Спосіб підготовки рідких середовищ до диспергування

Реферат: Спосіб підготовки рідких середовищ до диспергування шляхом надання рідкому середовищу надлишкового тиску, наступного насичення рідкого середовища газом та спрямування насиченого газом рідкого середовища в розпилювальний пристрій. Як газ для насичення рідкого середовища під надлишковим тиском використовують газ, який характеризується високою розчинністю та низькою окисною здатністю. UA 73450 U (12) UA 73450 U UA 73450 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до технології підготування різного виду рідин перед їхнім розпилюванням у газовому середовищі та може бути використаний у різних галузях промисловості під час здійснення тепломасообмінних процесів для охолодження, кондиціювання, пиловловлювання, хімічного очищення газів, розпилювальних сорбції та сушіння. Відомий спосіб підготовки рідких середовищ до диспергування (Ермолаев В.В., Кустов О.П., Андреев А.П. Влияние поверхностно-активных веществ (ПАВ) на воду при распыливании через центробежную форсунку // Энергетическое оборудование. - № 1 (22).-2006. - С. 84-86), який включає надання рідкому середовищу надлишкового тиску, наступне насичення рідкого середовища домішками поверхнево-активних речовин (ПАР) та спрямування рідкого середовища, насиченого ПАР, у розпилювальний пристрій. При здійсненні підготування за таким способом інтенсифікація тепломасообмінних процесів досягається шляхом зменшення розміру крапель рідини та збільшення ефективної поверхні контакту фаз, що забезпечується за рахунок зміни поверхневого натягу та ефективної в'язкості рідини, яка піддається диспергуванню. В корисній моделі і аналозі співпадають такі суттєві ознаки. Обидва способи включають надання рідкому середовищу надлишкового тиску, наступне насичення рідкого середовища додатковими складовими та спрямування рідкого середовища, насиченого додатковими складовими, у розпилювальний пристрій. Аналіз технічних властивостей аналога, обумовлених його ознаками, показує, що одержанню очікуваного технічного результату при використанні аналога перешкоджають такі причини. В такому способі показники, що характеризують процес диспергування рідини в газовому середовищі (наприклад, дисперсність), визначаються, в основному, конструктивними особливостями розпилювального пристрою та співвідношенням швидкості рідини, яка піддається диспергуванню, та швидкості газового середовища. Суть механізму підготовки рідини до диспергування за аналогом зводиться до того, що домішки ПАР лише полегшують процес дроблення плівки рідини, яка утворюється поблизу зрізу сопла розпилювального пристрою під час диспергування, та під дією гідродинамічних сил призводять до її розпаду на краплі на деякому видаленні від сопла, що сприяє зростанню ефективної поверхні контакту фаз, збільшенню частки дрібних крапель, зниженню частки великих крапель та призводить до зниження середньомасового діаметра крапель. Таким чином, такий спосіб не дозволяє усунути полідисперсність, при цьому дисперсність більшою мірою обумовлюється енергоємністю диспергування, ніж введенням домішок ПАР, що, в свою чергу, обумовлює недостатньо високу ефективністю підготовки рідини до диспергування за таким способом. Крім того, до недоліків такого способу можна віднести значну нерівномірність дроблення крапель за факелом розпилення, низьку ефективність диспергування та високу енергоємність, яка визначається типом розпилювальних пристроїв та може становити для гідравлічних розпилювальних пристроїв 2-4 кВт∙год./т рідкого середовища, яке піддається диспергуванню, для механічних - 15 кВт∙год./т рідкого середовища та для пневматичних - 50-60 кВт∙год./т рідкого середовища. Найбільш близьким до корисної моделі за технічною суттю та результатом, який може бути одержаний при його використанні, є вибраний як прототип спосіб підготовки рідких середовищ до диспергування (А.с. № 929135, МПК B01D3/28, опубл. 23.05.82, бюл. № 19), який включає надання рідкому середовищу надлишкового тиску, наступне насичення рідкого середовища в газорозподільному пристрої газом та спрямування насиченого газом рідкого середовища в розпилювальний пристрій. У корисної моделі і прототипу співпадають такі суттєві ознаки. Обидва способи включають надання рідкому середовищу надлишкового тиску, наступне насичення рідкого середовища газом та спрямування рідкого середовища, яке насичене газом, у розпилювальний пристрій. Аналіз технічних властивостей прототипу, обумовлених його ознаками, показує, що одержанню очікуваного технічного результату при використанні прототипу перешкоджають такі причини. В прототипі насичення рідкого середовища газом супроводжується процесом простого захоплення пухирців газу плівкою рідини, що призводить до зниження ефективної в'язкості рідини, підвищення поверхневої енергії та турбулізації плівки. В результаті, на поверхні плівки утворюються хвилі та виникають розриви, що, в свою чергу, забезпечує збільшення поверхні контакту. Проте механізм газонасичення за прототипом забезпечує лише просте введення пухирців газу в рідке середовище, в той час як найбільш оптимальним було б насичення рідкого середовища газом за рахунок більш ефективного процесу розчинення газу в рідині, що і обумовлює недостатньо високу ефективність підготовки рідких середовища до диспергування за прототипом. Розчинність газів у рідких середовищах визначається природою газів. Розчинність кисню та азоту, які є основними компонентами повітря, при 20 °C і атмосферному 1 UA 73450 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 тиску становить, відповідно, 0,0310 та 0,0154 часток об'єму газів в одиничному об'ємі рідини, яка розпилюється, тобто за прототипом кількість розчиненого повітря, яке перебуває в рідині після контактування з нею в плівковому режимі під тиском наближеним до атмосферного, невелика та не дозволяє створювати умови для вторинного дроблення крапель. Крім того, до недоліків способу за прототипом можна віднести обмежений вплив способу на нерівномірність дроблення крапель за факелом та полідисперсність розпилювання, що, в свою чергу, перешкоджає одержанню під час диспергування рідин дрібної монодисперсної краплі за всім факелом розпилу та обумовлює недостатньо високу ефективність підготовки рідких середовищ до диспергування. В основу корисної моделі поставлена технічна задача створити такий спосіб підготовки рідких середовищ до диспергування, який за рахунок удосконалень шляхом введення нової сукупності дій забезпечить досягнення технічного результату, який полягає у підвищенні ефективності підготовки рідких середовищ до диспергування. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі підготовки рідких середовищ до диспергування, який включає надання рідкому середовищу надлишкового тиску, наступного насичення рідкого середовища газом та спрямування насиченого газом рідкого середовища в розпилювальний пристрій, згідно з технічним рішення, що заявляється, як газ для насичення рідкого середовища під надлишковим тиском використовують газ, якому властиві висока розчинність в даному рідкому середовищі та низька окисна здатність. В окремих випадках спосіб, що заявляється, може характеризуватися тим, що: - рідке середовище попередньо перед наданням йому надлишкового тиску охолоджують; - насичене газом рідке середовище, яке перебуває під надлишковим тиском, безпосередньо перед витіканням з розпилювального пристрою (перед диспергуванням) можуть підігрівати, наприклад, за допомогою пари, підігрітого стисненого повітря або інших відомих способів. При використанні способу, що заявляється, забезпечується досягнення технічного результату, який полягає у підвищенні ефективності підготовки рідких середовищ до диспергування. Крім того, використання способу, що заявляється, забезпечує досягнення додаткового технічного результату, який полягає у створенні сприятливих умов для організації процесів вторинного дроблення крапель рідкого середовища, в усуненні полідисперсності крапель, в отриманні дрібної монодисперсності крапель за всім факелом розпилювання, у створенні захисної атмосфери в зоні диспергування та у підвищенні ефективності тепломасообмінних процесів у системах рідина-газ за рахунок збільшення ефективної поверхні контакту фаз, а також у розширенні сфер застосування та зниженні енергоємність способу, що заявляється, в цілому. Між сукупністю суттєвих ознак корисної моделі та технічним результатом, який досягається, існує такий причинно-наслідковий зв'язок. Використання для насичення рідкого середовища, яке перебуває під надлишковим тиском, газу, якому властиві висока розчинність в даному рідкому середовищі та низька окисна здатність, наприклад, використання діоксиду вуглецю, дозволяє забезпечити підвищення ефективності підготовки рідких середовищ до диспергування та, власне, підвищити ефективність їхнього диспергування при створенні сприятливих умов для організації процесів найефективнішого вторинного дроблення крапель рідкого середовища під час його витікання з розпилювального пристрою шляхом декомпресії газорідинної системи та при усуненні полідисперсності крапель, одержанні дрібної монодисперсності крапель за всім факелом розпилення і створенні захисної атмосфери в зоні диспергування. Використання корисної моделі також дозволяє підвищити ефективність тепломасообмінних процесів у системах рідина-газ за рахунок збільшення ефективної поверхні контакту фаз, дозволяє здійснювати процес диспергування в розпилювальних пристроях різних типів, а також дозволяє розширити область застосування (наприклад, використовувати для розчинів або суспензій) та знизити енергоємність способу, що заявляється, в цілому. Попереднє охолодження рідкого середовища та використання газу із властивостями, які заявляються, дозволяє підвищити ефективність охолодження газової складової, що обумовлюється тепловим ефектом дегазації рідини та дроселювання газу, наприклад, діоксиду вуглецю. Попереднє охолодження рідини перед її контактом з газом, що використовується для її насичення, дозволяє збільшити питомий вміст газу в рідині, а збільшення тиску насичення та зниження температури рідкого середовища сприяє суттєвому підвищенню ступеня розчинності газу (наприклад, діоксиду вуглецю), якому властиві висока розчинність в рідкому середовищі та низька окисна здатність, що, в свою чергу, дозволяє підвищити ефективність підготовки рідких середовищ до диспергування, підвищити за рахунок збільшення ефективної поверхні контакту 2 UA 73450 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 фаз ефективність тепломасообмінних процесів у системах рідина-газ, підвищити ефективність диспергування рідких середовищ в цілому, а також розширити сфери застосування та знизити енергоємність способу, що заявляється. Використання для насичення рідкого середовища газу, якому властива висока розчинність та який не проявляє окисних властивостей, дозволяє забезпечити високий ступінь його розчинності в рідині в умовах насичення, низький ступінь розчинності в умовах диспергування та одночасно дозволяє нівелювати процеси окиснювання, наприклад, поверхні охолоджуваного металу, дозволяє створювати умови для виникнення механізмів вторинного дроблення крапель рідини, що, в свою чергу, дозволяє підвищити ефективність підготовки рідких середовищ до диспергування, підвищити за рахунок збільшення ефективної поверхні контакту фаз ефективність тепломасообмінних процесів у системах рідина-газ та, власне, підвищити ефективність диспергування рідких середовищ, а також розширити сфери застосування та знизити енергоємність способу, що заявляється, в цілому. Насичена газом рідина на виході з соплового отвору розпилювального пристрою потрапляє в область низьких тисків та підвищених температур. В цих умовах газ, який десорбується з рідини, розриває краплі зсередини, що забезпечує проявлення процесів вторинного дроблення крапель рідини при її витіканні з розпилювального пристрою за рахунок декомпресії газорідинної системи. При цьому процес вторинного дроблення додатково інтенсифікується за рахунок підвищення температури рідкого середовища, яке насичене газом, у зоні диспергування за рахунок зниження в цих умовах розчинності насичуючого газу. Фізична суть вторинного дроблення полягає у виникненні на зрізі розпилювального пристрою значного перепаду тисків між тиском насичуючого газу всередині крапель рідини, яка піддається диспергуванню, та його тиском у зоні диспергування. На виході з розпилювального пристрою відбувається первинне диспергування рідини за рахунок енергії надлишкового тиску самої рідини (або енергії стисненого газу при використанні пневморозпилювання). Одночасно з цим протікають процеси вторинного дроблення рідини за рахунок вирівнювання перепаду тисків між тиском газу (наприклад, діоксиду вуглецю), що розчинений в рідині, та його тиском в зоні диспергування. Завдяки тому, що розчинений у рідині газ рівномірно розподілений за всім об'ємом рідини, її диспергування, а також і вторинне дроблення, забезпечує монодисперсність та мінімально можливий розмір краплі, що, в свою чергу, за рахунок підвищення ефективності підготовки рідини дозволяє максимально підвищити ефективність диспергування, здійснювати процес диспергування в розпилювальних пристроях різних типів, підвищити ефективності тепломасообмінних процесів у системах рідина-газ за рахунок збільшення ефективної поверхні контакту фаз, а також розширити сфери застосування та знизити енергоємність способу, що заявляється, в цілому. Використання для насичення рідкого середовища газів з характеристиками, які заявляються, наприклад, діоксиду вуглецю, дозволяє забезпечити створення умов для зниження в зоні диспергування вмісту кисню (зокрема, при збагаченні зони диспергування вуглекислим газом) з утворенням локальної захисної атмосфери, що дозволяє нівелювати процеси окиснювання матеріалів при їхньому охолодженні, що, в свою чергу, забезпечує підвищення ефективності підготовки рідких середовищ до диспергування та підвищення ефективність процесу диспергування в цілому, а також дозволяє розширити сфери застосування способу, що заявляється. Додаткове підігрівання рідкого середовища, яке насичене газом, безпосередньо перед його диспергуванням (або його диспергування в зону високих температур) дозволяє забезпечити додаткове посилення ефекту вторинного дроблення, що, в свою чергу, забезпечує підвищення ефективності підготовки рідких середовищ до диспергування, підвищення ефективності диспергування та одержання монодисперсної краплі. Крім того, під час нагрівання рідкого середовища відбувається виникнення додаткового імпульсу "внутрішнього" тиску, який обумовлений зменшенням розчинності насичуючого газу зі зростанням температури та тепловим розширенням газу, що виділяється при його витіканні. Крім того, в окремих випадках спосіб, що заявляється, може характеризуватися тим, що: - як рідке середовище, що піддається диспергуванню, може бути використана водноспиртова суміш, а як насичуючий газ - діоксид вуглецю, що, в свою чергу, дозволить суттєво підвищити ефективність диспергування рідкого середовища такого типу з найбільшою ефективністю використання механізму вторинного дроблення, бо розчинність діоксиду вуглецю в спиртах майже на порядок вища, ніж його розчинність у воді; - як рідке середовище, що піддається диспергуванню, може бути використане рідке паливо, а як насичуючий газ - газоподібні вуглеводні, наприклад, метан, або інший газ, якому властива висока розчинність та який не проявляє окисних властивостей; 3 UA 73450 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - як рідке середовище, що піддається диспергуванню, може бути використаний розплав металу, а як насичуючий газ — водень, оксид або діоксид вуглецю, або інший газ, якому властива висока розчинність та який не проявляє окисних властивостей; - як рідке середовище, яке піддається диспергуванню, можуть бути використані водні та водноспиртові розчини, суспензії або інші різновиди рідких середовищ, що дозволяє розширити технологічні можливості використання способу при підвищенні ефективності підготовки рідких середовищ до диспергування та забезпеченні можливості використання різних типів розпилювальних пристроїв, а також при підвищенні ефективності диспергування в цілому. - підігрівання рідкого середовища, яке насичене газом, можуть здійснювати за допомогою прямого контакту насиченого газом рідкого середовища з теплоносієм, який одночасно виконує функцію розпилюючого агента, що дозволяє за рахунок використання того або іншого складу теплоносія впливати на якісний та кількісний склад рідкого середовища, яке насичене газом та піддається диспергуванню, при підвищенні ефективності підготовки рідких середовищ до диспергування та при забезпеченні можливості використання різних типів розпилювальних пристроїв, крім того, таке підігрівання дозволяє при прямому контакті насиченого газом рідкого середовища с теплоносієм використовувати теплову та кінетичну енергію теплоносія, наприклад, пари або підігрітого стисненого повітря, для додаткового збудження процесів первинного диспергування та вторинного дроблення, та, зокрема, дозволяє підвищити ефективність диспергування в цілому; - підігрівання рідкого середовища, насиченого газом, можуть здійснювати перед розпилювальнім пристроєм, що дозволяє спростити процес підігрівання, використовуючи прості конструкції теплообмінників, і процес диспергування, використовуючи прості конструкції розпилювальних пристроїв, при підвищенні ефективності підготовки рідких середовищ до диспергування та забезпеченні можливості використання різних типів розпилювальних пристроїв, а також при підвищенні ефективності диспергування в цілому; - підігрівання насиченого газом рідкого середовища можуть здійснювати безпосередньо в розпилювальному пристрої, що дозволяє знизити гідравлічні та теплові втрати при підвищенні ефективності підготовки рідких середовищ до диспергування та забезпеченні можливості використання різних типів розпилювальних пристроїв, а також при підвищенні ефективності диспергування в цілому. З огляду на викладене вище та з урахуванням розкритого причинно-наслідкового зв'язку між сукупністю суттєвих ознак способу, що заявляється, та технічним результатом, що досягається, можна стверджувати, що задача, поставлена в основу створення нового способу, вирішена повністю, бо використання способу підготовки рідких середовищ до диспергування, що заявляється, дозволяє забезпечити досягнення технічного результату, який полягає у підвищенні ефективності диспергування рідких середовищ за рахунок створення сприятливих умов для організації процесів вторинного дроблення рідкого середовища, насиченого газом, якому властиві висока розчинність в рідкому середовищі та низка окисна здатність, при її витіканні з розпилювального пристрою шляхом декомпресії газорідинної системи та усунення полідисперсності крапель за факелом розпилювання, у забезпеченні процесу диспергування в розпилювальних пристроях різних типів, дозволяє підвищити ефективність підготовки рідких середовищ до диспергування, підвищити ефективність тепломасообмінних процесів у системах рідина-газ за рахунок збільшення ефективної поверхні контакту фаз, а також розширити сфери застосування та знизити енергоємність способу, що заявляється, в цілому. Суть способу, що заявляється, пояснюється графічним матеріалом, на якому представлена принципова схема способу підготовки рідких середовищ до диспергування, що заявляється. На графічному матеріалі проставлені такі позначення. 1 - вузол приготування рідкого середовища, 2 - вузол охолодження рідкого середовища, 3 - насос, 4 - вузол насичення рідкого середовища газом, 5 - розпилювальний пристрій, У конкретному прикладі підготовку рідкого середовища до диспергування здійснювали в такий спосіб. Технічну воду з температурою 30-45 °C подавали у вузол 1, в якому, залежно від технологічних особливостей, здійснювали коригування хімічного складу води, наприклад, шляхом введення в неї домішок або присадок. Після чого воду направляли у вузол 2, де здійснювали її охолодження до температури 20 °C. За допомогою насоса 3 воду під надлишковим тиском направляли у вузол 4, де здійснювали її насичення газом, наприклад, діоксидом вуглецю, якому властиві висока розчинності в рідкому середовищі та низка окисна 4 UA 73450 U 5 10 15 20 25 здатність. При цьому діоксид вуглецю подавали під надлишковим тиском у 6 Атм. Далі рідину, насичену діоксидом вуглецю, під напором, який було створено за допомогою насоса 3, подавали в розпилювальний пристрій 5, з якого здійснювали її диспергування з використанням водяної пари, яку подавали з температурою 150 °C, що забезпечувало підвищення температури води до 65 °C та зниження розчинності діоксиду вуглецю у воді. При цьому на виході з розпилювального пристрою 5 відбувалося первинне диспергування води за рахунок енергії надлишкового тиску самої води і енергії розпилювальної пари та одночасне протікання процесів вторинного дроблення крапель води, які відбувалися за рахунок нагрівання рідини та вирівнювання перепаду тисків між тиском діоксиду вуглецю, розчиненого у воді, та його тиском у зоні диспергування. В результаті здійснення способу, що заявляється, забезпечувалося дроблення крапель за факелом розпилювання до 5-10 мкм, усувалась полідисперсність крапель, а також утворювалась захисна атмосфера в зоні розпилювання. Крім того, в окремих випадках використання способу, що заявляється, а також залежно від конкретних технічних і технологічних умов вузол приготування рідкого середовища, вузол його охолодження та вузол насичення рідкого середовища газом конструктивно можуть бути поєднанні в одному апараті, а розпилювальний пристрій із засобом для забезпечення підігрівання можуть бути виконані як один апарат з виконанням функцій розпилювання та підігрівання. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб підготовки рідких середовищ до диспергування шляхом надання рідкому середовищу надлишкового тиску, наступного насичення рідкого середовища газом та спрямування насиченого газом рідкого середовища в розпилювальний пристрій, який відрізняється тим, що як газ для насичення рідкого середовища під надлишковим тиском використовують газ, який характеризується високою розчинністю та низькою окисною здатністю. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що рідке середовище попередньо охолоджують. 3. Спосіб за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що насичене газом рідке середовище перед витіканням з розпилювального пристрою підігрівають. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП ―Український інститут промислової власності‖, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5