上述装置还包括一组基本上垂直的板，它们形成副叶，沿径向布置并固定在导向器上。
上述装置可有利地包括一个附加的搅拌活动组件，它最好由输出轴或者由其它任何装置驱动旋转，最好与轴的转动速度相同。
包围着涡轮的导向器把气体/液体弥散物朝下推向螺旋桨，螺旋桨把气泡朝底部推进，并且产生使盆搅动的抽吸液体流。副叶使得可能导向各种液体和气体流，从而最大程度地提高了传送和搅拌的性能。
现参照附图来描述本发明，附图作为非限定例说明了本发明的实施例。
图1是一个实施例的垂直轴向剖视图，它是按照本发明的搅拌液体并把气体喷入该液体的设备。
图2是图1设备的正视图，它特别表示了包含涡轮的导向器，以及用双点划线表示了一个不同的实施例。
图3是一个透视图，它代表了自动抽吸涡轮，涡轮设在图1和2设备的导向器内。
图中表示的设备用于搅拌反应器中的液体L，以及把气体喷入该液体中，该气体最好是充氧，但不限于充氧。
设备包括一个驱动装置1，例如一个电机，它设置在液体L的表面之上，驱动装置上装有一个可转动的输出轴2，输出轴2沿垂直延伸并部分地浸入液体L中。输出轴2的下端3上装有一个浸在液体L中的螺旋桨4。在螺旋桨4和液面L之间，轴2还带有一个自动抽吸涡轮5，因而涡轮也浸在反应器中，并且能以与螺旋桨4相同的速度由输出轴2驱动。输出轴2被一个圆筒6同轴地包围，圆筒6的上端与驱动装置1连接，并插入已知的防泄漏装置7，圆筒的下端6a敞开在与轴2同轴的涡轮5中。
自动抽吸涡轮5包括两个水平放置的重叠盘8、9，以及一组放在盘8、9之间并固定在盘上的径向轮叶11。在上盘8中作了一个由突出轴套限定的中心孔12，圆筒6的下端6a穿入这个孔中，因此圆筒与上述孔12的边一起限定了一个环形空间13。
在圆筒6的上端钻了一个开孔14，用于把气体喷入由轴2和圆筒6限定的环形间隙15中。把气体喷入孔14的系统是已知的，因此不再表示。
输出轴2沿轴向通过盘8和9，同时固定在下盘9上，因此当启动驱动装置1时，轴2以相同的速度驱动涡轮5和螺旋桨4转动。依靠圆筒6，涡轮5的转动产生了对通过孔14进入气体的抽吸作用，以及对通过涡轮5和圆筒6之间环形间隙13引入的部分液体的抽吸作用。气体/液体弥散物表现为一群气泡，其尺寸主要在100微米到2毫米之间。
设备还包括把由涡轮5在其轮叶11之间沿径向排出的气体/液体弥散物导向到螺旋桨4的装置。在所描述的实施例中，这些装置包括一个形成导向器的环形箱16，它上面钻了两个与轴2同轴的重叠中心开孔17、18，下开孔18的直径基本上大于上开孔17的直径，并且基本上等于涡轮5的直径(d)。
把气体/液体弥散物导向到螺旋桨4的装置还包括一组基本上垂直的板19，它们形成副叶，绕着导向器箱16沿径向设置，并固定在导向器箱上。为此，每个副叶19沿径向穿入导向器箱16内一定距离，由适当的已知方式，如焊接或铆接方式固定到导向器箱上。可以按规定的角度间隔环绕着涡轮5和螺旋桨4设置适当数量的副叶19。在每个副叶19的内边中，在螺旋桨4的高度上切出螺旋桨4叶片端部可能穿入的缺口21。
副叶19从基本上与液体L高度相应的高度上，垂直沿着为涡轮5直径d的0.7到12倍之间的总高度H上延伸(图1)。
对于刚描述的搅拌液体并把气体喷入该液体的设备，其工作如下。
一旦驱动装置1已开启，输出轴2以相同的速度驱动涡轮5和终端的螺旋桨4作转动。通过开孔14把气体喷入或吸入环形间隙15，从那里把它吸到涡轮5，也把一部分液体L吸入上板8和圆筒6之间的环形间隙13中(如图1中箭头所示)。由于存在副叶19和把水流导向到螺旋桨4的导向器16，如图1中两个侧向箭头所示，至少90％的气泡弥散物被回收。至少包括两个叶片4a的螺旋桨4在例如1到5米/秒的速度下，把气泡弥散物推进到盆底。所采用的尺寸和工作条件可把气泡推进到10米深，同时保持在底面上的水平速度(例如大于0.1米/秒)足以防止或预示盆底上沉淀物或固体颗粒层的形成。
被喷向盆底的气泡接着在环绕中心轴2的搅拌滑动组件(4，5)周围上升。气泡在液体中滞留的时间足以保证把氧从气相(如果喷入的气体是充氧的气体)转换到液相。因此可把氧用于生物体的呼吸或某些化合物的氧化。
由于存在补偿螺旋桨4和副叶19而引入的抽吸流可以保证绕着搅拌活动组件4在一定半径范围内造成大量液体的翻腾，半径的大小与螺旋桨4消耗的功率有关(功率为作用于电机轴2上功率的40％到90％)。这个翻腾使得沉积物和/或固体颗粒处于悬浮状态，从而保证在被螺旋桨4翻腾的所有体积中的沉积物和/或颗粒浓度变得均匀。
如果通过开孔14喷入的气体已被充氧，则依靠把氧传送到活化沉积物和依靠搅拌生物体来使沉积物浓度变均匀，上述设备可以进行工业或城市废水的生物处理。包围着涡轮5的导向器16把气体/液体弥散物向下推向使气泡进到反应器底部的螺旋桨4，并且产生一股造成反应器搅拌的液体抽吸流。副叶19可以引导各种液体和气体流，从而最大程度地提高传送和搅拌的性能。设备运行例涡轮5的尺寸在优化试算之后，涡轮5的外推和确定尺寸的准则如下(图1)H1＝0.1～5d(d是涡轮5的直径)H2＝0.5～2d
H3＝0.1～5dd1＝0.01～0.1d(d1是涡轮5和每个副叶19之间的径向距离)d2＝0.01～0.1d(d2是缺口21底部和叶片4a端之间的径向距离)Lcp＝0.5～2d(Lcp是每个副叶的宽度)Dh＝1～2d(Dh是螺旋桨4的直径)相对于涡轮轴线沿径向设置副叶19，在
的例子中数量为4个。它们至少为两个，其外形与转子(螺旋桨)的几何形状紧靠。
添加副叶来把切向流转换成指向容器底部的轴向流。为了沿整个周边分布升向液面的气体/液体弥散层，由实验来确定副叶的数目。
这些副叶从液面开始，可有利地下降到最多为涡轮直径12倍的深度。它们需要相对于液面定位，以避免形成可能使涡轮停机的涡流。
关于回收气体/液体弥散物的螺旋桨，叶片4a的数目从2到12变动。它是这样来确定的相对于按照气体/液体比的涡轮工作范围，可以限制发生堵塞的风险。
增添一个附加的活动组件22(图2)，例如一个带着两个或更多叶片的螺旋桨，可有利地提高气体/液体弥散物的回收率。活动组件22能固定在如图示的输出轴2上，可以提高环形箱内液体的周向速度。
涡轮的工作参数为-浸入深度I，它是液面和涡轮上盘之间的距离-转动速度N-气体流率Qg-气体喷射压力Pg对这些参数的外推准则如下-I/d从0.01到5名义值为0.4-修正的Fr*数＝N2D2/gI＝惯性力/重力Fr*＝0.1～25名义值为1.1～2.5
Fr*＜0.1气体抽吸作用非常弱Fr*＞24有堵塞风险-功率消耗N3*d5*NpNp为功率数＝f(Fr*)本发明设备的运行模式如下-连续工作-在固定转速下工作，由设在液体线路上的流率控制器来实现流率的调节，-在可变速度和可变气体流率下工作，从而总可保持涡轮的最佳工作条件。
-交替/按程序工作在工作周期中交替着有气体喷射的搅拌阶段和无气体喷射的搅拌阶段，以及/或者交替着具有不同速度的搅拌阶段。这种工作发现非常合理和有意义，特别是对于单盆的硝酸化/反硝酸化情形。
工作条件的范围如下-以所吸收的千克氧/千瓦小时来度量的输入率(NSI)为0.5～8。
-该涡轮每消耗一千瓦小时，涡轮5的抽吸能力可达50Nm3/h。
搅拌速度约为50～1000转/分钟。
涡轮5的浸入深度/直径比为0.01～5。
修正的Froude数大致在0.1和25之间。
盆中水高通常在2到10米之间。
-在螺旋桨4和涡轮5之间的消耗功率比从40/60到90/10之间变动。
液体可以是如下的一种活化沉积物、工业或城市废水、“工艺处理”水、海水、浓缩的沉积物。
上述系统可包括-在封闭或敞开的生物或/和化学反应器中，在压力下与物理-化学分离过程(沉淀箱、飘浮剂、薄膜、过滤器等)结合进行工作或不进行工作。
-或者在封闭的生物和/或化学压力反应器中，采用排气口来控制液面上空间中的气体含量。
在深盆情形(水高大于7米左右)或已经脱氧的地点，系统可采用空气或氧气型盆底传送系统，如“Ventoxal”来进行工作。
本发明设备具有如下优点-低压(从0.7巴绝对压力起)下的气体抽吸作用容许抽吸大气中的空气，或者容许利用不需再压缩步骤的现场生产的氧，或从使用气体地点的其它步骤或过程中产生的氧，-限制了pH值减少的问题，这是由于细菌产生的CO2再喷射引起的，-其功率可按要求作修改的补偿活动组件4具有很宽的作用半径，并能把气体/液体混合物推进到盆底，同时即使很大的水深(约7到10米)也可达到满意的搅拌程度，-可以把气体的搅拌和喷射分开，由此容许较早建立各种运行模式(连续和交替/按程序的工作)。
与Ventoxal系统比较，本发明系统具有可使气体在大气或稍低压力下喷射的优点，以及根据水高和气体流率，至少可提高传送效率10％到50％的优点。
系统可装备一个或几个轴流活动组件，例如同轴安装在轴2上的螺旋桨。
权利要求
1.搅拌反应器中液体(L)并把气体喷入该液体中的设备，设备包括了设在反应器上面的驱动装置(1)，驱动装置上设有一根垂直输出轴(2)，在轴端至少装有一个浸在液体中的轴流活动组件(4)，其特征在于驱动装置的输出轴上还带有一个自动抽吸的涡轮(5)，涡轮浸在反应器中，并可由输出轴(2)驱动，输出轴由一个圆筒(6)同轴地包围，圆筒的上端以防泄漏方式与驱动装置连接，下端(6a)敞开进入涡轮中，以及在圆筒上端钻了一个开孔(14)，用于把气体喷入由轴和圆筒限定的环形间隙(15)中。
2.按照权利要求1的设备，其特征在于涡轮(5)包括两个重叠的盘(8，9)，以及一组放在盘之间并固定在盘上的径向轮叶(11)，在上盘(8)中作了一个中心孔(12)，圆筒(6)的下端(6a)穿入这个孔中，因此圆筒与上述孔(12)的边一起限定了一个至少部分为环形的空间(13)，通过这个空间可把液体吸入涡轮。
3.按照权利要求1和2的设备，其特征在于设备包括了把被涡轮(5)沿径向排出的气体/液体弥散物引向轴流活动组件(4)的装置。
4.按照权利要求3的设备，其特征在于上述装置包括一个环形箱(16)，它形成一个导向器，包围着涡轮(5)并且其形状作成可直接把从涡轮沿径向流出的流体导向到轴流活动组件(4)，在该箱的下表面中作了一个中心开孔(18)，上述装置还包括一组基本上垂直的板(19)，它们形成副叶，沿径向布置并固定在导向器(16)上。
5.按照权利要求4的设备，其特征在于上述设备还包括一个附加的搅拌活动组件(22)。
6.按照权利要求4或5之一的设备，其特征在于副叶(19)数量至少为两个，并且从基本上与液体(L)高度相应的高度上，垂直沿着为涡轮(5)直径(d)的0.7到12倍之间的总高度(H)上作延伸。
7.按照权利要求1到6的设备，其特征在于轴流活动组件是一个螺旋桨(4)。
8.按照权利要求7的设备，其特征在于在副叶(19)中切出径向缺口(21)，从而容许螺旋桨(4)的叶片(4a)穿入其中。
全文摘要
设备包括了设在反应器上面,具有一根垂直输出轴(2)的驱动装置(1),在轴端至少装有一个轴流活动组件,输出轴上还带有一个自动抽吸的涡轮(5),涡轮浸在反应器中,并可由输出轴(2)驱动,输出轴由一个圆筒(6)同轴地包围,上端与驱动装置连接,下端(6a)敞开进入涡轮中;在圆筒上端钻了一个开孔(14),把气体喷入环形间隙(15)中。该设备可以把气体有效地传送到液体中并保证搅拌,由此可使颗粒呈悬浮状态并保持在那里。本设备应用于工业废水的生物处理。
文档编号B01F7/00GK1250682SQ9912058
公开日2000年4月19日 申请日期1999年10月9日 优先权日1998年10月9日
发明者弗洛朗·布凯, 弗雷德里克·费朗, 弗洛朗斯·古安埃卡 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究有限公司, 罗宾工业股份有限公司