CN102026718A - 设计用于过程强化的水力空化反应器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了水力空化的装置，其用作反应器以通过在水性介质和非水性介质中产生特别调节的活性空泡(瞬时的或稳定的，或两者)而获得确实的效应而用于在均质和异质系统中强化物理和化学过程。装置包括空泡发生器、空泡分流器和湍流操纵器，其中空泡发生器/空泡分流器是具有各种形状和大小的流调节器。给出空化的状态图及其产生方法被以实现用于特定目标过程强化所要求的期望空化类型，然后反应器被设计来实现预定的过程强化。状况图将空泡发生器中的最大流体速度与装置的几种几何设计的空化数、活性空泡和特定类型的空泡分数相关联。

Description

设计用于过程强化的水力空化反应器的方法

技术领域

本发明涉及在水性介质和非水性介质中实现经调节的空化条件的水力空化反应器，用于物理和化学过程的强化，以及涉及用于设计这样的反应器的方法。

背景技术

“过程强化”包括使用产生优质产品的紧凑式生产设备提供能量有效的和环境安全的过程、使废物产生最小化、导致显著成本降低从而增强先进技术的可持续性。

近来，空化被认为很重要，因为它提供在接近环境的整体处理条件下产生局部高温(～14000K)和高压(～10000atm)条件的手段。所形成的空泡的破裂或内爆在冷的液体中产生瞬时的、局部化的热点，其可以被有效地利用来进行物理化学过程，包括化学反应的强化、反应器中的声冲流和增强转运过程的速率。

通常，基于产生的模式，空化分为四个类型：

声空化——通过超声波经过流体而产生。

水力空化——通过在流动流体中产生压强变化而产生。

光空化——通过高强度光的光子经过液体而产生。

粒子空化——通过高能粒子诸如质子或中子在液体中轰击而产生。

在上文给出的产生空化的各种模式之中，水力空化可以在工业规模上将物理化学过程强化应用于大规模液体体积。

Senthilkumar等(2000)[SenthilKumar，P.，Sivakumar，M.&Pandit，A.B.，Experimental quantification of chemical effects of hydrodynamiccavitation.Chemical Engineering Science，55，1633-1639，2000.]已经表明，水力空化可以通过使液体经过收缩结构诸如节流阀、孔板、文氏管等而产生。Gogate等(2006)[Gogate，P.R.&Pandit，A.B.，A reviewand assessment of hydrodynamic cavitation as a technology for the future.Ultrasonic Sonochemistry，12，21-27，2005.]已经论述了利用水力空化来强化化学过程诸如甲苯、(o-/p-/m)-二甲苯、均三甲基苯、(o-/m)-硝基甲苯和(o-/p)-氯甲苯的氧化；使用醇进行植物油的酯交换已经由Kelkar&Pandit(2005)论述[Kelkar，M.A.&Pandit，A.B.，Cavitationally InducedChemical Transformations.M.Chem.Engg.Thesis，University of Mumbai，2005]；使用醇进行脂肪酸的酯化已经由Kelkar等(2008)论述[Kelkar，M.A.，Gogate，P.R.&Pandit，A.B.，Intensification of esterification of acidsfor synthesis of biodiesel using acoustic and hydrodynamic cavitation.Ultrasonic Sonochemistry，15，188-194，2008]。类似地，水力空化已经应用于破坏微生物以消毒饮用水(Jyoti&Pandit，2002)[Jyoti，K.K.&Pandit，A.B.，Studies in water disinfection techniques.Ph.D.(Tech)Thesis，University of Mumbai，2002]、破坏细胞以释放细胞内酶[Balasundaram，B.&Harrison，S.T.L.，Study of Physical and Biological Factors Involved inthe Disruption of E.Coli by Hydrodynamic Cavitation]、乳化[Gaikwad，S.G.&Pandit，A.B.，Application of Ultrasound in Heterogeneous Systems.Ph.D.(Tech)Thesis，University of Mumbai，2007]、纳米颗粒合成[Patil，M.N.&Pandit，A.B.，Cavitation-A Novel Technique for making stablenano-suspensions.Ultrasonics Sonochemistry，14，519-530，2007]。

在水力空化中，在反应器中占优的空化的强度通过空化数而与整体操作条件相关。空化数可以数学表示为：

$C_v=\frac{P_2-P_v}{\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_1{v}_o^2}---\left(1\right)$

其中，

P₂是空泡发生器下游的恢复压强，

P_v是在操作温度下液体的蒸汽压，

V_o是在空泡发生器处液体的平均速度，

ρ是液体密度。

空化开始发生时的空化数被称为空化起始数C_Vi。理想地，空化起始在C_vi＝1时发生而在C_v值小于1时存在显著的空化效应。此外，空泡的动力特性在物理和化学过程的强化中起着重要的作用。

用于具体转化类型的水力空化反应器的性能取决于在反应器中占优的空化条件。所有上文提及的研究已经公开了对于给定过程的水力空化应用的具体条件。然而，上述引用的现有技术未教导如何设计用于在多样介质中进行预定过程强化的水力空化反应器。

在现有技术中已知在流动流体中产生水力空化的装置和方法。

美国专利5492654披露了用于获得自由分散系统的水力空化装置，其中所述装置包括外壳，该外壳具有入口孔、出口孔并且内部容纳收缩器、配有折流体的流道和扩散器，收缩器、流道和扩散器顺序安装在所述外壳的入口孔侧并彼此连接。折流体包括至少两个互连的元件以在流道的至少两段中实现流动的局部收缩。流速保持以使得在这些段的流速与在出口处的流速之比为至少2.1，而空化度为至少0.5。空化度可以通过改变折流板的形状和折流板之间的距离来改变。然而，按照该专利的自由分散系统特别限于液体-液体和固体-液体系统。它没有公开可被产生的空化度范围。它没有公开哪种折流板形状或什么样的折流板间距产生什么样的空化度。因此，它没有教导如何设计或获得用于在多样介质中进行预定过程强化的水力空化装置/反应器。

美国专利5810052披露了一种用于获得自由分散系统的水力空化装置，其包括流道，该流道内部容纳在流道中心或其附近的单一折流体或安置在流道壁附近的折流体。空化度据称通过不同的折流体形状和通过收缩比的调节来改变。流收缩比应该为0.8，且在收缩处的流速应该至少为14m/s。在该专利中考虑的自由分散系统特别限于液体-液体和固体-液体系统。尽管描述了各种折流板形状，但没有给出哪一形状在任何给定的几何学或操作条件下产生更高或更低空化度的信息。除了保持至少14m/s的流速之外，没有给出关于分散系统的操作压强和温度的范围以及所考虑的液体和固体的物理化学参数的信息。因此，它没有教导如何设计或获得用于在多样介质中进行预定过程强化的水力空化装置/反应器。

美国专利5937906、6012492、6035897公开了用于使用水力空化大规模进行声-化学反应的方法和装置。所述装置包括流通通道，其内部包含可以是产生流体动力流的局部收缩的挡流板或折流板的至少一个元件，从而在所述元件下游产生空化穴。这些专利描述了具有标准形状如圆形、椭圆形、直角形、多边形和狭缝的挡流板或折流板。所述装置可以以再循环模式操作。所述专利披露了仅进行以前分类为声-化学反应的那些反应的水力空化装置和方法。该专利没有给出任何关于折流体的哪一种形状对于声-化学反应更好的信息。该专利没有给出任何关于设计用于以预定转化水平进行特定反应(不必须是声-化学反应，而是任何反应)的水力空化反应器的信息。其教导不能扩展至或获得用于以预定转化率或过程强化的进行预定的物理化学转化的水力空化反应器的设计。

美国专利6502979、7086777、7207712描述了用于产生水力空化的装置和方法。该装置包括具有上游部和下游部的流通室，其中下游部具有大于上游部的横截面积并且其中流通室的壁可拆卸和可更换地安装在该装置内。折流板元件可具有不同的形状和大小并且可拆卸地安装在流通室内，用于从折流板元件下游产生空化。据说空化度通过改变折流板元件的形状、大小和位置而改变。然而，它没有解释这些参数对该反应器中空化度的影响，这是必需的和可用于有利的转化并可用于设计和优化水力空化反应器。其教导不能扩展至或获得用于以预定水平进行物理化学转化或强化它们的水力空化反应器的设计。

专利申请第WO 2007/054956A1号描述了基于水力空化用于轮船压舱水(如海水)的消毒的装置和方法。空化室主要装备有单个或多个垂直于流体流向放置的空化元件，所述空化元件以均匀或非均匀间隔分隔开，且各所述空化元件具有单孔或多孔形式的部分开孔区。然而，该方法不能被用来设计用于除了处理压舱水以外的转化的空化反应器，因为该类型的空化条件的效果没有具体地与消毒程度相关。

在现有技术中论述的全部上述装置和方法用于特定类型的转化，而无适当的设计考虑。它们当中都未给出关于在该装置中产生的空化条件/空化类型的任何信息。所报道的现有技术也没有教导设计具有可用于进行特定物理化学转化的经调节的空化条件的水力空化反应器的方法。特定物理化学转化所需要的空化条件类型不能利用现有技术得出并且不能由本领域普通技术人员在不经过大量的试验的情况下轻易延伸得到。

发明内容

本发明的主要目的是提供用于设计在水性介质和非水性介质中实现经调节的空化条件以用于物理和化学过程的强化的水力空化反应器的方法。

本发明的另一目的是提供通过在水力空化反应器中的设计空泡(具有特定大小并且以预定动力学方式起作用)在所述水力空化反应器中产生预定类型的空化的方法和使用所述方法产生的空化状态图。

本发明的另一目的是提供通过改变反应器的结构特征和操作条件调节水力空化反应器中的空泡动力学(即空泡的产生、生长、振动和/或破裂)的手段。

本发明的另一目的是提供通过改变空泡产生点下游的湍流特性来控制空泡行为的方法。

本发明的另一目的是提供通过协同地结合反应物流路和所述流调节器下游容积中的流调节器的几何形状与反应物的性质而控制下游湍流来实现预定空化的手段。

本发明另一目的是提供用于在工业规模上的过程强化的具有设计空泡的水力空化反应器。

附图说明

图1显示出空化室各种设计的空化状态图。其绘制出通过空泡发生器的速率-空化百分比及空化数的关系图。

图2显示出非水性系统的空化状态图。它显示出改变液体密度对空化程度和类型的影响。

图3显示出随着密度和粘度变化的活性空化(active cavitation)和稳定空化。

图4显示出对于包括在本申请内的实施例的数值评价的空化条件。

具体实施方式

本发明涉及设计在水性介质和非水性介质中实现调节的空化条件的水力空化反应器，用于物理和化学过程的强化。在本发明中，在水力空化反应器的结构特征和操作条件对空化条件(空泡动力学和空化强度)的影响之间建立了新的和有用的操作性关系，接着利用这样的关系来设计水力空化反应器以获得用于物理和化学过程的强化的预定空化条件。

水力空化反应器包括空泡发生器、空泡分流器和湍流操纵器，其中空泡发生器/空泡分流器是具有各种形状和大小的流调节器。湍流操纵器包括能够改变湍流的规模和强度以使得空泡生长、振荡和/或破裂的各种几何元件，从而产生最适于所期望的物理化学转化的振荡的、瞬时的或多重破裂的空泡行为。流调节器可以是具有圆形、长方形或三角形或任何其它合适的形状的一个或多个孔口(锐孔或异型孔)或者包括具有适当的会聚角或扩散角的会聚和发散段的文氏管。

因此，根据本发明，首先，使用任何商业CFD规则如RNG k-ε湍流模型的FLUENT 6.2，进行流调节器构型的各种结构特征和操作条件范围的CFD模拟。从CFD模拟获得的流信息如静压强、湍流动能和频率被用于空泡动力学模拟。空泡动力学模拟基于气泡动力学模型，如Rayleigh-Plesset方程和Tomita-Shima方程。

产生至少10倍于系统中的最大压强的瞬时压强的空泡可以产生空化效应并被称为活性空泡，且活性空泡的分数被估计为：

所产生的空化条件被表示为空化活性％，定义为显示出稳定的或瞬时的破裂行为而不是简单的分解特征的空泡。瞬时空化％表示在总空化活性中，多少％的空泡显示出瞬时行为(在单个体积膨胀和收缩循环中发生破裂)，而类似地，稳定空化％表示在总空化活性中，多少％的空泡显示出振荡行为(在单个体积膨胀和收缩循环中发生破裂)。

基于限定的参数如对于水样流体而限定的空化数(图1)，对流调节器的构型和操作条件的变化(表1)对水力空化反应器中空化条件的影响作图。在该(图1)图中在流调节器处的流动速度表示流调节器的各种结构特征和所考虑的操作条件范围的影响。在本发明的一个方面中，在具有如表1和图1所示的一系列几何形状和操作条件的空化装置中发生的空化的强度和类型之间建立关系并验证。在本发明的相关方面中，类似于图1的状态图将被用来确认特定目标过程强化所需要的理想空化类型，然后反应器被设计来实现期望和预定的过程强化。

图1证实，对于特定(相同空化数，采用不同的几何构型和操作条件得到)空化数(空化度)，在水力空化反应器内部存在空化条件(瞬时或稳定或活性)的可计量的差异，其可用于设计水力空化反应器以实现在水性介质和非水性介质中的调节的空化条件，用于多种物理和化学过程的强化。

图1可用于获得由于流调节器的存在而导致的由流动速度表示的水力空化反应器的结构特征和操作条件的效应。如在伴随的实施例中显示的，使用本发明提出的此方法，已经在转化类型和在反应器中占优的空化条件(取决于几何形状和操作条件)之间建立了清楚的关系，其可以促进和/或强化支持该转化的所述物理/化学反应。因此，图1可用来针对预定的操作条件范围设计空化反应器，以得到用于特定的期望转化类型的理想空化条件/空化类型。

例如，通过空泡发生器的流速对空化反应器中占优的空化条件产生影响。从图1可见，空化(活性空化)的产生只在1.0的空化数阈值之后开始。随着空化数的进一步降低，空化事件增加，直到0.22的空化数。空化数的任何进一步的降低不导致空化事件的增加。这通常是对于大多数主要以水作为主要流体组分的水性系统发现的。

从图1还可以看出，随着空泡发生器处液体速度的增加，空化的瞬时类型变得越来越占多数，从而降低主要存在的总体空化条件中稳定空化类型的优势。然而，对于0.22或以下的空化数，瞬时和稳定空化在总体空化条件中显示出相等的相关性(活性空泡％)。

非水性系统的空化图示于图2中。就空化介质而言，非水性系统主要特征在于显著不同于水的密度、表面张力和粘度。本发明描述了对于具有如下范围内的理化性质的任何液体或液体混合物进行空化系统的设计：

密度：800至1500kg/m³(水：1000kg/m³)

粘度：1至100cP(水：1cP)

表面张力：0.01至0.075N/m(水：0.072N/m)

蒸汽压：在30℃，300至101325N/m²(水：4200Pa)

用于反应/转化的介质可以选自对于反应物具有溶解/分散能力并具有与反应物相同范围的理化性质的任何适当的溶剂。

随着液体密度的增加(在所述的800kg/m³至1500kg/m³的范围内)，观察到稳定空化程度降低(和瞬时空化增加)几乎20％。随着液体粘性增加活性空泡减少，且在超过100cP时活性空泡不再存在(图3)。观察到0.01至0.075N/m范围内的表面张力对于在1和0.37的空化数这两种极端情况下空化程度或性质的改变没有很大的作用。无因次参数“空化数”考虑了液体的蒸汽压，从而蒸汽压的变化直接反映在空化图中。

因此，水力空化反应器可以被设计来在水性介质和非水性介质中实现用于物理和化学过程的强化的空化条件，其中空化数选自下列范围

对于“Ven_ori”和“Orifice”的稳定空化，0.5至1.0，

对于“Venturi”、“NC_ven”、“Ven_step4”、“Stepped2”、“Ori_Ven”、“Stepped4”的瞬时空化，0.22至0.5，

对于“Ven_ori”和“Orifice”的同时稳定和瞬时空化，0.22至0.5。

因此根据本发明，调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现用于物理和化学过程的强化的空化条件的方法包括下列步骤：

分别选择目标物理和/或化学变化所需的稳定和/或瞬时空化，

其中

选择用于在均质系统中的化学转化的瞬时空化，

选择用于在异质系统中的化学转化和在均质系统中的物理转化的稳定空化，

选择用于在异质系统中的物理转化的稳定和瞬时空化；

从第一个步骤中所选择的物理或化学转化的范围选择空化数；

从状态图选择空化室的几何形状，以对于所选择的空化数最大化所选择的空化类型的活性空化；

确定所选择的几何形状内空泡发生器的面积，和使用方程式3确定对于需处理的容积流率的所述空化数

其中，面积是空泡发生器的面积(m²)，流率是容积流率(m³/s)，P₂是空泡发生器下游的压强(Pa)，P_v是操作温度下对于所选择的转化待处理的液体的蒸汽压(Pa)，ρ是液体密度(kg/m³)，而C_v是所选择的空化数；

其中任选地

当空化室几何形状的选择类型是孔口时，通过选择具有最小尺寸的多个孔使得α值(其是孔周长与孔流面积之比)最大化并且多个孔的流面积的和等于所述面积来进行使活性空化最大化的优化，从而使得孔的最小尺寸比异质相中最大的刚性/半刚性的微粒子至少大50倍，其中孔的最小尺寸极限是1mm；

如果是在包括具有预先化学转变的乳化步骤的液体-液体异质系统中，则选择韦伯数＝4.7的另外的标准；

其中，韦伯数(We)定义为导致崩溃的惯性力与抵抗崩溃的界面张力之比；

$\mathrm{We}=\frac{d_E{v}^{\′2}\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\σ}}$

其中，d_E是乳液的尺寸，v′是湍流脉动速度，ρ是液体密度而σ是界面表面张力；

如果所选择的所述空化室的几何形状类型是多重孔口空泡发生器，则孔的间距由下式获得：

d_S＝d_h+4×10^-4V_J

其中，ds是孔间的间距(m)；d_h是孔的最小尺寸(m)，而V_J是在空泡发生器处液体的速度(m/s)。

通过包括下列步骤的方法获得如图1、2和4所示的状态图，其将通过空化室的流体或浆液的最大速度、空化数和活性、瞬时和稳定空化的百分比相关联：

使用由如下列的基本变量组成的适当方程，在由空泡发生器、流和湍流调节器组成的空化室的几何结构上，确立物质连续性和动量平衡、湍流动能和湍流能耗散速率：(P)液体的压强，(u)x方向上的速度分量，(v)y方向上的速度分量，(w)z方向上的速度分量，按照表1中所示的参照系，(k)湍流动能，(ε)湍流能耗散速率，(ρ)液体密度，(σ)液相表面和界面张力，(μ)液体粘度；

其中，连续性方程是：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\▿.\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u}\right)=0---\left(4\right)$

其中，动量平衡方程是：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u}\right)+\▿.\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u}\stackrel{\‾}{u}\right)=-\▿P-\▿.\left(\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{u}}^{\′}{\stackrel{\‾}{u}}^{\′}\right)+\mathrm{\μ}{\▿}^2{\stackrel{\‾}{u}}_i+\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{g}---\left(5\right)$

其中，湍流动能方程是：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρk}\right)+\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\mathrm{\ρk}{u}_i\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+0.09\mathrm{\ρ}\frac{k^2}{\mathrm{\ϵ}})\frac{\∂k}{{\∂x}_j}\right]-\left(\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{u}}_i{\stackrel{\‾}{u}}_j\frac{{\∂u}_j}{\∂x_i}\right)-\mathrm{p\ϵ}---\left(6\right)$

其中，湍流能耗散速率方程是：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ\ϵ}\right)+\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left(\mathrm{\ρ\ϵ}{u}_i\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+0.069\mathrm{\ρ}\frac{k^2}{\mathrm{\ϵ}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂x}_j}\right]+1.44\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}\left(\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{u}}_i{\stackrel{\‾}{u}}_j\frac{{\∂u}_j}{{\∂x}_i}\right)-1.92\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}---\left(7\right)$

其中，

是重力加速度矢量，而上述方程用数值解析以获得P、k和ε；

获得空泡通过空化室采取的可能路径数“n”；

其中，n显著大于100；

其中空泡采取的路径从拉格朗日方程获得：

$\frac{{\∂u}_P}{\∂t}=F_D(u-u_P)+\frac{g_x({\mathrm{\ρ}}_P-\mathrm{\ρ})}{{\mathrm{\ρ}}_P}---\left(8\right)$

其中，u_P是空泡速度，F_D(u-u_P)是每单位质量空泡的曳力(dragforce)，ρ_P是空泡的密度，g_x是x方向上的重力(表1)；

其中，数值解析拉格朗日方程以获得空泡的时间依赖性坐标；

其中，P_Bulk、k和ε由在从拉格朗日方程(8)获得的这些坐标处的平衡解获得；

从下列关系获得压强幅度(P_amp)、压强频率(f)和由空泡测出的瞬时压强(P_∞)的值：

$P_{\mathrm{amp}}=1/3\mathrm{\ρk};f=\frac{\mathrm{\ϵ}}{k};P_{\∞}\left(t\right)=P_{\mathrm{Bulk}}-P_{\mathrm{amp}}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right);$

使用上述P_∞、P_amp、f的数据从空泡动力学模型获得空泡动力学(随时间变化的空泡半径)；

其中，空泡动力学模型通常被称为Rayleigh-Plesset方程族，例如

$R\left(\frac{d^{2}R}{{\mathrm{dt}}^2}\right)+\frac{3}{2}{\left(\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dt}}\right)}^2=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_l}[P_B-\frac{4\mathrm{\μ}}{R}\left(\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dt}}\right)-\frac{2\mathrm{\σ}}{R}-P_{\∞}]---\left(9\right)$

其中，t是时间，R是在任何情况下空泡的半径，σ是液体表面张力，μ是液体粘度，P_B是气泡内部的压强；

使用下列标准，将空泡分类为活性、稳定和瞬时空化；

其中，如果空泡内部的压强比空化室入口处的压强大10倍，则空泡是活性的，

其中，如果最终压强与其存在期间空泡内部的最高压强不同，则活性空泡是稳定空泡，

其中，如果最终压强等于空泡内部的最大压强，则活性空泡是瞬时空泡；

对于给定速度、空化数、空化室所选择的几何形状(形状和尺寸)进行计算，

活性空化的百分比计算为活性空泡数/空泡总数X 100；

稳定空化的百分比计算为稳定空泡数/活性空泡总数X 100；

瞬时空化的百分比计算为瞬时空泡数/活性空泡总数X 100。

上述方法已经用于调整空化室的多样几何形状为：

i)“Venturi”，包括：

空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中的最小横截面的一部分或全部；

流调节器，其是在名为空泡发生器的最小横截面上游的具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段和在空泡发生器下游的具有20-25°的总体平均角的平滑发散段；

所述“Venturi”由沿流动方向顺序布置的三个共轴段组成。会聚段使得

轴线是直线

在其整个长度上横截面是圆形的

管道直径沿流动方向以0.93至1.06m/m的比率减小

当横截面积等于喉管段(throat section)的横截面积时它终止。

喉管段使得

轴线是直线

管道的横截面是圆形的

横截面积恒定并且从方程(3)获得

段的长度等于其直径的一半。

发散段使得

管道的轴线是直线

管道的横截面在其整个长度上是圆形的

管道直径沿流动方向以0.35至0.44m/m的比率增加

它的长度等于会聚段长度的2.64倍。

ii)“Ven_step4”，其包括：

空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部；

在所述空泡发生器下游的湍流调节器，其具有沿着与液流平行的长轴排列并且结合在一起以形成管道的长度(宽度)等于空泡发生器的最大尺寸的多个段；

流调节器，其是在空泡发生器上游具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段；

所述“Ven_step4”由沿流动方向顺序布置的三个共轴段组成。会聚段使得

轴线是直线

横截面在其整个长度上是圆形的

管道直径沿流动方向以0.93至1.06m/m的比率减小

当横截面积等于喉管段的横截面积时它终止。

喉管段使得

轴线是直线

管道的横截面是圆形的

横截面积恒定并且从方程(3)获得

段的长度等于其直径的一半。

发散段包括多重孔口，使得

各后续孔板接触在前孔板

各孔板仅具有一个孔

孔板中的所有孔都是圆的并且与喉管段的轴线共轴

各孔板的厚度是喉管段长度的两倍

后续孔板的直径增加各孔板厚度的0.35-0.44倍

该段的长度等于会聚段的长度的2.64倍。

iii)“Stepped2”，其包括：

空泡发生器，其是使得α的值最大化圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部；

所述空泡发生器上游和下游的湍流调节器，其具有沿着与流面积增加的液流平行的长轴排列并且结合在一起形成也具有在上游52-56°和下游20-25°的总体平均角的流面积增加的管道的、长度(宽度)等于空泡发生器的最大尺寸的一半的段；

所述“Stepped2”由沿流动方向顺序布置的三个共轴段组成。会聚段包括多重孔口，使得

各后续孔板接触在前孔板

各孔板仅具有一个孔

孔板中的所有孔都是圆形的并且与喉管段的轴线共轴

各孔板的厚度等于喉管段的长度

后续孔板的孔径减小各孔板厚度的0.93-1.06倍

当孔的面积等于喉管段的横截面积时它终止。

喉管段使得

轴线是直线

管道的横截面是圆形的

横截面积恒定并且从方程(3)获得

喉管段的长度是它的直径的一半。

发散段包括多重孔口，使得

各后续孔板接触在前孔板

各孔板仅具有一个孔

孔板中的所有孔都是圆形的并且与喉管段的轴线共轴

各孔板的厚度等于喉管段的长度

后续孔板的直径增加各孔板厚度的0.35-0.44倍

该段的长度等于会聚段的长度的2.64倍。

iv)“Ori_Ven”，其包括：

空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部；

流调节器，其是在空泡发生器下游具有20-25°的总体平均角的平滑发散段；

所述“Ori_Ven”由沿流动方向顺序布置的两个共轴段组成。喉管段使得

轴线是直线

管道的横截面是圆形的

横截面积恒定并且从方程(3)获得

段的长度等于它的直径的一半

发散段使得

管道的轴线是直线

管道的横截面在其整个长度上是圆形的

管道直径沿流动方向以0.35至0.44m/m的比率增加

它的长度等于液体流率(m³/s)/喉管段面积(m²)*0.001m。v)“Stepped4”，包括：

空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部；

在所述空泡发生器下游和上游的湍流调节器，其作为分别以流面积减小和增大的顺序排列的、分别具有20-25°和52-56°的总体平均角的、长度(宽度)等于所述空泡发生器的最大尺寸的多个段的组件；

所述“Stepped4”由沿流动方向顺序布置的三个共轴段组成。会聚段包括多重孔口，使得

各后续孔板接触在前孔板

各孔板仅具有一个孔

孔板中的所有孔都是圆的并且与喉管段的轴线共轴

各孔板的厚度是喉管段长度的两倍

后续孔板的孔径减小各孔板厚度的0.93-1.06倍

当孔板中孔的面积等于喉管段的横截面积时它终止。

喉管段使得

轴线是直线

管道的横截面是圆形的

横截面积恒定并且从方程(3)获得

喉管段的长度是它的直径的一半

发散段包括多重孔口，使得

各后续孔板接触在前孔板

各孔板仅具有一个孔

孔板中的所有孔都是圆形的并且与喉管段的轴线共轴

各孔板的厚度是喉管段长度的两倍

后续孔板的直径增加了孔板厚度的0.35-0.44倍

该段的长度等于会聚段的长度的2.64倍。

vi)“Ven_Ori”，其包括：

空泡发生器，其是使得α的值最大化的任何形状的空化室中最小横截面的部分；

流调节器，其是在空泡发生器上游具有52-56°的角度的平滑会聚段；

所述“Ven_Ori”由沿流动方向顺序布置的两个共轴段组成。会聚段使得

轴线是直线

横截面在其整个长度上是圆形的

管道直径沿流动方向以0.93至1.06m/m的比率减小

当横截面积等于喉管段的横截面积时它终止。

喉管段使得

轴线是直线

管道的横截面是圆形的

横截面积恒定并且从方程(3)获得

段的长度等于它的直径的一半。

vii)“Orifice”，其包括：

空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部；

所述“Orifice”由喉管段组成，使得

轴线是直线

管道的横截面是圆形的

横截面积恒定并且从方程(3)获得

段的长度等于它的直径的一半。

viii)“NC_Ven”，其包括：

空泡发生器，其是使得α的值最大化的非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部；

流调节器，其是在空泡发生器上游的具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段和在空泡发生器下游的具有20-25°的总体平均角的平滑发散段；在所述空泡发生器下游保持相同或不同的仍非圆形的形状。

本发明现在以设计用于水力空化的反应器的非限制性实施例加以阐述，涉及特定物理、化学或生物转化中的过程强化，如通过细菌破坏的水消毒、若丹明的降解、甲苯氧化、冷却塔中的生物结垢、脂肪酸的酯化和可溶性碳的释放。也包括与几何结构、能量消耗、空化优化有关的实施例。

实施例

设计特点、操作条件、空化条件和这些空化条件对各种转化的影响列于表2a中。这些空化装置(首先如表2a所示模拟的不同构型的孔板)已经被制造，并以实验测试来验证用于设计水力空化反应器的图1。

图1已经得以验证，然后用于设计反应器以进行具体的过程强化，并如上所述举例说明图1的应用。

实施例1

空化室的几何分析

空化室的各种几何结构被设计来处理2.5×10^-4m³/s的代表性液体流率和0.5的空化数。仅出于例证的目的选择上述参数，但其中给出的方法和获得的设计可以用于这些操作和设计参数的范围。对于上述的代表性液体流率(2.5×10^-4m³/s)和选择的空化数(0.5)，空泡发生器的面积通过方程(3)计算为1.26×10^-5m²。根据本方法，获得空化装置的若干形状并分析其空化行为。

对于各种设计预测的压降在表3中给出。可以看出，对于给定的液体流率，最低压降(0.475atm)发生在文氏管中，而最高压降(3.15atm)发生在孔口中。在“ori_ven”的情况下的压降(1.55atm)比在“ven_ori”的情况下的压降(2.13atm)低。

表3显示出对于各种设计注入的总空泡的活性空泡％。可以看出，当下游段是发散的(文氏管/梯级的)而不是如在孔口中一样骤然扩大时，活性空泡％较高。

表3详述了在若干设计中产生的活性和瞬时空泡的程度。表3给出了从本发明获得的每单位压降的活性空泡百分比和每单位压降的瞬时空泡百分比。使用本方法，有可能对空化装置的空化行为进行定量并且可以对于给定的物理化学转化得到优化的几何结构和操作参数。

根据给出的方法产生各种设计的空化状态图并示于图1中。实线表示活性空泡的程度而虚线表示稳定空泡的程度。使用空化状态图，可以对于任何空化元件的设计确定操作参数(空化数)。尽管图1显示出水样物质的空化状态图，但根据本文先前的讨论，它可以针对在密度、粘度、表面张力和蒸汽压方面基本上不同的液体进行改变(图2)。

实施例2

使用水力空化进行的饮用水消毒/细菌破坏

进行微生物细胞破坏以用于几种应用如水消毒、废水处理、避免生物结垢、酶回收等等。当在微生物细胞附近空泡破裂(瞬时空化)或经历快速体积振荡(稳定空化)时，微生物细胞被破坏。如果瞬时或稳定空化产生的作用应力显著大于细胞强度，则细胞壁受到破坏。因此，两种类型的空化都可能促进细胞破坏的程度。由于空化在异质系统中的物理效应，产生微生物消毒。因此，对于微生物细胞破坏，稳定和瞬时空化都应该得到最大化。从图1所示的状态图可知，选择在0.22至0.5的范围内的空化数，其对于孔口产生了最高的稳定空化。对于选自上述范围的空化数0.28，孔口中的孔面积对于6.73×10^-4m³/s的流率由方程(3)计算为2.55×10^-5m²。该孔的面积对应于直径5.70mm的单孔。因为选择的空化室是孔板，我们需要最大化α值(孔的周长与开口面积之比)。我们选择1mm的极值，其产生最高的α值。因此，孔板得以设计和制造成具有33个直径1mm的孔。该空化元件(孔板)在不同入口压强下的性能特征示于表2b中。从表2a可见，空化强度(活性空泡的％)随着入口压强的增加而增加，从而消毒百分比也增加。入口压强增加四倍(从1.72bar到5.77bar)已经导致活性空化增加13倍，从而导致消毒增加50％。如早先所述，该类型的空化(瞬时或稳定的)对水消毒具有重要的影响。在～14m/s(w-1)的低液体速度下的水消毒研究表明，尽管非常少，但存在瞬时空泡，从而由振荡(稳定)空泡产生约60％的实质性消毒。此外，随着瞬时空化的量增加53％，观察到消毒增加50％，表明在瞬时空化效应和消毒之间接近一比一的对应关系。因此，通过基于图1和4在稳定空化或瞬时空化中设计和操作空化装置，在物理转化方面实现所需的效应。因此，用于在异质系统中进行微生物细胞破坏的调节空化反应器已经被设计为在稳定和瞬时空化的情况下进行操作，其中对于6.73×10^-4m³/s的流率，空化数选自0.22至0.5，优选0.28，其中孔口中的孔面积是2.55×10^-5m²，相当于直径5.70mm的单孔，其中选择最小的孔径以最大化α的值，但当孔径是1mm时达到极值，从而得到33个孔以实现所要求的总流面积，以及39％的活性空化，其中稳定空化的程度是46％，从而产生86％的细胞破坏。

实施例3

使用水力空化降解若丹明

若丹明是芳香胺染料，通常用于纺织业。需要对包含这类污染物的废流进行脱色。空化破坏这类分子的生色团，从而使该废物排放流脱色。这是在均质系统中的物理转化。因此，对于这样的转化稳定空化应该被最大化。从图1所示的状态图可知，空化数应该在0.5至1.0的范围内，其对孔口产生了最高的稳定空化。0.78的空化数选自所选的空化数范围，且对于4.08×10^-4m³/s的流率，孔口的开口面积由方程(3)计算为2.59×10^-5m²。该开口面积相当于直径5.7mm的单孔。因为选择的空化室是孔板，我们需要最大化α值(孔的周长与开口面积之比)。我们选择1mm的极值，其产生最高的α值。与该几何结构一起，也设计和制造了少数其它具有变化的α值(2和1.33)的孔板设计，以比较产生水力空化的能力(详细情况参见表2a)。对于相同的入口压强，三种不同孔板的性能特征示于表2a中。从表2b可以看出，对于相同的入口压强，若丹明的降解百分比随着空化元件的几何结构而变化。降解百分比随α值的增加而增加(表2a)。R-1和R-2的比较(图4)表明，采用同样的活性空泡量，5％瞬时空化的存在可以增加降解大约50％。类似地，R-3和R-2构型的比较显示，尽管对于R-3构型活性空化的量减少32％(图4)，但降解的减少很小(1％)。这可能归因于在R-3的情况下瞬时空化的量增加大约25％。这清楚地表明，由图4产生和预测的并且由空化元件的结构特征获得的空化类型在若丹明降解中起重要作用，这是基于分子键的破坏，从而导致生色团的破坏并导致最终的脱色。可见，根据所给的方法设计的孔板(具有最大的α值)由于上述原因产生与其它设计相比最高程度的转化。因此，用于若丹明降解的经调节的空化反应器已经设计为在稳定空化的情况下进行操作，其中对于4.08×10^-4m³/s的流率，空化数选自0.5至1.0，优选0.78，以实现最高的稳定空化，其中孔口中的孔面积是2.59×10^-5m²，相当于直径5.7mm的单孔，其中选择最小的孔径被以最大化α值，但当孔径是1mm时达到极值，从而得到33个孔以实现总流面积和95％的稳定空化，产生17％的若丹明降解。

实施例4

使用水力空化进行甲苯氧化

烷基芳烃氧化成相应的芳基羧酸是工业上的重要过程。工业上，这样的氧化使用稀HNO₃或空气在高温和高压条件下进行。这是异质系统且要求高搅拌速度以实现反应物的充分混合。水力空化产生反应物的细乳状液并且还提供用于烷基芳烃氧化的自由基。水力空化用来进行甲苯的氧化。这是在异质系统中的化学转化。因此，对于这样的转化应该使稳定空化最大化。从图1所示的状态图可知，空化数应该在0.5至1.0的范围内，其对于孔口产生了最高的稳定空化。0.78的空化数选自所选的空化数范围，且对于22.2×10^-4m³/s的流率，孔口的开口面积由方程(3)计算为11.3×10^-5 m²。该开口面积相当于直径12mm的单孔。因为选择的空化室是孔板，我们需要最大化α值(孔的周长与开口面积之比)。为最大化该值，选择为异质相中最大刚性/半刚性微粒尺寸的至少50倍的最小孔，但极限为1mm的值。根据相对于液体-液体异质系统描述的方法，由韦伯数标准(We＝4.7)获得分散相的最大尺寸。对于2.5m/s的湍流脉动速度，分散相的尺寸从韦伯数获得为0.051mm。因此，孔的极限值应该为(50×0.0051)2.51mm，为便于制造而四舍五入为3mm。因此，具有16个直径3毫米的孔的孔口被设计和制造。与该设计一起，还制造了另一个α值为2的设计以比较性能。表2a显示了所用的几何结构和操作条件的详细情况。T-2和T-4情况下的比较显示，活性空化的量增加20％(图4)引起转化增加26％。稳定空泡的作用是相关的，因为该反应对于总的反应进程与强化要求物理(乳化，由振荡空泡控制)和化学(氧化，由瞬时空泡控制)的效应。用于异质液体-液体系统中的甲苯氧化的经调节的空化反应器已经被设计为在最大化的稳定空化下进行操作，其中对于22.2×10^-4m³/s的流率，最大化活性空化百分比的空化数选自0.5至1.0，优选0.78的空化数、更优选0.5的空化数，其中孔口中的孔面积是11.3×10^-5m²，其相当于直径12mm的单孔，其中任选地选择最小的孔径以最大化α值，但当孔径是1mm或为最大刚性/半刚性的微粒尺寸的至少50倍时达到极值，产生～2.51mm的最小孔径，从而得到具有直径3毫米的16个孔的孔板，以实现90.3％的稳定空化，因而产生53％的甲苯氧化，或者在0.4的空化数下产生80％的稳定空化以实现54％的甲苯氧化。

实施例5

使用空化消除冷却塔中的生物结垢

冷却塔水中微生物生长(藻类/真菌)在冷却塔和相关的热交换设备中导致生物结垢。对于微生物细胞破坏而言，稳定和瞬时空化应该最大化，并因此对于这样的应用，空化室应该产生最高的活性空化。因此根据所描述的方法，选择在0.5至1.0范围内的空化数以对于具有最小压降的文氏管产生最大活性空化。对于选自上述范围的空化数0.8，对于3.14×10^-2m³/s的流率，文氏管中喉部的面积由方程(3)计算为12.57×10^-4m²。通过保持排出压强在2.5atm以及速度等于25m/s，空化数维持在0.8。对于所述的操作参数，所选择的空化室的设计产生26％的活性空化和10％的瞬时空化。表4显示，在冷却环路中循环的水中，细菌计数在13天的期间内从1,00,000CFU/ml降低至0CFU/ml。

因此，用于在异质系统中消除生物结垢的经调节的空化反应器被设计在稳定和瞬时空化下进行操作，其中对于3.14×10^-2m³/s的流率，空化数选自0.5至1，优选0.8，其中文氏管中空泡发生器的面积是12.57×10^-4m²，相当于直径40mm的空泡发生器，并且26％的活性空化(其中瞬时空化的程度是10％)引起细菌计数减少100％。

实施例6

使用水力空化进行C₈/C₁₀脂肪酸的酯化

水力空化用来进行脂肪酸与甲醇的酯化以产生甲酯。对于这一转化，需要使用于异质系统中的这类化学转化的稳定空化最大化。因此，根据该方法，空化数应该在0.5至1.0的范围内，其对于孔口产生最高的稳定空化。0.78的空化数选自所选择的空化数范围，且对于22.2×10^-4m³/s的流率，孔口的开口面积由方程(3)计算为11.3×10^-5m²。该开口面积相当于直径12mm的单孔。因为选择的空化室是孔板，α值(孔的周长与开口面积之比)需要被最大化，为此，选择为异质相中最大刚性/半刚性微粒尺寸的至少50倍的最小孔，但极限为1mm的值。根据对于液体-液体异质系统描述的方法，由韦伯数标准(We＝4.7)获得分散相的最大尺寸。对于2.5m/s的湍流脉动速度，分散相的尺寸从韦伯数获得为0.051mm。因此，孔的极限值应该为(50×0.0051)2.51mm，为便于制造而四舍五入为3mm。因此，孔口被调节为具有16个直径3毫米的孔。在根据上述方法操作该孔口设计后，90％的C₈/C₁₀脂肪酸在210分钟内转化为甲酯。

用于异质液体-液体系统中的C₈/C₁₀脂肪酸酯化的经调节的空化反应器被设计在最大化的稳定空化模式下进行操作，其中对于22.2×10^-4m³/s的流率，空化数选自0.5至1.0，优选0.78的空化数、更优选0.5的空化数，从而最大化活性空化百分比，其中孔口中的孔面积是11.3×10^-5m²，相当于直径12mm的单孔，其中任选地选择最小的孔径以最大化α值，但当孔径是1mm或最大刚性/半刚性微粒的尺寸的至少50倍时达到极值，产生～2.51mm的最小孔径，从而得到具有直径3毫米的16个孔的孔板，以实现90.3％的稳定空化在0.78的空化数下，在210分钟内引起C₈/C₁₀脂肪酸的90％发生酯化。

实施例7

使用水力空化进行用于活性污泥处理的可溶性碳的释放

使用水力空化，通过该系统中活化生物质的破坏获得用于活性污泥处理的可溶性碳。对于这样的应用，瞬时空化需要最大化以实现以有效的方式释放可溶性碳。根据该方法，选择在0.22至0.5范围内的空化数，其对于具有最小压降的文氏管产生最高的瞬时空化(表3)。对于选自上述空化数范围的空化数0.5和2.23×10^-4m³/s的流率，孔口中的孔面积由方程(3)计算为1.18×10^-5m²。该孔面积相当于文氏管的3.88mm(～4mm)的喉部直径。在根据该方法操作经调节的文氏管时，2000ppm的可溶性碳在操作的10分钟内释放。

因此，通过基于图1和4设计和操作瞬时空化的空化装置，在物理转化方面实现所需的效应。因此，用于在异质系统中从生物质破坏释放可溶性碳的经调节的空化反应器设计在瞬时空化下进行操作，其中以2.23×10^-4m³/s的流率，对于文氏管空化数选自0.22至0.5，优选0.55，其中文氏管中空泡发生器的面积是1.18×10^-5m²，相当于直径4mm的空泡发生器，并且30％的活性空化(其中瞬时空化的程度是96％)导致从破坏的生物质释放2000ppm的可溶性碳。

总之，在上文列举的实施例中，取决于转化的机理，观察到两种类型的空化(即瞬时空化与稳定空化)引起物理化学转化。微生物消毒(水的消毒)和若丹明降解主要由稳定空化引起，而当要求强烈的空化时(可溶性碳的释放)以及当需要分子水平的改变(甲苯氧化)时，瞬时空化是特别需要的。空化可以被调节(设计空泡)以实现要求预定的最低比能(specific minimum energy)的特定转化，且空化元件的几何结构和操作条件可以被调节以产生空化的主要具体类型，即空泡的尺寸、空泡的瞬时和/或稳定行为和空化有效事件的数目。实施例清楚地表明了本发明利于用于设计空化反应器以实现预定的物理化学转化的空化作图的能力，例如：

对于在0.5-1的范围内的空化数，稳定型空化占主要地位，主要负责在具有水样性质的流体中的物理效应，

对于在0.5-0.22的范围内的空化数，瞬时型空化更占优势，其主要负责在水样流体中的化学效应，

对于小于0.22的空化数，瞬时和稳定型的空化显示出相同的优势，并可用于在水样流体中总体转化同时要求物理和化学效应的转化。

Claims (19)

1.水力空化反应器，其用于在水性介质和非水性介质中实现空化状态而用于物理和化学过程的强化，其中空化数选自下列范围：

·对于“Ven_ori”和“Orifice”的稳定空化，0.5至1.0，

·对于“Venturi”、“NC_ven”、“Ven_step4”、“Stepped2”、“Ori_Ven”、“Stepped4”的瞬时空化，0.22至0.5，

·对于“Ven_ori”和“Orifice”的同时稳定和瞬时空化，0.22至0.5，

·以及“Ven_ori”、“Orifice”、“Venturi”、“NC_ven”、“Ven_step4”、“Stepped2”、“Ori_Ven”和“Stepped4”的组合；

其中，

“Venturi”的几何结构包括：

·空泡发生器，其是使得孔的周长与孔的流面积的比值(α)最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部，

·流调节器，其是在名为空泡发生器的最小横截面上游的具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段和在空泡发生器下游的具有20-25°的总体平均角的平滑发散段；

“Ven_step4”的几何结构包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部；

·在所述空泡发生器下游的湍流调节器，其具有沿着与液流平行的长轴排列并且结合在一起以形成管道的长度(宽度)等于空泡发生器的最大尺寸的多个段；

·流调节器，其是在空泡发生器上游具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段；

“Stepped2”的几何结构包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部；

·在所述空泡发生器的下游和上游的湍流调节器，其具有沿着与流面积增加的液流平行的长轴排列并且结合在一起形成也具有上游52-56°和下游20-25°的总体平均角的流面积增加的管道的、长度(宽度)等于空泡发生器的最大尺寸的一半的段；

“Ori_Ven”的几何结构包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部，

·流调节器，其是在空泡发生器下游具有20-25°的总体平均角的平滑发散段；

″Stepped4′的几何结构包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部，

·在所述空泡发生器下游和上游的湍流调节器，其作为长度(宽度)等于所述空泡发生器的最大尺寸的多个段的组件；

′Ven_Ori′的几何结构包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的任何形状的空化室中最小横截面的部分，

·流调节器，其是在空泡发生器上游的具有52-56°的角度的平滑会聚段；

“Orifice”的几何结构包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部；

′NC_Ven′的几何结构包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的非圆形的空化室中最小横截面的一部分或全部，

·流调节器，其是在空泡发生器上游的具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段和在空泡发生器下游的具有20-25°的总体平均角的

平滑发散段；在所述空泡发生器下游保持相同或不同的仍非圆形的形状。

2.如权利要求1所述的空化反应器，用于在异质系统中进行微生物细胞的破坏，在稳定和瞬时空化下操作，其中对于6.73×10^-4m³/s的流率，空化数选自0.22至0.5，优选0.28，其中孔口中孔面积是2.55×10^-5m²，相当于直径5.70mm的单孔，其中选择最小的孔径以最大化α的值，但当孔径是1mm时达到极值，从而得到33个孔以实现所要求的总流面积，和39％的活性空化，其中稳定空化的程度是46％，从而发生86％的细胞破坏。

3.如权利要求1所述的空化反应器，用于若丹明降解，在稳定空化下操作，其中对于4.08×10^-4m³/s的流率，空化数选自0.5至1.0，优选0.78，以实现最高的稳定空化，其中孔口中的孔面积是2.59×10^-5m²，相当于直径5.7mm的单孔，其中选择最小的孔径以最大化α的值，但当孔径是1mm时达到极值，从而得到33个孔以实现总流面积，和95％的稳定空化，从而产生17％的若丹明降解。

4.如权利要求1所述的空化反应器，用于在异质液体-液体系统中的甲苯氧化，在最大化的稳定空化下进行操作，其中对于22.2×10^-4m³/s的流率，最大化的活性空化百分比的空化数选自0.5至1.0，优选0.78、更优选0.5的空化数，其中孔口中的孔面积是11.3×10^-5m²，相当于直径12mm的单孔，其中任选地选择最小的孔径以最大化α值，但当孔径是1mm或为最大刚性/半刚性的微粒尺寸的至少50倍时达到极值，产生～2.51mm的最小孔径，从而得到具有直径3毫米的16个孔的孔板以实现90.3％的稳定空化而产生53％的甲苯氧化，或者在0.4的空化数下产生80％的稳定空化而实现54％的甲苯氧化。

5.如权利要求1所述的空化反应器，用于在异质系统中消除生物结垢，在稳定和瞬时空化下进行操作，其中对于3.14×10^-2m³/s的流率，空化数选自0.5至1，优选0.8，其中文氏管中空泡发生器的面积是12.57×10^-4m²，相当于直径40mm的空泡发生器，和26％的活性空化——其中瞬时空化的程度是10％——从而导致细菌计数降低100％。

6.如权利要求1所述的空化反应器，用于在异质液体-液体系统中C₈/C₁₀脂肪酸的酯化，在最大化的稳定空化模式下进行操作，其中对于22.2×10^-4m³/s的流率，最大化的活性空化百分比的空化数选自0.5至1.0，优选0.78，其中孔口中的孔面积是11.3×10^-5m²，其相当于直径12mm的单孔，其中任选地选择最小的孔径以最大化α值，但当孔径是1mm或为最大刚性/半刚性微粒的尺寸的至少50倍时达到极值，产生～2.51mm的最小孔径，从而得到具有直径3毫米的16个孔的孔板，以实现90.3％的稳定空化，因而在0.78的空化数下在210分钟内引起C₈/C₁₀脂肪酸90％酯化。

7.如权利要求1所述的空化反应器，用于在异质系统中通过生物质破坏释放可溶性碳，在瞬时空化下进行操作，其中对于具有2.23×10^-4m³/s的流率的文氏管，空化数选自0.22至0.5，优选0.5，其中文氏管中空泡发生器的面积是1.13×10^-5m²，相当于直径4mm(～3.8mm)的空泡发生器，和30％的活性空化——其中瞬时空化的程度是96％——从而引起从破坏的生物质释放2000ppm的可溶性碳。

8.一种使用将通过流体或浆液的最大速度与空化数和活性空化和/或瞬时/稳定空化的百分比关联起来的状态图(图1、2和4)调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件，用于物理和化学过程的强化的方法，包括下列步骤：

分别选择目标物理和/或化学转化所需的稳定和/或瞬时空化，其中

选择用于在均质系统中的化学转化的瞬时空化，

选择用于在异质系统中的化学转化和在均质系统中的物理转化的稳定空化，

选择用于在异质系统中的物理转化的稳定和瞬时空化；

从第一个步骤中所选择的物理或化学转化的范围选择空化数；

从状态图选择空化室的几何形状，以对于所选择的空化数使所选择的空化类型的活性空化最大化；

确定所选择的几何形状内空泡发生器的面积，和使用方程式3确定对于需处理的容积流率的所述空化数：

其中，面积是空泡发生器的面积(m²)，流率是容积流率(m³/s)，P₂是空泡发生器下游的压强(Pa)，P_v是操作温度下对于所选择的转化待处理的液体的蒸汽压(Pa)，ρ是液体密度(kg/m³)，而C_v是所选择的空化数；

其中任选地

当空化室几何形状的选择类型是孔口时，通过选择具有最小尺寸的多个孔以使得作为孔周长与孔的流面积之比的α最大化并且多个孔的流面积的和等于所述面积来进行使活性空化最大化的优化，从而使得孔的最小尺寸比异质相中最大的刚性/半刚性的微粒至少大50倍，其中孔的最小尺寸极限是1mm；

如果是在包括具有预先化学转化的乳化步骤的液体-液体异质系统中，则选择韦伯数＝4.7的另外的标准；

其中，韦伯数(We)定义为导致崩溃的惯性力与抵抗崩溃的界面张力之比；

$\mathrm{We}=\frac{d_E{v}^{\′2}\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\σ}}$

其中，d_E是乳液的尺寸，v′是湍流脉动速度，ρ是液体密度而σ是界面表面张力；

如果所选择的所述空化室几何形状类型是多重孔口，则孔的间距由下式获得：

d_S＝d_h+4×10^-4V_J

其中，ds是孔间的间距(m)；d_h是孔的最小尺寸(m)而V_J是在空泡发生器处的液体速度(m/s)。

9.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，所述空化数选自下列范围：

·对于“Ven_ori”和“Orifice”的稳定空化，0.5至1.0，

·对于“Venturi”、“NC_ven”、“Ven_step4”、“Stepped2”、“Ori_Ven”、“Stepped4”的瞬时空化，0.22至0.5，

·对于“Ven_ori”和“Orifice”的同时稳定和瞬时空化，0.22至0.5。

10.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是“Venturi”，其包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部，

·流调节器，其是在名为空泡发生器的最小横截面上游的具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段和在空泡发生器下游的具有20-25°的总体平均角的平滑发散段。

11.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是“Ven_step4”，其包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部，

·在所述空泡发生器下游的湍流调节器，其具有沿着与液流平行的长轴排列并且结合在一起以形成管道的长度(宽度)等于空泡发生器的最大尺寸的多个段，

·流调节器，其是在空泡发生器上游具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段。

12.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是“Stepped2”，其包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部，

·在所述空泡发生器下游和上游的湍流调节器，其具有沿着与流面积增加的液流平行的长轴排列并且结合在一起以形成也具有上游52-56°和下游20-25°的总体平均角的流面积增加的管道的、长度(宽度)等于空泡发生器的最大尺寸的一半的段。

13.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是“Ori_Ven”，其包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部，

·流调节器，其是在空泡发生器下游具有20-25°的总体平均角的平滑发散段。

14.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是“Stepped4”，其包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部，

·在所述空泡发生器下游和上游的湍流调节器，其作为分别以流面积减小和增大的顺序排列的、分别具有20-25°和52-56°的总体平均角的、长度(宽度)等于所述空泡发生器的最大尺寸的多个段的组件。

15.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是′Ven_Ori′，其包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的任何形状的空化室中最小横截面的部分，

·流调节器，其是在空泡发生器上游具有52-56°的角度的平滑会聚段。

16.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是“Orifice”，其包括

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的圆形或非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部。

17.如权利要求8所述的调节水力空化反应器以在水性介质和非水性介质中实现空化条件用于物理和化学过程的强化的方法，其中所述空化室的几何结构是′NC_Ven′，其包括：

·空泡发生器，其是使得α的值最大化的非圆形空化室中最小横截面的一部分或全部，

·流调节器，其是在空泡发生器上游的具有52-56°的总体平均角的平滑会聚段和在空泡发生器下游的具有20-25°的总体平均角的平滑发散段；在所述空泡发生器下游保持相同或不同的仍非圆形的形状。

18.如权利要求8中所述的使通过空化室的流体或浆液的最大速度、空化数和活性、瞬时和稳定空化的百分比关联起来的如图1、2和4的状态图由包括下列步骤的方法获得：

·使用由如下列的基本变量组成的适当方程，在由空泡发生器、流和湍流调节器组成的空化室的几何结构上，确立物质连续性和动量平衡、湍流动能和湍流能耗散速率：(P)液体的压强，(u)x方向上的速度分量，(v)y方向上的速度分量，(w)z方向上的速度分量，按照表1中所示的参照系，(k)湍流动能，(ε)湍流能耗散速率，(ρ)液体密度，(σ)液相表面和界面张力，(μ)液体粘度；

其中，连续性方程是：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\▿.\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u}\right)=0$

其中，动量平衡方程是：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u}\right)+\▿.\left(\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u}\stackrel{\‾}{u}\right)=-\▿P-\▿.\left(\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{u}}^{\′}{\stackrel{\‾}{u}}^{\′}\right)+\mathrm{\μ}{\▿}^2{\stackrel{\‾}{u}}_i+\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{g}$

其中，湍流动能方程是：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρk}\right)+\frac{\∂}{\∂x_i}\left(\mathrm{\ρk}{u}_i\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+0.09\mathrm{\ρ}\frac{k^2}{\mathrm{\ϵ}})\frac{\∂k}{{\∂x}_j}\right]-\left(\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{u}}_i{\stackrel{\‾}{u}}_j\frac{{\∂u}_j}{\∂x_i}\right)-\mathrm{p\ϵ}$

其中，湍流能耗散速率方程是：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ρ\ϵ}\right)+\frac{\∂}{{\∂x}_i}\left(\mathrm{\ρ\ϵ}{u}_i\right)=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+0.069\mathrm{\ρ}\frac{k^2}{\mathrm{\ϵ}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂x}_j}\right]+1.44\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}\left(\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{u}}_i{\stackrel{\‾}{u}}_j\frac{{\∂u}_j}{{\∂x}_i}\right)-1.92\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}$

其中，上述方程用数值解析，以获得P、k和ε；

·获得空泡通过空化室采取的可能路径数“n”；

其中，n显著大于100；

其中空泡采取的路径从拉格朗日方程获得：

$\frac{{\∂u}_P}{\∂t}=F_D(u-u_P)+\frac{g_x({\mathrm{\ρ}}_P-\mathrm{\ρ})}{{\mathrm{\ρ}}_P}---\left(L\right)$

其中，u_P是空泡速度，F_D(u-u_P)是每单位质量空泡的曳力，ρ_P是空泡的密度，t是时间，g_x是x方向上的重力加速度(表1)；

·其中，用数值解析拉格朗日方程(L)，以获得空泡的时间依赖性坐标；

其中，P、k和ε由在从拉格朗日方程(L)获得的这些坐标处的平衡解获得；

·从下列关系获得压强幅度(P_amp)、压强频率(f)和由空泡测出的瞬时压强(P_∞)的值：

$P_{\mathrm{amp}}=1/3\mathrm{\ρk};f=\frac{\mathrm{\ϵ}}{k};P_{\∞}\left(t\right)=P_{\mathrm{Bulk}}-P_{\mathrm{amp}}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right);$

·使用上述P_∞、P_amp、f的数据从空泡动力学模型获得空泡动力学(随时间变化的空泡半径)；

其中，空泡动力学模型通常被称为Rayleigh-Plesset方程族，例如

$R\left(\frac{d^{2}R}{{\mathrm{dt}}^2}\right)+\frac{3}{2}{\left(\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dt}}\right)}^2=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_l}[P_B-\frac{4\mathrm{\μ}}{R}\left(\frac{\mathrm{dR}}{\mathrm{dt}}\right)-\frac{2\mathrm{\σ}}{R}-P_{\∞}]$

其中，t是时间，R是在任何情况下空泡的半径，σ是液体表面张力，μ是液体粘度，P_B是气泡内部的压强；

·使用下列标准，将空泡分类为活性、稳定和瞬时空化；

其中，如果空泡内部的压强比空化室入口处的压强大10倍，则空泡是活性的，

其中，如果最终压强不等于其存在期间空泡内部的最高压强，则活性空泡是稳定空泡，

其中，如果最终波动压强等于空泡内部的最大压强，则活性空泡是瞬时空泡；

·对于给定速度、空化数、空化室所选择的几何形状(形状和尺寸)进行计算，

·活性空化的百分比计算为活性空泡数/空泡总数X 100，

·稳定空化的百分比计算为稳定空泡数/活性空泡总数X 100，

·瞬时空化的百分比计算为瞬时空泡数/活性空泡总数X 100。

19.如权利要求1-18的方法，其中所述液体选自具有850-1500kg/m³的密度、1-100cP的粘度、0.01-0.075N/m的表面张力和300-101325Pa的液体蒸汽压的液体。

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