Спосіб пневматичного перемішування рідин газом і пристрій для його здійснення

1. Спосіб пневматичного перемішування рідин газом, що включає дії для керування рухом газових бульбашок у рідині, який відрізняється тим, що газ направляють у сопло, занурене у C2 2 (19) 1 3 81291 застосування даних способу і пристроїв в основному глибокими судинами. Перемішування з достатньою ефективністю в судинах невеликої глибини вимагає установки великої кількості газових сопел (барботажні ґрати). Але навіть установка ґрат практично не збільшує ефективність перемішування рідин у горизонтальному напрямку. Переміщення рідини відбувається в основному у вертикальних напрямках. Найбільш близьким аналогом способу, що заявляється, обраним як прототип, є спосіб пневматичного перемішування рідин у бульбашковому режимі витікання газового середовища, що припускає з метою створення горизонтальних потоків рідини розташовувати для цього сопла або сукупності сопел ексцентричне поблизу стінок судин з рідиною або ж розміщати сопла по колу симетрично осі судини з рідиною. При цьому підвищення ефективності горизонтального перемішування рідини передбачається досягти за рахунок взаємодії сукупності бульбашок газу [Штербачок 3., Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. Л. Госхимиздат, 1963, с. 286]. Спосіб, що заявляється, також як і прототип, містять дії для керування руху газових бульбашок у рідині. Найбільш близьким аналогом пристрою, що заявляється, обраним як прототип, є пристрій для пневматичного перемішування рідин у бульбашковому режимі витікання газового середовища, який містить сопла або сукупності сопел з підведеними трубопроводами, які розташовані поблизу дна судини з рідиною ексцентричне поблизу стінок судини (барботажні фати) або ж по колах симетрично осі судини (кільцеві барботери) [Штербачок 3., Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. Л. Госхимиздат, 1963, с.286]. Пристрій, що заявляється, також як і прототип, має газові сопла з підведеними трубопроводами, що розташовані поблизу дна судини з рідиною. У відомих способі та пристрої керуючий вплив на рідину здійснюється за рахунок взаємодії сукупностей газових бульбашок у вільному необмеженому просторі, що в умовах високого ступеня турбулентності в'язкої рідини, що рухається нагору, не може забезпечити створення ефективного силового впливу в горизонтальному напрямку. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення способу пневматичного перемішування рідин у бульбашковому режимі витікання газового середовища, у якому шляхом керування рухом газових бульбашок створюють силовий вплив газових бульбашок на рідину в горизонтальному напрямку, що дозволить підвищити ефективність перемішування рідин у цьому напрямку й у підсумку підвищити значення основних показників перемішування: ступеня турбулентності і величини циркуляції рідини. В основу винаходу поставлена також задача вдосконалення пристрою для пневматичного перемішування рідин у бульбашковому режимі витікання газового середовища, у якому шляхом 4 нового конструктивного рішення - установки на сопло соплового насадка забезпечити можливість керування напрямком руху бульбашок газу і за рахунок цього підвищити ефективність перемішування рідин у горизонтальному напрямку. Поставлена задача вирішується тим, що в способі пневматичного перемішування рідин у бульбашковому режимі витікання газового середовища, згідно з винаходом, бульбашки газу після виходу із сопла, зануреного у судин у з рідиною, поступово відхиляють від вертикального напрямку руху до горизонтального напрямку поблизу поверхні рідини. Поставлена задача вирішується також тим, що в пристрої для пневматичного перемішування рідин у бульбашковому режимі витікання газового середовища, що містить газове сопло з підведеним трубопроводом, установленим поблизу дна судини з рідиною, згідно з винаходом, на газове сопло встановлено сопловий насадок у вигляді однобічного плоского дифузору, відкритого знизу, висотою, рівній глибині занурення сопла в рідину й утвореного вертикальними плоскими бічними стінками і криволінійною верхньою стінкою. Крім цього, криволінійна верхня стінка дифузора складається з двох рівновеликих прямолінійних ділянок, нахилених, починаючи від сопла, під кутами 50° і 20° до поверхні рідини. Крім цього, криволінійна верхня стінка дифузора виконана по дузі кола з радіусом, рівним глибині занурення сопла в рідину. Наявність у пристрої для пневматичного перемішування рідин у бульбашковому режимі витікання газового середовища, що пропонується, соплового насадка у вигляді однобічного плоского дифузора, дозволяє за рахунок керування рухом бульбашок газу в рідині підвищити ефективність перемішування рідин у горизонтальному напрямку, що забезпечує реалізацію способу пневматичного перемішування рідин у бульбашковому режимі витікання газового середовища, який пропонується. Це дозволяє зробити висновок, що винаходи, що пропонуються, зв'язані між собою настільки, що вони утворюють єдиний винахідницький задум і, отже вимогу єдності винаходу виконано. Суть винаходу пояснюється малюнками, де на фіг.1 зображено пристрій, сопло якого оснащене однобічним плоским дифузором із криволінійною верхньою стінкою, що складається з двох рівновеликих прямолінійних ділянок; на фіг.2 - вигляд по А фіг.1; на фіг.3 - розріз Б-Б фіг.1; на фіг.4 - зображено пристрій, сопло якого оснащене однобічним плоским дифузором із криволінійною верхньою стінкою, виконаною по дузі кола. Пристрій для пневматичного перемішування рідин у бульбашковому режимі витікання газового середовища, (фіг.1) складається з установленого поблизу дна судини з рідиною сопла 1 з підведеним трубопроводом 2 і закріпленого жорстко на соплі 1 соплового насадка, виготовленого у вигляді однобічного плоского 5 81291 дифузора, утвореного двома плоскими вертикальними бічними стінками 3 і криволінійною стінкою 4. Бічні стінки встановлюються з невеликим кутом (~10° ¸ 15°) для розширення каналу дифузора убік виходу газорідинної суміші (фіг.2). Ширина бічних стінок вибирається з умови забезпечення неперетікання газорідинної суміші в бічні сторони від напрямку руху. У поперечному розрізі дифузор являє собою відкритий знизу канал (фіг.3), що забезпечує приплив рідини знизу в зону утворення і руху газорідинної суміші. Криволінійна верхня стінка 4 складається з двох рівновеликих ділянок нахилених, починаючи від сопла, під кутом 50° і 20° до поверхні рідини. Геометричні розміри верхньої стінки 4 і бічних стінок 3 визначаються з умови рівності висоти дифузора (коритоподібного каналу) глибині занурення сопла в рідину. Для підвищення ефекту створення рушійної сили під дією газорідинної суміші до вихідного краю криволінійної верхньої стінки 4 паралельно поверхні рідини жорстко кріпиться направляючий козирок 5, також коритоподібної форми. Пристрій для пневматичного перемішування рідин у бульбашковому режимі витікання газового середовища може бути також виготовленим з криволінійною верхньою стінкою дифузора, виконаною по дузі кола з радіусом, рівним глибині занурення сопла в рідину (фіг.4). Конструктивна схема дифузора і співвідношення геометричних розмірів його елементів обрані за результатами експериментальної оптимізації моделі пристрою в лабораторних умовах. Критерієм вибору конструкції і розмірів пристрою було одержання максимального впливу на рідину при мінімальних витратах газового середовища. Вибір форми криволінійної верхньої стінки дифузора визначається в основному технологічними особливостями виготовлення дифузора. Реалізація способу пневматичного перемішування рідин при роботі даного пристрою здійснюється наступним чином. Газове середовище подається через трубопровід, 2 у сопло 1 з надлишковим тиском і витратою, при яких реалізується бульбашковий режим витікання газу в рідину. Бульбашки газу після виходу із сопла 1 під дією архімедових сил починають рухатися нагору до поверхні рідини в коритоподібному каналі дифузора, утвореному бічними і верхніми стінками 3 і 4 відповідно. На виході з дифузора газорідинна суміш рухається в горизонтальному напрямку поблизу поверхні рідини під козирком 5. Через нижню відкриту частину криволінійного каналу дифузора відбувається підсмоктування рідини з навколишнього простору в зону утворення і руху газорідинної суміші. При русі бульбашок газу за рахунок сил в'язкого тертя між поверхнею бульбашок і рідиною відбувається передача енергії навколишній рідини. При підйомі бульбашок газу нагору внаслідок зменшення гідростатичного тиску їхні розміри збільшуються, що приводить до збільшення рушійних сил. Утворююча газорідинна суміш 6 рухається в криволінійному каналі дифузора, утворюючи за рахунок постійного нахилу траєкторії бульбашок до горизонталі горизонтальну складову р ушійних сил, що діють на рідину. Під дією сил в'язкості поступово починають рухатись і наступні шари рідини, що приводить до горизонтального руху по всій глибині рідини в судині. Оскільки процес утворення газорідинної суміші в каналі дифузора характеризується високим ступенем турбулентності, то в результуючому горизонтальному потоці рідини буде відбуватись інтенсивний турбулентний масообмін. Таким чином, при роботі даного пристрою створюються необхідні умови для інтенсивного перемішування рідини: високий ступінь турбулентності і висока інтенсивність циркуляції рідини. Висока ефективність винаходу була підтверджена при проведенні експериментального відпрацювання моделі хімічного реактора з тороподібним робочим каналом середнім діаметром 1150мм, шириною 350мм і глибиною 800мм. В якості робочих середовищ використовувалися вода і повітря. Водою робочий канал моделі заповнювався до відмітки 400мм. Пристрій для пневматичного перемішування рідин у бульбашковому режимі витікання газового середовища складався з сопла діаметром 30мм із вертикально встановленим підводячим трубопроводом того ж діаметра і жорстко закріпленого на соплі однобічного плоского дифузора. Оскільки сопло встановлювалося на глибині 350мм, то висота дифузора теж була 350мм, ширина каналу дифузора змінювалась від 100мм у сопла до 220мм на виході з дифузора. Робота даного пристрою здійснювалась при подачі в сопло повітря надлишковим тиском 4кПа в діапазоні зміни об'ємної витрати від 0,01м 3/с до 0,05м 3/с. При збільшенні витрат повітря в даному діапазоні було отримано збільшення середньої швидкості руху води в торовом каналі від 0,1м/с до 0,45м/с. По глибині рідини отримано практично рівномірний профіль швидкості. При сталому режимі руху води відпрацьовувалося завантаження твердої фази (~ 25кг гранул поліетілєна) і перемішування двофазного потоку. Оскільки бічні стінки каналу моделі були виготовлені з прозорого матеріалу (оргскла), то візуально спостерігалася висока інтенсивність перемішування суміші без наявності застійних зон і залягання твердої фази. При цьому швидкість руху води практично не змінилася. Таким чином, використання винаходу при економічному режимі подачі газового середовища, що забезпечує бульбашковий режим витікання газу в рідину, дозволяє створити ефективний механізм інтенсифікації перемішування рідин у горизонтальному напрямку, що дозволить розширити область застосування даних пристроїв на судини з невеликою глибиною заповнення рідиною. При цьому інтенсивність перемішування легко регулюється зміною об'ємної витрати подачі газового середовища в рідину. 7 81291 8