RU2754007C1

RU2754007C1 - Vortex gas-liquid mixer

Info

Publication number: RU2754007C1
Application number: RU2020114521A
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Бурлов
Original assignee: Акционерное Общество "Вента" (Ао "Вента")
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-08-25
Also published as: WO2021215964A2; WO2021215964A3

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to device intended for organization of processes of mixing fluid with gas-air mixture or with several gases supplied together, namely to vortex gas-liquid mixer. Proposed mixer comprises coaxially arranged inlet fluid pipe to feed prepared fluid into mixing chamber, vortex expansion chamber to homogenise gas-liquid mixture at device outlet. At that, swirler of annular air and annular gas swirler are installed in mixer and installed in counterflow directions to provide tangential air and gas supply to mixing zones. Besides, swirler housing has inlet holes for supplied prepared air and gas to annular air and gas swirlers and serves as connecting device.

EFFECT: technical result is to intensify processes of gas phase absorption, as well as preliminary homogenisation of saturated gas-liquid mixture before supply to consumer.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для организации процессов смешения жидкости с газовоздушной смесью или с несколькими газами, подаваемыми совместно, а также интенсификации этих процессов.The invention relates to a device intended for organizing the processes of mixing a liquid with a gas-air mixture or with several gases supplied together, as well as intensifying these processes.

Данное устройство может быть использовано в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, пищевой, фармацевтической промышленности, а также при организации микробиологических и биотехнологических процессов.This device can be used in the oil refining, petrochemical, chemical, food, pharmaceutical industries, as well as in the organization of microbiological and biotechnological processes.

С целью интенсификации процесса смешения фаз используют попеременное изменение формы и направления потока, закручивание, эффективное распределение газожидкостного потока по рабочему объему аппарата. Смешивание жидкости с газом вихревыми газожидкостными смесителями находит широкое применение, как способ интенсификации технологических процессов теплообмена и массообмена.In order to intensify the phase mixing process, alternating changes in the shape and direction of the flow, swirling, and effective distribution of the gas-liquid flow over the working volume of the apparatus are used. Mixing liquid with gas by vortex gas-liquid mixers is widely used as a way to intensify technological processes of heat transfer and mass transfer.

Известен вихревой смеситель (авторское свидетельство СССР №251545, МПК B01F5/04, опубликовано 09.10.1969), содержащий смесительную камеру с тангенциальными вводами, которая для интенсификации процесса смешивания размещена в клапане распределительного устройства.Known vortex mixer (USSR inventor's certificate No. 251545, IPC B01F5 / 04, published 09.10.1969), containing a mixing chamber with tangential inputs, which to intensify the mixing process is placed in the valve of the distributor.

Недостатком данного устройства является невысокая эффективность смешивания подаваемых потоков.The disadvantage of this device is the low mixing efficiency of the supplied streams.

Из области техники известен смеситель жидкостей и газов (патент РФ №2333789, МПК B01F3/04, опубликовано 20.09.2008 г.), содержащий торообразную камеру смешения, входные и выходной патрубки, подсоединенные к камере смешения по касательной. Подачу продуктов по входным патрубкам производят по одному направлению относительно вращения часовой стрелки, а выход смеси по выходному патрубку производят в противоположном направлении относительно вращения часовой стрелки. Скоростной закрученный характер течения в тороидальной камере смешения обеспечивает естественный механизм перемешивания входящих потоков. A mixer of liquids and gases is known from the field of technology (RF patent No. 2333789, IPC B01F3 / 04, published on September 20, 2008), containing a toroidal mixing chamber, inlet and outlet nozzles connected to the mixing chamber tangentially. The supply of products through the inlet pipes is carried out in one direction relative to the clockwise rotation, and the mixture outlet through the outlet pipe is made in the opposite direction relative to the clockwise rotation. The high-speed swirling nature of the flow in the toroidal mixing chamber provides a natural mechanism for mixing the incoming flows.

Недостатком данной конструкции является сложность в изготовлении торовой камеры, в особенности с использованием потоков с высоким давлением, ограниченная управляемость процессом смешения, который регулируется только величиной напора на входе, а также низкая эффективность смешения при однопроходном проведении процесса. The disadvantage of this design is the complexity in the manufacture of the torus chamber, in particular with the use of high-pressure flows, limited controllability of the mixing process, which is regulated only by the value of the pressure at the inlet, as well as low mixing efficiency in a single-pass process.

Известно устройство смешения жидкости и газа (патент РФ №2622414, МПК B01F3/04, опубликовано 15.06.2017 г.), содержащий осевую цилиндрическую камеру смешения и расположенные концентрически вокруг нее внутренний и внешний цилиндрические корпуса, причем осевая цилиндрическая камера смешения и внутренний цилиндрический корпус скреплены между собой и с внешним цилиндрическим корпусом посредством внутренних фланцев, на одном конце внешнего цилиндрического корпуса выполнен внешний фланец для присоединения к трубопроводу подачи жидкости, а на другом его конце выполнен внешний фланец для отвода смеси, на боковой поверхности камеры смешения выполнены щелевые просечки, к внешнему цилиндрическому корпусу присоединен по касательной внешний патрубок для подачи газа, а внешний и внутренний цилиндрические корпуса соединены по касательной внутренним патрубком. A device for mixing liquid and gas is known (RF patent No. 2622414, IPC B01F3 / 04, published on June 15, 2017), containing an axial cylindrical mixing chamber and located concentrically around it inner and outer cylindrical bodies, and the axial cylindrical mixing chamber and the inner cylindrical body fastened to each other and to the outer cylindrical body by means of inner flanges, at one end of the outer cylindrical body there is an outer flange for connection to the liquid supply pipeline, and at its other end there is an outer flange for withdrawing the mixture, slotted notches are made on the side surface of the mixing chamber, to the outer cylindrical body is tangentially connected to an outer pipe for supplying gas, and the outer and inner cylindrical bodies are tangentially connected by an inner pipe.

Недостатком данной конструкции является сложность изготовления закручивающего устройства в межтрубном пространстве аппарата. The disadvantage of this design is the complexity of manufacturing a swirling device in the annular space of the apparatus.

Известно смешивающее устройство (патент РФ №2585029, МПК B01F3/02, опубликовано 27.05.2016 г.), содержащее камеру смешения, соединенные с ней, по меньшей мере, две коаксиально размещенные цилиндрические трубы, по которым потоки текучей среды поступают на смешение, завихритель, установленный, по меньшей мере, в одной из труб, и штуцер для вывода смеси, завихритель установлен с возможностью подвода закрученного потока на вход камеры смешения с интенсивностью, определяемой из отношения момента количества движения потока текучей среды к осевому количеству движения потоков на входе в камеру смешения, которое равно или больше 0,7. Known mixing device (RF patent No. 2585029, IPC B01F3 / 02, published on May 27, 2016), containing a mixing chamber, connected to it, at least two coaxially placed cylindrical pipes, through which fluid flows enter for mixing, a swirler set at least at least in one of the pipes, and the nozzle for the mixture outlet, the swirler is installed with the possibility of supplying a swirling flow to the inlet of the mixing chamber with an intensity determined from the ratio of the moment of momentum of the fluid flow to the axial amount of movement of flows at the inlet to the mixing chamber, which is equal to or more than 0.7.

Получаемая смесь характеризуется значительной неоднородностью. Таким образом, это устройство не может рассматриваться как эффективный смеситель. The resulting mixture is characterized by significant heterogeneity. Thus, this device cannot be regarded as an efficient mixer.

Известен также, принятый за прототип, статический смеситель (см. патент №170199 RU на полезную модель, МПК B01F 5/00, опубликована 18.04.2017), предназначенный для перемешивания технологических потоков, содержащий трубчатый цилиндрический корпус с сужением в средней части, разделяющим его на патрубки для подвода первого из смешиваемых потоков и отвода смеси с, по меньшей мере, двумя патрубками подачи реагентов в смешиваемый поток, а патрубок отвода смеси представляет собой кавитационную камеру, содержащую турбулизирующий элемент в виде цилиндрического тела, установленного перпендикулярно стенкам патрубка отвода смеси, жестко закрепленного в стенках упомянутого патрубка, имеющего в основании входа трубчатого сужения средней части трубчатого цилиндрического корпуса сложное переменное сечение в виде уступа с внутренним обратным уклоном в виде конуса. It is also known, taken as a prototype, a static mixer (see patent No. 170199 RU for a utility model, IPC B01F 5/00, published on April 18, 2017), designed for mixing process streams, containing a tubular cylindrical body with a narrowing in the middle part dividing it to the nozzles for supplying the first of the mixed streams and discharge of the mixture with at least two nozzles for supplying the reagents to the mixed flow, and the nozzle for the discharge of the mixture is a cavitation chamber containing a turbulizing element in the form of a cylindrical body, installed perpendicular to the walls of the nozzle of the mixture withdrawal, rigidly fixed in the walls of the said branch pipe, having at the base of the entrance of the tubular constriction of the middle part of the tubular cylindrical body a complex variable section in the form of a step with an internal reverse slope in the form of a cone.

Недостатком данного статического смесителя является то, что в нем не достигается равномерного распределения смешиваемых компонентов по объему получаемой смеси.The disadvantage of this static mixer is that it does not achieve a uniform distribution of the mixed components over the volume of the resulting mixture.

Данный недостаток обусловлен тем, что создаваемое в нем поперечное движение перемешиваемой смеси недостаточно для достижения необходимого механического взаимодействия обрабатываемых сред.This disadvantage is due to the fact that the transverse movement of the mixed mixture created in it is insufficient to achieve the required mechanical interaction of the processed media.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является последовательное смешение потока подготовленной жидкости с воздухом и газом посредством встречно направленной закрутки, подаваемых в зону смешения потоков воздуха и газа, способствующей интенсификации процессов абсорбции газовой фазы, и производящей предварительную гомогенизацию насыщенной газожидкостной смеси перед подачей к потребителю, что значительно снижает время, необходимое на подготовку смеси жидкости, воздуха и газа и интенсифицирует процесс массопереноса.The technical problem to be solved by this invention is the sequential mixing of the prepared liquid stream with air and gas by means of counter-directed swirling supplied to the mixing zone of air and gas streams, which promotes intensification of the gas phase absorption processes, and produces preliminary homogenization of the saturated gas-liquid mixture before feeding to the consumer, which significantly reduces the time required to prepare a mixture of liquid, air and gas and intensifies the process of mass transfer.

Поставленная задача решается тем, что подготовленная жидкость через входной жидкостный патрубок подается в зону смешения соосно вихревым потокам воздуха и газа в вихревую расширительную камеру, обеспечивающую гомогенизацию получившейся газожидкостной смеси на выходе из устройства.The problem is solved by the fact that the prepared liquid is fed through the inlet liquid pipe into the mixing zone coaxially with the vortex flows of air and gas into the vortex expansion chamber, which ensures homogenization of the resulting gas-liquid mixture at the outlet of the device.

Отличительной особенностью вихревого газожидкостного смесителя является то, что корпус завихрителей, имеющий входные отверстия для подачи подготовленных воздуха и газа, выполняет функцию соединительного устройства кольцевых завихрителей воздуха и газа, обеспечивающих тангенциальную подачу воздуха и газа, соответственно, к зонам смешения в противоточных друг другу направлениях; A distinctive feature of the vortex gas-liquid mixer is that the swirler body, which has inlets for supplying prepared air and gas, serves as a connecting device for annular swirlers of air and gas, providing tangential supply of air and gas, respectively, to the mixing zones in opposite directions to each other;

Сущность изобретения поясняется конструктивной схемой, где на Фиг. 1 изображен вихревой газожидкостный смеситель в продольном разрезе, согласно изобретению; на Фиг. 2 изображены сечения по видам А-А и Б-Б, согласно изобретению.The essence of the invention is illustrated by a structural diagram, where in FIG. 1 shows a vortex gas-liquid mixer in longitudinal section, according to the invention; in FIG. 2 shows a section through types A-A and B-B, according to the invention.

Вихревой газожидкостный смеситель содержит корпус завихрителей 1, завихритель кольцевой воздушный 2, завихритель кольцевой газовый 3, патрубок входной жидкостный 4, камеру вихревую расширительную 5.The vortex gas-liquid mixer contains a housing of swirlers 1, an annular air swirler 2, an annular gas swirler 3, an inlet liquid pipe 4, an expansion vortex chamber 5.

Вихревой газожидкостный смеситель работает следующим образом. Через патрубок входной жидкостный 4 подается подготовленная жидкость в зону смешения «жидкость-воздух-газ». Одновременно происходит подача воздуха и газа через входные отверстия в завихритель кольцевой воздушный 2 и в завихритель кольцевой газовый 3 соответственно. Подача воздуха и газа к зонам смешения происходит тангенциально и в противоточном друг другу направлениях. Vortex gas-liquid mixer works as follows. Through the inlet liquid pipe 4, the prepared liquid is supplied to the mixing zone "liquid-air-gas". At the same time, air and gas are supplied through the inlets to the annular air swirler 2 and to the annular gas swirler 3, respectively. Air and gas are supplied to the mixing zones tangentially and counter-flowing to each other.

Закрученный тангенциально, по часовой стрелке (Фиг. 2, сечение А-А), воздушный поток, сужаясь, приобретает тангенциально-поступательное движение в калиброванном кольцевом канале между внешней поверхностью патрубка входного жидкостного 4 и профилированной разделительной перегородкой корпуса завихрителей 1. Закрученный воздушный поток, имея расчетные параметры по давлению и расходу, на срезе патрубка входного жидкостного 4 смешивается со струей жидкости, придавая ей спутное вращение.Twisted tangentially, clockwise (Fig. 2, section A-A), the air flow, narrowing, acquires a tangential-translational movement in the calibrated annular channel between the outer surface of the inlet liquid pipe 4 and the profiled dividing wall of the swirler body 1. Swirling air flow, having design parameters in terms of pressure and flow rate, at the cut of the inlet liquid pipe 4 it mixes with the liquid stream, giving it cocurrent rotation.

Закрученный тангенциально, против часовой стрелки (Фиг. 2, сечение Б-Б), газовый поток, сужаясь, приобретает тангенциально-поступательное движение в калиброванном канале между профилированной разделительной перегородкой корпуса завихрителей 1 и профилированной стенкой завихрителя кольцевого газового 3. Таким образом, встречно закрученный газовый поток с соответствующими расчетным давлением и расходом, на срезе разделительной перегородки корпуса завихрителей 1 и далее по оси турбулизирует процесс, что является наиболее эффективным способом объёмного смешивания компонентов. Swirling tangentially counterclockwise (Fig. 2, section B-B), the gas flow, narrowing, acquires tangential-translational movement in the calibrated channel between the profiled dividing wall of the swirler body 1 and the profiled wall of the annular gas swirler 3. Thus, the counter-swirling the gas flow with the corresponding design pressure and flow rate, at the cut of the separating baffle of the swirler body 1 and further along the axis, turbulizes the process, which is the most effective method of volumetric mixing of the components.

Поток смеси устремляется в камеру вихревую расширительную 5, в границах которой за счет эффекта внезапного расширения, а затем сужения, возникают дополнительные условия для более глубокой степени перемешивания трех сред, после чего готовая газожидкостная смесь подается потребителю.The flow of the mixture rushes into the vortex expansion chamber 5, within the boundaries of which, due to the effect of sudden expansion and then narrowing, additional conditions arise for a deeper degree of mixing of the three media, after which the finished gas-liquid mixture is supplied to the consumer.

Таким образом, процесс смешивания обеспечивается рабочими органами вихревого газожидкостного смесителя, создающими вихреобразные явления, которые способствуют гомогенизации смеси.Thus, the mixing process is provided by the working elements of the vortex gas-liquid mixer, which create vortex-like phenomena that contribute to the homogenization of the mixture.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является решение задачи, связанной с интенсификацией процесса смешения фаз в смесителе. Это достигается путем установки в смесителе завихрителя кольцевого воздушного и завихрителя кольцевого газового, установленных в противоточном друг другу направлении и обеспечивающих тангенциальную подачу воздуха и газа, соответственно, к зонам смешения.The technical result of the proposed invention is to solve the problem associated with the intensification of the phase mixing process in the mixer. This is achieved by installing an annular air swirler and an annular gas swirler in the mixer, installed in a counterflow direction to each other and providing tangential supply of air and gas, respectively, to the mixing zones.

Claims

Vortex gas-liquid mixer containing coaxially installed inlet liquid branch pipe, designed to supply the prepared liquid to the mixing chamber; a vortex expansion chamber, which ensures homogenization of the resulting gas-liquid mixture at the outlet of the device, characterized in that in order to intensify the process, an annular air swirler and an annular gas swirler are installed in the mixer, installed in opposite directions to each other and providing tangential supply of air and gas, respectively, to the zones mixing; The swirler body has inlets for supplying prepared air and gas to the annular air and gas swirlers and serves as a connecting device.