УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСЫЩЕНИЯ ГАЗОМ ЖИДКОСТИ Российский патент 1996 года по МПК B01D53/18 B01F3/04 

Изобретение относится к химической технологии, преимущественно к абсорбционным процессам, и может быть использовано для интенсификации тепломассообменных процессов, например, при абсорбции SO, HCl и окислов азота в производстве соответственно серной, соляной и азотной кислот, при разделении газовых смесей, очистке сточных вод, а также в пищевой промышленности для газонасыщения жидкостей, в частности при производстве газированных напитков.

В настоящее время в пищевой промышленности, в частности при производстве газированных напитков, широко используется барботажный способ ввода газа в жидкость. Однако, известные барботажные устройства, реализующие этот способ, характеризуется низкой интенсивностью (скоростью) и эффективностью процесса растворения газа в жидкости из-за малого времени контакта всплывающих пузырей с жидкостью и низкой скоростью обновления среды на поверхности раздела. Это приводит к неполному растворению газа, т.е. его непроизводительным затратам и увеличению технологического времени приготовления газированного напитка для достижения заданной концентрации газа, в противном случае к снижению качества готового продукта.

Известно устройство для насыщения газом жидкости, содержащее массообменную проточную камеру смешения с конфузорно-диффузорным каналом, соединенным с источником подачи жидкости, и газовое сопло, соединенное с источником подачи сжатого газа, расположенным на входе в камеру.

Недостаток известного устройства заключается в недостаточно высокой интенсивности процесса насыщения газом жидкости. Известные данные теории массообмена объясняют это низким уровнем турбулентности потока газа в камере смешения, что соответственно уменьшает мощность сформированных вихрей в жидкости и снижает эффективный коэффициент массопереноса.

Задача, решаемая изобретением заключается в повышении эффективности и интенсивности процесса насыщения и тем самым повышении его экономичности.

Указанная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее массообменную проточную камеру смешения с конфузорно-диффузорным каналом, соединенную с источником подачи жидкости, и газовое сопло, соединенное трубопроводом с источником подачи сжатого газа, расположенным на входе в камеру, согласно изобретению снабжено газовым генератором пульсации, установленным на трубопроводе подачи сжатого газа, а в узком сечении канала установлены турбулизаторы потока, выполненные в виде выступов, равномерно размещенных по периметру с плоской поверхностью со стороны диффузорного сечения камеры.

Кроме того, внутри камеры смешения, выполненной цилиндрической, перед соплом установлено тело вращения, образованное двумя конусами, соединенными основаниями, на которых размещены выступы, при этом на конусе со стороны сопла размещен резонатор, образующий с ним газовый генератор пульсаций.

В другом варианте внутри камеры смешения, выполненной цилиндрической, установлено тело вращения со сквозным каналом, образованное двумя конусами, соединенными основаниями, на которых размещены выступы, при этом один конец канала со стороны входа камеры является соплом и в нем размещен стержень, на котором перед соплом установлен резонатор, образующий с ним газовый генератор пульсаций, а противоположный конец канала соединен с источником подачи сжатого газа.

На фиг. 1 изображена установка для приготовления газированных напитков, в разрезе; на фиг. 2, 3, 4- варианты выполнения устройства для насыщения газом жидкости; на фиг. 5 вид по стрелке А на фиг. 4; на фиг. 6 схематично механизм образования парных вихрей.

Установка (промышленная) для приготовления газированных напитков содержит собственно камеру газирования 1, соединенную с камерой накопления приготовленного газированного напитка 2, соединенные между собой и установленные вертикально друг над другом. В камере газирования 1 вертикально по оси установлено устройство для насыщения газом жидкости 3, соединенное трубопроводами с источником подачи углекислого газа 4, сиропа 5 и охлажденной воды 6. Вариант устройства, изображенного на фиг. 2 представляет собой массообменную проточную камеру смешения 7, выполненную цилиндрической, внутри которой соосно установлено тело вращения 8, образованное двумя конусами 9, соединенными основаниями и образующими с камерой смешения 7 конфузорно-диффузорный канал для прохода газонасыщенной жидкости. По периметру соединенных оснований конусов 9 равномерно установлены турболизаторы 10, выполненные в виде выступов, с плоской поверхностью со стороны диффузорного участка канала. Во входном сечении камеры смешения 7 размещено газовое сопло 11, установленное на трубопроводе подачи углекислого газа 4, напротив которого, на некотором расстоянии на одном из конусов 9 размещен резонатор 12, образующий с соплом 11 газовый генератор пульсаций. На стенках камеры смешения 3 и камеры газирования 1 установлены переливные тарелки 13.

Во втором варианте выполнения устройства для насыщения жидкости газом, изображенном на фиг. 3, в теле вращения выполнен сквозной канал 14, один конец которого со стороны входа камеры смешения 3 является соплом 11 и в нем размещен стержень 15 на пилонах 16, прикрепленных к стенке канала 14. На стержне 15 перед соплом установлен резонатор 12, образующий с ним газовый генератор пульсаций, а противоположный конец канала 14 соединен с трубопроводом подачи углекислого газа 4.

В третьем варианте выполнения устройства для насыщения жидкости газом, изображенном на фиг. 4, массообменная проточная камера смешения 3 выполнена с конфузорно-диффузорным проходным сечением. В самом узком сечении камеры 3 на ее внутренней поверхности размещены выступы 10. Газовый генератор пульсаций представляет собой плоскую цилиндрическую камеру закручивания 17 с тангенциальным входом 18, соединенным с трубопроводом подачи углекислого газа 4. Внутри камеры 17 свободно размещен ролик 19. На выходе из камеры закручивания 17 размещено сопло 11 по оси камеры смешения 3.

Установка для приготовления газированных напитков с устройством для насыщения газом жидкости 3, изображенном на фиг. 2, работает следующим образом. По трубопроводам 5 и 6 в камеру смешения устройства для насыщения 3 подают соответственно сироп и охлажденную воду и одновременно по трубопроводу 4 подают углекислый газ. Осесимметричная струя расширяющего газа (бочка) периферийными слоями взаимодействует с кромками резонатора 12, в результате чего энергия истекающего через сопло 11 газа преобразуется в энергию волн, что позволяет сильно турбулизировать границу раздела фаз в пузыpьках, тем самым повысить интенсивность массообмена за счет акустических пульсаций давления и формы пузырьков, образующаяся между соплом 11 и резонатором 12 осесимметричная выпуклая поверхность раздела фаз газ-жидкость пульсирует с образованием капиллярных волн, дроблением, интенсивной турбулентностью. Пузырьки газа, образующиеся в зоне озвучивания при разрушении границы раздела фаз, из-за капиллярных волн и дробления также пульсирует, при этом давление и температура в них сильно меняются. Все это приводит к значительной интенсификации тепломассообмена между вводимым газом и жидкостью. Зона между резонатором 12 и соплом 11 периодически заполняется газом и опорожняется, это приводит к образованию чередующихся гидроударов в потоке жидкости, совпадающих с его направлением движения. Поток газированной жидкости, взаимодействуя с выступами-турбулизаторами 10, установленными на основаниях конусов 9 тела вращения 8, срывается с их плоской поверхности с образованием парных вихрей (см. фиг. 6), имеющих одинаковую направленность скоростей в точках касания друг с другом (см. фиг. 6) и обладающих вследствие этого высокой устойчивостью. Периодическое образование устойчивых парных вихрей приводит к дополнительной турбулизации среды и повышению интенсивности газонасыщения. Применение резонатора в качестве газового генератора пульсаций максимально упрощает его конструкцию. Далее газированный напиток переливается через открытый торец камеры смешения 3 в камеру газирования 1 на переливные тарели 13, где он освобождается от гетерогенных газовых включений и пены, откуда он поступает в камеру накопления газированного напитка 2, а затем на розлив.

Аналогично работает установка для приготовления газированных напитков с устройством для насыщения газом, изображенном на фиг. 3. В этом случае резонатор 12, установленный напротив сопла 11, выполняет функции и газового генератора пульсаций и устройства для разворота потока.

При работе устройства для насыщения газом жидкости, изображенного на фиг. 4 в составе установки для приготовления газированных напитков, поток углекислого газа приводит во вращение ролик 19 внутри цилиндрической камеры 17, который периодически перекрывает ее выходное отверстие и соответственно выход из сопла 11. Это обеспечивает на выходе из сопла 11 создание периодических гидроударов, воздействующих на двухфазный поток и приводящих к пульсации размеров и относительной скорости газовых пузырей, тем самым повышая скорость обновления среды на их поверхности. Как следствие это приводит к интенсификации процесса газонасыщения жидкости.

Предварительные эксперименты, проведенные на установке для приготовления газированных напитков фирмы Nogema, доработанной в соответствии с изобретением, реализованном в варианте, изображенном на фиг. 4, показали повышение интенсивности процесса газонасыщения в ≈ 2 раза, что обеспечило высокое качество готового продукта при давлении углекислого газа 1,2-1,5 атм вместо 3 атм, что снизило непроизводительные затраты углекислого газа.

Использование: в химической технологии в производстве серной, соляной и азотной кислот, при разделении газовых смесей,очистке сточных вод, в пищевой промышленности, в частности при производстве газированных напитков. Сущность изобретения: устройство для насыщения газом жидкости, содержащее массобменную проточную камеру смешения с конфузорно-диффузорным каналом, соединенную с источником подачи жидкости, и газовое сопло на входе в камеру, соединенное трубопроводом с источником подачи сжатого газа, снабжено газовым генератором пульсаций, установленным на трубопроводе подачи сжатого газа, а в узком сечении канала установлены турбулизаторы потока, выполненные в виде выступов, равномерно размещенных по периметру, с плоской поверхностью со стороны диффузорного сечения камеры. Представлены различные варианты выполнения камеры смешения: 1 - внутри камеры смешения, выполненной цилиндрической, перед соплом установлено тело вращения, образованное двумя конусами, соединенными основаниями, на наружной поверхности которых размещены выступы, при этом на конусе со стороны сопла размещен резонатор, образующий с ним газовый генератор пульсаций; 2 - внутри камеры смешения, выполненной в виде цилиндра, установлено тело вращения со сквозным каналом, образованное двумя, конусами, соединенными основаниями, на наружной поверхности которых размещены выступы, при этом один конец канала со стороны входа камеры является соплом и в нем размещен стержень, на котором перед соплом установлен резонатор, образующий с ним газовый генератор пульсаций, а противоположный конец канала соединен с источником подачи сжатого газа. Устройство позволяет повысить интенсивность процесса газонасыщения. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАСЫЩЕНИЯ ГАЗОМ ЖИДКОСТИ, содержащее массообменную проточную камеру смешения с конфузорно-диффузорным каналом, соединенную с источником подачи жидкости, и газовое сопло на входе в камеру, соединенное трубопроводом с источником подачи сжатого газа, отличающееся тем, что оно снабжено газовым генератором пульсаций, соединенным с трубопроводом подачи сжатого газа, а в узком сечении канала равномерно размещены турбулизаторы потока, выполненные в виде выступов с плоской поверхностью. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера смешения выполнена цилиндрической и снабжена установленным перед соплом телом вращения, образованным двумя конусами, соединенными между собой основаниями, по наружной поверхности которых размещены выступы, а газовый генератор пульсаций выполнен в виде сопла и резонатора, размещенного на конусе со стороны сопла. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера смешения выполнена цилиндрической и снабжена телом вращения со сквозным каналом, один конец которого соединен с источником подачи сжатого газа, а другой выполняет функцию сопла со стороны входа в камеру смешения и снабжен стержнем, установленным в сопле, при этом тело вращения образовано двумя конусами, соединенными между собой основаниями, на наружной поверхности которых размещены выступы, а газовый генератор пульсаций выполнен в виде сопла в сквозном канале и резонатора, размещенного на стержне на расстоянии от сопла.