Способ газонасыщения жидкости

Изобретение относится к области получения газожидкостных дисперсий. Способ газонасыщения жидкости включает подачу жидкости в трубный канал проточного аппарата с трубчатой асимметричной двухслойной керамической мембраной, подачу газа перпендикулярно потоку жидкости к внешней поверхности трубчатой керамической мембраны и отвод образовавшейся газожидкостной дисперсии. В трубном канале проточного аппарата создают турбулентный поток жидкости, характеризующийся критерием Рейнольдса не менее 10000 и напряжением сдвига не менее 65 Па. Изобретение позволяет повысить качество диспергирования за счет получения дисперсии «газ-жидкость» с узким распределением по размеру частиц диспергируемой фазы. 4 з.п. ф-лы., 6 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к получению газожидкостных дисперсий и может быть использовано в различных процессах, например для аэрации воды, получения газированных напитков, для флотации, абсорбции и.т.п.

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.

Известны способы газонасыщения сточных вод с использованием мембранных трубчатых и дисковых аэраторов, работающих при погружении их в бассейн с очищаемой водой (например, RU 2169706, 2001; RU 2316484, 2008).

Недостатком упомянутых способов является неравномерное диспергирование воздуха по площади аэрируемой поверхности за счет значительного увеличения пузырьков в объеме жидкости и повышенной интенсивности аэрации по центру аэратора и, следовательно, необходимость использования большого числа аэраторов, что снижает экономическую эффективность этих способов.

Наиболее близким к предложенному изобретению является способ газонасыщения жидкости, включающий ее подачу в трубный канал проточного аппарата с трубчатой керамической однослойной мембраной на основе алюмоборсиликатного стекла с диаметром пор 43-85 нм, подачу газа перпендикулярно потоку жидкости к внешней поверхности трубчатой керамической мембраны и отвод образовавшейся газожидкостной дисперсии, при этом в обрабатываемую жидкость вводят додецилсульфат натрия в количестве 0,05-0,5 вес.%, жидкость подают с линейной скоростью 0,5-3,7 м/с, а газ подают под давлением от 1,1 до 2 ат (Masato Kukizaki, Masahiro Goto, Size control of nanobubblez generation from Sirasu-porous-glass (SPG) membranes. Journal of Membranes Science, 281, 2006, 386-396).

Известный способ позволяет получить пузырьки газа размером 360-720 нм. Недостатками способа являются: необходимость ввода в абсорбирующую жидкость химического реагента, большой диаметр образующихся пузырей.

Задачей изобретения является обеспечение возможности получения пузырей газа малых размеров без увеличения давления газовой и жидкой фазы на мембрану и без использования поверхностно-активных веществ, а также повышение качества диспергирования за счет получения дисперсии «газ-жидкость» с узким распределением по размеру частиц диспергируемой фазы.

Поставленная задача решается описываемым способом газонасыщения жидкости, включающим ее подачу в трубный канал проточного аппарата с трубчатой керамической мембраной, подачу газа перпендикулярно потоку жидкости к внешней поверхности трубчатой керамической мембраны и отвод образовавшейся газожидкостной дисперсии, при этом используют асимметричную двухслойную мембрану со средним диаметром пор 0,1-0,5 мкм, а в трубном канале создают турбулентный поток жидкости, характеризующийся критерием Рейнольдса не менее 10000 и напряжением сдвига не менее 65 Па.

Предпочтительно, линейную скорость подачи жидкости поддерживают равной 4,0-5,1 м/с.

Предпочтительно, подачу газа осуществляют под давлением 0,2 ат. Предпочтительно, в способе используют трубчатую мембрану, в которой внешний слой выполнен из оксида алюминия, а внутренний из карбида кремния, при этом пористость внутреннего слоя составляет 40-45% при диаметре пор в слое 0,15 мкм. Предпочтительные геометрические параметры мембраны: длина 150 мм, внутренний диаметр 2,5 мм и наружный диаметр 4,0 мм.

Ниже приведены примеры способа газонасыщения, объяснение его сущности и полученные результаты.

Формирование пузырей на любом барботере происходит, как представлено на фиг.1.

Сразу после появления над поверхностью мембраны в пузырьке возникает отрывающая сила - сила Архимеда:

где R - радиус пузырька, ρж и ρг - плотности жидкой и газовой фаз.

Сила, удерживающая пузырек на поверхности мембраны, зависит от величины межфазного поверхностного натяжения:

где r - радиус поры, σ - величина межфазного поверхностного натяжения.

Пренебрегая плотностью газа, свяжем между собой два радиуса в момент отрыва пузырька:

Для воды и воздуха на мембране с диаметром пор 0,3 мкм пузырьки должны иметь размер 0,14 мм. Из этого следует, что уже на стадии формирования они будут сливаться в крупные пузыри из-за поверхностной плотности пор на мембране. Это и наблюдается в эксперименте, где размер пузырей составляет 3-5 мм.

Решить эту проблему можно в проточном мембранном аппарате, обычным образом создавая в нем тангенциальный поток жидкости. Этот поток, обладая кинетической энергией, создает срезающее действие, отрывающее пузырек от мембраны задолго до наступления равновесия по уравнению (3).

Схема использованной экспериментальной установки представлена на фиг.2. Основным элементом установки является мембранный аппарат с трубчатой асимметричной двухслойной мембраной из керамики: внешний слой из оксида алюминия, внутренний слой из карбида кремния. Мембрана имеет длину 150 мм, внутренний диаметр канала 2,5 мм, средний диаметр пор 0,3 мкм и пористость активного слоя на внутренней поверхности трубки 42%, диаметр пор в слое 0,15 мкм.

Эксперименты проводились на системе «вода-воздух». Переменными задаваемыми параметрами были расход воды и давление газа на входе в аппарат. Определяемыми параметрами являлись давление водного потока на входе в аппарат, расход воздуха, размер газовых пузырей, газосодержание. Размер пузырей определялся статистической обработкой микрофотографии газожидкостной дисперсии сразу после мембранного аппарата с использованием программы «Microsoft Office Visio 2003».

Движущей силой процесса МЭ является разность между давлением газовой фазы в межтрубном пространстве мембранного аппарата и давлением жидкости в мембранном канале. Если первая величина по длине трубки постоянна и легко контролируется, то вторая линейно изменяется от максимального значения на входе в мембрану до нулевого избыточного давления на выходе. Причиной является гидравлическое сопротивление мембранного канала, пропорциональное линейной скорости жидкости и коэффициенту трения жидкости о стенки канала:

где λ - коэффициент трения, l - длина канала, d - диаметр канала, ρж - плотность жидкости, ω - линейная скорость жидкого потока, равная W/S, где W - объемный расход жидкости, S - площадь сечения канала.

В экспериментах исследовано влияние объемного расхода жидкости через мембранный элемент на изменение соотношения давления газа и жидкости (фиг.3). Давление газа во всех случаях поддерживалось одинаковым - 0,2 ат, а давление жидкости на входе в мембрану росло с увеличением объемного расхода жидкости.

Если при минимальном расходе жидкости рабочей для газопроницаемости была мембранная поверхность по всей длине трубки, то с ростом расхода и, соответственно, гидравлического сопротивления канала рабочая поверхность уменьшалась, что отмечено вертикальными пунктирными отрезками от точек пересечения линий давления.

Во всех этих случаях движущая сила процесса газопроницаемости была одинаковой и равной , что позволило рассчитать коэффициент газопрониаемости выбранной мембраны по уравнению (5):

Где Gг - объемный расход газа, F - рабочая площадь мембраны, ΔР - движущая сила газопроницаемости.

Коэффициент газопроницаемости является характеристической величиной и достаточен для расчета мембранного аппарата на заданную производительность.

Главным параметром процесса мембранного эмульгирования является размер газовых пузырей. Из общих представлений о процессе (фиг.1) очевидно, что с ростом скорости протекания жидкости над мембраной увеличивается «срезающая» сила Fсрез и соответствующее этой силе напряжение сдвига Nсрез - размер газовых пузырей уменьшается. Вместе с тем, с ростом скорости усиливается и турбулентность потока, которую объективно характеризует величина критерия Рейнольдса. Не обсуждая механизма возникновения срезающего действия, рассмотрим получившиеся зависимости размера пузырей и их распределения по размерам от гидродинамических параметров жидкой фазы.

Предварительно надо заметить, что напряжение сдвига может быть количественно оценено по уравнению (6), справедливому для потоков, где число Re>2500 [5]:

где Nсрез - напряжение сдвига (Па), ρж - плотность жидкости, ω - линейная скорость жидкости над мембранной поверхностью, λmp - коэффициент гидравлического трения, определяемый в первом приближении по уравнению Блазиуса: λmp=0,3164·Re-0,25.

Полученные результаты представлены в таблице 1 и на фиг.4, 5.

Таблица 1.
Экспериментальные и расчетные параметры процесса мембранного эмулъгирования в системе вода-воздух на керамической мембране со средним диаметром пор 0,3 мкм.
№ п/п Расход воды через мембранный элемент, W, л/ч Линейная скорость жидкости ω, м/с Re Коэффициент газопроницаемости мембраны, КG, м32ч·ат Напряжение сдвига, Nсрез, Па Средний диаметр пузырей, мм
1 61,5 3,48 8640 420 49,8 1,33
2 72,3 4,09 10150 484 66,8 1,24
3 78,1 4,42 10820 454 75,6 1,15
4 90.0 5,09 11600 378 97,0 1,06

Комментируя эти результаты, можно сделать следующие выводы:

1. Коэффициент газопроницаемости не зависит от режима движения жидкости и является лишь характеристикой мембраны для выбранной системы «газ-жидкость». Он будет изменяться вслед за изменением размера пор мембраны, поверхностного натяжения и вязкости жидкости, химического сродства газа и жидкости.

2. На величину напряжения сдвига резко влияет уровень турбулентности потока жидкости, который можно поднять простым увеличением диаметра канала мембранного элемента. Однако при этом необходимо корректировать достигаемый эффект с неизбежным понижением газосодержания выходящей дисперсии.

3. Размер пузырей обратно пропорционален уровню турбулентности потока и величине напряжения сдвига. Эти зависимости носят практически линейный характер (см. фиг.4 и 5), что говорит о потенциальной возможности метода генерировать и более мелкие пузыри, подбирая соответствующую мембрану.

Проведены исследования по распределению размеров пузырей, генерированных при изменении гидродинамических условий. На фиг.6 представлена совмещенная диаграмма такого распределения, где номер кривой соответствует номеру примера из таблицы 1.

В объеме заявленной совокупности признаков распределение достаточно узкое, очевиден сдвиг кривой в область меньших значений диаметра пузырей при увеличении турбулентности жидкости и одновременно некоторое расширение диапазона размеров пузырей. Последнее обстоятельство, по всей вероятности, объясняется дополнительным диспергирующим действием турбулентных вихрей в жидкостной струе.

Как видно из вышепредставленных данных, предложенный способ обеспечивает высокое качество диспергирования газа в жидкости при снижении давления в системе и в отсутствие поверхностно-активных веществ.

1. Способ газонасыщения жидкости, включающий ее подачу в трубный канал проточного аппарата с трубчатой керамической мембраной, подачу газа перпендикулярно потоку жидкости к внешней поверхности трубчатой керамической мембраны и отвод образовавшейся газожидкостной дисперсии, отличающийся тем, что используют ассиметричную двухслойную мембрану со средним диаметром пор 0,1-0,5 мкм, при этом в трубном канале создают турбулентный поток жидкости, характеризующийся критерием Рейнольдса не менее 10000 и напряжением сдвига не менее 65 Па.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что линейную скорость подачи жидкости поддерживают равной 4,0-5,1 м/с.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу газа осуществляют под давлением 0,2 ат.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют трубчатую мембрану, в которой внешний слой выполнен из оксида алюминия, а внутренний - из карбида кремния, при этом пористость внутреннего слоя составляет 40-45% при диаметре пор в слое 0,15 мкм.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют трубчатую мембрану длиной 150 мм с внутренним диаметром 2,5 мм и наружным диаметром 4,0 мм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оборудования для получения газожидкостных дисперсий. .

Изобретение относится к газированию воды и может использоваться в установках сатурации. .

Изобретение относится к технологиям растворения различных газов в водной среде и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности при получении полисульфидного и сульфитного варочного раствора и при получении щелочного лигнина.

Изобретение относится к высокопроизводительным и высокоэффективным аппаратам прямоточной парожидкостной контактной очистки для использования в ректификационных колоннах и других устройствах парожидкостной контактной очистки.

Изобретение относится к области обеззараживания воды и может быть использовано для подачи газообразного хлора с помощью хлоратора в обрабатываемую воду на станциях и иных объектах водоподготовки.

Изобретение относится к реакторам, в которых происходит смешение и взаимодействие реагентов с образованием полупродукта для получения минеральных удобрений. .

Хлоратор // 2358794
Изобретение относится к области обеззараживания воды. .

Изобретение относится к способам перемешивания жидкости путем барботирования ее газом и может быть использовано при химической и физико-химической очистке природных и сточных вод.

Изобретение относится к применению перекрестно-канальной насадки из металлической ткани согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. .

Изобретение относится к способам и устройствам для фракционирования нефти и газового конденсата и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности.

Изобретение относится к производству трубчатых мембранных фильтрующих элементов, используемых в химической, пищевой и др. .

Изобретение относится к технологическому оборудованию по очистке и механическому обеззараживанию водопроводной питьевой воды у потребителя, в частности в квартире, в частных домах, в детских учреждениях, в медицинских учреждениях и т.

Изобретение относится к устройствам для осуществления мембранных процессов и может быть использовано в любой отрасли промышленности и сельского хозяйства, где производится разделение жидких сред.

Изобретение относится к области фильтрации
Изобретение относится к мембранной технике

Изобретение относится к способу и устройству для гидрообработки риформата. Способ включает приведение риформата в контакт с обладающим каталитическим гидрирующим действием катализатором в условиях жидкофазной гидрообработки в реакторе гидрирования, при этом часть водородсодержащего газа для гидрообработки получена из растворенного водорода, содержащегося в риформате; где гидрообработку проводят в присутствии дополнительного водородсодержащего газа, который инжектируют в риформат перед проведением контактирования и/или во время контактирования через поры с помощью смесителя, который содержит, по меньшей мере, один канал для жидкости, предназначенный для риформата, и, по меньшей мере, один канал для газа, предназначенный для дополнительного водородсодержащего газа, при этом канал для жидкости соединен с каналом для газа посредством компонента, по меньшей мере, часть которого представляет собой пористую область; при этом риформат получают из нижней части газожидкостного сепаратора путем инжекции смеси каталитического риформинга в газожидкостной сепаратор и в продукте, полученном путем проведения контактирования, удаляют летучие компоненты, причем риформат поступает в реактор гидрирования после теплообмена с нефтяным сырьем с удаленными летучими компонентами, нефтяное сырье с удаленными летучими компонентами инжектируют в колонну для удаления тяжелых компонентов и для извлечения ароматических углеводородов из верхней части колонны. Устройство включает реактор каталитического риформинга (5) для приведения углеводородного масла в контакт с катализатором, обладающим каталитическим риформирующим действием в условиях каталитического риформинга, с получением смеси каталитического риформинга; газожидкостной сепаратор (6) для удаления летучих компонентов (7) из смеси каталитичесого риформинга путем газожидкостного разделения с получением риформата из нижней части газожидкостного сепаратора (6); смеситель (8) для инжекции дополнительного водородсодержащего газа в риформат с получением водородсодержащего риформата; реактор гидрирования (9) для приведения водородсодержащего риформата в контакт с катализатором, обладающим каталитическим гидрирующим действием в условиях жидкофазной гидрообработки, колонну (10) для удаления летучих компонентов; колонну (13) удаления тяжелых компонентов; теплообменник (11) для осуществления теплообмена с риформатом. В соответствии со способом по настоящему изобретению риформат, отделенный в сепараторе продуктов риформинга, может напрямую подвергаться жидкофазной гидрообработке; таким образом, не только может быть полностью использован водород, растворенный в риформате, но также могут быть удалены олефины, содержащиеся в риформате, при этом исключается необходимость в рециркуляции водорода и в оборудовании для циркуляции. Риформат, полученный способом по настоящему изобретению, имеет пониженное бромное число ниже 50 мгBr2/100 г и потерю ароматических углеводородов менее 0,5 масс. %. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 табл., 6 пр.

Изобретение относится к области получения синтез-газа и ультрачистого водорода путем конверсии различного органического сырья и интегрированному мембранно-каталитическому реактору для осуществления способа и может быть использовано в получении топливных элементов, полупроводников, химическом синтезе. Интегрированный мембранно-каталитический реактор представляет собой полый цилиндрический корпус, в нижней части которого расположены входной патрубок для подачи сырья, соединенный с диффузором для равномерного распределения сырья в объеме реактора, и патрубок с карманом для термопары, а в верхней части находится отводной патрубок и с помощью отвинчивающейся крышки закреплен пористый керамический каталитический конвертер из материала, полученного самораспространяющимся высокотемпературным синтезом из шихты состава, % мас.: Ni - 45, Al - 5, Co3O4 - 50, и восстановленного в токе водорода, представляющий собой трубку с глухим верхним концом, в центральном канале которого установлена водородселективная мембрана на основе палладийсодержащего сплава в виде скрученной в спираль тонкостенной трубки с возможностью вывода через нее ультрачистого водорода в отводной патрубок, причем с отводным патрубком соединены газовая линия для вывода ультрачистого водорода, газовая линия для вывода синтез-газа и остальных продуктов и газовая линия для ввода газа-носителя. Изобретение обеспечивает высокоэффективное получение ультрачистого водорода с высоким выходом и синтез-газа в одной установке и в одном процессе. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 6 табл., 34 пр.

Изобретение относится к устройству для смешивания текучей среды с проходящим в газовом канале большим объемным газовым потоком и может использоваться для введения восстановителя в содержащий оксиды азота дымовой газ

Изобретение относится к способам проведения газожидкостных реакций в реакторах с монолитным катализатором и может быть использовано в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности, а также в аналитической химии при использовании капиллярных каналов в качестве устройств для анализа проб в микросистемах

Изобретение относится к области получения газожидкостных дисперсий

Наверх