一种小型碳酸溶液投加系统的制作方法

1.本发明属于水处理技术领域，涉及一种用于调节水的ph值、再矿化或石灰软化等应用的小型碳酸溶液投加系统。该小型碳酸溶液投加系统适用于水处理量小、不需要快速大量生成碳酸溶液的场合。例如，鱼塘、虾塘、游泳池、蔬菜大棚、花卉种植、小型海水淡化等。


背景技术：

2.在地表水、水库水、废水、制造业的工艺用水中都可能存在ph过高，超过ph8.0 甚至9以上，水体过高的和不稳定的ph都将严重影响后续的化学处理和产品质量。例如，废水终端出水的ph应该被控制在6
‑
9；自来水水厂混凝和消毒的过程中，由于过高和不稳定的ph，造成化学药剂过量投加，产生过量的化学副产物，出水从而达不到相关国家标准；纺织印染行业中，印染工艺用水的ph不稳定，影响产品色牢度，造成产品次品率和褪色；在河流、湖泊等自然水体中，水体的富氧化、藻类爆发等因素造成ph过高并呈波形变化；鱼塘、虾塘、游泳池等水体中，因投加杀菌剂、消毒剂导致ph过高；蔬菜大棚、花卉种植需要额外的二氧化碳气体强化光合作用，使用碳酸水灌溉，可以增加二氧化碳含量，有利于农作物的生长；......水不处不在，与人们的生活、生产息息相关，而水体的ph精准控制是水处理工艺流程中重要的一环。
3.ph，亦称氢离子浓度指数、酸碱值，是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。中性水溶液ph＝7酸性水溶液，ph＜7，ph值越大，表示碱性越强。ph是水和污水的一个重要理化参数，ph值是水处理现场控制的重要指标之一。调节和控制ph可以促进化学反应并产生特定物理化学变化。
4.为了调整水的ph，人们主要使用硫酸、盐酸之类的酸化剂来中和水的酸碱度；此类酸化剂都属于强酸，强酸存在各种安全问题，如储存、运输、腐蚀，重要的是使用强酸中和酸碱度，强酸很难做到精准地调节ph，更为重要的是，强酸在酸碱中和反应的过程中会摧毁水中的碱性物质，而在饮用水中，碱性物质是不可缺少的。
5.目前，全国各地许多石化工厂在国家的相关政策的指引下，大规模的装备二氧化碳提纯设备，并生产食品级二氧化碳气体，从而使二氧化碳气体的价格大幅降低，也便于用户在当地购买。由于成本和气体资源的易获取，碳酸投加系统的运行成本和减少化学药剂的使用费用几乎相等，经过案例实施，用户只需投入初期的设备成本，所以，利用碳酸中和水的酸碱值是经济可行的。
6.碳酸是弱酸，与碱性物质反应时，有缓冲区，所以，利用碳酸中和反应能精准地控制或调节ph到客户所需要的设定值。而且，二氧化碳气体大多来源于石油化工废气，利用碳酸溶液中和水的ph是二氧化碳的消耗并完全反应的过程，不会将二氧化碳重新释放到大气中，从而可减少温室效应，实现碳中和。
7.在自来水水厂的水处理生产工艺流程中，混凝、消毒是必不可少的重要环节，如何调整原水的ph，从而减少化学药剂的使用，减少副产物，具有重要的意义。
8.在海水淡化工艺中，海水经过多级过滤后的渗透水，由于去除了矿物质，渗透水成酸性并具腐蚀性，人们需要投加石灰将水再矿化，之后需要投加碳酸与难溶于水的碳酸钙反应，生成水溶性的碳酸氢钙，添加了矿物质的水，可供人们饮用。
9.污水处理中由于废水硬度较高，人们需要投加石灰对硬水进行石灰软化处理，之后需要投加碳酸与废水中的钙离子结合生成碳酸氢钙，从而降低废水的硬度；石灰软化处理是将熟石灰ca(oh)2加入水中，与水中的碱性成分起反应，生成难溶的 caco3，熟石灰是强碱物质，投加熟石灰后的水ph可达10以上，高ph水需要酸中和，使用碳酸可以精准调节ph到客户所希望的值，同时，碳酸与熟石灰与水反应过程中生成的难溶的caco3反应生成溶于水的碳酸氢钙，h2co3 caco3ˉ＝ ca(hco3)2，没有因沉淀物生成而造成管路堵塞等问题，这个是利用碳酸软化石灰的应用。
10.现有技术中也有使用二氧化碳气体来中和水的酸碱度。将二氧化碳气体溶解于水中能产生碳酸。溶解性，被定义为一种特殊的物质可以溶解在一种特定的溶剂中 (产生饱和碳酸溶液)的数量。常温常压下二氧化碳在水中的溶解性(溶解度)是有限的。二氧化碳气体需要长时间与水反应生成碳酸，该过程被称为再碳酸化。因为，二氧化碳溶于水的过程是一个非常缓慢的化学反应过程，当二氧化碳气体分子进入水中时，它与水反应生成二氧化碳(水溶液态)、碳酸、碳酸氢根离子和氢离子，见下式：
11.co2 h2o
‑
>co2 h2co3 hco3(
‑
) h( )；
12.为什么说这是一个非常缓慢的化学反应过程，这个过程为什么缓慢，因为它必须打破氧和碳之间的双键(见下式)，这需要时间。
[0013][0014][0015]
使用二氧化碳气体中和水的酸碱度的一种方式是直接投加二氧化碳气体来中和水的酸碱值，这种投加系统需要一个带有搅拌器的大型反应池，二氧化碳气体通过一种扩散器产生小气泡，co2小气泡通过长时间和距离与水中的碱性物质反应，才能达到降低ph的目的。但是，在整个反应过程中co2小气泡会从水中逸出，二氧化碳气体的有效利用率只能在30
‑
60％之间，二氧化碳气体的利用率低即意味使用成本高，并且ph只能调整至7，无法满足某些工艺要求。
[0016]
使用二氧化碳气体中和水的酸碱度的另外一种方式是通过文丘里喷嘴或文丘里静态反应罐将待处理的水与二氧化碳气体混合后再将混合液投加到待处理的水中，这种方式可以投加到浅池和长距离的管道中，但同样面临co2小气泡的逸出、反应效率低下、反应时间长的问题。
[0017]
以上涉及两种利用二氧化碳气体投加方式均使用文丘里原理的元器件将二氧化碳气体投放并与处理水混合以调节ph，因此被统称为气体投加系统。这些气体投加系统均存在co2小气泡易逸出、反应效率低下、二氧化碳气体利用率低、反应时间长的缺陷。


技术实现要素：

[0018]
本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种用于调节水的ph值或硬度或浊度，能大幅提高二氧化碳气体的利用率的小型碳酸溶液投加系统。
[0019]
本发明的技术构思如下：将一定压力和温度的气态二氧化碳和一定压力的反应水(经过投加碳酸工艺处理后的低ph出水或低硬度出水或低浊度出水)送入反应罐，气和水在罐内以一定的比例混合，在罐内压力的作用下生成碳酸溶液；再通过一个控制阀将饱和碳酸溶液封闭在反应罐与控制阀之间，使饱和碳酸溶液变成过饱和碳酸溶液；最后再通过扩散器将过饱和碳酸溶液逆向注入待处理的水中，使碳酸溶液与水中的碱性物质中和反应，能够达到调整水的ph的目的(或与水中的caco3反应，能够达到调整水的硬度或浊度的目的)，同时，能大幅减少气泡的产生，大幅提高二氧化碳气体的利用率。
[0020]
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0021]
本发明一种小型碳酸溶液投加系统，它包括反应罐和扩散器，还包括二氧化碳气体管道、反应水管道；反应罐内罐顶设水雾喷嘴和二氧化碳气体喷嘴；反应水管道上设有水泵；水泵出口通过水管道与反应罐罐顶的水入口及水雾喷嘴连接；二氧化碳气体管道上设有调压阀组；调压阀组出口与反应罐罐顶的二氧化碳气体入口及二氧化碳气体喷嘴连接；二氧化碳气体与反应水在反应罐内反应生成碳酸溶液；反应罐底部出口与扩散器入口连接；在反应罐底部出口与扩散器入口之间的碳酸溶液管道上设有一个能精准控制流量和压力的控制阀或限流孔板或节流孔(用于维持反应罐内压力)；扩散器设置在待处理的水中；扩散器是一端开口另一端封闭的中空筒形物体；扩散器的筒形侧壁上开有释放碳酸溶液的通道；所述释放碳酸溶液的通道为小孔或窄缝隙，或者是小孔和窄缝隙这两种的组合；所述释放碳酸溶液的通道能产生一定的背压并使过饱和碳酸溶液以一定的出口压力喷射到待处理的水中，保证扩散器的出口压力与待处理的水的压力两者之间有2bar以上的压差；
[0022]
扩散器设置在待处理的有水流动的原水或水管道中，位于水流的上游，扩散器的一半侧壁上开有释放碳酸溶液的通道；所述释放碳酸溶液的通道为一个或多个，或者是一排或多排；扩散器垂直于水流方向插入原水或水管道中，扩散器上开有释放碳酸溶液的通道的一侧正对着水流上游，能使扩散器内的碳酸溶液从所述释放碳酸溶液的通道逆向对着水流喷射出来，碳酸溶液喷出与水混合反应的同时，由于另一侧的压力低，能够产生涡流进一步加强混合效果；
[0023]
或者，扩散器设置在待处理的没有水流动的水池、水塘或污水罐中，在扩散器的双侧侧壁上或整个筒形侧壁上，开有多个或多排释放碳酸溶液的通道(可以在整个筒形侧壁上打一圈或多圈小孔和/或窄缝隙，实现360
°
投放)。
[0024]
进一步地，反应水管道入口与待处理的水被投加碳酸处理后的出水连接(即：将经本发明的碳酸投加系统及投加工艺处理后的出水作为水泵用水即反应水)，亦即：待处理的有水流动的原水或水管道下游出水口通过反应水管道与水泵入口连接；或者，待处理的没有水流动的水池、水塘或污水罐出水口通过反应水管道与水泵入口连接。
[0025]
进一步地，所述的小型碳酸溶液投加系统还包括依次连接的液态二氧化碳储罐、电子汽化器或翅片热交换器、气体加热器；或者，所述的小型碳酸溶液投加系统还包括依次连接的杜瓦罐或钢瓶、气体加热器；气体加热器出口与二氧化碳气体管道入口连接；
[0026]
被气化并加热到具有一定温度和一定压力(20℃以上温度和6bar以上压力)的二氧化碳气体与被水泵增压到一定压力(3bar以上压力)的加压的反应水在反应罐罐顶形成气水混合物；气水混合物在反应罐内逐步形成饱和碳酸溶液；饱和碳酸溶液经过设在反应罐与扩散器之间的碳酸溶液管道上的能精准控制流量和压力的控制阀或限流孔板或节流
孔，形成过饱和碳酸溶液；过饱和碳酸溶液通过扩散器上的释放碳酸溶液的通道逆向喷射进原水水流上游的水中或喷射进水池的水中。
[0027]
进一步地，在原水或水管道中水流的下游或者水池、水塘或污水罐的出水口设置水质在线检测仪(ph探头或水硬度在线检测仪等)，水质在线检测仪与信号接收器连接，信号接收器与plc控制器的输入端连接；plc控制器的输出端与控制阀连接；水质在线检测仪实时传输信号到信号接收器，信号接收器接收到的信号经过plc 处理后控制控制阀的开启大小，以控制碳酸溶液的投放量，从而达到用户希望控制到的ph或硬度或浊度。
[0028]
进一步地，扩散器设置在待处理的有水流动的原水或水管道中时，扩散器是截面一半为多边形另一半为圆弧形的一端封闭的中空长筒形物体，扩散器的多边形一侧的一半侧壁上开有若干释放碳酸溶液的通道；所述释放碳酸溶液的通道，是一排或多排小孔，一排或多排窄缝隙，或者是一排或多排小孔与一排或多排窄缝隙的组合(即小孔和窄缝隙这两种的组合)；也可以是一个或多个小孔，一个或多个窄缝隙，或者是一个或多个小孔与一个或多个窄缝隙的组合(即小孔和窄缝隙这两种的组合)；扩散器垂直于水流方向插入原水中，扩散器上带有小孔和/或窄缝隙的一侧正对着水流上游，能使扩散器内的碳酸溶液从小孔和/或窄缝隙逆向对着水流喷射出来。
[0029]
扩散器设置在待处理的没有水流动的水池、水塘或污水罐中时，实现360
°
投放的扩散器，可以设计成中空的圆筒形，在保证背压的前提下，也可以设计成中空的截面为多边形(如方形、六边形等)的方筒形。
[0030]
更进一步地，每一排上的小孔和/或窄缝隙位于同一条垂直线上且均匀排列。
[0031]
进一步地，同一水平面上的多个释放碳酸溶液的通道以小于180
°
的中心夹角均匀排列；同一水平面上相邻两个所述释放碳酸溶液的通道成锐角中心夹角排列，以保证碳酸溶液以一定的出口压力(大于3bar)，对着水流方向射出与待处理的水混合，并能产生涡流强化混合效果。
[0032]
进一步地，小孔被设计用于dn25以下的小管径管道，亦即，当所述长距离的管道为dn25以下的小管径管道时，所述释放碳酸溶液的通道是一排或多排小孔，或者是一排或多排小孔与一排或多排窄缝隙的组合；或者是一个或多个小孔，或者是一个或多个小孔与一个或多个窄缝隙的组合；窄缝隙更适合用于大于dn25的大管径管道，亦即，当所述长距离的管道为大于dn25的大管径管道时，所述释放碳酸溶液的通道是一排或多排窄缝隙，或者是一排或多排小孔与一排或多排窄缝隙的组合；或者是一个或多个窄缝隙，或者是一个或多个小孔与一个或多个窄缝隙的组合。
[0033]
进一步地，具有20℃以上温度和6bar以上压力的二氧化碳气体与反应水的体积比不低于1：40。
[0034]
进一步地，所述释放碳酸溶液的通道能产生3bar以上的背压并使过饱和碳酸溶液以大于3bar的出口压力喷射到待处理的水中；扩散器背压大于3bar，并维持整个系统的压力大于3bar。保持系统压力大于3bar，才能进一步将饱和碳酸溶液转化为过饱和碳酸溶液，否则，会影响97％以上的二氧化碳利用率。碳酸溶液浓度在扩散器出口前是99％以上，通过小孔、窄缝隙时，由于压降，少量的二氧化碳以气泡的形式从溶液中溢出，所以，整个二氧化碳的利用率是97％以上。
[0035]
本发明的小型碳酸溶液投加系统的工作原理如下：高压低温液态二氧化碳被储存
在液态二氧化碳储罐中，液态二氧化碳从液态二氧化碳储罐底部出来，被输送到电子汽化器或翅片热交换器，持续定量将液态二氧化碳转变为二氧化碳气体；或者，二氧化碳气体储存在杜瓦罐或钢瓶中，二氧化碳气体从杜瓦罐或钢瓶中释放出来；二氧化碳气体通过气体加热器，保持20℃以上温度，再通过调压阀组将压力调整到 6bar以上；具有20℃以上温度和6bar以上压力的二氧化碳气体通过气体管道从罐顶被送入到反应罐内，并排出罐内空气；同时，反应水(经过投加碳酸工艺处理后的低ph出水或低硬度出水或低浊度出水)通过水泵增压到3bar以上后通过水管道从罐顶以高压雾状被送入到反应罐内，并将罐内压力保持在3bar以上；在反应罐中，二氧化碳气体与加压的反应水混合，形成具有一定压力的气液混合物；因为水雾与二氧化碳气体的接触面积大，并且在设定的压力环境中，二氧化碳气体迅速溶解于水并反应生成碳酸溶液；随着二氧化碳气体的不断被送入，或者，随着带一定压力的水雾不断地进入罐内，提升罐内压力到设定压力，当反应罐内压力达到6bar以上，罐内碳酸溶液转换成饱和碳酸溶液；饱和碳酸溶液通过反应罐罐底的管道被压送至一个能精准控制流量和压力的控制阀或限流孔板或节流孔，控制阀或限流孔板或节流孔将饱和碳酸溶液封闭在反应罐与控制阀之间，由于反应罐内持续的压力和二氧化碳气体的溶解，饱和碳酸溶液成为过饱和碳酸溶液；过饱和碳酸溶液通过打开的控制阀内的阀芯或限流孔板或节流孔，通过管道输送到扩散器；过饱和碳酸溶液通过扩散器上设计的释放碳酸溶液的通道即小孔和/或窄缝隙形成高浓度碳酸溶液和少量的二氧化碳微气泡的混合液被逆向喷射到水中，碳酸溶液与水中的碱性物质相遇并开始进行酸碱中和反应，或者碳酸溶液与水中的钙离子或caco3相遇反应，少量的二氧化碳微气泡被水流吸收，以达到中和酸碱或降低水的硬度或降低水的浊度的目的。水质在线检测仪(ph探头或水硬度在线检测仪等)被设置在原水或水管道中水流的下游或者水池、水塘或污水罐的出水口，并实时传输信号到控制阀上的信号接收器，信号接收器接收到的信号经过plc处理后控制控制阀的开启大小，以控制碳酸溶液的投放量，从而达到用户希望控制到的ph或硬度或浊度。
[0036]
在反应罐罐体外设有信号输出的液位仪，罐内碳酸溶液的液位信号经过plc处理器控制水泵和二氧化碳气体注入的开关。当液位下降，plc处理器控制水泵和二氧化碳气体注入的开关打开，生成碳酸溶液，以补充投放到水里被中和消耗的碳酸溶液量。
[0037]
二氧化碳气体被气化并加热到20℃以上温度和6bar以上压力，水被水泵增压到3bar以上压力，两者在反应罐内混合并在压力条件下，生成碳酸溶液。保持系统压力大于3bar，才能进一步将饱和碳酸溶液转化为过饱和碳酸溶液，否则，会影响 97％以上的二氧化碳利用率。碳酸溶液浓度在扩散器出口前是99％以上，通过小孔、窄缝隙时，由于压降，少量的二氧化碳以气泡的形式从溶液中溢出，所以，整个二氧化碳的利用率是97％以上。
[0038]
二氧化碳气体的溶解度与温度、压力相关：在同压力条件下，温度越低，溶解度越大；在同温条件下，压力越大，溶解度亦越大；所以，降低水温，提高罐内压力，都可以强化或加速碳酸的生成。根据每个使用场景的条件，如水温、水压、原水(待处理水)的水质参数，用户所期望的稳定的ph值或硬度或浊度和碳酸投放点的位置等条件，可以选择水泵的参数和二氧化碳气体的用量。
[0039]
通过使用电子汽化器或翅片热交换器，利用电加热或空气热交换原理可将低温液态二氧化碳气化到气态二氧化碳。液态二氧化碳储罐中的二氧化碳是0℃以下、压力约在17
‑
22bar的液态二氧化碳，通过电子汽化器或翅片热交换器的气态二氧化碳的温度为0
‑
10
℃，压力可以调节到5
‑
10bar，气态二氧化碳通过气体加热器和气体管道加注到反应罐内与反应水水雾相遇，由于二氧化碳气体进入反应罐是降压过程，二氧化碳气体在降压过程中会产生干冰，影响二氧化碳气体的溶解和设备效能，所以，需要在电子汽化器或翅片热交换器后面增设一个气体加热器，通过气体加热器提高二氧化碳气体温度到20℃以上，防止二氧化碳气体加注时干冰产生。
[0040]
降低水温、提高罐内压力的方法，可以强化或加速碳酸的生成，如系统中添加水冷却系统
…
可以在反应罐内设冷却液盘管，或者，在反应罐中下部设补加的冷却水管。
[0041]
液态二氧化碳被气化和加温，是防止干冰产生。若在高温的环境中，没有这些加温装置也能防止干冰产生。利用文丘里混合气水的方法，不限于文中的文丘里形式。
[0042]
能够控制流量和压力的控制阀，利用该原理的其他形式的容易想到的类似控制方法如限流孔板、节流孔等。
[0043]
水以雾状的形式与二氧化碳气体混合，是为了增加接触面积，加快混合生成碳酸溶液，利用该原理减小低ph水雾和雾状混合物的尺寸，如纳米级等。所以，反应罐罐顶的水雾喷嘴可以采用工业声波纳米级雾化器。
[0044]
本发明的有益效果：
[0045]
本发明提供了一整套小型碳酸溶液投加系统，将气体二氧化碳与反应水送入反应罐预先制成过饱和碳酸溶液，再通过扩散器将过饱和碳酸溶液投加到水中，从而调整水的ph或硬度或浊度。
[0046]
本发明的小型碳酸溶液投加系统，与现有技术相比，具有以下优点：
[0047]
1)本发明中将一定压力和温度的气态二氧化碳和一定压力的反应水送入反应罐在罐顶以一定的比例预先混合成气液混合物，再利用罐内压力生成碳酸溶液；再通过一个控制阀将饱和碳酸溶液封闭在反应罐与控制阀之间，使饱和碳酸溶液变成过饱和碳酸溶液；最后再通过扩散器将过饱和碳酸溶液逆向注入待处理的水中，使碳酸溶液与水中的碱性物质中和反应，能够达到调整水的ph或硬度或浊度的目的，能精准调整水的ph或硬度或浊度，同时能大幅减少气泡的产生，能大幅提高二氧化碳气体的利用率。
[0048]
2)过饱和碳酸溶液通过扩散器被投放到水里，由于水的压力处于低压状态，为了避免混合液中的二氧化碳气泡在压降中大量的逸出，本发明设计了这个扩散器，该扩散器的功能是稳定系统的压力，维持系统的背压并将碳酸溶液注入进带处理的水中。过饱和碳酸溶液通过扩散器的小孔喷射出，即刻与水中的碱性物质发生酸碱中和反应。由于压降，少量二氧化碳气泡从碳酸溶液中逸出，所以，少量二氧化碳气泡和高浓度碳酸溶液一起被喷射出，与水产生强烈的涡流，加快了反应速度，缩短了反应时间。通过应用试验案例证明，气水混合物或混合溶液转化为过饱和碳酸溶液(碳酸的浓度达到99％以上，二氧化碳气体的有效利用率达到97％以上)，碳酸溶液与水的反应是液
‑
液反应，中和反应时间在20
‑
30秒内完成，最小ph可以达到 5，能精准稳定控制ph波动。与二氧化碳气体投加方式相比，本发明无需额外的反应池，二氧化碳气体利用率高，用户使用成本大幅降低。
[0049]
3)现有技术中使用二氧化碳气体投加的方式，文丘里喷嘴或文丘里静态反应罐是用于将气体投射到水里的部件，气体和水在文丘里喷嘴的收缩段或喉管处混合，然后通过扩张段射出。溶液的射出速度提高，压力迅速下降，大量的二氧化碳气体从溶液中析出形成大气泡，只有很少部分的二氧化碳气体与水反应生成碳酸。由于水里不同高度的压力不同，
在浅池、水池等开放环境中二氧化碳气泡从水里逃逸出来；在管道中二氧化碳气泡会破裂，引起震动和气蚀，并影响ph的精准度。
[0050]
本发明中的扩散器的主要作用是利用小孔和/或窄缝隙稳定整个系统的压力在3bar以上，始终将二氧化碳气体封死在过饱和碳酸溶液中，并在压力释放时，生成稳定的碳酸溶液和少量二氧化碳气泡。扩散器的一半侧壁上开有释放碳酸溶液的通道，所述释放碳酸溶液的通道是一排或多排小孔，一排或多排窄缝隙，或者小孔和/或窄缝隙两种组合；同一水平面上的多个释放碳酸溶液的通道以小于180
°
的中心夹角均匀排列；同一水平面上相邻两个释放碳酸溶液的通道成锐角中心夹角排列，以保证碳酸溶液的出口压力大于3bar射出与待处理的水混合。通过小孔和/或窄缝隙，压力混合液的进口压力和出口压力(理想状态)一致，并以非常快的速度喷射到水里。由于压力下降，压差会造成部分二氧化碳气体从溶液中以微气泡的形式逸出，所以，碳酸溶液和微气泡的混合液一起被喷射与水混合，同时，由于每一排上的小孔和/或窄缝隙位于同一条垂直线上且均匀排列，扩散器有孔的一侧与无孔的一侧的压差，压力混合液在水中形成涡流，进一步加速酸碱中和反应。
[0051]
本发明中，用于喷射碳酸溶液的扩散器，窄缝隙和小孔被组合使用或单独使用，小孔或窄缝隙和小孔的组合被设计用于dn25以下的小管径管道；窄缝隙或窄缝隙和小孔的组合更适合用于大于dn25的大管径管道；与只使用小孔相比，通过窄缝隙射出的溶液与水的接触面更大；根据使用场景，小孔和/或窄缝隙的组合设计也被应用。液体流经小孔，是收缩再扩散的过程，这过程液体的状态是紊流，会产生很大的压力损失，过多的小孔会导致更多的二氧化碳气体的析出。相比较于小孔，液体经过窄缝隙且压力低于10bar时的状态是层流，此时二氧化碳的析出相对小孔要少很多。但是，某些场合需要小孔和窄缝隙相结合，需要损失少量的二氧化碳气体，形成一定的紊流，强化与原水的混合效果。
[0052]
与现有技术中的文丘里喷嘴或文丘里静态反应罐相比较，本发明中的碳酸溶液扩散器，解决了二氧化碳气体的使用率(溶解率)低、噪音、震动、气蚀等问题；同时，碳酸溶液投加的应用场景范围也更宽广，如可以应用于自然湖泊、浅渠、浅池、管道、储液罐等等。
[0053]
4)本发明解决了不同压力的气、水混合，二氧化碳气体易从液体中析出的问题；气水混合物转化为过饱和碳酸溶液需要压力和时间，反应罐的设计解决了这些问题，碳酸溶液在被封闭的压力环境中保持稳定。
附图说明
[0054]
图1是本发明一种小型碳酸溶液投加系统的整体结构示意图(扩散器6设置在待处理的有水流动的水管道中)；
[0055]
图2是本发明一种小型碳酸溶液投加系统的整体结构示意图(扩散器6设置在待处理的没有水流动的水池中)；
[0056]
图3是本发明中的扩散器6的剖切俯视结构示意图；
[0057]
图4是本发明中的扩散器6的主视结构示意图；
[0058]
图5是本发明中的扩散器6的侧视结构示意图。
[0059]
图中：1、液态二氧化碳储罐2、电子汽化器3、气体加热器4、水泵5、反应罐6、扩散器7、ph探头8、窄缝隙9、小孔10、调压阀组11、反应水管道12、二氧化碳气体管道13、二氧化碳气体注入的开关14、控制阀15、碳酸溶液管道a、中心夹角b、中心夹角
具体实施方式
[0060]
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0061]
实施例1
[0062]
如图1所示，本实施例一种应用于调节水的ph值的小型碳酸溶液投加系统，它包括依次连接的液态二氧化碳储罐1、电子汽化器2、气体加热器3、反应罐5和扩散器6，还包括水泵4、反应水管道11、二氧化碳气体管道12；反应罐5内罐顶设水雾喷嘴(与反应水管道11连接)和二氧化碳气体喷嘴(与二氧化碳气体管道12 连接)；反应水管道11上设有水泵4；水泵4出口通过反应水管道11与反应罐5罐顶的水入口及水雾喷嘴连接；气体加热器3出口通过二氧化碳气体管道12与反应罐 5罐顶的二氧化碳气体入口及二氧化碳气体喷嘴连接；二氧化碳气体管道12上设有调压阀组10；调压阀组10出口通过二氧化碳气体管道12与反应罐5罐顶的二氧化碳气体入口及二氧化碳气体喷嘴连接；二氧化碳气体与反应水在反应罐5内反应生成碳酸溶液；反应水管道11和二氧化碳气体管道12各有一小段伸入反应罐5内；反应罐5底部出口与扩散器6入口连接；在反应罐5底部出口与扩散器6入口之间的碳酸溶液管道上设有一个能精准控制流量和压力的控制阀14。扩散器6设置在待处理的有水流动的水管道中，位于水流的上游，垂直于水流方向插入水管道中；扩散器6的一半侧壁上开有若干释放碳酸溶液的通道，所述释放碳酸溶液的通道能产生3bar以上的背压并使过饱和碳酸溶液以大于3bar的出口压力喷射到待处理的水中 (逆向喷射进水流上游的水中)，保证扩散器的出口压力与待处理的水的压力两者之间有2bar以上的压差；待处理的有水流动的水管道下游出水口通过反应水管道11 与水泵4入口连接(将经本发明的碳酸投加系统及投加工艺处理后的低ph出水作为水泵4用水即反应水)；在水管道中水流的下游设置ph探头7，ph探头7与信号接收器连接，信号接收器与plc控制器的输入端连接；plc控制器的输出端与控制阀 14连接；ph探头7实时传输信号到信号接收器，信号接收器接收到的信号经过plc 处理后控制控制阀14的开启大小，以控制碳酸溶液的投放量，从而达到用户希望控制到的ph。
[0063]
如图3
‑
图5所示，扩散器6是截面一半为多边形另一半为圆弧形的一端封闭的中空长筒形物体，扩散器6的多边形一侧的一半侧壁上开有若干释放碳酸溶液的通道；所述释放碳酸溶液的通道为小孔和窄缝隙这两种的组合，中间有一排小孔9，两边各有一排窄缝隙8；同一水平面上相邻两个所述释放碳酸溶液的通道(小孔9 和/或窄缝隙8)成锐角中心夹角排列(亦即，相邻两个所述释放碳酸溶液的通道与中心点的连线形成的中心夹角为锐角，如图2中a、b两个中心夹角均为锐角)，以保证碳酸溶液以大于3bar的出口压力，对着水流方向射出与待处理的水混合，并能产生涡流强化混合效果。
[0064]
如图1、图5所示，扩散器6设置在待处理的有水流动的水管道中，位于水流的上游；扩散器6垂直于水流方向插入水管道中，扩散器6上开有小孔9和窄缝隙 8的一侧正对着水流上游，能使扩散器6内的碳酸溶液从小孔9和窄缝隙8逆向对着水流喷射出来，碳酸溶液喷出与水混合反应的同时，由于另一侧的压力低，能够产生涡流进一步加强混合效果。
[0065]
扩散器6上的小孔9和窄缝隙8能产生3bar以上的背压并使过饱和碳酸溶液以大于3bar的出口压力喷射到水管道内待处理的水中(逆向喷射进水流上游的水中)，保证扩散器6的出口压力与待处理的水的压力两者之间有2bar以上的压差。
[0066]
本实施例的小型碳酸溶液投加系统的工作原理如下：高压低温液态二氧化碳被储存在液态二氧化碳储罐1中；液态二氧化碳从液态二氧化碳储罐1底部出来，被输送到电子
汽化器2，持续定量将液态二氧化碳转变为二氧化碳气体；二氧化碳气体通过气体加热器3，保持20℃以上温度，再通过调压阀组10将压力调整到6bar 以上；具有20℃以上温度和6bar以上压力的二氧化碳气体通过气体管道12从罐顶 (从二氧化碳气体喷嘴喷出)被送入到反应罐5内，并排出罐内空气；同时，低ph 水(经过投加碳酸工艺处理后的低ph出水)通过水泵4增压到3bar以上后通过水管道11从罐顶(从罐顶水入口进入，从罐顶的水雾喷嘴喷出)以高压雾状被送入到反应罐5内，并将罐内压力保持在3bar以上；在反应罐5中，二氧化碳气体与加压的反应水雾混合，形成具有一定压力的气液混合物；因为水雾与二氧化碳气体的接触面积大，并且在设定的压力环境中，二氧化碳气体迅速溶解于水并反应生成碳酸溶液；随着二氧化碳气体的不断被送入，当反应罐内压力达到6bar以上，罐内碳酸溶液转换成饱和碳酸溶液；饱和碳酸溶液通过反应罐5罐底的管道被压送至一个能精准控制流量和压力的控制阀14，控制阀14将饱和碳酸溶液封闭在反应罐5与控制阀14之间，由于反应罐5内持续的压力，饱和碳酸溶液成为过饱和碳酸溶液；打开控制阀14，过饱和碳酸溶液通过控制阀14内的阀芯，过饱和碳酸溶液通过管道输送到扩散器6，通过扩散器6上设计的释放碳酸溶液的通道即小孔9和窄缝隙8 形成高浓度碳酸溶液和少量的二氧化碳微气泡的混合液被逆向喷射到水中，碳酸溶液与水中的碱性物质相遇并开始进行酸碱中和反应，少量的二氧化碳微气泡被水流吸收，以达到中和酸碱的目的。ph探头7被设置在水管道中水流的下游，并实时传输ph信号到控制阀14上的信号接收器，信号接收器接收到的信号经过plc处理后控制控制阀14的开启大小，以控制碳酸溶液的投放量，从而达到用户希望控制到的 ph。
[0067]
在反应罐5罐体外设有信号输出的液位仪(图中未标示)，罐内碳酸溶液的液位信号经过plc处理器控制水泵4和二氧化碳气体注入的开关13。当液位下降，plc 处理器控制水泵4和二氧化碳气体注入的开关13打开，生成碳酸溶液，以补充投放到水里被中和消耗的碳酸溶液量。
[0068]
原水及待处理水的ph值不稳定，在8
‑
12之间波动，采用本发明的碳酸投加工艺投加碳酸处理后，可以降低ph并将ph稳定在客户所需要的低ph，将经本发明的碳酸投加工艺处理后的稳定在客户所需要的低ph的低ph出水作为水泵用水。比如：自来水水厂的原水的ph在8
‑
9之间波动，客户所需要的ph是7,将经本发明的碳酸投加工艺处理后的稳定在ph为7的低ph出水作为水泵4用水(反应水)。印染废水的ph在9
‑
12之间波动，客户所需要的ph是8.5，采用本发明的碳酸投加工艺处理后的出水的ph能稳定在8.5，将经本发明的碳酸投加工艺处理后的稳定在ph为8.5 的低ph出水作为水泵4用水(反应水)。待处理水的ph值不稳定，经过投加碳酸处理后ph值是稳定的，而且这个具有稳定的ph值的水，因为经过碳酸投加后，里面含有二氧化碳，二氧化碳含在里面的话，会减少下一批待处理水的处理工艺中二氧化碳的投放量。这是一个二氧化碳循环再利用的过程，保证出水ph稳定的同时,使用尽可能少的二氧化碳气体。
[0069]
一定压力和加温的二氧化碳气体与加压的反应水混合，形成具有一定压力的气液混合物，气水混合物在反应罐5内被转化为饱和碳酸溶液；饱和碳酸溶液被封闭在反应罐5与控制阀14之间形成过饱和碳酸溶液；过饱和碳酸溶液通过扩散器6(图 2
‑
图4所示)被投放到水里(过饱和碳酸溶液与饱和碳酸溶液相比，更能减少气泡的产生)；由于水的压力处于低压状态，为了避免混合液中的二氧化碳气泡在压降中大量的逸出，本发明设计了这个扩散器6(图2
‑
图4所示)，该扩散器6的功能是稳定系统的压力，维持系统的背压并将碳酸溶
液注入进带处理的水中。过饱和碳酸溶液通过扩散器6上的小孔9和窄缝隙8喷射出，即刻与水中的碱性物质发生酸碱中和反应。由于压降，少量二氧化碳气泡从碳酸溶液中逸出，所以，少量二氧化碳气泡和碳酸溶液一起被喷射出，与水产生强烈的涡流，加快了反应速度，缩短了反应时间。通过应用试验案例证明，气水混合物或混合溶液转化为过饱和碳酸溶液(碳酸的浓度达到99％以上，二氧化碳气体的有效利用率达到97％以上)，碳酸溶液与水中的碱性物质进行的酸碱中和反应是液
‑
液反应，中和反应时间在20
‑
30秒内完成，最小ph可以达到5，能精准稳定控制ph波动。与二氧化碳气体投加方式相比，本发明无需额外的反应池，二氧化碳气体利用率高，用户使用成本大幅降低。
[0070]
扩散器6是中空多边形并为一端封闭的长筒形物体，垂直于水流方向插入，扩散器6上带有小孔9和窄缝隙8的一面正对着水流上游(见图5)，扩散器6顶端开口(未封闭的一端)，可以允许过饱和碳酸溶液进入，过饱和碳酸溶液从小孔9和窄缝隙8逆向对着水流喷射出后与水混合。溶液进入到水的过程是降压过程，在压力平衡的过程中，碳酸压力溶液和少量二氧化碳气泡在通过小孔9和窄缝隙8喷射的瞬间与水流上游和水流的下游形成涡流，小气泡被水流吸收，碳酸溶液与水反应，整个过程是强化混合和快速中和反应的过程。
[0071]
扩散器6的作用：除了将碳酸溶液注入水中，同时，保持整个系统的压力，防止二氧化碳气体从碳酸溶液中逸出。扩散器6上的小孔9和窄缝隙8保持系统背压大于3bar，过饱和碳酸溶液通过扩散器6上的小孔9和窄缝隙8逆向喷射到待处理的水中，二氧化碳气泡被水涡流吸收的同时，碳酸溶液能快速地与水中的碱性物质反应，达到中和酸碱度的目的。这个系统背压将维持整个转化过程和管道压力，可阻止由于压降而造成二氧化碳气泡从碳酸溶液中逸出，阻止碳酸溶液返回气水混合物状态。
[0072]
综上所述，本发明提供了一套完整的小型碳酸溶液投加系统，将气体二氧化碳与低ph水在罐内的压力作用生成过饱和碳酸溶液，再通过扩散器将过饱和碳酸溶液投加到水中从而调整水的ph。
[0073]
现有技术中使用二氧化碳气体投加的方式，文丘里喷嘴是用于将气体投射到水里的部件，气体和水在文丘里喷嘴的收缩段或喉管处混合，然后通过扩张段射出。溶液的射出速度提高，压力迅速下降，大量的二氧化碳气体从溶液中析出形成大气泡，只有很少部分的二氧化碳气体与水反应生成碳酸。由于水里不同高度的压力不同，在浅池、水池等开放环境中二氧化碳气泡从水里逃逸出来；在管道中二氧化碳气泡会破裂，引起震动和气蚀，并影响ph控制精准度。
[0074]
本发明中的扩散器6的主要作用是利用图3
‑
图5中所示的小孔9和窄缝隙8稳定整个系统的压力在3bar以上，始终将二氧化碳气体封死在过饱和碳酸溶液中，并在压力释放时，生成稳定的碳酸溶液和少量二氧化碳气泡。如图3
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图5所示，扩散器6的一半侧壁上开有释放碳酸溶液的通道，所述释放碳酸溶液的通道是一排小孔 9与多排窄缝隙8的组合(小孔和窄缝隙两种组合)；同一水平面上的多个释放碳酸溶液的通道以小于180
°
的中心夹角均匀排列；同一水平面上相邻两个释放碳酸溶液的通道成锐角中心夹角排列，以保证碳酸溶液的出口压力大于3bar射出与待处理的水混合。通过小孔9和窄缝隙8，压力混合液(具有一定压力的碳酸溶液和微气泡的混合液)的进口压力和出口压力(理想状态)一致，并以非常快的速度喷射到水里。由于压力下降，压差会造成部分二氧化碳气体从溶液中以微气泡的形式逸出，所以，碳酸溶液和微气泡的混合液一起被喷射与水混合，同时，由于每一排上的
小孔9或窄缝隙8位于同一条垂直线上且均匀排列，扩散器6有孔的一侧和无孔的一侧存在压差，压力混合液在水中形成涡流，进一步加速了酸碱中和反应。
[0075]
与现有技术中的文丘里喷嘴相比较，本发明中的碳酸溶液扩散器，解决了二氧化碳气体的使用率(溶解率)低、噪音、震动、气蚀等问题；同时，碳酸溶液投加的应用场景范围也更宽广，如可以应用于自然湖泊、浅渠、浅池、管道、储液罐等等。
[0076]
实施例2
[0077]
如图2所示，本实施例的采用小型碳酸溶液投加系统投加碳酸的方法，与实施例1中的采用小型碳酸溶液投加系统投加碳酸的方法基本相同；不同之处在于：扩散器6设置在待处理的没有水流动的水池中，扩散器6的双侧侧壁上开有多个释放碳酸溶液的通道；所述释放碳酸溶液的通道为小孔和窄缝隙这两种的组合。
[0078]
如图2所示，扩散器6设置在待处理的没有水流动的水池中，在扩散器6的整个筒形侧壁上开有多圈小孔和窄缝隙(一排小孔9、一排窄缝隙8交错排列)，实现 360
°
投放。
[0079]
所述释放碳酸溶液的通道(小孔9和窄缝隙8)能产生3bar以上的背压并使过饱和碳酸溶液以大于3bar的出口压力喷射到水池内待处理的水中，保证扩散器的出口压力与待处理的水的压力两者之间有2bar以上的压差。
[0080]
待处理的没有水流动的水池出水口通过反应水管道11与水泵4入口连接(将经本发明的碳酸投加系统及投加工艺处理后的低ph出水作为水泵4用水即反应水)。
[0081]
本实施例的小型碳酸溶液投加系统的工作原理如下：被气化并加热到具有20℃以上温度和6bar以上压力的二氧化碳气体与被水泵4增压到3bar以上压力的加压的反应水在反应罐5罐顶形成气水混合物；气水混合物在反应罐5内逐步形成饱和碳酸溶液；饱和碳酸溶液经过设在反应罐5与扩散器6之间的碳酸溶液管道15上的能精准控制流量和压力的控制阀14形成过饱和碳酸溶液；过饱和碳酸溶液通过扩散器6上的释放碳酸溶液的通道(小孔9和窄缝隙8)喷射进水池的水中；在水池的出水口设置ph探头7，ph探头7与信号接收器连接，信号接收器与plc控制器的输入端连接；plc控制器的输出端与控制阀14连接；ph探头实时传输信号到信号接收器，信号接收器接收到的信号经过plc处理后控制控制阀14的开启大小，以控制碳酸溶液的投放量，从而达到用户希望控制到的ph。
[0082]
实施例3
[0083]
本实施例的小型碳酸溶液投加系统，与实施例1中的小型碳酸溶液投加系统基本相同；不同之处在于：所述碳酸溶液管道15为大于dn25的大管径管道，所述释放碳酸溶液的通道为窄缝隙，中间有一排窄缝隙8，两边各有一排窄缝隙8。
[0084]
实施例4
[0085]
本实施例的小型碳酸溶液投加系统，与实施例1中的小型碳酸溶液投加系统基本相同；不同之处在于：电子汽化器2换成了翅片热交换器，二氧化碳气体经翅片热交换器加热到具有20℃以上温度；所述碳酸溶液管道15为dn25的小管径管道，所述释放碳酸溶液的通道为小孔和窄缝隙的组合，中间有一排窄缝隙8，两边各有一排小孔9。
[0086]
实施例5
[0087]
本实施例的小型碳酸溶液投加系统，与实施例1中的碳酸溶液投加系统基本相同；不同之处在于：液态二氧化碳储罐1和电子汽化器2没有，换成了杜瓦罐或钢瓶。二氧化碳气体从杜瓦罐或钢瓶中放出来后经气体加热器3加热到具有20℃以上温度，再通过调压阀组
10将压力调整到6bar以上；具有20℃以上温度和6bar以上压力的二氧化碳气体通过气体管道12从罐顶被送入到反应罐5内，并排出罐内空气；同时，低ph水(经过投加碳酸工艺处理后的低ph出水)通过水泵4增压到3bar 以上后通过水管道11从罐顶以高压雾状被送入到反应罐5内，并将罐内压力保持在 3bar以上；在反应罐5中，二氧化碳气体与加压的反应水雾混合，形成具有一定压力的气液混合物；因为水雾与二氧化碳气体的接触面积大，并且在设定的压力环境中，二氧化碳气体迅速溶解于水并反应生成碳酸溶液；随着二氧化碳气体的不断被送入，当反应罐内压力达到6bar以上，罐内碳酸溶液转换成饱和碳酸溶液；饱和碳酸溶液通过反应罐5罐底的管道被压送至一个能精准控制流量和压力的控制阀14，控制阀14将饱和碳酸溶液封闭在反应罐5与控制阀14之间，由于反应罐5内持续的压力，饱和碳酸溶液成为过饱和碳酸溶液；打开控制阀14，过饱和碳酸溶液通过控制阀14内的阀芯，过饱和碳酸溶液通过管道输送到扩散器6；过饱和碳酸溶液通过扩散器6中的小孔和/或窄缝隙形成高浓度碳酸溶液和少量的二氧化碳微气泡的混合液被逆向喷射到水中，碳酸溶液与水中的碱性物质相遇并开始进行酸碱中和反应，少量的二氧化碳微气泡被水流吸收。