устройство для диспергирования газа в жидкости

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ГАЗА В ЖИДКОСТИ, содержащее распределительную камеру в виде полого кольцевого конфузора, циркуляционный насос, трубопроводы для подвода в камеру жидкости и газа, подсоединенные к распределительной камере соответственно сверху и снизу, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности работы устройства путем снижения его гидравлического сопротивления, распределительная камера снабжена сплошной горизонтальной дискообразной перегородкой, делящей ее на две части, при этом отношение площади кольцевой щели для выхода жидкости из камеры к площади кольцевой щели для выхода газа 1,4 1,6.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для диспергирования газа и может быть использовано для проведения процессов абсорбции, десорбции, газожидкостных химических реакций, аэрирования или озонирования оборотных и сточных вод, а также в других процессах химической технологии.

Известно устройство для диспергирования газа, представляющее собой погруженный в резервуар неподвижный блок радиально скомпонованных сопл-эжекторов [1] К блоку эжекторов подсоединены трубопроводы для принудительной циркуляции жидкости и подачи газа. Циркуляционный насос расположен за пределами емкости. Жидкость из нижней ее части с помощью насоса подается в верхнюю часть аэрирующего блока и попадает в первичные сопла эжекторов. Из первичных сопл жидкость проходит в общую камеру всасывания, соединенную с трубопроводом подачи сжатого газа. Благодаря тому, что при движении через первичные сопла жидкость приобретает высокую скорость (6-20 м/с), в камере всасывания создается разрежение и в нее вовлекается газ. Образовавшаяся газожидкостная дисперсия выходит из камеры смешения через вторичные сопла в окружающую блок жидкость, где образует конические погруженные струи, которые распространяются сначала горизонтально, а затем поднимаются к поверхности. Погруженные струи сообщают большую часть своей энергии окружающей жидкости, вызывая в сооружении циркуляцию и перемешивание.

Основным недостатком описанной конструкции является большая металлоемкость и сложность изготовления диспергирующего блока сопл, а также его высокое гидравлическое сопротивление, что приводит к неоправданно высоким затратам энергии циркуляционного насоса.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для аэрирования жидкости, представляющее собой распределительную камеру, трубопроводы для подвода в камеру жидкости и газа, циркуляционный насос [2] Распределительная камера выполнена в виде полого кольцевого конфузора. Внутри камеры размещен кольцевой газораспределитель также конфузорной формы, соединенный патрубками с вертикальным газовым коллектором, а кольцевая щель для выхода газа расположена по периметру камеры между двумя кольцевыми зазорами для выхода жидкости, причем отношение суммарной площади двух зазоров для выхода жидкости к площади щели для выхода газа составляет 0,4-0,5. Жидкость из нижней части емкости насосом по циркуляционному трубопроводу подается в распределительную камеру и направляется по конфузору в кольцевые зазоры. Сжатый газ от компрессора поступает по трубопроводу, по патрубкам попадает в кольцевой газораспределитель и выходит из него через кольцевую щель, расположенную по периметру камеры. Струи жидкости, выходящие с большой скоростью из зазоров, создают в области газовой щели некоторое разрежение, которое способствует вовлечению газа за счет эжекции. Сдвиговые напряжения возникающие в потоке благодаря разности скоростей жидкости и газа, способствуют дроблению его на мельчайшие пузыри. Кольцевая струя образовавшейся газожидкостной струи распространяется в жидкости в горизонтальном направлении до стенок резервуара, а затем поднимается к поверхности. Погруженная струя сообщает свою энергию окружающей жидкости, вызывая в емкости интенсивное перемешивание.

Недостатком рассмотренной конструкции является довольно высокая металлоемкость и сложность изготовления, а также высокое гидравлическое сопротивление, обусловленное сложным внутренним устройством распределительной камеры.

Целью изобретения является повышение эффективности работы и устройства за счет снижения его гидравлического сопротивления.

Указанная цель достигается тем, что распределительная камера поделена сплошной горизонтальной дискообразной перегородкой на две части, верхняя из которых соединена с трубопроводом для подачи жидкости, а нижняя с трубопроводом для подачи газа, при этом отношение площади кольцевой щели для выхода жидкости к площади кольцевой щели для выхода газа составляет от 1,4-1,6.

Снижение металлоемкости устройства для диспергирования газа по сравнению с прототипом достигается тем, что вместо двух вложенных друг в друга конфузоров, в предложенном устройстве имеется один конфузор, разделенный горизонтальной перегородкой на две части, и отсутствует нижняя (вторая) щель для выхода жидкости. Таким образом, металлоемкость устройства по сравнению с прототипом может быть снижена в 1,1-1,2 раза.

Снижение гидравлического сопротивления устройства для диспергирования газа по сравнению с прототипом достигается тем, что в предлагаемом устройстве отсутствуют внутренние каналы для перетекания жидкости из одной плоскости в другую. Таким образом, суммарный коэффициент гидравлического сопротивления устройства по сравнению с прототипом может быть снижен в 1,1-1,2 раза.

Опыты показали, что использование предлагаемой конструкции не вызывает снижения интенсивности массопереноса из газа в жидкость по сравнению с прототипом. Это происходит из-за того, что интенсивность дробления газовой фазы зависит не от взаимодействия струй жидкости (верхней и нижней) между собой, как полагали ранее, а от общей вводимой в аппарат со струями жидкости кинетической энергии, которая передается окружающей среде, вызывая ее интенсивное перемешивание и турбулизацию, следствием которых и является тонкое диспергирование газа. Интенсивность диспергирования газовой фазы зависит также от разности скоростей жидкости и газа в щелях распределительной камеры, т. е. от величины касательных напряжений на границе газ-жидкость. Струя жидкости над газовой фазой препятствует всплытию крупных пузырей газа сразу после выхода его из распределительной камеры и интенсивно дробит газ на мелкие пузыри.

Оптимальное соотношение площадей щелей устройства для диспергирования газа (1,4-1,6) было определено на основании экспериментов по массопереносу кислорода из газовой фазы в жидкость, проведенных на лабораторной модели по сульфитной методике. Критерием оптимальности служил коэффициент эффективности газожидкостного устройства, представляющий собой отношение производительности по растворяемому газу к затрачиваемой при этом мощности. Причем в устройстве затрачиваемая мощность представляет собой мощность, потребляемую насосом на циркуляцию жидкости, и прямо пропорциональна гидравлическому сопротивлению распределительной камеры.

Результаты экспериментов приведены в таблице.

Из таблицы видно, что именно в диапазоне соотношения площадей щелей для выхода жидкости и газа от 1,4 до 1,6 достигается наибольшее значение критерия эффективности, т.е. достигаются минимальные затраты энергии на единицу производительности по растворяемому газу. Полученные значения критерия эффективности не ниже, чем у устройства-прототипа, при этом конструкция предлагаемого устройства значительно проще и надежнее в работе.

На чертеже показано предлагаемое устройство, общий вид.

Устройство для диспергирования газа состоит из емкости 1 для жидкой фазы, насоса 2, трубопроводов 3 для циркулирующей жидкости, трубопровода 4 для подвода газа и распределительной камеры 5. Распределительная камера выполнена в виде полого кольцевого конфузора 6. Внутри камера разделена горизонтальной перегородкой 7 на две части, верхнюю и нижнюю, которые соединены патрубками 8 и 9 соответственно с трубопроводом 3 для подачи жидкости и трубопроводом 4 для подвода газа. Кольцевая щель 10 для выхода газа расположена по периметру камеры под кольцевым зазором 11 для выхода жидкости. Отношение площади зазора 11 к площади зазора щели 10 для выхода газа составляет 1,4-1,6.

Устройство работает следующим образом. Жидкость из нижней части емкости 1 насосом 2 по циркуляционному трубопроводу 3 подается в верхнюю часть камеры 5 и направляется в зазор 11. Сжатый газ, поступят по трубопроводу 4 и по патрубку 9, попадает в нижнюю часть камеры 5, откуда выходит через щель 10. Струя жидкости препятствует быстрому всплытию газовой фазы. Сдвиговые напряжения, возникающие в потоке благодаря разности скоростей жидкости и газа, а также интенсивная турбулизация потока энергией жидкостной струи способствуют дроблению газовой фазы на мельчайшие пузыри. Радиальная струя образовавшейся газожидкостной смеси распространяется в жидкости в горизонтальном направлении до стенок резервуара, а затем поднимается к поверхности. Погруженная струя сообщает свою энергию окружающей жидкости, вызывая в емкости интенсивное перемешивание.

Предлагаемая конструкция диспергатора газа по сравнению с прототипом при одной и той же интенсивности массопереноса из газа в жидкость позволяет снизить металлоемкость устройства в 1,1-1,2 раза, а также снизить суммарный коэффициент гидравлического сопротивления в 1,1-1,2 раза. Кроме того, если рабочая жидкость содержит взвешенные твердые частицы, вероятность засорения щели для выхода жидкости в предлагаемом устройстве гораздо ниже, чем в устройстве-прототипе, поскольку в предлагаемой конструкции ширина щели в 2 раза больше, чем ширина каждой из щелей устройства-прототипа.