Устройство для контакта газа с жидкостью

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 и металлургической промышленности.
С целью интенсификации процесса смешения фаз используют попеременное изменение формы и направления потока, удар потока о твердые преграды - отбойники, закручивание потока и диспергирование потока, взаимную эжекцию и инверсию фаз, наложение пульсаций, эффективное распределение газожидкостного потока по всему рабочему объему аппарата.
Диспергирование потока широко используется, как способ интенсификации в технологических процессах теплообмена и массообмена. Известно множество распылителей со скрещивающимися закрученными струями [Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распыливания жидкостей - М.: Химия, 1984. с. 133]. Закручивание струй происходит наклонными в радиальном направлении каналами завихрителя. Изменяя угол наклона и глубину каналов, можно регулировать интенсивность осевого потока и обеспечения необходимого распределения жидкости в факеле.
Наиболее близким конструктивным аналогом является устройство для контакта газа с жидкостью [патент на полезную модель RU №187523, МПК B01F 3/04, B01F 5/04, опубл. 11.03.2019, БИ №8], которое примем в качестве прототипа. Устройство содержит корпус, инжекционную камеру, распылитель жидкости, выполненный в виде форсунки с радиально-торцевым перераспределением потоков и завихряющим вкладышем в камере закручивания, смеситель, диспергатор, перпендикулярный к оси трубы.
Устройство работает следующим образом. Жидкость под давлением подается в распылитель. Внутри распылителя жидкость проходит через форсунку с радиально-торцевым перераспределением потоков и завихряющим вкладышем в камере закручивания. При этом вращающаяся в камере жидкость обтекает торец завихрителя (торцевую стенку камеры закручивания), частично попадает в радиальные пазы, теряет при этом момент количества движения вокруг оси форсунки и под действием статического давления (перепад которого устанавливается в радиальном направлении в камере) движется по пазам в область наименьшего давления - к оси форсунки. У оси отдельные потоки соударяются, образуя устойчивое осевое движение. Регулированием глубины, ширины и длины радиальных пазов можно получить требуемую интенсивность осевого потока и обеспечить необходимое распределение жидкости в факеле. Распыленная жидкость засасывает газ, поступающий в инжекционную камеру. Образовавшийся газожидкостный закрученный поток проходит через смеситель, где происходит интенсивное перемешивание газа с жидкостью. В смесителе может образовываться газожидкостной 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. В смесителе происходит первая фаза контакта жидкости и газа, обусловленная развитой поверхностью распыленной жидкости. При выходе из смесителя газожидкостный поток с большой скоростью ударяется в диспергатор. При ударе газожидкостного потока о диспергатор газовые пузырьки дробятся. Устройство работает следующим образом. Жидкость под давлением подается в распылитель. Внутри распылителя жидкость проходит через форсунку с радиально-торцевым перераспределением потоков и завихряющим вкладышем в камере закручивания. Распыленная жидкость засасывает газ, поступающий в инжекционную камеру.
Образовавшийся газожидкостный закрученный поток проходит через смеситель. В смесителе происходит первая фаза контакта жидкости и газа, обусловленная развитой поверхностью распыленной жидкости. При выходе из смесителя газожидкостный поток с большой скоростью ударяется в диспергатор. При ударе газожидкостного потока о диспергатор газовые пузырьки дробятся.
Недостатком прототипа является сложность изготовления завихряющего вкладыша и большое гидравлическое сопротивление, в связи с возникновением большого количества вихрей в камере закручивания распылителя.
Задача предлагаемой полезной модели: повышение эффективности тепло- и массообмена и интенсификация процесса смешения путем увеличения осевой скорости потока и создания сплошного и мелкодисперсного факела распыла.
Это становится возможным за счет интенсивного перемешивания в смесителе в результате использования распылителя, выполненного в виде форсунки с вкладышем, имеющим скрещивающиеся закрученные наклонные в радиальном направлении каналы.
Предлагается устройство для контакта газа с жидкостью, содержащее корпус, инжекционную камеру, распылитель, смеситель, диспергатор, перпендикулярный к оси трубы.
Отличительными конструктивными признаками предлагаемой полезной модели является то, что распылитель выполнен в виде форсунки с вкладышем, имеющим скрещивающиеся закрученные наклонные в радиальном направлении каналы.
На фиг.1 изображено устройство для контакта газа с жидкостью.
Устройство работает следующим образом. Жидкость под давлением подается в распылитель, который представляет собой форсунку 3 с вкладышем 4, имеющим скрещивающиеся закрученные наклонные в радиальном направлении каналы. В результате движения по каналам происходит увеличение скорости осевого потока, при этом факел жидкости создается сплошным и мелкодисперсным.
Распыленная жидкость засасывает газ, поступающий в инжекционную камеру 2. За счет огромной скорости происходят удары жидких капель о стенки смесителя 5. За счет рикошета и осевого вращения потока происходит турбулизация потока. Отдельные струи газожидкостного потока перекрещиваются друг с другом, что приводит к наложению пульсаций и значительному увеличению напряжения сдвига на границе смешиваемых фаз. Это значительно интенсифицирует процесс массопереноса, увеличивается поверхность контакта фаз, скорость ее обновления непосредственно в смесителе. Сформировавшийся в верхней цилиндрической части смесителя 5 газожидкостной поток интенсивно перемешивается, причем интенсивность перемешивания зависит от размеров капель и уровня начальной турбулентности. Кроме этого, в смесителе может образовываться газожидкостной 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 поверхность контакта газа и жидкости. При выходе из смесителя газожидкостный поток с большой скоростью ударяется о диспергатор 6, меняет свое направление и поступает в рабочий объем аппарата, где происходит еще одна стадия контакта газа с жидкостью.
Благодаря предложенному устройству можно значительно увеличить осевую скорость газожидкостного потока в смесителе и его осевое вращение, что значительно интенсифицирует процесс тепло- и массообмена в смесителе.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является решение задач, связанных с интенсификацией процесса смешения фаз в смесителе. Это достигается путем установки в смесителе распылителя в виде форсунки с вкладышем, имеющим скрещивающиеся закрученные наклонные в радиальном направлении каналы.