Спосіб розчинення газів в рідині та пристрій для його реалізації

1. Спосіб розчинення газів у рідині, який полягає у тому, що у рідині збуджують ультразвукові коливання, і газ вводять у рідину через капіляр, який відрізняється тим, що ультразвукові коливання вмикають в момент, коли меніск розташовано на перерізі капіляра, на час не більший ніж декілька мілісекунд, після вимкнення ультразвукових коливань підвищують тиск у капілярній системі 36048 воздействия. Журнал физический химии, 1995, том 69, №10, С. 1872), замість трубки довільного діаметра в рідину вводять капіляр, в рідині збуджують ультразвукові коливання, в капілярній системі підвищують тиск, щоб перемістити меніск до перерізу капіляра, коливання меніска спричиняють формуванню пузиря під перерізом капіляра, який стабілізований там дією звукокапілярного тиску, і протягом деякого часу розчиняється там повністю. Отже, застосування капіляра замість трубки довільного діаметра дозволяє здійснити повне локальне розчинення газів в рідині без герметизації всієї системи. Але відомо, що застосування ультразвукових те хнологій достатньо енергоємний процес, отже завжди залишається актуальною технічна задача зменшення енергоємності цього процесу. Крім того, у цьому способі підвищення швидкості капілярного розчинення регулюється підвищенням амплітуди ультразвукових коливань. Це не тільки веде до зростання енергоємності процесу розчинення, але й зумовлює існування верхньої межі для швидкості розчинення. Не можна підвищува ти амплітуду звукових коливань вище порога кавітації, щоб не збуджувати кавітаційний процес під перерізом капіляра, адже під час існування кавітаційного процесу формується потік рідини, спрямований в канал капіляра, і процес розчинення припиняється. Задача, на вирішення якої спрямовано запропонований винахід, полягає у підвищенні швидкості капілярного розчинення газу та одночасного зменшення енергоємності цього процесу. Ця задача вирішується завдяки тому, що ультразвукові коливання збуджують в рідині тільки у момент, коли на перерізі капіляра розташований меніск. Коливання тривають у рідині дуже короткий час, 1-2 мілісекунди. За цей час порція газу розчиняється у рідині, і рідина заповняє капіляр на глибину його діаметра. Щоб перемістити меніск знову до перерізу капіляра у капілярній системі підвищують тиск і подають нову порцію газу. У цей інтервал часу ультразвукові коливання вимкнені. Якщо меніск з'явився на перерізі капіляра, ультразвукові коливання збуджуються знову. Цей процес повторюють до розчинення необхідної кількості газу в рідині. Фізичні засади запропонованого способу розчинення газів у рідині полягають в проведених авторами експериментальних дослідженнях процесу капілярного розчинення при імпульсному збудженні ультразвукових коливань у рідині. Експериментально встановлено, що - при імпульсному збудженні ультразвукових коливань принципово змінюється механізм розчинення: поверхня меніска інтенсивно руйнується з утворенням пульсуючи х мікропузирків газу, тобто значно збільшується поверхня розділу рідина-газ; - цей процес диспергіювання газу відбувається інтенсивно тільки протягом перших 1-2 мілісекунд, отже недоцільно безперервно підгримувати ультразвукові коливання в рідині; - короткочасне збудження ультразвукових коливань дозволяє збільшити амплітуду ультразвукових коливань до величини, яка перевищує поріг кавітації, оскільки за час 1-2 мілісекунди кавітаційної процес розвинутися під перерізом капіляра не може. Відомі пристрої для розчинення газів в рідині, коли газ вводять в рідину через поверхню розділу, і щоб прискорити процес розчинення в рідині збуджують ультразвукові коливання. (M.L. Cadwell and H.S. Fogler. Ultrasonic gas absorption and streaming observations. Chein. Eng. Progr. Symposium Series. 1971, v. 67, №109, p. 125, М.А. Маргулис. Основы звукохимии. – М.: Высшая школа. 1984.- С. 10). Основним недоліком в обох конструкціях є неможливість повного та дозованого розчинення підведеного газу. В першому випадку це пов'язано з тим, що реакційна камера представляє собою герметичну посудину, в донну частину якої вмонтовано ультразвуковий перетворювач. Рідина не повністю заповнює об'єм посудини, і над її поверхнею знаходиться газ під тиском до 2 Атм. Кількість газу, який знаходиться над поверхнею рідини, значно перебільшує кількість газу, який безпосередньо розчиняють у рідині. Отже у цьому випадку немає можливості підвести дозовану кількість газу та повністю її розчинити. В другій конструкції реакційна камера складається з ультразвукової ванни, в донній частиш якої вмонтовано ультразвуковий перетворювач. Через дистильовану воду ультразвукові коливання передають в тонкодонну посудину, яка заповнена реагуючою рідиною. В рідину занурюють трубку для розчинення у рідині необхідного газу. Під дією підвищеного тиску на перерізі трубки формуються пузирі газу, які повільно спливають і під час спливання частково розчиняються. Завдяки ультразвуковим коливанням процес розчинення прискорюється, але повного розчинення пузирів, які спливають, ніколи не відбувається. Отже така конструкція також не дозволяє здійснити дозоване розчинення газу в рідині. Проблема повного і дозованого розчинення газу в рідині вирішена в пристрої, який прийнято нами за прототип (Е.Ю. Розина, Ю.П. Розин. Растворение газа в жидкости при различных режимах ультразвукового воздействия. Журнал физический химии, 1995, том 69, №10, С.1872). Пристрій включає ультразвукову ванну, в донній частині якої вмонтовано ультразвуковий перетворювач, який електрично зв'язаний з генератором та підсилювачем. Над поверхнею перетворювача розташований капіляр, нижній переріз якого занурено в рідину. Верхня частина капіляра з'єднана з компресором, який задає регульований постійний тиск в капілярній системі. У такому пристрої вирішена проблема дозованого розчинення: пузирів, які утворились під перерізом капіляру, стабілізовані там звукокапілярним тиском і існують там до повного розчинення. Процес формування пузиря та його розчинення носить періодичний характер. Але, співвідношення часу розчинення та часу інших супроводжуючих процесів (формування пузиря, переміщення меніска і таке інше) не оптимальне. Крім того, у цьому пристрої необхідно, щоб ультразвукові коливання підтримувались в рідині безперервно, оскільки саме локалізація звукокапілярним тиском пузиря під зрізом капіляра забезпечує можливість розчинення дозованої кількості газу. Отже, енергія ультразвукових коливань у цьому пристрої використовується неефективно. Інша проблема полягає у тому, що швидкість розчинення регулюється амплітудою ультразвукових коливань, і зростання 2 36048 капіляра до інтервалу t2. У цьому випадку один з імпульсів буде подано в той момент, коли меніск заглиблений у капіляр не більше, ніж на його діаметр. Відбудеться перший неповний цикл розчинення і меніск переміститься на глибину діаметра капіляра. За час t2 під дією статичного тиску меніск переміститься на переріз капіляра, і наступний П-імпульс спричинить диспергіювання газу з наступним розчиненням мікропузирків. Процес диспергіювання зумовить знову переміщення меніска на глибину діаметра капіляра, і постійним тиском меніск повернеться до перерізу капіляра за час t² .Ці процеси періодично повторюють, поки необхідна кількість газу не буде розчинена. На фіг. 2 наведено послідовність П-імпульсів, які модулюють ультразвукові коливання в рідині, та положення меніска при оптимальному співвідношенні інтервалу t2 і постійного тиску в капілярній системі. Таким чином, швидкість розчинення можна регулювати, змінюючи співвідношення між інтервалами часу t1 і t2 , а енергоємність процесу розчинення виявляється значно меншою, ніж у відомих аналогах та прототипі. Порівняємо на прикладі. У пристрої, який вибрано нами за прототип, швидкість розчинення повітря у воді склала (0,170,67) мм 3/с. Ультразвукові коливання збуджувались в рідині безперервно. У запропонованому пристрої за час 2 мс завдяки руйнуванню меніска через капіляр діаметром 1,4 мм введена в рідину кількість газу склала 42 10-3 мм, і швидкість розчинення за цей проміжок часу склала 21 мм 3/с. Таким чином, щоб забезпечити таку швидкість розчинення як у прототипі, можна відключати ультразвукові коливання на час 60 мс при швидкості розчинення 0,67 мм 3/с, і на час 250 мс при швидкості розчинення 0,17 мм 3/с. Очевидно, що енергоємність такого періодичного процесу в десятки разів менша, ніж у разі безперервного озвучення рідини. Зменшуючи інтервал t2, можна забезпечити зростання швидкості розчинення, залишаючи енергоємність процесу значно меншою, ніж у способі і у пристрої з безперервним озвученням. амплітуди стримується можливістю виникнення кавітаційного процесу під зрізом капіляра. Об'єктом винаходу є пристрій, в якому вирішується технічна задача забезпечити підвищення швидкості розчинення газу в рідині з одночасним зменшенням енергоємності конструкції. Для цього в ланцюг випромінювача введено електронний ключ з управляючим блоком, які задають режими вмикання та вимикання ультразвукових коливань, а в капілярній системі додатково присутній дросельний вентиль, який регулює тиску капілярній системі. Цей пристрій схематично зображений на фіг. 1. Рідина заповнює ультразвукову ванну 1, в донній частині якої розташовано ультразвуковий перетворювач 2, електрично зв'язаний через підсилювач 3 з генератором 4 сінусоїдальних коливань ультразвукової частоти. Цей ланцюг має електронний ключ 5, який вмикає і вимикає ультразвукові коливання в рідині за режимом, який задає генератор П-імпульсів 6. В рідині над поверхнею перетворювача розташовано капіляр 7, який з'єднаний з компресором 8 через дроселюючий елемент 9, який дозволяє регулювати тиск у капілярній системі. Для контролю капілярна система може включати витратомір 10 та манометр 11. Підготовка до роботи та робота пристрою можуть бути здійснені таким чином. Генератором 4 та підсилювачем З задають амплітуду ультразвукових коливань (можна трохи більшу, ніж поріг кавітації). Генератором 6 задають послідовність Пімпульсів. Їх тривалість складає t1=2*10-3 с (рекомендована на основі наших досліджень), а інтервал між двома послідовними імпульсами t2 змінюють для того, щоб встановити потрібну швидкість розчинення. Сигнал з генератора 6 подають на електронний ключ 5, який на час t1 вмикає ультразвукові коливання, і на час t2 розмикає ланцюг перетворювача, протягом цього часу коливання відсутні. Вмикаючи компресор 8 через регулюючий дросельний елемент 9, підвищують тиск у капілярній системі. Під дією цього тиску меніск переміщується до перерізу капіляра. Регулюючим елементом 9 встановлюють такий тиск, щоб швидкість меніска не перевищувала відношення діаметра 3 36048 Фіг. 1 Фіг. 2 4 36048 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5