Установка для диспергирования газа в жидкой среде
Владельцы патента RU 2381825:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) (RU)
Изобретение относится к области оборудования для получения газожидкостных дисперсий. Установка для диспергирования газа в жидкой среде содержит источник жидкой среды, мембранный аппарат с трубчатой керамической мембраной, средство подачи под давлением жидкой текучей среды внутрь трубчатой керамической мембраны, средство подачи газа под давлением, расположенное перпендикулярно трубчатой керамической мембране, средство отвода полученной дисперсии в приемную емкость газожидкостной среды, запорно-регулировочную и измерительную аппаратуру. Трубчатая мембрана выполнена двухслойной: внешний слой из оксида алюминия, а внутренний активный слой из карбида кремния, имеющего пористость 40-45% при диаметре пор 0,1-0,2 мкм. Установка обеспечивает получение высококачественных дисперсий, при этом имеет высокую производительность и повышенный срок службы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Предложенное техническое решение относится к оборудованию для получения газожидкостных дисперсий.
В последние годы большой интерес вызывает возможность применения пористых мембран для получения тонких дисперсий и эмульсий типа «газ-жидкость» и «жидкость-жидкость». Качество получения тонких эмульсий и дисперсий напрямую зависит от возможности получения капель и пузырьков малых размеров.
Как в России, так и в других странах разработаны различные трубчатые и дисковые диспергирующие устройства с резиновой перфорированной мембраной, которые работают при погружении их в неподвижную жидкость (например, RU 2220917, 10.01.2004).
Известны устройства для насыщения жидкости газом, в которых диспергирующий элемент выполнен мембранным и половолоконным (например, RU 2078056, 27.04.1997).
Однако описанные выше устройства не обеспечивают равномерного диспергирования жидкости, при этом размер образующихся пузырьков газа в жидкости является слишком большим.
Известно устройство для насыщения жидкости газом, содержащее продолговатый корпус, средства подачи жидкости и газа, средство для отвода смеси, при этом в корпусе установлен блок из пористых трубок или пористых пластинчатых тел, полости которых сообщены со средствами подачи жидкости и отвода смеси. Подаваемый в устройство газ проникает через поры и смешивается с жидкостью, образуя дисперсию. Минимальный размер пор в устройстве составляет 0,2 мкм, что позволяет получать пузырьки с размером от 0,2 мкм и выше (RU 2178718, 24.07.2000).
Однако известное устройство не обеспечивает высокого качества дисперсии, так как не позволяет получить достаточно узкое распределение пузырьков по размерам.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является установка для диспергирования газа в жидкой среде, содержащая источник жидкой среды, мембранный аппарат с трубчатой керамической мембраной, средство подачи под давлением жидкой текучей среды внутрь трубчатой керамической мембраны, средство подачи газа под давлением, расположенное перпендикулярно трубчатой керамической мембране, средство отвода полученной дисперсии в приемную емкость газожидкостной среды, запорно-регулировочную и измерительную аппаратуру, при этом трубчатая мембрана выполнена из одного слоя алюмоборсиликатного стекла при диаметре пор 43-85 мкм (Masato Kukizaki, Masahiro Goto, Size control of nanobubbles generation from Sirasu-porous-glass (SPG) membranes, Journal of Membranes Science, 281, 2006, 386-396).
Недостатком известной установки является сравнительно большой размер образующихся пузырей и не достигается узкое распределение пузырьков по размерам.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка установки, обеспечивающей возможность получения газожидкостной дисперсии, характеризующейся малым размером пузырьков в жидкой фазе с узким распределением по размерам, и повышение надежности работы установки.
Поставленная задача решается описываемой установкой для диспергирования газа в жидкой среде, содержащей источник жидкой среды, мембранный аппарат с трубчатой керамической мембраной, средство подачи под давлением жидкой текучей среды внутрь трубчатой керамической мембраны, средство подачи газа под давлением, расположенное перпендикулярно трубчатой керамической мембране, средство отвода полученной дисперсии в приемную емкость газожидкостной среды, запорно-регулировочную и измерительную аппаратуру, в которой трубчатая мембрана выполнена двухслойной, при этом внешний слой выполнен из оксида алюминия, а внутренний активный слой из карбида кремния, имеющего пористость 40-45% при диаметре пор 0,1-0,2 мкм.
Предпочтительно, установка содержит трубчатую мембрану, в которой отношение внешнего диаметра к внутреннему диаметру составляет (1,55-1,65):1, а отношение длины мембраны к толщине ее стенок составляет (90-110):1.
На фиг.1 представлена схема предлагаемой установки, в которой
1 - емкость с исходной жидкостью;
2 - трубопровод подачи жидкости;
3 - насос;
4 - мембранный аппарат;
5 - трубопровод подачи газа;
6 - приемная емкость
7, 8, 9, 10 - измерительная и запорно-регулировочная аппаратура.
На фиг.2 схематически представлена двухслойная тубчатая мембрана, где 11 - слой оксида алюминия, 12 - слой карбида кремния.
Ниже описана работа установки на примере системы «вода-воздух». Из приемной емкости воду подают по трубопроводу на вход мембранного аппарата, регулируя расход воды через трубчатую мембрану. Одновременно к внешней поверхности мембраны под давлением подают сжатый воздух. Во внутреннем канале мембраны водный поток, обладая кинетической энергией, создает срезающее действие и отрывает пузырьки воздуха, прошедшего через поры мембраны с образование газожидкостной дисперсии в движущемся потоке воды. По трубопроводу дисперсию направляют в приемную емкость
Движущей силой процесса диспергирования является разность между давлением газовой фазы в межтрубном пространстве и давлением воды в мембранном канале. Коэффициент газопроницаемости мембраны является характеристической величиной для конкретной мембраны. Выбранная нами мембрана имеет диаметр пор в активном слое 0,1-0,2 мкм и характеризуется коэффициентом газопроницаемости в интервале 400-500 м3/м2 ч ат, что позволяет при расходе воды через мембранный аппарат от 70 до 90 л/ч и давлении воздуха на входе в аппарат 0,2 ат обеспечить стабильное образование дисперсии вода-воздух с узким распределение пузырьков по размерам при среднем диаметре пузырьков 1,1 мм. Пористость внутреннего активного слоя мембраны, равная 40-45%, позволяет обеспечить достаточную степень газонасыщения водного потока. Используемая нами мембрана обеспечивает надежность работы установки, при этом совокупность пористых и геометрических характеристик мембраны обеспечивает высокую производительность установки.
1. Установка для диспергирования газа в жидкой среде, содержащая источник жидкой среды, мембранный аппарат с трубчатой керамической мембраной, средство подачи под давлением жидкой текучей среды внутрь трубчатой керамической мембраны, средство подачи газа под давлением, расположенное перпендикулярно трубчатой керамической мембране, средство отвода полученной дисперсии в приемную емкость газожидкостной среды, запорно-регулировочную и измерительную аппаратуру, отличающаяся тем, что трубчатая мембрана выполнена двухслойной, при этом внешний слой выполнен из оксида алюминия, а внутренний активный слой - из карбида кремния, имеющего пористость 40-45% при диаметре пор 0,1-0,2 мкм.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что отношение внешнего диаметра трубчатой мембраны к ее внутреннему диаметру составляет (1,55-1,65):1, а отношение длины мембраны к толщине ее стенок составляет (90-110):1.
