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. С. 18-25]. Недостатком этих аппаратов является низкие дисперсность и кратность получаемой пены.
Для интенсификации процесса смешения фаз с целью получения высокой 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. С. 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. Можно устанавливать неподвижные элементы различных мешалок, например трехлопастные пропеллеры. Вследствие обтекаемой формы такие трехлопастные пропеллеры имеют низкое гидравлическое сопротивление.
Наиболее близким конструктивным аналогом является газожидкостный аппарат для получения пены [патент на полезную модель RU №207087, МПК B01F 5/04, опубл. 12.10.2021, БИ №29], который примем в качестве прототипа. Устройство содержит корпус, инжекционную камеру, распылитель, диспергатор, смеситель выполненный в виде диффузора, внутри которого установлены звездочные рабочие элементы.
Недостатками прототипа является то, что из-за небольшого входного сечения в смеситель расход газа недостаточен для получения пены большой кратности. Звездочные элементы очень сложны в изготовлении. Кроме этого, длинные диффузоры имеют большое гидравлическое сопротивление.
Задачей предлагаемой полезной модели является получение пены большой кратности при значительном уменьшении гидравлического сопротивления смесителя.
Поставленная задача решается за счет того, что в аппарате для получения пены содержащем корпус, инжекционную камеру, распылитель, смеситель, диспергатор, перпендикулярный к оси трубы.
Отличительными конструктивными признаками предлагаемой полезной модели является то, что верхняя часть смесителя выполнена в виде конфузора, нижняя - в виде диффузора, а внутри смесителя установлены три трехлопастных пропеллера.
За счет удара газожидкостного потока о твердые преграды (трехлопастные пропеллеры) происходит изменение направления потока внутри смесителя.
На фиг. 1 изображен газожидкостный аппарат для получения пены.
Устройство содержит корпус 1, инжекционную камеру 2, распылитель 3, диспергатор 5, перпендикулярный к оси смесителя, смеситель 4, верхняя часть которого выполнена в виде конфузора, а нижняя в виде диффузора, внутри которого установлены три трехлопастных пропеллера 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 поступает в смеситель 4, верхняя часть которого выполнена в виде конфузора. Благодаря большому входному сечению расход засасываемого газа значительно увеличивается. Нижняя часть смесителя выполнена в виде диффузора. Внутри смесителя установлены три трехлопастных пропеллера. В смесителе 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. За счет удара газожидкостного потока о твердые лопасти пропеллеров и изменения направления потока происходит интенсивное перемешивание газа с жидкостью. Кроме того, в нижней части смесителя (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. Таким образом, установленные внутри смесителя три трехлопастных пропеллера способствуют интенсификации перемешивания за счет изменения направления потока и удара газожидкостного потока о твердые преграды.
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 больший боковой штуцер 6, а излишняя жидкость отводится через нижний штуцер 8. Непроконтактировавший воздух выходит через малый боковой штуцер 7.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является решение задач, связанных с получением пены большой кратности, при значительном уменьшении гидравлического сопротивления смесителя.
Это достигается за счет того, что верхняя часть смесителя 4 выполнена в виде конфузора, нижняя - в виде диффузора, а внутри смесителя установлены три трехлопастных пропеллера.
Таким образом, предлагаемый газожидкостный аппарат для получения пены обеспечивает получение пены большой кратности при значительном уменьшении гидравлического сопротивления смесителя.