总的来说，本发明是有关气体在液体中的溶解，而且特别是有关气体在液体下流中溶解的装置。 在很多过程中都希望将气体溶解在液体内，这些过程包括废水处理技术及其它水处理技术中氧气在水中的溶解。
1972年2月22日公布的斯佩斯（speece）的美国专利3，643，403，报导了一个下流气泡接触充气装置，它包括一个安装在向下扩张的漏斗内的气泡分散器，由该分散器发出的气泡被限制在向下的水流运动方向上，与水并流接触。
1984年8月21日公布的考斯（kos）的美国专利4，466，928公开了一种用于使气体溶解于液体的装置。根据考斯专利，气体被引进接触室或者进入接触室上方的液流，以达到并流接触液体的目的。考斯专利中重要地一点是接触室内液体的下流速度必须大于气泡上升的速度，这样才能使气泡连续向下流动。
本发明提供了一种使气体溶解于液体的装置，这种装置利用气泡与液体的逆流接触达到气体高效溶解，并且将气泡引进本装置邻近出口处区域，使离开该装置的液体接触高品位气体。
本发明的一个目的在于提供一种气体溶解装置，它能有效地、经济地溶解气体于液体中，并且便于操作和维修。
本发明的另一目的在于提供一种改进的气体溶解装置，它将气泡引入液体下游;以达到和液体逆流接触的目的。
本发明的另一目的在于提供一种改进的气体溶解装置，它包括一个具有一个入口和一个出口的流体密封部件和用于引导气体在靠近出口的区域进入到入口与出口间液流的设备，以便离开流体密封器的液体在气泡进入后马上与之接触。
本发明的另一目的在于提供一种气体溶解装置，该装置包括一个流体密封器，它包括一个具有一个入口和一个出口的外部容器和一个包括向下扩张部分的漏斗形部件，它伸入外部容器，并与入口相连接，目的在于输入液流进入外部容器。
本发明的另一目的是提供一种液体处理系统，它不仅包括上述气体溶解装置，而且还具有消除液体污染的功能，在本发明的一个具体装置中液体处理系统可以用来净化地下水，其方法是从中除去含燃油的组成部分。
本气体溶解装置包括一流体密封部件，它包括一个构成流室的外部容器，用于引导入口与出口间的液流，还包括一个从入口向下伸入流室中的漏斗状部件，来引导液体向下流入流室，这漏斗状部件包括一个具有较低出口端的向下扩张的部分，它限定了接触室。
气体溶解装置也包括引导气泡进入液体下游的设备，这个引导设备包括一个气泡分散装置，它安装在邻近漏斗状部件的下端或出口端，以使被气泡分散器发出的气泡向上运动进入接触室与液体进行逆流接触，气泡分散器最好安装在流室中接近外部容器出口的区域内，这样便于在气泡由气泡分散器送出后马上与离开气体溶解装置的液体接触，这种设计就是为了获得气体在液体中更多地溶解。
本发明的另一个具体装置中，流体密封器可以只包括外部容器或者只包括漏斗状部件，气泡分散器的布置应能实现气体与液体的逆流接触。在又一个具体装置中，气泡分散器最好就安装在出口处附近。
在考查下述详细的说明、权利要求书及附图之后，熟悉本技术的人对本发明的其它特点和优点将会非常清楚。
图1是体现本发明的一种气体溶解装置的部分剖面侧视图。
图2是沿图1中线2-2的截面图。
图3是沿图2中线3-3的截面图。
图4是利用图1所示的气体溶解装置的液体处理系统流程图。
图5是图1所示气体溶解装置的第一种不同具体装置的部分剖面侧视图。
图6是图1所示气体溶解装置的第二种不同具体装置的部分剖面侧视图。
图7是图1所示的气体溶解装置第三种不同具体装置的部分剖面侧视图。
图8是图4所示反应器的部分剖面侧视图。
在详细解释本发明的某一具体装置之前，应该明白：本发明并不仅仅限于申请书中所详细叙述的结构和在下列说明或附图中所陈述的各部件的设计;本发明可以有其它的具体装置并且能以不同的方式被利用或制造。还应该明白的是，在本文中所用到的术语和专有名词是用于说明的目的，而不应看作是一种限制。
图1表示一气体溶解装置10，它的功能是使气体溶解于液体，并具体体现本发明的各种不同的特点。虽然该气体溶解装置10可用来溶解各种各样不同的气体于不同的液体中，但在本图解举例中，装置是用来溶解氧气于水中。
气体溶解装置10包括一个流体密封器12，它包括一个环状外部槽罐或者容器14，它最好是额定抗压强度至少为30磅/平方英寸的压力容器。外部容器14靠支柱16支撑，它包括具有入口20的上边壁18和具有出口24的下边壁22，出口24由出口导道或管道26构成，一个园柱形的流室30由外部容器14确定，它传输入口20和出口24之间的水流。
如图2所示，外部容器14还包括一个或多个气体进料管32（图中标出2个）它们从下边壁22伸出。每个进料管32有一个外部接头可以与压力气源34（见图4）相连接。在本图解示例中，气源34提供给气体溶解装置10的空气是富氧空气或者工业氧气。
外部容器14还装有一个人孔管道36，它从外部容器14的下边壁22伸出，从而提供进入流室进行清洗及维修气体溶解装置的通道。一个可移动封盖37通过紧固或其它方式来封闭人孔管道36。
流体密封部件12还包括一个漏斗形部件38，它从外部容器14的上边壁18向下扩张伸进流室30。如图1所示，漏斗形部件38包括一管状入口部分40，它通过上边壁18扩展，并形成入口20。进口部分40与外部容器14共同构成在流室30最上部的收集井42。收集井42的体积很小，以至于只有少量气体能被收集进来。如果收集在收集井42中的气体包括挥发性气体，那么由于收集井42的体积小，使得收集的这些气体得以限制，这样就减少了着火或爆炸的危险。
漏斗形部件38还包括一个向下扩张的截头锥体44，它从入口部分40向下伸进流室，并且在向下的方向上具有增大的流动区域，扩张部分44有一个下出口边沿46，它通向邻近下边壁22的流室区域，并且高于出口24，扩张部分44在流室30内形成了一个气泡接触室50，通过漏斗形部件38的输导，液体的下流运动速度从在入口部分40的最大值下降到在扩张部分44出口边46处的最小值。
气体溶解装置10还包括引导气泡进入流室30使气泡朝着入口20逆流运动的机构。引导机构的形式多种多样，在本图示结构中引导机构包括一对气泡分散单元或器件52和54（见图2），它们装在流室内下边壁22处且邻近出口24。尽管只用一个气泡分散器就可以使气体溶解装置10正常运行，但是最好还是使用两个或者更多的气泡分散器，这样其中一个被关闭或者出现故障都不会影响气体溶解装置10的正常运行。
如图2示，每个气泡分散器52和54都包括一个中间进气管或管道56，它支撑在横跨外部容器14内壁上的支架58上，并且它的一端与在容器里边的进气管32的一端装配。每个气体分散器52和54还包括一个气泡发散头60，它支撑在中间进气管56的另一端。尽管从气源34供给气泡发散头60的气体可以细小或粗大的气泡形式发出，但最好还是使用细小气体发散头，因为小气泡的单位体积与液体的接触面积比大气泡的较大，较好是发散气泡的粒径范围一般在1mm-3mm之间。
气泡发散头有其它多种结构，本图示设计中，它们均包括一种废水处理器中使用的微细气泡薄膜发散头。这样的发散头市场上可以买到，它是由威斯康星州的Envirex Inc，（Wankesha）生产的。
如图3所示，每个微细气泡发散头60包括一个盘状体部件64，它有一个大致园形的薄膜支撑或支持表面66，这个表面有一个或者多个中心定位孔68，盘体部件64还包括一个中心气体入口部件70，它形成的通道72与定位孔68和进气管56相连。气泡发散头60可通过相应的入口部件70和进气管56之间的螺纹连接安装在进气管56上。
每个微细气泡发散头60还包括一个薄膜74，它上面穿有大量相当小的洞或孔，薄膜74的固定是由周边封接在支持表面66的边缘上来实现。薄膜74的中心通过一个固定件26，例如螺栓和螺母固定在支持表面66的中心上。当气源发出的空气通过供气管32和56，通道72和通孔68传输时，薄膜74就会扩张膨胀脱离支持表面66，因此气孔打开使小气泡由此发散出去。当不再提供加压气体时，薄膜74就收缩贴紧支持表面66，同时气孔关闭。
微细气泡发散头60安装在下边壁22附近，高于出口24处，并且最好在漏斗形部件38的出口边46的正下方，其原因以下将详尽叙述。微细气泡发散头60所发出的气体气泡的上升速度要大于出口边46内水流的下流速度，这样气泡流才能以逆流方向向上进入气泡接触室50，类似地，空气气泡的上升速度低于入口处40水的下流速度。在漏斗形部件38内水流的湍流基本能破坏空气泡聚集形成大的气泡，这种大气泡能够有足够的上浮速度从而向上进入到入口处40。这样，气泡将悬浮于接触室50内，在这里气泡的上升速度与水的下流速度达到平衡，这个平衡区域一般由图1中虚线78和79所标定的上下边界所限定。
尽管我们希望逆流接触能增加氧气在水中的溶解，但是进入接触室50的空气泡所包含的一些氧气仍然不会溶解。如果留在接触室50内，这些气泡就会聚集起来直到溢出出口边46，然后就象后面所将要进一步解释的那样，这些气泡会上升到收集井42而从气体溶解装置10中除去。因为工业氧气或者富氧空气的产生都是很昂贵的，所以希望循环使用这些气体。
因此，气体溶解装置10包括了使接触室内50所包含的空气气泡循环的装置，可以使用的循环装置多种多样，本图示设计的循环装置包括上下循环管道80和82，沟通于接触室50和入口20之间;尽管可以使用单根循环管，但最好还是使用两根循环管80和82。上下循环管80和82分别接通气泡接触室的上下边界78和79，因为在接触室50内这两区域气泡最易聚集，气泡循环的动力来源是存在于接触室50和入口20之间的压力差。
随着气体气泡从微细气泡发散头60处上升，其它的气体，例如氮气，被气泡中的氧气从水中解吸。因而随着水向下流动，水中杂质不断被除去。同时，随着气泡的上升，气泡中氧含量也减少了。这样，将微细气泡发散头60安装在邻近下边壁22并接近出口24处，便于水从漏斗形部件38的出口边出来后在由出口24离开气体溶解装置10之前，与高品位的气体气泡（即气泡中氧含量最高）接触。使离开系统的水与高品位氧气的接触，就可增加氧气溶解于水中的量。
被解吸或者废弃的气体从漏斗形部件38的出口边46送出并进入流室30，向上运动进入收集井42。因而气体溶解装置10包括排除污染物，诸如这些和其它废气的机构。各种不同的排除机构均可使用，本图例所示的排除机构包括一个气体排放管道84，它与收集井42连通，从这里排除废气。本排除机构还包括一个液体排放管道86，从外部容器14的上边壁18伸入。在这个过程中，除了水之外的液体废物收集在流室30内的上边壁处，这些废物可以从液体排放管86排除。
进入气体溶解装置10的水可能包含污染物如铁和铅。这些杂质与气体气泡中的氧气化合形成沉淀物如铁和铅的氧化物。因而气体溶解装置10包括了排除这些固体的泄料排除装置。在本图示设计中泄料排除装置包括一个泄料排除管道88，它上面装配有阀门90来控制泄料过程操作。
图4所示，是一个液体处理系统92，它包括气体溶解装置10，它的功能是从液体中排除污染物和杂质，这种液体处理系统92可用来处理各种不同的液体，本图示设计中，本系统是设计用来排除地下水中的有机物，如气油混合物包括苯、甲苯、乙苯、二甲苯（BTEXs），这些地下水被污染源诸如泄漏的地下燃料贮罐污染（图中未画）。
系统92包括一个反应器94，它最好是一个流化床反应器，如1977年2月22日颁布的Jeris的美国专利4，009，098和4，009，105中所叙的类型，这两篇专利收入本文作为参考。
如图8所示，反应器94是一个垂直的园柱形结构并包括一在其底部的进水总管96。尽管其它床层填料也可以使用，但本反应器94最好还包括一个生物活性的流化床，该床的床层填料98包括粒状活性碳。床层填料98作为一种消耗溶解在水中的BTEXs和氧气的微生物的基质。
如图4所示，系统92还包括一个进水管100，和一个连接气体溶解装置10出口管26和反应器94的总管96的反应器进料管102。
在工作状态下，污染的地下水靠泵104的帮助通过进水管100进入气体溶解装置10，象前面所描述的一样，气体溶解装置10把气源34的氧气溶解于地下水，完成对水的予充氧功能。从气体溶解装置10出来的富氧地下水在泵106的帮助下通过反应器进料管102，然后经总管96输入反应器94。充氧的地下水通过流化床向上流动，这样便于使床层填料98漂浮在上下界面之间，如图8中虚线108和110所示。上流液中的BTEXs和溶解的氧气被床层填料98中的微生物所消耗。没有立刻被生物消耗的BTEX也被床层填料吸收直到它们被消耗为止。纯化后的地下水通过反应器出口管112离开系统92。如果当地下水到达反应器94顶端时，仍有BTEXs残存，那么这部分不纯的水就需通过系统92进行再循环，即借助地下水再循环管114将此部分不纯的地下水送回进料管100。
第一种可选择的气体溶解装置的具体方案如图5所示，在此方案中，再循环装置并不包括再循环管80和82，但是包括一个连接收集井42和入口20之间的再循环管116，和在漏斗形部件38的向下扩张部分44内的放射状分布孔118。气体气泡在漏斗形部件38内向上运动，通过开孔118逸出并继续向上进入收集井42，收集井内的空气通过再循环管道108重新被引入水中。
第二种可选择的气体溶解装置10的具体方案如图6所示。在本方案中，流体密封部件12不包括外部容器14，漏斗形部件38构成整个流室30，并且引导水下流从邻近扩张部分44上边壁区域的最大速度下降到其下边壁的最小速度。向下扩张部分44在其底部是封闭的，出口管26从这里伸出。
第三种可选择的气体溶解装置10的具体方案如图7所示，在本方案中流体密封部件12仅包括外部容器14，而不包含漏斗形部件38。一个液流分配器120横跨于流室30的上边壁，用来使进入整个流室横截面的水均匀分布，并确保液体下流速度不至于大到影响气泡的逆流运动。
本发明各种特点在下面的权利要求书中陈述。