Способ и система смешивания газа и жидкости для гравитационного физического и химического улавливания соединений - RU2656501C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и системе, смешивающим потоки газа и жидкости для улавливания в потоке жидкости химических соединений, присутствующих в потоке текучей среды, и, в частности, для того, чтобы смешивать газ и жидкость для гравитационного, физического и химического улавливания соединений.

Уровень техники

Известно, что воздействие повседневной человеческой деятельности на окружающую среду приводит к проблемам во всех областях. Одной из таких проблем является образование загрязнителей, вызываемых промышленными предприятиями, транспортом, деятельностью в жилищном и сельскохозяйственном секторах, включая земледелие и животноводство, в общем случае загрязнение воздуха.

Например, отходящие газы от муниципальных установок для сжигания отходов, содержат твердые частицы, O₃, HCl, SO_x, NO_x, тяжелые металлы, включая ртуть, или такие компоненты, как диоксин, фуран, присутствующие в небольшом количестве, и эти токсичные материалы необходимо удалять с точки зрения зашиты окружающей среды. Другие вещества, такие как CH₄, C₆H₆ и PAH (полициклические ароматические углеводороды), сбрасываются в атмосферу. Известно, что некоторые из этих материалов в высшей степени токсичны и, кроме того, обладают канцерогенным действием, поэтому улавливание/сбор/удаление этих диоксинов рассматривается как неотложная проблема.

Другой пример представляет проблема защиты здоровья рабочих в промышленных зонах, возникающая из-за вдыхания ими пыли от стекловолокна, асбеста, древесины, мрамора и т.д.

Раскрытие изобретения

Поэтому главная цель настоящего изобретения состоит в предложении способа и системы для смешивания газа и жидкости для гравитационного, физического и химического улавливания соединений, способных решить описанные выше проблемы.

Конкретным объектом настоящего изобретения является способ смешивания газа и жидкости для гравитационного, физического и химического улавливания соединений или частиц в емкости, включающий стадии:

- гравитационного обеднения, включающего снижение содержания соединений или частиц и капель жидкого химического раствора с большим диаметром и большим объемом, чем диаметр и объем указанных соединений или частиц;

- физического осаждения, включающего конденсацию удаляемых соединений на влажной поверхности емкости;

- химической адсорбции, включающей химическую реакцию между удаляемыми соединениями и компонентами в жидком химическом растворе,

с тем, чтобы уменьшить среднюю длину свободного пробега указанных соединений или частиц в емкости.

Предпочтительно данный способ включает стадии:

- впуска газа в разделительную камеру в емкости через впускные отверстия для газа, при этом в указанной емкости присутствует ванна с жидким раствором;

- смешивания в разделительной камере потока указанного газа с потоком жидкого раствора в прямотоке, получая поток текучей среды, с тем, чтобы:

- некоторые из соединений или частиц осаждались на стенках разделительной камеры и затем смывались в ванну с жидким раствором;

- некоторые другие соединения или частицы адсорбировались в каплях химического раствора и затем собирались в ванне с жидким раствором;

- некоторые другие соединения или частицы разрушались с помощью отклоняющих поверхностей и смывались;

- оставшиеся соединения или частицы следовали за потоком жидкого раствора, направляющегося ко дну емкости, а затем поднимались в неламинарном потоке к разделительному слою в камере смешивания емкости, где текучая среда смешивается в противотоке с потоком распыленного жидкого химического раствора таким образом, чтобы все уже влажные соединения или частицы были абсорбированы указанным потоком и гравитация вынуждала их опускаться в ванне с жидкостью;

- выпуска потока текучей среды из емкости после отделения указанных соединений или частиц.

Другим объектом настоящего изобретения является система, приспособленная для смешивания газа и жидкости для гравитационного, физического и химического улавливания соединений или частиц в емкости, содержащая следующие элементы:

- узел гравитационного обеднения, выполненный с возможностью снижать содержание соединений и капель жидкого химического раствора с большим диаметром и большим объемом, чем диаметр и объем указанных соединений или частиц;

- узел физического осаждения, выполненный с возможностью конденсации удаляемых соединений на влажной поверхности емкости;

- узел химической адсорбции, выполненный с возможностью протекания химической реакции между удаляемыми соединениями и компонентами в жидком химическом растворе,

с тем, чтобы уменьшить среднюю длину свободного пробега указанных соединений или частиц в емкости.

Предпочтительно система содержит:

- указанную емкость, приспособленную для вмещения указанной жидкости, и содержащую объем смешивания указанного газа и жидкости над поверхностью указанной жидкости,

- множество трубопроводов подачи газа, присоединенных к соответствующим насыщающим камерам, подающих указанный поток текучей среды в объем смешивания, при этом внутренние стенки указанных насыщающих камер выступают в качестве первой поверхности газо-жидкостного обмена;

- по меньшей мере один трубопровод для вывода текучей среды из емкости наружу после смешивания,

- по меньшей мере один распределитель указанной жидкости с множеством распылителей, выполненных с возможностью распыления указанной жидкости в указанном объеме смешивания и в указанных насыщающих камерах;

- по меньшей мере одно отклоняющее устройство, размещенное на соответствующих концах насыщающей камеры, при этом указанное отклоняющее устройство принуждает поток текучей среды направляться к донной части емкости и служит в качестве второй поверхности газо-жидкостного обмена, выступая как каталитическая поверхность.

Эти и другие цели достигаются с помощью способа и системы для смешивания газа и жидкости с целью гравитационного, физического и химического улавливания соединений, как описано в прилагаемой формуле изобретения, которая представляет неотъемлемую часть настоящего описания.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет полностью понятно из следующего далее подробного описания, представленного с привлечением являющегося лишь иллюстративным и неограничивающим примера, рассматриваемого с обращением к прилагаемым чертежам, на которых:

фиг. 1 показывает пример воплощения емкости в соответствии с изобретением;

фиг. 2 показывает пример воплощения компонентов емкости: трубопровода, распылителя, насыщающей камеры;

фиг. 3 показывает пример воплощения компонента емкости, представляющего распылительную систему;

фиг. 4 показывает пример воплощения компонента емкости, представляющего вентиляторную систему;

фиг. 5 показывает пример воплощения компонентов емкости, представляющих сепараторную/каплеуловительную промывную систему и УФ-систему.

Одинаковые ссылочные числовые и буквенные позиции определяют на данных фигурах одинаковые или функционально эквивалентные части.

Осуществление изобретения

Представляющие объект данного изобретения общие принципы способа смешивания газа и жидкости для гравитационного, физического и химического улавливания соединений являются следующими.

Способ основывается на уменьшении средней длины свободного пробега соединений в емкости с использованием гравитационного обеднения, физического осаждения и химической адсорбции.

- Первый механизм (гравитационное обеднение) включает снижение содержания соединений и капель жидкого химического раствора с тем более высоким диаметром, чем больше объем (крупные капли подразумевают больший объем капли жидкости).

- Второй механизм (физическое осаждение) включает конденсацию удаляемого соединения на большой влажной поверхности системы.

- Третий механизм (химическая адсорбция) включает химическую реакцию между удаляемым соединением и компонентами в жидком химическом растворе.

Далее будет описан один пример воплощения данного способа.

Для данного воплощения способа обеспечивается система смешивания газа и жидкости для гравитационного, физического и химического улавливания соединений, основанная на уменьшении средней длины свободного пробега соединений в емкости, содержащая следующие элементы:

- узел гравитационного обеднения, осуществляющий уменьшение содержания соединений и капель жидкого раствора реагента с тем большим диаметром, чем больше объем;

- узел физического осаждения, осуществляемый конденсацию удаляемых соединений на влажной поверхности емкости;

- узел химической адсорбции, осуществляющий химическую реакцию между удаляемыми соединениями и компонентами в жидком химической растворе.

Далее описывается один пример воплощения системы по изобретению с обращением к прилагаемым фигурам.

Прежде всего система содержит емкость как на фиг. 1.

Емкость приспособлена для вмещения жидкости, используемой для обеспечения потока жидкости в способе, как описано ниже. Емкость может быть помещена на колесную платформу 112 для позиционирования и выравнивания по уровню поверхности. Предпочтительно имеются ручки 106, предназначенные для управления перемещением емкости.

Емкость может иметь геометрическую форму цилиндра, или кубическую, или форму параллелепипеда, или индивидуальную геометрию. Объемные габариты зависят от объема потока газа, предполагаемого для обработки.

Материал емкости может быть полимером, таким как полиэтилен, металлом, таким как сталь, стекловолокном и другим устойчивым материалом, не опасным для окружающей среды и биологической жизни. Материал выбирается в зависимости от применения и типа используемых жидкостей и газа.

Емкость снабжена соединителем 103 для стока жидкости (диаметр более половины дюйма), соединителем 102 для отбора жидкости (диаметр более половины дюйма) и соединителем 114 для подачи жидкости (диаметр более половины дюйма).

Емкость содержит жидкий химический раствор реагента в донной части 104' и предпочтительно плавающую поверхность, и/или плавающую полимерную сетку, и/или плавающие сферы различных диаметров, покрывающие поверхность жидкого химического раствора.

Может иметься наружная трубка 107 для отображения уровня жидкости в емкости.

Эти предметы плавают в емкости и предназначаются для увеличения поверхности контакта жидкость - текучая среда, и, в зависимости от области, уменьшают испарение жидкого химического раствора, такого как вода.

Емкость снабжена множеством трубопроводов 105 в боковых стенках емкости, предназначенных для подачи в емкость газа, и по меньшей мере одним трубопроводом 110 для отвода текучей среды наружу из емкости. Трубопроводы могут иметь круглое, квадратное, прямоугольное, эллиптическое или индивидуальное по форме сечение. Количество таких трубопроводов может достигать в любой емкости шести. Давление подачи жидкости на впуске в емкость составляет менее 10 бар.

Трубопроводы содержат датчики расхода газа, температуры и датчики относительной влажности.

Трубопроводы защищены сеткой 113, предохраняющей от попадания в емкость.

Сетка может быть изготовлена из металла, такого как сталь, полимера или любого другого материала, не опасного для окружающей среды и биологической жизни. Сетка имеет размеры ячеи более 0,5 мм.

Емкость содержит вытяжное устройство 110, предпочтительно вентилятор, принуждающий поток текучей среды выходить через него из емкости. Вентилятор создает в емкости разрежение, способствующее впуску в емкость внешнего газа (воздуха) через трубопроводы 105.

Вентилятор имеет регулируемую угловую скорость, он содержит датчики электрического напряжения и тока, датчики температуры потока текучей среды и датчики относительной влажности.

С обращением к фиг. 1 и 2 демонстрируются верхняя часть 104 и донная часть 104' емкости. Между ними в среднем положении над поверхностью жидкого раствора имеется по меньшей мере один распределитель жидкого раствора, то есть распределительный трубопровод 109, который располагается по окружности емкости, в частности, вокруг периметра емкости в зависимости от ее формы.

В емкости присутствует замкнутая система перекачки жидкого раствора, содержащая насос 101, подводящую трубу 108 для жидкого раствора, обеспечивающую его перетекание от донной части 104' емкости к распределительному трубопроводу 109 и от распределительного трубопровода к внутренней части емкости. С внешней стороны емкости представлены подводящий соединитель и вентиль 102, а также выпускной соединитель и вентиль 103 для жидкого раствора.

На распределительном трубопроводе симметрично распределено множество труб с распылителями 211, но, в зависимости от числа трубопроводов 105, такое распределение может быть асимметричным.

Насос содержит датчики электрического напряжения и тока, а гидравлические трубы содержат датчики расхода жидкости.

Жидкость разбрызгивается противотоком и прямотоком по отношению к потоку текучей среды во множестве насыщающих камер 205, связанных с трубопроводами 105 подачи газа (фиг. 2, 3), и в объеме смешивания в емкости, соответственно. Объем смешивания представляет собой объем, в котором находится текучая среда и который ограничивается с боковых сторон поверхностью емкости, снизу плавающей поверхностью на поверхности жидкого химического раствора и сверху поверхностью фильтрующего слоя (описан ниже).

Трубопроводы и насыщающие камеры 105, 205 предпочтительно изогнуты вниз под углом α в диапазоне 0-90 градусов, предпочтителен угол α в диапазоне 30-60 градусов, предпочтительно угол α=45°.

Распылители 211 (фиг. 3) разбрызгивают жидкий раствор из распределительного трубопровода 109 как внутрь насыщающих камер 205, так и снаружи трубопроводов внутрь емкости в объем смешивания.

Распылители 211 создают струю жидкости с большим диапазоном диаметра капель жидкости, предпочтительно более 0,1 мкм.

Форма капель жидкости меняется от сферической до эллиптической.

Струя распылителя имеет форму заполненного конуса, полого конуса, плоской струи, при этом угол распыления находится в диапазоне 15-100 градусов, предпочтительно в диапазоне 80-100 градусов, предпочтительно 90 градусов.

Для сохранения чистого состояния распылителей имеются пьезоэлектрические компоненты (на фигурах не показаны), находящиеся в механически совершенном контакте с распылителем. Периодически, предпочтительно с частотой более 3 МГц, подходящая система электронного управления возбуждает все присутствующие пьезоэлектрические элементы в течение периода времени более 100 мс.

Эта процедура предотвращает рост осадков загрязнителей.

На внутренних стенках емкости присутствует множество держателей 212 для соответствующего числа сепараторных/каплеуловительных промывных систем, как описано ниже с обращением к фиг. 5.

Трубопроводы 105-205 для подачи потока газа работают как насыщающая камера.

Как указывалось выше, внутри трубопровода присутствует труба с распылителем 211, предназначенная для смачивания всей поверхности трубопровода и выпуска распыленного потока жидкости по всему объему трубопровода прямотоком с газом, образуя поток текучей среды.

На конце трубопровода/насыщающей камеры присутствует отклоняющее устройство 314 - распыленная жидкость смачивает отклоняющее устройство там, где она задерживается.

Внутренние стенки насыщающей камеры представляют первую поверхность газо-жидкостного обмена.

Насыщающая камера содержат датчики расхода газа, температуры и датчики относительной влажности.

Из фиг. 3 видно, что отклоняющее устройство 314 используется для изменения направления потока текучей среды. Отклоняющее устройство принуждает поток текучей среды направляться к донной части емкости.

Отклоняющее устройство является второй поверхностью газо-жидкостного обмена и стопорящим средством для соединений с более крупными частицами в потоке текучей среды. Отклоняющее устройство имеет геометрию в зависимости от параметров потока; профиль отклоняющего устройства может быть параболическим, эллиптическим, круглым, линейным или комбинацией профилей.

Предпочтительно материалы, используемые для отклоняющего устройства 314, являются металлами, полимерами и любыми материалами, не опасными для экологии и биологической жизни. Материал поверхности отклоняющего устройства зависит от каталитического процесса, в который он включается.

Отклоняющее устройство выступает в качестве каталитической поверхности.

Кроме того, на верхней окружности нижней стороны емкости может быть представлено несколько держателей 313 для распылительного трубопровода.

На фиг. 4 отображена вентиляторная система 110, присутствующая на верхней стороне емкости.

Как указано выше, вентиляторная система обеспечивает протекание потока текучей среды.

Предпочтительно поток должен быть выше 10 м³ час^-1, а перепад давления в емкости должен быть более 50 Па.

Электрическая изоляция вентилятора выполнена таким образом, чтобы функционировать даже в среде окружающей взрывоопасной атмосферы, согласно стандарту АТЕХ (ATmospheres ed EXplosibles), в соответствии с Директивой 94/9/СЕ.

Для плотного соединения двух частей емкости друг с другом вдоль их границы присутствуют затяжные болты и гайки 417, а также усиливающий и герметизирующий пояс 415. Вентилятор окружен уплотнением 416.

В некоторых случаях система может обрабатывать газ, жидкость, текучую среду, содержащую бактерии, споры и микробиологические компоненты в целом.

Для избежания загрязнения и снижения микробиологической нагрузки к текучей среде (газ плюс жидкость) в емкости применяется микробиологическая обработка; предпочтительно там, где образуется текучая среда, устанавливается система УФ-облучения.

Как показано на фиг. 5, присутствует система 521 с УФ-лампой, соединенная с удерживающей конструкцией 212 для сепаратора/каплеуловителя 520; при этом удерживающая конструкция 212 присоединена к боковой стенке емкости. Кроме того, присутствует промывающая труба сепаратора/каплеуловителя и распылитель 518, забирающий жидкий раствор из трубопровода 109 и распыляющий его на сепаратор/каплеуловитель 520, который может размещаться над распределительным трубопроводом.

Сепаратор и каплеуловитель, в данном случае называемые слоем насадки, показаны на фиг. 5. При химической обработке это обычно полая труба или другая емкость, которая заполнена насадочным материалом. Эта насадка может быть в произвольном порядке заполнена небольшими предметами, такими как кольца Рашига, круглые диски, сферические или цилиндрические объекты, или же в ином случае это может быть специально разработанная структурированная насадка. Слои насадки могут также содержать каталитические частицы или адсорбенты, такие как гранулы цеолита, гранулированный активированный уголь и т.д. Цель слоя насадки состоит в том, чтобы в типичном случае улучшать контакт между двумя фазами при химическом или подобном процессе с тем, чтобы извлекать определенное соединение из фазы текучей среды.

Далее описывается пример воплощения способа смешивания газа и жидкости для гравитационного, физического и химического улавливания соединений в соответствии с изобретением, выполняемого в описанной выше емкости.

В потоке текучей среды присутствует множество нежелательных соединений или частиц, например, давайте рассмотрим частицы асбеста со средним диаметром около 5 мкм.

Эти частицы входят в систему через трубопровод подачи газа и, пройдя через решетку, оказываются в разделительной камере.

В разделительной камере поток газа смешивается с потоком жидкого раствора, образуя поток текучей среды; эти два потока являются прямоточными: некоторые из частиц осаждаются на стенке разделительной камеры и затем смываются в ванну с жидким раствором, некоторые другие будут адсорбироваться в каплях химического раствора и затем собираться в ванне с жидким раствором, некоторые другие разрушатся на поверхности отклоняющего устройства и будут смыты.

Оставшиеся частицы будут следовать за потоком текучей среды, направляющимся ко дну емкости, а затем подниматься в неламинарном потоке к слою сепаратора в камере смешения емкости, где текучая среда смешивается в противотоке с интенсивным и плотным потоком распыленного жидкого химического раствора.

Все уже смоченные частицы, которые оказываются абсорбированы крупными каплями жидкого раствора, под действием гравитации опускаются в ванне с жидкостью.

Другие частицы осаждаются на камере смешения емкости и затем смываются.

Некоторые частицы увеличиваются в объеме и массе из-за влажности и поступают в сепаратор. Здесь поверхность разделения очень велика и частицы продолжают конденсироваться на поверхностях. Средняя длина свободного пробега здесь сильно уменьшена.

Для обеспечения влажности на поверхности промывная система распыляет жидкий раствор в сепараторе. Очень высокая процентная доля частиц в потоке текучей среды удаляется из потока и направляется в ванну.

Поток текучей среды выходит из системы через выпускное отверстие для текучей среды, где располагается вентилятор.

В системе между компонентами текучей среды и жидкими химическими компонентами протекают химические реакции в ванне с жидкостью и на каталитической поверхности (такой, как металлическая поверхность в емкости).

Соотношение жидкости и газа Ψ

Важным параметром системы является скорость потока жидкости в трубопроводе и трубах.

Обычным в терминологии этой системы является представление потока жидкости в виде функции расхода потока газа, подлежащего обработке.

Это обычно называется соотношением жидкости и газа Ψ и выражается в единицах жидкости на кубический метр (л⋅м^-3).

Выражение количества используемой жидкости в виде соотношения дает возможность удобного сравнения систем с различными размерами.

Ψ является функцией механической конструкции системы; в то время как для абсорбции газа это соотношение дает представление о трудности удаления загрязнения.

Для осуществления удаления твердых примесей Ψ предпочтительно находится в диапазоне от 0,3 до 3 л⋅м^-3.

В зависимости от конструкции системы минимальный объем жидкости должен «смачивать» внутреннюю обменную поверхность и создавать достаточно мишеней для улавливания. Добавление к этой системе излишков жидкости не влияет на эффективность и фактически не вызывает падения давления.

Ψ для поглощения газа часто оказывается выше, в диапазоне от 3 до 6 л/м³.

Предпочтительное воплощение описанной выше системы разработано так, чтобы функционировать при Ψ>0,5 л⋅м^-3 с соотношением жидкости и текучей среды предпочтительно в диапазоне Ψ≤10 л⋅м^-3, более предпочтительно Ψ>0,5 л⋅м^-3.

Например, в большом городе это может быть Ψ=7,83 л⋅м^-3.

Динамическое массовое соотношение потока Ξ

Параметр Ψ - не единственный существенный параметр описания системы, поскольку является зависимым от конструкции. Более важна масса обоих потоков (жидкости и газа), которая коррелирует с плотностью жидкости и газа, используемых в системе и способе.

Далее представлено соотношение, которое описывает рабочий диапазон для систем.

При данной массе m, измеряемой в кг, плотности δ, измеряемой в кг⋅м^-3, и объеме V, измеряемом в м³, для этих двух потоков мы имеем:

m_stream=δ_stream⋅V_stream

Динамика системы приводит к определению изменения массы для обоих потоков:

Тогда система должна следовать зависимости:

с соотношением жидкости и текучей среды предпочтительно в диапазоне Ψ≤10 л⋅м^-3, более предпочтительно также Ψ>0,5 л⋅м^-3.

Например, при рассмотрении воздуха в качестве газа с расходом 2300 м³⋅час^-1 и воды в качестве жидкости с расходом 18 м³⋅час^-1 динамическое массовое соотношение потока составляет 0,154.

Специалистам в данной области после рассмотрения описания и сопровождающих его чертежей, которые раскрывают предпочтительные воплощения данного изобретения, будет очевидна возможность внесения в него множества изменений, модификаций, создания вариантов и других применений и приложений. Все такие изменения, модификации, варианты и другие применения и приложения, которые не отступают от объема изобретения, рассматриваются как охватываемые данным изобретением.

Элементы и признаки, описанные в различных формах предпочтительных воплощений, могут без отступления от объема изобретения взаимно объединяться.

Более подробные описания воплощения не приводятся, поскольку специалист в данной области сможет осуществить данное изобретение, исходя из указаний приведенного выше описания.

Реферат

Описывается способ смешивания газа и жидкости для гравитационного, физического и химического улавливания соединений или частиц, основанный на уменьшении средней длины свободного пробега соединений в емкости, включающий стадии: гравитационного обеднения, включающего уменьшение содержания соединений и капель жидкого раствора реагента с тем большим диаметром, чем больше объем; физического осаждения, включающего конденсацию удаляемых соединений на влажной поверхности емкости; химической адсорбции, включающей химическую реакцию между удаляемыми соединениями и компонентами в жидком химическом растворе. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула