Устройство для насыщения жидкости газом

 

Использование: интенсификация процесса массообмена между жидкой и газовой фазами. Сущность изобретения: устройство содержит вертикальный цилиндрический корпус, к днищу которого подсоединен газоподводящий патрубок, и перемешивающий орган с виброприводом. Перемешивающий орган выполнен в виде вертикальной сильфонной оболочки с герметичной крышкой на верхнем торце. Нижний торец сильфонной оболочки в крайнем нижнем положении штока герметично прижат к днищу корпуса, перекрывая сечение газоподводящего патрубка, а при движении штока вверх образует с днищем зазор. Колебания сильфонной оболочки обеспечивают поступление газа из патрубка и импульсный ввод его в мелкодисперсном состоянии в жидкость, за счет чего достигается высокая интенсивность массообмена между жидкостью и газом. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для проведения масообменных процессов при получении дисперсных систем жидкость-газ, жидкость-газ-твердое и может найти применение в химической, пищевой и других отраслях промышленности.

Известно устройство для насыщения жидкости газом, содержащее корпус с крышкой и патрубками для жидкости и газа, внутри которого размещены мешалка с приводом вращения и барботер, установленный в газоподводящем патрубке, выполненный в виде перфорированного диска и пульсатора [1] .

Недостатками данного устройства являются низкая интенсивность процесса тепломассообмена между жидкостью и газом, а также большие энергозатраты на перемешивание жидкости и газа.

Известно устройство для насыщения жидкости газом, содержащее вертикальный цилиндрический корпус, мешалку с приводом вращения и газоподводящий патрубок с пульсатором, подключенный к днищу корпуса через перфорированный диск, и телескопическую резонансную камеру с резонатором [2] .

При работе данного устройства газ, подаваемый на смешение от источника повышенного давления, проходит через пульсатор, в котором возбуждаются волны давления, и поступает в телескопическую камеру, настроенную на резонанс с пульсатором, в которой колебания давления газа усиливаются. Колебания газа через отверстия перфорированного диска передаются прилегающему слою жидкости в нижней части корпуса. В данном устройстве основной процесс взаимодействия жидкости и газа обеспечивается с помощью мешалки, турбулизирующей жидкость в корпусе и осуществляющей перемешивание жидкости с газом за счет создания тангенциальных потоков жидкости. Колебания давления газа, подводимого к перфорированному диску, лишь немного интенсифицируют этот процесс. При этом колебания давления подводимого газа, воздействуя на нижний слой жидкости в аппарате, не оказывают ощутимого влияния на остальной объем жидкости, колебания самих отрывающихся пузырьков газа быстро затухают, что не позволяет существенно интенсифицировать процесс массообмена между жидкостью и газом. Наличие в известном устройстве телескопической резонансной камеры с настроечным резонатором и перфорированным диском, пульсатора с приводом и источника газа повышенного давления усложняет конструкцию и работу известного устройства. Кроме того, низкая интенсивность массообмена между жидкостью и газом при наличии приводов мешалки, пульсатора и источника сжатого газа обуславливают повышенные затраты энергии при работе известного устройства.

Наиболее близким к описываемому является устройство для насыщения жидкости газом [3] , содержащее вертикальный цилиндрический корпус, в нижней части которого размещен перемешивающий и диспергирующий орган-перфорированный стакан, установленный вверх днищем и соединенный посредством вертикального штока с виброприводом, при этом стакан в своей нижней части снабжен дополнительным вогнутым днищем с центральным отверстием, отверстия перфорации в стакане выполнен в виде сопел, сужающихся к выходу, а полость стакана сообщена с газоподводящим патрубком, подключенным к днищу корпуса. Перед работой данного устройства корпус его заполняется жидкостью, затем включается вибропривод и производится подача газа. При работе устройства происходит подача газа в полость перфорированного стакана, совершающего вертикальные колебания, при одновременном поступлении туда же жидкости через центральное отверстие в нижнем днище стакана, а образующаяся газожидкостная смесь выходит через перфорацию стакана. То есть при работе устройства происходит непрерывная рециркуляция жидкости через полость стакана, что связано с дополнительными энергозатратами вследствие значительного гидросопротивления перфорации (сопловых отверстий) и центрального отверстия стакана потоку жидкости. Это существенно ограничивает амплитуду и виброускорение колебаний стакана и, соответственно, интенсивность массообмена фаз в полости стакана и интенсивность выхода пульсирующих струй из отверстий стакана, а также интенсивность пульсации давления жидкости и ее турбулизацию в объеме аппарата. Данное устройство вследствие низкой турбулизации жидкости и малой скорости выхода газа из стакана не позволяет обеспечить высокую интенсивность массобмена между жидкостью и газом. При этом постоянное наличие жидкости в полости стакана затрудняет поступление в эту полость газа, снижая его расход, что дополнительно ограничивает интенсивность процесса и скорость насыщения жидкости в аппарате. Увеличение же размеров стакана связано с резким повышением гидросопротивления при его колебаниях в жидкости и соответствующим увеличением энергозатрат. Кроме того, выполнение стакана с сопловыми отверстиями в днище и боковой стенке, имеющего нижнее вогнутое днище с центральным отверстием, усложнят конструкцию известного устройства. В данном устройстве при колебаниях стакана сохранят зазор между его торцом и днищем корпуса, что приводит (ввиду большого сопротивления отверстий перфорации) к выходу части газа через центральное отверстие стакана в виде крупных пузырей, что снижает эффективность процесса насыщения жидкости.

Целью изобретения является интенсификация массообмена между жидкостью и газом и снижение энергозатраты.

Цель достигается тем, что в устройстве для насыщения жидкости газом, содержащем веpтикальный цилиндрический корпус, к днищу которого подсоединен газоподводящий патрубок, и установленный в корпусе вверх днищем стакан, соединенный посредством штока с виброприводом, причем нижний торец стакана перекрывает сочетание газоподводящего патрубка, стакан выполнен в виде сильфонной оболочки с герметичной крышкой на верхнем торце, при этом в крайнем нижнем положении стакана нижний торец сильфонной оболочки герметично прижат к днищу корпуса. Сильфон выполняется тонкостенным с гофрами, обеспечивающими ему хорошие эластичные и упругие свойства.

При колебаниях стакана с частотой 30-50 Гц происходит импульсное растягивание и сжатие его гофрированной боковой стенки с одновременным изменением объема полости стакана, а также периодическое образование и закрытие кольцевого зазора между торцом сильфона и днищем корпуса. Это вызывает непрерывный подсос газа из газоподводящего патрубка и импульсный выброс его через периодически открывающийся кольцевой зазор в жидкость, обеспечивающий тонкое дисперигирование газа. Одновременно колебания гофрированного стакана и импульсные потоки (струи) газа создают интенсивные пульсации давления, турбулизирующие объем жидкости. В результате обеспечивается интенсивный массообмен между газом и жидкостью и повышается эффективность процесса насыщения. Уменьшаются размеры стакана и значительно снижается его масса, что позволяет снизить мощность вибропривода. Исключение источника подачи газа, снижение веса рабочего органа-стакана, а также интенсификация процесса массообмена позволяют уменьшить энергозатраты при насыщении жидким газом. Отсутствие источника подачи газа и упрощение рабочего органа позволяют упростить конструкцию устройства.

Конструкция предложенного устройства представлена на прилагаемом чертеже.

Устройство содержит цилиндрический вертикальный корпус 1 с крышкой 2 и патрубками 3 и 4 для залива и слива жидкости. В днище 5 корпуса 1 по его центру закреплена верхняя часть газоподводящего патрубка 6, установленного под днищем корпуса. В нижней части корпуса 1 над газоподводящим патрубком 6 размещен перемешивающий орган, выполненный в виде вертикальной сильфонной оболочки 7, имеющей на верхнем торце герметичную крышку 3. Перемешивающий орган закреплен на нижнем конце вертикального штока 9, жестко соединенного с крышкой 8. Шток 9 подсоединен к источнику вертикальных колебаний - вибратору 10, установленному снаружи корпуса 1 на крышке 2, в которой выполнено центральное отверстие 11 для прохода штока и выхода воздуха. Таким образом, перемешивающий орган установлен в корпусе 1 с возможностью вертикальных колебаний, причем в крайнем нижнем положении штока 9 нижний торец сильфонной оболочки 7 герметично прижат к днищу 5 корпуса, а при движении штока вверх образуется кольцевой зазор между торцом оболочки и днищем корпуса. Диаметр сильфонной оболочки 7 выбирается в несколько раз большим диаметра газоподводящего патрубка 6, поэтому нижний торец оболочки, размещенной над патрубком, перекрывает сечение патрубка, закрепленного в днище корпуса.

Устройство работает следующим образом.

При закрытом газоподводящем патрубке 6 производится заполнение жидкостью корпуса 1 до уровня, составляющего 0,8-0,9 его высоты (при большем уровне заполнения может происходить выброс капель жидкости с отходящим газом в процессе насыщения). Затем включается вибратор 10, побуждающий через шток 9 периодические колебания сильфонной оболочки (сильфона) 7 в вертикальном направлении, и открывается клапан на газоподводящем патрубке 6. При колебаниях сильфона 7, осуществляемых в звуковом диапазоне частот 30-50 Гц, происходит периодическое прижатие его нижнего открытого торца к днищу 5 корпуса и последующее движение торца сильфона вверх с образованием зазора между ним и днищем 5. При этом вследствие высоких эластичных и упругих свойств сильфона происходит его периодическое импульсное растягивание (при движении штока вверх) и сжатие (при движении штока вниз), а также периодическое открывание и закрытие кольцевого зазора между торцом сильфона и днищем 5 корпуса. При импульсном растягивании сильфона объем его внутренней полости увеличивается и происходит импульсный поднос из патрубка 6 газа, часть которого поступает в полость сильфона, а часть - выбрасывается в жидкость через открывающийся кольцевой зазор в этот полупериод колебаний. В последующий полупериод колебаний - при движении штока вниз - поступивший в сильфон газ вследствие сжатия сильфона выбрасывается через кольцевой зазор в жидкость. При этом, как показали проведенные экспериментальные исследования, на входе газопроводящего патрубка 6 в корпус 1 создается устойчивое разрежение порядка 4-5 мм вод. ст. (0,6-0,5 ата), обеспечивающее подсос газа в полость корпуса из патрубка 6 без использования специальных средств для подачи газа. Таким образом, периодические колебания сильфона 7 с частотой 30-50 Гц обеспечивают непрерывное поступление газа из газоподводящего патрубка и импульсный выброс его в жидкостную часть корпуса. При этом происходит диспергирование (дробление) поступающего в жидкость газа на множество мелких динамически активных пузыpьков, насыщающих весь объем жидкости, за счет чего обеспечивается максимальная удельная поверхность взаимодействия газа и жидкости. Одновременно с этим колебания крышки 8 сильфона 7 в жидкости возбуждают пульсации давления жидкости и турбулизацию ее объема. При этом имеет место непосредственное взаимодействие рабочего органа - крышки сильфона с жидкостью. При взаимодействии массы динамически активных мелкодисперсных пузырьков газа с пульсирующими потоками жидкости достигается очень высокая интенсивность массообмена между жидкостью и газом, обеспечивающая высокую степень насыщения жидкости газом.

По окончании процесса насыщения перекрывают газоподводящий патрубок 6 и выключают вибратор 10. Колебания сильфона 7 прекращаются, и насыщенная газом жидкость сливается из аппарата через патрубок 7.

Экспериментальная отработка предложенного технического решения проводилась на модельной установке, включающей вертикальный прозрачный сосуд емкостью 30 л и вибратор электродинамического вибростенда ВЭДС-10А. Наружный диаметр сильфонной оболочки составляет 75 мм при высоте гофра сильфона 6 мм, длина оболочки 70 мм, внутренний диаметр газоподводящего патрубка 10 мм. При частоте вибратора 45-50 Гц, виброускорении 5-7 g и амплитуде колебаний 3-5 мм расход воздуха через газоподводящий патрубок составлял 22-28 л/мин, а разрежение на входе газоподводящего патрубка в корпус составляло 0,5-0,6 ата. Степень диспергирования пузырьков газа в жидкости составляла 0,5-2 мм, максимальное насыщение жидкости газом достигалось через 30-40 с.

(56)1. Авторское свидетельство СССР N 528110, кл. B 01 F 3/04, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР N 584883, кл. B 01 F 13/00, 1977.

3. Авторское свидетельство СССР N 877833, кл. B 01 F 11/00, 1982.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСЫЩЕНИЯ ЖИДКОСТИ ГАЗОМ, содержащее вертикальный цилиндрический корпус, к днищу которого подсоединен газоподводящий патрубок, установленный в корпусе вверх днищем стакан, соединенный посредством штока с виброприводом и перекрывающий нижним торцом сечение газоподводящего патрубка, отличающееся тем, что, с целью интенсификации массообмена между жидкостью и газом и снижения энергозатрат, стакан выполнен в виде сильфонной оболочки с герметичной крышкой на верхнем торце, при этом в крайнем нижнем положении сильфонной оболочки нижний торец ее герметично прижат к днищу корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1