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CN110479127B - 一种微纳米泡发生装置及生成微纳米泡的方法 - Google Patents

一种微纳米泡发生装置及生成微纳米泡的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微纳米泡发生装置及生成微纳米泡的方法，加压水通过流体喷射管的喷口形成高速射流，依靠水边界层与气体间的粘滞作用，将气体从进气管带入前喉管，气液相间碰撞产生剪切力，在发泡管中气体被压缩形成微米级气泡；含微米级气泡的气液两相流从发泡管进入导流片，形成切向旋流进入回旋压缩管，部分尺寸较大的微气泡撞击到导流片破灭，混合流体在回旋压缩管内沿管壁的螺旋槽高速回旋压缩，切割形成微纳米泡；再经过后喉管进入扩散管，含微纳米泡的混合流体进行二次切割形成尺寸更小的微纳米泡出流释放。流体通过高紊流的射流、旋流、切割与压缩过程，形成了尺寸小、比表面积大、动量大以及携氧能力强的高活性微纳米泡。

Description

一种微纳米泡发生装置及生成微纳米泡的方法
技术领域
本发明涉及矿物浮选和污水气浮处理领域，具体涉及一种微纳米泡发生装置及生成微纳米泡的方法。
背景技术
通常将尺寸为1～50μm气泡称为微米泡，尺寸在1μm以下气泡称为纳米泡，两者统称为微纳米泡。微纳米泡具有独特物理化学特性，如相同尺寸下微纳米泡具有更大表面积，在介质中停留时间长，携氧能力强，气液传质率高、界面点位高、活性更高以及能自发产生自由基等。
微纳米泡制造技术是指将气体以微米或纳米级气泡的状态快速分散在水体中，微纳米泡制造方式主要为加压溶气法、电解析出法以及超声空化法。文献报道了采用200μm的金属微纤维编制成的网状电极在水中电解得到了平均尺寸为777nm的微纳米泡；对自吸式射流器装置进行改进，在管路中间设一个小球体，将气体从球后管壁上微孔吸人，在管中受高速水流剪切作用形成微纳米泡；使用离心多相泵和针形阀通过水力空化法在高速率下制造平均直径为150～200nm的微纳米气泡。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳米泡发生装置，可以制造尺寸细小且分散均匀的微纳米泡。
本发明的另一目的是提供由上述微纳米泡发生装置生成微纳米泡的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种微纳米泡发生装置，包括顺次连通的前喉管、发泡管、回旋压缩管、后喉管及扩散管，所述前喉管的进口端与气液混合室连通，所述气液混合室上设有进气管及流体喷射管，所述流体喷射管与所述进气管垂直设置，所述流体喷射管的轴线与所述发泡管的轴线重合，在所述发泡管的末端管壁内固定有导流片，所述的导流片为中心对称的分布均匀的至少三片扇叶形构件；在所述回旋压缩管内设有相同直径的螺旋槽，螺旋槽直径在2～4mm，
所述气液混合室呈圆柱圆锥形，所述发泡管呈圆柱形，所述气液混合室的圆柱段直径大于所述发泡管的直径，所述回旋压缩管和所述扩散管的纵截面均呈锥形，回旋压缩管的收缩角α在11°～14°之间，扩散管的扩散角β在50°～60°之间。
优选的，所述流体喷射管的喷口为锥角γ在15°～20°之间的锥形喷口。
优选的，相邻的所述扇叶形构件间角度θ在30°～60°之间。
优选的，所述前喉管、发泡管、回旋压缩管、后喉管及扩散管的纵向长度比为1：5～6：5～6：1：1。
优选的，所述流体喷射管的喷口锥形段的长度与所述气液混合室的整体长度相同，引射流体进入前喉管。
本发明还提供利用上述微纳米泡发生装置生成微纳米泡的方法，包括以下步骤：
加压水通过流体喷射管的喷口形成高速射流，从而在气液混合室内形成负压，将空气由进气管吸入，依靠水边界层与气体间的粘滞作用，将气体从进气管带入前喉管，水流在前喉管处由于管体横截面的缩小导致压力能逐渐向动能转化，流速加快，气液两相在前喉管形成了强烈的紊动能，在发泡管中湍流将气体剪切、撕裂、掺混形成大量微米级气泡；
含微米级气泡的气液两相流从发泡管进入导流片，形成切向旋流进入回旋压缩管，部分尺寸较大的微气泡撞击到导流片破灭，混合流体在回旋压缩管内沿管壁的螺旋槽高速回旋压缩，并通过气液相间碰撞产生的剪切力进行切割，形成微纳米泡；
再经过后喉管进入扩散管，由于扩散管横截面的突然增大，导致流速减慢，含微纳米泡的混合流的动能逐渐转化为压力能，通过气液相间碰撞形成涡流而产生的剪切力，进行二次切割形成尺寸更小的微纳米泡出流释放。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的微气泡发生装置结构简单，流体通过高紊流的射流、旋流、切割与压缩过程，形成了尺寸小(平均尺寸为1.74μm)、比表面积大、动量大以及携氧能力强的高活性微纳米泡。在油田压裂返排液介质中，在30min时间内，微纳米泡携氧由1.67mg/L提高到2.99mg/L，常规气泡携氧由1.67mg/L提高到2.43mg/L，携氧能力高出33.53个百分点；在60min时间内，微纳米泡携氧由1.67mg/L提高到3.57mg/L，常规气泡携氧由1.67mg/L提高到2.79mg/L，携氧能力高出46.7个百分点。
附图说明
图1是本发明的微纳米泡发生装置结构示意图。
图2是2000×倍数下高倍率大纵深显微镜检测的微纳米泡。
图3是3000×倍数下高倍率大纵深显微镜检测的微纳米泡。
图4是4000×倍数下高倍率大纵深显微镜检测的微纳米泡。
图5是5000×倍数下高倍率大纵深显微镜检测的微纳米泡。
图中：1-流体喷射管；101-喷口；2-气液混合室；3-进气管；4-前喉管；5-发泡管；6-导流片；7-回旋压缩管；701-螺旋槽；8-后喉管；9-扩散管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种微纳米泡发生装置，包括顺次连通的前喉管4、发泡管5、回旋压缩管7、后喉管8及扩散管9，所述前喉管4的进口端与气液混合室2连通，所述气液混合室2上设有进气管3及流体喷射管1，所述流体喷射管1与所述进气管3垂直设置，所述流体喷射管1的轴线与所述发泡管5的轴线重合。在所述发泡管5的末端管壁内固定有导流片6，所述的导流片6为中心对称的分布均匀的至少三片扇叶形构件；优选的，相邻的所述扇叶形构件间角度θ在30°～60°之间；导流片6用于击破部分尺寸较大的微气泡，同时将气液混合流的冲击力分解产生一个沿发泡管5切线方向的力，切入回旋压缩管7。在所述回旋压缩管7内设有相同直径的螺旋槽701，螺旋槽701直径在2～4mm。
所述气液混合室2呈圆柱圆锥形，所述发泡管5呈圆柱形，所述气液混合室2的圆柱段直径大于所述发泡管5的直径，所述回旋压缩管7和所述扩散管9的纵截面均呈锥形，回旋压缩管7的收缩角α在11°～14°之间，使流体产生沿边壁的旋流，增强湍流耗散率，提高气液相间传质效率，扩散管9的扩散角β在50°～60°之间，增强气液相间切割效应，增大气液相间剪切作用范围，所述流体喷射管1的喷口101为锥角γ在15°～20°之间的锥形喷口，有利于形成高速射流。
所述前喉管4、发泡管5、回旋压缩管7、后喉管8及扩散管9的纵向长度比为1：5～6：5～6：1：1。
所述流体喷射管1的喷口101锥形段的长度与所述气液混合室2的整体长度相同，引射流体进入前喉管4。
上述微纳米泡发生装置的工作过程如下：加压水通过流体喷射管1的喷口101形成高速射流，从而在气液混合室2内形成负压，将空气由进气管3吸入，依靠水边界层与气体间的粘滞作用，将气体带入前喉管4，水流在前喉管4处由于管体横截面的缩小导致压力逐渐向动能转化，流速加快，气液两相在前喉管4形成了强烈的紊动能，在发泡管5中湍流将气体剪切、撕裂、掺混形成大量微米级气泡；
含微米级气泡的气液两相流从发泡管5进入导流片6，形成切向旋流进入回旋压缩管7，部分尺寸较大的微气泡撞击到导流片6破灭，混合流体在回旋压缩管7内沿管壁的螺旋槽701高速回旋压缩，并通过气液相间碰撞产生的剪切力进行切割，形成微纳米泡；
再经过后喉管8进入扩散管9，由于扩散管9横截面的突然增大，导致流速减慢，含微纳米泡的混合流的动能逐渐转化为压力能，通过气液相间碰撞形成涡流而产生的剪切力，进行二次切割形成尺寸更小的微纳米泡出流释放。
微纳米泡尺寸检测采用清水试验。
将一定体积清水置于玻璃水槽中，启动分别与微纳米泡产生装置和玻璃水槽连接的离心泵，通过微纳米泡产生装置制造微纳米泡。检测时，将一载玻片放入玻璃水槽中，使产生的微纳米泡附着于载玻片上。静置数分钟后将载玻片取出，采用高倍率大纵深显微镜分别在2000×、3000×、4000×和5000×倍数下对载玻片上附着的微气泡进行观测。如图2-图5所示，所观测到的微泡尺寸均小于5μm，平均尺寸为1.74μm，最大气泡直径为4.42μm，最小气泡尺寸为780nm。尺寸为1～2μm气泡的数量占比为73.76％，尺寸为3～5μm气泡数量占比为4.95％。
微纳米泡携氧能力实验。
在油田压裂返排液介质中，在30min时间内，微纳米泡携氧由1.67mg/L提高到2.99mg/L，常规气泡携氧由1.67mg/L提高到2.43mg/L，携氧能力高出33.53个百分点；在60min时间内，微纳米泡携氧由1.67mg/L提高到3.57mg/L，常规气泡携氧由1.67mg/L提高到2.79mg/L，携氧能力高出46.7个百分点。

Claims (4)

1.一种微纳米泡发生装置，其特征在于，包括顺次连通的前喉管（4）、发泡管（5）、回旋压缩管（7）、后喉管（8）及扩散管（9），所述前喉管（4）的进口端与气液混合室（2）连通，所述气液混合室（2）上设有进气管（3）及流体喷射管（1），所述流体喷射管（1）与所述进气管（3）垂直设置，所述流体喷射管（1）的轴线与所述发泡管（5）的轴线重合，所述流体喷射管（1）的喷口（101）为锥角γ在15°~20°之间的锥形喷口，喷口（101）锥形段的长度与所述气液混合室（2）的整体长度相同，在所述发泡管（5）的末端管壁内固定有导流片（6），所述的导流片（6）为中心对称的分布均匀的至少三片扇叶形构件，在所述回旋压缩管（7）内设有相同直径的螺旋槽（701），螺旋槽（701）直径在2~4mm，
所述气液混合室（2）呈圆柱圆锥形，所述发泡管（5）呈圆柱形，所述气液混合室（2）的圆柱段直径大于所述发泡管（5）的直径，所述回旋压缩管（7）和所述扩散管（9）的纵截面均呈锥形，回旋压缩管（7）的收缩角α在11°~14°之间，扩散管（9）的扩散角β在50°~60°之间。
2.根据权利要求1所述的一种微纳米泡发生装置，其特征在于，相邻的所述扇叶形构件间角度θ在30°~60°之间。
3.根据权利要求1所述的一种微纳米泡发生装置，其特征在于，所述前喉管（4）、发泡管（5）、回旋压缩管（7）、后喉管（8）及扩散管（9）的纵向长度比为1：5~6：5~6：1：1。
4.一种利用权利要求1至3任一项所述的微纳米泡发生装置生成微纳米泡的方法，其特征在于，包括以下步骤：
加压水通过流体喷射管（1）的喷口（101）形成高速射流，从而在气液混合室（2）内形成负压，将空气由进气管（3）吸入，依靠水边界层与气体间的粘滞作用，将气体从进气管（3）带入前喉管（4），水流在前喉管处（4）由于管体横截面的缩小导致压力能逐渐向动能转化，流速加快，气液两相在前喉管（4）形成了强烈的紊动能，在发泡管（5）中湍流将气体剪切、撕裂、掺混形成大量微米级气泡；
含微米级气泡的气液两相流从发泡管（5）进入导流片（6），形成切向旋流进入回旋压缩管（7），部分尺寸较大的微气泡撞击到导流片（6）破灭，混合流体在回旋压缩管（7）内沿管壁的螺旋槽（701）高速回旋压缩，并通过气液相间碰撞产生的剪切力进行切割，形成微纳米泡；
再经过后喉管（8）进入扩散管（9），由于扩散管（9）横截面的突然增大，导致流速减慢，含微纳米泡混合流的动能逐渐转化为压力能，通过气液相间碰撞形成涡流而产生的剪切力，进行二次切割形成尺寸更小的微纳米泡出流释放。
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