(21)Numer zgłoszenia:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (21)Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/DE95/00451 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , WO95/32795, PCT Gazette nr 52/95 (11) (13) B1 (51) IntCl6: B01F 3/04 B01F 5/02 (54)Urządzenie do mieszania dwóch płynów (30) Pierwszeństwo: , DE, P (73) Uprawniony z patentu: AIR PRODUCTS AND CHEMICALS INC., Allentown, US (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 07/97 (72) Twórca wynalazku: Edward S. Gaddis, Clausthal-Zellerfeld, DE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 10/99 (74) Pełnomocnik: Kulikowska Wanda, KULIKOWSKA & KULIKOWSKI PL B1 (5 7 ) 1. Urządzenie do mieszania dwóch płynów, z których co najmniej jeden jest cieczą, które ma rurę do przyjmowania tych płynów otwartą po obu osiowych końcach, co najmniej dwie dysze doprowadzające płyny oraz ograniczony przez ściany kanał kierujący, do którego przy jednym jego końcu wchodzą dysze i który swym drugim końcem uchodzi w wymienioną rurę oraz przy którym rura na wysokości wejścia w części środkowej kanału kierującego ma strefę zderzania, w której zderzają się ze sobą strumienie płynów wprowadzanych przez dysze wychodzące z kanału kierującego, znamienne tym, że co najmniej jedna ściana (7, 8) kanału kierującego (4, 5) jest utworzona przez ścianę rury (1 ). Fig. 2

2 Urządzenie do mieszania dwóch płynów Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do mieszania dwóch płynów, z których co najmniej jeden jest cieczą, które ma rurę do przyjmowania tych płynów otwartą po obu osiowych końcach, co najmniej dwie dysze doprowadzające płyny oraz ograniczony przez ściany kanał kierujący, do którego przy jednym jego końcu wchodzą dysze i który swym drugim końcem uchodzi w wymienioną rurę oraz przy którym rura na wysokości wejścia w części środkowej kanału kierującego ma strefę zderzania, w której zderzają się ze sobą strumienie płynów wprowadzanych przez dysze wychodzące z kanału kierującego, znamienne tym, że co najmniej jedna ściana (7, 8) kanału kierującego (4, 5) jest utworzona przez ścianę rury (1). 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kierujący kanał (4, 5) ma co najmniej dwie komory, z których każda jest ograniczona przez umieszczoną na zewnątrz rury (1) i połączoną z jej ścianą połówką rury. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kierujący kanał (4, 5) ma co najmniej dwie komory, z których każda jest ograniczona przez umieszczony na zewnątrz rury (1) i połączony z jej ścianą ceownikowy, wydrążony kształtownik. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kierujący kanał (4, 5) ma koncentryczny względem rury (1) i wsparty na niej element rurowy (18). 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej jedna ze ścian (7, 8) kierującego kanału (4, 5) zawiera zintegrowaną rurę (18) do doprowadzania gazu jako jednego z płynów. 6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wszystkie jego części są wpuszczone do mającego dużą objętość zbiornika (6) cieczy. * * * Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do mieszania dwóch płynów, z których co najmniej jeden jest cieczą. Urządzenie może być stosowane do mieszania cieczy z gazem, do mieszania dwóch wzajemnie nierozpuszczalnych cieczy, albo też do mieszania lub homogenizowania dwóch cieczy wzajemnie rozpuszczalnych. Przykładowo, mieszanie takie przeprowadza się przy oczyszczaniu ścieków, do których należy wprowadzić możliwie dużo trudno rozpuszczającego się w wodzie tlenu. W tym celu podobnie jak w reakcjach chemicznych oraz w procesach absorpcji i desorpcji pomiędzy gazem a cieczą konieczne jest wytworzenie dużej powierzchni wymiany międzyfazowej przy silnej turbulencji, która powoduje intensyfikację wymiany masy pomiędzy gazem a cieczą. W niemieckim czasopiśmie "Chemie-Ingenieur-Technik" 52 (1980), nr 12, strony , opisane są liczne sposoby i urządzenia, za pomocą których można mieszać gazy i ciecze. Od dawna znanymi, w większości przypadków mało skutecznymi urządzeniami, są przykładowo mieszadła mechaniczne lub kolumny barbotażowe. Lepsze wyniki uzyskuje się przy stosowaniu reaktorów cyrkulacyjnych z dyszami wypływowymi. Znaczne polepszenie wymiany masy przy mieszaniu płynów uzyskuje się w urządzeniu opisanym w DE Urządzenie to posiada pole ścinania cieczy w obszarze bezpośrednio za otworami doprowadzających dysz. Gaz wypływający z dysz jest rozdzielany na bardzo małe pęcherzyki. Równocześnie każdy strumień cieczy wypływający z dysz zasysa z wnętrza rury ciecz lub mieszaninę gazu z cieczą. Na skutek tego za dyszami powstają jednorodne przepływy dwufazowe. Oba te przepływy dwufazowe są kierowane tak, że zderzają się wewnątrz rury w strefie zderzenia. Pęcherzyki powietrza zostają tam jeszcze bardziej rozdzielone, a energia kinetyczna powoduje rozproszenie przepływa-

3 jącej mieszaniny gazu z cieczą. Powstaje na skutek tego silna turbulencja i duża powierzchnia wymiany masy w strefie zderzenia oraz w pozostałych częściach rury powyżej i poniżej strefy zderzenia. Celem wynalazku było opracowanie konstrukcyjnie prostej budowy urządzenia przedstawionego powyżej. Urządzenie to posiada rurę do przyjmowania płynów otwartą po obu osiowych końcach, co najmniej dwie dysze doprowadzające płyny oraz ograniczony przez ściany kanał kierujący, do którego przy jednym jego końcu wchodzą dysze i który swym drugim końcem uchodzi w rurę. Rura na wysokości wejścia w części środkowej kanału kierującego zawiera strefę zderzenia, w której zderzają się ze sobą strumienie płynów wprowadzanych przez dysze wychodzące z kanału kierującego. Według wynalazku, urządzenie do mieszania dwóch płynów, ma zwartą konstrukcję i charakteryzuje się tym, że co najmniej jedną ścianą kanału kierującego jest ściana rury do przyjmowania mieszanych płynów. Kanał kierujący ma co najmniej dwie komory, z których każda jest ograniczona przez umieszczoną na zewnątrz rury i połączoną z jej ścianą połówką rury. Kanał kierujący może mieć co najmniej dwie komory, z których każda jest ograniczona przez umieszczony na zewnątrz rury i połączony z jej ścianą ceownikowy, wydrążony kształtownik. Ewentualnie, kanał kierujący ma koncentryczny względem tej rury i wsparty na niej element rurowy zintegrowany w dyszach do doprowadzania gazu jako jednego z płynów. Wszystkie części urządzenia według wynalazku są wpuszczane do zbiornika cieczy o dużej objętości. Powyższe urządzenie jest wykonane jako jedna część z rurą i kanałem kierującym. Może być ono wykonane w konstrukcji kompaktowej i dzięki temu jest proste w obsłudze. Urządzenie może być dzięki temu, oprócz swego bezpośredniego zastosowania w charakterze urządzenia mieszającego, używane przykładowo również jako agregat zanurzeniowy do zbiorników cieczy o dużej objętości. Kanał kierujący wykonywany jest prosto, ponieważ do jego wykonania wykorzystuje się i tak istniejącą ścianę rury, Trzeba więc umieścić tylko na zewnątrz lub wewnątrz rury drugie ściany kanału kierującego i połączyć je trwale z rurą. W każdej dyszy wprowadzonej w urządzenie można umieścić pewien rodzaj własnej rury kierującej. Możliwe jest jednak również zastosowanie pierścieniowego kanału kierującego z odpowiednio większą liczbą dysz. Przykłady wykonania urządzenia według wynalazku przedstawiono na załączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie według wynalazku, fig. 2 - widok z boku urządzenia, fig. 3 i 4 - przekroje poprzez urządzenie z fig. 2 w dwóch różnych przykładach realizacji, fig. 5 - dyszę stosowaną w urządzeniu, w powiększeniu. Figura 6 przedstawia przykład zastosowania urządzenia. Urządzenie według wynalazku zostanie dalej opisane w przykładzie wykonania w odniesieniu do mieszania cieczy z gazem. W taki sam sposób można jednak stosować to urządzenie również do mieszania dwóch nie rozpuszczających się wzajemnie w sobie cieczy lub do homogenizowania dwóch cieczy rozpuszczających się w sobie. W naczyniu kształtu rury 1, które jest korzystnie wykonane w postaci podłużnego cylindra, mają być mieszane ze sobą gaz GS i ciecz FL. Do cieczy FL ma być przykładowo wprowadzona możliwie duża ilość tlenu. Przy jednym końcu rury 1 - w pokazanym przykładzie wykonania w jej dolnym końcu - umieszczone są dwie dysze 2 i 3, do których doprowadzana jest z jednej strony ciecz FL, a z drugiej strony gaz GS. Dysze 2 i 3 są przy tym umieszczone tak, że wypływające z nich strumienie cieczy i gazu dostają się do kierujących kanałów 4 i 5, które ze swej strony uchodzą w dwóch średnicowo przeciwległych miejscach do rury 1. Rura 1 jest wraz z kierującymi kanałami 4 i 5 oraz dyszami 2 i 3 umieszczona w zbiorniku 6 o dużej objętości, w którym jako ciecz znajdują się przykładowo ścieki. Urządzenie to może być na przykład zbudowane zgodnie z wykonaniem pokazanym na fig. 3 i 4. W takiej postaci urządzenia przy rurze 1 z zewnątrz umieszczone są dwie łukowe, zamknięte ściany 7 i 8, z których każda jest trwale połączona przy obu osiowych krawędziach

4 ze ścianą rury 1 z utworzeniem osiowo przebiegającej komory. Ściany 7 i 8 są według fig. 1 zamknięte po stronach czołowych swych końców 9 i 10. Przy drugich, otwartych końcach dysze 2 i 3 wchodzą w komory otoczone przez ściany 7 i 8 oraz przez ścianę rury 1. Ściany 7 i 8 tworzą razem ze ścianą rury 1 urządzenie kierujące, które złożone jest tu z kanałów kierujących 4 i 5 objaśnionych w związku z fig. 1. W obszarze końców 9 i 10 ścian 7 i 8 w ścianie rury 1 wykonane są otwory. Odpowiednie otwory 11 i 12 w ścianie rury 1 są na fig. 2 zaznaczone za każdym razem przez dwie kreski. Rura 1 oraz ściany 7 i 8 są wykonane przykładowo z tworzywa sztucznego lub z metalu. Ściany 7 i 8 mogą być według fig. 3 wygięte na kształt półokręgu. Są one wtedy korzystnie złożone z połówek rur. Na ściany 7 i 8 można według fig. 4 stosować jednak również kształtowniki ceownikowe. Kierujące kanały 4 i 5, przebiegają zasadniczo równolegle do rury 1. Oba strumienie cieczy i gazu, prowadzone oddzielnie w kierujących kanałach 4 i 5, spotykają się w rurze 1 w strefie zderzenia PZ obwiedzionej linią przerywaną. Dysze 2 i 3 zasysają ciecz lub mieszaninę gazu z cieczą z obszaru dolnego końca rury i zapewniają przez to wewnętrzny obieg zaznaczony na fig. 1 strzałkami. Ciecz FL jest doprowadzana do rury 1 od góry lub w zewnętrznym obiegu, przykładowo za pomocą pompy 13. Po wymieszaniu ciecz może odpływać z przelewu 14 ze zbiornika 6. Nadmiar gazu może uchodzić z urządzenia częściowo przez rurę 1, a częściowo przez zbiornik 6. Na fig. 1 pokazane są dwie dysze 2 i 3. Można jednak stosować również więcej niż dwie oddzielone od siebie dysze. Te dysze 2 i 3 są korzystnie wykonane jako dysze dwumateria łowe z dwóch koncentrycznych rur. Pod względem kształtu geometrycznego i wymiarów są one korzystnie wykonane identycznie, tak że do rury 1 mogą być doprowadzane dwa lub więcej jednorodnych strumieni z cieczy i gazu. Jeżeli stosuje się więcej niż dwie dysze, wówczas miejsca wlotu odpowiednich kierujących kanałów są korzystnie rozmieszczone równomiernie na obwodzie rury 1. Przy trzech dyszach pomiędzy miejscami wlotu utworzone są kąty przykładowo po 120. Urządzenie z fig. 1 działa zasadniczo następująco: Poprzez dysze 2 i 3 oddzielnie są doprowadzane ciecz FL i gaz GS. Na skutek pola ścinania cieczy FL przy otworach wylotowych dysz 2 i 3 gaz GS jest dyspergowany. Pęcherzyki gazu są zabierane przez ciecz FL i tak powstająca mieszanina dwuskładnikowa zderza się dwoma strumieniami w strefie zderzenia PZ. Pęcherzyki powietrza są przez to jeszcze bardziej dyspergowane, tak że następuje zwiększona wymiana masy. Większość pęcherzyków powietrza pozostaje w strefie zderzenia PZ w stanie zawieszenia i jest na skutek tego nadal dyspergowana. Prowadzi to do dalszego zwiększenia wymiany masy. Strefa zderzenia znajduje się z tego powodu możliwie pośrodku w rurze 1. W postaci wykonania wynalazku różniącej się w stosunku do rozwiązań z fig. 2-4 dolna część rury 1 może być również otoczona przez element rurowy przebiegający w odstępie koncentrycznie względem tej rury. Dysze 2 i 3 uchodzą wtedy w pierścieniową komorę. Odpowiednie urządzenie kierujące jest ograniczone z zewnątrz przez element rurowy, a wewnątrz przez ścianę rury 1. Ponieważ otwór rury 1 na wysokości strefy zderzenia PZ jest wtedy również obwodowy, dolną część rury 1 korzystnie łączy się z koncentrycznym elementem rurowym. W tym celu można przykładowo zastosować schematycznie zaznaczone mostki 15, które są połączone trwale z dolną częścią rury 1 i z elementem rurowym. Element rurowy jest ze swej strony połączony trwale i obwodowo szczelnie z górną częścią rury 1. Urządzenie kierujące jest w takim przypadku wykonane pierścieniowo. Jest ono ograniczone przez rurę 1 z jednej strony i przez rurowy element, które stanowią ściany urządzenia kierującego. W tym przykładzie wykonania urządzenia stosowane są korzystnie więcej niż dwie dysze. Korzystnie stosowane są cztery dysze przestawione względem siebie na obwodzie o 90. Liczba dysz jest jednak również tu dowolna. Dysze mogą być według fig. 1 umieszczone tak, że ich bryły wchodzą w kierunku promieniowym w urządzenie kierujące. Budowa tego rodzaju dyszy wynika przykładowo z powiększonego przedstawienia na fig. 5. Jest ona złożona z rury 16, która w swej powierzchni obwodowej ma dyszowy otwór 17. Ciecz FL doprowadzana przez rurę 16 jest w ten sposób

5 odchylana o 90, tak że może ona wchodzić w urządzenie kierujące rury 1, które jest ograniczone przez ściany 1 i 7 zaznaczone na fig. 5. W celu doprowadzania gazu GS w rurze 16 dyszy zintegrowana jest cieńsza rura 18, której otwór wyjściowy 19 jest usytuowany przy otworze dyszowym 17. Korpusy dysz mogą jednak wchodzić w urządzenie kierujące również w kierunku osiowym. Opisane powyżej urządzenie może być stosowane bezpośrednio przykładowo do obróbki ścieków. Może być jednak stosowane również, jak już opisano na podstawie fig. 1, jako agregat zanurzeniowy w zbiorniku 6 o dużej objętości. Powstaje przy tym możliwość równoczesnego zastosowania kilku takich urządzeń równocześnie, jak to wynika dla trzech urządzeń A, B i C z fig. 6. Ma to tę zaletę, że można wykonać urządzenie o optymalnych, kompaktowych wymiarach bez względu na zastosowanie. Stosuje się tylko potrzebną liczbę urządzeń w charakterze agregatów zanurzeniowych. Fig. 2 Fig. 3 Fig.4

6 Fig. 5

7 Fig. 6

8 Fig. 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 2,00 zł.