RU2006279C1

RU2006279C1 - Device for saturating fluid with gas

Info

Publication number: RU2006279C1
Application number: SU914919022A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Ковальчук; В.И. Осипов; М.Н. Сыровец; Э.А. Татаринов; Ю.Г. Чистяков
Original assignee: Головное конструкторское бюро научно-производственного объединения "Энергия" им.акад.С.П.Королева
Priority date: 1991-03-14
Filing date: 1991-03-14
Publication date: 1994-01-30

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: device has a vertical cylindrical case to which body a gas feed branch pipe is connected, and a mixing member with a vibration drive. The mixing member is made in the form of a vertical bellow shell with a sealed cover on the upper end. The lower end of the bellow shell when a rod is in a rear lower position is pressed to the case bottom shuts the section of the gas feed branch pipe off, and when the rod moves up forms a clearance between the bottom. Oscillations of the bellow shell provide gas feed from the branch pipes and its pulse ingress in a fine-dispersed state into the fluid. EFFECT: intensified mass exchange. 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для проведения масообменных процессов при получении дисперсных систем жидкость-газ, жидкость-газ-твердое и может найти применение в химической, пищевой и других отраслях промышленности. The invention relates to devices for carrying out maso-exchange processes in the preparation of dispersed liquid-gas, liquid-gas-solid systems and can find application in chemical, food and other industries.

Известно устройство для насыщения жидкости газом, содержащее корпус с крышкой и патрубками для жидкости и газа, внутри которого размещены мешалка с приводом вращения и барботер, установленный в газоподводящем патрубке, выполненный в виде перфорированного диска и пульсатора [1] . A device for saturating a liquid with gas is known, comprising a housing with a lid and nozzles for liquid and gas, inside of which there is a mixer with a rotation drive and a bubbler installed in the gas supply pipe, made in the form of a perforated disk and pulsator [1].

Недостатками данного устройства являются низкая интенсивность процесса тепломассообмена между жидкостью и газом, а также большие энергозатраты на перемешивание жидкости и газа. The disadvantages of this device are the low intensity of the process of heat and mass transfer between the liquid and gas, as well as the high energy consumption for mixing the liquid and gas.

Известно устройство для насыщения жидкости газом, содержащее вертикальный цилиндрический корпус, мешалку с приводом вращения и газоподводящий патрубок с пульсатором, подключенный к днищу корпуса через перфорированный диск, и телескопическую резонансную камеру с резонатором [2] . A device is known for saturating a liquid with gas, comprising a vertical cylindrical body, a stirrer with a rotation drive, and a gas supply pipe with a pulsator connected to the bottom of the body through a perforated disk, and a telescopic resonant chamber with a resonator [2].

При работе данного устройства газ, подаваемый на смешение от источника повышенного давления, проходит через пульсатор, в котором возбуждаются волны давления, и поступает в телескопическую камеру, настроенную на резонанс с пульсатором, в которой колебания давления газа усиливаются. Колебания газа через отверстия перфорированного диска передаются прилегающему слою жидкости в нижней части корпуса. В данном устройстве основной процесс взаимодействия жидкости и газа обеспечивается с помощью мешалки, турбулизирующей жидкость в корпусе и осуществляющей перемешивание жидкости с газом за счет создания тангенциальных потоков жидкости. Колебания давления газа, подводимого к перфорированному диску, лишь немного интенсифицируют этот процесс. При этом колебания давления подводимого газа, воздействуя на нижний слой жидкости в аппарате, не оказывают ощутимого влияния на остальной объем жидкости, колебания самих отрывающихся пузырьков газа быстро затухают, что не позволяет существенно интенсифицировать процесс массообмена между жидкостью и газом. Наличие в известном устройстве телескопической резонансной камеры с настроечным резонатором и перфорированным диском, пульсатора с приводом и источника газа повышенного давления усложняет конструкцию и работу известного устройства. Кроме того, низкая интенсивность массообмена между жидкостью и газом при наличии приводов мешалки, пульсатора и источника сжатого газа обуславливают повышенные затраты энергии при работе известного устройства. During operation of this device, the gas supplied to the mixing from a source of high pressure passes through a pulsator, in which pressure waves are excited, and enters a telescopic chamber tuned to a resonator with a pulsator, in which the gas pressure fluctuations are amplified. Oscillations of gas through the holes of the perforated disk are transmitted to the adjacent layer of liquid in the lower part of the housing. In this device, the main process of interaction between liquid and gas is provided with the help of an agitator, turbulizing the liquid in the housing and mixing the liquid with gas by creating tangential fluid flows. Fluctuations in the pressure of the gas supplied to the perforated disk, only slightly intensify this process. In this case, the pressure fluctuations of the supplied gas, acting on the lower liquid layer in the apparatus, do not have a noticeable effect on the remaining volume of the liquid, the oscillations of the detached gas bubbles themselves decay quickly, which does not significantly intensify the process of mass transfer between the liquid and gas. The presence in the known device of a telescopic resonance chamber with a tuning resonator and a perforated disk, a pulsator with a drive and a gas source of high pressure complicates the design and operation of the known device. In addition, the low intensity of the mass transfer between the liquid and the gas in the presence of agitator drives, a pulsator and a source of compressed gas causes increased energy consumption during operation of the known device.

Наиболее близким к описываемому является устройство для насыщения жидкости газом [3] , содержащее вертикальный цилиндрический корпус, в нижней части которого размещен перемешивающий и диспергирующий орган-перфорированный стакан, установленный вверх днищем и соединенный посредством вертикального штока с виброприводом, при этом стакан в своей нижней части снабжен дополнительным вогнутым днищем с центральным отверстием, отверстия перфорации в стакане выполнен в виде сопел, сужающихся к выходу, а полость стакана сообщена с газоподводящим патрубком, подключенным к днищу корпуса. Перед работой данного устройства корпус его заполняется жидкостью, затем включается вибропривод и производится подача газа. При работе устройства происходит подача газа в полость перфорированного стакана, совершающего вертикальные колебания, при одновременном поступлении туда же жидкости через центральное отверстие в нижнем днище стакана, а образующаяся газожидкостная смесь выходит через перфорацию стакана. То есть при работе устройства происходит непрерывная рециркуляция жидкости через полость стакана, что связано с дополнительными энергозатратами вследствие значительного гидросопротивления перфорации (сопловых отверстий) и центрального отверстия стакана потоку жидкости. Это существенно ограничивает амплитуду и виброускорение колебаний стакана и, соответственно, интенсивность массообмена фаз в полости стакана и интенсивность выхода пульсирующих струй из отверстий стакана, а также интенсивность пульсации давления жидкости и ее турбулизацию в объеме аппарата. Данное устройство вследствие низкой турбулизации жидкости и малой скорости выхода газа из стакана не позволяет обеспечить высокую интенсивность массобмена между жидкостью и газом. При этом постоянное наличие жидкости в полости стакана затрудняет поступление в эту полость газа, снижая его расход, что дополнительно ограничивает интенсивность процесса и скорость насыщения жидкости в аппарате. Увеличение же размеров стакана связано с резким повышением гидросопротивления при его колебаниях в жидкости и соответствующим увеличением энергозатрат. Кроме того, выполнение стакана с сопловыми отверстиями в днище и боковой стенке, имеющего нижнее вогнутое днище с центральным отверстием, усложнят конструкцию известного устройства. В данном устройстве при колебаниях стакана сохранят зазор между его торцом и днищем корпуса, что приводит (ввиду большого сопротивления отверстий перфорации) к выходу части газа через центральное отверстие стакана в виде крупных пузырей, что снижает эффективность процесса насыщения жидкости. Closest to the described is a device for saturating a liquid with gas [3], containing a vertical cylindrical body, in the lower part of which there is a mixing and dispersing organ-perforated glass, mounted upside down and connected via a vertical rod with a vibrator, the glass in its lower part equipped with an additional concave bottom with a central hole, the perforation holes in the glass are made in the form of nozzles, tapering to the exit, and the glass cavity is in communication with the gas supply pipe connected to the bottom of the housing. Before the operation of this device, its body is filled with liquid, then the vibrodrive is turned on and gas is supplied. When the device is operating, gas is supplied to the cavity of the perforated glass, which performs vertical vibrations, while the same liquid enters through the central hole in the lower bottom of the glass, and the resulting gas-liquid mixture exits through the glass perforation. That is, when the device is in operation, there is continuous liquid recirculation through the cavity of the glass, which is associated with additional energy consumption due to the significant hydraulic resistance of perforation (nozzle holes) and the central hole of the glass to the liquid flow. This significantly limits the amplitude and vibration acceleration of the oscillations of the glass and, accordingly, the intensity of mass transfer of phases in the cavity of the glass and the intensity of the output of pulsating jets from the openings of the glass, as well as the intensity of the pulsation of the fluid pressure and its turbulence in the volume of the apparatus. This device due to the low turbulization of the liquid and the low rate of gas exit from the glass does not allow for a high intensity of mass transfer between the liquid and the gas. Moreover, the constant presence of liquid in the cavity of the glass makes it difficult for gas to enter the cavity, reducing its consumption, which further limits the intensity of the process and the rate of saturation of the liquid in the apparatus. The increase in the size of the glass is associated with a sharp increase in hydraulic resistance during its fluctuations in the liquid and a corresponding increase in energy consumption. In addition, the implementation of the glass with nozzle holes in the bottom and side wall having a lower concave bottom with a Central hole, complicate the design of the known device. In this device, when the cup oscillates, they will maintain a gap between its end and the bottom of the body, which leads (due to the high resistance of the perforation holes) to the exit of a part of the gas through the central opening of the cup in the form of large bubbles, which reduces the efficiency of the liquid saturation process.

Целью изобретения является интенсификация массообмена между жидкостью и газом и снижение энергозатраты. The aim of the invention is the intensification of mass transfer between liquid and gas and the reduction of energy consumption.

Цель достигается тем, что в устройстве для насыщения жидкости газом, содержащем веpтикальный цилиндрический корпус, к днищу которого подсоединен газоподводящий патрубок, и установленный в корпусе вверх днищем стакан, соединенный посредством штока с виброприводом, причем нижний торец стакана перекрывает сочетание газоподводящего патрубка, стакан выполнен в виде сильфонной оболочки с герметичной крышкой на верхнем торце, при этом в крайнем нижнем положении стакана нижний торец сильфонной оболочки герметично прижат к днищу корпуса. Сильфон выполняется тонкостенным с гофрами, обеспечивающими ему хорошие эластичные и упругие свойства. The goal is achieved in that in a device for saturating a liquid with a gas containing a vertical cylindrical body, to the bottom of which a gas supply pipe is connected, and a glass installed in the housing upside down, connected by means of a rod with a vibrodrive, the lower end of the glass overlapping the combination of the gas supply pipe, the glass is made in in the form of a bellows shell with a sealed cover on the upper end, while in the lowermost position of the glass, the lower end of the bellows shell is hermetically pressed to the bottom of the housing. The bellows is thin-walled with corrugations, providing it with good elastic and elastic properties.

При колебаниях стакана с частотой 30-50 Гц происходит импульсное растягивание и сжатие его гофрированной боковой стенки с одновременным изменением объема полости стакана, а также периодическое образование и закрытие кольцевого зазора между торцом сильфона и днищем корпуса. Это вызывает непрерывный подсос газа из газоподводящего патрубка и импульсный выброс его через периодически открывающийся кольцевой зазор в жидкость, обеспечивающий тонкое дисперигирование газа. Одновременно колебания гофрированного стакана и импульсные потоки (струи) газа создают интенсивные пульсации давления, турбулизирующие объем жидкости. В результате обеспечивается интенсивный массообмен между газом и жидкостью и повышается эффективность процесса насыщения. Уменьшаются размеры стакана и значительно снижается его масса, что позволяет снизить мощность вибропривода. Исключение источника подачи газа, снижение веса рабочего органа-стакана, а также интенсификация процесса массообмена позволяют уменьшить энергозатраты при насыщении жидким газом. Отсутствие источника подачи газа и упрощение рабочего органа позволяют упростить конструкцию устройства. When the glass oscillates with a frequency of 30-50 Hz, the corrugated side wall is pulled and compressed impulse with a simultaneous change in the volume of the glass cavity, as well as the periodic formation and closing of the annular gap between the bellows end and the bottom of the body. This causes a continuous suction of gas from the gas supply pipe and its pulsed ejection through a periodically opening annular gap into the liquid, providing fine dispersion of the gas. At the same time, the vibrations of the corrugated glass and the pulsed flows (jets) of gas create intense pressure pulsations that turbulent the volume of the liquid. The result is an intensive mass transfer between gas and liquid and the efficiency of the saturation process is increased. The size of the glass is reduced and its mass is significantly reduced, which reduces the power of the vibrodrive. The exclusion of the source of gas supply, the reduction in the weight of the working body-cup, as well as the intensification of the mass transfer process can reduce energy consumption when saturated with liquid gas. The absence of a gas supply source and the simplification of the working body make it possible to simplify the design of the device.

Конструкция предложенного устройства представлена на прилагаемом чертеже. The design of the proposed device is presented in the attached drawing.

Устройство содержит цилиндрический вертикальный корпус 1 с крышкой 2 и патрубками 3 и 4 для залива и слива жидкости. В днище 5 корпуса 1 по его центру закреплена верхняя часть газоподводящего патрубка 6, установленного под днищем корпуса. В нижней части корпуса 1 над газоподводящим патрубком 6 размещен перемешивающий орган, выполненный в виде вертикальной сильфонной оболочки 7, имеющей на верхнем торце герметичную крышку 3. Перемешивающий орган закреплен на нижнем конце вертикального штока 9, жестко соединенного с крышкой 8. Шток 9 подсоединен к источнику вертикальных колебаний - вибратору 10, установленному снаружи корпуса 1 на крышке 2, в которой выполнено центральное отверстие 11 для прохода штока и выхода воздуха. Таким образом, перемешивающий орган установлен в корпусе 1 с возможностью вертикальных колебаний, причем в крайнем нижнем положении штока 9 нижний торец сильфонной оболочки 7 герметично прижат к днищу 5 корпуса, а при движении штока вверх образуется кольцевой зазор между торцом оболочки и днищем корпуса. Диаметр сильфонной оболочки 7 выбирается в несколько раз большим диаметра газоподводящего патрубка 6, поэтому нижний торец оболочки, размещенной над патрубком, перекрывает сечение патрубка, закрепленного в днище корпуса. The device comprises a cylindrical vertical housing 1 with a cover 2 and nozzles 3 and 4 for filling and draining the liquid. In the bottom 5 of the housing 1 in its center is fixed the upper part of the gas supply pipe 6 installed under the bottom of the housing. In the lower part of the housing 1 above the gas supply pipe 6 there is a mixing body made in the form of a vertical bellows shell 7 having a sealed cover 3 at the upper end. The mixing body is mounted on the lower end of the vertical rod 9, rigidly connected to the cover 8. The rod 9 is connected to the source vertical vibrations - a vibrator 10 mounted on the outside of the housing 1 on the cover 2, in which a Central hole 11 for the passage of the rod and the air outlet. Thus, the mixing body is installed in the housing 1 with the possibility of vertical vibrations, and in the lowermost position of the rod 9, the lower end of the bellows shell 7 is tightly pressed to the bottom of the housing 5, and when the rod moves upward, an annular gap is formed between the end of the shell and the bottom of the housing. The diameter of the bellows shell 7 is selected several times larger than the diameter of the gas supply pipe 6, therefore, the lower end of the shell placed above the pipe overlaps the cross section of the pipe fixed in the bottom of the housing.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При закрытом газоподводящем патрубке 6 производится заполнение жидкостью корпуса 1 до уровня, составляющего 0,8-0,9 его высоты (при большем уровне заполнения может происходить выброс капель жидкости с отходящим газом в процессе насыщения). Затем включается вибратор 10, побуждающий через шток 9 периодические колебания сильфонной оболочки (сильфона) 7 в вертикальном направлении, и открывается клапан на газоподводящем патрубке 6. При колебаниях сильфона 7, осуществляемых в звуковом диапазоне частот 30-50 Гц, происходит периодическое прижатие его нижнего открытого торца к днищу 5 корпуса и последующее движение торца сильфона вверх с образованием зазора между ним и днищем 5. При этом вследствие высоких эластичных и упругих свойств сильфона происходит его периодическое импульсное растягивание (при движении штока вверх) и сжатие (при движении штока вниз), а также периодическое открывание и закрытие кольцевого зазора между торцом сильфона и днищем 5 корпуса. При импульсном растягивании сильфона объем его внутренней полости увеличивается и происходит импульсный поднос из патрубка 6 газа, часть которого поступает в полость сильфона, а часть - выбрасывается в жидкость через открывающийся кольцевой зазор в этот полупериод колебаний. В последующий полупериод колебаний - при движении штока вниз - поступивший в сильфон газ вследствие сжатия сильфона выбрасывается через кольцевой зазор в жидкость. При этом, как показали проведенные экспериментальные исследования, на входе газопроводящего патрубка 6 в корпус 1 создается устойчивое разрежение порядка 4-5 мм вод. ст. (0,6-0,5 ата), обеспечивающее подсос газа в полость корпуса из патрубка 6 без использования специальных средств для подачи газа. Таким образом, периодические колебания сильфона 7 с частотой 30-50 Гц обеспечивают непрерывное поступление газа из газоподводящего патрубка и импульсный выброс его в жидкостную часть корпуса. При этом происходит диспергирование (дробление) поступающего в жидкость газа на множество мелких динамически активных пузыpьков, насыщающих весь объем жидкости, за счет чего обеспечивается максимальная удельная поверхность взаимодействия газа и жидкости. Одновременно с этим колебания крышки 8 сильфона 7 в жидкости возбуждают пульсации давления жидкости и турбулизацию ее объема. При этом имеет место непосредственное взаимодействие рабочего органа - крышки сильфона с жидкостью. При взаимодействии массы динамически активных мелкодисперсных пузырьков газа с пульсирующими потоками жидкости достигается очень высокая интенсивность массообмена между жидкостью и газом, обеспечивающая высокую степень насыщения жидкости газом. When the gas supply pipe 6 is closed, the housing 1 is filled with liquid to a level of 0.8-0.9 of its height (with a higher filling level, droplets of liquid with exhaust gas may be ejected during saturation). Then the vibrator 10 is turned on, causing through the stem 9 periodic oscillations of the bellows shell (bellows) 7 in the vertical direction, and the valve opens on the gas supply pipe 6. When vibrations of the bellows 7, carried out in the sound frequency range of 30-50 Hz, periodically pressing its lower open end to the bottom 5 of the housing and the subsequent movement of the end of the bellows up with the formation of a gap between it and the bottom 5. In this case, due to the high elastic and elastic properties of the bellows, its periodic pulse retraction (when the rod moves up) and compression (when the rod moves down), as well as the periodic opening and closing of the annular gap between the bellows end and the bottom 5 of the body. With pulsed stretching of the bellows, the volume of its internal cavity increases and there is a pulsed tray from the pipe 6 of the gas, part of which enters the cavity of the bellows, and part is ejected into the liquid through the opening annular gap in this half-cycle of oscillations. In the subsequent half-period of oscillations — when the rod moves downward — the gas entering the bellows due to compression of the bellows is ejected through the annular gap into the liquid. Moreover, as shown by experimental studies, at the inlet of the gas-conducting pipe 6 into the housing 1, a stable vacuum of about 4-5 mm of water is created. Art. (0.6-0.5 ATA), which ensures the suction of gas into the cavity of the housing from the pipe 6 without the use of special means for supplying gas. Thus, the periodic oscillations of the bellows 7 with a frequency of 30-50 Hz provide a continuous flow of gas from the gas supply pipe and its pulsed emission into the liquid part of the housing. In this case, dispersing (crushing) of the gas entering the liquid into many small dynamically active bubbles saturating the entire volume of the liquid occurs, which ensures the maximum specific surface of the gas-liquid interaction. At the same time, the oscillations of the cover 8 of the bellows 7 in the liquid excite pulsations of the pressure of the liquid and the turbulence of its volume. In this case, there is a direct interaction of the working body - the bellows cover with liquid. When the mass of dynamically active finely dispersed gas bubbles interacts with pulsating fluid flows, a very high intensity of mass transfer between the liquid and gas is achieved, providing a high degree of liquid saturation with gas.

По окончании процесса насыщения перекрывают газоподводящий патрубок 6 и выключают вибратор 10. Колебания сильфона 7 прекращаются, и насыщенная газом жидкость сливается из аппарата через патрубок 7. At the end of the saturation process, shut off the gas supply pipe 6 and turn off the vibrator 10. The vibrations of the bellows 7 cease, and the gas-saturated liquid is drained from the apparatus through the pipe 7.

Экспериментальная отработка предложенного технического решения проводилась на модельной установке, включающей вертикальный прозрачный сосуд емкостью 30 л и вибратор электродинамического вибростенда ВЭДС-10А. Наружный диаметр сильфонной оболочки составляет 75 мм при высоте гофра сильфона 6 мм, длина оболочки 70 мм, внутренний диаметр газоподводящего патрубка 10 мм. При частоте вибратора 45-50 Гц, виброускорении 5-7 g и амплитуде колебаний 3-5 мм расход воздуха через газоподводящий патрубок составлял 22-28 л/мин, а разрежение на входе газоподводящего патрубка в корпус составляло 0,5-0,6 ата. Степень диспергирования пузырьков газа в жидкости составляла 0,5-2 мм, максимальное насыщение жидкости газом достигалось через 30-40 с. The experimental development of the proposed technical solution was carried out on a model installation including a vertical transparent vessel with a capacity of 30 l and a vibrator of the VEDS-10A electrodynamic vibrostand. The outer diameter of the bellows shell is 75 mm with a bellows corrugation height of 6 mm, the shell length is 70 mm, and the inner diameter of the gas supply pipe is 10 mm. With a vibrator frequency of 45-50 Hz, vibration acceleration of 5-7 g and an oscillation amplitude of 3-5 mm, the air flow through the gas inlet was 22-28 l / min, and the vacuum at the inlet of the gas inlet into the body was 0.5-0.6 at . The degree of dispersion of gas bubbles in the liquid was 0.5–2 mm; the maximum saturation of the liquid with gas was achieved after 30–40 s.

(56)1. Авторское свидетельство СССР N 528110, кл. B 01 F 3/04, 1976. (56) 1. USSR author's certificate N 528110, cl. B 01 F 3/04, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР N 584883, кл. B 01 F 13/00, 1977. 2. USSR author's certificate N 584883, cl. B 01 F 13/00, 1977.

3. Авторское свидетельство СССР N 877833, кл. B 01 F 11/00, 1982. 3. Copyright certificate of the USSR N 877833, cl. B 01 F 11/00, 1982.

Claims

DEVICE FOR LIQUIDATING LIQUID WITH GAS, containing a vertical cylindrical body, to the bottom of which a gas supply pipe is connected, a glass installed in the housing upside down, connected by means of a rod with a vibrodrive and covering the lower section of the gas supply pipe, characterized in that, in order to intensify mass transfer between the liquid and gas and reduce energy consumption, the glass is made in the form of a bellows shell with a sealed cover on the upper end, while in the extreme lower position of the bellows points lower end of its tightly pressed against the bottom of the housing.