СПОСОБ ГАЗОНАСЫЩЕНИЯ ЖИДКОСТИ
METHOD OF SATURATING LIQUID WITH GAS

Изобретение относится к получению газожидкостных дисперсий и может быть использовано в различных процессах, например для аэрации воды, получения газированных напитков, для флотации, абсорбции и.т.п.
В последние годы большой интерес вызывает возможность применения пористых мембран для получения тонких дисперсий и эмульсий типа «газ-жидкость» и «жидкость-жидкость». Качество получения тонких эмульсий и дисперсий напрямую зависит от возможности получения капель и пузырьков малых размеров.
Известны способы газонасыщения сточных вод с использованием мембранных трубчатых и дисковых аэраторов, работающих при погружении их в бассейн с очищаемой водой (например, RU 2169706, 2001; RU 2316484, 2008).
Недостатком упомянутых способов является неравномерное диспергирование воздуха по площади аэрируемой поверхности за счет значительного увеличения пузырьков в объеме жидкости и повышенной интенсивности аэрации по центру аэратора и, следовательно, необходимость использования большого числа аэраторов, что снижает экономическую эффективность этих способов.
Наиболее близким к предложенному изобретению является способ газонасыщения жидкости, включающий ее подачу в трубный канал проточного аппарата с трубчатой керамической однослойной мембраной на основе алюмоборсиликатного стекла с диаметром пор 43-85 нм, подачу газа перпендикулярно потоку жидкости к внешней поверхности трубчатой керамической мембраны и отвод образовавшейся газожидкостной дисперсии, при этом в обрабатываемую жидкость вводят додецилсульфат натрия в количестве 0,05-0,5 вес.%, жидкость подают с линейной скоростью 0,5-3,7 м/с, а газ подают под давлением от 1,1 до 2 ат (Masato Kukizaki, Masahiro Goto, Size control of nanobubblez generation from Sirasu-porous-glass (SPG) membranes. Journal of Membranes Science, 281, 2006, 386-396).
Известный способ позволяет получить пузырьки газа размером 360-720 нм. Недостатками способа являются: необходимость ввода в абсорбирующую жидкость химического реагента, большой диаметр образующихся пузырей.
Задачей изобретения является обеспечение возможности получения пузырей газа малых размеров без увеличения давления газовой и жидкой фазы на мембрану и без использования поверхностно-активных веществ, а также повышение качества диспергирования за счет получения дисперсии «газ-жидкость» с узким распределением по размеру частиц диспергируемой фазы.
Поставленная задача решается описываемым способом газонасыщения жидкости, включающим ее подачу в трубный канал проточного аппарата с трубчатой керамической мембраной, подачу газа перпендикулярно потоку жидкости к внешней поверхности трубчатой керамической мембраны и отвод образовавшейся газожидкостной дисперсии, при этом используют асимметричную двухслойную мембрану со средним диаметром пор 0,1-0,5 мкм, а в трубном канале создают турбулентный поток жидкости, характеризующийся критерием Рейнольдса не менее 10000 и напряжением сдвига не менее 65 Па.
Предпочтительно, линейную скорость подачи жидкости поддерживают равной 4,0-5,1 м/с.
Предпочтительно, подачу газа осуществляют под давлением 0,2 ат. Предпочтительно, в способе используют трубчатую мембрану, в которой внешний слой выполнен из оксида алюминия, а внутренний из карбида кремния, при этом пористость внутреннего слоя составляет 40-45% при диаметре пор в слое 0,15 мкм. Предпочтительные геометрические параметры мембраны: длина 150 мм, внутренний диаметр 2,5 мм и наружный диаметр 4,0 мм.
Ниже приведены примеры способа газонасыщения, объяснение его сущности и полученные результаты.
Формирование пузырей на любом барботере происходит, как представлено на фиг.1.
Сразу после появления над поверхностью мембраны в пузырьке возникает отрывающая сила - сила Архимеда:
ж
г
где R - радиус пузырька, ρ и ρ - плотности жидкой и газовой фаз.
Сила, удерживающая пузырек на поверхности мембраны, зависит от величины межфазного поверхностного натяжения:
где r - радиус поры, σ - величина межфазного поверхностного натяжения.
Пренебрегая плотностью газа, свяжем между собой два радиуса в момент отрыва пузырька:
Для воды и воздуха на мембране с диаметром пор 0,3 мкм пузырьки должны иметь размер 0,14 мм. Из этого следует, что уже на стадии формирования они будут сливаться в крупные пузыри из-за поверхностной плотности пор на мембране. Это и наблюдается в эксперименте, где размер пузырей составляет 3-5 мм.
Решить эту проблему можно в проточном мембранном аппарате, обычным образом создавая в нем тангенциальный поток жидкости. Этот поток, обладая кинетической энергией, создает срезающее действие, отрывающее пузырек от мембраны задолго до наступления равновесия по уравнению (3).
Схема использованной экспериментальной установки представлена на фиг.2. Основным элементом установки является мембранный аппарат с трубчатой асимметричной двухслойной мембраной из керамики: внешний слой из оксида алюминия, внутренний слой из карбида кремния. Мембрана имеет длину 150 мм, внутренний диаметр канала 2,5 мм, средний диаметр пор 0,3 мкм и пористость активного слоя на внутренней поверхности трубки 42%, диаметр пор в слое 0,15 мкм.
Эксперименты проводились на системе «вода-воздух». Переменными задаваемыми параметрами были расход воды и давление газа на входе в аппарат. Определяемыми параметрами являлись давление водного потока на входе в аппарат, расход воздуха, размер газовых пузырей, газосодержание. Размер пузырей определялся статистической обработкой микрофотографии газожидкостной дисперсии сразу после мембранного аппарата с использованием программы «Microsoft Office Visio 2003».
Движущей силой процесса МЭ является разность между давлением газовой фазы в межтрубном пространстве мембранного аппарата и давлением жидкости в мембранном канале. Если первая величина по длине трубки постоянна и легко контролируется, то вторая линейно изменяется от максимального значения на входе в мембрану до нулевого избыточного давления на выходе. Причиной является гидравлическое сопротивление мембранного канала, пропорциональное линейной скорости жидкости и коэффициенту трения жидкости о стенки канала:
ж
где λ - коэффициент трения, l - длина канала, d - диаметр канала, ρ - плотность жидкости, ω - линейная скорость жидкого потока, равная W/S, где W - объемный расход жидкости, S - площадь сечения канала.
В экспериментах исследовано влияние объемного расхода жидкости через мембранный элемент на изменение соотношения давления газа и жидкости (фиг.3). Давление газа во всех случаях поддерживалось одинаковым - 0,2 ат, а давление жидкости на входе в мембрану росло с увеличением объемного расхода жидкости.
Если при минимальном расходе жидкости рабочей для газопроницаемости была мембранная поверхность по всей длине трубки, то с ростом расхода и, соответственно, гидравлического сопротивления канала рабочая поверхность уменьшалась, что отмечено вертикальными пунктирными отрезками от точек пересечения линий давления.
Во всех этих случаях движущая сила процесса газопроницаемости была одинаковой и равной , что позволило рассчитать коэффициент газопрониаемости выбранной мембраны по уравнению (5):
г
Где G - объемный расход газа, F - рабочая площадь мембраны, ΔР - движущая сила газопроницаемости.
Коэффициент газопроницаемости является характеристической величиной и достаточен для расчета мембранного аппарата на заданную производительность.
срез
срез
Главным параметром процесса мембранного эмульгирования является размер газовых пузырей. Из общих представлений о процессе (фиг.1) очевидно, что с ростом скорости протекания жидкости над мембраной увеличивается «срезающая» сила F и соответствующее этой силе напряжение сдвига N - размер газовых пузырей уменьшается. Вместе с тем, с ростом скорости усиливается и турбулентность потока, которую объективно характеризует величина критерия Рейнольдса. Не обсуждая механизма возникновения срезающего действия, рассмотрим получившиеся зависимости размера пузырей и их распределения по размерам от гидродинамических параметров жидкой фазы.
Предварительно надо заметить, что напряжение сдвига может быть количественно оценено по уравнению (6), справедливому для потоков, где число Re>2500 [5]:
срез
ж
mp
mp
-0,25
где N - напряжение сдвига (Па), ρ - плотность жидкости, ω - линейная скорость жидкости над мембранной поверхностью, λ - коэффициент гидравлического трения, определяемый в первом приближении по уравнению Блазиуса: λ=0,3164·Re.
Полученные результаты представлены в таблице 1 и на фиг.4, 5.
Таблица 1.
Экспериментальные и расчетные параметры процесса мембранного эмулъгирования в системе вода-воздух на керамической мембране со средним диаметром пор 0,3 мкм.
№ п/п
Расход воды через мембранный элемент, W, л/ч
Линейная скорость жидкости ω, м/с
Re
Коэффициент газопроницаемости мембраны, К<sub>G</sub>, м<sup>3</sup>/м<sup>2</sup>ч·ат
Напряжение сдвига, N<sub>срез</sub>, Па
Средний диаметр пузырей, мм
1
61,5
3,48
8640
420
49,8
1,33
2
72,3
4,09
10150
484
66,8
1,24
3
78,1
4,42
10820
454
75,6
1,15
4
90.0
5,09
11600
378
97,0
1,06
Комментируя эти результаты, можно сделать следующие выводы:
1. Коэффициент газопроницаемости не зависит от режима движения жидкости и является лишь характеристикой мембраны для выбранной системы «газ-жидкость». Он будет изменяться вслед за изменением размера пор мембраны, поверхностного натяжения и вязкости жидкости, химического сродства газа и жидкости.
2. На величину напряжения сдвига резко влияет уровень турбулентности потока жидкости, который можно поднять простым увеличением диаметра канала мембранного элемента. Однако при этом необходимо корректировать достигаемый эффект с неизбежным понижением газосодержания выходящей дисперсии.
3. Размер пузырей обратно пропорционален уровню турбулентности потока и величине напряжения сдвига. Эти зависимости носят практически линейный характер (см. фиг.4 и 5), что говорит о потенциальной возможности метода генерировать и более мелкие пузыри, подбирая соответствующую мембрану.
Проведены исследования по распределению размеров пузырей, генерированных при изменении гидродинамических условий. На фиг.6 представлена совмещенная диаграмма такого распределения, где номер кривой соответствует номеру примера из таблицы 1.
В объеме заявленной совокупности признаков распределение достаточно узкое, очевиден сдвиг кривой в область меньших значений диаметра пузырей при увеличении турбулентности жидкости и одновременно некоторое расширение диапазона размеров пузырей. Последнее обстоятельство, по всей вероятности, объясняется дополнительным диспергирующим действием турбулентных вихрей в жидкостной струе.
Как видно из вышепредставленных данных, предложенный способ обеспечивает высокое качество диспергирования газа в жидкости при снижении давления в системе и в отсутствие поверхностно-активных веществ.