Спосіб змішування рідини з газом та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к обработке жидких и газообразных сред и может быть использовано для смешения жидкости с газом и получения однородной смеси в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Известен способ диспергирования газа в жидкости (ЕПВ №0477845, кл. B01F5/04, 1993), заключающийся в использовании системы для смешивания газа с жидкостью, содержащей проточный канал, приспособление для пропуска одной из смешиваемых сред, инжектор для ввода другой среды и образования смеси газовых пузырьков и жидкости. Между удлиненной промежуточной частью смесителя и стенкой канала расположено кольцевое отверстие, в котором основная часть потока смеси ускоряется до сверхзвуковой скорости. После того, как смесь пройдет через отверстие и по второму коническому участку, и скорость снижается ниже скорости звука. Ускоряюще-тормозящее воздействие конического смесителя приводит к образованию звуковой ударной волны, под воздействием которой пузырьки газа тонко диспергируются в жидкости. Недостатком этого способа является достаточно большой характерный размер газофазных стр уктур и связанная с этим небольшая удельная поверхность контакта фаз. Кроме этого, требуется достижение сверхзвуковых скоростей смеси потока, что является энергетически невыгодным. Известен способ обработки жидких и газообразных сред в гидродинамическом кавитационном поле (А.с. СССР №1724603, кл. C02F3/20, 1992), состоящий в том, что ускоренная в конфузоре струя жидкости натекает на кавитатор, в результате чего образуется суперкавитационная каверна, в которую всасывается газ. В каверне происходит мелкое диспергирование пузырьков подсасываемого газа и в связи с этим существенно возрастает удельная поверхность контакта фаз. Недостатком данного способа являются существенные энергозатраты, поскольку обтекание кавитатора жидкостью происходит при ее значительных скоростях, что связано с значительными потерями на трение. Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ и устройство для смешения газа с жидкостью (Патент США №5108662, кл. B01F3/04, 1993), включающий подачу жидкости и подвод газа с последующим перемешиванием. Объем жидкости рециркулирует в смесительной емкости, причем в емкости существует поверхность раздела между газом и жидкостью и напорное газовое пространство. Первичный поток газа подают непосредственно с жидкостью, причем путь рециркуляции и скорость потока жидкости подбирают так, чтобы пузырьки газа циркулировали вместе с жидкостью, а газ растворялся в жидкости или вступал с ней в реакцию. Часть жидкости непрерывно пропускают через механическое встроенное приспособление для растворения газа с высоким вводом энергии. В жидкость, проходящую через приспособление, вводят вторичный поток газа. Жидкость с растворенным в ней вторичным газом возвращают непрерывно из приспособления в объем жидкости, находящейся в емкости. Недостатком этого способа является сложность его осуществления с высоким вводом энергии. А глазное невозможно получение однородной газожидкостной смеси мелкодисперсной структуры. В основу изобретения поставлена задача создания способа смешения жидкости с газом, в котором путем осуществления радиального перемещения вращающейся жидкости с нарастающей тангенциальной скоростью из периферийной зоны в осевую, образования каверны с пониженным давлением, к которой подводят газ, перемещения вращающегося газожидкостного потока в осевом направлении в объем жидкости, формирования в нем факела мелкодисперсной пузырьковой структуры обеспечивается получение однородной газожидкостной смеси мелкодисперсной структуры до полного насыщения ее газом. В основу изобретения поставлена задача создания устройства смещения жидкости с газом, в котором путем организации скоростной подачи жидкости через тангенциальные каналы на периферии вихревой камеры, соосного расположения патрубков подвода газа и вывода газожидкостной смеси в объем жидкости обеспечивается получение однородной газожидкостной смеси мелкодисперсной структуры при одновременном снижении энергозатрат. Поставленная задача решается тем, что в способе смешения с газом, включающем подачу жидкости и подвод газа с последующим их перемешиванием, согласно изобретению, скоростную подачу жидкости, осуществляют тангенциально в периферийную зону цилиндрического объема, увеличивают скорость ее вращения путем радиального перемещения к осевой зоне до получения в ней разрежения и образования каверны, к которой подводят газ, полученный вращающийся газожидкостный поток перемещают в осевом направлении в объем жидкости, формируют в нем вращающийся факел мелкодисперсной пузырьковой структуры и перемещают в объеме жидкости до получения однородной газожидкостной смеси. Поставленная задача решается тем, что в устройстве смешения жидкости с газом, содержащем патрубки подвода жидкости и газа, каналы подачи жидкости, камеру смешения, согласно изобретению, устройство дополнительно снабжено распределителем жидкости, а камера смешения выполнена вихревой с тангенциально расположенными на ее периферии каналами скоростной подачи жидкости, а патрубки подвода газа и вывода газожидкостной смеси в объем жидкости расположены соосно центральной оси камеры на ее торцевых поверхностях. В результате того, что жидкость поступает в зону смешения тангенциально и движется от периферии к центру камеры ее скорость существенно увеличивается (по закону потенциального течения с незначительными потерями на трение о торцевые поверхности), до образования вращающейся газовой каверны с пониженным давлением, к каждой подводят газ, при этом происходит расслоение вращающи хся масс жидкости и газа, а при их осевом перемещении в объем жидкости происходит скачкообразное повышение давления газа и вследствие этого интенсивное диспергирование его на мелкодисперсные пузырьки, перемешивание и насыщение до получения однородной газожидкостной смеси. Увеличение скорости вращения жидкости до получения каверны и разрежения в ней и скачкообразное повышение давления в объеме жидкости обеспечивает интенсивное дробление газа на мелкие пузырьки, так как энергия скоростного движения жидкости затрачиваются непосредственно на образование пузырьков газа мелкодисперсной структуры. За счет со хранения тангенциальной составляющей вектора скорости образовавшихся пузырьков осуществляется их интенсивное перемешивание в объеме жидкости, приводящее к более интенсивному обновлению межфазной поверхности. Получение мелкодисперсной и интенсивно вращающейся газожидкостной смеси с быстрым обновлением межфазной поверхности позволяет повысить насыщение жидкости газом и качество смешения жидкости с газом. Кроме этого, во-первых, существенно снижаются энергозатраты за счет увеличения тангенциальной скорости жидкости в осевой зоне по закону сохранения момента количества движения, во-вторых, за счет сохранения тангенциальной составляющей вектора скорости у образовавшихся п узырьков происходит их интенсивное перемешивание в объеме жидкости, приводящее к интенсификации обновления поверхности контакта жидкой и газообразной фаз. Использование для получения однородной газожидкостной смеси мелкодисперсной пузырьковой структуры малогабаритного устройства смешения жидкости с газом с распределителем жидкости вместо традиционного энергоемкого крупногабаритного оборудования позволяет создать новый класс высокоэффективного массообменного оборудования. Таким образом обеспечивается качественное диспергирование, смешение и насыщение, т.е. достигается ожидаемый технический результат. Согласно способу смешения жидкости с газом, предусматривающему скоростную подачу жидкости и подвод газа с последующим их перемешиванием, подачу жидкости осуществляют тангенциально в периферийную зону цилиндрического объема, увеличивают скорость ее вращения путем радиального перемещения к осевой зоне до получения в ней разрежения и образования каверны, перемещают полученный вращающийся газожидкостный поток в осевом направлении в объем жидкости, формируют в нем вращающийся факел мелкодисперсной пузырьковой структуры с перемешиванием в объеме жидкости до полного насыщения жидкости газом и получения однородной газожидкостной смеси. Заявляемый способ реализуется с помощью заявляемого устройства. На чертеже (фиг.) представлен общий вид устройства смешения жидкости с газом и поперечный разрез А - А. Устройство смешения жидкости с газом содержит распределитель жидкости 1, тангенциально расположенные каналы 2, вихревую камеру смешения 3, емкость жидкости 4, патрубки подвода жидкости 5 и газа 6, вывода газожидкостной смеси 7. Устройство работает следующим образом. Жидкость подают через распределитель 1, каналы 2 в ви хревую камеру смешения 3 при помощи патрубка подвода жидкости 5. Благодаря тангенциальной подаче и перемещениях жидкости в радиальном направлении ее тангенциальная скорость существенно увеличивается до образования вращающейся каверны с пониженным давлением. Газ подают через патрубок 6 в осевую зону ви хревой камеры 3, затем вращающиеся массы жидкости и газа через патрубок 7 направляют в емкость с жидкостью 4, где происходит скачкообразное повышение давления, приводящее к мелкому диспергированию газа в жидкости. За счет сохранения тангенциальной составляющей скорости газожидкостной смеси и интенсивному обновлению межфазной поверхности контактирующих сред происходит эффективное смешение жидкости с газом. Предлагаемое устройство может быть использовано для создания топливных эмульсий, оптимальной концентрации растворенного кислорода в водоемах, углекислого газа в жидких средах (соки, сиропы, вина) и други х технологических процессах. Пример. Обескислороженную воду с расходом Q = 10м 3/мин и концентрацией кислорода (O2) - 2,5г/м 3 направляли под давлением 0,3МПа в устройство смешения жидкости с газом с одновременной подачей воздуха из атмосферы, при этом создавалось разрежение 0,01МПа в осевой зоне камеры смешения, а соотношение объемных расходов воды и воздуха составляло 1 : 100. Газожидкостную смесь перемешаем в осевом направлении в объем жидкости 7дм, в котором формировали вращающийся факел мелкодисперсной пузырьковой структуры с диаметром пузырьков до 1,0мм. При помощи кислородомера измеряли концентрацию растворенного в воде кислорода на выходе из объема жидкости, которая составила 5,6г/м 3. Таким образом, использование предлагаемых способа и устройства смешения жидкости с газом позволяет осуществлять энергосберегающую технологию смешения с полным насыщением жидкости газом и получением высококачественной однородной газожидкостной смеси мелкодисперсной структуры.