СПОСОБ АЭРАЦИИ ЖИДКОСТИ Российский патент 1994 года по МПК C02F3/20 B03D1/14 

Изобретение относится к технике обработки жидкости газом и может использоваться в нефтяной, химической, химикофармацевтической, пищевой, микробиологической и металлургической промышленности.

Известен способ аэрации жидкости в резервуаре, включающий подачу в нее струи жидкости, падающей наклонно [1] .

По указанному способу струя бьет по поверхности обрабатываемой жидкости, что вызывает появление сильных конвективных токов в поверхностном слое и интенсивное перемешивание пены с нижним слоем жидкости в резервуаре. Этот недостаток обуславливает узкую область использования известного способа.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ аэрации жидкости, включающий подачу в нее струи жидкости, падающей в вертикальной трубе, нижний конец которой размещен ниже уровня жидкости в резервуаре [2] .

В указанном способе струя бьет по поверхности жидкости, находящейся в вертикальной трубе, что исключает появление сильных конвективных токов в поверхностном слое и жидкости, находящейся в резервуаре снаружи трубы.

Общим недостатком известных способов является низкая эффективность, обусловленная слабой инжектирующей способностью струи и малой глубиной погружения газовых пузырьков при вталкивании их падающей струей в жидкость.

Цель изобретения - повышение эффективности путем повышения инжектирующей способности струи и принудительного транспорта газа на большую глубину.

Предлагаемый способ реализован в устройстве для аэрации жидкости, изображенном на чертеже.

Устройство содержит резервуар 1 со штуцерами 2 - 5 вывода соответственно осадка, жидкости, пенного продукта и газа, вертикальную трубу 6 и сопло 7 с насадком 8 на нижнем конце, выполненным в виде конуса, обращенного вершиной вверх. Под насадком установлен соосно расположенный трубе 6 конус 9, обращенный вершиной вверх, а под трубой установлена с зазором горизонтальная тарелка 10.

Исходная жидкость под избыточным давлением поступает в сопло 7, из которого выбрасывается на стенку трубы 6. Насадок 8 с конусом 9 придают вытекающей из сопла 7 струе форму полого конуса, перекрывающего все живое сечение трубы 6. При ударе струи о стенку трубы 6 в непосредственной близости от места удара сверху возникают вихри, способствующие захвату больших порций газа их пространства над падающей струей и проталкиванию их вниз под падающую струю. Обратный выход газа вверх из-под падающей струи исключен, так как падающая струя перекрывает все живое сечение трубы.

Удар струи о стенку трубы 6 сопровождается интенсивным разрушением бронирующих оболочек на каплях жидких примесей, присутствующих в исходной жидкости.

Отраженный от стенки трубы 6 поток жидкости увлекает в совместное нисходящее движение газ, поступающий сверху под падающую струю. Скорость потока в трубе 6 выше максимальной скорости всплывания газовых пузырьков, что обеспечивает принудительный транспоpт газа в затопленном участке трубы на большую глубину.

Уровень жидкости в трубе 6 выше уровня жидкости в резервуаре 1 из-за наличия гидравлического сопротивления, оказываемого потоку трубой и тарелкой 10.

При ударе о тарелку 10 поток изменяет направление на радиальное, вытекая из зазора между трубой 6 и тарелкой в резервуар 1 в виде равномерно распределенной струи. Скорость истечения этой струи выше скорости потока в трубе 6, что обеспечивает интенсивное дробление газовых пузырьков, выбрасываемых струей в резервуар 1. Пузырьки газа распределяются в объеме очищаемой жидкости равномерно и под действием архимедовой силы всплывают вверх, захватывая жидкие и мелкие твердые примеси и создавая на поверхности раздела фаз пену. Из резервуара 1 пена уходит через штуцер 4, очищенная от примесей жидкость - через штуцер 3, а крупные твердые примеси, осевшие на дно резервуара, удаляются через штуцер 2. Газ выходит из резервуара 1 через штуцер 5.

Скорость потока жидкости в затопленном участке трубы 6, достаточная для транспортирования газа в нижнюю часть резервуара 1, определяется следующим образом.

На пузырек газа, находящийся в жидкости, действует архимедова (подъемная) сила, определяемая по формуле
S_а= · g(ρ_ж-ρ_г), (1)
где d_n - диаметр газового пузырька;
g - ускорение силы тяжести;
ρ_ж - плотность жидкости;
ρ_г - плотность газа.

В неподвижной жидкости условие всплывания газового пузырька имеет вид
S_a > R_ж (2)
где R_ж - сила сопротивления, оказываемая жидкостью всплыванию пузырька, причем R_ж определяется по формуле
R_ж= ζ · · , (3)
где ζ - коэффициент сопротивления;
W_в - скорость всплывания газового пузырька.

С учетом (1) и (2) неравенство (2) примет вид
· g(ρ_ж-ρ_г)> · . (4)
Из (4) скорость W_в равна
W_в= . (5)
Транспорт газовых пузырьков потоком жидкости по вертикальной трубе 6 в нижнюю часть резервуара 1 имеет место только в том случае, когда удовлетворено неравенство
W_ж >W_в, (6)
где W_ж - скорость потока жидкости в затопленном участке трубы 6.

Скорость W_ж определяется расходом жидкости через сопло, связанным со скоростью W_ж уравнением
W_ж= 0.0003538 , (7) где V_ж - объемный расход жидкости через сопло, равный объемному ее расходу через вертикальную трубу;
d_в - внутренний диаметр вертикальной трубы.

Согласно (6) имеем
W_ж> (8)
или
W_ж> . (9)
Перепад уровней жидкости в вертикальной трубе 6 и резервуаре 1, обеспечивающий потоку жидкости в затопленном участке трубы скорость W_ж, превышающую W_в, равен
ΔP= (P-P₀)/ρ_жg (10)
где Δ h_ck - скоростной напор;
Р_о - гидростатическое давление на поверхности столба жидкости в вертикальной трубе;
Р - гидростатическое давление у нижнего торца трубы 6.

Перепад давления на создание скоростного напора;
P_ск= P-P₀= W2ж

·ρ_ж/2 (11)
После подстановки правой части (11) для разности Р-Р_о в (10) получим
Δh_ск= W2ж/2g (12)
или с учетом (7)
Δh_ск≃ 0.62·10. (13)
Сброс жидкости на стенку трубы 6 обеспечивает интенсивное разрушение бронирующих оболочек на каплях жидкости при ударе их о стенку, что ускоряет коалесценцию этих капель в резервуаре 1. Возникновение вихрей при ударе струи о стенку трубы 6 способствует повышению инжектирующей способности струи. Перекрывание всего живого сечения трубы 6 падающей струей исключает обратный выход газа вверх из пространства трубы под падающей струей. Превышение скорости нисходящего потока жидкости в трубе 6 максимальной скорости всплывания газовых пузырьков обеспечивает принудительный транспоpт этих пузырьков на большую глубину очищаемого объема жидкости. Равномерное распределение пузырьков в очищаемом объеме жидкости и их тонкое дробление в зазоре между трубой 6 и тарелкой 10 повышает эффективность очистки жидкости.

П р и м е р. Воду с содержанием в ней трансформаторного масла 250-280 мг/л обрабатывают в резервуаре пузырьками воздуха.

Воздух инжектируется водяной струей, падающей наклонно на внутреннюю стенку вертикальной трубы диаметром 0,022 м, нижний конец которой утоплен в очищаемую воду на глубину 0,65 м.

Высота уровня воды в резервуаре составляет 0,925 м. Струю равномерно распределяют по живому сечению трубы. Скорость потока в затопленном участке трубы поддерживают равной 0,723 м/с. Расчетная скорость всплывания газовых пузырьков диаметром 0,005 м составляет 0,385 м/с.

Содержание масла в воде после обработки ее пузырьками газа в течение 15 мин с последующим отстоем в течение 20 мин не превышает 40 мг/л.

При гравитационном отстое без обработки воды пузырьками газа содержание масла в очищенной воде, равное 40 мг/л, достигнуто за 72 ч.

Экономический эффект достигнут за счет повышения эффективности очистки в условиях глубинной аэрации жидкости.

(56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1139713, кл. С 02 F 3/20, 1982.

2. Заявка Великобритании N 2107612 А, кл. В 03 D 1/14, 1987.

Использование: в нефтяной, химической, пищевой и др. отраслях промышленности. Сущность изобретения: исходная жидкость под избыточным давлением поступает в сопло 7. Благодаря насадку 8 с конусом 9 она равномерно выбрасывается на стенку вертикальной трубы 6, нижний конец которой размещен ниже уровня жидкости в резервуаре 1. При падении жидкость увлекает в совместное нисходящее движение газ, поступающий сверху под падающую струю. Скорость потока в затопленном участке вертикалоной трубы 6 поддерживают выше максимальной скорости всплывания газовых пузырьков. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ АЭРАЦИИ ЖИДКОСТИ, включающий подачу в нее струи жидкости, падающей в вертикальной трубе, нижний конец которой размещен ниже уровня жидкости в резервуаре, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности путем повышения инжектирующей способности струи и принудительного транспорта газа на большую глубину, падающую струю направляют наклонно на стенку вертикальной трубы, распределяя равномерно, а скорость потока в затопленном участке вертикальной трубы поддерживают выше максимальной скорости всплывания газовых пузырьков. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что направление потока на выходе из вертикальной трубы изменяют на радиальное. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что скорость истечения потока из вертикальной трубы в резервуаре поддерживают выше скорости потока в вертикальной трубе.