NO315029B1 - Fremgangsmate og anlegg for opplosning av gass i en vaeske, samt anvendelse av samme - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og anlegg for oppløsing av gass i en væske, samt anvendelse av samme

Foreliggende oppfinnelse relateres til en fremgangsmåte for oppløsing av gass i en væske, samt et anlegg for samme. Videre relateres oppfinnelsen til en anvendelse av anlegget. Nærmere bestemt relateres oppfinnelsen til en strømmende væske hvori det injiseres en gass. Væsken strømmer i en ledning til toppen av en mikser. Det er tilordnet en injektor for tilførsel av gass til væskestrømmen i ledningen. Gass og væske strømmer gjennom mikseren hvor væske og gass blandes. Oppfinnelsen kan benyttes for oksygenanriking av vann, og kan anvendes i forbindelse med oppdrett av fisk eller andre individer som lever i vann. For eksempel vil oppfinnelsen kunne anvendes i forbindelse med landbasert oppdrett av fisk.

US 5,312,567 beskriver en mikser omfattende en avlang, vertikal tank hvori det er innsatt en roter-bar aksel som er tilordnet skråstillede vinger/blader. En gass tilføres væsken inne i selve mikseren. Rotasjon av de skråstillede vingene skal besørge innblanding av gass i væsken. Denne mikseren arbeider etter et helt annet prinsipp enn foreliggende oppfinnelse, hvor gassen tilføres væsken ved hjelp av en injektor anbrakt i en ledning og hvor oppløsingen skjer ved hjelp av (statiske) turbulensinitierende elementer.

DE Cl 42 35 558 viser en anordning for oppløsing av en gass i en væske omfattende en langstrakt beholder hvori det er innsatt tre plater med hull i. Størrelsen på hullene skal være slik at det tildannes en dysevirkning for oppløsing av gassen i væsken.

SE C2 504 449 viser en anordning for blanding av luft og vann i en vannrenser, hvor luften føres inn i vannrenseren koaksialt med vannet via et rør og videre slik at den strømmer ut gjennom en ringformet spalte mellom luftrørets ende og vannrørets innervegg. Vannrøret har et blandingsparti som strekker seg fra den ringformede spalten til vannrørets munning i tanken. I nevnte rør er det innsatt strømningsforstyrrende organ i form av ringer som skal tvinge vannet til å blande seg med luften. En ulempe med denne og ovennevnte referanse som begge vedrører statiske miksere, er at det kan oppstå problemer med å oppnå en tilnærmet mettet molekylær oppløsing av gassen i væsken.

NO A 911647 omhandler en innretning for blanding av et fluid og en væske omfattende en sylind-risk øvre del for innføring av gass, en midtre del hvor væske kan innføres på regulerbart vis, samt en nedre del som omfatter en mikser bestående av labyrint formede passasjer mellom radielle flenser for blanding av gass og væske. Denne løsningen er spesielt innrettet til håndtering av varierende væskemengder og omfatter tildannelse av turbulens i strømningen etter helt andre prinsipper enn ved foreliggende oppfinnelse.

US 4,171, 681 viser et system for oppdrett av fisk hvor vann fra en sjø og en brønn kan blandes og pumpes gjennom en anordning for tilførsel av oksygen til vannblandingen. Oksygenanriket vann går så videre til en landbasert oppdrettstank. Oppdrettstanken har i sin bunn et utløp for uttapping av vann. Denne løsningen relateres til et system for oppdrett som sådan og beskriver ikke hvordan oksygenet i praksis introduseres og løses inn i vannet.

Fra FR 2 750 889 er det kjent en injeksjonsanordning for innføring av gass i en væske for bruk i forbindelse med oksygenering av vann til oppdrett av fisk. Injeksjonsanordningen omfatter en perforert elastisk diffusjonsmembran som er laget av gummi. Gassen strømmer i en spiralform rundt membranen slik at den bringes i kontakt med en væskestrømning. Med anordningen skal små bobler kunne slippes inn i en væskestrøm uten å forstyrre denne i særlig grad.

En ulempe med denne løsningen er at eventuelle fremmedlegemer i gasstrømmen eller avsetninger av organisk materiale vil kunne stoppe til åpningen i diffusjonsmembranen. Dette kan medføre problemer med å få riktig mengde gass introdusert i væsken og påfølgende ustabil drift.

En annen ulempe er at man introduserer gassbobler direkte i området der f.eks. fisk oppholder seg. Dette vil kunne virke forstyrrende og stressende på fisken med den følge at man vil kunne få redus-ert vekst og kvalitet samt mindre biomasse pr. volumenhet.

En generell ulempe ved tidligere kjente løsninger er at effektiviteten eller utnyttelsen av gass kan være relativt lav, spesielt ved store gassmengder (når store gassmengder skal løses i vannet, f.eks. en delstrøm). Dette kan medføre økede kostnader til gass og/eller behov for større enheter for å kunne behandle mer vann som igjen gir store investeringskostnader.

Med foreliggende oppfinnelse kan de ovennevnte ulemper unngås. Med foreliggende oppfinnelse er det mulig å oppnå god innblanding av oksygen i vann, samtidig som oppfinnelsen er enkel, robust og pålitelig i drift. Oppfinnelsen tillater oppløsing av store mengder gass med fortsatt meget god utnyttelse av gassen.

Disse og ytterligere fordeler kan oppnås med oppfinnelsen slik den er definert i de vedføyde patentkrav.

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende beskrives nærmere med eksempel og figurer hvor:

Fig. 1 viser et anlegg for oksygenanriking av vann som tilføres et kar for fiskeoppdrett der en

separator er plassert utenfor mikseren.

Fig. 2 viser et anlegg for oksygenanriking av vann som tilføres et kar for fiskeoppdrett der

en separator er integrert i bunnen av mikseren.

Fig. 3 viser et aksielt snitt gjennom en mikser tilsvarende den som vist i Fig. 2.

Fig. 4 viser detaljer ved mikserens innløp i forstørret målestokk.

Som vist i Figur 1 fremgår et kar 1 for oppdrett av fisk hvori det er en oksygenanriket vannmengde 2. Ved karets 1 ene side er anbrakt et strålerør 3 for tilførsel av oksygenanriket vann via én eller flere utløpsåpninger 4, 4', 4", 4"', 4"", 4'"". Strålerøret 3 er i eksempelet utformet slik at det rager nedad i karet 1 i en hovedsakelig vertikal stilling.

Utstyret for oksygenanriking av vann omfatter blant annet en tilførselsledning 5 for vann som kan utgjøres av en blanding av ferskvann og saltvann som innføres i en oppstrømsende av tilførsel-sledningen 5 via innløpsrør 6 og 7 respektivt. Mellom tilførselsledningen 5 og innløpsrørene 6 og 7 kan det være anordnet ventiler 8 og 9 for å regulere mengden av vann som strømmer i innløpsrørene 6 og 7, eventuelt kan vannstrømmen stenges helt av ved hjelp av ventilene. Tilførselsledningen 5 er i dette eksempelet anordnet i en vertikal stilling, og ved sin øvre ende går den over i et horisontalt forløpende parti 10 som kommuniserer med et innløp 14 på toppen av en mikser 11. I det horisontalt forløpende parti 10 er det anordnet en injektor 12 for injisering av oksygengass fra en oksygen-tilførselsledning 13. I ledningen 13 kan det være anbrakt en regulerings-/stengeventil 30 for å kontrollere strømningen av oksygen til injektoren 12.

Vann som strømmer forbi injektoren 12 vil føre med seg oksygengass i form av bobler av varierende størrelse til mikserens innløp 14. Mikseren 11 kan beskrives som et nedad forløpende rør som fortrinnsvis kan ha et større tverrsnittsareal enn tilførselsledningen 5. Tverrsnittsformen kan være rund eller sirkelformet, men også andre anvendelige tverrsnittsformer vil kunne være aktuelle. Inne i mikseren er det anbrakt ett eller flere turbulensinitierende elementer 15, 15' 15", 15"', 15"", 15 som bevirker at strømningen gjennom mikseren 11 blir turbulent på en slik måte at det oppnås en optimal oppløsing av oksygengass i vannet. De i eksempelet benyttede turbulensinitierende elementer kan være utformet som en første skive 16 med ett eller flere gjennomgående hull, og hvor skiven 16 ved sin ytre periferi ligger an mot mikserens 11 innvendige veggflate. I Fig. 1 er det vist en skive 16 med ett sirkulært, sentralt plassert hull 17. I en liten avstand fra hullet, nedstrøms (under) dette er det anbrakt en andre skive 18 av mindre utstrekning enn den første, og slik at det dannes en spalte mellom mikserens 11 innvendige vegg og skivens ytre periferi. Skivene 16 og 18 kan være fast montert i mikseren, eller de kan være anordnet slik at deres innbyrdes avstand kan variere (ikke vist).

Funksjonen av et slikt turbulensinitierende element 15 er at når en blanding av væske og gass strøm-mer vertikalt nedad i mikseren 11 og inn i et slikt element 15, vil strømningen gå over fra å være aksiell til å bli radiell i elementet. Avhengig av dimensjonsvalg så som strømningstverrsnittet i mikseren 11, størrelsen på hullet 17 i den første skiven 16 og utstrekningen av den andre skiven 18 samt den innbyrdes avstand mellom disse vil det kunne initieres en hastighetsendring i det strøm-mende medium over elementet 15 i tillegg til den forholdsvis omfattende endring i strømningsret-ning som finner sted der.

Med elementet 15 har det vist seg mulig å initiere en effektiv turbulent strømning hvilket bidrar til en god innblanding av gassen i væsken. I det viste eksempelet er det benyttet seks turbulensinitierende elementer, men antallet kan selvfølgelig være høyere eller lavere, avhengig av hva som er nødvendig for å tilfredsstille aktuell spesifikasjon for det enkelte anlegg.

Ved mikserens 11 nedre ende er det anbrakt et utløp 19 tilknyttet et rør 20 som kan forløpe horisontalt og videre være forbundet med et innløp 21 i bunnen av en separator 22. Formålet med separatoren 22 er å skille ut overskuddsgass/oksygen i blandingen som kommer fra mikseren 11. Blandingen av vann og oksygengass som kommer fra mikseren 11 i dette eksempelet kan være overmettet på oksygen, dvs. at den inneholder mer oksygen enn det som kan oppløses i vann. Som vist på Fig. 1 vil separatoren 22 omfatte dels en væskefase 23 og dels en gassfase 24. Gassfasen som i hovedsak vil bestå av oksygen tas ut i toppen av separatoren 22 via et returledning 25 som kan være forsynt med en stenge-/reguleringsventil 26. Returledningen 25 fører overskuddsgass/returgass tilbake til injektoren 12 slik at denne vil følge vannstrømmen inn i mikseren 11 igjen sammen med en større eller mindre mengde oksygen fra ledningen 13. Alternativt kan returgassen føres tilbake til mikseren 11 via en returledning tilknyttet en egen injektor, d.v.s. uten å være koplet inn mot ledning 13 og injektor 12.

Væskefasen fra separatoren 22 ledes fra et utløp 28 og videre til oppdrettskaret 1 via et rør 27. Røret 27 er utstyrt med en manuell eller automatisk reguleringsventil 29 som opprettholder ønsket driftstrykk i mikseren og doserer riktig vannmengde. Det skal forstas at her benyttes uttrykket væskefase av praktiske grunner, selv om væsken er mettet på oksygengass. Med oppfinnelsen vil gassen som er oppløst i væsken etter separatoren 22 være oppløst som molekylært oksygen uten vesentlig innslag av synlige gassbobler.

I Figur 2 er det vist et anlegg for oksygenanriking av vann som tilføres et kar 101 for fiskeoppdrett der en gass/væskeseparator 122 er integrert i bunnen av en mikser 111. Tilsvarende som i Fig. 1 er det ved karets 101 ene side anbrakt et strålerør 103 for tilførsel av oksygenanriket vann via én eller flere utløpsåpninger 104,104', 104", 104'", 104"" og 104

Anlegget omfatter, tilsvarende som for anlegget vist i Fig. 1, en tilførselsledning 105 for vann som kan utgjøres av en blanding av ferskvann og saltvann som innføres i en oppstrømsende av tilførsel-sledningen 105 via innløpsrør 106 og 107 respektivt. Mellom tilførselsledningen 105 og innløps-rørene 106 og 107 kan det være anordnet ventiler 108 og 109 for å regulere mengden av vann som strømmer i innløpsrørene 106 og 107, eller stenge vannstrømmen helt av. Tilførselsledningen 105 er som vist anordnet i en vertikal stilling, og ved sin øvre ende går den over i et horisontalt forløpende parti 110 som kommuniserer med et innløp 114 på toppen av mikseren 111. I det horisontalt forløpende parti 110 er det anordnet en injektor 112 for injisering av oksygengass fra en oksygentilførselsledning 113. I ledningen 113 kan det være anbrakt en regulerings-/stengeventil 130 for å kontrollere strømningen av oksygen til injektoren 112.

Vann som strømmer forbi injektoren 112 vil føre med seg oksygengass i form av bobler av varierende størrelse til mikserens innløp 114. Mikseren 111 med den innebyggede separatoren 122 beskrives nærmere nedenfor med henvisning til Fig. 2 og Fig. 3.

Figur 3 viser et aksielt snitt gjennom en mikser 111 med en innebygget separator 122 som vist i Fig.

2. Det vil fremgå at utformingen av separatorens utløp avviker noe fra det som vises i Fig. 2. Inne i mikseren er det anbrakt ett eller flere turbulensinitierende elementer 115, 115' 115", 115'", 115""

som bevirker at strømningen gjennom mikseren 111 blir turbulent på en slik måte at det oppnås en optimal oppløsing av oksygengass i vannet. De i eksempelet benyttede turbulensinitierende elementer kan være utformet som en første skive 116" med ett eller flere gjennomgående hull, og hvor skiven 116" ved sin ytre periferi ligger an mot mikserens 111 innvendige veggflate. I figuren er det vist en skive 116" med ett sirkulært hull som sammen med et returrør 125 tildanner et sentralt plassert ringrom 117". Røret 125 kan være koaksialt anbrakt i forhold til hullet i skiven 116" og skal beskrives nærmere senere. I en liten avstand fra ringrommet 117", nedstrøms (under) dette er det anbrakt en andre skive 118" av mindre utstrekning enn den første, og slik at det dannes en spalte mellom mikserens 111 innvendige vegg og skivens ytre periferi. Skiven 118" som vist i figuren er utformet med et sentralt anbrakt hull hvorigjennom røret 125 passerer i fortrinnsvis tettende anlegg mot hullflaten. Skivene 116" og 118" kan være faste eller variable tilsvarende det som er beskrevet for mikseren 11 som vist i Fig. 1.

Med elementet 115 har det vist seg mulig å initiere en effektiv turbulent strømning hvilket bidrar til en god innblanding av gassen i væsken. I det viste eksempelet er det benyttet fem turbulensinitierende elementer, men antallet kan selvfølgelig være høyere eller lavere, avhengig av hva som er nødvendig for å tilfredsstille aktuell spesifikasjon for det enkelte anlegg.

Separatoren 122 som er plassert i bunnen av mikseren 111 kan ha samme eller større diameter i forhold til resten av mikseren 111. Størrelsen dimensjoneres ut fra behovet, slik at hastigheten på vannet nedad i vertikalretningen blir så lav at gassboblene tillates å stige oppover. Den separerte gassen returneres til toppen av mikseren 111 via det vertikalt anbrakte returrøret 125 inne i mikseren 111 og ut gjennom et oppløsingselement 131. Hensiktsmessig er returrøret 125 ved sin nedre ende (innløpsenden) tilordnet et oppsamlingselement 126 for å samle gassbobler inn mot innløpet. Oppsamlingselementet kan hensiktsmessig tildannes ved at det anbringes en ringformet flens 127 på undersiden av den nederste skiven 118"" i det turbulensinitierende element 115"". Oppløsingsele-mentet 131 er utformet slik at vannet som strømmer inn i mikseren blir fordelt radiell og ut over den nederste skiven i elementet 115. Oppløsingselementet 131 er utformet med hull på siden (rundt hele) der gassen slippes ut. I tillegg til å fordele vannet og returgassen i mikseren 111, har oppløs-ingselementet 131 den funksjonen at det forhindrer innkommende vann å renne ned gjennom innløpet der returgassen kommer opp. Overskuddsgass/returgass strømmer opp gjennom returrøret 125 blant annet fordi gassboblene har oppdrift (bobleoppdrift) og også p.g.a. trykkforskjellen (høyden) mellom topp og bunn av røret. Væsken som strømmer forbi åpningen i oppløsingselemen-tet vil forårsake en viss ejektoreffekt.

Væskefasen fra separatoren 122 ledes fra et utløp 119 (som kan være i bunnen eller på siden e.l. av denne, avhengig av forholdene) og videre til oppdrettskaret 101 via et rør 120. Utløpet kan utgjøres av et rør 132 som er stillet på tvers av mikseren 111 og forløper gjennom denne. Den ene enden av røret 132 kan være avblindet, den andre tilknyttet oppdrettskaret 101. Røret 132 har en nedadvendt utagning 133 i sin vegg, hvilken utagning tillater vann å strømme inn i røret fra separatoren 122. Rør 120 er utstyrt med en manuell eller automatisk reguleringsventil 129 som opprettholder ønsket driftstrykk i mikseren og doserer riktig vannmengde. Det skal forstås at her benyttes uttrykket væskefase av praktiske grunner, selv om væsken kan være mettet på oksygengass. Med oppfinnelsen vil gassen som er oppløst i væsken etter separatoren 122 være oppløst som molekylært oksygen uten vesentlig innslag av synlige gassbobler.

Fig. 4 viser detaljer ved mikserens innløp 114 i forstørret målestokk. Det turbulensinitierende element 115 er tilordnet en første skive 116 og en andre skive 118. Oppløsingselementet 131 er anbrakt sentralt i forhold til skiven 118 og har en innløpsåpning 135 som kommuniserer med returrøret 125 (Fig. 3). Oppløsingselementet 131 kan være utformet med en eller flere utløpsåpnin-ger 134, 134' i en hovedsakelig radiell retning og ha en rotasjonssymmetrisk form slik at væskes-trømmen fordeles jevnt i radiell retning over skiven 118.

Det skal forstås at selv om det i eksemplene er omhandlet oppløsing av oksygengass i en væske, skal det forstås at anlegget kan benyttes i forbindelse med ulike væske/væskeblandinger for å oppløse ulike gass/gassblandinger. I forbindelse med oppdrett av fisk etc. kan andre gasser enn oksygen oppløses, så som C02 eller luft.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for oppløsing av gass i en væske, hvor væsken strømmer i en ledning (10,110) hvori det er anbrakt en injektor (12,112) for tilførsel av gassen til væskestrømmen, idet blandingen av gass og væske bringes til å strømme via ett eller flere turbulens initierende elementer omfattende et dyseorgan, karakterisert ved at blandingen tvinges til å strømme i en retning hovedsakelig perpendikulært på strømnningsretningen i dyseorganet, umiddelbart etter dette, i det turbulens initierende elementet (15,115), hvorpå en tilnærmet mettet molekylær oppløsing av gass i væsken oppnås.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at væsken med oppløst gass samt eventuell overskuddsgass videre strømmer inn i en separator (22,122) for utskillelse av overskuddsgassen fra den mettede blandingen.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at overskuddsgass tilbakeføres via et returrør (25,125) tilbake til mikserens innløp (14, 114) for på nytt å injiseres i væskestrømmen.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1-2, hvor væsken er ferskvann og/eller saltvann og hvor gassen er oksygen, karakterisert ved at væsken med oppløst gass ledes via et strålerør (3,103) inn i et oppdrettskar (1,101) for oppdrett av fisk eller andre individer som lever i vann.

5. Anlegg for oppløsing av gass i en væske, omfattende en ledning (10,110) med en strømmende væske, en injektor (12,112) tilordnet ledningen (10,110) for tilførsel av gass til væskestrømmen, anlegget videre omfatter en mikser (11,111) som er anordnet nedstrøms injektoren (12, 112) og som utgjøres av ett eller flere turbulensinitierende elementer omfattende et dyseorgan, karakterisert ved at dyseorganet i det turbulensinitierende element (15,115) utgjøres av en første skive (16, 116) som omfatter ett eller flere gjennomgående hull (17,117), idet det turbulensinitierende element videre omfatter en andre skive (18,118) avstandsmessig plassert fra den første skiven og som videre har en utstrekning mindre enn mikserens innvendige utstrekning, hvorpå den resulterende strømningen over elementet i hovedsak er i radial retning.

6. Anlegg i samsvar med krav 5. karakterisert ved at den første skiven (16,116) er sirkulær og har ett sentralt anbrakt sirkulært hull (17) eller ringrom (17), mens den andre skiven (18,118) er sirkulær og videre er noe større i utstrekning enn utstrekningen av hullet (17) eller ringrommet (117)i den første skiven (16,116).

7. Anlegg i samsvar med krav 5-6, karakterisert ved at det omfatter en separator (122) med et utløp (119) i bunnen av mikseren (111), hvor overskuddsgass ledes fra separatoren (122) opp gjennom et vertikalt returrør (125) inne i mikseren (111) og ut gjennom et oppløsingselement (131) plassert ved mikserens innløp (114).

8. Anlegg i samsvar med krav 7, karakterisert ved at oppløsingselementet (131) er rotasjonssymmetrisk utformet og har én eller flere utløpsåpninger (134) anbrakt i en hovedsaklig radiell retning.

9. Anlegg i samsvar med krav 5-6, karakterisert ved at det omfatter en separator (22) anordnet nedstrøms mikseren (11) med et utløp for fjernelse av overskuddsgass som ledes via et returrør (25) til mikserens innløp (14), samt et utløp (28) for uttak av væske med innløst gass.

10. Anlegg i samsvar med krav 5-9, hvor væsken er ferskvann og/eller saltvann, karakterisert ved at det nedstrøms anlegget er tilknyttet et strålerør (3,103) anbrakt i et oppdrettskar (1, 101) for tilførsel av gassanriket vann til oppdrett av fisk eller andre individer som lever i vann.

11. Anvendelse av anlegget i samsvar med kravene 5-9, hvor gassen som oppløses er oksygen.

12. Anvendelse av anlegget i samsvar med kravene 5-9, hvor gassen som oppløses er CO2.