[發(fā)明專利]用于改善氣液傳質(zhì)的氣體分散裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210353979.1
• 申請(qǐng)日: 2012-09-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103011378A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: V.P.德霍拉基亞;A.O.維斯特;D.L.小米切爾
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司
• 主分類號(hào): C02F1/78
• 分類號(hào): C02F1/78;C02F1/72
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 徐晶;楊思捷

背景技術(shù)

臭氧是一種有力的消毒劑且用以氧化來(lái)自飲用水的有機(jī)污染物，包括天然存在的產(chǎn)生味道和氣味的化合物。臭氧還用于來(lái)自廢水二次處理的流出物中以在作為間接飲用水再次使用或排放到水體中之前從水中除去痕量的有機(jī)污染物和內(nèi)分泌破壞化合物(EDCs)。EDCs可在例如藥物殘留物、殺蟲(chóng)劑和除草劑以及個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品的許多成分中見(jiàn)到。臭氧對(duì)于廢水的三次處理的該應(yīng)用比臭氧的其他用途發(fā)展更快，這歸因于水荒和對(duì)于EDCs對(duì)水生生物的影響的擔(dān)憂。對(duì)于涉及飲用水或城市廢水處理的大多數(shù)應(yīng)用，在排放到河流和湖泊中之前，典型的臭氧劑量在3mg臭氧/L水-5mg/L范圍內(nèi)。在這些應(yīng)用中的水流速取決于其供應(yīng)的人群且通常為約700m³/h或更大。用于處理工業(yè)廢水和用于諸如脫色的專門應(yīng)用的臭氧劑量為10mg/L至數(shù)百mg/L，但該水流速較低，為約150m³/h或更低。

對(duì)于通常在化學(xué)污染的地下水場(chǎng)所中見(jiàn)到的諸如MTBE、TCE、1,4-二氧六環(huán)等合成有機(jī)污染物，使用“提前氧化(advanced?oxidation)”方法來(lái)進(jìn)行水處理。該提前氧化方法組合了過(guò)氧化物和溶解于水中的臭氧以生成反應(yīng)性高的羥基，這些羥基自由基使頑抗的有機(jī)污染物氧化。羥基自由基通過(guò)水相中在臭氧和過(guò)氧化氫或催化劑之間的反應(yīng)生成。該提前氧化方法用以處理工業(yè)工藝水以便在成套設(shè)備中再次使用或者之后排放被污染的流出物到都市下水道或環(huán)境中。

臭氧氣體一般在基于電暈放電的發(fā)生器中由空氣或高純度氧氣生成。在氣相中臭氧的典型濃度視發(fā)生器功率和在用以產(chǎn)生臭氧的進(jìn)料氣中氧氣的濃度而為3-14%。對(duì)于有機(jī)污染物的氧化，基于臭氧的水處理方法取決于臭氧從氣相到水相的傳遞。對(duì)于水處理目的，已經(jīng)使用了各種方法來(lái)使臭氧從氣相傳遞到液相。

所有這些方法都取決于在氣液界面處產(chǎn)生混合或相對(duì)運(yùn)動(dòng)和在使臭氧從氣相傳遞到液相的工藝操作條件下臭氧的溶解度。選擇設(shè)備的關(guān)鍵準(zhǔn)則包括在操作期間消耗的能量、所要的臭氧劑量率、設(shè)備的成本和尺寸及臭氧傳質(zhì)效率。臭氧傳質(zhì)效率定義為在工藝期間引入的臭氧氣體溶解于水相中的百分?jǐn)?shù)。為了增加臭氧的傳遞量且因此增加臭氧傳質(zhì)效率，需要在高于常壓的操作壓力下使用約8%或更高(重量)的高濃度臭氧。該高臭氧濃度降低了在氣液混合裝置中必須處理的氣體的量且增加了臭氧在水中的溶解度。在高于常壓下操作該工藝也增加了臭氧在水中的溶解度。高臭氧濃度和較高操作壓力的組合效應(yīng)為增加的氣體傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力，這改善了臭氧傳質(zhì)效率。在來(lái)自該工藝的流出氣流中的殘留臭氧代表在臭氧發(fā)生器中浪費(fèi)的能量且引起氧氣成本增加。該流出氣流必須通過(guò)臭氧破壞單元以便除去未溶解的臭氧，隨后安全地將氣體排放到大氣中。

工業(yè)臭氧發(fā)生器通常在15psig-30psig?(103.4kPa-206.8kPa)的氣體壓力下生成臭氧。在較高壓力下，電暈放電發(fā)生器的能量效率和產(chǎn)生容量降低，使得在大于15psig?(103.4kPa)的壓力下生成臭氧的費(fèi)用更高。這將經(jīng)濟(jì)的臭氧氣體源限制到15psig?(103.4kPa)。利用在高氣體壓力下的較好的傳質(zhì)效率，基于文丘里噴射器的方法優(yōu)于其他方法之處在于在常壓或略高于常壓下操作。然而，文丘里噴射器自身提供臭氧從氣相到水的低溶解度。質(zhì)量傳遞大多在氣體由運(yùn)動(dòng)水流抽吸的喉部中發(fā)生。在噴射器的下游，混合效率低且僅提供有限的額外質(zhì)量傳遞。為了改善噴射器下游的臭氧溶解，使用了靜態(tài)混合器。該靜態(tài)混合器需要通過(guò)其的高流體速度以將氣體混合到水中，從而傳遞臭氧。所需要的最小速度對(duì)于靜態(tài)混合器具有特異性且產(chǎn)生混合器兩端的大壓降，因此增加了工藝的能量需求。

用于水處理目的的一種將臭氧從氣相傳遞到液相的已知方法為泡罩塔或盆式反應(yīng)器，泡罩塔或盆式反應(yīng)器包括大塔或盆和位于該塔或盆底部的多個(gè)氣體擴(kuò)散器。在一些實(shí)施方案中，該等氣體擴(kuò)散器可位于水下約15-20英尺(4.6-6.1米)。該塔或盆用被污染的水連續(xù)填充且臭氧氣體引入通過(guò)氣體擴(kuò)散器。臭氧氣體的細(xì)小氣泡在塔或盆中上升通過(guò)水，這在盆中提供混合和水的湍流且促進(jìn)臭氧溶解到水中(在本文中也稱作“臭氧傳遞”)。臭氧傳遞效率可通過(guò)從塔或盆的頂部捕集未溶解的臭氧并使其再循環(huán)和/或使臭氧通過(guò)使用擋板的一系列塔或盆來(lái)改善。根據(jù)臭氧劑量和盆設(shè)計(jì)，在一些實(shí)施方案中，盆的一部分或兩部分用于氣體噴霧，而剩余部分用于完成溶解氣體去除和對(duì)于該水所要的臭氧接觸時(shí)間(CT)。在達(dá)到所要的CT之后，將處理過(guò)的水從盆中除去。