Апарат для контактування газу та рідини

Реферат: UA 99747 U UA 99747 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до апаратів для контактування газу з рідиною і може бути використана у процесах очищення води газами, такими як хлор, озон, кисень, або як реакційномасообмінний апарат у харчових виробництвах. Відомий реактор для аерації рідини газами, що вміщують кисень [Патент РФ № 2139132, МПК B01F 5/10. Реактор для ввода газа в жидкость, опубл. 10.10.1999], який вміщує бак для змішання рідини, перегородку для розділення баку, принаймні на дві камери, перший насос і вузол аерації, в якому перший насос розміщено в одній із камер для циркуляції рідини вниз в одній камері, а потім вверх у другій камері. До недоліків апарата можна віднести: - додаткові енергетичні витрати для аерації рідини, завдяки першому насосу; - зменшення швидкості циркуляції за рахунок того, що другий насос перекачує аеровану рідину в другій камері з низхідним рухом, в такому випадку напір, що утворює другий насос, слід визначати за газорідинною фазою, а не за рідинною; - додатковий опір на подолання сили спливання (Архімедової сили) газової фази в низхідному потоці, що призводить до недостатньо ефективного використання насоса. Відомий апарат для контактування газу з рідиною [Патент США №4648973, МПК C02F 11/02. Way to oxidize sludge with high solid matter content [text] / Stig-Erik Hultholm, Leija Launo (Finland) № 582331, заявл. 22.02.84; опубл. 10.03.87], який містить контур циркуляції шламу, що обробляється, що складається з вертикальних труб з низхідним і висхідним потоками, з'єднаних між собою в верхній та нижній частинах переточними камерами, перекачуючого пристрою, трубопроводу для вводу газу, який розміщено в верхній частині труби з низхідним потоком. До недоліків апарата можна віднести: - збільшений гідравлічний опір в каналі з низхідним рухом рідини, в якому передбачено трубу Вентурі (звуження по висоті каналу з низхідним рухом рідини) та патрубки для вводу газової фази. Патрубок розташовано під перекачуючим пристроєм та перед звуженням в вертикальному каналі, що збільшує опір для газу, що вводиться, і може призвести до проходу газу над перемішуючим пристроєм; - зменшення кратності циркуляції за рахунок збільшеного гідравлічного опору циркуляційного каналу. Найбільш близьким аналогом до корисної моделі, що заявляється, є апарат для контактування газу та рідини [Патент РФ № 2223814, МПК В01F 5/10. Аппарат для контактирования газа и жидкости; опубл. 27.10.03], який, вміщує контур циркуляції рідини що обробляється, який складається із вертикальних труб з низхідним і висхідним потоками, з'єднаних між собою в верхній та нижній частинах переточними камерами, перекачуючого пристрою, трубопроводу для вводу газу, який розміщено в верхній частині труби з низхідним потоком, при цьому в трубі з низхідним потоком встановлені вертикальні поздовжні ребра, які утворюють вертикальні канали, апарат оснащено насадкою, встановленою в верхній частині труби з низхідним потоком, трубопровід для подачі газу встановлено під насадкою, а по висоті ребер виконано декілька горизонтальних отворів. До недоліків апарата можна віднести: - низьку кратність циркуляції оброблюваної рідини за рахунок великого гідравлічного опору контуру циркуляції. Для збільшення часу перебування газової фази в висхідному каналі запропоновано встановити вертикальні перфоровані перегородки, які збільшують час перебування газу у порівнянні з вільним спливанням газової фази, але зменшують кратність циркуляції. Така конструкція дозволяє ефективно працювати при умові спрацювання газової фази за один прохід через контур, в інших випадках, результат може бути отриманий лише при повторному контакті і буде визначатись кратністю циркуляції. В основу корисної моделі поставлена задача, що полягає у розробці апарата для контактування газу з рідиною з підвищеною питомою ефективністю, у якому за рахунок збільшення кратності циркуляції та збільшення часу перебування рідини в апараті досягається більш повна конверсія однокомпонентної газової фази в процесах абсорбції, аерації при високій кратності циркуляції. Поставлена задача вирішується тим, що в апараті для контактування газу та рідини, що містить циркуляційний контур рідини, яка обробляється, який складається з вертикальних труб з низхідним та висхідним потоками, поєднані між собою в верхній та нижній частині переточними камерами, перекачуючого пристрою, патрубків вводу газу, згідно з корисною моделлю, перекачуючий пристрій розташовано в нижній частині труби з висхідним потоком, при цьому площина перерізу труби з висхідним потоком дорівнює площині труб з низхідним потоком, а максимальний рівень рідини над переливом визначається з залежності: а b=Frкр(hпер) , 1 UA 99747 U де Frкр - критичне значення відцентрового критерію Фруда, Frкр=(nкр) dм/g; nкp - критичне значення числа обертів перекачуючого пристрою; dм - діаметр перекачуючого пристрою; a, b коефіцієнти, що отримуються експериментальним шляхом (b=2,0…3,0; a=0,20…0,25); hпep запас рідини над переливом. Запропонований апарат для контактування газу та рідини показано на кресленні. Апарат складається з вертикальних низхідних труб 1, висхідної труби 2, перекачуючого пристрою 3, нижньої переточної частини 4, верхньої переточної частини 5, патрубків для входу рідини 6 та виходу рідини 7, патрубка для вводу газу 8. Апарат працює наступним чином. Під дією перекачуючого пристрою 3, розташованого в нижній частині труби з висхідним потоком 2, рідина надходить в верхню переточну камеру 5, в якій розподіляється. В результаті цього рівень рідини в трубах з низхідним потоком 1 падає на величину напору, який утворює перекачуючий пристрій. Таким чином в верхніх частинах труб з низхідним потоком утворюється порожнина, в яку потрапляє розподілена по верхній переточній частині рідина. Завдяки утвореній гідродинамічній картині в верхній частині труб з низхідним потоком утворюється вихрова воронка. Відомо [Кутателадзе C.С., Накоряков В.Е. Тепломассообмен и волны в газожидкостных системах. - Новосибирск: Наука, 1984. - 320 с.], що дана гідродинамічна картина призводить до захвату газової фази з поверхні рідини за допомогою сили тертя між газом та рідиною, і дане явище використовується в запропонованій конструкції апарата. Відомі промислові зразки апаратів, таких як шахтний ферментатор системи Фогельбуш [Соколов В.Н., Яблокова М.А. Аппаратура микробиологической промышленности. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. - 278 с], в якому дане явище використовується для газонаповнення культуральної рідини. Дослідження гідродинаміки зливних патрубків колонних апаратів [Трубкин В.Е., Чепура И.В., Павлов В.П. Исследование гидродинамики сливных устройств с защищенным переливом в тарельчатых колонных аппаратах // Теоретические основы химической технологии. - 1972. - № 6. - С. 900-907.] показали, що дане явище може бути шкідливим завдяки зворотному ходу газової фази, але, було встановлено, що на кількість газової фази, яка уноситься рідиною, впливає запас рідини над переливним отвором. Попередні дослідження гідродинаміки в апараті запропонованої конструкції показали [Ведь В.В. Структура газорідинного потоку та режими роботи циркуляційного апарата з струменево-інжекційним газонаповненням // Вопросы химии и химической технологии. - 2013. - № 3. - С. 214-219.], що гідродинамічна картина також залежить від запасу рідини над переливом. Визначають так званий критичний запас рідини над переливом, при якому виникає явище захвату газової фази рідиною. Було встановлено, що оптимальним є такий рівень рідини над переливом, при якому газова фаза умовно рівномірно розподіляється по висоті труби з низхідним потоком і не уноситься в трубу з висхідним потоком. Це дозволяє збільшити час перебування газової фази в трубах з низхідним потоком і, як наслідок, призводить до більш повної конверсії (абсорбції, аерації) газової фази. Також слід зазначити, що відсутність додаткових гідравлічних опорів в трубах з низхідним та висхідним потоками зменшує втрати енергії на їх подолання і збільшує кратність циркуляції, що дозволяє оновлювати поверхню контакту фаз між газовою фазою та рідиною в трубах з низхідним потоком при рівності вільних перерізів труб з низхідним потоком та трубою з висхідним потоком. Таким чином, запропонована конструкція апарата у сукупності з основними ознаками дозволяє вирішити задачу більш повної конверсії однокомпонентної газової фази в процесах абсорбції, аерації при високій кратності циркуляції. Запропонований апарат для контактування газу та рідини може бути використаним при обробці побутової, природної та промислової води повітрям, технічним киснем або озоноповітряною сумішшю, хлором. 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Апарат для контактування газу та рідини, що містить циркуляційний контур рідини, яка обробляється, і складається з вертикальних труб з низхідним та висхідним потоками, що поєднані між собою в верхній та нижній частині переточними камерами, перекачуючого пристрою, патрубків вводу газу, який відрізняється тим, що перекачуючий пристрій розташовано в нижній частині труби з висхідним потоком, при цьому площина перерізу труби з висхідним потоком дорівнює площині труб з низхідним потоком, а максимальний рівень рідини над переливом визначають з залежності: b  Frкр  hпер а , 2 UA 99747 U де Frкр - критичне значення відцентрового критерію Фруда, Frкр  nкр 2  dм / g ; nкр - критичне значення числа обертів перекачуючого пристрою; dм - діаметр перекачуючого пристрою; a , b коефіцієнти ( b  2,0...3,0 ; a  0,20...0,25 ); hпер - запас рідини над переливом. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3