用于制造气体的方法和气体制造装置与流程

1.本发明涉及一种用于将气体导入到液体中的方法，其中以顺序脉冲的方式用气体填充布置在液体表面下方并由液位沿向下方向限定的气体容积，其中气体同时将液体从顶部向底部排出气体提升通道，直到液位下降到气体流出通道的入口横截面下方，其中气体随后向下通过气体上升通道从气体容积中流出，偏转部分在底部邻接气体上升通道，沿向上的方向通过入口横截面并通过在顶部处邻接入口横截面的气体流出通道到达表面，其中液体的阻塞流流过气体提升入口下方的补偿入口到达入口横截面，并且被气体夹带，直到液体填充偏转部分，从而关闭气体的入口横截面。
2.本发明还涉及一种气体导入装置，该气体导入装置包括由上壁和侧壁限定的向下开口的气体收集室、用于将气体导入气体收集室的气体入口、用于通过提升气体来排空气体收集室的气体提升通道，其中气体提升通道包括在气体收集室的顶部上的气体提升入口、在气体提升通道的底部处的偏转部分、在偏转部分的顶部处的入口横截面(其中气体流出通道邻接在偏转部分的顶部处)、以及在气体提升器入口下方的补偿入口，其中补偿入口可朝向入口横截面流动。


背景技术：

3.从us2015/0265973a1、cn 104084049a和cn 105854619a已知一种通用方法和一种通用气体导入装置。
4.已知的方法和已知的气体导入装置被构造成用于将气体导入可以在例如膜生物反应器(mbr)中找到的膜过滤器中。气体导入装置位于膜过滤器的下方，并被供给基本上恒定的空气容积流量，然后空气容积流量以脉冲形式流出气体导入装置。
5.为了防止过滤的物质堵塞膜，将空气从下方导入膜过滤器。在朝向液体表面的路径上，气体流过安装在气体导入装置顶部的薄膜过滤器。因此由待过滤的空气和液体形成的两相流产生的剪切力冲洗膜。
6.液体的脉冲出口产生比连续气体导入更高的剪切力，同时防止空气的沟流，这意味着上升的气泡总是必须重新形成，因此总是找到通过膜过滤器的新路径。
7.恒定地供应空气并以脉冲形式排出空气的气体导入装置也被称为喷泉(geyser)。
8.当气体通过连通管的原理流出气体导入装置时，积聚在气体收集室中的气体容积通过连接到入口横截面的气体提升通道被夹带，使得气体收集室基本排空。
9.在气体收集室的排空过程中，流出的气体容积流量通过补偿入口抽吸液体并利用气升泵作用通过流出通道输送液体。这具有的优点是，在排空气体收集室之后，气体容积流量下降得更快，从而可以用更高的气体流量操作气体导入装置。
10.已知的气体导入装置的补偿入口的构造具有以下缺点，即气体收集室的排空过程不能在低的气体供给容积流量下开始，因为它们需要例如用于膜过滤器的低过滤性能以节省能量，因为由于与液体的开放连接而不能再产生足够的抽吸作用，其中抽吸作用将排空气体收集室。在这种情况下，少量空气流过气体流出通道而没有脉动，使得导入的空气的清
洁能力显著降低。
11.在已知的气体导入装置中，必须在补偿入口的尺寸方面找到折衷方案。然而，这种折衷的结果是空气容积流导入的部分受到限制。当气体容积流量过小时，气体收集室的排空不会启动，而当气体容积流量过大时，排出的气体容积流量不会停止。在这两种情况下，这意味着喷泉停止脉动，这显著降低了对膜的冲洗效果。
12.根据已知的方法，补偿入口在任何操作点都是液体连通的，使得气体容积流量供给的变化由于所述的影响而受到限制。
13.因此，尤其是在城市生物废物处理设备领域中的膜生物反应器通常以高度可变的通过量(through put)操作，该通过量在雨天或干燥期间可根据供给废物处理设备的水而经受大的变化。因此，应当理解，操作膜生物反应器的基本经济方面是它们向膜组件供应空气的能量需求。原则上，对膜组件的冲洗空气的需求是其通过量的函数，因为由膜保持的固体的容积以及由此膜过滤器的冲洗需求也随着通过量的增加而增加。
14.从能量和经济的观点来看，希望能够使导入的冲洗空气的容积可变地适应膜过滤器的通过量。
15.这示出了已知气体导入装置的限制，因为该装置只能在供给气体容积流量的有限变化范围内操作，使得其以稳定的方式脉动。
16.在wo 2016/064466 a(koch膜系统)、us 2009/0194477 a1(asahi kasai)、us 10,179,311b2(sumitomo electric)、cn 10451998b(samsung cheil industries)、kr 20190002717 a(mitsubishi chemical)和wo 2011/028341 a1(zenon technology partnership)中描述了通用的气体导入装置，这些装置不包括补偿入口并且因此只能以脉动方式在相当小的气体容积进料下操作。


技术实现要素：

17.目的
18.因此，本发明的目的是提出一种气体导入装置，其在气体容积流量供给的宽变化范围内以稳定的方式脉动。
19.解决方法
20.根据本发明提出了对已知方法的改进，气体仅在液位下降到入口横截面以下之后才流过气体出口通道，最初只有气体流过气体出口通道，直到液位上升到补偿入口以上，随后阻塞流才通过补偿入口到达入口横截面。
21.这意味着根据本发明的方法，在气流开始流过气体出口通道时，补偿通道处于气体连通，这意味着补偿通道处于充满气体的收集室中。这确保了即使在极低的气体容积流量下也可靠地开始气体容积的排空，因为没有液体流动限制了气体抽吸作用，并且因此限制了气体容积的提升和排空。
22.根据本发明的方法，气体导入装置中的液位在气体容积排空期间再次升高，其中气体容积被从下方流入的液体置换。因此，液位在补偿入口上方的某个时间点上升，并使补偿入口进入液体连通。从此时起，在出口通道中上升的气体的抽吸作用导致液体的阻塞流通过补偿入口并流向入口横截面。液体的这种阻塞流被气体夹带，直到液体填充偏转部分从而填充入口横截面，并因此像气体的阀一样关闭。
23.因此，根据本发明的方法确保了气体的流出在一个时间点被中断，此时即使在高气体容积进料时气体容积基本上被抽空，并且气体容积可以被再次填充。因此，在高气体容积流量供给下也确保了气体的脉动。
24.根据本发明的方法有利地用于在膜过滤器中过滤液体的过程中，该膜过滤器浸没在液体中并且包括膜，其中气体从下方导入到膜过滤器中以清洁膜，并且根据本发明的方法流过流出通道，然后导入到膜过滤器中。
25.因此，根据本发明的方法具有以下优点：基本上恒定的气体容积流量供给在宽范围内是可变的，并且然后以稳定的脉动方式被导入到膜过滤器中。因此，通过膜过滤器的脉动气体容积流量可以在过滤性能变化的宽范围内适应相应的过滤性能。
26.根据本发明的气体导入装置与布置在其上的薄膜过滤器的组合具有以下优点：薄膜过滤器还可以以脉动方式可靠地操作，具有可变的过滤功率和可变的气体容积流量，使得可以在低能耗下实现薄膜的有效冲洗。
27.根据本发明提出了对已知的气体导入装置的改进，补偿入口位于入口横截面的高度处或位于入口横截面的上方。
28.因此，补偿入口位于上壁之下和入口横截面之上或位于入口横截面的相同高度处。因此，当气体收集室充满气体时，补偿入口是气体连通的，并且当气体收集室排空时，补偿入口是流体连通的。这对于喷泉过程的启动和停止过程具有上述优点，间歇泉过程提供了气体收集室的脉动排空和再填充。
29.在根据本发明的气体导入装置的简单构造中，补偿入口通向气体提升通道。由于在这种情况下液体被直接导入到气体提升通道中的高的向下流动的气体容积流量中，因此通过气体的夹带作用相对较高，这限制了气体容积流量供给的增加。这种作用可以通过增加补偿入口来抵消，然而这导致在向下方向上的气体体积流量的限制，使得补偿入口上方的气体体积不被排空。
30.在根据本发明的气体导入装置的另一实施例中，补偿通道在朝向偏转部分的方向上连接补偿入口。补偿通道使补偿入口的位置和液体阻塞流导入离开气流的位置分离，这导致气体容积供给变化的扩展。
31.在气体导入装置的有利实施例中，补偿通道平行于气体提升通道通向偏转部分。因此，导入阻塞液体流的位置尽可能向下移动。这具有这样的的优点，液体与气体容积流分别被精确地引导到液体将产生对气体的阻塞效果的位置，这有助于在较高气体容积流供给时也阻止气体流出。
32.通过根据本发明的气体导入装置的替代构造，可以甚至进一步增加气体容积流量供给，同时可靠地保持脉动，其中补偿入口的横截面大于补偿通道的最小横截面，以用于所述气体提升通道的补偿通道与偏转部分的平行连接。这增加了液体的阻塞流动，并且还在较高的气体容积流量供给下提供了气体的入口横截面的更快速和更可靠的关闭。
33.本发明还涉及一种具有膜和布置在膜下方的气体导入装置的膜过滤器，该气体导入装置根据本发明的特征构造。
34.因此，薄膜过滤器可以构造成具有各种类型的薄膜，例如中空纤维薄膜、板状薄膜、垫状薄膜或连接到帘中的中空纤维薄膜。膜有利地来自孔径为0.02μm-1μm的超滤或微滤膜。然而，还有其他膜或低压反渗透。
35.在根据本发明的具有布置在其下方的气体导入装置的膜过滤器的另一实施例中，膜过滤器包括壳体，该壳体横向地包封膜并从上方连接气体导入装置，其中气体导入装置包括液体流动通道，该液体流动通道垂直地穿透气体收集室，以便使流体从下方流入膜过滤器。
36.具有根据本发明的气体导入装置的膜过滤器的这种构造的优点在于，导入到膜过滤器中的气体由于到膜过滤器中的气体不能离开膜过滤器，因此气体有效地用于冲洗膜。由于在用气体冲洗薄膜的过程中，薄膜过滤器内的液体容积也必须被替换，以便防止浓缩薄膜过滤器中被薄膜保持的物质，所以气体导入装置包括液体流动通道，该液体流动通道垂直地穿透气体收集室，用于将底部的液体导入薄膜过滤器。
37.在根据本发明的气体导入装置的有利实施例中，与安装在其上的薄膜过滤器相结合，薄膜过滤器的壳体构造成管道。这种类型的管道可以具有圆形、矩形或任何横截面。这种管道的优点是例如通过挤出的成本有效的生产。
38.为了将从气体导入装置导入的空气分配到膜式过滤器中，根据本发明的气体导入装置的一个实施例与安装在其上的膜式过滤器的组合包括在薄膜下面的气体分配器，其中流出通道通向气体分配器。
39.因此，根据本发明的气体导入装置的特征在于，流动通道部分地或完全地由气体导入装置的壳体的壁形成。在这些流动通道中有流出通道、气体提升通道、补偿通道和偏转部分。
40.在构造根据本发明的气体导入装置时，可以不同地构造气体入口。在第一实施例中，气体入口作为气体导入装置的单独部分安装在气体收集室下方。在另一实施例中，气体入口穿透气体收集室的上壁或侧壁，并作为与壁连接的气体导入装置的一部分通向气体收集室。根据本发明的气体导入装置也可替代地用于将气体脉冲导入其他液体中。
附图说明
41.随后参考附图基于有利的实施例更详细地描述本发明，其中
42.图1a-i以横截面图示出了根据本发明的第一气体导入装置中的根据本发明的第一方法的工艺步骤；以及
43.图2-6示出了根据本发明的其他气体导入装置的横截面图。
44.附图未按比例绘制。随后描述的方法或气体导入装置的所有细节与上述根据本发明的气体导入装置的实施例相同。
具体实施方式
45.图1a示出了使用根据本发明的第一气体导入装置3将气体1导入液体2的根据本发明的第一方法的工艺步骤，图示为横截面图。
46.气体导入装置3包括气体容积6，该气体容积6布置在液体2的表面4下方并由液体2的液位5沿向下方向限定。气体容积6布置在由上壁8和侧壁9限定的气体收集室7中。通过安装在气体收集室7下方并与气体收集室7分离的气体入口10，气体1被导入气体收集室7中，从而填充气体容积6，使得液体2的液位5下降。因此，在气体收集室7中的液体2在该时间点通过向下流入气体1而依次移动，并由气体1代替。
47.根据本发明的气体导入装置包括偏转部分11，该偏转部分11包括顶部上的入口横截面12，其中气体流出通道13连接顶部上的入口横截面。气体提升通道14和补偿通道15通向偏转部分11。气体提升通道14包括在气体收集室7的顶部中的开口的气体提升入口16，并且补偿通道15包括在气体收集室7中的上壁8下方的补偿入口17，其中补偿入口17的横截面的尺寸大于补偿通道15的最小横截面。此外，气体出口通道13穿透上壁8。
48.图1b-1d示出了用气体1对气体收集室7的额外填充，以及因此对气体容积6的额外填充和液体2的液位5的额外降低。如图1b所示，当填充气体容积6时，气体1从上方通过气体提升入口16移动到气体提升通道14中，使得气体提升通道14顶部向下填充有气体1。
49.在图1c中，液位5已经下降到补偿入口17的下方，并且气体1从上方移动到补偿通道15中。在图1a-1c中所示的方法步骤期间，气体流出通道13保持充满流体2，这意味着没有气体流出气体导入装置3。
50.在图1d中，液体2的液位5已经下降到入口横截面12以下。从此时起，气体1通过气体提升通道14和补偿通道15以向下的方向流出气体容积6到达偏转部分11，然后通过入口横截面12和随后的气体流出通道13到达表面4。
51.图1e示出了气体收集室7中的气体容积6如何被流出气体1减小。因此，从气体收集室7流出的气体1被从下面流入的液体2依次替换，使得液体2的液位5再次上升。
52.通过气体流出通道13流出的气体1在气体流出通道13中邻接的气体提升通道14和补偿通道15中产生真空。由于气体提升入口16以及补偿入口17在此时被布置在气体收集室7中填充有气体1的气体容积6中，所以最初只有气体1流过由所产生的抽吸引起的气体出口通道13。
53.图1f示出了液体2的液位5到达补偿入口17的时刻。直到此时，只有气体1流过气体出口通道13。
54.图1g示出了在液位5由于通过气体提升通道14流出的气体而进一步增加的过程中，补偿入口17如何充满流体2。
55.图1h示出了液体2的阻塞流18如何通过从气体流出通道13流出的气体1的抽吸作用而被夹带穿过补偿入口17，使得液体2的阻塞流18流过补偿通道15到达入口横截面12并且被流出的气体1夹带，直到液体2的阻塞流18填充图1i中的偏转部分11并且像阀一样关闭气体1的入口横截面12。
56.图2示出了根据本发明的具有侧壁20的另一气体导入装置19，该侧壁20构造为具有12cm边长的矩形通道。此外，这里有补偿入口21，其位于气体收集室23中上壁22下方约6cm处，并且也设置在入口横截面24上方。在这种情况下，补偿入口21直接通向气体提升通道25。
57.图3a-3c示出了大部分部件上相同的三个气体导入装置26、27、28。在这种情况下，流出通道29以及气体提升通道30基本上布置在侧壁31的外侧，其中根据本发明，气体提升入口32和补偿入口33通向侧壁31内的气体收集室34。此外，补偿通道35邻接补偿入口33，其中补偿通道通向气体提升通道30。在这种情况下，气体提升通道30和补偿通道35穿透侧壁31。
58.变型3a至3c的不同之处仅在于气体入口36、37和38的定位。在变型3a中，气体入口36与第一气体导入装置3一样单独位于气体收集室34下方。在变型3b中，进气口37穿透上壁
39，而在变型3c中，进气口38穿透侧壁40。在根据本发明的所有气体导入装置中，气体入口36、37、38的不同图示位置原则上是可能的，因此在一些附图中没有详细图示。
59.图4示出了根据本发明的另一气体导入装置41，其中流出通道42和入口横截面43完全位于气体收集室44的外部，其中从下方邻接偏转部分45的气体提升通道46布置在气体收集室44内，从而穿透侧壁47。
60.而且，在根据本发明的气体导入装置41中，补偿通道49邻接补偿入口48，其中补偿通道49通向气体提升通道46，并因此可向上流动至入口横截面43。
61.在这种情况下，补偿通道49垂直延伸并进一步向下通向气体提升通道46。
62.图5以横截面图示出了根据本发明的另一气体导入装置50。这里，气体收集室51由直径大约为17cm的圆形管状侧壁52限定，其中气体流出通道53位于中心，该气体流出通道53穿透上壁54。气体流出通道53包括底部处的入口横截面，该入口横截面与底部处的偏转部分56邻接。气体提升通道57从上方通向偏转部分，其中气体提升通道在这种情况下被配置为气体流出通道53的外壁58与从下方置于气体流出通道53上方的钟状物59之间的环形间隙。气体提升通道57包括在顶部的环形开口气体提升入口60。补偿通道61在钟状物59的底部邻接偏转部分56，其中补偿通道61的补偿入口62通向气体收集室51。
63.气体流出通道53在底部包括入口横截面55。
64.其中偏转部分56邻接入口横截面55。
65.图6示出了安装在膜过滤器64下方的根据本发明的另一气体导入装置63的横截面图。气体导入装置63具有由侧壁66横向限定的气体收集室65，侧壁66构造成具有20cm横向宽度的矩形管。气体收集室65沿向下的方向开口，气体入口67布置在气体收集室65下方，并构造成在操作期间用气体填充气体收集室65。气体提升入口69在上壁68下方的顶部通向气体收集室65，其中气体提升通道70邻接气体提升入口69。气体提升通道70在底部通向偏转部分71，该偏转部分71与顶部上的入口横截面82邻接。偏转部分71在底部穿过侧壁66。气体出口通道73连接到顶部的入口横截面72。另外，气体导入装置63包括布置在侧壁66内的补偿通道74。补偿通道74包括在气体收集室65顶部的补偿入口75，并在底部通向偏转部分71。
66.膜过滤器64包括构造成中空纤维膜77的膜76，该中空纤维膜77在底部浇铸到基座元件78中。基座元件78包括渗透物收集室79，其中中空纤维膜77以开放室侧连接到渗透物收集室，以便从中空纤维膜77的室中抽出滤液。中空纤维膜77在顶部单独封闭，并由外壳80横向包封，外壳80构造成矩形管81，其具有与侧壁66相同的横截面尺寸，并在顶部邻接侧壁66。在基部元件78下方，膜过滤器64包括气体分配器82，其中气体流出通道73通向气体分配器82。气体导入装置63包括垂直穿透气体收集室65和上壁68的液体流动通道83，以便使液体流入薄膜过滤器63的底部。气体导入装置63和膜过滤器64的组合共同形成过滤装置84。
67.附图标记和名称
68.1 气体
69.2 液体
70.3 气体导入装置
71.4 表面
72.5 液位
73.6 气体容积
74.7 气体收集室
75.8 上壁
76.9 侧壁
77.10 气体入口
78.11 偏转部分
79.12 入口横截面
80.13 气体流出通道
81.14 气体提升通道
82.15 补偿通道
83.16 气体提升入口
84.17 补偿入口
85.18 阻塞流
86.19 气体导入装置
87.20 外侧壁
88.21 补偿入口
89.22 上壁
90.23 气体收集室
91.24 入口横截面
92.25 气体提升通道
93.26 气体导入装置
94.27 气体导入装置
95.28 气体导入装置
96.29 气体流出通道
97.30 气体提升通道
98.31 外侧壁
99.32 气体提升入口
100.33 补偿入口
101.34 气体收集室
102.35 补偿通道
103.36 气体入口
104.37 气体入口
105.38 气体入口
106.39 上壁
107.40 侧壁
108.41 气体导入装置
109.42 气体流出通道
110.43 入口横截面
111.44 气体收集室
112.45 偏转部分
113.46 气体提升通道
114.47 侧壁
115.48 补偿入口
116.49 补偿通道
117.50 气体导入装置
118.51 气体收集室
119.52 外侧壁
120.53 气体流出通道
121.54 上壁
122.55 入口横截面
123.56 偏转部分
124.57 气体提升通道
125.58 外壁
126.59 钟状物
127.60 气体提升入口
128.61 补偿通道
129.62 补偿入口
130.63 气体导入装置
131.64 膜过滤器
132.65 气体收集室
133.66 侧壁
134.67 气体入口
135.68 上壁
136.69 气体提升入口
137.70 气体提升通道
138.71 偏转部分
139.72 入口横截面
140.73 气体出口通道
141.74 补偿通道
142.75 补偿入口
143.76 膜
144.77 中空过滤膜
145.78 基部元件
146.79 渗透物收集室
147.80 壳体
148.81 管
149.82 气体分配器
150.83 液体流动通道
151.84 过滤装置