Устройство для контакта газа с жидкостью

Предложенное устройство относится к таким, которые используются для проведения процессов смешения жидкости с газом, а также их химического взаимодействия. Оно может быть использовано в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, пищевой, фармацевтической промышленности и в биологии. Смесительное устройство содержит корпус, инжекционную камеру, распылитель жидкости, два соосно установленных смесителя, выполненных в виде вертикальных труб (внутренняя и внешняя), диспергаторы (верхний и нижний), расположенные перпендикулярно к оси трубы. Установкой дополнительного смесителя и диспергирующего поток диска (верхнего диспергатора) с загнутыми лопатками достигается увеличение межфазной поверхности и времени контакта газа с жидкостью, а также организации процесса пеногашения.

Полезная модель относится к устройствам, которые используются для проведения процессов смешения жидкости с газом, а также их химического взаимодействия. Оно может быть использовано в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, пищевой, фармацевтической, микробиологической и металлургической промышленности.

С целью интенсификации процесса смешения фаз используют попеременное изменение формы и направления потока, удар потока о твердые преграды - отбойники, закручивание, взаимную эжекцию и инверсию фаз, наложение пульсаций, эффективное распыливание жидкости.

Известно устройство, в котором используются многие из этих методов интенсификации [авт. свид. СССР 1263330 (МКП B01F 5/04)]. В этом устройстве для интенсификации массообменного процесса путем увеличения поверхности контакта фаз и скорости ее обновления устанавливаются четыре дополнительных смесителя в горизонтальной плоскости. Недостатком такого устройства является сложность конструкции, значительное увеличение давления и расхода жидкости, которая подается на пять смесителей. Кроме того, в коротких смесителях не происходит инверсии фаз.

Известно множество смесителей, в которых энергия на перемешивание подводится в форме гидравлической энергии самих смешиваемых потоков жидкостей. Подвод энергии в потоки, выполняемый насосами, смонтированными в удобном месте производственной установки, отсутствие подвижных элементов в самом смесителе, технически упрощает проведение технологического процесса смешения.

Физически, принцип действия таких смесителей заключается в создании высоких напряжений сдвига в потоке жидкостей посредствам закручивания потока с помощью турбулизирующих вставок. Закручивание потока может осуществляться ленточными завихрителями [Патент США 3949970, Патент Франции 2301281], тангенциальным подводом потока жидкости [авт. свид. СССР 1487961, (МКП В01F 5/00)], лопастными закручивателями [Антуфьев В.М., Веденеев В.А. - Хим. и нефт. машиностроение, 1974, 1, с.16-18.].

С целью эффективного распыливания жидкости широко используются механические распылители [Пажи Д.Г., Гаустов B.C. Распылители жидкостей. - М.: Химия, 1979, с.109-138]. Принцип действия механических распылителей с непосредственной подачей жидкости на распыливающий элемент заключается в том, что жидкость самотеком или под некоторым избыточным давлением подается на рабочий элемент, растекается по нему и распыливается.

Достоинством дисковых распылителей являются: возможность регулирования производительности в диапазоне ±50% без заметного изменения дисперсности; возможность работы на загрязненных и высоковязких жидкостях; сравнительная простота выполнения защиты от абразивного износа.

Наиболее близким конструктивным аналогом является аэрирующее устройство [авт. свид. СССР 593723 (МКП B01F 5/04)], которое примем в качестве прототипа. Аэрирующее устройство содержит корпус, распылитель жидкости, смеситель, выполненный в виде вертикальной трубы, диспергатор, расположенный перпендикулярно к оси трубы.

Жидкость под давлением подается в распылитель и распыливается, создавая скоростной поток. Скоростной поток распыленной жидкости создает разряжение в инжекционной камере, позволяющее засасывать газовую фазу внутрь смесителя. В смесителе происходит первая фаза контакта жидкости и газа, обусловленная развитой поверхностью распыленной жидкости. На выходе из смесителя газожидкостная смесь диспергируется, образуя тонкую дисперсию, обуславливающую вторую стадию контакта фаз.

Недостатком прототипа является неэффективное использование объема корпуса аппарата при существующих возможностях интенсификации происходящего массообменного процесса, а также образование в некоторых случаях значительного слоя пены на поверхности жидкости, что приводит к проникновению этой пены в патрубок для выхода газа.

Задача предлагаемой полезной модели: интенсификация процесса смешения путем увеличения поверхности контакта фаз, скорости ее обновления и рост объема насыщенного в единицу времени газа за счет установки внешней относительно существующего смесителя трубы и диспергирующего поток диска (верхний диспергатор) с загнутыми лопатками.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для контакта газа с жидкостью содержит корпус 1, инжекционную камеру 2, распылитель жидкости 3, два соосно установленных смесителя 4 и 5, выполненных в виде вертикальных труб (внутренняя и внешняя короткая), диспергаторы 6 (нижний) и 7 (верхний), расположенные перпендикулярно к оси трубы. Диспергатор 5 устанавливается над реакционным объемом, имеет загнутые лопатки 8 и крепится неподвижно к трубе 4.

На фиг.1, 2 изображено предложенное устройство для контакта газа с жидкостью.

Устройство работает следующим образом.

Жидкость под давлением подается в распылитель жидкости 3, распыливается и засасывает газ, поступающий в инжекционную камеру 2. Образовавшаяся газожидкостная смесь проходит через смеситель 4 и через кольцевое пространство между смесителями 4 и 5, причем по смесителю 4 проходит большая часть потока (более 70% образовавшейся газожидкостной смеси). В смесителях происходит первая фаза контакта жидкости и газа, обусловленная развитой поверхностью распыленной жидкости. В зависимости от режима работы смесителя, его геометрических параметров и перепада давления на распылителе, в смесителе может образовываться газожидкостный двухфазный поток с различным соотношением жидкости и газа. Двухфазный поток может быть с дисперсной жидкой, либо газовой фазой. При определенных условиях может происходить инверсия фаз в самом смесителе, и газовая фаза становится дисперсной. Подобный режим работы наиболее эффективен ввиду того, что в момент инверсии наблюдается наибольшее значение коэффициента массопередачи.

При выходе из смесителя 4 газожидкостный поток с большой скоростью ударяется в диспергатор 6. При ударе газожидкостного потока о диспергатор газовые пузырьки дробятся. Происходит вторая стадия контакта газа с жидкостью. Затем пузырьки газа поднимаются вверх и удаляются через патрубок для выхода газа.

Выходящий с большой скоростью из кольцевого сечения между смесителями 4 и 5 газожидкостный поток ударяется о диспергатор 7, представляющий собой диск с загнутыми лопатками. При ударе газожидкостный поток дробится. При этом газовый поток поднимается вверх к выходному патрубку. Жидкость за счет загнутых лопаток распыливается веером над реакционным объемом и контактирует с газом выходящим из реакционного объема, тем самым, увеличивая время контакта основной массы газа с жидкостью. Затем капли жидкости падают на слой пены, образующейся над реакционным объемом, разрушая его.

1. Устройство для контакта газа с жидкостью, содержащее корпус, инжекционную камеру, распылитель, смеситель, выполненный в виде соосно установленной трубы, направленной вертикально вниз, диспергатор, перпендикулярный к оси трубы, отличающееся тем, что устанавливается дополнительный внешний смеситель, соосный с уже существующим и создающий с ним кольцевое пространство для движения газожидкостного потока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что над реакционным объемом устанавливается верхний диспергатор с загнутыми лопастями для дробления газожидкостного потока и распыливания жидкости.