PL201088B1 - Sposób generowania pęcherzy gazowych w cieczy płynącej zgodnie z kierunkiem grawitacji - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób generowania pęcherzy gazowych w cieczy płynącej zgodnie z kierunkiem grawitacji metodą rozpraszania gazu w cieczy i wytwarzania dyspersji gazciecz, mający zastosowanie w przypadku cieczy opływającej dystrybutor gazu. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że dystrybutor gazu (1) o kształcie bryły obrotowej wprawia się w ruch obrotowy lub obrotowo-oscylacyjny, przy czym oś obrotu dystrybutora (1) jest prostopadła do kierunku przepływu cieczy

Description

(21) Numer zgłoszenia: 354464 (51) Int.Cl.

B01F 3/04 (2006.01) B01J 10/00 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 13.06.2002

Sposób generowania pęcherzy gazowych w cieczy płynącej zgodnie z kierunkiem grawitacji

	(73) Uprawniony z patentu: Politechnika Warszawska,Warszawa,PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 15.12.2003 BUP 25/03	(72) Twórca(y) wynalazku:
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	Piotr Machniewski,Grodzisk Mazowiecki,PL Andrzej Biń,Warszawa,PL Stanisław Wroński,Warszawa,PL Geoffrey Evans,Hamilton,AU
31.03.2009 WUP 03/09	(74) Pełnomocnik: Joanna Bocheńska

(57) Przedmiotem wynalazku jest sposób generowania pęcherzy gazowych w cieczy płynącej zgodnie z kierunkiem grawitacji metodą rozpraszania gazu w cieczy i wytwarzania dyspersji gazciecz, mający zastosowanie w przypadku cieczy opływającej dystrybutor gazu. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że dystrybutor gazu (1) o kształcie bryły obrotowej wprawia się w ruch obrotowy lub obrotowo-oscylacyjny, przy czym oś obrotu dystrybutora (1) jest prostopadła do kierunku przepływu cieczy.

B1

PL 201 088 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób generowania pęcherzy gazowych w cieczy płynącej zgodnie z kierunkiem grawitacji metodą rozpraszania gazu w cieczy i wytwarzania dyspersji gaz-ciecz, mający zastosowanie w przypadku cieczy opływającej dystrybutor gazu.

Aby zapewnić odpowiednie rozwinięcie powierzchni międzyfazowej dla wymiany masy w absorberach, bardzo często faza gazowa jest rozpraszana w cieczy w formie dyspersji pęcherzy (bioreaktory, kolumny barbotażowe, mieszalniki barbotażowe). Najczęściej gaz jest wprowadzany przy pomocy dysz lub porowatych (perforowanych) elementów rozpraszających.

W przypadku rozpraszania gazu w strumieniu cieczy, istniejące w praktyce rozwiązania w postaci stosowania nieruchomych perforowanych pierścieni, dysz lub otworów w ściance kanału, przez który płynie ciecz, wywołują powstanie stacjonarnych, wentylowanych kawern gazowych umiejscowionych w „śladzie” za nieruchomym dystrybutorem. Efekt ten występuje szczególnie wyraźnie, gdy gaz jest wprowadzany do strumienia cieczy płynącej „do dołu” w przewodach pionowych. To niekorzystne zjawisko jest obserwowane w bioreaktorach przemysłowych z mieszaniem barbotażowym z zewnętrzną pętlą zwrotną w których aby uniknąć powstania stref beztlenowych, powietrze lub tlen są także wprowadzane do obszaru bioreaktora, gdzie brzeczka fermentacyjna jest zawracana i płynie do dołu przewodem opadowym i polega ono na tym, że zamiast powstania roju małych pęcherzy tworzy się duży, stacjonarny pęcherz (korek gazowy) „zaczepiony” pod dystrybutorem wprowadzającym gaz.

Znane jest z japońskiego opisu patentowego nr JP 58196832 rozpraszanie gazu z dystrybutora w kształcie bryły obrotowej, obracającego się wokół osi poziomej w zbiorniku bez przepływu cieczy. Wytworzone pęcherze poruszają się do góry, a więc nie występują warunki prowadzące do powstawania kawern gazowych zaczepionych pod dystrybutorem gazu. Znane jest również z japońskiego opisu patentowego nr JP 59230626 rozpraszanie gazu z dystrybutora obracającego się wokół osi pionowej, umieszczonego w przepływowym zbiorniku, w którym ciecz płynie do góry. W cytowanym rozwiązaniu, tak jak w poprzednim japońskim opisie patentowym, nie występują warunki prowadzące do powstawania kawern gazowych zaczepionych pod dystrybutorem gazu.

Pęcherze takie utrudniają stabilną pracę bioreaktorów. Mogą one spowodować zatrzymanie cyrkulacji brzeczki fermentacyjnej lub nawet jej odwrócenie, co przynosi określone straty spowodowane zatrzymaniem i ponownym rozruchem bioreaktora. Zmniejszają one także użyteczną objętość roboczą bioreaktora oraz powierzchnię wymiany masy (absorpcji tlenu).

Podobne zjawisko obserwowane jest w mieszalnikach barbotażowych gdzie poziome, wentylowane kawerny gazowe tworzą się za łopatami mieszadła (zwłaszcza w przypadku istniejących rozwiązań mieszadeł samozasysających gaz, gdzie łopaty są nieruchome względem wału napędowego mieszadła). Powstanie dyspersji małych pęcherzy związane jest z rozpadem tych kawern gazowych (odrywaniem i rozdrabnianiem pęcherzy) pod wpływem naprężeń burzliwych. Wytworzenie dyspersji o małej wartości średniej średnicy pęcherzy wiąże się ze znaczną energochłonnością w przypadki konwencjonalnej metody wprowadzania gazu.

Znane jest z japońskiego opisu patentowego nr JP 58196832 rozpraszanie gazu z dystrybutora w kształcie bryły obrotowej, obracającego się wokół osi poziomej w zbiorniku bez przepływu cieczy. Wytworzone pęcherze poruszają się do góry, a więc nie występują warunki prowadzące do powstawania kawern gazowych zaczepionych pod dystrybutorem gazu. Znane jest również z japońskiego opisu patentowego nr JP 59230626 rozpraszanie gazu z dystrybutora obracającego się wokół osi pionowej, umieszczonego w przepływowym zbiorniku, w którym ciecz płynie do góry. W cytowanym rozwiązaniu, tak jak w poprzednim japońskim opisie patentowym, nie występują warunki prowadzące do powstawania kawern gazowych zaczepionych pod dystrybutorem gazu.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie tych niekorzystnych zjawisk i niedopuszczenie do tworzenia się kawern gazowych (korków gazowych) w pobliżu dystrybutora gazu w cieczy płynącej zgodnie z kierunkiem grawitacji.

Sposób generowania pęcherzy gazu w cieczy płynącej zgodnie z kierunkiem grawitacji metodą rozpraszania gazu w cieczy i wytwarzania dyspersji gaz-ciecz przez dozowanie gazu do przepływającej cieczy za pośrednictwem dystrybutora gazu o porowatej lub perforowanej powierzchni polega na tym, że dystrybutor gazu o kształcie bryły obrotowej wprawia się w ruch obrotowy lub obrotowo-oscylacyjny, przy czym oś obrotu dystrybutora jest prostopadła do kierunku przepływu cieczy. Jednoczesne wytworzenie ruchu obrotowego lub obrotowo-oscylacyjnego powierzchni dystrybutora powoduje w zerwanie stacjonarnego pęcherza (kawerny gazowej) lub niedopuszczenie do jego utworzenia.

PL 201 088 B1

Istotnym elementem jest to, że oś obrotu dystrybutora gazu o kształcie bryły obrotowej jest prostopadła do kierunku przepływu cieczy, który jest zgodnym z kierunkiem grawitacji. Jednocześnie obrotowy ruch powierzchni dystrybutora gazu względem otaczającej go cieczy poprawia warunki powstawania pęcherzy o mniejszej średnicy poprzez ich zrywanie zanim osiągną średnicę odpowiadającą średnicy pęcherzy odrywających się od dystrybutora nieruchomego w podobnym układzie.

Rozwiązanie według wynalazku objaśnione jest w przykładzie wykonania przedstawionym schematycznie na rysunku fig. 1, fig. 2 przedstawia zastosowanie dystrybutora według wynalazku w bioreaktorze, fig. 3a w przedstawia tworzenie się kawerny dla ω <ω _kry a fig. 3b przedstawia sytuację, gdy ω>ω ^kryt.

Przykład. Na rysunku fig. 1 przedstawiony jest przekrój osiowy dynamicznego generatora pęcherzy, który stanowi porowaty dystrybutor gazu o kształcie bryły obrotowej (walec o średnicy 10 mm i długości 50 mm) wydrążonej w środku, zamocowany osiowo na rurce 2 obracającej się i oscylującej w łożysku 6 zamocowanym w ścianie przewodu opadowego 4 o przekroju kołowym i średnicy 52 mm. Gaz zasilający z natężeniem objętościowym 0,05 m³/h dopływa przez rurkę 2, która stanowi jednocześnie wał napędowy dystrybutora gazu 1. Napęd wału 2 oraz łożysko 6 są zamknięte szczelnie w obudowie 5 zasilanej gazem przez króciec wlotowy 3. Napęd wału może być elektryczny lub jeśli jest to konieczne, pneumatyczny (turbinowy) wykorzystujący energię sprężonego gazu zasilającego dystrybutor. Wariant wykonania powierzchni cylindrycznej części dynamicznego dystrybutora gazu 1 obejmuje także zastosowanie elastycznej membrany z nacięciami, które pozostawałyby zamknięte w sytuacji, gdy dystrybutor jest unieruchomiony, a otwierałyby się pod działaniem siły odśrodkowej w sytuacji, gdy dystrybutor wiruje z prędkością o >o kry umożliwiając generację pęcherzy co przedstawiono na rysunku fig. 3b. Wartość ω kyt w przypadku wody jako cieczy płynącej przewodem opadowym 4 z prędkością pozorną 0,36 m/s wynosi 3700 obr/min.

Na rysunku fig. 2 przedstawiono przykład zastosowania dystrybutora gazu w bioreaktorze z mieszaniem barbotażowym. Dynamiczny dystrybutor gazu 1 jest wmontowany w przewodzie opadowym 4. Cyrkulacja brzeczki fermentacyjnej jest utrzymywana dzięki różnicy średniej gęstości płynu w przewodzie opadowym 4 i rurze wznośnej 8, do którego jest dodatkowo dostarczany gaz dystrybutorem konwencjonalnym 7. Mieszanina dwufazowa gaz-ciecz ulega rozdziałowi w separatorze 9. Na rysunku fig. 3 zilustrowano działanie dynamicznego dystrybutora gazu 1. Gdy szybkość jego rotacji jest niższa od pewnej wartości krytycznej (właściwej dla danej geometrii dystrybutora i prędkości cieczy) stacjonarny pęcherz - kawerna 10 tworzy się pod dystrybutorem 1, podobnie jak w przypadku tradycyjnych, nieruchomych dystrybutorów (rys. fig. 3a). Kiedy jednak szybkość rotacji jest wyższa od wartości krytycznej, nie występuje zjawisko tworzenia się kawerny i gaz jest rozpraszany w formie małych pęcherzy 11, unoszonych w strumieniu cieczy.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób generowania pęcherzy gazu w cieczy płynącej zgodnie z kierunkiem grawitacji metodą rozpraszania gazu w cieczy i wytwarzania dyspersji gaz-ciecz przez dozowanie gazu do przepływającej cieczy za pośrednictwem dystrybutora gazu o porowatej lub perforowanej powierzchni, znamienny tym, że dystrybutor gazu (1) o kształcie bryły obrotowej wprawia się w ruch obrotowy lub obrotowo-oscylacyjny, przy czym oś obrotu dystrybutora (1) jest prostopadła do kierunku przepływu cieczy.