Устройство для насыщения газом и перемешивания жидкости в емкости

 

Использование: относится к микробиологической, химической и пищевой промышленности, преимущественно к аппаратам для культивирования микроорганизмов с использованием устройств для смешивания газа с жидкостью путем прямого подвода газа в емкость аппарата. Сущность изобретения: устройство содержит прямоточную в вертикальном направлении камеру смешения с перфорированной стенкой, заключенную в дополнительную камеру, выполненную в виде короба, к полости которого подключена газоподводящая труба. Стенка короба также выполнена перфорированной, при этом размеры отверстий перфорации могут быть выполнены уменьшающимися по длине камер в направлении восходящего потока, а в верхней части короба могут быть выполнены отверстия для выхода газа. В нижней части короб имеет дренажные отверстия для слива жидкости. 3 з. п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к устройствам для насыщения газом и перемешивания жидкостей в емкостях и может быть использовано в аппаратах для культивирования микроорганизмов, например при производстве дрожжей, в частности хлебопекарных, а также для гомогенизации суспензий, например в мелассохранилищах.

Известно устройство [1] насыщения газом и перемешивания жидкости в емкостях, содержащее конические тарелки с кольцевыми патрубками в вершинах для поступления жидкости, установленные с образованием между ними кольцевого сопла для выхода веерной струи, расположенную с зазором между ними укрепленную на вращающемся валу газовую турбину из двух усеченных конусов и кольцевой диск с лопатками.

Известно также устройство [2], состоящее из укрепленного на вращающемся электродвигателем валу центробежного рабочего колеса с коаксиально расположенным патрубком для входа жидкости в виде сопла Вентури, камеры с трубками для подачи газа в жидкость и газоподводящей трубы.

Недостатками обоих устройств являются: сложность, трудоемкость изготовления, высокая стоимость и повышенная энергоемкость, что связано с наличием турбины, центробежного колеса, вращающегося вала, подшипников, электродвигателя; неэффективность применения для многофазных жидкостей (суспензий), связанная с сепарацией частиц, например посевного материала и культуральной среды (в аппаратах для культивирования микроорганизмов) или мелассы (в мелассохранилищах), при повороте потока смеси на 90^о при входе в рабочее колесо (при этом предварительно перемешанная с газом жидкость отсепарируется, вследствие чего, например в дрожжерастильном аппарате, увеличения насыщения среды кислородом воздуха не произойдет; организация течения газа и жидкости вертикально вниз не позволяет использовать "даровую" подъемную силу пузырьков газа; возможность инфицирования новой порции биомассы при использовании устройства в циклически работающей емкости, например в аппарате для культивирования микроорганизмов, связанная с затруднительностью качественной мойки и стерилизации устройства после предыдущего цикла; неэффективность работы в больших емкостях из-за сложности установки одновременно нескольких устройств.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство [3] для аэрации и перемешивания жидкости к аппаратам для выращивания микроорганизмов, содержащее вертикальный газоподводящий патрубок с перфорацией для подачи воздуха и цилиндроконическую трубу, установленную коаксиально патрубку. По сути дела это устройство представляет собой прямоточную камеру смешения кольцевой формы с одной из стенок (в данном случае - внутренней), перфорированной отверстиями для ввода газа (воздуха), и с направлением газожидкостного потока в камере снизу вверх, соединенную с газоподводящей трубой. При этом последняя используется для образования внутренней (перфорированной для ввода газа) стенки кольцевой камеры.

Недостатками этого устройства являются: неустойчивая работа, что связано с реализацией кольцевой камеры смешения; образование крупных конгломератов пузырей на свободной границе, вытекающей из камеры смешения струи; конструктивная сложность из-за необходимости установки пилонов для крепления кольцевой камеры, что, кроме того, вызывает асимметрию течения и также способствует неустойчивой работе. Все это приводит к неэффективности применения такого устройства как в аппаратах для культивирования микроорганизмов (из-за недостаточных равномерности распределения посевного материала по объему, насыщения воздухом и перемешивания культуральной среды), так и для смешения многофазных жидкостей в емкостях (из-за невозможности достижения высокого уровня гомогенизации). Кроме того, центральный подвод воздуха в камеру смешения ограничивает возможности по подаче больших объемов газа, а также суживает диапазон вариантов конструктивных исполнений устройства.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключалась в создании простого компактного устройства, реализующего эффективное насыщение газом (например воздухом) и (применительно к аппаратам для культивирования микроорганизмов)/или (применительно к гомогенизации многофазных жидкостей) перемешивание жидкости в емкости.

Поставленная задача решена с помощью того, что описанное выше устройство, содержащее прямоточную в направлении верхней полусферы пространства камеру смешения и газоподводящую трубу, снабжено камерой для подачи газа, выполненной в виде замкнутого короба, прикрепленного снаружи к перфорированной стенке камеры смешения и сообщенного с газоподводящей трубой, причем внешняя боковая стенка короба выполнена перфорированной отверстиями для выхода газа.

В частных случаях, например при относительно большой длине камеры смешения или при относительно небольших расходах газа, когда на истечение из отверстий камеры для подачи газа может повлиять градиент гидростатического давления по высоте емкости, размеры отверстий перфораций могут быть выполнены уменьшающимися по длине стенок в направлении потока. Кроме того, верхняя торцевая стенка короба может быть перфорирована отверстиями для выхода газа, а нижняя - дренажными отверстиями для слива жидкости, например при мойке и/или дезинфекции устройства.

Осуществление описанной совокупности существенных признаков заявляемого изобретения приводит к реализации центральной (в отличие от кольцевой в прототипе) камеры смешения, что позволяет увеличить интенсивность и улучшить качество смешения газа с жидкостью. Физически это объясняется не только преимуществом такой камеры с точки зрения устойчивости процесса, но и в большой степени следующим. Как показали эксперименты, в камере смешения возможна реализация вторичного закрученного течения, поэтому в кольцевой камере этот эффект приводит к сепарации жидкости у наружной непроницаемой стенки, а в центральной, наоборот: эжектируемая в околоосевую область жидкость переносится центробежными силами к перфорированной стенке камеры навстречу струйкам вдуваемого газа. Кроме того, образующийся при одновременном истечении газа через наружную стенку короба восходящий поток пузырьков газа вблизи этой стенки способствует, как показали эксперименты, диспергации газожидкостной струи, вытекающей из камеры смешения, препятствуя образованию крупных конгломератов пузырей газа на свободной границе струи.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является вытекающее из изложенного увеличение степени насыщения газом и перемешивания жидкости в емкости.

В случае применения устройства, например, в дрожжерастильном аппарате происходит не только интенсивное насыщение культуральной среды кислородом воздуха (в камере смешения устройства и в зонах над и вокруг него) и ее эффективное перемешивание в рециркуляционной зоне вокруг устройства, но и достигается другой результат, заключающийся в равномерном распределении засевного материала в аппарате. В частных случаях (см. выше) выполнение отверстий перфораций уменьшающимися по длине устройства в направлении потока позволяет нивелировать негативное влияние градиента давления по высоте емкости на эффективность работы устройства (как показали эксперименты, такое распределение отверстий по длине позволяет перераспределить гидравлическое сопротивление таким образом, чтобы обеспечить, одновременную работу всех отверстий в широком диапазоне расходов газа). Кроме того, выполнение верхней стенки короба перфорированной отверстиями для выхода газа позволяет при необходимости увеличить газопропускную и аэрационную способность устройства при тех же скоростях истечения из отверстий и/или усилить эффект, создаваемый (см. выше) потоком пузырьков из отверстий наружной стенки короба, а выполнение его нижней стенки дренированной упрощает процесс мойки и дезинфекции после завершения рабочего цикла аппарата.

Использование устройства для перемешивания многофазных жидкостей (суспензий) в емкости позволяет повысить степень их гомогенизации перед использованием, что, например, увеличивает удельную производительность дрожжерастильного аппарата при использовании в качестве сырья мелассы. Кроме того, появляется возможность осуществления предварительного насыщения исходного сырья дрожжевого производства кислородом воздуха, что также положительно влияет на производительность аппарата.

На фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство в разрезе, помещенное в жидкость (стрелками показаны направления движения газа и жидкости); на фиг. 2...6 - варианты устройства с камерой смешения соответственно с цилиндрическим (фиг. 2), диффузорным (фиг. 3) непроницаемыми и диффузорным проницаемым выходными участками (фиг. 4), в компоновке с циркуляционным стаканом (фиг. 5), с прямоугольной формой поперечного сечения (фиг. 6); на фиг. 7...13 - возможные варианты размещения устройства в емкостях (например, аппаратах для культивирования микроорганизмов или емкостях-хранилищах суспензий): с подводом газа через боковую стенку емкости (фиг. 7) или сверху (фиг. 8), с одноярусным размещением нескольких устройств с цилиндрической (фиг. 9) или прямоугольной (фиг. 10) камерами смешения; с многоярусным размещением нескольких устройств (фиг. 11); в компоновке с аэрационным устройством другого типа - трубчатым (фиг. 12); в компоновке с теплообменниками панельного типа (фиг. 13).

Устройство для насыщения газом и перемешивания жидкости в емкостях включает прямоточную в направлении верхней полусферы пространства камеру смешения 1 (фиг. 1...13) со стенкой 2 (фиг. 1), перфорированной отверстиями 3 (фиг. 1) для ввода газа в камеру смешения 1, газоподводящую трубу 4 (фиг. 1. . . 13) и камеру 5 (фиг. 1...13) для подачи газа, выполненную в виде короба, прикрепленного снаружи к стенке 2 камеры смешения 1 и сообщенного с газоподводящей трубой 4. Внешняя боковая стенка 6 (фиг. 1) короба выполнена перфорированной отверстиями 7 (фиг. 1) для выхода газа.

Верхняя торцевая стенка 8 (фиг. 1) короба может выполняться перфорированной отверстиями 9 (фиг. 1). Отверстия 3 и 7 могут выполняться уменьшающимися по длине стенок 2 и 6 в направлении потока в камере смешения 1. Кроме того, при необходимости, в коробе могут быть выполнены дренажные отверстия 10 (фиг. 1) для слива попавшей в короб жидкости или дезинфецирующего состава при мойке.

Регулирование размера и скорости выходящей из устройства газожидкостной струи, например для различных уровней заполнения емкостей жидкостью, могут осуществляться выполнением выходного участка камеры смешения 1 непроницаемым цилиндрическим (поз. 11 на фиг. 2) и диффузорным (поз. 12 на фиг. 3) или проницаемым диффузорным (поз. 13 на фиг. 4). При этом входная кромка камеры смешения может быть выполнена со скруглением 14, что снижает гидравлическое сопротивление.

При большом уровне заполнения емкости 15 (фиг. 7...13) жидкостью, например в аппаратах для выращивания микроорганизмов, над устройством может быть установлен (фиг. 5), как это обычно делается для создания эрлифтного эффекта, циркуляционный стакан 16. Форма поперечного сечения камеры смешения может быть не только цилиндрическая, но и, например, прямоугольная (фиг. 6).

Подвод газа в устройство может осуществляться как через боковую стенку емкости 15, так и сверху (фиг. 7, 8). В последнем случае, в особенности при малых габаритах емкости, а следовательно, и устройства, последнее может быть легкосъемным переносным.

При больших габаритах емкости 15 целесообразно размещение в ней нескольких устройств, которые могут быть как с цилиндрической камерой смешения 1 (фиг. 9), так и с прямоугольной (фиг. 10), в одноярусном (фиг. 9, 10) или (при большом уровне заполнения емкости 15 жидкостью) многоярусном (фиг. 11) исполнении. При этом, например в дрожжерастильных аппаратах, возможна совместная компоновка устройств с аэрационными устройствами других типов, например с трубчатыми устройствами 17 (фиг. 12), а также с теплообменниками 18, например панельного типа (фиг. 13), что улучшает тепломассообменные характеристики аппарата за счет турбулизации потока вблизи теплосъемных поверхностей.

Работа устройства для насыщения газом и перемешивания жидкости в емкости происходит следующим образом. В соответствии с технологической схемой процесса в емкости газ поступает в газоподводящую трубу 4 и далее в камеру 5 для подачи газа. Отсюда через отверстия 3 стенки 2 происходит истечение части газа в прямоточную камеру смешения 1 в виде пузырьков (при реализации пузырькового режима истечения) или стуек (при струйном режиме). Пузырьки газа, вышедшие из отверстий или образовавшиеся после диспергации струек в камере смешения, поднимаются и создается эжекционный эффект, в результате которого жидкость всасывается снизу в камеру смешения 1, где происходит ее интенсивное смешение с газом. При этом, как показали эксперименты, эффективность эжекции и смешения при струйном режиме истечения выше, чем при пузырьковом, а главное - центральная камера смешения обеспечивает (см. выше) высокое качество смешения. Образующаяся газожидкостная струя, расширяясь, истекает из камеры смешения (цилиндрической формы - фиг. 1, с цилиндрическим непроницаемым выходным участком 11 - фиг. 2, с диффузорным непроницаемым выходным участком 12 - фиг. 3, с диффузорным проницаемым выходным участком 13 - фиг. 4) непосредственно в емкость (фиг. 1, 7...13) или в циркуляционный стакан 16 (фиг. 5), интенсивно турбулизируя вышележащие слои жидкости. На некотором расстоянии струя диспергируется. В результате над устройством (фиг. 1, 5, 7, 8) или устройствами (фиг. 9...13) образуется обширная зона интенсивного перемешивания газа с жидкостью и насыщения жидкости газом, а вокруг него (них) - зона (зоны) рециркуляции.

Одновременно часть газа из камеры 5 истекает через отверстия 7, образуя (см. фиг. 1) восходящий поток пузырьков газа вблизи внешней боковой стенки короба 6, который помимо очевидного насыщения жидкости газом способствует (см. выше) диспергации газожидкостной струи из камеры смешения, препятствуя образованию крупных конгломератов пузырей газа на свободной границе струи. Этот эффект, при необходимости, можно усилить выполнением верхней торцевой стенки перфорированной отверстиями 9.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСЫЩЕНИЯ ГАЗОМ И ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ, включающее прямоточную в направлении верхней полусферы пространства камеру смешения с перфорированной отверстиями стенкой для ввода газа и газоподводящую трубу, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительной камерой для подачи газа, выполненной в виде короба, охватывающего снаружи основную камеру, полость короба сообщена с газоподводящей трубой, а его внешняя боковая стенка выполнена перфорированной отверстиями для выхода газа.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что размеры отверстий перфораций выполнены уменьшающимися по длине камер в направлении восходящего потока.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхняя торцевая стенка короба выполнена перфорированной с отверстиями для выхода газа.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в коробе выполнены дренажные отверстия для слива жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13