Способ дегазации жидкости и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: дегазация жидкости осуществляется путем создания в потоке режима кавитации за счет его сужения и расширения. Режим кавитации осуществляют в диапазоне /с 0,4-1,0 при вакуумном отсосе, а затем в диапазоне к 0,2-0,6 при эжекции воздуха или водяного пара, где/счисло кавитаций. Устройство для дегазации включает основной и дополнительный модули , состоящие из подводящего и отводящего патрубков, сужающе-расширяющего насадка и цилиндри еского канала, соединенного с резервуаром низкого давления тангенциально. Основной модуль соединен с вакуум-насосом посредством газоотводящего патрубка, а дополнительный модуль соединен с атмосферой посредством газоподводящего патрубка. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я>я С 02 F 1/20, B 01 0 19/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4802632/26 (22) 05.02.90 (46) 15.05.92, Бюл. N" "18 (75) Н.А.Яхова, А.С.Марчинский, А.В.Туч.

И.Н.Громова, А,Н.шеремет. А.Н.Максютенко и В.В.Боровиков (53) 66.069.84 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1421663, кл. В 01 О 19/00,.1987. (54) СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ ЖИДКОСТИ VI

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Сущность изобретения; дегазация жидкости осуществляется путем создания в потоке режима кавитации за счет его сужения и расширения. Режим кавитации осуществИзобретение относится к способам дегазации жидкости. в частности для десорбции аммиака, и может быть использовано в пищевой, химической и нефтехимической промышленности, Известен способ десорбции аммиака из жидкости путем отд/вки сжатым воздухом или водяным паром при высоких значениях рН в присутствии поверхностно-активных веществ.

Недостатками это о способа являются высокие удельные энергозатраты, связанные с необходимостью обработки сточной воды химическими реагентами для повышения рН жидкости и поверхностно-активными веществами, от которых в дальнейшем необходимо очищать жидкость, Известен спас:>б дегазации. который осуществляется на режимах естественной кавитации в реакторах проточного типа. содержащих кавитаци. нный модуль, состоящий из патрубков входа жидкости,и выхода жидкости и газа. в кстэром установлен кавитатор. В качестве кавитлтора используется

„„Я2„„1733388 А1 ляют в диапазоне к= 0,4 — 1,0 при вакуумном отсосе, а затем в диапазоне к= 0,2 — 0,6 при эжекции воздуха или водяного пара, где к— число кавитаций, Устройство для дегазации включает основной и дополнительный модули. состоящие из подводящего и отводящего патрубков. сужающе-расширяющего насадка и цилиндри еского канала, соединенного с резервуаром низкого давления тангенциально. Основной модуль соединен с вакуум-насосом посредством газоотводящего патрубка. а дополнительный модуль соединен с атмосферой посредством газоподводящего патрубка. 2 с. и 3 з,п, ф-лы, 2 ил. диск. шар, цилиндр, конус, в теле которого выполнены каналы для удаления газовой фазы в области пониженного давления, образующейся за кавитатором.

Недостатком этого способа и устройств на его основе является низкая степень очистки жидкости от газа и невысокая производительность, Наиболее бл эким к предлагаемому является способ де азации жидкости, включающий создание в потоке режима кавитации за счет сужения и расширения. после чего производят закрутку потока, В качестве прототипа выбрано устройство. которое содержит подводящий и отводящий жидкость патрубки, кавитационный модуль, состоящий из сужающе-расширяющей части, цилиндрического канала, причем выход кавитационного модуля соединен с резервуаром низкого давления тангенциально.

Недостатком такого способа и устройства для его осуществления является высокое остаточное газос<>де,ржание жидкости, 1733388

Целью изобретения является повышение степени дегазации.

Поставленная цель достигается тем, что режим кавитации, создаваемый в потоке путем его сужения и расширения, осуществляется в диапазоне к = 0,4 — 1,0 при вакуумном отсосе.

Затем кавитационная обработка реализуется в диапазоне н = 0,2 — 0,6 при эжекции воздуха или водяного пара, где к — число кавитации. Положительный эффект достигается в результате того, что при обработке в диапазоне к = 0,4-1,0 в потоке жидкости образуются радикалы Й или.ОН, рН жидкости возрастает до значения 9,5 — 1 0,5, я вляющегося оптимальным для процесса дегазации. Благодаря этому при дальнейшей обработке жидкости в диапазоне к=

=0,2 — D,6 в присутствии воздуха или пара газоотделение увеличивается, что связано со смещением равновесия в правую сторону в системе NH4 + ОН . ИНз+ Н20.

Окончательная дегазация осуществляется путем закрутки двухфазного потока в резервуаре низкого давления. Пузырьки газа,из-за центрифугирующего эффекта всплывают на поверхность и выделившийся газ отсасывается через верхнюю часть резервуара, Известен способ дегазации жидкости для удаления кислорода. включающий перемешивание в кавитационном режиме и подачу инертного газа на барботаж под кавитационные насадки.

Если таким способом десорбировать жидкость, содержащую растворенный аммиак, степень дегазации оказывается низкой.

Так как осуществить режим естественной кавитации с числами к= 0,4 — 1 e аппарате с вращающейся мешалкой с кавитационными насадками не представляется возможным, для этого окружная скорость мешалки должна составлять в=

=100-110 с

Реализация таких режимов энергетически неоправдана, к тому же кавитационные элементы подвергаются непрерывному кавитационному износу, Кроме того, в кавитационные каверны, образующиеся за насадками. подсасывается барботирующий газ. Это приводит к потере "жесткости" кавитации из-за уменьшения перепада давлений между кавита цион ными пуз ы рька ми и окружающей. его жидкости.

Время "жизни" радикалов Й и ОН составляет 30-60 с, после этого их содержа5

45 ние в водном растворе уменьшается и рН среды снижается до прежнего уровня. Бар-. ботаж газом под кавитационные насадки не обеспечивает своевременного попадания газовых пузырьков в зону кавитационного воздействия, так как скорость всплывания барботирующих пузырьков мала и является функцией многих параметров, в том числе и физических свойств жидкости, которые в сточной воде могут меняться в широких пределах, Предлагаемое в качестве изобретения устройство для дегазации жидкости, включающее кавитационный модуль, состоящий из подводящего и отводя щего жидкость патрубков, сужающе-расширяющего насадка и цилиндрического канала, соединенного с резервуаром низкого давления тангенциально, снабжено дополнительным кавитационным модулем, установленным после основного модуля перед резервуаром низкого давления, при этом основной модуль соединен с вакуум-насосом посредством газоотводящего патрубка, а дополнительный модуль соединен с атмосферой посредством газоподводящего патрубка.

Цилиндрический канал основного и дополнительного кавитационного модуля выполнен перфорированным и снабжен охватывающей его камерой. Камера основного модуля выполнена вакуумной и соединена с газоотводящим патрубком, а камера дополнительного соединена с газоподводящим патрубком. Насадок выполнен в виде сопла с острой кромкой входного сечения, расположенного коаксиально цилиндрическому каналу, длина которого равна 14-20 его диаметров. Отношение площади цилиндрического канала и площади выходного сечения сопла составляет 3 — 5, Способ дегазации жидкости осуществляется на режиме кавитации в диапазоне к =

=0,4-1,0 при вакуумном отсосе, а затем в диапазоне к = О,> — 6 при эжекции воздуха или водяного пара.

ЧиСло кавитации, определяющее режим обработки жидкости на первом кавитационном модуле, определ ется по формуле:

К1— р Н „ где Рвх и Vs» — давление, МПа, и скорость жидкой фазы перед основным кавитационным модулем, мlс;

Р» — давление в кавитационной каверне, обусловленное гидродинамикой истечения струи из сопла и давлением разрежения, создаваемое вакуум-насосом в камере, МПа;

1733388

10

55 р — плотность дегазируемой жидкости (например, аммиачной воды) при данной температуре и давлении (в нормальных условиях/ = 1000 кг/м ).

Число кавитации в дополнительном кавитационном модуле определяется по формуле

2 (P„„Pê )

IQ .г

1 р /вх где Р х и b/ x — давление, МПа, и скорость жидкой фазы перед дополнительным кавитационным модулем, м/с;

Р» — давление в кавитационной каверне, обусловленное гидродинамикой истечения струи, из сопла и объемом эжектируемого воздуха, МПа.

На фиг.1 изображено устройство для осуществления способа дегазации жидкости, представляющей собой водный раствор аммиака; на фиг.2 — конструкция дополнительного кавитационного модуля.

Устройство содержит циркуляционный насос 1, трубопровод 2 с регулирующим вентилем, подводящий патрубок 3 и основной кавитационный модуль 4.

Вслед за основным кавитационным модулем 4 расположен дополнительный модуль 5, содержащий сопло 10 с острой кромкой входного сечения 11, расположенное коаксиально на входе в цилиндрический канал 12. Цилиндрический канал перфорирован и имеет длину, составляющую 14-20

его диаметров. Он заключен в камеру 13 с газоподводящим патрубком 9, сообщающимся с атмосферой для эжекции воздуха или водяного пара, Отношение площади цилиндрического канала 12 к площади выходного сечения сопла 10 составляет 3-5. Основной кавитационный модуль 4 имеет конструкцию, аналогичную модулю 5, но в нем камера 13 снабжена газоотводящим патрубком 7, подсоединенным к вакуум-насосу 8.

Выход дополнительного кавитационного модуля 5 соединен тангенциально с резервуаром 6 низкого давления. оснащенным в верхней части газоотводом

14, а в нижней части -- отводящим патрубком

15 и вентилем 16 слива дегазированной жидкости.

Устройство работает следующим образом.

После заполнения циркуляционного контура аммиачной водой циркуляционным насосом 1 по трубопроводу и через расходный вентиль 2 и подводящий патрубок 3 жидкость подается в основной кавитационный модуль 4. Расход жидкости регулируется. вентилем. В кавитационном модуле 4. попадая в сопло 10 с острой выходной кромкой 11, поток ускоряется и истекает струей в цилиндрический канал 12. У стенок цилиндрического канала 12 образуются кавитационные каверны, в которые диффундирует легкоотделяющаяся часть газа (аммиака).Так как цилиндрический канал перфорирован, то газ отсасывается вакуум-насосом 8 через газоотводящий патрубок 17 из камеры 13, которая охватывает перфорированный цилиндрический канал 12.

В хвостовой части каверны из-за воздействия кавитации в жидкости образуются радикалы Н и ОН, в результате чего показатель рН жидкости, имеющий до кавитационной обработки значение рНах 8,5, после прохождения через основной кавитационный модуль приобретает значение рН 9,510,5 в зависимости от "жесткости" кавитации (мерой "жесткости" кавитации является число кавитации к )).

После этого жидкость попадает в дополнительный кавитационный модуль 5. где при истечении ее из сопла 10 в перфорированный цилиндрический канал 12 происходит эжекция воздуха в кавитационную каверну через газоподводящий патрубок 9 и камеру 13, охватывающую цилиндрический канал 12. Воздушные пузырьки, образующиеся в хвостовой части каверны при уносе основной массы воздуха, способствуют выделению газа из жидкости до 90o . B дальнейшем дегазируемая жидкость поступает по тангенциальной в резервуар 6 низкого давления. В результате закрутки потока пузырьки. заполненные смесью воздуха и аммиака, всплывают на поверхность и выделившийся газ удаляют через верхний газоотвод 14. Дегазированная жидкость сливается через вентиль 16 или подается для дальнейшей дегазации на циркуляцию.

Конструктивные параметры сопла 10 и цилиндрического канала 12 подобраны таким образом, чтобы удовлетворить режимные требования способа. Это прежде всего соблюдение "жесткости" кавитации в основном кавитационном модуле и требование эжекции 2 — 4 объемов воздуха на 1 объем жидкости в дополнительном кавитационном модуле.

Эти требования реализуются. когда отношение площади цилиндрического канала и площади выходного сечения сопла составляет 3 — 5, а длина цилиндрического канала (!) равна 14 — 20 его диаметров (d ), Уменьшение длины цилиндрического канала 1 менее 14 dr снижает коэффициент эжекции Up в два раза при прочих равных условиях, а снижение Uo приводит к умень1733388 шению степени дегазации жидкости на

30%.

Увеличение длины цилиндрического канала 1 > 20 dr ухудшает режим работы второго кавитацион ного модуля и характеризуется нестабильным, скачкообразным изменением U< в широких пределах, В примерах 4, 6, 7 приведено обоснование выбора конструктивных параметров цилиндрического канала.

Пример 1. 0.2 м аммиачной воды с з концентрацией аммиака 1000 мг/л, температурой t = 50 С, / 1000 кгlм и рН» 8,5 заполняют циркуляционный контур, где при помощи циркуляционного насоса 1 и расходного вентиля 2 устанавливают на входном патрубке 3 кавитационного модуля 4 скорость Чвх = 24,5 м/с и давление Рвх. =

=-0,11 МПа (ата). Вакуум-насос 8 создает давление в камере 13 и кавитационной каверне, образующейся за соплом 10, Р» = 0,02 МПа (а та).

Происходит отсос легкоотделяющейся части аммиака и кавитационная обработка жидкости при числах л <= 0,3. Показатель рН жидкости, имеющий на входе в первый кавитационный модуль рНвх 8,5. повышается на его выходе до значения рНвых 10,5. При прохождении жидкости через дополнительный кавитационный модуль при той же скорости и давлении, что и.у основного модуля, происходит эжекция воздуха через патрубок 9 с коэффициентом Uo — — 1, Давление в камере 13, а следовательно. и в кавитационной каверне, образующейся р цилиндрическом канале 12, составляет 0,07 МПа (ата).

Происходит обработка жидкости на режиме искусственной кавитацли при кг= 0,13. Этот режим осуществляется при отношении площади цилиндрического канала к площади выходного, сечения сопла б1 /dc -- 2. Затем г г поток закручивается и дегазируется в резервуаре 6 низкого давления, Дегазированная вода сливается через вентиль 16, Степень дегазации аммиачнои воды составляет 65%.

dr /dc = 2.

2 2

Пример 2, Аналогично примеру 1 параметры технологического режима следующие: Vsx =: Vsx =- 23,4 м/с; Psx = 0,13 МПа;

P» = 0,02 МПа; Ю = 0,4: pHsx = 8,5: рНвых

10,5; P» = 0,073 МПа: Psx„= 0,13 МПа: Uc =2: л г= 0,2; N = 0,09 к Вт.ч/м .

Степень дегазации аммиачной воды

90 o, dr2/dc2 = 3

Пример 3, Аналогично примеру 1 параметры технологического режима были следующие: Vsx = Vex = 20 м/с; P» =- Рвх =

=0,15 МПа; Р» = 0,02 Mila; к1 = 0.75; рНвх ——

=8,5; p H Bblx 10; PK = 0,08 М Па; Uo = 3;

=0,35; N = 0,065 кВт.ч/м, Степень дегазации аммиачной воды

93 при конструктивных параметрах

5 dr /dc =4.

Пример 4, Аналогично примеру 1 параметры технологического режима следу/ I ющие, Vsx=Vex =8м/с; Рex= Рех =0,19 МПа;

Р» = 0,02 МПа; к1 = 1; pHsx = 8,5; рНв х 9,5;

10 Р»=008 МПа; 0о=4;кг=06; N =005 êÂò»

«ч/м .

Степень дегазации аммиачной воды

93 при dr /dc =5, Пример 5. Аналогично примеру 1

15 параметры технологического режима следуЮ ющие: Vsx = Vex = 15 м/с; Рвх = Рвх = 0,2 М Па;

pHsx = 8,5; Р» = 0,02 МПа; л1 = 1,6; рНвых 9;

Р» =0 09 МПа; Us =5; л = 1; N = 0 05 кВт ч/м, Степень дегазации аммиачной воды

20 70 из-за низкого рНвых 9, dr2/dcг = 6.

Пример 6, Режимные параметры аналогичны примеру 4; Vex = Vsx = 18 м/с;

P» = Pe,x x= 0,19 МПа; Р» = 0,02 МПа; л1 =

=1: рНвх 8,5: рНвых = 9,5, Уменьшаем длину цилиндрического канала! =- 13 б,; Uo = 2; Р» = 0,073 МПа и лг =

=-0,7. Степень дегазации аммиачной воды составила 63 /,.

Пример 7. Режимные параметры аналогичны примеру 4, а длина цилиндрического канала l = 21 dr. Наблюдается скачкообразное изменение коэффициента эжекции 00 в пределах 0,6-1,5. B этом случае кг = 0,86 — 0,73. Степень дегазации аммиачной воды составила 50/. Удельный з расход энергии составил N = 0,2 кВт ч/м .

Таким образом, оптимальными режимами работы по степени дегазации аммиачной воды и удельным энергетическим затратам являются режимы, описанные в примерах

2 — 4, которые реализуются в устройстве с длиной цилиндрического канала, равной

14 — 20 его диамегров, при отношении его площади к площади выходного сопла

45 drг/dc2 = 3 5.

Сравнение технико-экономических показателей прототипа и предлагаемого способа приведено в табл.1 (начальное содержание аммиака в сточной воде

1000 мг/л), Режимные и расчетные показатели работы технологической схемы способа дегазации жидкости or аммиака приведены в табл.2 и 3.

Формула изобретения

1, Способ дегазации жидкости, включающий создание в потоке режима кавитации за счет его сужения и расширения, после

1733388

Таблица 1

"(Удел затра

Таблица 2

Параметр

2 г

24,5

23,4

О. 5

0.3

0.4

0.13

0,2

0.35

10.5

10

10.5

90 !

65

0.09

0.2

0,06

18

П р и м е ч а н и е. Исходные параметры: рН Р

*Коэффициент эжекции, равный отношению обьема эжектируемого воздуха к объему жидкости, проходя цей через кавитационный модуль, чего производят закрутку потока. о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения степени дегазации, режим кавитации осуществляют в диапазоне it= 0,4-1,0 при вакуумном отсосе, а затем в диапазоне 5 к=0,2 — 0,6 при эжекции воздуха или водяного пара, где a — число кавитаций.

2. Устройство для дегазации жидкости, . включающее кавитационный модуль, состо- 10 ящий из подводящего и отводящего жидкость патрубков, сужающе-расширяющего насадка и цилиндрического канала, соединенного с резервуаром низкого давления тангенциально, о т л и ч а ю щ е е с я тем. 15 что, с целью повышения степени дегазации, оно снабжено дополнительным кавитационным модулем, установленным после основного модуля перед. резервуаром низкого давления, при этом основной модуль соеди- 20 нен с вакуум-насосом посредством газоотводящего патрубка, а дополнительный

Скорость потока.

I/sx, M/C

Число кавитации основного модулЯ, К1

Число кавитации дополнительного модуля, к2

Коэффициент эжекции, Uo*

Показатель рН,,,„

Степень дегазации аммиачной воды, %

Удельный расход энергии, N, кВт ч/м

Отношение площади цилиндрического канала к площауи сопла.

dr /dc

Длина цилиндрического канала. 1.м, модуль соединен с атмосферой посредством газоподводящего патрубка.

3. Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что цилиндрический канал основного и дополнительного, модулей выполнен перфорированным и снабжен охватывающей его камерой, при этом камера основного модуля выполнена вакуумной и соединена с газоотводящим .патрубком, а камера дополнительного модуля соединена с газоподводящим патрубком.

4. Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что насадок основного и дополнительного модулей выполнен в виде сопла с острой кромкой выходного сечения, расположенного коаксиально цилиндрическому каналу, длина которого равна 14 — 20 его диаметра.

5. Устройство по пп.2 и 4, о т л и ч а ющ е е с я тем, что отношение площади цилиндрического канала и площади выходного сечения сопла составляет 3-5.

1733388

45

Табл ица3

1733388 . Захава

СТО -

Составитель H. Яховэ

Редактор Т, Лазаренко Техред М.Моргентал Корректор О. Кравцова

Заказ 1636 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101