Способ дегазации жидкости и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК C02F1/20 B01D19/00 

Изобретение относится к способам дегазации жидкости, в частности для десорбции аммиака, и может быть использовано в пищевой, химической и нефтехимической промышленности.

Известен способ десорбции аммиака из жидкости путем отд/пки сжатым воздухом или водяным паром при высоких значениях рН в присутствии поверхностно-активных веществ.

Недостатками этого способа являются высокие удельные энергозатраты, связанные с необходимостью обработки сточной воды химическими реагентами для повышения рН жидкости и поверхностно-активными веществами, от которых в дальнейшем необходимо очищать жидкость.

Известен способ дегазации, который осуществляется на режимах естественной кавитации в реакторах проточного типа, содержащих кавитащмнный модуль, состоящий из патрубков жидкости я выхода жидкости и газа, в котором установлен кави- татор. В качестве клеитатора используется

диск, шар, цилиндр, конус, в теле которого выполнены каналы для удаления газовой фазы в области пониженного давления, образующейся за кавитатором.

Недостатком этого способа и устройств на его основе явгяется низкая степень очистки жидкости от газа и невысокая производительность.

Наиболее близким к предлагаемому является способ дегазации жидкости, включающий создание в потоке режима кавитации за счет сужения и расширения, после чего производят закрутку потока,

В качестве прототипа выбрано устройство, которое содержит подводящий и отводящий жидкость патрубки, кавитационный модуль, состоящий из сужающе-расширяю- щей части, цилиндрического канала, причем выход кавитационного модуля соединен с резервуаром низкого давления тангенциально.

Недостатком такого способа и устройства для его осуществления является высокое остаточное газосодержание жидкости.

со

с

VI

00

со со

00 00

Целью изобретения является повышение степени дегазации.

Поставленная цель достигается тем, что режим кавитации, создаваемый в потоке путем его сужения и расширения, осуществля- ется в диапазоне к 0,4-1,0 при вакуумном отсосе.

Затем кавитационная обработка реализуется в диапазоне v 0,2-0,6 при эжекции воздуха или водяного пара, где к - число кавитации. Положительный эффект достигается в результате того, что при обработке в диапазоне к 0,4-1,0 в потоке жидкости образуются радикалы Н или О Н, рН жидкости возрастает до значения 9,5-10,5, являю- щегося оптимальным для процесса дегазации. Благодаря этому при дальнейшей обработке жидкости в диапазоне к 0,2-0,6 в присутствии воздуха или пара газоотделение увеличивается, что связано со смещением равновесия в правую сторону в системе NH4+ + ОН Ј МНз + НаО.

Окончательная дегазация осуществляется путем закрутки двухфазного потока в резервуаре низкого давления. Пузырьки газа из-за центрифугирующего эффекта всплывают на поверхность и выделившийся газ отсасывается через верхнюю часть резервуара,

Известен способ дегазации жидкости для удаления кислорода, включающий перемешивание в кавитационном режиме и подачу инертного газа на барботаж под кавитационные насадки.

Если таким способом десорбировать жидкость, содержащую растворенный аммиак, степень дегазации оказывается низкой.

Так как осуществить режим естествен- ной кавитации с числами к 0,4-1 в аппарате с вращающейся мешалкой с кавитационными насадками не представляется возможным, для этого окружная скорость мешалки должна составлять о) 100-110 .

Реализация таких режимов энергетически неоправдана, к тому же кавитационные элементы подвергаются непрерывному ка- витационному износу.

Кроме того, в кавитационные каверны, образующиеся за насадками подсасывается барботирующий газ Это приводит к потере жесткости кавитации из-за уменьшения перепада давлений между ка- витационными пузырьками и окружающей его жидкости.

Время жизни радикалов Н и ОН составляет 30-60 с, после этого их содержание в водном растворе уменьшается и рН среды снижается до прежнего уровня. Барботаж газом под кавитационные насадки не обеспечивает своевременного попадания газовых пузырьков в зону кавитационного воздействия, так как скорость всплывания барботирующих пузырьков мала и является функцией многих параметров, в том числе и физических свойств жидкости, которые в сточной воде могут меняться в широких пределах,

Предлагаемое в качестве изобретения устройство для дегазации жидкости, включающее кавитационный модуль, состоящий из подводящего и отводящего жид кость патрубков, сужающе-расширяющего насадка и цилиндрического канала, соединенного с резервуаром низкого давления тангенциально, снабжено дополнительным кавита- ционным модулем, установленным после основного модуля перед резервуаром низкого давления, при этом основной модуль соединен с вакуум-насосом посредством га- зоотводящего патрубка, а дополнительный модуль соединен с атмосферой посредством газоподводящего патрубка.

Цилиндрический канал основного и дополнительного кавитационного модуля выполнен перфорированным и снабжен охватывающей его камерой. Камера основного модуля выполнена вакуумной и соединена с газоотводящим патрубком, а камера дополнительного соединена с газоподводя- щим патрубком. Насадок выполнен в виде сопла с острой кромкой входного сечения, расположенного коаксиально цилиндрическому каналу, длина которого равна 14-20 его диаметров. Отношение площади цилиндрического канала и площади выходного сечения сопла составляет 3-5.

Способ дегазации жидкости осуществляется на режиме кавитации в диапазоне к - 0,4-1,0 при ваю/умном отсосе, а затем в диапазоне к 0,2-6 при эжекции воздуха или водяного пара.

Число кавитации, определяющее режим обработки жидкости на первом кавитационном модуле, определ эется по формуле:

/п- 2() . /С1о

р VBX2

где Рвх и VBX - давление, МПа, и скорость жидкой фазы перед основным кавитацион- ным модулем, м/с;

РК- давление в кавитационной каверне, обусловленное гидродинамикой истечения струи из сопла и давлением разрежения, создаваемое вакуум-насосом в камере, МПа;

р - плотность дегазируемой жидкости (например, аммиачной воды) при данной температуре и давлении (в нормальных условиях р 1000 кг/м3).

Число кавитации в дополнительном ка- витационном модуле определяется по формуле

2 ( РНХ Рк )

/С2

/ VB X2

где Рвх и VBX - давление, МПа, и скорость жидкой фазы перед дополнительным кави- тационным модулем, м/с;

Рк - давление в кавитационной каверне, обусловленное гидродинамикой истечения струи, из сопла и объемом эжектируемого воздуха, МПа.

На фиг.1 изображено устройство для осуществления способа дегазации жидкости, представляющей собой водный раствор аммиака; на фиг.2 -- конструкция дополнительного кавитационного модуля.

Устройство содержит циркуляционный насос 1, трубопровод 2 с регулирующим вентилем, подводящий патрубок 3 и основной кавитационный модуль 4.

Вслед за основным кавитационным модулем 4 расположен дополнительный модуль 5, содержащий сопло 10 с острой кромкой входного сечения 11, расположенное коаксиально на входе в цилиндрический канал 12. Цилиндрический канал перфорирован и имеет длину, составляющую 14-20 его диаметров. Он заключен в камеру 13 с газоподводящим патрубком 9, сообщающимся с атмосферой для эжекции воздуха или водяного пара. Отношение площади цилиндрического канала 12 к площади выходного сечения сопла 10 составляет 3-5.

Основной кавитационный модуль 4 имеет конструкцию, аналогичную модулю 5, но в нем камера 13 снабжена газоотводящим патрубком 7, подсоединенным к вакуум-насосу 8.

Выход дополнительного кавитационного модуля 5 соединен тангенциально с резервуаром 6 низкого давления, оснащенным в верхней части газоотводом 14, а в нижней части - отводя щим патрубком 15 и вентилем 16 слива дегазированной жидкости.

Устройство работает следующим образом.

После заполнения циркуляционного контура аммиачной водой циркуляционным насосом 1 по трубопроводу и через расходный вентиль 2 и подводящий патрубок 3 жидкость подается в основной кавитационный модуль 4. Расход жидкости регулируется вентилем. В кавитационном модуле 4.

попадая в сопло 10с острой выходной кромкой 11, поток ускоряется и истекает струей в цилиндрический канал 12. У стенок цилиндрического канала 12 образуются кавитационные каверны, в которые диффундирует легкоотделяющаяся часть газа (аммиака).Так как цилиндрический канал перфорирован, то газ отсасывается вакуум-насосом 8 через газоотводящий патрубок 17 из камеры 13,

которая охватывает перфорированный цилиндрический канал 12.

В хвостовой части каверны из-за воздействия кавитации в жидкости образуются радикалы И и oVi, в результате чего показатель рН жидкости, имеющий до кавитационной обработки значение рНвх 8,5, после прохождения через основной кавитационный модуль приобретает значение рН 9,5- 10,5 в зависимости от жесткости

кавитации (мерой жесткости кавитации является число кавитации к.

После этого жидкость попадает в дополнительный кавитационный модуль 5. где при истечении ее из сопла 10 в перфорированный цилиндрический канал 12 происходит эжекция воздуха в кавитационную каверну через газоподводящий патрубок 9 и камеру 13, охватывающую цилиндрический канал 12. Воздушные пузырьки, образующиеся в хвостовой части каверны при уносе основной массы воздуха, способствуют выделению газа из жидкости до 90%, В дальнейшем дегазируемая жидкость поступает по тангенциальной в резервуар 6 низкого

давления. В результате закрутки потока пузырьки, заполненные смесью воздуха и аммиака, всплывают на поверхность и выделившийся газ удаляют через верхний газоотвод 14. Дегазированная жидкость

сливается через вентиль 16 или подается для дальнейшей дегазации на циркуляцию. Конструктивные параметры сопла 10 и цилиндрического канала 12 подобраны таким образом, чтобы удовлетворить режимные требования способа. Это прежде всего соблюдение жесткости кавитации в основном кавитационном модуле и требование эжекции 2-4 объемов воздуха на 1 объем жидкости в дополнительном кавитационном модуле.

Эти требования реализуются, когда отношение площади цилиндрического канала и площади выходного сечения сопла составляет 3-5, а длина цилиндрического канала (I)

равна 14-20 его диаметров (dr).

Уменьшение длины цилиндрического канала I менее 14 dr снижает коэффициент эжекции Uo в два раза при прочих равных условиях, а снижение Uo приводит к уменьшению степени дегазации жидкости на 30%.

Увеличение длины цилиндрического канала I 20 dr ухудшает режим работы второго кавитационного модуля и характеризуется нестабильным, скачкообразным изменением Uo в широких пределах. В примерах 4, б, 7 приведено обоснование выбора конструктивных параметров цилиндрического канала.

П р и м е р 1. 0.2 м3 аммиачной воды с концентрацией аммиака 1000 мг/л, температурой t 50°C, ff 1000 кг/м3 и рНвх 8,5 заполняют циркуляционный контур, где при помощи циркуляционного насоса 1 и расходного вентиля 2 устанавливают на входном патрубке 3 кавитационного модуля 4 скорость V8x 24,5 м/с и давление РВх 0,11 МПа(ата). Вакуум-насос 8 создает давление в камере 13 и кавитационной каверне, образующейся за соплом 10, Рк 0,02 МПа (эта).

Происходит отсос легкоотделяющейся части аммиака и кавитационная обработка жидкости при числах к 0,3. Показатель рН жидкости, имеющий на входе в первый ка- витационный модуль рНех 8,5. повышается на его выходе до значения рНвых 10,5. При прохождении жидкости через дополнительный кавитационный модуль при той же скорости и давлении, что и у основного модуля, происходит эжекция воздуха через патрубок 9 с коэффициентом U0 - 1. Давление в камере 13, а следовательно, и в кавитационной каверне, образующейся в цилиндрическом канале 12, составляет 0,07 МПа (эта). Происходит обработка жидкости на режиме искусственной кавитации при ,13. Этот режим осуществляется при отношении площади цилиндрического канала к площади выходного сечения сопла di /dc - 2. Затем поток закручивается и дегазируется в резервуаре 6 низкого давления. Дегазированная вода сливается через вентиль 16. Степень дегазации аммиачной воды составляет 65% dr2/dc2 2.

П р и м е р 2. Аналогично примеру 1 параметры технологического режима следующие: VBX VBX -- 23,4 м/с; Рвх 0,13 МПа; Рк 0,02 МПа; к 0,4; рНвх 8,5; рН„ых 10,5; Рк 0,073 МПа- РЦ 0,13 МПа; U0 2. кг 0,2; N 0,09 кВт.ч/м3.

Степень дегазации аммиачной воды 90%,dr2/dc2 3.

П р и м е р 3. Аналогично примеру 1 параметры технологического режима были следующие: VBX VBX 20 м/с; РВх Рвх 0,15 МПа; Рк - 0,02 МПа; к 0.75; рНвх

8,5; рНвых 10; Рк 0,08 МПа; U0 3; KT 0,35; N 0,065 кВт,ч/м3,

Степень дегазации аммиачной воды 93% при конструктивных параметрах dr2/dc2 4.

П р и м е р 4. Аналогично примеру 1 параметры технологического режима следующие: VBX VBX 8м/с; Рвх Рвх 0,19 МПа; Рк 0,02 МПа; «ч 1; рНвх 8,5; рНвь.х 9,5; Рк 0,08 МПа; U0 4; кг 0,6; N 0,05 кВт «ч/м3.

Степень дегазации аммиачной воды 93% npHdr2/dc2 5.

П р и м е р 5. Аналогично примеру 1 параметры технологического режима следующие: VBX VB X 15м/с; Рвх Рвх 0,2 МПа; рНвх 8,5; Рк 0,02 МПа; к 1,6; рНвых 9; Рк 0,09 МПа; U0 5; кг 1; N 0,05 кВт.ч/м3. Степень дегазации аммиачной воды 70% из-за низкого рНвых 9, dr2/dc2 6.

Примере. Режимные параметры аналогичны примеру 4: VBx VB x 18 м/с; Рвх Рвх 0,19 МПа; Рк 0,02 МПа; л 1; рНВх8,5;рНвых 9,5.

Уменьшаем длину цилиндрического канала I - 13 dr; Uo 2; Рк 0,073 МПа и кг 0,7. Степень дегазации аммиачной воды составила 63%.

П р и м е р 7. Режимные параметры аналогичны примеру 4, а длина цилиндриче- ского канала 1 21 dr. Наблюдается скачкообразное изменение коэффициента эжекции Uo в пределах 0,6-1,5. В этом случае HI 0,86-0,73. Степень дегазации амми- ачной воды составила..50%. Удельный расход энергии составил N 0,2 кВт ч/м3.

Таким образом, оптимальными режимами работы по степени дегазации аммиачной воды и удельным энергетическим затратам

являются режимы, описанные в примерах

2-4, которые реализуются в устройстве с длиной цилиндрического канала, равной 14-20 его диаметров, при отношении его площади к площади выходного сопла

dr2/dc2 3-5.

Сравнение технико-экономических показателей прототипа и предлагаемого способа приведено в табл.1 (начальное содержание аммиака в сточной воде

ЮОО мг/л).

Режимные и расчетные показатели работы технологической схемы способа дегазации жидкости от аммиака приведены в табл.2 и 3.

Формула изобретения 1. Способ дегазации жидкости, включающий создание в потоке режима кавитации за счет его сужения и расширения, после

чего производят закрутку потока, отличающийся тем, что, с целью повышения степени дегазации, режим кавитации осуществляют в диапазоне 0,4-1,0 при вакуумном отсосе, а затем в диапазоне ,2-0,6 при эжекции воздуха или водяного пара, где к - число кавитаций.

2. Устройство для дегазации жидкости, включающее кавитационный модуль, состоящий из подводящего и отводящего жидкость патрубков, сужающе-расширяющего насадка и цилиндрического канала, соединенного с резервуаром низкого давления тангенциально, отличающееся тем. что, с целью повышения степени дегазации, оно снабжено дополнительным кавитацион- ным модулем, установленным после основного модуля перед резервуаром низкого давления, при этом основной модуль соединен с вакуум-насосом посредством газоот- водящего патрубка, а дополнительный

модуль соединен с атмосферой посредством газоподводящего патрубка.

3.Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что цилиндрический канал основного и дополнительного модулей выполнен перфорированным и снабжен охватывающей его камерой, при этом камера основного модуля выполнена вакуумной и соединена с газоотводящим патрубком, а

камера дополнительного модуля соединена с газоподводящим патрубком.

4.Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что насадок основного и дополнительного модулей выполнен в виде сопла с

острой кромкой выходного сечения, расположенного коаксиально цилиндрическому каналу, длина которого равна 14-20 его диаметра.

5.Устройство по пп.2 и 4, отличаю- щ е е с я тем, что отношение площади цилиндрического канала и площади выходного сечения сопла составляет 3-5.

Т а блица 1

Сущность изобретения: дегазация жидкости осуществляется путем создания в потоке режима кавитации за счет его сужения и расширения. Режим кавитации осуществляют в диапазоне /с 0,4-1,0 при вакуумном отсосе, а затем в диапазоне к 0,2-0,6 при эжекции воздуха или водяного пара, где/с- число кавитаций. Устройство для дегазации включает основной и дополнительный модули, состоящие из подводящего и отводящего патрубков, сужающе-расширяющего насадка и цилиндри еского канала, соединенного с резервуаром низкого давления тангенциально. Основной модуль соединен с вакуум-насосом посредством газоотводя- щего патрубка, а дополнительный модуль соединен с атмосферой посредством газо- подводящего патрубка. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

П р и м е ч а н и «. Исходные параметры: рН(,.5; мг/л;р 1000 кг/м°. Коэффициент эжекции, равный отношению объема эжектируемого воздуха к объему жидкости, проходящей через кавитационный модуль.

Воздух

Фиг.1

ТаблицаЗ

отсос газа ju

С/1 и в

с..

Ю воздух 7 &

cmortf

L

. йыход стока