CS246731B1 - Směšovač kapalina — plyn - Google Patents

Abstract

Směšovač kapalina — plyn spočívající v tom, že sestává z jedné nebo více mezikruhových kapalinových trysek v tělese o roztečných kružnicích se společnou osou, jež je rovněž osou nejméně jednoho resonátoru tvaru trubice s břity kruhového tvaru o průměru, který je roven průměru roztečné kružnice nebo kružnic mezikruhové kapalinové trysky nebo mezikruhových kapalinových trysek, kterýžto resonátor je umístěn uvnitř směšovací komory, přičemž dále obsahuje nejméně dva systémy přívodů plynu, uspořádaných soustředně okolo osy, přičemž jeden z přívodů plynu je vyústěn uvnitř plochy vymezené roztečnou kružnicí mezikruhové kapalinové trysky a ostatní přívody plynu jsou vyústěny uvnitř plochy vymezené roztečnou kružnicí o menším průměru a roztečnou kružnicí o větším průměru mezikruhových zbývajících kapalinových trysek. Zařízení podle vynálezu lze použít v poloprovozním a průmyslovém měřítku jako směšovač kapalina — plyn všude tam, kde je při této operaci rozptýlení plynu v kapalině nutné velké mezifázové rozhraní, stálé rozrušování tohoto rozhraní, případně tlak a teplota, ale i v případech pouhé aerace či napěňování.

Description

Zařízení podle vynálezu lze použít v poloprovozním a průmyslovém měřítku jako směšovač kapalina — plyn všude tam, kde je při této operaci rozptýlení plynu v kapalině nutné velké mezifázové rozhraní, stálé rozrušování tohoto rozhraní, případně tlak a teplota, ale i v případech pouhé aerace či napěňování.

Vynález se týká směšovače kapalina — plyn v laboratorní a průmyslové praxi.

V operacích za účasti plynů a kapalin závisí výsledek, ale i průběh operace nejenom na druhu reakčních složek, tj. na druhu kapalin, plynů, podmínkách reakce, například teplotě a tlaku, ale i na způsobu, jakým jsou plyn či plyny vpravovány do kapaliny či směsi kapalin, nebo obráceně, jakým způsobem je kapalina v plynu rozptylována.

Je snahou, aby v průběhu některých operací byla styčná plocha, tzv. fázové rozhraní, mezi kapalinou a plynem co největší a přitom, aby se toto rozhraní neustále obnovovalo, tj., aby se v průběhu reakce stýkal stále dosud nezreagovaný plyn a nezreagovaná kapalina. Jinými slovy, je třeba dosáhnout co nejdokonalejšího rozptýlení jedné reakční složky v druhé, přičemž i za tohoto rozptýlení je nutno obě reakční složky míchat. K tomuto rozptýlení a míchání je třeba určitého množství energie.

Z hlediska minimalizace této energie a dokonalosti rozptýlení jedné složky v druhé a jednoduchosti zařízení patří k nejméně náročným zařízením ejektor, jinak Venturiho trubice, která přisává plynnou složku reakce prouděním kapalné složky tryskou. Účinnost ejektoru je přitom chápána nejen jako dosažení co největšího množství přisávaného plynu na jednotku proteklého množství kapaliny při minimalizaci spotřebované energie nutné k jejímu urychlení a protlačení tryskou, tj. účinnost mechanickou, ale je sledována účinnost, která závisí např. na velikosti vznikajících bublin, obnovování jejich reakčního povrchu, na průchodu bublin prostorem s kapalinou atp.

V literatuře (např. Hibš Miroslav: Proudové přístroje, SNTL 1981, Praha) je uváděno, že přisávání plynu proudící kapalinou je způsobováno vznikem směšovacích vírů, které jako by zahalovaly plyn na rozhraní proudu kapaliny vycházející z trysky a plynu.

V patentové literatuře je uváděna řada způsobů, jimiž lze dosáhnout zvýšení počtu a účinnosti směšovacích vírů a tím zvýšení mechanické účinnosti ejektoru. Všechny tyto způsoby přinášejí dosud nevýznamné zvýšení takto chápané účinnosti.

Jako zdroj ultrazvuku jsou dosud převážně používána zařízení využívající piezoelektrický jev, u nichž však lze dosáhnout jen omezeného výkonu, ale jsou známy zdroje mechanické či hydrodynamické, u nichž toto omezení neplatí.

Jedním z nejmohutnějších zdrojů ultrazvuku s vysokou účinností je hydrodynamický generátor s prstencovou tryskou a trubkovým resonátorem (čs. pat. č. 89 508: Emulgační zařízení na způsob kapalinové píšťaly).

Zařízení podle vynálezu navazuje na výše zmíněné poznatky, vhodně je spojuje v jedno jediné jednoduché zařízení, přičemž dosahuje násobného účinku.

Podstatou zařízení podle vynálezu je to, že obsahuje jednu nebo více mezikruhových kapalinových trysek v jednom tělese o roztečných kružnicích, které mají společnou osu. Tato osa je i společnou osou nejméně jednoho resonátoru tvaru trubice s břity kruhového tvaru o průměru, který je roven průměru roztečné kružnice, či kružnic mezikruhové kapalinové trysky, či mezikruhových kapalinových trysek, kterýžto resonátor je umístěn uvnitř směšovací komory. Dále obsahuje alespoň dva systémy přívodů plynu, které jsou rozmístěny soustředně okolo zmíněné osy mezikruhových kapalinových trysek. Jeden z přívodů plynu je přitom vyústěn uvnitř plochy, vymezené roztečnou kružnicí nejmenší z mezikruhových kapalinových trysek a ostatní přívody plynu jsou vždy vyústěny v ploše vymezené roztečnou kružnicí mezikruhové kapalinové trysky s větším průměrem a roztečnou kružnicí mezikruhové kapalinové trysky s menším průměrem.

Jestliže je mezikruhových kapalinových trysek více, může být největší z nich uzpůsobena tak, že její větší průměr je shodný s vnitřním průměrem směšovací komory.

Mezikruhové kapalinové trysky a přívody plynu jsou přitom uzpůsobeny tak, že jsou si rovny jejich plochy průřezu nebo· vždy ty, které jsou vzdálenější od osy, tj. mají větší průměr, mají plochu průřezu větší než ty, které jsou ose blíže, tedy mají průměr menší.

Plocha průřezu daná vnitřním průměrem resonátoru je přitom rovna nebo je nanejvýš 5krát menší než plocha průřezu daného vnějším průměrem resonátoru menšího a vnitřním průměrem resonátoru většího, resp. plocha průřezu daného vnějším průměrem resonátoru a vnitřním průměrem směšovací komory.

Délka směšovací komory je přitom rovna, nebo je větší než délka delšího z resonátorů. Směšovací komora může být přitom provedena bud z plného materiálu, nebo může být opatřena dírami kruhového nebo jiného tvaru.

Resonátor přitom může být upevněn bud do stěny směšovací komory, nebo prostřednictvím objímek nasazených na táhla, do tělesa zařízení.

Směšovací komora, do jejíž stěny je upevněn resonátor, je přitom posuvná vůči tělesu zařízení, v němž jsou vytvořeny mezikruhové kapalinové trysky, a to bud prostřednictvím závitu vytvořeného na tělese a směšovací komoře, nebo prostřednictvím systému přítažných a odtlačných šroubů. Válcové vedení v obou případech zajišťuje osový posun směšovací komory a tím i resonátoru.

Zařízením podle vynálezu se dosahuje kumulací řady účinků konstrukčně a výrobně jednoduchých prostředků vysoké mechanic248731 ké účinnosti, ale i účinného obnovování povrchu bublin, jejich zmenšování atp.

Použitím mezikruhové kapalinové trysky se zvětší podstatně plocha úplavu proudu kapalíny, přičemž se tento úplav stýká s plynem ve velké ploše. Proud kapaliny naráží na břity resonátoru, vytváří ultrazvukové kmity a resonátor, již jako disperze kapalina — plyn, omývá. Ultrazvuk zintenzivňuje vznik směšovacích vírů, jak přímým účinkem na proud kapaliny, která ho omývá, tak zprostředkovaně svým účinkem na materiál celého zařízení a tedy též na mezikruhovou kapalinovou trysku, ale i kapalinu a plyn před jejich výstupem z mezikruhové kapalinové trysky. Vlivem ultrazvuku se zvyšuje množství přisávaného plynu na jednotku množství proteklé kapaliny, zmenšuje se velikost vznikajících bublin a zvyšuje se jejich počet, čímž mnohonásobně roste plocha mezifázového rozhraní. Zároveň ultrazvuk, jak v plynu, tak v kapalině, jak sám o sobě, tak vlivem rozdílné rychlosti svého šíření v plynu a v kapalině, intenzívně rozrušuje povrch mezifázového rozhraní, a to i v mikroskopických bublinkách plynu rozptýleného v kapalině. Tím je docílen neustálý styk čerstvého, dosud nezreagovaného plynu s dosud .nezreagovanou kapalinou.

Vytvářený ultrazvuk působí i tak, že na mikrometrické úrovni oblastí vytváří kavitační rázy, tj. místa zředění a zhuštění hmoty a tím zvýšení tlaků a teplot. Zvýšení tlaku může přitom dosahovat vysokých hodnot až 300 MPa a snížení tlaku hodnot, při nichž dochází k samovolnému odparu kapaliny. Za přispění místního zvýšení teplot, které může být rovněž vysoké, například až 3 000 °C, dochází v těchto malých oblastech k spolupůsobení nejen mezi plynem a kapalinou, ale i mezi plynem a párami kapaliny, a to za velmi rozličných tlaků a teplot. V místních oblastech tedy dochází k tlakovým a teplotním rázům, odparu a kondenzaci a ke složitému přestupu hmoty a energie, které ovlivňují míchání obou reakčních složek, tj. plynu a kapaliny.

Místní zvýšení tlaků a teplot se přitom opakuje či střídá rychlostí odpovídající frekvenci ultrazvuku, tj. vyšší než 20 000 Hz a šíří se rychlostí odpovídající rychlosti šíření zvuku v použité kapalině a plynu.

Zařízení podle vynálezu je přitom již samo o sobě poloprovozní, vzhledem k proteklému množství kapaliny a plynu a k mohutnosti vytvářené ultrazvukové energie. Zvýšení účinku až na průmyslová měřítka přitom nečiní potíže, a to jak zvýšením rozměrů zařízení, tak zvýšením počtu mezikruhových kapalinových trysek a resonátorů v jednom zařízení nebo zvětšením počtu zařízení podle vynálezu zapojených paralelně.

Při použití většího počtu resonátorů v jednom zařízení se nejen zvýší výkon z hlediska množství proteklého plynu a kapaliny, a množství ultrazvuku generovaného dvěma resonátory, ale i kvalita účinku bude násobná. Oba resonátory lze naladit na určitý kmitočet volbou velikosti samotného resonátoru, rychlostí a množstvím kapaliny, která na břity resonátoru naráží a vzdáleností břitu od ústí mezikruhové kapalinové trysky. V případě, kdy budou resonátory naladěny na rozdílný kmitočet, vzniknou skládáním a interferencí obou kmitů intenzivněji kmitající uzly a ovlivnění reakce ultrazvukovými kmity se dále zvýší.

Zařízení podle vynálezu může být vně připojeno tak, že jakýkoliv z přívodů plynu až na jediný může být připojen na nucený přívod kapaliny či kapalin nebo může být připojen k zásobníku kapaliny či kapalin, odkud si ji sám nasává. To může být výhodné zvláště v případech, kdy přisávané kapaliny je podstatně méně a jiného druhu než kapaliny proudící hlavní mezikruhovou kapalinovou tryskou. Takové uspořádání může nahradit mnohdy složité dávkovači zařízení.

Zařízení podle vynálezu přitom zůstává velmi malé a výrobně jednoduché.

Zařízení podle vynálezu i jeho funkce v různých variantách provedení je vysvětlena na následujících obrázcích, kde znázorňuje:

obrázek 1 zařízení, nakreslené schematicky v osovém řezu, přičemž mezikruhová kapalinová tryska je jen jedna, upevnění resonátoru je provedeno šrouby s hroty a vzdálenost břitů resonátoru od mezikruhové kapalinové trysky je provedena přítažnými a odtlačnými šrouby.

obrázek 2 zařízení, rovněž schematicky v osovém řezu, v případě, kdy mezikruhové kapalinové trysky jsou dvě, resonátor je připájen a nastavení resonátoru se děje pomocí závitu a válcového vedení, obrázek 3 zařízení v osovém řezu, přičemž pravá polovina řezu je proti levé pootočena, mezikruhová kapalinová tryska je jediná, resonátor je nastavován na táhlech a směšovací komora obsahuje otvory a obrázek 4 zařízení v osovém řezu v případě, že obsahuje tři mezikruhové kapalinové trysky a dva resonátory, levá polovina řezu je proti pravé pootočena, vnitřní resonátor je nastavován na táhlech a vnější resonátor je spolu se směšovací komorou posouván pomocí závitu a válcového vedení.

Obrázek 1 znázorňuje mezikruhovou kapalinovou trysku 1 provedenou spolu s přívody 6, 8 plynu, v tělese 19 souose podle osy 7. Souose je provedena i směšovací komora 12 s vnitřním průměrem 11, přičemž resonátor 3 je vystředěn šrouby 27 tak, aby břity 4 ležely na roztečné kružnici 5, jež je středem mezikruhové kapalinové trysky

1. Vzdálenost břitu 4 od ústí mezikruhové kapalinové trysky 1 je seřiditelná přítažnými šrouby 22 a odtlačnými šrouby 23, přičemž osový pohyb při seřizování vzdálenosti resonátoru od. ústí mezikruhové kapalinové trysky 1 je zajištěn válcovým vedením 20 souosým podle osy 7. Kapalina proudí do mezikruhové kapalinové trysky 1 směrem 29, plyn do přívodů 6, 8 plynu, směrem 30. Směšovací komora 12 může být prodloužena difuzorem 33. Na obrázcích není kresleno jeho konkrétní provedení ani konkrétní provedení přívodů kapaliny a plynu. Na obrázku 1 je rovněž vyznačena délka resonátoru L_r a délka směšovací komory 12 - L_s.

Na obrázku 2 je shodné označení s obrázkem 1, avšak zařízení na tomto obrázku obsahuje dále mezikruhovou kapalinovou trysku 2 s roztečnou kružnicí 6 a průměrem 10, shodným s vnitřním průměrem 11 směšovací komory 12. Osové nastavení resonátoru 3, v tomto případě upevněného do směšovací komory 12 připájením 34, umožňuje závit 20. Souosost při přestavování a tím ladění resonátoru 3 umožňuje válcové vedení 20. Dále je znázorněna mezikruhová kapalinová trysky 2 s roztečnou kružnicí 9. Vnější průměr 10 mezikruhové kapalinové trysky 2 je shodný s vnitřním průměrem 11 směšovací komory 12.

Na obrázku 3 jsou rovněž stejná označení s vyobrazeními na obrázku 1 a 2. Navíc je zobrazeno jiné upevnění resonátoru 3 prostřednictvím táhla 17 a objímek 18, do nichž zasahuje připájení 34. Objímky jsou zajištěny v nastavené poloze resonátoru 3 vůči ústí mezikruhové kapalinové trysky 1 šrouby 28. Dále je znázorněna varianta děrované směšovací komory 12 otvory 16 kruhového, resp. jiného tvaru.

Na obrázku 4 je navíc znázorněn druhý resonátor 36, jehož břity 40 leží na roztečné kružnici 50 mezikruhové kapalinové trysky 51, která je spolu s vyústěním přívodu plynu 80 vložena mezi mezikruhovou kapalinovou trysku 1 s vyústěním přívodu plynu 8 a mezikruhovou kapalinovou trysku 2.

Funkci zařízení podle vynálezu lze nejlépe vysvětlit na nejjednodušší variantě zobrazené na obrázku 1. Proud kapaliny proudící směrem 30 vystupuje velkou rychlostí ústím mezikruhové kapalinové trysky 1, naráží na břity 4 resonátoru 3 a rozkmitává ho frekvencí vyšší než 20 000 Hz, tedy ultrazvukově. Břit 4 rozděluje vytékající proud kapaliny zhruba na dvě poloviny, z nichž jedna proudí vnitřkem resonátoru 3, který působí pro tento díl proudu jako směšovací komora. Vnější polovina proudu kapaliny obtéká resonátor 3 z vnějšku v mezikruží daném vnějším průměrem resonátoru 3 a vnitřním průměrem 11 směšovací komory 12. Ejektorovým efektem je do tzv. směšovacích vírů, vzniklých na rozhraní proudu kapaliny a plynu a ovlivněných ultrazvukem, vzniklým na resonátoru 3, přisáván plyn z přívodů 6, 8 plynu. Na směšovací komoru 12 může být nasazen difuzor 33 měnící rychlostní energii na tlakovou. Upevnění resonátoru 3 a regulace vzdálenosti jeho břitů 4 od ústí mezikruhové kapalinové trysky 1 je zřejmý. Mezi hroty šroubů 27 je upevněn a nastaven resonátor 3, směšovací komora 12 spolu s resonátorem 3 je nastavována pomocí přítažných šroubů 22 a odtlačných šroubů 23. Centrické posouvání zabezpečuje válcové vedení 20 vytvořené na tělese 19 a směšovací komoře 12.

Na obrázku 2 proudí navíc kapalina mezikruhovou kapalinovou tryskou 2 směrem 30 podél stěny směšovací komory 12. Po určité vzdálenosti se rovněž rozpadá na směšovací víry, které rovněž ovlivněny ultrazvukem přisávají plyn. Resonátor 3 spolu s připájením 34 a směšovací komorou 12 je osově posouván pomocí závitu 21 souosost tohoto posuvu zajišťuje válcové vedení 20.

Funkci zařízení podle obrázku 4 není nutno podrobně vysvětlovat. Jde vlastně o kombinaci popsaného příkladu podle obrázku 1 a obrázku 2. Z tohoto obrázku je zřejmé, že v případě nutnosti lze zvýšit výkon zařízení jak zvýšením geometrických rozměrů, tak zvýšením počtu mezikruhových kapalinových trysek 1, 51, 9 přívodů 6, 8, 80 plynu nebo i resonátorů 3, 36.

Zařízení podle vynálezu lze použít v poloprovozním a průmyslovém měřítku jako směšovač kapalina — plyn, všude tam, kde je při této operaci rozptýlení plynu v kapalině nutné, velké mezifázové rozhraní, stálé rozrušování tohoto rozhraní, případně tlak a teplota, ale i v případech pouhé aerace či napěňování.

Claims (12)

1. Směšovač kapalina — plyn vyznačený tím, že sestává z jedné nebo více mezikruhových kapalinových trysek (1, 2, 51) v tělese (19) o roztečných kružnicích (5, 9, 50) se společnou osou (7), jež je rovněž osou (7) nejméně jednoho resonátoru (3, 36) tvaru trubice s břity (4, 40) kruhového tvaru o průměru, který je roven průměru roztečné kružnice (5) nebo kružnic (5, 50, 9) mezikruhové kapalinové trysky (lj nebo mezikruhových kapalinových trysek (1, 51, 2), kterýžto resonátor (3, 36) je umístěn uvnitř směšovací komory (12), přičemž dále obsahuje nejméně dva systémy přívodů (6, 8, 80} plynu, uspořádaných soustředně okolo osy (7), přičemž jeden z přívodů (6) plynu je vyústěn uvnitř plochy vymezené roztečnou kružnicí (5) mezikruhové kapalinové trysky (1) a ostatní přívody (8, 80) plynu jsou vyústěny uvnitř plochy vymezené roztečnou kružnicí (5, 50) o menším průměru a roztečnou kružnicí (50, 9) o větším průměru mezikruhových zbývajících kapalinových trysek (51, 2).

2. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že v případě, kdy obsahuje více mezikruhových kapalinových trysek (1, 51, 2), je větší průměr (10) mezikruhové kapalinavé trysky (2) o největší roztečné kružnici (9) ze všech ostatních roztečných kružnic (5, 50) s výhodou roven vnitřnímu průměru (11) směšovací komory (12).

3. Zařízení podle bodů 1 a 2, vyznačené tím, že plocha průřezu přívodu (80) plynu je rovna nebo větší než plocha průřezu přívodu (8) plynu a tato plocha je rovna nebo větší než plocha přívodu (6) plynu.

4. Zařízení podle bodů 1 až 3, vyznačené tím, že plocha průřezu mezikruhové kapalinové trysky (2) je rovna nebo větší než plocha průřezu mezikruhové kapalinové trysky (51) a tato plocha je rovna nebo větVYNÁLEZU ší než plocha průřezu mezikruhové kapalinové trysky (1).

5. Zařízení podle bodů 1 až 4, vyznačené tím, že poměr plochy průřezu vymezeného vnitřním průměrem (11) směšovací komory (12) a vnějším průměrem resonátoru (36 j k ploše průřezu vymezeného vnitřním průměrem resonátoru (36) a vnějším průměrem resonátoru (3) je menší než 5 a poměr průřezu vymezeného vnitřním průměrem resonátoru (36) a vnějším průměrem resonátoru (3) k ploše průřezu vymezeného vnitřním průměrem resonátoru (3) je rovněž menší než 5.

6. Zařízení podle bodů 1 až 5, vyznačené tím, že délka (LJ směšovací komory (12) je rovna nebo větší než délka (LJ delšího z resonátorů (3, 36).

7. Zařízení podle bodů 1 až 6, vyznačené tím, že směšovací komora (12) je z plného materiálu.

8. Zařízení podle bodů 1 až 6, vyznačené tím, že směšovací komora (12) obsahuje otvory (16) kruhového nebo jiného tvaru.

9. Zařízení podle bodů 1 až 8, vyznačené tím, že resonátor (3) nebo (36) je upevněn do stěny směšovací komory (12).

10. Zařízení podle bodů 1 až 8 vyznačené tím, že resonátor (3) nebo (36) je upevněn prostřednictvím táhel (17) a objímek (18) do tělesa (19).

11. Zařízení podle bodů 1 až 9, vyznačené tím, že směšovací komora (12) je posuvně upevněna na tělese (19), prostřednictvím válcového vedení (20) a závitu (21).

12. Zařízení podle bodů 1 až 9, vyznačené tím, že směšovací komora (12) je posuvně upevněna na tělese (19), prostřednictvím válcového vedení (20) a přítažných šroubů (22) a odtlačných šroubů (23).