NO301054B1 - Fremgangsmåte for innföring av en gass i en væske, samt anordning for samme - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for innføring av en gass i en væske ved at gass bringes i kontakt med væskestråler og derved føres inn i væsken, samt en anordning for praktisk utførelse.

Det er ofte ønskelig å innføre en gass i en væske. Ved for eksempel fiskeoppdrett kan det være ønskelig å tilføre vannet oksygen, da det er det viktig at konsentrasjonen av oksygen ikke underskrider et visst nivå. Er konsentrasjonen for lav, vil ikke fisken vokse, og ved ekstremt lave konsentrasjoner av oksygen vil fisken dø. I biologiske renseanlegg er det også ønskelig å innføre oksygen for å unngå at det oppstår anaerobe betingelser, noe som kan føre til at det dannes uønskede gasser, som for eksempel H2S. Ved nøytralisering av utslipp fra industrielle prosesser er det ofte ønskelig å innføre C02 til utslippsvæsken.

GB C 1 150 705 viser en apparatur for å bringe en gass i kontakt med en væske. Apparaturen omfatter en serie kammer hvori det er opptatt væske. Kamrene er utstyrt med hull i bunnen for innførsel av gass hvorved gassen innblandes i væsken. Apparaturen gjør ikke bruk av væskestråler som skal rive med gass.

DE C1 42 35 558 omhandler injisering av oksygen i vann som strømmer i et rør. Blandingen ledes til en form for boblekolonne hvor gass og væske føres medstrøms nedover. Kolonnen er seksjonert ved hjelp av skjermer og forsynt med hull. Hastigheten ned gjennom disse hullene er så stor at gassen ikke kan boble tilbake oppover. Derved lages en forholdsvis boblerik sone under hver skjerm. Denne løsningen fordrer at væsken pumpes eller har stor naturlig fallhøyde, og den gjør ikke bruk av væskestråler for å rive med gass.

Det er kjent flere fremgangsmåter og anordninger for innføring av gasser til væsker, bl.a. ved hjelp av væskestråler. Fra SU-175474 er det kjent et stråleluftningsapparat for øking av oksygenmetningen av større vannvolum, i for eksempel fiskedammer eller for gjennomlufting av kloakkvann. En tank fylles med vann slik at vann-nivået er 200-250 mm under enden av en innløpskanal. Vannet pumpes fra tanken og blandes med luft før vannet tilbakeføres til tanken som en vannstråle. Fra US-4.704.204 er det kjent et anlegg for innføring av oksygen til væsker ved hjelp av en vannstrålepumpe med oksygen/gass/- luftinntak. En svakhet ved anleggene ovenfor er at de krever kostbart, avansert pumpe-utstyr med høy kapasitet. Disse pumpene krever mye elektrisk energi, noe som også er kostbart. Det er også kjent fra faglitteraturen (A. K. Bin, Chem. Eng. Sei., vol. 48, 1993, pp. 3585-3630) at vannstråler gjennom luft kan brukes til lufting av drikkevann.

Dette er ikke uten videre anvendbart for andre gasser, fordi disse må holdes innenfor kontrollerte rom for ikke å forsvinne umiddelbart.

Hovedformålet ved foreliggende oppfinnelse å komme frem til en enkel, men effektiv fremgangsmåte for innføring av en gass i en væske.

Et annet formål med oppfinnelsen er å komme frem til en anordning for innføring av en gass i en væske, hvor det ikke kreves kostbart og avansert utstyr, som for eksempel pumper. Anordningen skal ikke fordre anvendelse av elektrisk kraft.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å komme frem til en anordning hvor ikke absorbert gass kan resirkuleres, slik at det oppnås en høy virkningsgrad av den tilførte gassen.

Oppfinnerne ønsket ikke å anvende pumper eller annet kostbart og avansert utstyr. De vurderte derfor hvordan dette kunne unngås, og fant da ut at selv ved anvendelse av en relativ lav fallhøyde kunne en væske danne væskestråler som ville rive med seg gass ned i en underliggende væske, og mette væsken nærmest innføringsområdet med over 100%. På denne måten utnyttes egenskaper som en væske har når den faller fra et høyere nivå til et lavere nivå, og avansert og kostbart utstyr, slik som pumper kan utelates. For å øke virkningsgraden til den anvendte gassen, fant oppfinnerne ut at det var hensiktsmessig å anvende et kammer nedstrøms for et gass/væske-kontaktkammer for å fange opp ikke-absorbert gass. Denne gassen trekkes så inn i gass/væske-kontaktkammeret og kan dermed resirkuleres. Dermed økes utnyttelsesgraden.

Fremgangsmåten anvendt ifølge oppfinnelsen utnytter som nevnt ovenfor, egenskaper som en væske har når den faller fra et høyere nivå til et lavere nivå, ved innføring av en gass til en væske. Væsken ledes inn i et første kammer, hvor det i bunnen er plassert en fordelingsplate. Væsken passerer åpningene i fordelingsplaten, slik at det dannes væskestråler. Under fordelingsplaten er det et andre kammer, et gass/væske-kontaktkammer, hvor væskestrålene bringes i kontakt med en gass. Under dette gass/væske-kontaktkammeret er væsken som skal tilføres en gass. Væskenivået over fordelingsplaten og høydeforskjellen mellom fordelingsplaten og væskeoverflaten kan være lav, for eksempel 15-50 cm. Væskestrålene utnytter væskens stillingsenergi og fallhøyden mellom fordelingsplaten og overflaten til væsken som skal mettes med gass, for å rive med seg gassen. Væskestrålene "stuper" inn i væsken under og vil på denne måten rive med seg gass inn i væsken. Hastigheten på væskestrålene er avhengig av væskenivået over fordelingsplaten. Den gassen som ikke absorberes av væsken vil stige opp til væskeoverflaten i form av gassbobler og vil da fanges opp av et tredje kammer som er plassert nedstrøms for gass/væske-kontaktkammeret. Gassen som har blitt fanget opp av det tredje kammeret trekkes inn i gass/væske-kontaktkammeret. På denne måten resirkuleres den ikke absorberte gassen, og det oppnås en bedre virkningsgrad av gassen. Utformingen av det tredje kammeret er ikke kritisk, men fordrer en viss minste distanse E for at gassboblene skal kunne stige til overflaten og fanges opp av det tredje kammeret, før væsken passerer ut i det fri.

Oppfinnelsens omfang er som definert i de tilknyttede patentkrav.

Oppfinnelsen er videre beskrevet og forklart i den etterfølgende beskrivelse av figurene og i eksemplene. Figur 1 viser sett fra siden, en anordning for innføring av en gass i en væske,

Figur 2 viser en skisse av anordningen for innføring av en gass i en væske,

Figur 3 viser en skisse av et anlegg for fiskeoppdrett,

Figur 4 viser en alternativ anordning for innføring av en gass i en væske.

I Figur 1 og 2 vises en anordning for innføring av en gass i en væske. Anordningen består av et første kammer (1) hvor en væske kan ledes inn. I bunnen av dette første kammeret er det plassert en fordelingsplate (6) med flere hull eller spalter (7). Det kan eventuelt anvendes en ramme (15) til støtte for fordelingsplaten (6). Når væsken passerer hullene/spaltene (7) dannes det væskestråler (3) i et andre kammeret (2), som er et gass/væske-kontaktkammer. I gass/væske-kontaktkammeret (2) bringes væskestrålene (3) i kontakt med en gass (4) fra en gassbeholder. Væskestrålene (3) utnytter fallhøyden mellom fordelingsplaten (6) og overflaten (11) til væsken (8) hvor gass skal innføres, for å rive med seg gassen (4) ned i den underliggende væsken (8).

Hastigheten på væskestrålene (3) er avhengig av væskenivået over fordelingsplaten (6). Gass som ikke løser seg (9) stiger opp til overflaten (11) av væsken (8) og samles her opp av et tredje kammer (5). I veggen/platen (10) mellom gass/væske-kontaktkammeret (2) og det tredje kammeret (5) er det en spalte (13). Platen (10) stikker ned i væsken for å begrense kommunikasjonen mellom kamrene (2) og (5) til spalten (13). Gass samlet opp i det tredje kammeret kan trekkes igjennom denne spalten (13) og føres inn i gass/- væske-kontaktkammeret (2), og blir på denne måten resirkulert. Utformingen av opp-fangingskammeret (5) er ikke kritisk, men fordrer en viss minste distanse E for at gassbobler skal kunne stige til overflaten hvor de kan fanges opp av det tredje kammeret, før væsken passerer ut i det fri. I det første kammeret er det montert en overløpsstuss (12), som kan brukes til å kontrollere væskenivået i det første kammeret (1) om ønskelig. Om nødvendig kan en "bleed" fra det tredje kammeret (5) anordnes på en av mange mulige måter (se for eksempel. Peny, Chemical Engineer's Handbook).

Bokstavhenvisningene i Figurene 1 og 2 betyr:

A = avstanden mellom væskeoverflaten i det første kammeret og fordelingsplaten, B = avstanden mellom fordelingsplaten og væskeoverflaten til væsken som gass

skal innføres i, i det andre kammeret (2),

C = bredden på gass/væske-kontaktkammeret

D = lengden på gass/væske-kontaktkammeret

E = lengden på det tredje kammeret, hvor gass som ikke har blitt absorbert

oppfanges.

Ved utformingen av fordelingsplatene er det foretrukket å anvende spalter fremfor hull. Dette på grunn av at spalter gir mindre trykktap og at spalter ikke tettes så lett igjen av fremmedstoff i vannet, som for eksempel løv eller lignende. Spalter vil også være enklere å stake opp hvis noe skulle ha tettet dem igjen, da de er færre og er videre enn hull.

Når væsken som fødes til anordningene som beskrevet inneholder oppløst andre gasser enn den som skal doseres, vil disse gassene i stor grad desorberes. Derved vil de ansamles i kamrene (5) og (2). Disse gassene må etterhvert fjernes fra apparaturen gjennom en sidestrøm (bleed) som best tas ut av det tredje kammeret (5).

I Figur 4 vises en alternativ anordning for innføring av en gass i en væske. Ved en del anvendelser av oppfinnelsen vil dybden på væskebassenget hvor strålene treffer være stor nok til at effektiv gassgjenvinning kan utføres ved at det tredje kammeret (5) erstattes med et tredje kammer (21). Det tredje kammeret (21) er en forlengelse av det andre kammeret (2), og kammeret (21) må rekke tilstrekkelig langt ned i væskebassenget til at medrevne gassbobler gis anledning til å stoppe opp og stige tilbake til overflaten, dvs. at det tredje kammeret (21) må ha en dybde som er mindre enn væskestrålenes lengde. Væsken kan tas ut gjennom spalter i siden (22) eller gjennom bunnen. Om ønskelig kan anordningen forsynes med en væskefordeler (20) for å hindre at kraftige væskestråler møter fordelingsplaten (6) med stor kraft.

Eksempel 1

I dette eksempelet vises det hvordan oksygen kan innføres i vann til. fiskeoppdrett.

I tilknytning til en elv eller bekk med lav høydeforskjell er det plassert et fiskeoppdretts-anlegg. Fiskeoppdrettsanlegget er skissert i Figur 3, hvor anlegget (19) ligger som et sidespor til bekken/elven (16). Fra bekken/elven (16) ledes vannet inn i et sidespor (17). Vannet fra sidesporet (17) føres inn i flere parallelle anordninger (18) ifølge oppfinnelsen, slik som skissert i Figur 1 og 2, for å mette vannet med oksygen. Det i anordningene oksygenmettede vannet ledes ut i flere fiskedammer (14).

Det første kammeret er utstyrt med en fordelingsplate i bunnen som inneholder spalter med lengde 50 mm og bredde 5 mm. Vannstråler som dannes når vannet passerer spaltene i fordelingsplatene, bringes i kontakt med oksygen i gass/væske-kontaktkammeret under fordelingsplaten. Vannstrålene river med seg oksygenet, og vannet i fiskedammene mettes med oksygen. Oksygen som ikke absorberes av vannet, samles opp i det tredje kammeret som er knyttet til gass/væske-kontaktkammeret og resirkuleres til gass/væske-kontaktkammeret. Dimensjonen på anordningen som ble brukt i dette forsøket var:

A = 20.5 cm

B = 25 cm

C = 10 cm

D = 20 cm

E = 30 cm

Det ble anvendt en vannmengde 3.5 m<3>/h som var forhåndsmettet med luft. Væskestrålene ble kontaktet med ren 02.

Ved disse betingelsene oppnådde man at oksygeninnholdet kunne økes fra ca. 13 g/m<3 >til ca. 19 g/m<3> . En 02-utnyttelse på 88% ble oppnådd i det en viss bleed var nødvendig på grunn av oppsamlet nitrogen.

Eksempel 2

Dette eksempelet, som er likt med eksempel 1, viser også hvordan oksygen kan innføres i vann til fiskeoppdrett.

I dette eksempelet byttes fordelingsplaten anvendt i eksempel 1 ut med en fordelingsplate med 10 hull. Hullene hadde en diameter på 8 mm. Vannmengden var nå redusert til 2.5 m<3>/h. Dimensjonene på anordningen var tilsvarende de som angitt i eksempel 1, men A ble noe redusert, dvs. A=18 cm. Det ble oppnådd en Cyutnyttelse på 83% og oksygeninnholdet i utgående vann var på 19 g/m<3>.

Eksempel 3

I dette eksempelet vises det at C02 kan innføres i vann.

C02 tilføres vann ved hjelp av samme anordning som angitt i eksemplene 1 og 2. I dette eksempelet oppnådde man et CGyinnhold i utgående vann på 100 g/m<3>. CGyutnyttelsen var bedre enn 95%. Væskemengden var 3 m<3>/h i dette eksempelet.

Eksempel 4

I en anvendelse av oppfinnelsen ønsker man å nøytralisere en basisk løsning i vann ved hjelp av tilsetning av C02. I forsøket anvendes et rør på 10 cm diameter med 3 spalter på fordelingsplaten. Spaltene var 5 mm x 50 mm. Væskemengden var 3.5 m<3>/h og pH ble redusert fra 11.3 til 9.5. Ved testen var lengden F 1.0 meter (se Figur 4).

Oppfinnerne har ved den foreliggende oppfinnelsen kommet frem til en billig, enkel og effektiv fremgangsmåte for innføring av en gass i en væske. Anordningen som anvendes for å innføre gassen i væsken krever ikke noe kostbart og avansert utstyr og den krever ikke elektrisk kraft. Gass som ikke løser seg i væsken kan resirkuleres, noe som er kostnadsbesparende. Investeringskostnadene er også meget lave. Anordningen ifølge oppfinnelsen kan blant annet anvendes ved innføring av oksygen i fiskedammer, for lufting av kloakk i biologiske renseanlegg, for innføring av oksygen til drikkevann og til nøytralisering av utslipp fra industrielle prosesser ved bruk av C02. Utnyttelsen av tilført gass er høy. Det er målt en utnyttelse på opptil 95%.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for innføring av en gass i en væske ved at gass bringes i kontakt med væskestråler og derved føres inn i væsken, hvor væske ledes inn i et første kammer og hvor det i bunnen av kammeret er plassert en fordelingsplate, idet væsken renner ut av kammeret i form av væskestråler ned i et andre kammer under fordelingsplaten hvor gass innføres og bringes i kontakt med væskestrålene,karakterisert ved at gass som rives med væskestrålene føres ned i den underliggende væsken og gass som ikke absorberes fanges opp i et tredje kammer plassert nedstrøms for det andre kammeret og føres tilbake til det andre kammeret, hvorved ikke-absorbert gass gjenvinnes. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at en sidestrøm tas ut av det tredje kammeret for fjerning av ansamlet inertgass. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert ved at væsken fylles opp i det første kammeret til et væskenivå over fordelingsplaten som gir tilstrekkelig trykk for dannelse av stråler for medrivning av gass, og at avstanden mellom fordelingsplaten og væskeoverflaten innstilles slik at det medrives nok gass til å mette væsken med gass. Fremgangsmåte ifølge krav 3,karakterisert ved at fordelingsplaten plasseres slik at væskehøyden A i det første kammeret utgjør 50-80% av avstanden mellom væskeoverflaten i det første kammeret og væskeoverflaten til væsken som skal få innført gass i det andre kammeret. Anordning for innføring av en gass i en væske, omfattende et første kammer (1) hvor det i bunnen er plassert en fordelingsplate (6) med flere hull/spalter (7) for dannelse av væske- stråler, et andre kammer (2) som er plassert rett under fordelings- platen (6) hvor en gass (4) kan tilføres fra en kilde,karakterisert ved at anordningen videre omfatter et tredje kammer (5, 21) for gjenvinning av ikke-absorbert gass, hvor det tredje kammeret (5, 21) er i kommunikasjon med det andre kammeret (2) slik at ikke-absorbert gass resirkuleres. Anordning ifølge krav 5,karakterisert ved at lengden E i det tredje kammeret (5) gir væsken et opphold fra 1 til 20 sekunder i det tredje kammer (5), fortrinnsvis mindre enn 5 sekunder. Anordning ifølge krav 5,karakterisert ved at fordelingsplaten (6) er utstyrt med spalter (7), og spaltene (7) har en bredde på 3-8 mm og lengde på 30-80 mm. Anordning ifølge krav 5,karakterisert ved at det tredje kammeret (21) for gjenvinning av ikke-absorbert gass er en direkte og tilnærmet vertikal forlengelse av det andre kammeret (2), og at det tredje kammeret (21) har en dybde som er mindre enn væskestrålenes lengde. Anordning ifølge krav 8,karakterisert ved at dybden til det tredje kammeret (21) er definert ved at lineær nedadgående væskehastighet i forlengelsen er mindre enn 30 cm pr. sekund, og at de innførte strålene ikke når enden av forlengelsen. Anvendelse av anordningen ifølge krav 5 for tilførsel av oksygen i et fiskevann eller et biologisk renseanlegg.