申请日2021.09.27
公开日期2021.12.10
IPC分类C02F1/66
摘要
本发明公开了一种碳酸溶液投加系统。它包括混合器和扩散器；还包括二氧化碳气体管道、反应水管道；反应水管道上设有水泵；水泵出口与混合器入口连接；二氧化碳气体管道与混合器入口连接；在混合器与扩散器之间设有环形盘管或储液罐和长距离的管道；扩散器设置在待处理的水中；扩散器的侧壁上开有释放碳酸溶液的通道，所述释放碳酸溶液的通道为小孔或窄缝隙，或者是小孔和窄缝隙这两种的组合；所述释放碳酸溶液的通道能产生一定的背压并使过饱和碳酸溶液以一定的出口压力喷射到待处理的水中，保证扩散器出口压力与待处理水压有2bar以上压差。该碳酸溶液投加系统能精准调节水质，同时能大幅减少气泡的产生，大幅提高二氧化碳气体的利用率。
权利要求
1.一种碳酸溶液投加系统，其特征在于，它包括混合器和扩散器；还包括二氧化碳气体管道、反应水管道；反应水管道上设有水泵；水泵出口与混合器入口连接；二氧化碳气体管道与混合器入口连接；在混合器出口与扩散器入口之间设有环形盘管或储液罐和长距离的管道；所述扩散器设置在待处理的水中；所述扩散器是一端开口另一端封闭的中空筒形物体；所述扩散器的筒形侧壁上开有释放碳酸溶液的通道；所述释放碳酸溶液的通道为小孔或窄缝隙，或者是小孔和窄缝隙这两种的组合；所述释放碳酸溶液的通道能产生一定的背压并使过饱和碳酸溶液以一定的出口压力喷射到待处理的水中，保证扩散器的出口压力与待处理的水的压力两者之间有2bar以上的压差；
扩散器设置在待处理的有水流动的原水或水管道中，位于水流的上游，扩散器的一半侧壁上开有释放碳酸溶液的通道；所述释放碳酸溶液的通道为一个或多个，或者是一排或多排；扩散器垂直于水流方向插入原水或水管道中，扩散器上开有释放碳酸溶液的通道的一侧正对着水流上游，能使扩散器内的碳酸溶液从所述释放碳酸溶液的通道逆向对着水流喷射出来并能产生涡流强化混合效果；
或者，扩散器设置在待处理的没有水流动的水池、水塘或污水罐中，在扩散器的双侧侧壁上或整个筒形侧壁上，开有多个或多排释放碳酸溶液的通道。
2.如权利要求1所述的碳酸溶液投加系统，其特征在于，所述释放碳酸溶液的通道能产生3bar以上的背压并使过饱和碳酸溶液以大于3bar的出口压力喷射到待处理的水中；扩散器背压大于3bar，并维持整个系统的压力大于3bar。
3.如权利要求1或2所述的碳酸溶液投加系统，其特征在于，反应水管道入口与待处理的水被投加碳酸处理后的出水连接。
4.如权利要求1或2所述的碳酸溶液投加系统，其特征在于，所述的碳酸溶液投加系统还包括依次连接的液态二氧化碳储罐、电子汽化器或翅片热交换器、气体加热器；或者，所述的碳酸溶液投加系统还包括依次连接的杜瓦罐或钢瓶、气体加热器；气体加热器出口与二氧化碳气体管道入口连接。
5.如权利要求1或2所述的碳酸溶液投加系统，其特征在于，在原水或水管道中水流的下游或者水池、水塘或污水罐的出水口设置水质在线检测仪，所述水质在线检测仪为pH探头或水硬度在线检测仪或浊度在线检测仪；水质在线检测仪与信号接收器连接，信号接收器与PLC控制器的输入端连接；PLC控制器的输出端与二氧化碳气体流量控制阀连接；通过水质在线检测仪实时传输信号到信号接收器，信号接收器接收到的信号经过PLC处理后能控制二氧化碳气体流量控制阀的开启大小。
6.如权利要求1或2所述的碳酸溶液投加系统，其特征在于，扩散器是截面一半为多边形另一半为圆弧形的一端封闭的中空长筒形物体，扩散器的多边形一侧的一半侧壁上开有若干释放碳酸溶液的通道；所述释放碳酸溶液的通道是一排或多排小孔，一排或多排窄缝隙，或者是一排或多排小孔与一排或多排窄缝隙的组合；或者是一个或多个小孔，一个或多个窄缝隙，或者是一个或多个小孔与一个或多个窄缝隙的组合；扩散器垂直于水流方向插入原水中，扩散器上带有小孔和/或窄缝隙的一侧正对着水流上游，能使扩散器内的碳酸溶液从小孔和/或窄缝隙逆向对着水流喷射出来。
7.如权利要求6所述的碳酸溶液投加系统，其特征在于，每一排上的小孔和/或窄缝隙位于同一条垂直线上且均匀排列。
8.如权利要求1或2所述的碳酸溶液投加系统，其特征在于，同一水平面上的多个释放碳酸溶液的通道以小于180°的中心夹角均匀排列；同一水平面上相邻两个所述释放碳酸溶液的通道成锐角中心夹角排列。
9.如权利要求1或2所述的碳酸溶液投加系统，其特征在于，当所述长距离的管道为DN25以下的小管径管道时，所述释放碳酸溶液的通道是一排或多排小孔，或者是一排或多排小孔与一排或多排窄缝隙的组合；或者是一个或多个小孔，或者是一个或多个小孔与一个或多个窄缝隙的组合；当所述长距离的管道为大于DN25的大管径管道时，所述释放碳酸溶液的通道是一排或多排窄缝隙，或者是一排或多排小孔与一排或多排窄缝隙的组合；或者是一个或多个窄缝隙，或者是一个或多个小孔与一个或多个窄缝隙的组合。
10.如权利要求1或2所述的碳酸溶液投加系统，其特征在于，混合器包括文丘里管和静态混合器；文丘里管具有前部收缩段、中间喉管部和后部膨胀段；二氧化碳气体加注口位于文丘里管的中间喉管部；静态混合器入口与文丘里管的膨胀段连接；静态混合器出口通过环形盘管或储液罐和长距离的管道与扩散器入口连接。
说明书
一种碳酸溶液投加系统
技术领域
本发明属于水处理技术领域，涉及一种用于调节水的pH值、再矿化或石灰软化 等应用的碳酸溶液投加系统。
背景技术
在地表水、水库水、废水、制造业的工艺用水中都可能存在pH过高，超过pH8.0 甚至9以上，水体过高的和不稳定的pH都将严重影响后续的化学处理和产品质量。 例如，废水终端出水的pH应该被控制在6-9；自来水水厂混凝和消毒的过程中，由 于过高和不稳定的pH，造成化学药剂过量投加，产生过量的化学副产物，出水从而 达不到相关国家标准；纺织印染行业中，印染工艺用水的pH不稳定，影响产品色牢 度，造成产品次品率和褪色；在河流、湖泊等自然水体中，水体的富氧化、藻类爆 发等因素造成pH过高并呈波形变化；鱼塘、虾塘、游泳池等水体中，因投加杀菌剂、 消毒剂导致pH过高；蔬菜大棚、花卉种植需要额外的二氧化碳气体强化光合作用， 使用碳酸水灌溉，可以增加二氧化碳含量，有利于农作物的生长；......水不处不 在，与人们的生活、生产息息相关，而水体的pH精准控制是水处理工艺流程中重要 的一环。
pH，亦称氢离子浓度指数、酸碱值，是溶液中氢离子活度的一种标度，也就是 通常意义上溶液酸碱程度的衡量标准。中性水溶液pH＝7酸性水溶液，pH＜7，pH值 越大，表示碱性越强。pH是水和污水的一个重要理化参数，pH值是水处理现场控制 的重要指标之一。调节和控制pH可以促进化学反应并产生特定物理化学变化。
为了调整水的pH，人们主要使用硫酸、盐酸之类的酸化剂来中和水的酸碱度； 此类酸化剂都属于强酸，强酸存在各种安全问题，如储存、运输、腐蚀，重要的是 使用强酸中和酸碱度，强酸很难做到精准地调节pH，更为重要的是，强酸在酸碱中 和反应的过程中会摧毁水中的碱性物质，而在饮用水中，碱性物质是不可缺少的。
目前，全国各地许多石化工厂在国家的相关政策的指引下，大规模的装备二氧 化碳提纯设备，并生产食品级二氧化碳气体，从而使二氧化碳气体的价格大幅降低， 也便于用户在当地购买。由于成本和气体资源的易获取，碳酸投加系统的运行成本 和减少化学药剂的使用费用几乎相等，经过案例实施，用户只需投入初期的设备成 本，所以，利用碳酸中和水的酸碱值是经济可行的。
碳酸是弱酸，与碱性物质反应时，有缓冲区，所以，利用碳酸中和反应能精准 地控制或调节pH到客户所需要的设定值。而且，二氧化碳气体大多来源于石油化工 废气，利用碳酸溶液中和水的pH是二氧化碳的消耗并完全反应的过程，不会将二氧 化碳重新释放到大气中，从而可减少温室效应，实现碳中和。
在自来水水厂的水处理生产工艺流程中，混凝、消毒是必不可少的重要环节， 如何调整原水的pH，从而减少化学药剂的使用，减少副产物，具有重要的意义。
在海水淡化工艺中，海水经过多级过滤后的渗透水，由于去除了矿物质，渗透 水成酸性并具腐蚀性，人们需要投加石灰将水再矿化，之后需要投加碳酸与难溶于 水的碳酸钙反应，生成水溶性的碳酸氢钙，添加了矿物质的水，可供人们饮用。
污水处理中由于废水硬度较高，人们需要投加石灰对硬水进行石灰软化处理， 之后需要投加碳酸与废水中的钙离子结合生成碳酸氢钙，从而降低废水的硬度；石 灰软化处理是将熟石灰Ca(OH)2加入水中，与水中的碱性成分起反应，生成难溶的 CaCO3，熟石灰是强碱物质，投加熟石灰后的水pH可达10以上，高pH水需要酸中 和，使用碳酸可以精准调节pH到客户所希望的值，同时，碳酸与熟石灰与水反应过 程中生成的难溶的CaCO3反应生成溶于水的碳酸氢钙，H2CO3+CaCO3ˉ＝ Ca(HCO3)2，没有因沉淀物生成而造成管路堵塞等问题，这个是利用碳酸软化石灰的 应用。
现有技术中也有使用二氧化碳气体来中和水的酸碱度。将二氧化碳气体溶解于水中能产生碳酸。溶解性，被定义为一种特殊的物质可以溶解在一种特定的溶剂中 (产生饱和碳酸溶液)的数量。常温常压下二氧化碳在水中的溶解性(溶解度)是 有限的。二氧化碳气体需要长时间与水反应生成碳酸，该过程被称为再碳酸化。因 为，二氧化碳溶于水的过程是一个非常缓慢的化学反应过程，当二氧化碳气体分子 进入水中时，它与水反应生成二氧化碳(水溶液态)、碳酸、碳酸氢根离子和氢离子， 见下式：
CO2+H2O->CO2+H2CO3+HCO3(-)+H(+)；
为什么说这是一个非常缓慢的化学反应过程，这个过程为什么缓慢，因为它必 须打破氧和碳之间的双键(见下式)，这需要时间。
使用二氧化碳气体中和水的酸碱度的一种方式是直接投加二氧化碳气体来中和水的酸碱值，这种投加系统需要一个带有搅拌器的大型反应池，二氧化碳气体通过 一种扩散器产生小气泡，CO2小气泡通过长时间和距离与水中的碱性物质反应，才 能达到降低pH的目的。但是，在整个反应过程中CO2小气泡会从水中逸出，二氧化 碳气体的有效利用率只能在30-60％之间，二氧化碳气体的利用率低即意味使用成本 高，并且pH只能调整至7，无法满足某些工艺要求。
使用二氧化碳气体中和水的酸碱度的另外一种方式是通过文丘里喷嘴或文丘里静态混合器将待处理的水与二氧化碳气体混合后再将混合液投加到待处理的水中， 这种方式可以投加到浅池和长距离的管道中，但同样面临CO2小气泡的逸出、反应 效率低下、反应时间长的问题。
以上涉及两种利用二氧化碳气体投加方式均使用文丘里原理的元器件将二氧化碳气体投放并与处理水混合以调节pH，因此被统称为气体投加系统。这些气体投加 系统均存在CO2小气泡易逸出、反应效率低下、二氧化碳气体利用率低、反应时间 长的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种用于调节水的pH值或硬度 或浊度，能大幅提高二氧化碳气体的利用率的碳酸溶液投加系统。
本发明的技术构思如下：通过文丘里静态混合器将一定压力和温度的气态二氧化碳和一定压力的反应水(经过投加碳酸工艺处理后的低pH出水或低硬度出水或低 浊度出水)以一定的比例混合，生成气水混合物；再通过环形盘管或储液罐将气水 混合物转化为饱和碳酸溶液；然后再通过长距离的管道将饱和碳酸溶液变成过饱和 碳酸溶液；最后再通过扩散器将过饱和碳酸溶液逆向注入待处理的水中，使碳酸溶 液与水中的碱性物质中和反应，能够达到调整水的pH的目的(或与水中的CaCO3 反应，能够达到调整水的硬度或浊度的目的)，同时，能大幅减少气泡的产生，能大 幅提高二氧化碳气体的利用率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明一种碳酸溶液投加系统，它包括混合器和扩散器；还包括二氧化碳气体 管道、反应水管道；反应水管道上设有水泵；水泵出口与混合器入口连接；二氧化 碳气体管道与混合器入口连接；在混合器出口与扩散器入口之间设有环形盘管或储 液罐和长距离的管道(直管)；所述扩散器设置在待处理的水中；所述扩散器是一端 开口另一端封闭的中空筒形物体；所述扩散器的筒形侧壁上开有释放碳酸溶液的通 道；所述释放碳酸溶液的通道为小孔或窄缝隙，或者是小孔和窄缝隙这两种的组合； 所述释放碳酸溶液的通道能产生一定的背压并使过饱和碳酸溶液以一定的出口压力 喷射到待处理的水中(能产生3bar以上的背压并使过饱和碳酸溶液以大于3bar的 出口压力喷射到待处理的水中)，保证扩散器的出口压力与待处理的水的压力两者之 间有2bar以上的压差；
扩散器设置在待处理的有水流动的原水或水管道中，位于水流的上游，扩散器 的一半侧壁上开有释放碳酸溶液的通道；所述释放碳酸溶液的通道为一个或多个， 或者是一排或多排；扩散器垂直于水流方向插入原水或水管道中，扩散器上开有释 放碳酸溶液的通道的一侧正对着水流上游，能使扩散器内的碳酸溶液从所述释放碳 酸溶液的通道逆向对着水流喷射出来，碳酸溶液喷出与水混合反应的同时，由于另 一侧的压力低，能够产生涡流进一步加强混合效果；
或者，扩散器设置在待处理的没有水流动的水池、水塘或污水罐中，在扩散器 的双侧侧壁上或整个筒形侧壁上，开有多个或多排释放碳酸溶液的通道(可以在整 个筒形侧壁上打一圈或多圈小孔和/或窄缝隙，实现360°投放)。
进一步地，反应水管道入口与待处理的水被投加碳酸处理后的出水连接(即： 将经本发明的碳酸投加系统及投加工艺处理后的出水作为水泵用水即反应水)，亦 即：待处理的有水流动的原水或水管道下游出水口通过反应水管道与水泵入口连接； 或者，待处理的没有水流动的水池、水塘或污水罐出水口通过反应水管道与水泵入 口连接。
进一步地，所述的碳酸溶液投加系统还包括依次连接的液态二氧化碳储罐、电 子汽化器或翅片热交换器、气体加热器；或者，所述的碳酸溶液投加系统还包括依 次连接的杜瓦罐或钢瓶、气体加热器；气体加热器出口与二氧化碳气体管道入口连 接。
被电子汽化器或翅片热交换器气化并被气体加热器加热到具有一定温度和一定压力(30℃以上温度和3bar以上压力)的二氧化碳气体与被水泵增压到一定压力 (3bar以上压力)的加压的反应水在混合器中形成气水混合物；气水混合物在环形 盘管或储液罐中初步形成饱和碳酸溶液；饱和碳酸溶液在长距离的管道(直管)中 形成过饱和碳酸溶液；过饱和碳酸溶液通过扩散器上的释放碳酸溶液的通道逆向喷 射进原水或水管道中水流上游的水中或喷射进水池、水塘或污水罐的水中。
进一步地，在原水或水管道中水流的下游或者水池、水塘或污水罐的出水口设 置水质在线检测仪(pH探头或水硬度在线检测仪或浊度在线检测仪等)，水质在线 检测仪与信号接收器连接，信号接收器与PLC控制器的输入端连接；PLC控制器的 输出端与二氧化碳气体流量控制阀连接；水质在线检测仪实时传输信号到信号接收 器，信号接收器接收到的信号经过PLC处理后控制二氧化碳气体流量控制阀的开启 大小，以控制二氧化碳气体的投放量，从而达到用户希望控制到的pH或硬度或浊度。
进一步地，扩散器设置在待处理的有水流动的原水或水管道中时，扩散器是截 面一半为多边形另一半为圆弧形的一端封闭的中空长筒形物体，扩散器的多边形一 侧的一半侧壁上开有若干释放碳酸溶液的通道；所述释放碳酸溶液的通道，是一排 或多排小孔，一排或多排窄缝隙，或者是一排或多排小孔与一排或多排窄缝隙的组 合(即小孔和窄缝隙这两种的组合)；也可以是一个或多个小孔，一个或多个窄缝隙， 或者是一个或多个小孔与一个或多个窄缝隙的组合(即小孔和窄缝隙这两种的组 合)；扩散器垂直于水流方向插入原水中，扩散器上带有小孔和/或窄缝隙的一侧正 对着水流上游，能使扩散器内的碳酸溶液从小孔和/或窄缝隙逆向对着水流喷射出 来。
扩散器设置在待处理的没有水流动的水池、水塘或污水罐中时，实现360°投 放的扩散器，可以设计成中空的圆筒形，在保证背压的前提下，也可以设计成中空 的截面为多边形(如方形、六边形等)的方筒形。
更进一步地，每一排上的小孔和/或窄缝隙位于同一条垂直线上且均匀排列。
进一步地，同一水平面上的多个释放碳酸溶液的通道以小于180°的中心夹角 均匀排列；同一水平面上相邻两个所述释放碳酸溶液的通道成锐角中心夹角排列， 以保证碳酸溶液以一定的出口压力(大于3bar)，对着水流方向射出与待处理的水 混合，并能产生涡流强化混合效果。
进一步地，小孔被设计用于DN25以下的小管径管道，亦即，当所述长距离的管 道为DN25以下的小管径管道时，所述释放碳酸溶液的通道是一排或多排小孔，或者 是一排或多排小孔与一排或多排窄缝隙的组合；或者是一个或多个小孔，或者是一 个或多个小孔与一个或多个窄缝隙的组合。窄缝隙更适合用于大于DN25的大管径管 道，亦即，当所述长距离的管道为大于DN25的大管径管道时，所述释放碳酸溶液的 通道是一排或多排窄缝隙，或者是一排或多排小孔与一排或多排窄缝隙的组合；或 者是一个或多个窄缝隙，或者是一个或多个小孔与一个或多个窄缝隙的组合。
进一步地，混合器包括文丘里管和静态混合器；文丘里管具有前部收缩段、中 间喉管部和后部膨胀段；二氧化碳气体加注口位于文丘里管的中间喉管部(二氧化 碳气体垂直于水流方向注入反应水中)；静态混合器入口与文丘里管的膨胀段连接； 静态混合器出口通过环形盘管或储液罐和长距离的管道与扩散器入口连接。
进一步地，具有30℃以上温度和3bar以上压力的二氧化碳气体与反应水的体 积比不低于1:40。降低水温的方式可以减少水泵用水量，可以达到1:1的水气体积 比。
进一步地，所述释放碳酸溶液的通道能产生3bar以上的背压并使过饱和碳酸溶液以大于3bar的出口压力喷射到待处理的水中；扩散器背压大于3bar，并维持整 个系统的压力大于3bar。保持系统压力大于3bar，才能进一步将饱和碳酸溶液转化 为过饱和碳酸溶液，否则，会影响97％以上的二氧化碳利用率。碳酸溶液浓度在扩 散器出口前是99％以上，通过小孔、窄缝隙时，由于压降，少量的二氧化碳以气泡 的形式从溶液中溢出，所以，整个二氧化碳的利用率是97％以上。
二氧化碳气体的溶解度与温度、压力相关：在同压力条件下，温度越低，溶解 度越大；在同温条件下，压力越大，溶解度亦越大；所以，降低水温，提高系统压 力，都可以强化或加速碳酸的生成。根据每个使用场景的条件，如水温、水压、原 水(待处理水)的水质参数，用户所期望的稳定的pH值或硬度或浊度和碳酸投放点 的位置等条件，可以选择水泵的参数和二氧化碳气体的用量。
通过使用电子汽化器或翅片热交换器，利用电加热或空气热交换原理可将低温液态二氧化碳气化到气态二氧化碳。液态二氧化碳储罐中的二氧化碳是0℃以下、 压力约在17-22bar的液态二氧化碳，通过电子汽化器或翅片热交换器气化后的气态 二氧化碳的温度为0-10℃，压力可以调节到5-10bar，该气态二氧化碳从文丘里管 的喉管处的二氧化碳气体加注口加注到反应水中，此时，文丘里管的喉管处的水流 速高压力低，二氧化碳气体进入是降压过程，二氧化碳气体在降压过程中会产生干 冰，影响二氧化碳气体的溶解和设备效能，所以，需要在电子汽化器或翅片热交换 器后面增设一个气体加热器，通过气体加热器提高二氧化碳气体温度到30℃以上， 以防止干冰产生。
饱和碳酸溶液的形成是从静态混合器出口开始(亦即，在环形盘管或储液罐中 形成饱和碳酸溶液)，是二氧化碳气泡逐步消失、饱和碳酸溶液逐步形成的过程。
本发明的碳酸溶液投加系统的工作原理如下：高压低温液态二氧化碳被储存在液态二氧化碳储罐中，液态二氧化碳从液态二氧化碳储罐底部出来，被输送到电子 汽化器或翅片热交换器，持续定量将液态二氧化碳转变为二氧化碳气体；或者，二 氧化碳气体储存在杜瓦罐或钢瓶中，二氧化碳气体从杜瓦罐或钢瓶中释放出来；二 氧化碳气体通过气体加热器，保持30℃以上温度和3bar以上压力；具有30℃以上 温度和3bar以上压力的二氧化碳气体进入混合器，同时，反应水(经过投加碳酸工 艺处理后的低pH出水或低硬度出水或低浊度出水)经水泵加压到3bar以上后进入 混合器，在混合器中，二氧化碳气体与加压的反应水混合，形成带一定压力的气水 混合物；气水混合物通过混合器与扩散器之间的环形盘管或储液罐和长距离的管道 形成过饱和碳酸溶液被输送到扩散器，具体为：气水混合物在环形盘管或储液罐中 初步形成饱和碳酸溶液；饱和碳酸溶液在长距离的管道(直管)中形成过饱和碳酸 溶液；过饱和碳酸溶液通过扩散器上的释放碳酸溶液的通道(小孔和/或窄缝隙)逆 向喷射进原水水流上游的水中或喷射进水池的水中；亦即，过饱和碳酸溶液通过扩 散器中的小孔和/或窄缝隙形成高浓度碳酸溶液和少量的二氧化碳微气泡的混合液被逆向喷射到水中，碳酸溶液与水中的碱性物质相遇并开始进行酸碱中和反应，或 者碳酸溶液与水中的钙离子或CaCO3相遇反应，少量的二氧化碳微气泡被水流吸收， 以达到中和酸碱或降低水的硬度或降低水的浊度的目的。水质在线检测仪(pH探头 或水硬度或浊度在线检测仪等)被设置在在原水或水管道中水流的下游或者水池、 水塘或污水罐的出水口，并实时传输信号到信号接收器，信号接收器接收到的信号 经过PLC处理后控制一个二氧化碳气体流量控制阀的开启大小来控制二氧化碳气体 的投放量，以达到用户希望控制到的pH或硬度或浊度。
本发明中的文丘里静态混合器组合套件(包括文丘里管、静态混合器、环形盘 管或储液罐和长距离的管道)可以视为一个整体结构，主要的作用是将不同压力的 二氧化碳气体和反应水混合生成过饱和碳酸溶液。增压的反应水(低pH出水等)首 先进入文丘里的收缩段通过喉管部时压力下降流速增加，二氧化碳气体的压力高于 喉管处的压力，压差将二氧化碳气体和反应水混合形成气水混合液，混合液经过膨 胀段再进入静态混合器，混合液在膨胀段出口的压力小于二氧化碳气体进口压力， 大于反应水的进口压力。这样，就能使混合液可以顺利输送到静态混合器中进行混 合。混合液通过静态混合器得到充分混合。具有背压3bar以上压力的扩散器与静态 混合器之间设有长距离的管道和环形盘管或储液罐，混合物在环形盘管或储液罐和 长距离的管道中形成过饱和碳酸溶液，过饱和碳酸溶液与饱和碳酸溶液相比，更能 减少气泡的产生。
降低水温、提高系统压力的方法，可以强化或加速碳酸的生成，如系统中添加 水冷却系统…可以在环形盘管外面设水冷却系统，在储液罐内设冷却液盘管，或者， 在储液罐中下部设补加的冷却水管。
液态二氧化碳被气化和加温，是防止干冰产生。若在高温的环境中，没有这些 加温装置也能防止干冰产生。利用文丘里混合气水的方法，不限于文中的文丘里形 式。
本发明的有益效果：
本发明提供了一套完整的液体碳酸投加系统，将气体二氧化碳与反应水预先制成过饱和碳酸溶液，再通过扩散器将过饱和碳酸溶液投加到水中，从而调整水的pH 或硬度或浊度。
本发明的碳酸溶液投加系统，与现有技术相比，具有以下优点：
1)首先，本发明通过文丘里静态混合器装置将一定压力和加温的二氧化碳气体与加压的反应水混合，不同压力的气体和水通过文丘里静态混合器形成具有压力一 致的气水混合物，气水混合物通过环形盘管或储液罐被转化为饱和碳酸溶液；饱和 碳酸溶液在长距离的管道中形成过饱和碳酸溶液；过饱和碳酸溶液通过扩散器被投 放到水里；由于水的压力处于低压状态，为了避免混合液中的二氧化碳气泡在压降 中大量的逸出，本发明设计了这个扩散器，该扩散器的功能是稳定系统的压力，维 持系统的背压并将碳酸溶液注入进带处理的水中。过饱和碳酸溶液通过扩散器的小 孔喷射出，即刻与水中的碱性物质发生酸碱中和反应。由于压降，少量二氧化碳气 泡从碳酸溶液中逸出，所以，少量二氧化碳气泡和高浓度碳酸溶液一起被喷射出， 与水产生强烈的涡流，加快了反应速度，缩短了反应时间。通过应用试验案例证明， 气水混合物或混合溶液转化为过饱和碳酸溶液(碳酸的浓度达到99％以上，二氧化 碳气体的有效利用率达到97％以上)，碳酸溶液与水的反应是液-液反应，中和反应 时间在20-30秒内完成，最小pH可以达到5，能精准稳定控制pH波动。与二氧化 碳气体投加方式相比，本发明无需额外的反应池，二氧化碳气体利用率高，用户使 用成本大幅降低。
2)现有技术中使用二氧化碳气体投加的方式，文丘里喷嘴或文丘里静态混合器是用于将气体投射到水里的部件，气体和水在文丘里喷嘴的收缩段或喉管处混合， 然后通过扩张段射出。溶液的射出速度提高，压力迅速下降，大量的二氧化碳气体 从溶液中析出形成大气泡，只有很少部分的二氧化碳气体与水反应生成碳酸。由于 水里不同高度的压力不同，在浅池、水池等开放环境中二氧化碳气泡从水里逃逸出 来；在管道中二氧化碳气泡会破裂，引起震动和气蚀，并影响pH的精准度。
本发明中的扩散器的主要作用是利用图示小孔和/或窄缝隙稳定整个系统的压力在3bar以上，始终将二氧化碳气体封死在过饱和碳酸溶液中，并在压力释放时， 生成稳定的碳酸溶液和少量二氧化碳气泡。扩散器的一半侧壁上开有释放碳酸溶液 的通道，所述释放碳酸溶液的通道是一排或多排小孔，一排或多排窄缝隙，或者小 孔和/或窄缝隙两种组合；同一水平面上的多个释放碳酸溶液的通道以小于180°的 中心夹角均匀排列；同一水平面上相邻两个释放碳酸溶液的通道成锐角中心夹角排 列，以保证碳酸溶液的出口压力大于3bar射出与水混合。通过小孔和/或窄缝隙， 压力混合液的进口压力和出口压力(理想状态)一致，并以非常快的速度喷射到水 里。由于压力下降，压差会造成部分二氧化碳气体从溶液中以微气泡的形式逸出， 所以，碳酸溶液和微气泡的混合液一起被喷射与水混合，同时，由于每一排上的小 孔和/或窄缝隙位于同一条垂直线上且均匀排列，扩散器有孔的一侧与无孔的一侧的 压差，压力混合液在水中形成涡流，进一步加速酸碱中和反应。
本发明中，用于喷射碳酸溶液的扩散器，窄缝隙和小孔被组合使用或单独使用，小孔或窄缝隙和小孔的组合被设计用于DN25以下的小管径管道；窄缝隙或窄缝隙和 小孔的组合更适合用于大于DN25的大管径管道；与只使用小孔相比，通过窄缝隙射 出的溶液与水的接触面更大；根据使用场景，小孔和/或窄缝隙的组合设计也被应用。 液体流经小孔，是收缩再扩散的过程，这过程液体的状态是紊流，会产生很大的压 力损失，过多的小孔会导致更多的二氧化碳气体的析出。相比较于小孔，液体经过 窄缝隙且压力低于10bar时的状态是层流，此时二氧化碳的析出相对小孔要少很多。 但是，某些场合需要小孔和窄缝隙相结合，需要损失少量的二氧化碳气体，形成一 定的紊流，强化与原水的混合效果。窄缝隙与小孔相比，在系统使用中，窄缝隙也 能解决小孔因气蚀产生变形，影响溶液射出流量和压力的问题。
与现有技术中的文丘里喷嘴或文丘里静态混合器相比较，本发明中的碳酸溶液扩散器，解决了二氧化碳气体的使用率(溶解率)低、噪音、震动、气蚀等问题； 同时，碳酸溶液投加的应用场景范围也更宽广，如可以应用于自然湖泊、浅渠、浅 池、管道、储液罐等等。
3)本发明解决了不同压力的气、水经过混合器混合，气体易从液体中析出的问题，在静态混合器的溶液中的气泡被切割成微气泡，与大气泡相比较，微气泡更易 溶于水，生成碳酸溶液。另一个方面，气水混合物转化为过饱和碳酸溶液需要压力 和时间，扩散器和静态混合器之间的管道距离过长或过短，管道的管径过大或过小， 都将产生系统压降、二氧化碳气泡析出或混合物还未转化成碳酸溶液就被注入到水 中的问题，环形盘管或储液罐的设计解决了这些问题，碳酸溶液在被封闭的压力环 境中保持稳定。
（发明人：林峡）
