PL177153B1

PL177153B1 - Urządzenie do rozpuszczania gazu w płynie

Info

Publication number: PL177153B1
Application number: PL95308456A
Authority: PL
Inventors: Michael J. Race; Godfrey B. Pickworth
Original assignee: Boc Group Plc
Priority date: 1994-05-04
Filing date: 1995-05-04
Publication date: 1999-09-30
Also published as: AU705492B2; HUH3847A; ZA953513B; HU9501272D0; EP0680779A1; PL308456A1; SK46795A3; GB9408816D0; CZ103895A3; AU1641795A

Abstract

1 . U rzadzenie do rozpuszczania gazu w plynie, majace kanal do przepuszczania przezen plynu, sro dek doprowadzajacy gaz dla wprowadzania peche rzyków gazu do plynu przepuszczanego przez ten kanal i urzadzenie wytwarzajace ultradzwieki do wytwarzania ultradzwieków i zawierajace srodek kierujacy do kierowania ultradzwieków do plynu przechodzacego przez kanal tak, aby wytworzyc "kawitacje indukowana dzwiekowo" jakichkolwiek znajdujacych sie tam pecherzyków dla rozdzielania tych pecherzyków na mniejsze pecherzyki, latwiej rozpuszczalne w plynie, znamienne tym, ze srodek kierujacy urzadzenia wytwarzajacego ultra dzwieki (20) ma konstrukcje kierujaca ultra dzwieki zasadniczo wzdluz kanalu (12) i z pradem lub pod prad przeplywu plynu, przeplywajacego przez ten kanal (12). FIG. 3. PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do rozpuszczania gazu w płynach, a w szczególności, ale nie wyłącznie, wykorzystujące ultradźwięki dla wspomagania procesu rozpuszczania.

Znane obecnie sposoby rozpuszczania gazu w płynie obejmują przykładowo znany układ Vitox firmy BOC Group plc. Układ ten zawiera rurkę Venturi, przez którą jest przepuszczany płyn przeznaczony do utleniania oraz liczne niewielkie otworki w odcinku gardzielowym, przez który jest wprowadzany do płynu tlen. Tlen w postaci pęcherzyków dyfunduje do płynu z prądem przepływu przez rurkę Venturi, utleniając tym samym płyn.

Jak wiadomo, im mniejsze są pęcherzyki, tym większa jest szybkość i kompletność procesu rozpuszczania. Jednakże, znane obecnie układy powodujące pęcherzykowanie,

177 153 stanowią głównie urządzenia mechaniczne, które są nie przydatne do wytwarzania pęcherzyków o pożądanie niewielkim rozmiarze bez nadmiernego, a tym samym nieekonomicznego poboru mocy. ,

Celem obecnego wynalazku jest zredukowanie i możliwie wyeliminowanie problemów związanych ze stosowaniem wspomnianych powyżej urządzeń przez opracowanie urządzenia do rozpuszczania gazu w płynie, które wykorzystuje ultradźwięki do rozrywania jakichkolwiek pęcherzyków gazu, powodując tym samym wytwarzanie pęcherzyków o rozmiarach bardziej przydatnych do zasadniczo całkowitego rozpuszczenia zawartego w nim gazu w płynie.

Urządzenie do rozpuszczania gazu w płynie, mające kanał do przepuszczania przezeń płynu, środek doprowadzający gaz dla wprowadzania pęcherzyków gazu do płynu przepuszczanego przez ten kanał i urządzenie wytwarzające ultradźwięki do wytwarzania ultradźwięków i zawierające środek kierujący do kierowania ultradźwięków do płynu przechodzącego przez kanał tak, aby wytworzyć kawitację indukowaną dźwiękowo jakichkolwiek znajdujących się tam pęcherzyków dla rozdzielania tych pęcherzyków na mniejsze pęcherzyki, łatwej rozpuszczalne w płynie, charakteryzujące się tym, że środek kierujący urządzenia wytwarzającego ultradźwięki ma konstrukcję kierującą ultradźwięki zasadniczo wzdłuż kanału i z prądem lub pod prąd przepływu płynu, przepływającego przez ten kanał.

Korzystnie, urządzenie wytwarzające ultradźwięki ma podzespół wytwarzający ultradźwięki na poziomie równym lub powyżej częstotliwości rezonansowej pęcherzyków gazu przeznaczonego do rozpuszczenia.

Korzystnie urządzenie wytwarzające ultradźwięki stanowi urządzenie piezoelektryczne.

Korzystnie, środek kierujący stanowi tubę dźwiękową, ogniskującą ultradźwięki w szczególnym punkcie wewnątrz wspomnianego kanału.

Urządzenie może zawierać ponadto środek wytwarzający turbulencję dla wytwarzania turbulencji wewnątrz jakiegokolwiek płynu przechodzącego przez kanał tak, aby dodatkowo wspomagać rozpuszczanie gazu wewnątrz płynu.

Środek wytwarzający ultradźwięki może być umieszczony odpowiednio do wprowadzania ultradźwięków do kanałów w położeniu przed, za, lub zgodnie ze środkiem doprowadzania gazu.

Korzystnie urządzenie zawiera ponadto dyfuzor do umożliwiania dyfuzji mieszaniny gazu z płynem a tym samym do ułatwiania dodatkowego rozpuszczania pęcherzyków gazu w tym płynie.

Dodatkowo można zastosować urządzenie typu rurki Venturi wewnątrz wspomnianego kanału dla przechodzenia poprzez nie płynu.

Korzystnie, urządzenie może zawierać dodatkowo wyrzutnik lub dyszę do wprowadzania mieszaniny gazu i płynu z tego kanału do dużej objętości płynu dla dalszego rozpuszczania w nim wspomnianego gazu.

Przedmiot wynalazku zostanie uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 - 3 przedstawiają widoki w przekroju trzech alternatywnych rozwiązań urządzenia według wynalazku, fig. 4 -7 - rozpad pęcherzyka poddanego ultradźwiękom w urządzeniu według obecnego wynalazku, a fig. 8 - tabela zestawiająca zmianę energii powierzchniowej pęcherzyków w zależności od rozmiaru.

Jak przedstawiono na rysunku, a w szczególności na fig. 1, urządzenie do rozpuszczania gazu w płynie zawiera kanał 12 do przepuszczania przez ten kanał płynu, środek doprowadzający gazwpostaci rurki zasilającej 14 wchodzącej do kanału 12 lub zakończonej jedną lub większą ilością otworków 16, znajdujących się w jego ścianie 18, oraz urządzenie do wytwarzania ultradźwięków w postaci przykładowo przetwornika piezoelektrycznego 20. Alternatywnie, urządzenie wytwarzające ultradźwięki może stanowić przetwornik magnetostatyczny, przetwornik elektrostatyczny lub dowolne z licznych urządzeń mechanicznych, takich jak Galtin Whistle, Hartmann Generator lub Janovski-Pohlman Whistle. Środek kierujący utworzony przez urządzenie wytwarzające ultradźwięki 20, gdy jest ono prawidłowo umieszczone lub urządzenie ogniskujące oznaczone 24 zapewnia kierowanie wytwa4

177 153 rżanego sygnału ultradźwiękowego w kierunku pożądanego punktu wewnątrz kanału. Urządzenie ogniskujące, oznaczane jako tuba dźwiękowa 24 może po prostu stanowić zukosowany człon, mający szerszy koniec 24a do odbierania sygnału ultradźwiękowego, a zwężoną część 24b do stożkowego ogniskowania sygnału w kierunku węższego końca przekaźnikowego 24c, z którego jest on przesyłany w zalecanym kierunku.

Urządzenie wytwarzające ultradźwięki 20 ma konfigurację dostosowaną do wytwarzania ultradźwięków na poziomie częstotliwości rezonansowej pęcherzyków gazu przeznaczonego do rozpuszczenia lub powyżej. W praktyce, częstotliwości ultradźwiękowe w zakresie 20-53 kHz są wystarczające do kontrolowania rozmiarów pęcherzyków gazu dla większości układów wodnych, jednakże przy obecności sili lub substancji organicznych mogą być potrzebne odmienne częstotliwości. Konkretnie stosowana częstotliwość jest dobierana dla maksymalizacji głównego zadania przenoszenia masy i to w połączeniu z amplitudą będzie uzależnione od gęstości, lepkości i temperatury płynu, stadium ruchu i składu cząstek stałych w mieszaninie, które mogą być obojętne lub organiczne, wraz z rozważeniem stosunku gazu do płynu pożądanego do uzyskiwania maksymalnego efektu przenoszenia masy. W praktyce, dobór prawidłowej częstotliwości i amplitudy może przebiegać za pomocą metody prób i błędów aż do osiągnięcia odpowiedniego doboru.

Środek kierujący 24 może być umieszczony odpowiednio do kierowania jakiegokolwiek wytwarzanego ultradźwięku w poprzek lub wzdłuż kanału, jak pokazano na fig. 1 do 3, odpowiednio, i może być usytuówany przed, za lub zgodnie z rurką zasilającą w gaz 14. Można zastosować generator turbulencji, pokazany schematycznie jako 26, dla indukowania turbulencji w płynie i tym samym dla wzmożenia dodatkowego mieszania pęcherzyków z płynem. Generator turbulencji może być umieszczony gdziekolwiek w kanale 12 lub może być utworzony przez dyszę wyjściową 28.

Urządzenie według wynalazku może być skonstruowane w dowolny z licznych sposobów, przy czym niektóre z nich pokazano na fig. 1 do 3. Na fig. 1 pokazano zastosowanie kanału o zasadniczo stałej powierzchni przekroju poprzecznego, z umieszczonym z przodu generatorem turbulencji 26, rurką doprowadzającą gaz 14 wchodzącą do objętości płynu przechodzącego przez kanał 12 i generator ultradźwięków 20 umieszczony do kierowania ultradźwięków w poprzek kanału za punktem, w którym jest wprowadzany gaz. Dysza 28 znajdująca się przy wylotowym 'końcu kanału może stanowić konwencjonalną dyszę lub może być wyposażona w środek wymuszający zawirowanie (niepokazany). Środek indukujący zawirowanie może znajdować się w dowolnym punkcie wzdłuż kanału. Na fig. 2 przedstawiono rozwiązanie, w którym rurka Venturi 17 tworzy część kanału 12, zaś gaz jest wprowadzany przy gardzieli rurki Venturi przed generatorem ultradźwięków 20, który kieruje ultradźwięki w poprzek kanału. Na fig. 3 przedstawiono jeszcze inne alternatywne rozwiązanie podobne do pokazanego na fig. 2, z tym wyjątkiem, że generator ultradźwięków 20 jest umieszczony przed rurką Venturi 17 i kieruje ultradźwięki zasadniczo wzdłuż kanału, zamiast w poprzek. Dla fachowca z danej dziedziny oczywiste są inne rozwiązania, które nie zostały tu przedstawione i dlatego wynalazek obecny nie jest ograniczony do tych zilustrowanych rozwiązań. Zaleca się stosowanie generatora ultradźwięków oddziaływującego możliwie blisko wylotu kanału dla minimalizacji możliwości koalescencji pęcherzyków przed wyrzuceniem na zewnątrz.

W publikacji ATS Pandit i JF Davison Rozrywanie pęcherzyków w przepływie turbulencyjnym wykazano, że wymagania energetyczne dla zmiany wielkości pęcherzyków są dopasowane do zmiany energii powierzchni, to jest wzrostu napięcia powierzchniowego. W układach, w których płyn stanowi woda, efekty lepkości są pomijalne. Ultradźwięki stanowią alternatywne źródło energii, które jeżeli będzie skutecznie wykorzystane, daje rząd redukcji wielkości pęcherzyków konieczne dla spowodowania znaczącej zmiany w zdolności przenoszenia masy w układzie. Rozmiar pęcherzyków wytwarzanych w urządzeniu Venturi typu Vitox jest rzędu 1,5 - 2,5 mm odnośnie średnicy przy przewężeniu. Zastosowanie ultradźwięków stwarza możliwość zredukowania tej wielkości o jeden rząd wielkości (w przybliżeniu). Jeżeli .przy odpowiednim umieszczeniu rurki Venturi, otrzymane strumieniowe urządzenie rurowe będzie miało taką konfigurację, że w warunkach dynami177153 cznych powstaje gradient ciśnienia, takie, że pęcherzyki są poddawane wzrastającemu ciśnieniu, wówczas rozmiar ich będzie ulegał redukcji. Przy dyszy Vitox dodatkowa energia podziału będzie wzmagała dodatkowe rozdzielanie pęcherzyków, w szczególności większych pęcherzyków utworzonych poprzez koalescencję, powodując wprowadzanie do zbiornika dwufazowego strumienia, w którym średni pęcherzyk będzie miał średnicę około 0,15 - 0,25 mm. Jeżeli urządzenia mieszające są odpowiednie, wówczas pęcherzyki o tym rozmiarze nie będą wykazywały wystarczającej wyporności dla uciekania na powierzchnię i tym samym będą podlegały gwałtownemu rozpuszczeniu. Tego rodzaju efekt zbiornikowy jest wzmagany przez zastosowanie dysz wytwarzających zawirowania.

Jakiekolwiek ciśnienie doprowadzania tlenu można dobrać przez prawidłowy projekt układów hydraulicznych. Tak więc, ultradźwięki mogą pracować równie dobrze przy zasilaniu pod ciśnieniem przy urządzeniach samozasysających, do układów sprężonych, np. jednostek zanurzonych.

Urządzenie może być przystosowane do fizycznych własności, które dyktują rozmaite właściwości fizyczne mechanizmu ultradźwiękowego, dla stosowania w większości układów do kontaktowania gazów z płynem, np. ozonu i wody, dwutlenku węgla z wodą (jakkolwiek CO2 jest mniej korzystne z powodu na jego właściwość tłumienia dźwięku). Układy powietrze - woda zachowują się w podobny sposób do układów tlenu z wodą. Rozmaite patenty chronią procesy rozpuszczania gazów w środowisku płynnym, z których każdy wymaga stosowania zewnętrznej energii dla wytwarzania ruchu płynu, w szczególności pompy, połączeń sprężonego przepływu płynu indukującego podział pęcherzyków dla wspomagania rozpuszczania gazu wprowadzanego do strumienia płynu. Tak więc zastosowanie ultradźwięków we wszystkich powyższych procesach polepsza ich osiągi odnośnie przenoszenia masy gazu do roztworu.

Podczas pracy, płyn taki jak przykładowo woda lub ścieki jest przepuszczany wzdłuż kanału 12, w którym podlega pęcherzykowaniu gazu, taki jak przykładowo tlen. Na pęcherzyki te oddziaływuje wpływ ultradźwięków, który powoduje ich przerywanie. To przerywanie jest najlepiej przedstawione na fig. 4 do 7, gdzie pokazano jeden pęcherzyk, który przechodzi przez strefę oddziaływania ultradźwięków. Początkowo duży pęcherzyk jest poddawany kawitacji akustycznej, to jest wzrostowi i opadnięciu pęcherzyka w wyniku energii otrzymywanej z ultradźwięków. W pewnych okolicznościach, pęcherzyki mogą rozszerzyć się do dwukrotnego początkowego rozmiaru, a następnie kurczą się do mniej niż połowy początkowego rozmiaru. To przerywanie może być zrealizowane przez stosowanie ultradźwięków dla pobudzenia pęcherzyków ponad ich częstotliwość rezonansową i tym samym dla spowodowania przyśpieszenia ściany pęcherzyków w sposób niejednolity, tak że ściana ta tworzy strumień płynu, który przechodzi przez pęcherzyk i dzieli go na liczne pęcherzyki podczas skurczania jak przedstawiono na fig. 6 i 7. Oczywiste jest, że im bardziej nieregularny jest kształt pęcherzyka, tym łatwiejsze będzie wystąpienie jego przerwania, ponieważ każda nieregularna część wykazywała naturalną tendencję do oddzielenia się od sąsiedniej. Stwierdzono, że sąsiednie pęcherzyki są łatwej przerywane niż pęcherzyki o kształcie doskonale kulistym. Natężenie dźwięku wywierane na pęcherzyki można z grubsza określić na około 110 decybeli (dB) jeżeli może być słyszalne. Środki idnukujące turbulencje, lub generatory zawirowania wspomagają wywarzanie dodatkowego mieszania połączenia gazu z płynem w sposób znany fachowcom z tej dziedziny i dlatego nie zostaną tu opisane. W końcowej fazie, mieszanina płynu z gazem jest wyrzucana do masy płynu. Redukcja wielkości pęcherzyków wewnątrz opisanego tu zakresu w sposób zasadniczy redukuje tu wyporność, a tym samym zdolność pęcherzyków do unoszenia się w kierunku powierzchni, zanim nastąpi całkowite rozpuszczenie.

177 153

m 153

FIG. 7.

177 153

Hz	mm	m²	N.m	s	N.m. s
646	10	3.14E-04	2.32E-05	14920	0.347
680	9.5	2.84E-04	2.10E-05	17402	0.365
718	9	2.54E-O4	1.88E-05	20467	0.385
760	8.5	2.27E-04	1.68E-05	24295	0.408
808	8	2.01E-04	1.49E-05	29141	0.434
861	7.5	1.77E-04	1.31E-05	35366	0.462
923	7	1.54E-04	1.14E-05	43499	0.496
994	6.5	1.33E-04	9.82E-06	54329	0.534
1077	6	1.13E-04	8.37E-06	69075	0.578
1175	5.5	9.50E-05	7.03E-06	89678	0.631
1292	5	7.85E-05	5.81E-06	119361	0.694
1436	4.5	6.36E-05	4.71E-06	163733	0.771
1615	4	5.03E-05	3.72E-06	233128	0.867
1846	3.5	3.85E-05	2.85E-06	347992	0.991
2153	3	2.83E-05	2.09E-06	552599	1.156
2584	2.5	1.96E-O5	1.45E-06	954890	1.387
3230	2	1.26E-05	9.30E-07	1865020	1.734
4307	1.5	7.07E-06	5.23E-07	4420789	2.312
6460	1	3.14E-06	2.32E-07	14920162	3.469
7178	0.9	2.54E-06	1.88E-07	20466615	3.854
8075	0.8	2.01E-06	1.49E-07	29140942	4.336
9229	0.7	1.54E-06	1.14E-07	43499016	4.955
	0.6	1.13E-06	8.37E-08	69074826	5.781

10767

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do rozpuszczania gazu w płynie, mające kanał do przepuszczania przezeń płynu, środek doprowadzający gaz dla wprowadzania pęcherzyków gazu do płynu przepuszczanego przez ten kanał i urządzenie wytwarzające ultradźwięki do wytwarzania ultradźwięków i zawierające środek kierujący do kierowania ultradźwięków do płynu przechodzącego przez kanał tak, aby wytworzyć kawitację indukowaną dźwiękowo jakichkolwiek znajdujących się tam pęcherzyków dla rozdzielania tych pęcherzyków na mniejsze pęcherzyki, łatwiej rozpuszczalne w płynie, znamienne tym, że środek kierujący urządzenia wytwarzającego ultradźwięki (20) ma konstrukcję kierującą ultradźwięki zasadniczo wzdłuż kanału (12) i z prądem lub pod prąd przepływu płynu, przepływającego przez ten kanał (12).
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że urządzenie wytwarzające ultradźwięki (20) ma podzespół, wytwarzający ultradźwięki na poziomie częstotliwości rezonansowej pęcherzyków gazu przeznaczonego do rozpuszczenia lub powyżej tej częstotliwości.
3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że urządzenie wytwarzające ultradźwięki (20) stanowi urządzenie piezoelektryczne.
4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że środek kierujący stanowi tubę dźwiękową (24), ogniskującą ultradźwięki w konkretnym punkcie w obrębie kanału (12).
5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że w kanale (12) znajduje się środek wytwarzający turbulencję (26) do wytwarzania turbulencji w obrębie jakiegokolwiek płynu przepływającego przez kanał (12) dla dodatkowego wspomagania rozpuszczania gazu w płynie.
6. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że urządzenie wytwarzające ultradźwięki (20) jest umieszczone w położeniu, z którego ma zdolność wprowadzania ultradźwięków do kanału w położeniu przed, za lub zgodnym ze środkiem doprowadzającym gaz.
7. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że kanał (12) ma dyfuzor powodujący dyfuzję mieszaniny gazu z płynem dla ułatwienia dodatkowego rozpuszczania pęcherzyków gazu w tym płynie.
8. Urządzenie według zastrz. 5 albo 7, znamienne tym, że wewnątrz kanału (12) znajduje się rurka Venturi (17) dla przepuszczenia przez nią płynu.
9. Urządzenie według zastrz. 5 albo 7, znamienne tym, że kanał (12) ma wyrzutnik lub dyszę (28) do wprowadzania mieszaniny gazu z płynem z kanałem (12) do dużej objętości płynu dla dodatkowego rozpuszczenia w nim gazu.

* * *