Реактор для ввода газа в жидкость - RU2139132C1

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к реактору для ввода газа в жидкость и способу аэрирования жидкости газом.

Изобретение предназначено, в частности, для аэрирования жидкости, содержащей суспензию минеральных частиц газом, который представляет собой воздух или другой соответствующий кислородсодержащий газ. Однако это изобретение не ограничено данным применением и может использоваться для аэрирования любых систем газ/жидкость, газ/жидкость/твердое тело или газ/жидкость/твердое тело/микробные системы.

Термин "аэрирование" означает здесь ввод газа или газов в жидкость.

Известен реактор для ввода газа в жидкость, содержащий смесительный бак для жидкости, перегородку для разделения бака, по меньшей мере, на две камеры, первый насос, расположенный в одной из камер, для циркуляции жидкости вниз в одной камере и затем вверх в другой камере, узел аэратора для аэрирования потока жидкости и ввода аэрированной жидкости в бак для смешения аэрированной жидкости с циркулирующей жидкостью в баке, при этом узел аэратора содержит аэратор с трубой Вентури, имеющий вход аэратора, выход аэратора, сужение между входом и выходом аэратора для создания зоны уменьшенного давления в жидкости и средство для ввода газа в сужение для аэрирования жидкости (US N 4017565, кл. В 01 F 3/04, 1977).

Известен способ аэрирования жидкости газом, включающий создание зоны уменьшенного давления в жидкости в направлении потока и введение газа в жидкость в зоне уменьшенного давления для аэрирования жидкости (US N 4017565, кл. В 01 F 3/04, 1977).

Недостатком известного реактора является значительное потребление энергии, а также недостаточная эффективность аэрирования потока жидкости.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что реактор для ввода газа в жидкость содержит смесительный бак для жидкости, перегородку для разделения бака, по меньшей мере, на две камеры, первый насос, расположенный в одной из камер, для циркуляции жидкости вниз в одной камере и затем вверх в другой камере, узел аэратора для аэрирования потока жидкости и ввода аэрированной жидкости в бак для смешения аэрированной жидкости с циркулирующей жидкостью в баке, причем узел аэратора содержит аэратор с трубой Вентури, имеющей вход аэратора, выход аэратора, сужение между входом и выходом аэратора для создания зоны уменьшенного давления в жидкости и средство для ввода газа в сужение для аэрирования жидкости. При этом сужение между входом и выходом аэратора выполнено удлиненным в сечении, поперечном направлению потока жидкости, а узел аэратора установлен в баке с возможностью аэрирования боковой части потока жидкости.

Предпочтительно аэратор расположен в верхней части бака.

Целесообразно, чтобы средство ввода газа в сужение содержало ряд сопел или отверстий или пористую мембрану в стенке сужения, при этом ряд сопел или отверстий или пористая мембрана проходят по существу по периметру сужения.

Предпочтительно узел аэратора дополнительно содержит второй насос для циркуляции боковой фракции жидкости из бака через аэратор, причем второй насос может быть расположен во впускном отверстии узла аэратора, которое выполнено в узле аэратора и расположено смежно с боковой стенкой бака.

Целесообразно, чтобы узел аэратора содержал множество аэраторов, расположенных рядом, а в узле аэратора был выполнен канал, расположенный между смежными сужениями аэраторов для подачи газа в средство ввода газа внутрь сужений.

Предпочтительно, чтобы аэраторы были установлены рядом кольцеобразно, а впускное отверстие каждого аэратора являлось общим для аэраторов.

Целесообразно, чтобы перегородка разделяла бак на внутреннюю и наружную камеры.

Целесообразно также, чтобы первый насос был расположен в верхней части внутренней камеры, при этом первый насос содержит осевое рабочее колесо, которое обеспечивает циркуляцию жидкости вниз во внутренней камере и вверх в наружной камере.

Согласно другому варианту изобретения технический результат достигается за счет того, что реактор для ввода газа в жидкость содержит смесительный бак для жидкости, перегородку для разделения бака, по меньшей мере, на две камеры, первый насос, расположенный в одной из камер, для циркуляции жидкости вниз в одной камере и затем вверх в другой камере, узел аэратора, установленный в верхней части бака, для аэрирования потока жидкости и ввода аэрированной жидкости в бак для смешения аэрированной жидкости с циркулирующей жидкостью в баке, причем узел аэратора включает аэратор с трубой Вентури, а узел аэратора установлен в баке с возможностью аэрирования боковой части потока жидкости.

Согласно другому аспекту изобретения технический результат достигается за счет того, способ аэрирования жидкости газом включает создание зоны уменьшенного давления в жидкости в направлении потока и введение газа в жидкость в зоне уменьшенного давления для аэрирования жидкости. При этом зона уменьшенного давления жидкости удлинена в сечении, поперечном направлению потока жидкости через зону уменьшенного давления жидкости.

Согласно способу жидкость накачивают через узел аэратора, который содержит множество аэраторов с трубой Вентури, расположенных рядом, причем каждый аэратор с трубой Вентури образует одну зону уменьшенного давления жидкости, и множество каналов для подачи газа, расположенных между аэраторами с трубой Вентури для подачи газа в зоны уменьшенного давления. При этом аэраторы с трубами Вентури располагают кольцеобразно и дополнительно регулируют количество жидкости для прохождения потока вертикально через зону уменьшенного давления жидкости, причем жидкость представляет собой водный щелок от выщелачивания, а газ - воздух. При этом объемное отношение скорости потока воздуха к скорости потока щелока равно, по крайней мере, 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 0,7, а линейная скорость щелока через зону уменьшенного давления жидкости находится в пределах 1-10 м/сек, 1-5 м/сек, 3-4 м/сек.

Предпочтительно, чтобы газ вводили в жидкость посредством естественного всасывания или при уменьшенном давлении.

Изобретение описано далее со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематический вид одного предпочтительного варианта реактора в соответствии с изобретением;
фиг. 2 - подробный схематический вид узла аэратора реактора, показанного на фиг. 1;
фиг. 3 - вид крупным планом в разрезе в плоскости 3-3 фиг. 2;
фиг. 4 - вид крупным планом в разрезе в плоскости 4-4 фиг. 2;
фиг. 5 - график зависимости потребления энергии от скорости потока воздуха для опытного реактора обычного типа, показанного на фиг. 1-4;
фиг. 6 - график зависимости скорости потока воздуха от скорости потока жидкости для аэратора с трубой Вентури, имеющего конфигурацию в виде удлиненного паза на участке горловины в реакторе, показанного на фиг. 1-4, и обычного аэратора с трубкой Вентури, имеющего конфигурацию в виде удлиненного паза на участке горловины в реакторе, показанного на фиг. 1-4, и обычного аэратора с трубкой Вентури, имеющего обычную конфигурацию на участке горловины;
фиг. 7 - вид сверху в горизонтальной плоскости другого предпочтительного варианта реактора, выполненного в соответствии с изобретением;
фиг. 8 - вид в разрезе в плоскости 8-8 фиг. 7;
фиг. 9 - вид крупным планом, частично в разрезе, участка горловины узла аэратора в плоскости 9-9 фиг. 8.

Предпочтительные варианты исполнения реактора согласно изобретению описаны здесь в связи с аэрацией суспензии частиц минералов и воды воздухом. Однако следует отметить, что изобретение не ограничено этим применением, и оно распространяется на аэрацию любой жидкости любым газом.

Предпочтительный вариант реактора 11, показанный на фиг. 1 и 2, содержит цилиндрический смесительный бак 12, содержащий суспензию, вертикальную всасывающую трубу 13, погруженную в суспензию, и приводимое двигателем осевое рабочее колесо всасывающей трубе 13 вблизи ее верхнего конца.

Бак 12 может быть любого соответствующего размера. Всасывающая труба 13 имеет открытые верхний и нижний концы 16, 18 и установлена в центре смесительного бака 12 для разделения смесительного бака 12 на внутреннюю камеру 21 и наружную кольцевую камеру 23.

При работе рабочее колесо 14 создает поток суспензии вниз во всасывающей трубе 13 и затем вверх в наружной кольцевой камере 23, как указано стрелками на фигуре. Поток суспензии регулируют, таким образом минеральные частицы удерживаются во взвешенном состоянии.

Реактор 11 дополнительно содержит узел аэратора, обозначенный позицией 29, который поддерживается любым соответствующим средством (не показано) для прохождения в верхнюю часть бака 12.

Узел 29 аэратора содержит отверстие 31 для впуска суспензии, расположенное в баке 12 смежно с боковой стенкой бака 12, и приводимое двигателем осевое рабочее колесо 33, установленное в впускном отверстии 31 для всасывания части суспензии, циркулирующей вверх в наружной камере 23 бака 12, через впускное отверстие 31 в узел 29 аэратора. Канал 35 соединяет впускное отверстие 31 с аэратором 37 типа трубы Вентури, расположенным обычно над всасывающей трубой 13, чтобы аэрированная суспензия из аэратора 37 типа трубы Вентури проходила в бак 12 вверх по течению от рабочего колеса 14 и после этого проходила вниз по всасывающей трубе 13 и смешивалась с циркулирующей суспензией.

Как показано на фиг. 3 и 4, аэратор 37 типа трубы Вентури содержит группу из четырех аэраторов 38, расположенных параллельно с общим впускным отверстием 117, которое является продолжением канала 35, и с общим выпускным отверстием 119 для аэрированной текучей среды. Аэраторы 38 разделены группой из трех параллельных камер 23, открытых с концов, для подачи воздуха, которые обычно имеют форму ромбического профиля в поперечном сечении.

Как показано на фиг. 4, каналы 23 для подачи воздуха открыты с концов, таким образом воздух может свободно проходить в отверстия 25 в направлении, обозначенном стрелками на этой фигуре.

На фиг. 3 видно, что каждый аэратор 38 содержит входную зону 141, которая суживается внутрь от впускного отверстия 117, участок горловины 143 и выходную зону 145, суживающуюся наружу в сторону выпускного отверстия 119.

На фиг. 4 показано, что каждый участок 143 горловины выполнен в форме продолговатого паза длиной L и шириной W в сечении, поперечно направлению потока текучей среды через аэратор 38.

Длина L и ширина W горловины могут иметь любые соответствующие размеры.

В этом случае размеры зависят от множества факторов, включая, но без ограничения, размер и рабочие параметры реактора и требования к аэрированию текучей среды. Например, отношение длины к ширине может быть 10:1 для некоторых случаев, 100:1 в других случаях и 500:1 или больше.

Как можно видеть на фиг. 3, площадь поперечного сечения зоны 143 горловины меньше площади поперечного сечения входной зоны 141, и выходной зоны 145, таким образом текучая среда, проходящая через участок 143 горловины, подвергается эффекту трубки Вентури, в результате согласно уравнениям Бернулли давление текучей среды на участке 143 горловины меньше, чем давление текучей среды в входной зоне 141 и выходной зоне 145.

Как показано на фиг. 3 и 4, каждый аэратор 38 дополнительно содержит множество отверстий 25 в стенках 167 камер 37 подачи воздуха для ввода воздуха в зоны 143 горловины аэраторов 38 для аэрации текучей среды, проходящей через зоны 143 горловины. Ввиду уменьшенного давления текучей среды в зонах 141 горловины воздух можно вводить за счет естественного всасывания или при низком давлении с тем, чтобы уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты на узел 37 аэратора. Отверстия 25 разнесены через интервалы по существу по периметру участков 143 горловины для максимизации контакта между воздухом и текучей средой, проходящей через зоны 143 горловины. Кроме того, в любой данной ситуации выбирают такую ширину W зоны горловины 143, чтобы уменьшить неэффективную зону в текучей среде в центральной части зоны 143 горловины, где имеет место незначительное проникновение воздуха, проходящего через отверстия, и, следовательно, присутствует минимальный контакт, если вообще он есть, между газом и текучей средой. Следует отметить, что эффективный контакт текучей среды с газом происходит относительно близко от места ввода газа.

В серии экспериментов для аэрации воздухом водного щелока от выщелачивания заявитель обнаружил, что требования к энергии для работы осевых колес 14, 33 относительно низкие.

Серию экспериментов проводили в реакторе объемом 30 м³ типа, показанного на фиг. 1-4, который имел ряд из шести, а не из четырех аэраторов 38. Аэраторы 38 имели горловину шириной 9 мм и длиной 296 мм.

Результаты экспериментов показаны на фиг. 5. Фиг. 5 представляет график зависимости между энергией, потребляемой осевыми колесами 14, 33 (в значениях Wh/m³ улавленного воздуха) в зависимости от улавленного воздуха. На основе результатов, представленных на фиг. 5, и расчетов требуемой энергии заявитель считает, что энергия, необходимая для работы промышленного типа реактора в натуральную величину, будет составлять меньше чем 10 Вт.ч/м².

Также в ряде экспериментов для аэрации воздухом водного щелока от выщелачивания было установлено заявителем, что когда скорость потока увеличивается, можно вводить более значительное количество воздуха в щелок посредством аэраторов, которые имеют конфигурацию продолговатого паза на участке горловины, например, аэраторы 38, показанные на фиг. 3 и 4, чем с обычными аэраторами, которые имеют горловину круглого сечения.

Эксперименты были проведены на аэраторе основной конструкции аэраторов 38, показанных на фиг. 3 и 4, имеющих горловину шириной 9 мм, длиной 200 мм и 384 отверстий диаметром 1 мм, и 3 обычных аэратора, имеющих:
а) горловину диаметром 25 мм и 96 отверстий диаметром 1 мм;
б) горловину диаметром 18 мм и 48 отверстий диаметром 1 мм;
с) горловину диаметром 36 мм и 72 отверстия диаметром 1 мм.

Результаты испытаний представлены на фиг. 6. Фиг. 6 показывает график зависимости скорости потока воздуха, который можно вводить в аэраторы путем естественного всасывания, от скорости потока щелока через аэраторы. Пунктирные линии на фиг. 6 представляют приращения на 0,1 объемного отношения скорости потока воздуха к скорости потока щелока. Отношение воздуха к щелоку является величиной эффективности аэраторов.

Фиг. 6 показывает, что скорость потока воздуха, который затягивался за счет естественного всасывания в аэратор 38 (как "аэратор со сквозным потоком" на этой фигуре), увеличивался линейно в зависимости от скорости потока щелока через аэратор 38, тогда как скорость потока воздуха, который вводился за счет естественного всасывания в обычные аэраторы (обозначены как "конические аэраторы" на этой фигуре), стабилизировалась при относительно низкой скорости потока щелока.

Также фиг. 6 показывает, что отношение воздуха к щелоку в аэраторе 38, особенно при высокой скорости потока щелока, значительно выше, чем отношение воздуха к щелоку в обычных аэраторах, причем различие в эффективности аэраторов, отраженное этим параметром, становилось значительно заметным, когда скорость потока щелока увеличивали. Сравнительно высокое отношение воздуха к щелоку, особенно при высокой скорости потока щелока, является важным признаком аэратора 38, поскольку он позволяет уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с аэрацией.

Конкретная конфигурация реактора 41, показанного на фиг. 7-9, подобна конструкции, представленной на фиг. 1 и 2, и она включает в себя цилиндрический смесительный бак 43, содержащий суспензию, вертикальную всасывающую трубу 45, погруженную в суспензию, которая разделяет бак 43 на внутреннюю камеру 89 и наружные камеры 91, осевое рабочее колесо с приводом от двигателя, установленные во всасывающей трубе вблизи ее верхней части, и узел аэратора 49, удерживаемый любым соответствующим средством (не показано) для прохождения его в бак 43.

Узел аэратора 49 включает в себя аэратор с трубой Вентури 63, установленный непосредственно над всасывающей трубой 45, два впускных отверстия 51, расположенных смежно с боковой стенкой бака 43, и приводимый двигателем осевой насос 61 в каждом впускном отверстии 51. Узел аэратора 49 дополнительно включает в себя каналы 53, которые соединяют впускные отверстия 51 с аэратором 63 с трубой Вентури.

Как показано на фиг. 7 и 9, аэратор 63 с трубой Вентури содержит кольцеобразный ряд аэраторов 57, которые имеют такую же основную конструкцию, как и аэраторы 38, показанные на фиг. 3 и 4, разделенные каналами 81 для подачи воздуха. Аэраторы 57 расположены таким образом, что продолговатые зоны 83 горловины проходят радиально, при этом открытые концы каналов 81 для подачи воздуха образуют часть наружных и внутренних сторон 113, 115 аэратора 63 с трубой Вентури. В такой конструкции воздух может свободно проходить через открытые концы в каналы 81 для подачи воздуха внутрь зон 83 горловин аэраторов 57.

Предпочтительные варианты реакторов, показанных на чертежах, имеют низкие требования к напору и низкие потери на трение в узлах аэраторов. В результате реакторы могут работать эффективно с осевыми насосами с низким напором, тогда как центробежные насосы, которые обычно применяют для накачки жидкостей, будут работать менее эффективно. Кроме того, реакторы позволяют осевым насосам работать при низкой окружной скорости концов лопаток рабочего колеса, что очень важно в минеральной суспензии для исключения их чрезмерного износа. В частности было установлено, что требования к энергии для работы рабочих колес для втягивания суспензии внутрь аэраторов и через них значительно ниже, чем для накачки суспензии через наружную систему, раскрытую в Международной заявке PCT/AU 92/00645.

Другими преимуществами изобретения является то, что реакторы компактные и автономные, а узлы аэраторов легко доступны для обслуживания.

Кроме того, реакторы могут обеспечить большой объем жидкости для циркуляции в смесительном баке и аэрации большим объемом воздуха за счет естественного всасывания.

В предпочтительных вариантах реактора возможны многие модификации в объеме изобретения.

В этой связи, хотя предпочтительные варианты исполнения включают в себя цилиндрические всасывающие трубы 13, расположенные в центре цилиндрических смесительных баков 12, 43 для разделения смесительных баков 12, 43 на внутренние камеры 21, 89 и наружные кольцевые камеры 23, 91 однако можно легко понять, что изобретение не ограничено этим, и оно предусматривает любую конфигурацию перегородок для разделения смесительного бака на, по крайней мере, две камеры, через которые может циркулировать текучая среда.

Также, хотя предпочтительный вариант, показанный на фиг. 1-4 включает в себя ряд из четырех аэраторов 38, расположенных рядом, однако ясно, что изобретение не ограничено этим количеством и что можно применять любое соответствующее количество аэраторов 38, расположенных в любой соответствующей конфигурации. Кроме того, хотя узлы 29, 49 предпочтительных вариантов содержат участки горловины 143, 83, которые имеют ширину W, можно легко понять, что изобретение этим не ограничивается.

Также, хотя предпочтительный вариант, показанный на фиг. 7-9, содержит множество аэраторов 57, расположенных рядом в кольцеобразной конфигурации так, что продолговатые участки 83 горловины проходят радиально, а каналы 81 для подачи воздуха имеют усеченную клинообразную конфигурацию, однако можно легко понять, что изобретение не ограничено этим и возможна любая другая соответствующая конструкция. Например, аэраторы 57 могут быть расположены бок о бок рядами, в которых аэраторы 57 каждого ряда установлены в кольцеобразной конфигурации так, что удлиненные участки 83 горловины проходят радиально. В другом примере ряды параллельных аэраторов 57 могут быть расположены кольцеобразно так, что удлиненные участки 83 горловины проходят поперечно радиальной оси.

Кроме того, хотя каналы 35, 53 узлов 29, 49 в предпочтительных вариантах выполнения показаны как полностью закрытые устройства, однако можно легко понять, что изобретение не ограничено этим и что каналы могут быть открыты сверху или, иначе говоря, могут вентилироваться для выпуска газов из жидкости, которые выделяются или образуются в смесительном баке.

В предпочтительных вариантах выполнения узлы 29, 49 аэраторов расположены в смесительных баках 12, 43, однако некоторые аспекты изобретения не ограничены этим, и узлы 29, 49 аэраторов могут быть расположены снаружи смесительного бака.

Также, хотя узлы 29, 49 в предпочтительных вариантах выполнения содержат аэраторы 38, 57, имеющие продолговатую конфигурацию паза в зонах 143, 83 горловин, однако узлы аэраторов могут включать аэраторы круглого сечения на участках горловин.

Далее, хотя узлы 29, 49 в предпочтительных вариантах выполнения содержат аэраторы 38, 57, имеющие отверстия 25 (фиг. 3) в стенках 167 наружных камер 23 и боковых стенках 161 трубы Вентури для введения газа в участок горловины 143 аэраторов 38, 57 для аэрации жидкости, однако может быть предпочтительным, что изобретение не будет этим ограничено и возможно использование других подходящих средств, кроме отверстий, для введения газа в жидкость. Такие средства включают сопла и пористые мембраны.

Реферат

Изобретение относится к реактору для двухфазной или трехфазной системы. Изобретение предназначено, в частности, для аэрации жидкости, содержащей суспензию минеральных частиц газом, представляющим воздух или любой другой соответствующий кислородсодержащий газ. Реактор для ввода газа в жидкость содержит смесительный бак для жидкости, перегородку для разделения бака по крайней мере на две камеры, первый насос и узел аэратора. Первый насос расположен в одной из камер для циркуляции жидкости вниз в одной камере и затем вверх в другой камере. Узел аэратора предназначен для аэрирования боковой части потока жидкости и ввода аэрированной жидкости в бак для смешения аэрированной жидкости с циркулирующей жидкостью в баке. Узел аэратора с трубой Вентури имеет вход аэратора, выход аэратора, сужение между входом и выходом аэратора и средство для ввода газа в сужение для аэрирования жидкости. Сужение между входом и выходом аэратора выполнено удлиненным в сечении, поперечном направлению потока жидкости. Узел аэратора установлен в баке с возможностью аэрирования боковой части потока жидкости. Способ аэрирования жидкости газом включает создание зоны уменьшенного давления в жидкости в направлении потока и введение газа в жидкость в зоне уменьшенного давления для аэрирования жидкости. Зона уменьшенного давления жидкости удлинена в сечении, поперечном направлению потока жидкости через зону уменьшенного давления жидкости. Изобретение позволяет значительно уменьшить потребление энергии и повысить эффективность аэрирования потока жидкости. 3 с. и 38 з.п.ф-лы, 9 ил.

Формула