用于将气体溶解到液体中的设备及生产该设备的方法与流程

1.本发明涉及一种用于将气体溶解到液体中的设备及生产此类设备的方法。
现有技术
2.在多种应用中，必须或应当将气体或气态流体溶解到液体中。典型示例为将(气态)氧溶解到水中。相对于大的水流，例如，应将相应的系统或设备与总水流串联安装在应当提高选定气体的浓度的位置上游。
3.尤其是对于大的水流或液流，希望将系统与水流或液流串联布置。目前只有极少的此类系统(如有)能够与大的主液流串联安装，以用于将气体引入到总液流中，并且与低能耗和优选地不含运动部件结合。对于流量达到2000m3/h或更高的巨大液流而言尤其如此。
4.目前，已知技术即所谓的压力溶解器(回收器或锥体，例如由申请人提供的系统solvox c)，通常在主水流的旁路使用，其中气体和液体在单元内部加压以得到高传质量和高饱和度。然后将高饱和度液体从反应器或溶解器下游的高压管道引入主管道中，在该主管道中，液体具有较低的压力和低饱和度。
5.侧流高压、高饱和度液体或水与用于再注入的主液流之间的比率通常在1∶3至1∶6的范围内。由此基于旁路溶解装置所得到的高饱和度液体的混合来提高主液流中的饱和度。这些系统具有高溶解能力，但也消耗大量能量将气体溶解到液体中。例如，在将氧气溶解到水中时，此类系统每溶解一千克氧气通常消耗约1.5kwh至3kwh的能量。对于气体溶解要求高的大型水流(例如，1000m3/h或更高)，此类系统的运行成本将变得非常高。
6.根据此背景，本发明的目的是提供一种将气体溶解到液体中的更有效的方法，优选地适用于大液流。


技术实现要素：

7.这一目的通过提供用于将气体溶解到液体中的设备以及用于生产根据独立权利要求所述的此类设备的方法来实现。
8.根据本发明的设备用于将气体溶解到液体中并且该设备包括壳体，该壳体优选地呈管的形式，其具有用于液体的流入开口和用于液体的流出开口，并且还包括布置在壳体内侧该流入开口与该流出开口之间的小横截面区域中的刀片单元。用于液体的流动横截面，即液体通过其中流动或能够流动的外壳内的横截面，在小横截面区域处小于在流入开口处。通常，此类壳体或管还可包括在两个开口或端部中的每个开口或端部处的凸缘，使得该壳体或设备能够与用于液流等的导管串联安装。
9.由于用于液体的流动横截面在小横截面区域处小于在流入开口处，因此流过管的液体必须通过具有减小的横截面的区域，由此导致液体的静压减小。这种原理也被称为所谓的“文丘里”原理，此类壳体或管也被称为所谓的“文丘里”管，并且允许将气体或液体吸入壳体中，后面将予以更详细的描述。
10.布置在小横截面区域中的管内侧的刀片单元一方面有助于减小流动横截面，另一方面有助于加快液体流速并且由此形成低压区。此类刀片单元优选地至少部分地具有相对于液体流向呈刀片形式的横截面。
11.此外，该设备包括设置在壳体外侧的气体入口以及设置在壳体中的位于刀片单元的表面上的至少一个气体出口，所述至少一个气体出口使用通道连接至气体入口，该通道优选地设置在该刀片单元中或该刀片单元内。经由气体入口，待溶解到液体中的气体能够从外部提供并且经由通道被引导至所述至少一个气体出口。因此，气体可使用由减小的流动横截面和刀片单元所形成的液体中的(静态)低压来吸入并溶解到液体中。
12.尽管水是根据本发明所用或所述的优选液体，但也可以与本发明的设备一起使用其它种类的液体。此外，氧气是被引入液体中或优选地引入水中的优选气体。然而，可使用本发明的设备将其他气体引入或溶解到液体中。应当指出，在本发明的上下文中，术语“气体”不限于纯气体，而是还可包括不同气体的气态混合物。
13.总之，设备的主要几何形状尤其被设计为“文丘里”管，其中刀片几何形状作为刀片单元的一部分放置于小或窄的(优选最小或最窄的)横截面处。刀片几何形状的目的在于在液体通过该刀片时加快液体流速，以在该刀片的两侧形成低压区，以将气体引入液体中。
14.一般来讲，“文丘里”原理用于通过使液体组分加速通过限制件或管嘴以进入管道中来密切接触气体和液体，该管道可用于引入气体。不可压缩的流体(例如水)必须在通过限制件时加速，并且当其确实如此时，该限制件上游的静压将高于该限制件或管嘴中的压力。管嘴中的液体或水的速度可足够高以形成低于大气压的压降，并且由于压力差而将气体吸入液体中。另选地，设备能够在正压下操作，并且气体以高于管嘴操作压力的压力被引入。对于任一示例，当通过限制件加速不可压缩的流体时，始终存在压降。
15.优选地，刀片单元包括喷嘴和至少一个连接元件，所述至少一个连接元件将该喷嘴与壳体的内壁连接。此类喷嘴可以是具有有限长度的小管或管道的形式，其壁面具有刀片形状的横截面，如图中所示。虽然一个连接元件可能足以固定喷嘴，尤其是在径向上的壳体或管的中心处，但是可使用这些连接元件中的若干连接元件。此类连接元件的优选数量为两个、三个或四个，在其中必须增加气体与液体之间的接触表面积以实现更高的传质量的一些情况下，可优选多于四个连接元件。这些连接元件中的每个连接元件也可具有呈刀片形式的横截面。这有助于提供另外的具有低压的表面。
16.刀片的设计应优选为目的在于尽可能降低压降。另外，可能需要刀片上具有小角度以在气体引入液体中后在流出物上产生旋转，从而改善混合，如图中所示。
17.如果所述至少一个气体出口设置在喷嘴的表面处和/或所述至少一个连接元件的表面上，则特别有利。因此，可使气体与液体在特定低压区中接触。优选地，所述至少一个气体出口由相应表面上的至少一个开口和/或由作为多孔表面的相应表面提供。
18.这允许以微泡的形式引入气体。开口可通过特定设计固定大小，或者它可通过具有孔的结构或多孔表面，这些孔在气体和液体将汇合的点处。通过小开口或多孔表面将气体引入液体中，也称为扩散。所提及的开口也可设计为唇缘的形式，该唇缘尤其是在(刀片单元的)一个刀片或一个刀片几何形状的部分或整个长度上延伸(尤其是横交于壳体中的液体主流向和/或在该主流向上)延伸，其也如下图中所示。此类唇缘设计有助于气体从实际刀片的内部腔室和通道进入液体中。然后，气体可沿唇缘分布，然后在液体的低压和高速
下在唇缘的尖锐边缘处撕开。
19.此外，优选壳体或管的内部横截面(或者还包括直径)从流入开口到小横截面区域减小的距离短于从该小横截面区域到流出开口增加的距离。后一种增加可由壳体或管的内壁实现，该内壁在小横截面区域与流出开口之间具有锥形形状。虽然已使用刀片单元(即，存在刀片单元本身)实现了减小的流动横截面，但是可使用壳体的内壁的特殊形状来实现另外的更平滑的减小。
20.优选地，将设备制成一体式设备，其优选地使用3d打印来实现。这允许设备具有非常简单并且机械上非常坚固的构造。例如，3d打印方法允许在设备或刀片单元内形成通道，如后面所更详细地描述的。
21.本发明还涉及一种生产用于将气体溶解到液体中的设备的方法，该设备优选地为根据本发明的所述的设备，该方法包括：提供具有用于液体的流入开口和用于液体的流出开口的壳体(优选地呈管的形式)，其包括将刀片单元布置在壳体内侧流入开口与流出开口之间的小横截面区域中，其中用于液体的流动横截面被制成在小横截面区域处小于在流入开口处；以及提供在该壳体外侧的气体入口以及在该壳体中的位于刀片单元的表面上的至少一个气体出口，使用通道将所述至少一个气体出口连接至气体入口。优选地，该设备使用3d打印来提供或生产。如果将设备制成或生产为单件式设备，则特别有利。
22.应当指出，该设备还可设置有若干组件，其中每个组件可使用3d打印来制造，随后彼此组合并且固定。这可以简化生产方法。一般来讲，3d打印作为一种制造机械部件的方法开启了设计和生产过去无法实现的部件的全新可能性。
23.用于设备的材料可为任何合适的能够与3d打印一起使用的塑性材料。但是，也可使用其他金属，例如不锈钢或铝。
24.本发明还涉及根据本发明的设备用于将气体溶解到液体中的用途，其中液体被引导通过壳体，其在流入开口处进入并且在流出开口处离开，并且其中气体在气体入口处提供。
25.相对于用于产生设备的方法以及该设备的用途的优点以及另外的优选实施方案，请参考上述方法的备注以避免重复。
26.上述设备，优选地用所提及的实施方案所述的设备，将能够规模化以适应市场上的标准化或定制管道或管尺寸所需的任意流量。例如，对于塑性管道(例如，高密度聚乙烯)，此类管道具有20mm至2.500mm范围内的外径尺寸。外径尺寸为2.500mm的管道在小于2m/s的液体速度下将具有高达30.000m3/h的液体流量的容量。这将是装置中的正常流量，在不使用本发明的设备的情况下，在封闭管道装置中使大的水流流过时，需要最大程度减小水头损失或压降以实现高效能源利用。
27.用于此类大型管道和水流的可扩展的在线气体溶解器设备将消除对外部泵送或任何旁路装置的需要。该设备还可以适用于较小尺寸的管道，例如，外径尺寸低至50mm的管道。
28.现在将参考示出优选实施方案的附图进一步描述本发明。
附图说明
29.图1示意性地示出一个优选实施方案中的根据本发明的设备。
30.图2在更详细的视图中示意性地示出作为图1的设备的一部分。
31.图3在另一视图中示意性地示出图1的设备。
32.图4示意性地示出一个优选实施方案中的根据本发明的设备的用途。
33.附图详细说明
34.在图1中，在剖视图中示出一个优选实施方案中的根据本发明的用于将气体溶解到液体中的设备100。设备100包括呈管的形式的壳体110，该壳体具有用于液体a(例如水)的流入开口111和用于液体a的流出开口112。在管的两端，可设置相应的凸缘115或凸缘116，以允许适当地串联安装液体导管等。当然，可以在没有凸缘的情况下使用其他安装方式，例如焊接至管道。
35.在管110内侧，布置刀片单元130，该刀片单元130包括具有中心孔的喷嘴131和具有呈刀片形式的横截面的四个连接元件132。虽然对于连接元件132几乎无法观察到该特定横截面(在图1中仅可见其中两个连接元件的横截面)，但是喷嘴131的壁的横截面可清楚地辨别为刀片形状。喷嘴相对于径向(即在管110的旋转轴线118上)居中地放置于管110中。
36.管110的壁或内壁117形成为使得内径或横截面在布置有刀片单元130的小横截面区域120处小于或窄于在流入开口111处和在流出开口112处。仅举例而言，示出小横截面区域120处的参考d1和流入开口111处的d2，以便示出不同的横截面区域，尤其是对于液体a的流动。
37.需注意所示的内壁117的形状，其包括在小横截面区域120与流出开口116之间的锥形形状以及在流入开口111与小横截面区域120之间的圆形形状，有助于改善“文丘里”效应并且以最佳方式引导液体。然而，内壁117的形状可省略锥形和/或圆形形状，即，管可具有普通的中空圆柱形形状。如前文所提及的，刀片单元130本身有助于减小流动横截面。
38.应当指出，小横截面区域120中的液体a的流动横截面(或者，一般来讲，在具有最窄横截面的区域或位置处)不仅由内壁117的直径限定，而且也受到刀片单元130的横截面的影响。
39.此外，一个或多个通道140设置在刀片单元130内侧，即，在喷嘴131内侧和连接元件132内侧，提供设置在管110外侧的气体入口141与设置在刀片单元130处的若干气体出口142之间的连接。有关气体出口142的更详细的视图，请参见图2。待溶解到液体a中的气体b可经由气体入口141被引入设备100中。然后可将气体b(例如，可为氧气)引导通过通道140而到达气体出口142，然后被引入或溶解到液体a中。
40.如前文所提及的，具有用于液体a的减小的流动横截面的设备的特定几何形状使得在刀片单元的表面处产生低静压，并且尤其是在气体出口142的位置处产生低静压，并且因此将气体b吸入液体a中。
41.在图2中，以更详细的视图示出作为图1的设备100的一部分的连接元件132的横截面。在连接元件132内测设置有通道140，该通道连接至(例如)两个气体出口142。
42.由于液体沿连接元件132(其具有刀片的形状)的曲面流动，因此在该连接元件132的表面处产生液体a的低压或低静压，并且尤其是在气体出口142的位置处产生低压或低静压。使用该低压，气体b被抽出气体出口142并且进入液体a中，使得其溶解到该液体a中。
43.气体出口142优选地设计为具有唇缘，或采用唇缘设计以使得气体b的最终出口被布置成避开液体a的流向。该唇缘尤其是在一个刀片几何形状的部分或整个长度上延伸。这
有助于在防止气体流出开口或相应通道产生任何潜在堵塞问题之外，改善气体b在液体a中的溶解。
44.还需注意，如图2所示的连接元件132或其横截面的取向相对于液体a的流向略微倾斜。这可以例如通过设计具有围绕图1的轴线118略微旋转的刀片形连接元件来实现。
45.此外，应当指出，图2中示出为连接元件132的示例的横截面也可适用于图1所示的喷嘴131的横截面。
46.在图3中，在顶视图中示出从图1的流入开口111沿轴线118观察到的图1的设备100。在该视图中，示出将喷嘴132连接至管110或其内壁的四个连接元件131。
47.在图4中，示出一个优选实施方案中的根据本发明的设备100的用途。液体a(例如水)可由罐200(或开放的集液箱)供应，并且应当经由导管205提供给另一个罐210(也可以是开放的集液箱)。为了将气体b(例如氧气)溶解到灌装或供应至罐210中之前的水a中，可使用例如图1至图3中所示的设备100。
48.设备100与导管205串联安装，并且氧气b经由管道225从气体储存和/或投配系统220供应到设备100的气体入口(在图4中未示出)。通过这种方式，氧气可非常有效地溶解到灌装到罐210中之前的水a中，如前所述。
49.优选地，设备100可与ep 2 008 513 b1中示出和描述的系统一起使用。尤其是，设备100可安装在ep 2 008 513 b1的图2中所示的挡板联接件上游的进水管的位置处。因此，ep 2 008 513 b1的图2中所示的箱将替换或用作本技术的图3中所示的罐210。
50.另外，设备100可与us 8 556 236 b2中示出和描述的系统一起使用。尤其是，设备100可集成在us 8 556 236 b2的图1中所示的管道4与管道7之间，替换气体溶解单元2。
51.在本文各种实施方案中所述的设备将允许将气体在线溶解到液体中，以低能耗实现大液体流量，并且将导致非常低的压降，该压降在特定流量范围内几乎没有显著增加，因为其采用用于压力恢复的喷射器设计(中心管嘴)。另外，它将消除对任何附加的泵装置的需要，因为它能够与主液流(参见例如图4)串联安装，仅依赖主液流提供的能量运行。
52.另外，此类设备可消除对需要空间或其他特定基础设施的外部装置的需要，实现将选定气体溶解到液流中。其可规模化以适应任何所需的液体流量，例如20m3/h至30000m3/h，并且可使用凸缘或任何其他接合系统在线安装到主管道和水流或液流中。
53.另外，该设备提供了增加封闭管道系统内部的任何液体的气体饱和度的可能，而与管道尺寸无关，并且由于从气体注入(气体入口)到注入点处的流动体积中间的输送距离较短，因此形成更快速的溶解/更高的气体在液体中的溶解效率。
54.由于轻微的转向液流(取决于相比于流向的刀片角度，如相对于图3所显示和描述的)导致在刀片之后更好地混合，因此能够提高气体在液体中的溶解效率。另外，它允许通过在非常低的能耗下将气体的微气泡引入刀片的翅片或后缘(由于“文丘里”效应)，将气体高效溶解到大水流中(操作压力损失通常在0.01 bar与0.05bar之间)。
55.该设备可由耐腐蚀性材料(例如塑料)制成，消除或减小维护成本并且延长使用寿命。它可以优选地通过3d打印作为完整单元或作为节段或单独组件来生产，以降低生产成本。尤其是，3d打印允许将结构设计为其中通过刀片处的孔或气体流出开口的气体通道能够在生产时集成到该单元中。这样无需生产需要进一步加工并且随后安装在一起以构成完整单元或设备的任何子部件。
56.另外，该设备能够在不使用特定外管的情况下生产，用于串联安装到大型构造中，例如安装到用于水产养殖的鱼箱水分配装置中，其中使用导管的现有管道或管作为如上文所述的设备的管。