HUH3847A

HUH3847A - Berendezés gáz oldására folyadékokban

Info

Publication number: HUH3847A
Application number: HU9501272A
Authority: HU
Inventors: Godfrey Brian Pickworth; Michael Jack Race
Original assignee: The Boc Group Plc.
Priority date: 1994-05-04
Filing date: 1995-05-03
Publication date: 1998-03-30
Also published as: AU705492B2; PL308456A1; AU1641795A; CZ103895A3; HU9501272D0; ZA953513B; GB9408816D0; PL177153B1; EP0680779A1; SK46795A3

Description

A találmány tárgya berendezés gáz oldására folyadékokban, elsősorban ultrahang használatával.

A jelenleg ismert eljárások, amelyek gáznak folyadékbán történő oldására vonatkoznak, pl. a BOC Group plc jól ismert VITÖX rendszerét alkalmazzák. Ez a rendszer egy Venturi-csövet tartalmaz, amelyen átvezetik az oxigénezni kívánt folyadékot, és amelynek torkolati szakaszán sok kis lyuk van kialakítva, amelyeken keresztül az oxigént bevezetik a folyadékba. Az oxigén az áramlás irányában a Venturi-cső után szétterjed a folyadékban, és így megtörténik a folyadék oxigénezése.

Ismeretes, hogy minél kisebbek a buborékok, annál gyorsabb és teljesebb az oldódás. Azonban a jelenleg ismert buborékos rendszerek szinte kizárólag mechanikus berendezések, amelyek egyike sem alkalmas - nagymértékű, és ezért gazdaságtalan teljesítményfelvétel nélkül - a kívánatosán kis méretű buborékok előállítására.

Célunk a találmánnyal a fent említett ismert megoldások hátrányainak kiküszöbölése, és egy olyan berendezés létrehozása gáz oldására folyadékokban, amely ultrahanggal szakítja szét a buborékokat olyan méretű buborékokra, amelyek már alkalmasabbak a gáz léynegében teljes feloldására a folyadékban.

Ennek megfelelően a gáznak folyadékban történő oldására szolgáló találmány szerinti berendezés lényege, hogy a folyadékot áramoltató csővezetéket, a csővezetékben áramló folyadékba • · • · ·· ··· · • · a,¹ gáz—buborékok alakj ábon adagoló eszközt, célszerűen a csővezetékbe torkolló, vagy az annak falában levő lyukhoz csatlakozó gázvezető csövet; ultrahangot előállító ultrahang-generátort, és az ultrahangot a csővezetékben áramló folyadékba irányító és a bu borékokat hanggal gerjesztett kavitációval a folyadékban köny nyebben oldódó kisebb buborékokra hasító eszközt tartalmaz.

Előnyösen az ultrahang-generátor frekvenciája megfelel a feloldandó buborékok rezonanciafrekvenciájának, vagy nagyobb annál.

Célszerűen az ultrahang-generátor egy piezoelektromos eszköz.

Előnyösen az ultrahangot irányító eszköz az ultrahangot a csővezeték belsejének egy adott pontjára fókuszáló hangtölcsért tartalmaz. Egy előnyös kiviteli alaknál az ultrahangot irányító eszköz az ultrahangot a csővezetékre és az abban fennálló folyadékáramra lényegében keresztben irányító eszközként van kialakítva.

Egy másik kiviteli alaknál az ultrahangot irányító eszköz az ultrahangot lényegében a csővezeték mentén, az abban fennálló folyadékáram irányában vagy azzal szemben irányító eszközként van kialakítva.

Célszerű továbbá, ha a csővezetékben áramló folya“ , ϊ 0' dókban turbulenciát keltő, a gáz'^oldódását a folyadékban elősegítő turbulenciagenerátort tartalmaz a berendezés.

• · · • · ·· ····

Egy másik előnyös kiviteli alaknál az ultrahang-generátor az ultrahangnak az áramlás irányában a gázadagoló eszköz előtt, után vagy a gázadagoló eszköznél történő bevezetésére alkalmasan van elhely ezve.

Egy további kiviteli példa szerint a berendezésnek a gáz/folyadék keveréket eloszlató, a gázbuborékok oldódását a folyadékban elősegítő, önmagában ismert diffuzora van. Amint ismeretes, a diffuzor olyan szerkezet, amely a folyadékáram kinetikai energiájának egy részét nyomási energiává alakítja, amely rendszerint fokozatosan növekszik az áramlási keresztmetszet tartományában. Ez az energia-átalakítás megkönnyíti a gázbuborékok további beoldódását a folyadékba; a diffuzor kialakítható például a folyadékáramlás irány ányába fokozatosan kiszélesedő csőszakaszként, vagy expanziós járatokat alkotó lapátok formájában.

A berendezés előnyösen a csővezetékben a folyadékáramot átvezető Venturi-csövet tartalmaz.

A berendezés egy további kiviteli alakja a gáz/folyadék keverékét a csővezetékből a gázt'*'tovább oldó nagy térfogatú folyadékba bevezető ejektort vagy fúvókát tartalmaz.

A találmány tárgyát a továbbiakban kiviteli példa és rajzok alapján ismertetjük részletesebben. A rajzokon az 1-3. ábra

4-7. ábra a 8. ábra a találmány szerinti berendezés három változata metszetben;

egy'(buborék szétszakadása ultrahang hatására a ta lálmány szerinti berendezésben;

a különböző méretü\buborékok felületi energiáját tartalmazó táblázat

A gáznak- folyadékban történő oldására szolgáló találmány szerinti berendezés, amelyet elsősorban az 1. ábra alapján Írunk le, a folyadékot átáramoltató 12 csővezetéket, egy gázadagoló eszközt, amely a 12 csővezetékbe benyúló /1. ábra/, vagy annak 18 falában levő egy vagy több 16 lyukban végződő /2. és 3. ábra/ 14 gázhevezető csőként van kialakítva, és egy 20 ultrahang-generátort tartalmaz, amely például piezoelektromos átalakítóként van kialakítva.

A további kiviteli alakok-

nál ez a generátor magnetosztatikus átalakítóként, elektrosztatikus átalakítóként vagy valamilyen más mechanikus készülékként, pl. Galton-sípként, Hartmann-generátorként vagy Janovski-Pohlman-sípként is megvalósítható. Az ultrahangot irányító eszköz lehet maga a 20 ultrahang-generátor vagy a 24 fókuszáló eszköz',^amely az előállított ultrahangot a csővezeték belsejében levő kívánt p^íra irányítja. A 24 fókuszáló eszköz lehet egy elkeskenyedő .hangtölcsér, amelynek szélesed 24a vége veszi az ultrahangjelet, ez végighalad a tölcsérszerűen elkeskenyedő 24b szakaszon a keskenyebb 24c adóvég felé, amely az ultrahangot kisugározza a kívánt irányba.

A 20 ultrahang-generátor a feloldandó/gázbuborékok rezonafrekvenciájának megfelelő, vagy annál nagyobb frekvenciájú ultrahangot állít elő. A gyakorlatban a 2O-53kHz frekvenciájú ultrahangok megfelelőek a kívánt méretű/gázbuborékok létrehozására a legtöbb vizes rendszerben, azonban sók vagy szerves anyagok jelenléte esetén ettől eltérő frekvencia is szükséges lehet. A ténylegesen használt frekvenciát úgy választjuk ki, hogy maximális legyen a tömegátvitel; ez a frekvencia pl. a folyadék sűrűségétől, viszkozitásától és hőmérsékletétől valamint a mozgásállapottól, a jelen levő semleges vagy szerves kompozícióktól, továbbá a maximális tömegátvitel eléréséhez szükséges gázfolyadék aránytól függ. A gyakorlatban a megfelelő frekvencia és amplitúdó kiválasztását egyszerűen próbálgatással végezzük, amíg megfelelő eredményt kapunk.

A 24 fókuszáló eszköz úgy helyezhető el, hogy az elő• · ·

állított ultrahangot a csővezetékre keresztben vagy annak mentén irányítsa, amint az l-3.ábrákon látható, továbbá az áramlás irányában a 14 gázbevezető cső előtt, után vagy annak környezetében lehet. A 26 turbulenciagenerátor tur.*)υ bulenciát kelt a folyadékban, ami elősegíti a^'buborékok elkeveredését a folyadékban. A turbulenciagenerátor bárhol elhelyezhető a 12 csővezetékben, vagy egy kimeneti 28 fúvókával is megvalósítható.

A találmány szerinti berendezés különböző módokon valósítható meg, amelyek közül néhány látható az 1-3.ábrákon. Az l.ábra szerinti berendezés egy léynegében állandó \_z keresztmetszetű csővezetéket, a 12 csővezetéken átáramló folyadékba benyúló 14 gázbevezető csövet, az áramlás irányában a 14 gázbevezető cső előtt elhelyezett 26 turbulenciagenerátort és egy 20 ultrahang-generátort tartalmaz, amely az áramlás irányában a gázbevezetési pont után úgy van elhelyezve, hogy az ultrahangot a csővezetékre keresztben irányítja. A 28 fúvóka a csővezeték kilépő végénél hagyományos kialakítású lehet, vagy egy (nem ábrázolt) örvénykeltő elemmel látható el. Egy örvénykeltő elem egyébként a csővezeték mentén bárhol elhelyezhető. A 2.ábrán látható kiviteli alaknál a 17 Venturi-cső a 12 csővezeték részét képezi, és a gázt a Venturi-cső torokrészénél vezetjük be az áramlás irányában a 20 ultrahang-generátor előtt, amely úgy van elhelyezve, hogy a csővezetékre keresztben irányítja az ultrahangot. A 3.ábra szerinti kiviteli alak hasonlít a 2.ábrán láthatóhoz, azzal a különbséggel, hogy a 20 ultrahang-generátor az áramlás irányában a 17 Venturi-cső előtt van elhelyezve, és az ultrahangot nem a csővezetékre keresztben, hanem lényegében annak hoszszában irányítja. Az eddig leírtak alapján számos további kiviteli alak is létrehozható, és ezért a találmány semmi esetre sem korlátozódik az ábrázolt kiviteli alakokra. Cél-

szerű, ha az ultrahang-generátor minél közelebb van a csővezeték kilépő nyílásához, mivel így minimális lehetőség

X .iu?_ van arra, hogy a^buborékok még a kilépés előtt összeolvadj anak.

Ismeretes (A T S Pandit and J F Davidson Bubble

SíA)U2

Break-up in Turbulent Flow), hogy a^buborékméret megváltoztatásához szükséges energia megfelel a felületi energia változásának, azaz növekszik a felületi feszültség. Azokban a rendszerekben, ahol a folyadék víz, a viszkozitás hatása elhanyagolható. Az ultrahang egy olyan energiaforrást jelent, amely megfelelően használva lehetővé teszi a buborékméret olyan mértékű csökkentését, amely szükséges a rendszer tömegátviteli képességének lényeges megváltoztatásához. A VITOX Venturi-csővel előállítótt^buborékok átmérője kb. 1.5-2.5mm a torokmérettől függően. Az ultrahang alkalmazásával ez a méret kb. egy nagyságrenddel csökkenthető. Ha a Venturi-cső úgy van elhelyezve, és az áramlás irányában utána következő csőrendszer úgy van kialakítva, hogy dinamikus körülmények között olyan nyomásul gradiens jelentkezik, hogy aVbuborékok egyre növekvő nyomás alá kerülnek, akkor aVbuborékok mérete csökken. A

VITOX fúvókánál fellépő nyírási energia tovább segíti a^buborékok szétesését, különösen az összeolvadással keletke• · · · · · • ······

3l vjtiz '' zett nagyobb\^Zbuborékokét, úgyhogy a tartályba egy olyan

Xw — kétfázisú áramlás lép be, amelyben az átlagosVbuborékok átmérője kb. 0.15-0.25mm. Ha a keverőeszközök megfelelőül cjín ek, akkor az ilyen méretű^buborékokra nem hat a felszínre emelkedéshez elegendő felhajtóerő, és így aybuborékok gyorsan oldódnak. Ez a hatás örvénykeltő ejektor fúvókák alkalmazásával fokozható.

Az oxigén bármilyen tápnyomásához alkalmazkodni lehet a rendszer megfelelő tervezésével. így az ultrahang egyformán hatásos az atmoszférikusnál kisebb nyomású önszívó berendezésektől a nagyobb nyomású rendszerekig, pl. bemeríthető egységekig.

A berendezés hozzáigazítható azokhoz a fizikai tu lajdonságokhoz, amelyek meghatározzák az ultrahangos mechanizmus fizikai jellemzőit, és a legtöbb gáz/folyadék érintkeztető rendszerhez, pl. az ózon és víz, szén-dioxid/víz rendszerhez (bár a C0₂ kevésbé kedvező a hangcsillapítása miatt). A levegő/víz rendszerek az oxigén/víz rendszerek hez hasonlóan viselkednek. Számos szabadalom van olyan el járásokra, amelyek gázoknak folyadékban történő oldására vonatkoznak; ezek mindegyike külső energia alkalmazását igényli a folyadék mozgatásához, tipikusan szivattyú és nyomás alatti folyadékáramok alkalmazásával, amelyek a buborékok széthasításával elősegítik a bevezetett gáz feloldódását a folyadékáramban. így az ultrahang alkalmazása a fenti eljárásoknál javítja a gáz oldatba vitelét (tömegátvitelt ) .

A berendezés használatakor folyadékot, pl. vizet vagy szennyvizet áramoltatunk a 12 csővezetékben, amelybe gázt, pl. oxigént buborékoltatunk be. Ezek a buborékok az ultrahang hatására széthasadnak. Ezt a folyamatot szemléltetik a 4-7.ábrák, amelyeken az ultrahanggal besugárzott zónán keresztülhaladó buborék látható. A kezdetben nagy 30/buborék akusztikus kavitációnak van kitéve, azaz az ultrahanggal bevitt energia hatására a buborék növekszik, majd összeomlik. Bizonyos esetekben a buborékok eredeti méretüknek akár kétszeresére is kiterjednek, majd eredeti méretük felénél is kisebbre húzódnak össze. Ez úgy idézhető elő, hogy a 30(buborékot a rezonanciafrekvenciáján túli

K χτ- ultrahanggal gerjesztjük, aminek hatására a^buborék fala egyenlőtlenül gyprsul, úgyhogy a falba egy folyadéksugár ήίχι nyomul be, amely keresztülhalad a\ buborékon és azt több kisebb\buborékra hasítja szét az összehúzódás folyamán, amint a 6.és 7.ábrán ltáható. Minél szabálytalanabb a^bualakja, annál könnyebben megy végbe a széthasadás, borék mivel az egyes szabálytalan részek különösen hajlamosak arra, hogy leváljanak a szomszédos részekről. Azt tapaszΧχι faltuk, hogy a hosszúkásybuborékok könnyebben szakadnak

X szét, mint a tökéletesen gömb alakúak. Αξbuborékokra kifejtett hangnyomás nagyjából 110 decibelnek felelne meg, ha a hallható tartományba esne. A turbulencia-vagy örvénykeltő elemek a folyadék/gáz kombináció további keveredését idézik elő, a szakmában jól ismert módon, ezért ezt itt részletesebben nem írjuk le. Végül a folyadék/gáz keverék nagy tömegű folyadékba lövell be. A buborékméretnek a le-

írt tartományba történő csökkentése lényegesen csökkenti a felhajtóerőt, és ezáltal annak a lehetőségét is, hogy a

X pvbuborék a teljes feloldódás előtt a felszínre emelkedjen.

Claims

Szabadalmi igénypontok

1. Berendezés gáz oldására folyadékokban azzal jellemeze e , hogy ^folyadékot áramoltató csővezetéket /12/, a csővezetékben /12/ áramló folyadékba X gáz-buborékok^>/30/ alakjában adagoló eszközt, célszerűen a csővezetékbe /12/ torkolló, vagy az annak falában levő lyukhoz /16/ csatlakozó gázvezető csövet /14/; ultrahangot előállító ultrahang-generátort /20/; és az ultrahangot a csővezetékben /12/áramló folyadékba irányitó és apuborékokat /30/ hanggal gerjesztett kavitációval” a folyadékban könnyebben oldódó í. 3c ¹ kisebb\buborékokraYhasitó eszközt tartalmaz.

2. Az 1. igénypont szerinti berendezés azzal jellemezve, .hogy az ultrahang-generátor /20/ frekvenciája megfelel a feloldandó(buborékok /30/ rezonanciafrekvenciájának, vagy nagyobb annál.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy az ultrahang-generátor /20/ egy piezoelektromos eszköz.

4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti berendezés azzal j ellemezve, hogy az ultrahangot irányitó eszköz az ultrahangot a csővezeték /12/ belsejének egy adott pontjára fókuszáló eszköz /24/, amely egy széles végből /24a/, egy elkeskenyedő szakaszból /24b/ és egy adóvégből /24c/ álló hangtölcsért tartalmaz.

• ·

A

-z-

5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy az ultrahangot irányitó eszköz az ultrahangot a csővezetékre /12/ és az abban fennálló folyadékáramra lényegében keresztben irányító eszközként van kialakítva.

6. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy az ultrahangot irányitó eszköz az ultrahangot lényegében a csővezeték /12/ mentén, az abban fennálló folyadékáram irányában vagy azzal szemben irányitó eszközként van kialakítva.

7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy a csővezetékben /12/ áramló folyadékbán turbulenciát keltő, a gáz^oldódását a folyadékban elősegítő turbulenciagenerátort /26/ tartalmaz.

8. Az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti berendezés azzal j ellemezv e, hogy az ultrahang-generátor /20/ az áramlás irányában a gázbevezető cső /14/ előtt, után vagy a gázvezető csőnél /14/ van elhelyezve.

9. Az 1-8. igénypontok bármelyike szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy a gáz/folyadék keveréket elősz- óul — lató, a'^buborékok /30/ oldódását a folyadékban elősegitőy^diffuzort tartalmaz. ΙύΛιό'.γίι'ύ'ΛΑ H

10. Az 1-9. igénypontok bármelyike szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy a csővezetékben /12/ a folyadékáramot átvezető Venturi-csövet /17/ tartalmaz.

> YVtóAuUUA [ '1Λ F u ' Φ ή

-γί-

11. Az 1-10. igénypontok bármelyike szerinti berendezés azzal j ellemezve, hogy a gáz/folyadék keveréket a csőϋννί.ιΐΜ [Ίυ I vezetékből /12/ a gáá^ tovább oldó nagy térfogatú folyadékba bevezető ejektort vagy fúvókát /28/ tartalmaz.