Устройство для диспергирования газа в жидкости

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ГАЗА В ЖИДКОСТИ(71)(73) Заявитель и патентовладелец: МЭИЛГВИН МИНЕРАЛ СЕРВИСИЗ ЛИМИТЕД (GB) Изобретение относится к устройству для диспергирования газа в жидкости или суспензии частиц в жидкости, особенно, но не исключительно, к взвесям минералов, которые находятся в емкостях или текут по системам трубопроводов. Аэрационный картридж (10) внутри наружной емкости,где аэрационный картридж (10) включает трубку (18), составленную из двух или более продольно соединенных цилиндрических секций (20), где соответствующие торцы цилиндрических секций (20) сформированы так, чтобы, когда они соединены вместе, в соединении создавалась по меньшей мере одна прорезь (24), проходящая от внутренней поверхности трубки (18) к внешней поверхности трубки (18), и где наружная емкость выполнена с возможностью присоединения к источнику газа высокого давления. 014013 Изобретение относится к устройству для диспергирования газа в жидкости или суспензии частиц в жидкости, особенно, но не исключительно, к взвесям минералов, которые находятся в емкостях или текут по системам трубопроводов. Одна современная система для диспергирования газа в жидкости использует вращающуюся крыльчатку внутри замкнутой емкости. Емкость заполняют жидкостью и газ вводят через сопла близко к вращающейся крыльчатке. Сдвиг в жидкости, созданный скоростью вращающейся крыльчатки, диспергирует газ на мелкие пузырьки. Размер созданных пузырьков зависит от физических переменных, наличествующих в системе, таких как скорость вращения крыльчатки, гидравлическое давление в жидкости, вязкость жидкости и поверхностное натяжение жидкости. Диаметр сопла и расход газа в системе также влияют на размер создаваемых пузырьков. Эффективность создания новых межфазных поверхностей газ/жидкость относительно энергии, потребляемой крыльчаткой, относительно низка. В другом способе диспергирования газа в жидкости газ вводят через отверстия, причем отверстия имеют диаметр, равный желаемому диаметру пузырьков. Вязкость жидкости и поверхностное натяжение не являются настолько доминирующими в определении диаметра пузырьков, как в механических устройствах, таких как системы с крыльчаткой. Отдельные малые отверстия ограничены по производительности массопередачи. Поэтому при технических применениях используют пористые тела с весьма высоким числом пор на единицу площади тела. Широко распространенным примером использования аэрации пористыми телами является переработка биологических илов. Пористые трубки помещают глубоко в иловом резервуаре, где в них нагнетают сжатый воздух. Хотя поры пористых тел имеют диаметр меньше 0,1 мм, диаметр полученных пузырьков составляет приблизительно от 0,2 до 0,5 мм, что относительно больше. Это обусловлено тем, что отсутствует сдвиг на конце пор для удаления мелких пузырьков, и поэтому пузырьки коалесцируют, образуя более крупные пузырьки. По этой причине пористые тела используют в процессе поперечного потока, т.е. жидкость проходит по поверхности пористых тел с большой скоростью, чтобы сдвинуть пузырьки прежде, чем они коалесцируют. При использовании этого способа и очень мелкопористых пористых тел можно получить пузырьки с диаметрами менее 0,1 мм. При использовании пористых тел для диспергирования газов в жидкостях имеется два главных недостатка. Во-первых, характеристики тел изменяются в течение времени, например, удельная проницаемость (массоперенос при заданном давлении газа, отнесенный к межфазной поверхности тела) снижается за период времени. Это может быть компенсировано повышением рабочего давления газов. Однако давление может быть повышено только до определенного значения, после которого тела требуют выемки и очистки или замены. При некоторых обстоятельствах тела невозможно очистить, и они остаются забитыми частицами из жидкости или суспензии. Забивка или закупорка тел вызывается или проникновением мелких частиц суспензии в поры и/или химическим осаждением мелких кристаллов внутри пор. Одной из главных причин забивки является то, что имеется широкий интервал размеров пор, примерно от 1 до 20 мкм, присутствующих в телах. Современные пористые тела изготавливают из политетрафторэтилена(ПТФЭ), поскольку смачиваемость этого полимера низка, жидкость не проникает глубоко в поры, помогая понизить забивку, но не устранить ее. Вторым недостатком использования пористых тел является скорость износа тела. Природа реактора поперечного тока заставляет частицы в жидкости или суспензии истирать тела с высокими скоростями,что разрушает материал за относительно короткий период времени. При скоростях жидкости от 5 до 6 м/с скорость износа пористых тел еще является приемлемой. Однако величина сдвига недостаточна для получения очень мелких пузырьков. Скорости жидкости между 9 и 10 м/с обеспечивают компромисс между размером пузырька и скоростью износа тел. Настоящее изобретение предлагает способ устранения одного или нескольких недостатков. Согласно настоящему изобретению предложен аэрационный картридж внутри наружной емкости,где аэрационный картридж включает трубку, составленную из двух или более продольно соединенных цилиндрических секций, где соответствующие торцы цилиндрических секций сформированы так, чтобы,когда они соединены вместе, в соединении создавалась по меньшей мере одна прорезь, проходящая от внутренней поверхности трубки к внешней поверхности трубки, и где наружная емкость выполнена с возможностью присоединения к устройству подачи газа высокого давления. Предпочтительно по меньшей мере часть внутренней поверхности двух или более цилиндрических секций является сверхгидрофобной. Эффект сверхгидрофобности или лотос-эффект позволяет каждой прорези быть самоочищающейся и, таким образом, уменьшает вероятность того, что прорезь станет забитой или закупоренной частицами из жидкости или суспензии, проходящей через цилиндрические секции. Преимущественно прорези перпендикулярны внутренней поверхности трубки. Они могут быть также направлены под углом до 60 к перпендикуляру в любом направлении. Далее они могут быть коническими, будучи шире на внешней поверхности трубки и уже на внутренней поверхности трубки. Прорези также могут быть различной формы. Преимущественно торцы цилиндрических секций сформированы посредством фрезерного станка с численным программным управлением. Преимущественно цилиндрические секции содержат керамический материал. Предпочтительно ке-1 014013 рамическим материалом является SiC или Al2O3. Такие керамические материалы имеют относительно высокое сопротивление износу по сравнению с пористыми материалами. Использование высококачественных кремний-карбидных керамических материалов уменьшает частоту, с которой аэрационный картридж требует замены вследствие износа по сравнению с частотой замены, обычно наблюдаемой в аэрационных устройствах. Такие высокоизносостойкие керамические материалы делают также возможным использование скоростей жидкости, превышающих 20 м/с, без продуцирования такого сильного износа материала, который продуцируется в пористых телах. Дополнительным преимуществом использования керамических материалов является то, что могут быть обработаны более абразивные жидкости или суспензии, чем были бы обработаны в ином случае из-за высокой степени износа аэрирующего устройства. Предпочтительно ширина прорези или каждой прорези находится между 0,01 и 0,5 мм. В качестве примера прорезь шириной 0,1 мм должна обеспечить пузырьки в интервале размеров от 0,02 до 0,1 мм в зависимости от скорости поперечно текущей жидкости. Преимущественно давление устройства подачи газа высокого давления составляет от 200 кПа (2 бар) до 1500 кПа (15 бар). Предпочтительно аэрационное устройство используют в реакторе с поперечным потоком. Изобретение далее распространяется на способ диспергирования газа в жидкости. Осуществление настоящего изобретения будет теперь описано в отношении прилагаемого чертежа,на котором схематично показано поперечное сечение устройства. Чертеж изображает устройство, включающее аэрационный картридж 10, включающий торцевые пластины 12 и 14, удерживаемые вместе рядом болтов (не показаны), имеющие ряд отверстий 16, проходящих от внешней грани 12 а и 14 а торцевых пластин 12 и 14 соответственно к внутренней грани 12b и 14b торцевых пластин 12 и 14 соответственно. Множество керамических износостойких трубок 18, выполненных по меньшей мере из двух соединенных продольно керамических износостойких цилиндрических секций 20, проходит через отверстия 16 в торцевых пластинах 12 и 14. По меньшей мере часть внутренних стенок 22 керамических цилиндрических секций 20 обрабатывают химикалиями, чтобы сделать их сверхгидрофобными. Торцы керамических секций 20, составляющих трубы 18, сформированы с использованием фрезерного станка с числовым программным управлением таким образом, чтобы, когда они соединены, на каждом соединении образовывалась по меньшей мере одна прорезь 24, проходящая от внутренней поверхности трубки 18 к внешней поверхности трубки 18. Такие трубки могут быть образованы из двух керамических цилиндрических секций 20, создавая единичную прорезь в трубках 18 (однопрорезная система), или из множества керамических цилиндрических секций, создавая множество прорезей в трубках 18 (многопрорезная система). Торцы трубок 18, выступающие за торцевые пластины 12 и 14, снабжены кремнийкарбидными вставками (не показаны), чтобы гарантировать, что в этих точках не будет происходить износ. Снаружи аэрационного картриджа 10 перпендикулярно торцевым пластинам 12 и 14 присоединен сваркой впускной трубопровод 26 такого диаметра, что концы трубок 18, выступающие за торцевую пластину 12, полностью находятся внутри окружности впускного трубопровода 26. С противоположной стороны аэрационного картриджа перпендикулярно торцевой пластине 14 присоединен сваркой сливной трубопровод 28 такого диаметра, что концы трубок 18, выступающие за торцевую пластину 14, полностью находятся внутри окружности сливного трубопровода 28. К торцевым пластинам 12 и 14 присоединено сваркой по окружности обрамление 30. Обрамление 30 в комбинации с торцевыми пластинами 12 и 14 формирует внешнюю емкость 32 вокруг аэрационного картриджа 10. В обрамлении 30 внешней емкости 32 предусмотрен вход 34 для газа. При использовании жидкость или суспензию закачивают при заданном расходе и противодавлении во впускной трубопровод 26, как показано стрелками с правой стороны на чертеже. Затем жидкость проходит со скоростью между 5 и 30 м/с в трубки 18 аэрационного картриджа 10. Внутренний диаметр трубок 18 достаточно велик для того, чтобы позволить несоответствующим частицам пройти через трубки 18, не вызывая забивку. Газ высокого давления, который должен быть аэрирован в жидкости, нагнетают через входной патрубок 34, как показано центральной стрелкой на чертеже, чтобы заполнить внешнюю емкость 32. Давление газа во внешней емкости 32, Р 1 больше, чем давление жидкости в трубках 18, Р 2. В результате разности давлений между Р 1 и Р 2 газ прогоняется через прорези 24 трубок 18. Поток жидкости в трубках 18 сдвигает пузырьки газа, проходящие через прорези 24, генерируя таким образом в жидкости большое количество микропузырьков. Конфигурация и число трубок 18 внутри аэрационного картриджа 10 должны варьироваться в соответствии с типом жидкости или суспензии и желаемым количеством микропузырьков, которые должны быть диспергированы в жидкости или суспензии. Подобным образом могут также варьироваться число и длина картриджей внутри устройства. Многочисленные вариации и модификации могут быть получены в объеме настоящего изобретения. Только для того чтобы привести пример, прорези переменного размера могут быть сделаны вдоль трубы аэрационного картриджа, чтобы получить распределение размеров пузырьков в жидкости.-2 014013 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Аэрационный картридж, размещенный внутри наружной емкости, причем аэрационный картридж включает в себя трубу, выполненную из двух или более продольно соединенных цилиндрических секций, причем соответствующие торцы цилиндрических секций выполнены так, чтобы, когда они соединены вместе, в соединении создавалась по меньшей мере одна прорезь, проходящая от внутренней поверхности трубы к внешней поверхности трубы, и причем наружная емкость выполнена с возможностью присоединения к устройству подачи газа высокого давления, причем по меньшей мере часть внутренней поверхности двух или более цилиндрических секций является сверхгидрофобной. 2. Аэрационный картридж согласно п.1, в котором прорези перпендикулярны внутренней поверхности трубы. 3. Аэрационный картридж согласно п.1, в котором прорези направлены под углом до 60 к перпендикуляру к внутренней поверхности трубы в любом направлении. 4. Аэрационный картридж согласно любому предшествующему пункту, в котором прорези являются коническими, будучи шире на внешней поверхности трубы и сужающимися к внутренней поверхности трубы. 5. Аэрационный картридж согласно любому предшествующему пункту, в котором торцы цилиндрических секций сформированы посредством фрезерного станка с численным программным управлением. 6. Аэрационный картридж согласно любому предшествующему пункту, в котором цилиндрические секции содержат керамический материал. 7. Аэрационный картридж согласно п.6, в котором керамическим материалом является SiC илиAl2O3. 8. Аэрационный картридж согласно любому предшествующему пункту, в котором ширина прорези или каждой прорези находится в диапазоне между 0,01 и 0,5 мм. 9. Применение аэрационного картриджа согласно любому предшествующему пункту в реакторе с поперечным потоком. 10. Способ диспергирования газа в жидкости, отличающийся тем, что поток жидкости пропускают через аэрационный картридж согласно пп.1-8. 11. Способ диспергирования газа в жидкости по п.10, отличающийся тем, что поток жидкости пропускают через аэрационный картридж, причем высокое давление подаваемого газа составляет от 200 кПа