Способ диспергирования пузырьков газа в жидкости Российский патент 2024 года по МПК B01F23/20 

Изобретение относится к области газовой промышленности, а точнее к области диспергирования газа в жидкости и может найти применение в энергетике, нефтегазодобывающей промышленности, химической промышленности и в экологии, например, для утилизации углекислого газа и его хранения на дне океана при пониженной температуре и высоком статическом давлении, а также при лабораторных исследованиях физико-химических процессов в пузырьковых средах.

Существуют различные методы интенсификации процесса гидратизации газов: мелкодисперсное распыление струи, насыщенной газом, в атмосфере газа, интенсивное перемешивание воды, насыщенной растворенным в ней газом, вибрационное воздействие на жидкость, насыщенную газом, ультразвуковое воздействие на среду и т.д.

Известен способ диспергирования газа в жидкости и устройство для его осуществления [авторское свидетельство СССР 1736584], заключающийся в эжекции газа дискретными струями в сформированный струйный поток жидкости.

Известно устройство [Патент РФ 2045718] для образования газовых гидратов путем насыщения жидкости газом в сосуде, установленном на вибраторе, с дальнейшей подачей насыщенной жидкости в кристаллизатор, охлаждаемый до криогенных температур. Процесс насыщения жидкости газом завершается за 5-10 секунд. Хотя использование вибровоздействия, приводящее к захвату жидкостью газа с границы раздела, ускоряет процесс растворения газа, время растворения газа в жидкости и соответственно время образования газогидрата остаются достаточно продолжительными.

Известен способ получения раствора газа в жидкости с заранее заданной концентрацией вплоть до насыщенной, включающий соединение газа и жидкости друг с другом при регулируемой подаче в пропорции, соответствующей заранее заданной концентрации раствора, и образование из газа и жидкости потока, проходящего через общий канал так, что указанный поток поочередно протекает вверх и вниз, осуществляя перемешивание под действием гравитации [Европейский патент 010123].

Известен способ интенсификации поглощения газа водой [Патент РФ 2380146], газированной, по меньшей мере, в одном аппарате для газирования, которую подают в карбонизатор, при этом в аппарате для газирования приготовляют газоводяную смесь с заданным давлением газа и заданным давлением воды, под этим давлением подают, по меньшей мере, в один карбонизатор, пропускают через состоящее из гранулята наполнение, по меньшей мере, одного карбонизатора и при этом осуществляют интенсивное перемешивание.

Из уровня техники известен также патент РФ, в котором предлагается сатурационная камера с установленным в ней устройством для перемешивания воды. Камера частично заполняется водой, а в оставшийся незаполненным объем этой камеры впускают углекислый газ и включают перемешивающее устройство, время работы которого определяет степень газирования воды [РФ 2265477].

Для производства питьевой воды или безалкогольных напитков, насыщенных кислородом, известен способ введения кислорода в жидкость путем перемешивания их смеси в центробежном насосе [РФ 98116606].

Известно устройство для получения газовых пузырьков в жидкости [WO 2016/180853], в частности микропузырьков, которое обеспечивает получение пузырьков посредством подходящих аэрационных дисков. Сжатый газ вводится в горизонтально расположенный вращающийся полый вал (из внутреннего, меньшего и внешнего, большего полого вала) и посредством аэрационных дисков, которые состоят, например, из керамической мембраны с газовым каналом, направляется в жидкость. Благодаря применению двух полых валов, один из которых находится в другом, обеспечивается равномерное и симметричное распределение давления внутри большего полого вала. Благодаря этому диски симметрично снабжаются газом, и достигается равномерное образование пузырьков в среде, в которую необходимо подавать газ.

Известен способ получения газового гидрата метана либо иного газа [патент GB 2347938], при котором взаимодействие газа с водой происходит в реакторе при термобарических условиях, соответствующих образованию гидрата. Поступление воды в реактор, заполненный газом, происходит через сопла в распыленном виде. Для интенсификации гидратообразования используется ультразвуковой излучатель, который должен разрушать гидратные оболочки на поверхности крупных капель воды.

Указанные способы и реализующие их устройства имеют низкие эффективности диспергирования газа в жидкости и интенсивность процесса гидратообразования, а также сложность реализующих эти способы установок.

В качестве прототипа выбран способ получения газовых гидратов, например гидрата метана [патент РФ 2270053], согласно которому образование гидрата происходит в реакторе в условиях сжатия и охлаждения газожидкостной смеси ниже равновесной температуры образования гидрата при воздействии на смесь ударными волнами с повышением давления и с возникновением дробления газовой фазы.

Недостатком известного способа является низкая интенсивность процесса гидратообразования.

Задачей заявляемого технического решения является разработка способа диспергирования газа в жидкости с высокой интенсивностью гидратообразования.

Это достигается тем, что применяемый способ диспергирования пузырьков газа в жидкости, заключающийся в заполнении реактора газожидкостной смесью и воздействии на газожидкостную смесь ударными волнами давления, новым является то, что на газожидкостную смесь оказывают электроимпульсное воздействие путем возбуждения в рабочей зоне реактора электрического разряда между электродами с обеспечением формирования сферической сильной ударной волны с давлением во фронте сильной ударной волны находящейся в диапазоне от 1 до 35 МПа, осуществлении фокусировки отраженных ударных волн от стенок реактора, сжатия и несимметричного схлопывания газовых пузырьков за счет взаимодействия ударной волны с поверхностью пузырька, формирования жидкой кумулятивной струи по направлению падения ударной волны на пузырек газа и разрушения ею пузырька на более мелкие газовые пузырьки при одновременной турбулизации окружающей жидкости.

Авторам неизвестны технические решения, содержащие сходные отличительные признаки и их использование для заявленной цели.

Сущность заявляемого способа поясняется на примере устройства, реализующего этот способ.

На фиг. 1 приведена схема способа диспергирования пузырьков газа в жидкости в соответствии с изобретением.

На фиг. 2а приведена постановка задачи исследования процесса сжатия сферического пузырька радиусом 10 мм в воде, наполненного воздухом с уравнением состояния идеального газа, плоской ударной волной, возникающей от удара по жидкости плоской пластины из железа, со скоростью 1,5 км/с; на фиг. 2б показаны изолинии давления, где 1 - фронт ударной волны, 2 - вода, 3 - воздух. Начало формирования кумулятивной струи при схлопывании пузырька (б), здесь графики давления (1), Z скорости V_z (2) и удельной внутренней энергии (3) на момент времени равный 7,6 мкс после возбуждения ударной волны в воде (б), приведены изолинии давления.

На фиг. 3 приведены изолинии Z скорости на момент времени равный 11,6 мкс после возбуждения сильной ударной волны в воде, начало дробления пузырька газа в воде ударной волной (а) и разрушение пузырька газа в воде ударной волной, изолинии давления на момент времени равный 14,8 мкс после возбуждения ударной волны в воде (б).

На фиг. 4 показана постановка задачи по взаимодействию ударной волны с крупным вытянутым пузырьком газа в жидкости. Приведены изолинии давления на момент времени равный 4,4 мкс после возбуждения сильно ударной волны в воде. Показаны изолинии давления. Здесь 1 - фронт ударной волны, 2 - вода, 3 - воздух.

На фиг. 5. Приведены распределения удельной внутренней энергии и изолинии удельной внутренней энергии на момент времени равный 11,2 мкс после возбуждения ударной волны в воде (а) и формирование кумулятивной струи при схлопывании пузырька. Распределение Z скорости и изолинии Z скорости на момент времени равный 17,6 мкс после возбуждения ударной волны в воде (б), формирование кумулятивных струй (эксперимент) (в). Начала образовываться кумулятивная струя, а газ сжимается в окрестности жидкости, пришедшей в движение. Начальная скорость уже четко выраженной кумулятивной струи более 2 км/с. Процесс интенсивного сжатия пузырька с образованием кумулятивной струи продолжается и она подходит к противоположной стороне пузырька которую пробивает.

На фиг. 6. Показан фрагмент скоростных фотографий сжатия пузырьков, образования кумулятивных струй и формирования облака мелкодисперсных пузырьков.

Обозначения: 1 - реактор, 2 - газожидкостная смесь, 3 - электроды, 4 - источник электрической энергии, 5 - зеркальные отражатели, 6 - ударная волна, 7 - отраженная ударная волна.

Работа устройства происходит следующим образом.

Из технической литературы известно, что форма газовых пузырьков зависит от их размера. Пузырьки диаметром менее 0,01 мм имеют сферическую форму, при диаметре 2-3 мм форма пузырьков деформируется и приобретает форму сплющенного эллипсоида, короткая ось которого расположена в направлении движения пузырька. Начальная асимметрия пузырьков возникает за счет подъёмной силы из-за достаточно большой их скоростью всплытия. Причем очень крупные пузырьки сами разрушаются при подъёме их в жидкости.

Реактор 1 заполняется газожидкостной смесью 2. С источника электрической энергии 4 подается импульсное напряжение на электроды 3, которые располагаются в реакторе 1 с газожидкостной смесью 2. В результате пробоя жидкости и выделения энергии между электродами 3 формируется сферическая сильная ударная волна 6 с давлением во фронте сильной ударной волны находящейся в диапазоне от 1 до 35 МПа, которая распространяется по газожидкостной смеси 2. Сильная ударная волна 6 отражается от зеркального отражателя 5 фокусируется в газожидкостной смеси 2. Таким образом отраженная ударная волна 7 вновь проходит через газожидкостную смесь 2. С увеличением давления во фронте сильной ударной волны увеличивается возможный объем реактора 1 в котором подвергается воздействию газожидкостная смесь 2, но при этом возрастает сложность устройства. Наиболее оптимальные величины создаваемых давлений в формируемом фронте сильной ударной волны лежат в диапазоне от 1 до 35 МПа.

Известны устройства создания сильных ударных волн в жидкости с помощью электрического разряда в жидкости [Патенты РФ: 2090747, 126400, 153827, 105011, 119074, 148724, 123911, 123911, 119403, 196632; Патент США 4074758; Юткин Л.A. Электрогидравлический эффект // М.: Машгиз, 1955].

При подходе ударных волн 6, 7 к поверхности пузырька волны отражается от нее, сообщая частицам жидкости на поверхности пузырька некоторую скорость. Происходит несимметричное схлопывание пузырька, носик пузырька получает скорость в несколько раз большую, чем боковые стенки из-за различных углов падения ударной волны на пузырек газа в жидкости. Это приводит к образованию водяной струи, пробивающей пузырек, для симметричного круглого пузырька, а в случае чечевице образного пузырька струя превращается в полосу, разрезающую пузырек на несколько частей, если размеры пузырька достаточно малы. При пробитии газового пузырька струей образуются более мелкие пузырьки.

Как следует из фиг. 2 потенциальная энергия сильной ударной волны превращается в кинетическую энергию, сжимающую и разогревающую воздух внутри пузырька. С течением времени, процесс сжатия, сопровождается образованием своеобразной кумулятивной струи из жидкости. Кумулятивная струя имеет максимальную скорость в этом эксперименте равную 3,636 км/с, и после удара её по жидкости на противоположной стенке пузырька, образовывается новый пик давления в воде. При этом пузырек разрушается на кольцевую область, фиг. 3а. Далее продолжается сжатие газа в его кольцевой области, и пузырек практически разрушается, рассеивая энергию газа в жидкости, фиг. 3б. В силу инерции жидкости, остатки первоначального пузырька, уже в виде отдельных микро пузырьков, сжимаются до большого давления «пересжимаются» и так же излучают волны давления, которые складываясь, могут сформировать новую волну сжатия, уже существенно уменьшенной интенсивности.

Для крупных газовых пузырьков их форма изменяется и становится несферичной, фиг. 4. При воздействии на их сильной ударной волны начинает образовываться кумулятивная струя, а газ сжимается в окрестности жидкости, пришедшей в движение. Начальная скорость уже четко выраженной струи более 2 км/с. Процесс интенсивного сжатия пузырька с образованием кумулятивной струи продолжается и она подходит к противоположной стороне пузырька. Этот процесс перед пробитием кумулятивной струей из жидкости самой жидкости представлен на фиг. 5. Энергия сильной ударной волны заключена в сжатом газе и высокоскоростной кумулятивной струе жидкости.

В результате взаимодействия сильной ударной волны 6 и отраженной ударной волны 7 с газовыми пузырьками, находящимися в ректоре 1. Происходит сжатие газовых пузырьков за счет взаимодействия ударных волн 6, 7 с поверхностью пузырька, несимметричного схлопывания пузырька, формирование жидкой кумулятивной струи по направлению падения ударной волны и разрушение ею пузырька на более мелкие газовые пузырьки при одновременной турбулизации окружающей жидкости.

Пример. Давление во фронте ударной волны от 1 МПа до 35 МПа создавалось электрическим разрядом (напряжение заряжающего конденсатора от 3 до 20 кВ и емкостью от 1 мкФ до 300 мкФ) в воде. Электрический разряд проводился в камере размером 1000×1000×400 мм. В воде эффективно выделялось до 80 % энергии, запасенной конденсатором.

Газожидкостная смесь создавалась при помощи металлических штуцеров с различным числом отверстий и диаметрами отверстий от 0,5 до 4 мм. При этом формировались газовые пузырьки с диаметром не более 6 мм.

В качестве газа использовался кислород, азот, водород и углекислый газ. Сильного влияния заполнителей на дробление пузырьков не обнаружено.

Зеркальные фокусирующие отражатели ударной волны [Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. - М.: Наука, 1977. - 337 с.; Л.Я. Гутин. К теории параболического концентратора звука. ИЭСТ, 9, 8-25, 1935; F. I. Fox, V. Griffing. Experimental investigation of ultrasonic intensity gain in water due to concave reflectors // JASA, 21, 4, 352-359, 1949; Г.Н. Санкин. Сферическая фокусировка акустических импульсов в жидкости // Акустический журнал, 2004, т. 2, с. 261-271] изготавливались из орг. стекла и располагались на внутренней поверхности реактора.

В результате воздействия сильной ударной волны с давлением во фронте сильной ударной волны находящейся в диапазоне от 1 до 35 МПа, осуществления фокусировки отраженных ударных волн от стенок реактора, сжатия газовых пузырьков за счет взаимодействия ударной волны с поверхностью пузырька, несимметричного схлопывания пузырька, формирования жидкой кумулятивной струи по направлению падения ударной волны, зафиксировано диспергирование пузырьков газа в жидкости до характерного размера 0,05-0,1 за характерные времена порядка нескольких микросекунд, при одновременной турбулизации окружающей жидкости.

Применение зеркальных отражателей ударной волны позволяет более полно использовать энергию сильной ударной волны для их диспергирования и увеличить время воздействия ударной волны на газовые пузырьки.

Все эти явления приводят к ускорению массообменного процесса на межфазной границе и, следовательно, к интенсификации процесса гидратообразования.

Изобретение относится к области газовой промышленности, а точнее к области диспергирования газа в жидкости, и может найти применение в энергетике, нефтегазодобывающей промышленности, химической промышленности и в экологии, например, для утилизации углекислого газа и его хранения на дне океана при пониженной температуре и высоком статическом давлении, а также при лабораторных исследованиях физико-химических процессов в пузырьковых средах. Способ диспергирования пузырьков газа в жидкости заключается в заполнении реактора газожидкостной смесью и воздействии на газожидкостную смесь ударными волнами давления. На газожидкостную смесь оказывают электроимпульсное воздействие путем возбуждения в рабочей зоне реактора электрического разряда между электродами с обеспечением формирования сферической сильной ударной волны с давлением во фронте сильной ударной волны, находящейся в диапазоне от 1 до 35 МПа, осуществляют фокусировку отраженных ударных волн от стенок реактора, сжатие и несимметричное схлопывание газовых пузырьков за счет взаимодействия ударной волны с поверхностью пузырька, формирование жидкой кумулятивной струи по направлению падения ударной волны на пузырек газа и разрушение ею пузырька на более мелкие газовые пузырьки при одновременной турбулизации окружающей жидкости. Технический результат изобретения - разработка способа диспергирования газа в жидкости с высокой интенсивностью гидратообразования. 6 ил., 1 пр.

Способ диспергирования пузырьков газа в жидкости, заключающийся в заполнении реактора газожидкостной смесью и воздействии на газожидкостную смесь ударными волнами давления, отличающийся тем, что на газожидкостную смесь оказывают электроимпульсное воздействие путем возбуждения в рабочей зоне реактора электрического разряда между электродами с обеспечением формирования сферической сильной ударной волны с давлением во фронте сильной ударной волны, находящейся в диапазоне от 1 до 35 МПа, осуществляют фокусировку отраженных ударных волн от стенок реактора, сжатие газовых пузырьков за счет взаимодействия ударной волны с поверхностью пузырька, несимметричное схлопывание пузырька, формирование жидкой кумулятивной струи по направлению падения ударной волны и разрушение ею пузырька на более мелкие газовые пузырьки при одновременной турбулизации окружающей жидкости.