Газожидкостный аппарат для получения пены

Полезная модель относится к устройствам, которые используются для проведения процессов смешения жидкости с газом, их химического взаимодействия, а также для получения воздушно-механической пены для тушения пожаров. Данный аппарат может быть использован в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, пищевой, фармацевтической, микробиологической, металлургической промышленности и в структурах МЧС.
Пены находят широкое применение во многих отраслях промышленности и в быту. Огромное значение пены приобрели в пожаротушении, особенно при возгорании емкостей с легко воспламеняющимися жидкостями, при тушении пожаров в закрытых помещениях - в подвалах, на судах и в самолетах. Применяются пены и для теплоизоляции. Известно множество аппаратов для получения пены [Мухленов И.П. и др. Пенный режим и пенные аппараты. - Л.: «Химия», 1977. Стр 18-25]. Недостатком этих аппаратов является низкие дисперсность и кратность получаемой пены.
С целью интенсификации процесса смешения фаз с целью получения высоких дисперсности и кратности пены используют попеременное изменение формы и направления потока, удар потока о твердые преграды - отбойники, закручивание, взаимную эжекцию и инверсию фаз, наложение пульсаций, эффективное распределение газожидкостного потока по всему рабочему объему аппарата.
Известно множество смесителей, в которых перемешивание жидкостей и газов возможно в трубопроводах путем искусственной турбулизации потока [Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В двух книгах. - М.: «Химия», 1981. стр. 183]. Для этой цели в трубопроводе после ввода компонентов жидких или газообразных смесей размещаются разнообразные неподвижные детали, обеспечивающие многократное изменение величины и направления скорости потока. Так, например, часто используют поперечные полуперегородки и диафрагмы со смещенными отверстиями; здесь поток многократно расширяется, сужается и изменяет свое направление.
Наиболее близким конструктивным аналогом является устройство для контакта газа с жидкостью [патент на полезную модель RU №111455, МПК B01F 5/04, опубл. 20.12.2011, БИ №35], которое примем в качестве прототипа. Устройство содержит корпус, инжекционную камеру, распылитель, диспергатор, перпендикулярный к оси трубы, смеситель, представляющий цилиндрическую трубу, внутри которой установлены поперечные перегородки в виде системы «диск - кольцо».
Устройство работает следующим образом.
Жидкость под давлением подается в распылитель жидкости, распыливается и засасывает газ, поступающий в инжекционную камеру. Образовавшаяся газожидкостная смесь проходит через смеситель, где происходит интенсивное перемешивание газа с жидкостью. В смесителях происходит первая фаза контакта жидкости и газа, обусловленная развитой поверхностью распыленной жидкости. В зависимости от режима работы смесителя, его геометрических параметров и перепада давления на распылителе, в смесителе может образовываться газожидкостный двухфазный поток с различным соотношением жидкости и газа. Двухфазный поток может быть с дисперсной жидкой, либо газовой фазой. При определенных условиях может происходить инверсия фаз в самом смесителе, и газовая фаза становится дисперсной. Подобный режим работы наиболее эффективен ввиду того, что в момент инверсии наблюдается наибольшее значение коэффициента массопередачи. Кроме того, при прохождении газожидкостного потока через смеситель, выполненный в виде цилиндрической трубы, в котором установлены поперечные перегородки в виде системы «диск-кольцо» происходит интенсификация процесса смешения за счет изменения направления потока и удара его о твердые преграды.
При выходе из смесителя газожидкостный поток с большой скоростью ударяется в диспергатор. При ударе газожидкостного потока о диспергатор газовые пузырьки дробятся. Происходит вторая стадия контакта газа с жидкостью.
Недостатком прототипа является то, что внутри смесителя нет интенсивного перемешивания жидкости и газа за счет циркуляции потока.
Задачей предлагаемой полезной модели является интенсификация процесса смешения газа и жидкости за счет циркуляции потока внутри смесителя.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагается газожидкостный аппарат для получения пены содержащий корпус, инжекционную камеру, распылитель, смеситель, диспергатор, перпендикулярный к оси трубы,
Отличительными признаками предлагаемого аппарата является то, что смеситель выполнен в виде диффузора, внутри которого установлены звездочные рабочие элементы, представляющие собой втулку, на которой закреплены наклонные лопасти различной длины.
Использование звездочных рабочих элементов приводит к интенсивной циркуляции контактируемых сред, перераспределению между осевой, окружной и радиальной составляющех скорости двухфазного потока. При этом значительно увеличиваются напряжения сдвига на границе смешивающих фаз.
На фиг. 1 представлен газожидкостный аппарат для получения пены;
На разрезе А-А - представлен звездочный рабочий элемент, представляющий собой втулку, на которой закреплены наклонные лопасти различной длины.
Устройство содержит корпус 1, инжекционную камеру 2, распылитель 3, диспергатор 5, перпендикулярный к оси трубы, смеситель 4, выполненный в виде диффузора, внутри которого установлены звездочные рабочие элементы 9.
Аппарат работает следующим образом.
Жидкость под давлением подается в распылитель жидкости 3, распыливается и засасывает газ, поступающий в инжекционную камеру 2. Образовавшаяся газожидкостная смесь проходит через смеситель 4, который выполнен в виде диффузора, внутри которого установлены звездочные рабочие элементы 9. В смесителе происходит интенсивное перемешивание газа с жидкостью, осуществляется первая фаза контакта жидкости и газа. В зависимости от режима работы смесителя, его геометрических параметров и перепада давления на распылителе, в смесителе может образовываться газожидкостный двухфазный поток с различным соотношением жидкости и газа. Двухфазный поток может быть с дисперсной жидкой либо газовой фазой. При определенных условиях может происходить инверсия фаз в самом смесителе, и газовая фаза становится дисперсной. Подобный режим работы наиболее эффективен ввиду того, что в момент инверсии наблюдается наибольшая поверхность контакта газа и жидкости. Кроме того, в диффузоре за счет расширения проходного сечения происходит торможение газожидкостного потока. Вследствие падения скорости, давление в направлении течения растет, и кинетическая энергия потока частично преобразуется в потенциальную. Потерянная часть кинетической энергии потока затрачивается на образование вихрей, работу против сил трения. Кинетическая энергия потока вблизи стенки недостаточна для того, чтобы переместить поток против сил давления, возрастающих в направлении потока. Вблизи этого сечения начинается отрыв потока от стенки и возникает возвратное течение. В результате у стенки диффузора образуются области циркуляции потока. Слой смеси газа и жидкости между оторвавшимся от стенки и основным потоком неустойчив и периодически свертывается в вихри, которые сносятся вниз по потоку. Это приводит к значительной интенсификации процесса перемешивания газа и жидкости за счет увеличения поверхности контакта фаз и скорости ее обновления. Внутри диффузора установлены звездочные рабочие элементы 9. Эти элементы способствуют интенсификации перемешивания за счет изменения направления потока, удара газожидкостного потока о твердые преграды и перераспределения между осевой, окружной и радиальной составляющех скорости двухфазного потока. При этом значительно увеличиваются напряжения сдвига на границе контактируемых фаз.
При выходе из смесителя газожидкостный поток с большой скоростью ударяется о диспергатор 5, меняет свое направление и поступает в рабочий объем аппарата, где происходит отделения излишней части жидкости от пены. Полученная пена выходит из аппарата через штуцер 6, а излишняя жидкость отводится через штуцер 8. Непроконтактироваший газ выходит через штуцер 7.
Таким образом, предлагаемый газожидкостный аппарат для получения пены значительно турбулизует газожидкостный поток в смесителе.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является решение задачи, связанной с интенсификацией процесса смешения фаз в смесителе, путем повышения турбулизации потока в смесителе за счет образования вихрей у стенок диффузора. Это достигается за счет того, что смеситель выполнен в виде диффузора, внутри которого установлены звездочные рабочие элементы.
Таким образом, предлагаемый газожидкостный аппарат для получения пены обеспечивает интенсивное перемешивание фаз в смесителе за счет изменения направления потока, удара газожидкостного потока о твердые преграды, образования вихрей у стенок диффузора и перераспределения между осевой, окружной и радиальной составляющей скорости двухфазного потока.