Вихревой газожидкостный смеситель
VORTEX GAS-LIQUID MIXER

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для организации процессов смешения жидкости с газовоздушной смесью или с несколькими газами, подаваемыми совместно, а также интенсификации этих процессов.
Данное устройство может быть использовано в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, пищевой, фармацевтической промышленности, а также при организации микробиологических и биотехнологических процессов.
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.
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.
Недостатком данного устройства является невысокая эффективность смешивания подаваемых потоков.
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.
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.
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.
Недостатком данной конструкции является сложность изготовления закручивающего устройства в межтрубном пространстве аппарата.
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 меньшеймере, 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.
Получаемая смесь характеризуется значительной неоднородностью. Таким образом, это устройство не может рассматриваться как эффективный смеситель.
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.
Недостатком данного статического смесителя является то, что в нем не достигается равномерного распределения смешиваемых компонентов по объему получаемой смеси.
Данный недостаток обусловлен тем, что создаваемое в нем поперечное движение перемешиваемой смеси недостаточно для достижения необходимого механического взаимодействия обрабатываемых сред.
зону смешения
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является последовательное смешение потока подготовленной жидкости с воздухом и газом посредством встречно направленной закрутки, подаваемых в  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.
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.
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;
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.
Вихревой газожидкостный смеситель содержит корпус завихрителей 1, завихритель кольцевой воздушный 2, завихритель кольцевой газовый 3, патрубок входной жидкостный 4, камеру вихревую расширительную 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.
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.
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.
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.
Таким образом, процесс смешивания обеспечивается рабочими органами вихревого газожидкостного смесителя, создающими вихреобразные явления, которые способствуют гомогенизации смеси.
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.