本發(fā)明屬于液體空化發(fā)生裝置研究技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種綜合利用水力空化和淹沒對沖空化射流技術(shù)顯著提高有機(jī)廢水處理效果的高壓對沖淹沒射流空化反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模與人口數(shù)量不斷擴(kuò)大，廢水排放量與日俱增，水中有害化學(xué)物質(zhì)和難降解有機(jī)物逐年增多，傳統(tǒng)水處理方法已無法滿足新的環(huán)保要求，迫切需要研發(fā)新型廢水處理方法與技術(shù)工藝。

空化氧化法作為難降解有機(jī)廢水處理方法不僅可有效去除許多難降解物質(zhì)和有毒物質(zhì)，而且還具有無二次污染、反應(yīng)裝置簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，是近年來比較受關(guān)注的新型水處理方法?？栈F(xiàn)象是指當(dāng)液體內(nèi)部局部壓力降低至液體溫度對應(yīng)的飽和蒸氣壓時(shí)，在液體中或液固界面上蒸汽或氣體空穴(空化泡)形成、生長及潰滅的過程?？茖W(xué)研究表明，空化泡急速潰滅瞬間在液體介質(zhì)中會(huì)形成局部高溫高壓環(huán)境，并伴有強(qiáng)烈沖擊波和高速射流，同時(shí)釋放出1～10¹⁸kw/m³的高密度能量，該能量能夠使空化泡內(nèi)部蒸汽在高溫、高壓下發(fā)生分裂解反應(yīng)，產(chǎn)生高活化性的羥自由基·oh和強(qiáng)氧化劑h2o2。空化泡潰滅所形成的射流使這些自由基和氧化劑擴(kuò)散到空化泡周圍液體中，，從而與液體中的有機(jī)污染物發(fā)生氧化反應(yīng)，將水中大多數(shù)有機(jī)污染物氧化降解成為無害物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)污水處理?？栈轁缧纬傻膹?qiáng)大剪切力也可使大分子主鏈上的碳鍵斷裂以及破壞微生物細(xì)胞壁，從而達(dá)到降解高分子和使微生物失活的作用，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的凈化。

關(guān)于空化水處理技術(shù)，目前研究較多的是超聲空化和水力空化，超聲空化經(jīng)過多年研究探索，其實(shí)驗(yàn)室技術(shù)已基本成熟，但由于能量利用率較低，空化作用區(qū)域小等問題，其規(guī)?；瘧?yīng)用受到很大限制，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。相比之下，水力空化具有反應(yīng)裝置簡單、能耗低以及易于規(guī)?；瘧?yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)研究已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。水力空化技術(shù)比超聲空化技術(shù)更有優(yōu)勢，但水力空化具有空化強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，對于一些難降解的有機(jī)污染物去除能力并不強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

鑒于上述技術(shù)問題，為了克服傳統(tǒng)水力空化技術(shù)所存在的不足，本發(fā)明提供了一種高壓對沖淹沒射流空化反應(yīng)器，以提高水力空化強(qiáng)度、提高有機(jī)污水處理效果。

對沖射流是強(qiáng)化相間傳質(zhì)傳熱過程最有效手段之一。將對沖射流和空化過程耦合，利用外部動(dòng)力與噴嘴內(nèi)部的特殊構(gòu)造將兩股或多股水射流射出并在撞擊面發(fā)生高速對撞，造成空化效應(yīng)形成空化撞擊區(qū)。空化作用造成的瞬間局部高溫高壓、微射流和沖擊波對化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行提供了良好理化環(huán)境，提高化學(xué)反應(yīng)速率，提供化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力；而高速的水射流對撞造成強(qiáng)烈湍動(dòng)的撞擊流流場結(jié)構(gòu)，使流場中的宏、微觀混合和壓力波動(dòng)特性得到提高。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種高壓對沖淹沒射流空化反應(yīng)器，其包括：腔體主體、n條管路、高壓噴嘴、腔體上蓋，腔體主體的底部具有出水孔，用于排出經(jīng)過凈化的流體；n條管路的每條管路通過腔體主體側(cè)壁上的第一通孔部分伸入腔體主體內(nèi)部，其中n≥2；高壓噴嘴安裝在每條管路的伸入腔體主體內(nèi)部的一端；腔體上蓋安裝在腔體主體的上方。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明高壓對沖淹沒射流空化反應(yīng)器至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本發(fā)明將對沖射流和空化過程耦合，使得本發(fā)明空化強(qiáng)度高、運(yùn)行成本低、有機(jī)污染物處理能力強(qiáng)；

(2)本發(fā)明通過法蘭后端管路安裝的高壓球閥，調(diào)節(jié)射流類型，使得本發(fā)明適用范圍廣；

(3)本發(fā)明可以通過改變噴嘴后端與管路的螺紋旋擰圈數(shù)，調(diào)節(jié)噴嘴之間距離改變對沖射流強(qiáng)度；

(4)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)空化流場的可視化觀察。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例高壓對沖淹沒射流空化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中腔體主體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖1中高壓噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，提供了一種高壓對沖淹沒射流空化反應(yīng)器。圖1為本發(fā)明實(shí)施例高壓對沖淹沒射流空化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明高壓對沖淹沒射流空化反應(yīng)器包括：腔體主體、管路、進(jìn)口高壓法蘭、高壓噴嘴、腔體上蓋、腔體下蓋、透明視窗、視窗蓋板、和透光底板。

如圖2所示，圖2為圖1中腔體主體的結(jié)構(gòu)示意圖。腔體主體可以為一立方體結(jié)構(gòu)，其邊長為220mm，內(nèi)部車有邊長為150mm的立方體空腔，為增加其承壓能力，內(nèi)部立方體空腔的四個(gè)接觸面車有倒角，倒角半徑可以為20mm，通過倒角可增加腔體主體的承壓能力，腔體主體設(shè)計(jì)最高承壓可以為30mpa。腔體主體的側(cè)壁上設(shè)有第一通孔(優(yōu)選為圓孔，d35通孔)，可使得安裝有高壓噴嘴的管路通過第一通孔安裝在腔體主體內(nèi)部。作為一種具體實(shí)施方式，第一通孔的個(gè)數(shù)為4個(gè)，分別位于立方體結(jié)構(gòu)的腔體主體的四個(gè)側(cè)壁的中心位置，第一通孔的個(gè)數(shù)應(yīng)與管路的條數(shù)相對應(yīng)，如果設(shè)有n條管路(n≥2)，那么第一通孔的個(gè)數(shù)應(yīng)該為n個(gè)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，腔體主體為一立方體結(jié)構(gòu)，是一種優(yōu)選方式，腔體主體也可以為長方體、圓柱體等其他形狀的容器結(jié)構(gòu)，只要是能夠進(jìn)行空化反應(yīng)的容器即可。

腔體主體的底部具有第二通孔和出水孔，第二通孔為兩階梯型通孔，第二通孔可以為兩個(gè)，并且為矩形，上臺(tái)階圍成的矩形尺寸為100×30×25mm，下臺(tái)階圍成的矩形尺寸為110×40×25mm，第二通孔用以安裝透光底板，具體地，透光底板安裝在第二通孔的下臺(tái)階圍成的矩形中；出水孔可以為圓形的g1/2螺紋通孔，并且位于腔體主體底部的中心位置，用于排出經(jīng)過凈化的液體。

進(jìn)口高壓法蘭可以為4個(gè)，通過螺栓與腔體主體固定連接，具體的，腔體主體側(cè)壁面車有m10×6內(nèi)螺紋孔，與進(jìn)口高壓法蘭的螺紋孔對準(zhǔn)，通過螺栓連接固定。進(jìn)口高壓法蘭與腔體主體側(cè)壁面之間安裝有環(huán)形密封圈，進(jìn)口高壓法蘭兩端焊接有管路，分別為第一管路和第二管路，高壓液體通過第一管路和第二管路進(jìn)入噴嘴形成空化。在第一管路上安裝有高壓球閥，通過調(diào)節(jié)高壓球閥，既可以控制流量，又可以關(guān)閉1-3個(gè)高壓球閥，形成單射流、90度角雙對沖射流、180度角雙對沖射流、三對沖射流和四對沖射流等不同方式的撞擊流。第二管路通過螺紋連接與高壓噴嘴相連，可通過調(diào)節(jié)螺紋旋擰圈數(shù)，調(diào)節(jié)高壓噴嘴之間的距離。第二管路車有m22外螺紋，與高壓噴嘴螺紋連接。

如圖3所示，圖3為圖1中高壓噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。高壓噴嘴可以為4個(gè)，每個(gè)高壓噴嘴包括噴嘴前端、中心限流孔、和噴嘴后端。噴嘴后端的一端車有內(nèi)螺紋，通過螺紋連接固定在第二管路上，噴嘴后端的另一端車有外螺紋，通過螺紋連接與噴嘴前端相連。噴嘴后端內(nèi)部形成漸縮形流道，待空化的液體通過漸縮形流道后流速逐漸增加，壓力逐漸降低，產(chǎn)生大量空化泡。噴嘴前端的一端車有內(nèi)螺紋，同噴嘴后端固定，噴嘴前端的另一端車成階梯型結(jié)構(gòu)，以減小兩相鄰高壓噴嘴彼此干擾，便于調(diào)節(jié)高壓噴嘴之間的距離。噴嘴前端內(nèi)部形成漸擴(kuò)行流道，空化后的液體流經(jīng)漸擴(kuò)形流道后流速降低，壓力增加，空化泡潰滅。中心限流孔安裝在噴嘴前端和噴嘴后端之間，當(dāng)噴嘴后端的外螺紋和噴嘴前端的內(nèi)螺紋緊固后，可以使得中心限流孔固定在兩者之間。在本實(shí)施例中，噴嘴后端總長度42mm，一端車有m22內(nèi)螺紋，另一端車有m22外螺紋，其內(nèi)部為漸縮形流道，長度12mm，入口截面直徑3mm，出口截面直徑1mm；噴嘴中心限流孔外徑12mm，厚度5mm，中心孔直徑1mm，中心限流孔是空化發(fā)生的主要區(qū)域；噴嘴前端總長度30mm。一端車有m22內(nèi)螺紋，另一端呈階梯狀，噴嘴前端內(nèi)部形成漸擴(kuò)形流道，總長度18mm，入口截面直徑1mm，出口截面直徑3mm。

腔體上蓋通過螺栓連接固定在腔體主體的頂部，具體的，腔體主體的頂部車有m10×9內(nèi)螺紋孔，與腔體上蓋的m10×9螺紋孔對準(zhǔn)，通過螺栓連接固定。腔體上蓋和腔體主體之間有一矩形硅膠密封圈，防止腔體主體內(nèi)部的水溢出。腔體上蓋上留有三個(gè)以上通孔(優(yōu)選g1/2螺紋通孔)與腔體主體內(nèi)部相通，用以安裝壓力表、溫度表和排氣閥。具體的，腔體上蓋的厚度為30mm，壓力表范圍0-30mpa，溫度表范圍0-100℃。

透明視窗通過視窗蓋板固定在腔體上蓋上，視窗蓋板蓋壓在透明視窗上，視窗蓋板貼合透明視窗的一側(cè)具有階梯結(jié)構(gòu)，用以固定透明視窗。視窗蓋板通過螺栓連接固定在腔體上蓋上方，具體的，腔體上蓋車有m10×6螺紋孔，深度15mm，與視窗蓋板上的螺紋孔配合。視窗蓋板與透明視窗之間、透明視窗與腔體上蓋之間設(shè)有密封硅膠墊，防止水從透明視窗處溢出。其中，作為一種具體實(shí)施方式，透明視窗可以為圓形的，并且為玻璃視窗，相應(yīng)地，視窗蓋板為圓環(huán)形的，其階梯結(jié)構(gòu)為環(huán)形的，密封硅膠墊為環(huán)形的。視窗蓋板外徑120mm，內(nèi)徑80mm，厚度10mm，車有m10×6螺紋通孔，通過螺栓連接固定于腔體上蓋上部。

腔體下蓋通過螺栓連接固定在腔體主體的底部，具體的，腔體主體的底部車有m10×9內(nèi)螺紋孔，與腔體下蓋的螺紋孔對準(zhǔn)，通過螺栓連接固定。腔體下蓋具有第三通孔和第四通孔，第三通孔為兩階梯型通孔，第三通孔可以為兩個(gè)，并且為長方形，與腔體主體底部的第二通孔對準(zhǔn)，第四通孔與腔體主體底部的出水孔對準(zhǔn)。具體的，第四通孔可以為g1/2螺紋通孔，與腔體主體底部的g1/2螺紋通孔通過對絲連接，作為反應(yīng)器出水口。腔體下蓋的第三通孔與腔體主體底部的第二通孔之間固定有耐壓玻璃透光底板，透光底板可允許外界光源進(jìn)入，便于在腔體主體的頂部通過透明視窗觀察腔體主體內(nèi)部流動(dòng)和空化情況。腔體下蓋厚度可以為30mm。

在本實(shí)施例中，管路、進(jìn)口高壓法蘭、高壓噴嘴、腔體主體、腔體下蓋、腔體上蓋、視窗蓋板均采用314不銹鋼材料，其具有耐腐蝕性、抗酸堿性的優(yōu)點(diǎn)，適合實(shí)際污水處理過程需要。管路采用內(nèi)徑為15mm，外徑為22mm的不銹鋼管，其可以承受30mpa以下壓力。

以立方體結(jié)構(gòu)的腔體主體、其四個(gè)側(cè)壁上各有一個(gè)第一通孔為例，來說明高壓對沖淹沒射流空化反應(yīng)器的工作過程。四路流體經(jīng)過加壓后通過管路進(jìn)入高壓噴嘴，在高壓噴嘴內(nèi)部隨著流體壓力的變化，發(fā)生空化泡生長、潰滅等一些過程，產(chǎn)生強(qiáng)烈的空化效應(yīng)。部分空化泡在高壓噴嘴漸擴(kuò)形結(jié)構(gòu)中潰滅，另一部分隨射流流出。攜帶空化泡的流體進(jìn)入腔體主體內(nèi)部，與其余高壓噴嘴流出的流體發(fā)生碰撞，形成空化射流撞擊區(qū)域和二次空化區(qū)域。隨后凈化后的液體通過腔體主體底部的出水孔流出。流出的經(jīng)過凈化的液體再次進(jìn)入高壓對沖淹沒射流空化反應(yīng)器中，再次進(jìn)行空化反應(yīng)，如此循環(huán)，液體經(jīng)過多次凈化，達(dá)到降解有機(jī)污染物的目的。

液體在水力空化和對沖空化射流協(xié)同作用下，產(chǎn)生大量羥基自由基，有效提高水力空化降解有機(jī)污染物的能力。同時(shí)對沖射流的擾動(dòng)作用增強(qiáng)了氣液之間的傳熱傳質(zhì)效果，提高了化學(xué)反應(yīng)速率，因此本發(fā)明還具有空化強(qiáng)度高、運(yùn)行成本低的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)空化流場的可視化觀察，可以通過改變噴嘴后端與管路的螺紋旋擰圈數(shù)，調(diào)節(jié)高壓噴嘴之間距離改變對沖射流強(qiáng)度。同時(shí)，通過法蘭后端管路安裝的高壓球閥，調(diào)節(jié)射流類型，形成單射流、90度角雙對沖射流、180度角雙對沖射流、三對沖射流和四對沖射流，不同類型的射流具有不同的空化強(qiáng)度和有機(jī)物去除效果，因此可以根據(jù)有機(jī)廢水污染物種類和濃度靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行方式，因此本發(fā)明還具備適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，適用于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。此外，本發(fā)明容易同光催化氧化、芬頓法結(jié)合，可進(jìn)一步提高有機(jī)物降解率。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明高壓對沖淹沒射流空化反應(yīng)器有了清楚的認(rèn)識(shí)。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進(jìn)行簡單地更改或替換，例如：

(1)射流對沖角度可以用多個(gè)角度來代替；

(2)噴嘴內(nèi)部流道形狀可以用其它產(chǎn)生空化的結(jié)構(gòu)來代替。

還需要說明的是，本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但這些參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)值。實(shí)施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外，除非特別描述或必須依序發(fā)生的步驟，上述步驟的順序并無限制于以上所列，且可根據(jù)所需設(shè)計(jì)而變化或重新安排。并且上述實(shí)施例可基于設(shè)計(jì)及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實(shí)施例混合搭配使用，即不同實(shí)施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實(shí)施例。

綜上所述，本發(fā)明提供一種高壓對沖淹沒射流空化反應(yīng)器，綜合利用水力空化和淹沒對沖空化射流技術(shù)顯著提高了有機(jī)廢水處理效果。空化效應(yīng)主要發(fā)生在空化噴嘴和撞擊區(qū)中心二個(gè)位置。撞擊區(qū)獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)特點(diǎn)將會(huì)把空化作用發(fā)揮的更加全面，空化產(chǎn)生的空化效應(yīng)反過來又會(huì)強(qiáng)化撞擊區(qū)的湍動(dòng)和撞擊能量，因此空化耦合撞擊流概念在理論技術(shù)上是合理可行而且有巨大的發(fā)展?jié)摿Φ摹?/p>

應(yīng)該注意的是上述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行說明而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離所附權(quán)利要求的范圍的情況下可設(shè)計(jì)出替換實(shí)施例。在權(quán)利要求中，不應(yīng)將位于括號(hào)之間的任何參考符號(hào)構(gòu)造成對權(quán)利要求的限制。單詞“包含”不排除存在未列在權(quán)利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞“一”或“一個(gè)”不排除存在多個(gè)這樣的元件。本發(fā)明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在列舉了若干裝置的單元權(quán)利要求中，這些裝置中的若干個(gè)可以是通過同一個(gè)硬件項(xiàng)來具體體現(xiàn)。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序?？蓪⑦@些單詞解釋為名稱。

再者，說明書與權(quán)利要求中所使用的序數(shù)例如“第一”、“第二”、“第三”等的用詞，以修飾相應(yīng)的元件，其本身并不意含及代表該元件有任何的序數(shù)，也不代表某一元件與另一元件的順序、或是制造方法上的順序，該些序數(shù)的使用僅用來使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚區(qū)分。

以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。