[发明专利]用于将气体供给到液体中的系统和方法

说明书

本发明公开了一种系统1以及用于采用微孔膜14将诸如氧气之类的水溶性气体溶解到水中的方法。

技术领域

本发明涉及将气体供给到液体中，通常进行以促进气体或气体的一种或多种组分溶解到液体中。本发明在其中有用的应用的示例是淡水或海水的氧合以产生含氧水，该含氧水被传递到缸或保持围栏以维持存在于缸或围栏中的活鱼或使其生长。

背景技术

在许多商业应用中，期望促进气体溶解到液体中。此类应用的示例包括养鱼、饮料制造和废水处理。一般来讲，用于促进气体溶解到液体中的一种技术涉及将气体喷射到液体中，也就是说，使气体通过将气体以小气泡发射到液体中的装置。一些技术采用文丘里型装置，其中液体被推动通过具有会聚-发散横截面的装置以增加液体速度和湍流强度，其中气体流在经过装置时被供给到液体中。

气体和液体之间的表面张力可抑制注入的气体流分散成气泡。必须对气体和/或液体流施加动能、势能或湍流混合形式的能量以克服表面张力并将气体流或大气泡分散成较小的气泡。虽然大气泡容易破裂，但表面积与体积比与气泡半径成反比关系。需要增加能量强度来克服较大气泡的表面张力以形成更细小的气泡。因此，这些常规技术需要显著的能量和湍流强度来生成更细小的气泡。

已知的技术遇到压降以及需要高能量输入的其他操作约束，而不一定产生令人满意的结果。本发明提供了改进的溶解结果，同时需要更加少的能量。

发明内容

在一个方面，本发明包括用于将水溶性气体供给到含水液体中的装置，该装置包括导管，该导管具有入口、出口、以及喉管段，该喉管段密封到入口的下游端并且密封到出口的上游端，该喉管段限定液体可通过其从入口流动到出口的流动通道，其中喉管段的内表面的一部分或全部包括固体膜的平滑微孔排出面，气体可通过该微孔排出面从膜的内部传递出膜进入喉管段中的流动通道，膜还具有外部面，气体可通过该外部面从喉管段外部传递到膜中，而气体除了通过排出面之外不能够进入喉管段，该装置还包括外部壳体，该外部壳体限定围绕膜的外部面的室；以及外部壳体中的至少一个端口，气体可通过该端口传递到室中，其中气体可仅通过膜传递到喉管段中的流动通道中。

在装置的一个优选实施方案中，喉管段的所有壁由所述膜的所述微孔排出面构成。

在另一个优选实施方案中，导管还具有入口段和出口段，该入口段的横截面积沿朝向喉管段的方向会聚，该出口段的横截面积沿远离喉管段的方向发散。优选的是，从入口段的会聚段到膜供给面的过渡，以及从喉管段到发散排出段的过渡是平滑的，没有台阶或锋利边缘，从而最小化由于生成湍流和涡流而产生的压降。

在另一方面，本发明包括(a)将含水液体供给到导管的入口中，该导管具有入口、出口、以及喉管段，该喉管段限定入口和出口之间的流动通道，液体通过该流动通道从入口流动到出口；

其中喉管段的内表面包括固体微孔膜的平滑微孔排出面，气体可通过该微孔排出面从膜的内部传递出膜进入喉管段中，其中排出面由至少95％的直径小于200微米的孔构成；

其中液体以一定流速供给到入口中，使得膜的排出面处的液体的速度V_SW由以下等式确定

其中Vsw是排出面处的液体的速度，N是1至1,000的无量纲数，ρ是以Kg/m³计的液体密度，σ是以Newton/m计的液体表面张力，并且d为20微米至5,000微米；以及

(b)将水溶性气体供给到膜中并且通过膜离开喉管段中的膜的微孔排出面进入流过喉管段的液体中，气压足够高以使得气体传递到膜中并且通过膜传递到液体中，其中传递到液体中的气体在膜表面处形成气泡，流动的液体将气泡从膜表面吹扫掉，并且气体溶解到液体中。

本发明的其他方面包括用于将水溶性气体供给到含水液体中的方法，该方法包括