СПОСОБ ВВЕДЕНИЯ ЗАКИСИ АЗОТА В ЖИДКОСТЬ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR NITROUS OXIDE INTRODUCTION INTO LIQUID (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам введения закиси азота в жидкость и конструкциям статических миксеров, которые могут быть использованы в названных способах.
Уровень техники
Из уровня техники известен патент RU 2266026 (опубликован 20 декабря 2005 г.), в котором описан способ введения закиси азота в жидкость, включающий использование в качестве жидкости минеральной или питьевой воды, которую подвергают обезжелезиванию, очистке, осветлению, обеззараживанию путем фильтрирования через обеспложивающие фильтры хлорированием, озонированием, обработкой ионами серебра, бактерицидным облучением или ультразвуковыми волнами, и введение закиси азота в количестве не более 40 грамм на литр жидкости при температуре от 1 до 25°C и давлении от 1 до 21 атмосфер (от 101325 Па до 2127825 Па).
При смешивании закиси азота и жидкости предпочтительным является равное давление жидкости и газа или несколько более высокое давление газа (давление газа и жидкости выровняется при прохождении смеси по трубопроводу). Это позволяет распылять газ в жидкости, соответственно, чем меньше размер пузырьков в жидкости, тем выше будет эффективность способа растворения газа в жидкости. Высокая адсорбция газа и жидкости значительно увеличивает скорость растворения. Обычные способы растворения газов в жидкости предполагают длительное выдерживание жидкости и газа под давлением (смотри, например, Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Т.1. Механика. Теплота. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1985. - 606 с., страница 487), в данном решении происходит значительное ускорение процесса растворения газа, которое является следствием давления жидкости и газа, применением статического миксера, который также используется для повышения адсорбции газа в жидкости.
В известном решении RU 226026 (смотри примеры 1-9) используется давление свыше 10 атм (1000 кПа), что приводит к необходимости усложнения способа, выделению значительного тепла, усложняет розлив в тару (большинство тар выдерживают давление до 5-8 атм), значительному времени выдерживания смеси для достижения растворения нужного количества газа закиси азота. В названном аналоге только пример 1 иллюстрирует осуществление способа с давлением в 1 атм (100 кПа). Однако использование такого давления приводит к малой растворимости газа закиси азота (растворимость до 10 раз меньше, чем в других примерах).
Из уровня техники известен патент RU 2391878 (опубликован 20 июня 2010 г.), в котором описан способ розлива обогащенных кислородно-газовой смесью жидкостей, в частности напитков, в емкости. Способ предусматривает выдерживание жидкости в атмосфере азота, имеющей избыточное давление в диапазоне от 1 до 10 бар (от 100 кПа до 1 МПа).
Известное решение требует значительного времени для растворения закиси азота в жидкости и не может быть применено в промышленных масштабах.
Настоящее изобретение направлено на решение проблем уровня техники и ускоряет процесс растворения, позволяя осуществлять способ в промышленных масштабах и применять его в производстве, в частности напитков, содержащих в своем составе закись азота и/или другие газы.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение описывает вариант способа введения закиси азота в жидкость, включающий подачу газа закиси азота под давлением 200÷800 кПа и при температуре 0÷30°C в трубопровод, подачу в трубопровод жидкости под давлением 200÷500 кПа и при температуре 1÷20°C, подачу смеси жидкости и закиси азота в по меньшей мере один статический миксер под давлением 200÷500 кПа, при температуре 1÷20°C и со скоростью 1÷5 л/с.
Подачу закиси азота в трубопровод могут осуществлять под давлением около 400 кПа.
Подачу закиси азота могут осуществлять при температуре около 5°C.
Способ может предусматривать подачу смеси жидкости и закиси азота последовательно по меньшей мере в два статических миксера.
Способ может предусматривать снабжение статического миксера по меньшей мере одной группой поверхностей, возбуждающих локальные изменения направления потока смеси.
Способ может дополнительно включать в себя розлив смеси жидкости и закиси азота в тару.
Способ может предусматривать в качестве жидкости воду, или сок или морс.
Другой вариант настоящего изобретения описывает способ введения закиси азота в жидкость, включающий подачу сжиженной закиси азота под давлением 3,9÷6,0 МПа и температуре 0÷30°C в трубопровод, подачу в трубопровод жидкости под давлением 3,9÷6,0 МПа и температуре 1÷20°C, подачу смеси жидкости и закиси азота по меньшей мере в один статический миксер под давлением 3,9÷6,0 МПа и температуре 1÷20°C со скоростью 1÷5 л/с.
Также способ предусматривает подачу сжиженной закиси азота под давлением около 4,3 МПа.
Дополнительно способ предусматривает подачу сжиженной закиси азота при температуре около 5°C.
Согласно настоящему изобретению подачу смеси жидкости и закиси азота могут осуществлять последовательно по меньшей мере в два статических миксера.
Статический миксер по настоящему изобретению могут снабжать по меньшей мере одной группой поверхностей, возбуждающих локальные изменения направления потока смеси.
Способ дополнительно может включать в себя розлив смеси жидкости и закиси азота в тару.
Способ предусматривает использование в качестве жидкости воду, или сок или морс.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение времени растворения закиси азота в жидкости, увеличении количества газа растворяемого в жидкости, уменьшении потребления энергии установки, осуществляющей смешивание жидкости и закиси азота за счет сокращения времени растворения, уменьшение теплопередачи от установки и окружающей среды к смеси.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг.1 - представлена блок-схема осуществления настоящего изобретения согласно одному варианту.
Фиг.2 - представлена блок-схема осуществления настоящего изобретения согласно другому варианту.
Нижеследующее описание, совместно с вышеназванными чертежами позволяет осуществить изобретение специалисту в данной области техники.
Осуществление изобретения
2
Настоящее изобретение описывает способ введения закиси азота (NO) в жидкость, в частности воду или напиток. Напиток может представлять собой сок (в частности нектар), или морс или другой. Закись азота обычно продается в баллонах в жидком виде. По меньшей мере, один баллон устанавливается на рампу для газификации. Количество баллонов зависит от производительности установки и выбирается в зависимости от ее конструкции и требуемой скорости подачи закиси азота. На каждый баллон устанавливается редукционный клапан, понижающий давление. Давление в баллоне составляет от 30 до 60 бар (от 3 МПа до 6 МПа). Рампа для газификации имеет коллектор, давление в котором составляет от 2 бар до 7 бар (от 200 кПа до 700 кПа). Предпочтительно поддерживать давление около 4 бар (400 кПа). Газ из рампы для газификации подается в трубопровод, через который пропускается жидкость, в частном случае вода или напиток. В трубопроводе устанавливают статический миксер, в котором осуществляют растворение закиси азота в жидкости.
Растворение зависит от нескольких факторов: конструкции миксера, скорости пропускания жидкости, давления пропускаемой жидкости, давления закиси азота, количество подаваемой закиси азота и других факторов.
Давление жидкости и закиси азота уравновешены. Закись азота подается во время пропускания жидкости в указанном трубопроводе. Смешение жидкости и закиси азота образуют продукт. Жидкость с растворенной закисью азота после статического миксера поступает в накопительную емкость. Из емкости продукт поступает на машину розлива. В накопительной емкости поддерживается постоянное давление. Установка является изобарической и в ней поддерживается постоянное давление, предпочтительно около 4 бар (400 кПа). Температура поддерживается от 1 до 20°C.
2
Растворимость, согласно закону Генри, линейно зависит от парциального давления газа над раствором и коэффициента Генри. Коэффициент Генри в свою очередь обратно пропорционален температуре. Таким образом, мы получаем, что чем ниже температура, тем лучше растворение. Из-за названного свойства газы обычно растворяют при температуре от 3 до 8°C. Тем не менее в описываемом способе можно производить растворение при температуре от +0°C до 100°C. В описываемом способе предпочтительным является производить растворение при температуре около 5°C. По таблице растворимости при 5°C и атмосферном давлении в 1 атмосферу (101325 Па) в 1 литре воды растворяется 1050 мл NO.
Давление в изобарической установке предпочтительно поддерживают от 2 до 5 бар (от 200 кПа до 500 кПа). Это связанно с тем, что при этом же давлении происходит розлив в тару. Предпочтительно в качестве тары использовать бутылку. Обычная бутылка (пластиковая или стеклянная бытового применения) большего давления не выдерживает, а при меньшем давлении уменьшается количество растворяемого газа закиси азота. Предпочтительно поддерживать давление около 3,5 бар (350 кПа) для получения достаточного насыщения жидкости закисью азота и не подвергая тару повреждениям.
Без ограничения общности настоящего изобретения может использоваться тара из пластика, стекла, металла (например, аллюминия) и других подходящих материалов. Тара изнутри может быть покрыта дополнительным слоем, препятствующим реакции между тарой и напитком.
2
Количество растворенного газа прямо пропорционально давлению по закону Генри, 1050×3,5=3675 мл NO на 1 л воды. При нормальных условиях 1 л газа закиси азота имеет массу 1,9778 г. Таким образом, 3,675×1,9778=7,3 г это максимальное количество газа закиси азота, которое возможно растворить при названных условиях.
2
При температуре 2°C и давлении в бутылке и в системе 5 bar (500 кПа) можно растворить 11,9 г закиси азота (NO) на 1 л воды. Это наиболее предпочтительно давление и температура, т.к. при более низкой температуре появляется опасность замерзания воды в трубопроводе, а при более высоком давлении - опасность разрушения бутылки или ее повреждения, что может вызвать ее разрушение при дальнейшей эксплуатации, например, транспортировке.
Дополнительно настоящее изобретение описывает способ введения закиси азота в жидкость, в частности воду или напиток, в котором в части изобарической системы давление поднимают до 40÷45 бар (4÷4,5 МПа). Участок от насоса до регулирующего давление клапана включает в себя трубопровод, в который подается закись азота, и статический миксер. Закись азота, согласно названному способу подают в жидком виде. Подачу осуществляют посредством дозирующего насоса. Предпочтительно в качестве дозирующего насоса использовать дозирующий плунжерный насос, который жидкую закись азота из баллона дозирует в продукт.
Количество продукта регулируется с помощью расходомера и регулирующего клапана или частотного привода насоса. Две жидкости смешивают синхронно в нужных пропорциях. Расходомер может быть выполнен ультразвуковым, кориолисовым, вихревым, электромагнитным или меточным.
Давление жидкости и закиси азота уравновешены. Закись азота подается во время пропускания жидкости в указанном трубопроводе. Смешение жидкости и закиси азота образуют продукт. Жидкость с растворенной закисью азота после статического миксера поступает в накопительную емкость. Из емкости продукт поступает на машину розлива. В накопительной емкости поддерживается постоянное давление. Установка является изобарической и в ней поддерживается постоянное давление, предпочтительно около 4 бар (400 кПа). Температура поддерживается от 1 до 20°C.
3
Если ввести большее количество закиси азота, то при выводе продукта из участка с высоким давлением в участок с низким излишки закиси азота перейдут в газообразное состояние. Таким образом, конечные условия остаются теми же, что и в описанном выше первом варианте способа, а следовательно и количество растворенной закиси азота. Плотность закиси азота в жидком состоянии составляет 1,226 г/см, соответственно объем, занимаемый 7,3 г жидкого азота составляет около 6 мл.
Продукт подается в резервуар вакуумного деаэратора после открытия впускных клапанов. Продукт распыляется через коллектор с форсунками, в резервуаре деаэратора вакуумным насосом и в деаэраторе поддерживают разрежение от 20 кПа до 70 кПа (предпочтительно около 45-55 кПа, более предпочтительно около 50 кПа).
Распыление продукта многократно увеличивает его площадь, что позволяет растворить большее количество закиси азота и/или углекислоты и/или других газов. Деаэрированный продукт непрерывно циркулирует с помощью насоса и охлаждается в теплообменнике чилера (водоохлаждающей машины). Продукт подается в буферный резервуар, и далее насос подает продукт из буферного резервуара на по меньшей мере один статический миксер. Газ из балонов через редукционные клапона и запорную арматуру подается в коллектор, который служит для объеденения балонов в одну магистраль и как буфер. Из коллектора газ подается на статический миксер. Из статического миксера готовый продукт насыщенный закисью азота (и/или другими газами) поступает в буферный резервуар для передачи на розлив в тару, например, в пластиковые бутылки.
Дополнительно настоящее изобретение описывает конструкцию статического миксера. Конструкция статического миксера обеспечивает быстрое и качественное смешение закиси азота с жидкостью, в частности водой или напитком.
Статический миксер содержит по меньшей мере одну группу волнообразных поверхностей. Предпочтительно миксер содержит две, три или четыре группы поверхностей. Каждая группа поверхностей создает свое направление движение потока текучей среды. Использование нескольких групп волнообразных поверхностей позволяет значительно повысить эффективность растворения газа в жидкости за счет «сталкивания» нескольких направлений потока между собой.
В одном из вариантов поверхности статического миксера занимают все сечение арматуры, т.е. от стенки до стенки, в другом варианте занимают часть сечения, т.е. имеют зазоры для прохождения текучей среды сбоку от миксера, в третьем варианте используют миксер имеющий по меньшей мере две группы поверхностей, одна из которых занимает все сечение арматуры, а вторая имеет зазоры.
В арматуру устанавливают по меньшей мере один статический миксер. Предпочтительным является установка двух, трех, четырех или большего количества статических миксеров. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения два статических миксера устанавливают непосредственно друг за другом, в другом варианте устанавливают два миксера на определенном расстоянии (около 5÷15 см) друг от друга и связывают их между собой каркасом. Каркас представляет собой жесткую вставку, не оказывающую существенного воздействия на поток текучей среды. Каркас в одном из вариантов осуществления изобретения выполняют из группы уголков, труб, пластин, стержней или их комбинаций. Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения устанавливают группу статических миксеров последовательно непосредственно друг за другом, каркас и следующую группу статических миксеров.
Настоящее изобретение допускает установку группы статических миксеров параллельно друг другу с тем, чтобы повысить пропускную способность установки. Смешение жидкости и газа осуществляется при скорости подачи от 1 до 5 литров в секунду.
На Фиг.1 представлена блок-схема осуществления одного варианта настоящего изобретения. Жидкость (например, воду) последовательно подают в деаэратор, чилер (водоохлаждающую машину), затем посредством насоса подают на статический миксер. Параллельно закись азота из баллонов через регулятор давления подают в коллектор, затем через второй регулятор давления в статический миксер. Посредством статического миксера осуществляется смешивание и смесь закиси азота и жидкости превращается в продукт. Продукт подается в резервуар хранения. Из резервуара хранения продукт поступает на розлив.
На Фиг.2 представлена блок-схема осуществления другого варианта настоящего изобретения. В этом варианте жидкость насыщают двумя газами: закисью азота и углекислым газом. В целом, схема аналогична схеме, приведенной на фиг.1. Для каждого газа (закиси азота и углекислого газа) предусмотрен свой канал, по которому газ из баллонов подается через регулятор давления в коллектор, откуда через еще один регулятор давления на статический миксер. Жидкость подается в деаэратор, чилер, посредством насоса подается в статический миксер. Посредством статического миксера осуществляется насыщение жидкости закисью азота и углекислым газом. После статического миксера продукт подают в резервуар хранения, откуда в дальнейшем продукт поступает на розлив.