RS66915B1 - Uređaj i postupak za kontinualnu razmenu gasova u struji smeše fluida - Google Patents

Description

Opis

[0001] Pronalazak se odnosi na uređaj za kontinualnu razmenu gasova u struji smeše fluida. Pronalazak se dalje odnosi na odgovarajući postupak.

[0002]Za mnoge primene u biologiji, prehrambenoj tehnologiji ili medicini, neophodna je razmena gasova koji se nalaze u tečnostima. Na primer, u nekim mikrobiološkim procesima, mikroorganizmi suspendovani u tečnosti metabolišu gas rastvoren u tečnosti i izlučuju u tečnost drugi gas kao metabolički proizvod. Izlučeni gasovi od određene koncentracije često deluju inhibitorno ili čak toksično na organizme, zbog čega je odvajanje takvih gasova neizbežno, ali istovremeno se mora obezbediti kontinualno dovođenje gasa koji je potreban za metabolizam. Primeri za takve biološke postupke su uzgajanje mikro i makroalgi, aerobnih bakterija ili inokulacionih kultura. Razmena gasova je takođe bitna, na primer, za vodu u akvarijumima i za uzgoj ribe. Tu je živim bićima potreban kiseonik koji uzimaju u rastvorenom obliku dok istovremeno oslobađaju CO2.

[0003] Oba koraka postupka odvajanja prvog gasa iz tečnosti i dispergovanja drugog gasa u istoj tečnosti trenutno se izvode uglavnom u odvojenim uređajima kroz koje uzastopno protiče tečni medijum koji treba da se tretira. Međutim, takav postupak je uglavnom praćen veoma velikim izdacima za aparate i odgovarajućim visokim troškovima, kao i znatnim potrebnim prostorom, i takođe je povezan sa velikim tehničkim izdacima za proces i upravljanje procesom.

[0004] Pored uređaja opisanih u WO03/002227 ili WO2006/032427, koji mogu da se koriste samo za degasiranje ili uvođenje gasa pa zato moraju da se kombinuju, koriste se membranski postupci, koji mogu da dovedu do razmene rastvorenih gasova u tečnom medijumu. Uređaji za razmenu gasova u tečnostima, koji rade pomoću membrana, poznati su, na primer, iz EP 1988 984 B1 i publikacija koje su tu citirane.

[0005] Nedostatak korišćenja membranskog postupka kod razmene gasova je taj što se membrane nakon određenog vremena zapuše ili pohabaju, pa neki tečni medijumi, kao što su, na primer, suspenzije, uopšte ne mogu da se obrađuju, i/ili membrane moraju da se menjaju u redovnim vremenskim intervalima. Pored toga, pri velikom protoku gasa potrebna je velika površina za razmenu, koja je povezana sa velikim potrebnim prostorom, i/ili je membrana izložena velikoj razlici pritiska tokom rada, zbog čega je porozna struktura izložena velikom opterećenju, što dovodi do brzog habanja.

[0006]Pronalazak ima za zadatak da obezbedi mogućnost za kontinualnu razmenu gasova u tečnim medijumima, koja se ostvaruje jednostavnim sredstvima, ne zahteva veliko održavanje pri radu i pogodna je za veliki broj različitih tečnosti.

[0007] Zadatak je rešen pomoću uređaja sa karakteristikama patentnog zahteva 1 i postupka sa karakteristikama patentnog zahteva 10. Pogodne konstrukcije pronalaska date su u podzahtevima.

[0008] Uređaj prema pronalasku obuhvata mlaznicu za dovod smeše fluida u zapreminu, koja je napunjena smešom fluida kada se uređaj koristi, separator smešten u zapremini kao i dovod za gas koji ulazi u zapreminu namenjen za drugi gas koji se disperguje u smeši fluida istovremeno sa separacijom prvog gasa.

[0009] Pod „smešom fluida“ odnosno „tečnim medijumom“ ovde se podrazumeva medijum koji ima najmanje jednu tečnost i najmanje jedan gas sadržan u njoj, pri čemu u smeši fluida mogu biti prisutne i druge supstance, kao što su, na primer, čestice čvrste supstance ili drugi rastvoreni gasovi. Prvi gas pre obrade odnosno drugi gas nakon obrade mogu biti raspoređeni u smeši fluida homogeno ili nehomogeno, dakle konkretno rastvoreni ili kao disperzija u obliku mehurića gasa fino raspoređenih u tečnosti.

[0010] Mlaznica ima konusni prstenasti zazor, koji je postavljen između konusne unutrašnje površine plašta mlaznice i vodeće kupe, i otvara se u zapreminu na svom vrhu sa otvorom mlaznice. Mlaznica je opremljena dovodom fluida koji tangencijalno, ali aksijalno razdvojen od otvora mlaznice, ulazi u konusni prstenasti zazor. Tangencijalni ulaz u prstenasti zazor primorava smešu fluida na rotaciono kretanje, čija ugaona brzina se drastično povećava do otvora mlaznice. Usled velike ugaone brzine, smeša fluida se izbacuje u zapreminu na otvoru mlaznice kao jako uvrnuti mlaz fluida. Konkretno, ugaona brzina je usled dovođenja smeše fluida kroz prstenasti zazor veća nego kod tela mlaznice koje inače ima iste dimenzije.

[0011] Širina konusnog prstenastog zazora, tj. rastojanje između unutrašnjeg zida plašta mlaznice i spoljašnjeg zida vodeće kupe, ni na jednoj tački ne treba da bude veće od unutrašnjeg prečnika dovoda fluida na njegovom ulazu u prstenasti zazor. Prstenasti zazor može da ima oštar ili tup ugao otvaranja. Na primer, ugao otvaranja je od 30° do 180°, poželjno od 45° do 170°, posebno poželjno od 60° do 135°; konusne granične površine prstenastog zazora ne moraju neophodno da imaju prave linije plašta. Radijalno rastojanje između konusne unutrašnje površine plašta mlaznice i spoljašnje površine vodeće kupe je između ulaza dovoda fluida i vrha vodeće kupe konstantno ili se neprekidno smanjuje u smeru otvora mlaznice; povećanje rastojanja između graničnih površina prstenastog zazora između ulaza dovoda fluida i otvora mlaznice, na primer tako da se formira komora za mešanje, nije predviđeno prema pronalasku. Zato se zapremina koja je dostupna smeši fluida u prstenastom zazoru neprekidno smanjuje do otvora mlaznice, zbog čega se aksijalna brzina, kao i ugaona brzina, kontinualno povećava.

[0012] U jako uvrnutom mlazu fluida koji nastaje u zapremini nishodno od otvora mlaznice postoji veliki gradijent pritiska u radijalnom smeru, pri čemu je pritisak u području u blizini ose mnogo niži nego na ivici mlaza fluida. Usled toga se gasovi sadržani u smeši fluida u obliku malih mehurića koncentrišu u centru mlaza tečnosti, dok se smeša fluida u spoljašnjem području barem u najvećoj meri oslobađa od ovih gasova. Ako je u pitanju smeša fluida koja je tečnost sa najmanje jednim gasom rastvorenim u njoj, pritisak u unutrašnjosti mlaza fluida može biti toliko nizak da dolazi do degasiranja najmanje jednog gasa, koji se zatim nakuplja u centru mlaza fluida.

[0013] Deo za separaciju separatora zaranja u mlaz tečnosti koji se formira u zapremini nishodno od otvora mlaznice. Deo za separaciju je konstruisan tako da odvaja deo smeše fluida koji se nalazi radijalno unutra u mlazu fluida od preostale smeše fluida i odvodi ga preko odvoda koji ide od dela za separaciju. Pošto se, kao što je pomenuto, u području u blizini ose jako uvrnutog mlaza fluida koncentruju gasoviti sastojci smeše fluida, odvedeni deo smeše fluida se sastoji od gasa ili tečnosti jako obogaćene gasovitim sastojcima. Deo za separaciju poželjno radijalno simetričan na osu konusnog prstenastog zazora poželjno ima oblik cevastog cilindra, ali može imati i dodatne elemente koji pogoduju odvajanju prvog gasa, kao što je, na primer, levkasti ulazni otvor ili spoljašnji plašt koji se konusno širi u smeru od otvora mlaznice.

[0014] Dovod gasa za drugi gas koji se disperguje u tečnom medijumu ulazi u zapreminu u visini dela za separaciju i radijalno spolja od njega. Na taj način je obezbeđeno da se struja drugog gasa dovodi u smešu fluida tek kada je već izvršeno odvajanje prvog gasa. Usled još uvek jakog rotacionog kretanja mlaza fluida radijalno spolja na delu za separaciju, vrši se brzo i intenzivno mešanje drugog gasa u smeši fluida, čime se takođe može olakšati rastvaranje drugog gasa, u slučaju da je gas rastvorljiv u tečnosti.

[0015] Struja smeše fluida koju treba obraditi dovodi se na mlaznicu pod visokim pritiskom, tj. obično se smeša fluida ushodno od mlaznice već nalazi pod odgovarajućim pritiskom, ili se pomoću pumpe smeštene u dovodu fluida, ushodno od mlaznice, dovodi na odgovarajući pritisak. Takva pumpa ima prednost što daje definisani pritisak na ulazu u prstenasti zazor; pri tome učinak pumpe može biti varijabilan i podesivo zadat u zavisnosti od izmerenih parametara. Pri tome, uređaj prema pronalasku je poželjno opremljen, na primer, elektronskom upravljačkom jedinicom, koja pored ostalog može da preuzme i dodatne zadatke regulacije u okviru pronalaska.

[0016] Poželjno, kao zapremina je predviđen sud napunjen smešom fluida, poželjno zatvoren, ili vod za sprovođenje tečnosti; pri tome, može biti u pitanju i otvoreni sud, bazen ili vode. U slučaju voda za sprovođenje tečnosti, kao što je cevovod kroz koje struji smeša fluida, mlaznica i deo za separaciju su poželjno koncentrični sa osom cevi. Uređaj prema pronalasku može posebno lako da se ugradi u postojeći cevovod i omogućava kontinualnu obradu smeše fluida koja se sprovodi kroz cevovod.

[0017] Posebno pogodno otelotvorenje pronalaska predviđa da je u odvod separatora integrisan fazni separator, na primer separator za gasovitu fazu, koji je preko povratnog voda u fluidnoj vezi sa dovodom fluida. U faznom separatoru, prvi gas, koji je sadržan u smeši fluida koju prihvata uređaj za separaciju, između ostalog se odvaja od smeše fluida koju prihvata uređaj za separaciju. Tečna faza smeše fluida oslobođena od prvog gasa zatim se preko povratnog voda vraća u dovod fluida mlaznice. Vraćanje tečne faze pri tome može da se vrši pomoću pumpe integrisane u povratni vod; takođe je moguće otelotvorenje pronalaska kod koga se povratni vod uključuje ushodno od pumpe smeštene u dovod fluida; u tom slučaju, nije potrebna sopstvena pumpa za povratni vod.

[0018] U daljem otelotvorenju uređaja prema pronalasku, predviđene su različite opcije za podešavanje, kako bi oštrina odvajanja separatora mogla da se prilagodi odgovarajućim zahtevima. Tu se posebno ubrajaju sredstva za variranje aksijalnog rastojanja između otvora mlaznice i ulaznog otvora separatora i/ili aksijalnog rastojanja ulaza dovoda gasa za drugi gas naspram otvora mlaznice i/ili aksijalna pozicija dovodne kupe mlaznice naspram konusne unutrašnje površine plašta mlaznice.

[0019] Takođe pogodno otelotvorenje pronalaska predviđa da se dovod tečnosti priključi u dovod pomoću koga dodatni gas može da se uvede u smešu tečnosti. Preko parcijalnog pritiska ove komponente, dodatni gas može da se koristi kao „gas za barbotiranje“, da bi se podržalo degasiranje prvog gasa u mlazu fluida. Pored toga, dodatno dovedeni gas snižava viskozitet smeše fluida i time povećava ugaonu brzinu smeše fluida na otvoru mlaznice pa time i mlaza fluida u zapremini. Konkretno, delimična struja drugog gasa na taj način može da se koristi kao gas za barbotiranje za prvi gas.

[0020] U jednoj takođe povoljnoj varijanti pronalaska, mlaznica je opremljena komorom za razdvajanje smeštenom ispred otvora mlaznice. Komora za razdvajanje je cilindrična komora smeštena osno simetrično u odnosu na konusni prstenasti zazor ispred otvora mlaznice, tj. u smeru tečenja smeše fluida nishodno od nje, sa otvorima raspoređenim čeono, čija dužina, na primer, odgovara 0,5- do 2-strukoj dužini vodeće kupe, i čiji ulazni otvor sa strane vodeće kupe je veći od naspramnog izlaznog otvora. Separator je u tom slučaju smešten nishodno i odmaknut od izlaznog otvora komore za razdvajanje.

[0021] Praktično, u dovodu fluida i/ili u plaštu mlaznice i/ili u dovodnoj kupi predviđen je uređaj za grejanje. Putem grejanja smeše fluida pre i/ili tokom prolaska kroz mlaznicu, njen viskozitet se smanjuje, čime se posebno povećava ugaona brzina mlaza tečnosti i time pritisak u centru mlaza fluida dodatno može da se smanji. Generalno, usled više temperature, rastvorljivost gasova rastvorljivih u fluidu se smanjuje što pogoduje degasiranju.

[0022] Da bi potpomogao odvajanje prvog gasa iz smeše fluida, uređaj je poželjno opremljen ultrazvučnim uređajem. Ultrazvučni uređaj može biti konstruisan tako da vodeća kupa i/ili mlaznica kao celina i/ili separator i/ili vod i/ili sud, u kome je npr. smešten uređaj, budu podvrgnuti brzim ultrazvučnim vibracijama. Tokom vibracija u smeši fluida nastaju zone različitog pritiska, koje pogoduju nastajanju kavitacija, u kojima se prvi gas rastvoren u smeši gasova degasira u obliku finih gasnih mehurića. Gasni mehurići se koagulišu i sakupljaju kao gasovita faza u centru rotirajućeg mlaza fluida i mogu zatim da se uklone iz smeše fluida pomoću separatora.

[0023] Još jedno pogodno otelotvorenje uređaja prema pronalasku predviđa da je centralno kroz vodeću kupu predviđen odvod. Preko odvoda delimični tok može, na primer pomoću pumpe, da se izvlači iz rotirajućeg mlaza fluida formiranog ispred otvora mlaznice, čime se potpomaže separator smešten nishodno od otvora mlaznice.

[0024] Pored toga, korisnik uređaja prema pronalasku ima na raspolaganju mnogo parametara koji mogu da se prilagode postojećem zadatku. Tu posebno spada površina poprečnog preseka otvora mlaznice, pozicija vodeće kupe u mlaznici, pritisak u vodu fluida, rastojanje između otvora mlaznice i separatora u zapremini, površina poprečnog preseka ulaznog otvora na separatoru, oblik separatora, površina poprečnog preseka otvora mlaznice, pozicija vodeće kupe u mlaznici, pritisak u dovodu fluida, rastojanje ulaza dovoda gasa od ulaza mlaznice, geometrijski uslovi dovoda gasa, maseni protok drugog gasa i/ili maseni protok dovedenog gasa za barbotiranje. Dotični parametri mogu kompletno ili delimično ručno da se podešavaju ili da se automatski regulišu putem već pomenute upravljačke jedinice.

[0025] Zadatak pronalaska je rešen putem postupka sa karakteristikama patentnog zahteva 10.

[0026] Prilikom postupka prema pronalasku, odvajanje smeše fluida se vrši na sledeći način: Smeša fluida sačinjena od najmanje jedne tečnosti i najmanje jednog prvog gasa sadržanog u njoj, dovodi se na mlaznicu preko dovoda fluida, na primer koristeći pumpu. Prvi gas ii prvi gasovi pri tome mogu kompletno ili delimično da se rastvaraju u tečnosti, odnosno da budu dispergovani u njoj u obliku malih gasnih mehurića. Mlaznica ima konusni prstenasti zazor, dakle volumen ograničen dvema konusnim površinama, pri čemu se smeša fluida dovodi u prstenasti zazor preko dovoda fluida koji tangencijalno ulazi u konusni prstenasti zazor.

Smeša fluida se u konusnom prstenastom zazoru prinudno usmerava na spiralnu sužavajuću putanju i izbacuje se kroz otvor mlaznice smešten na vrhu konusnog prstenastog zazora u obliku uvrnutog mlaza fluida u zapreminu napunjenu istom smešom fluida. Pritisak smeše fluida u zapremini je niži od pritiska dovedene smeše fluida, na primer, iznosi od 0,01 bar do 1,5 bar, na pritisku u dovodu fluida, na primer, od 2 bara do 20 bara, poželjno od 2 bara do 5 bara (informacije o pritisku okoline). U uvrnutom mlazu fluida u radijalnom smeru se gradi gradijent pritiska koji obezbeđuje da se komponente manje gustine, posebno gasoviti sastojci, obogaćuju u centru uvrnutog mlaza fluida. Veličina gradijenta pritiska posebno zavisi od razlike pritiska između pritiska dovedene smeše fluida i pritiska u zapremini. Ako je prvi gas rastvoren u smeši fluida, pritisak u dovodu fluida je poželjno odabran tako da se prvi gas degasira iz smeše fluida i koncentruje se u centru mlaza fluida. Pomoću separatora, delimični tok smeše fluida (ovde se naziva „tok odvajanja“) izvlači se iz zone sa sniženim pritiskom u centru uvrnutog mlaza fluida i odvaja se od ostatka smeše fluida. Pri tome je obično dinamični pritisak smeše fluida u uvrnutom mlazu fluida dovoljan da odvede tok odvajanja iz zapremine; opciono, separator može da ima i sredstva za stvaranje potpritiska, na primer pumpu ili sistem cevovoda, u kojima se sila teže izvučenog fluida koristi da se dobije potpritisak.

[0027] Istovremeno sa najmanje delimičnim odvajanjem prvog gasa odnosno prvih gasova iz smeše fluida, u smešu fluida se uvodi drugi gas ili više drugih gasova. To se prema pronalasku vrši uvođenjem drugog gasa ili drugih gasova u uvrnuti mlaz smeše fluida koja izlazi iz mlaznice. Kako bi se sprečilo da se jedan deo drugog gasa zajedno sa prvim gasom odvoji na separatoru, unos drugog gasa sa poželjno vrši tek u visini ulaznog otvora separatora ili nishodno od njega, gledano u smeru strujanja mlaza fluida koji izlazi iz mlaznice. Pri tome se drugi gas odnosno drugi gasovi temeljno mešaju sa smešom fluida. I ovde termin „mešati“ treba razumeti generalno i može da obuhvata disperziju mehurića gasa u smeši fluida kao i najmanje delimično rastvaranje gasova.

[0028] U pogodnom otelotvorenju postupka prema pronalasku, u smešu fluida se ushodno od otvora mlaznice za odvajanje prvog gasa iz smeše fluida dovodi gas za barbotiranje. Dovod može da se vrši u mlaznici ili ushodno od mlaznice. Gas za barbotiranje potpomaže odvajanje prvog gasa iz smeše fluida. Kao gas za barbotiranje namenjen za uklanjanje kiseonika iz smeše fluida može, na primer, da se koristi azot.

[0029] Kao gas za barbotiranje poželjno se koristi inertni gas odnosno drugi gas. U ovom drugom slučaju, struja drugog gasa dobijena iz zajedničkog izvora deli se na dva delimična toka, od kojih se jedan dodaje u dovod gasova, a drugi se ushodno od otvora mlaznice uvodi u dovod fluida kao gas za barbotiranje.

[0030] Ako se gas za barbotiranje uzima iz izvora u kome se nalazi u pothlađenom ili komprimovanom stanju, gas za barbotiranje može na pogodan način da se koristi za hlađenje, uklanjanjem njegove entalpije isparavanja ili širenja iz već odvojenog prvog gasa. Na primer, na taj način supstance sadržane u prvom gasu mogu da se odvoje kriogenom kondenzacijom. Tako, na primer, u vinarstvu može da se spreči da se važne isparljive aromatične materije izgube pri degasiranju vina. Supstance odvojene iz prvog gasa u narednom koraku mogu ponovo da se dovedu u smešu fluida, na primer degasirano vino.

[0031] Poželjno otelotvorenje predviđa da su mlaznica i separator integrisani u delimično cirkulaciono kolo za smešu fluida. Nakon proticanja kroz separator, tok odvajanja se dodaje u fazni separator i sa svoje strane se podvrgava odvajanju, u kome se prvi gas ili prvi gasovi odvajaju iz ostale smeše fluida, ako u separatoru već nije izvršeno kompletno odvajanje. Preostala smeša fluida, koja je u najvećoj meri oslobođena od prvog gasa ili prvih gasova, zatim se preko povratnog voda vraća u napajanje mlaznice. U povratnom vodu pri tome može biti smešten potisni uređaj, na primer električna pumpa, pomoću koga smeša fluida može kontinualno da se dovodi iz separatora u dovod fluida ushodno od mlaznice.

[0032] Uređaj prema pronalasku i postupak prema pronalasku omogućavaju kontinualnu razmenu gasova kod koje se istovremeno uklanja prvi gas sadržan u smeši fluida i u smešu fluida se dovodi drugi gas. Posebno su pogodni za obradu homogenih ili nehomogenih smeša fluida, kao što su rastvori ili suspenzije, i takođe mogu da se koriste za smeše fluida osetljive na toplotu. Pogodni su, na primer, za prethodno pomenute primene u biologiji, prehrambenoj tehnologiji ili medicini. Tečnosti sadržane u smeši fluida su, na primer, voda ili vodeni rastvor ili suspenzija iz mikrobiološkog postupka ili prehrambene tehnologije, ili ulje. Na primer, u pitanju je vino ili neko drugo piće. Na primer, u pitanju je voda, iz koje treba da se degasira kiseonik i da se istovremeno karbonizuje. Pronalazak nije ograničen na ove primere, već može da se koristi za veliki broj daljih primena.

[0033] Za razliku od postupaka i uređaja poznatih iz stanja tehnike, pronalazak je povezan sa manjom potrošnjom energije, nisu potrebne dodatne supstance za izvođenje odvajanja, i štiti svojstva smeše fluida koja se tretira kao i primenjenih supstanci. Uređaj prema pronalasku nema filter, membrane, pokretne delove niti druge potrošne delove, i pri radu je tih.

[0034] Na osnovu crteža, primeri otelotvorenja su detaljnije objašnjeni. Šematski prikazi pokazuju:

Sl. 1: Uređaj prema pronalasku u prvom otelotvorenju na poprečnom preseku,

Sl. 2: Uređaj sa Sl.1 na poprečnom preseku duž linije preseka B-B na Sl.1,

Sl. 3: Uređaj prema pronalasku u drugom otelotvorenju na poprečnom preseku.

[0035] Uređaj 1 prikazan na Sl.1 i 2 namenjen je za obradu smeše fluida koja sadrži tečnost i prvi gas. Prilikom obrade, kontinualno se najmanje delimično uklanja prvi gas iz smeše fluida i istovremeno se drugi gas disperguje u smeši fluida. Na primer, tečnost u smeši fluida je voda ili vodeni rastvor, prvi gas je gas koji je rastvoren u tečnosti a drugi gas je gas koji se rastvara u tečnosti.

[0036] Uređaj 1 obuhvata mlaznicu 2 za uvođenje smeše fluida, separator 3 za uklanjanje prvog gasa raspoređen na aksijalnom rastojanju ispred nje i dovod gasa 4 za uvođenje drugog gasa.

[0037] Mlaznica 2 obuhvata plašt mlaznice 5 sa konusnom unutrašnjom površinom, u koju se tangencijalno uključuje dovod fluida 6. U plaštu mlaznice 5 takođe je raspoređena konusno oblikovana dovodna kupa 7, tako da se između unutrašnjeg zida plašta mlaznice 5 i spoljašnjeg zida dovodne kupe 7 otvara konusni prstenasti zazor 8 i poželjno tako da je vrh kupe 9 dovodne kupe 7 suštinski poravnat sa otvorom mlaznice 10 mlaznice 2. Poprečni presek strujanja otvora mlaznice 10, prstenastog zazora 8 i dovoda fluida 6 poželjno je odabran tako da je suštinski jednake veličine. Unutrašnja površina konusnog plašta mlaznice 5 i spoljašnja površina dovodne kupe 7 pri tome mogu da imaju jednak ugao otvaranja, ali se takođe može prikazati da je ugao otvaranja spoljašnje površine dovodne kupe 7 oštriji od ugla otvaranja unutrašnje površine konusnog plašta mlaznice 5, tako da se radijalno rastojanje plašta mlaznice 5 i dovodne kupe 7 smanjuje u smeru otvora mlaznice 10, kao što je prikazano na Sl.1.

[0038] Mlaznica 2, separator 3 i dovod gasa 4 prihvaćeni su u zapremini 11, gde je, na primer, u pitanju sud ili vod, i koja je napunjena smešom fluida koja se obrađuje.

[0039] Dovodna kupa 7 može biti čvrsto montirana u plaštu mlaznice 5 ili, kao što je ovde

1

prikazano, može biti prihvaćena aksijalno pokretljivo pomoću uređaja za pomeranje 12 sa ručnim ili motornim pogonom, da bi se uređaj 1 prilagodio svojstvima smeše fluida koja će se obrađivati i/ili odgovarajućim radnim zadacima.

[0040] Pri radu mlaznice 2, smeša fluida koja će se obrađivati, na primer tečnost koju treba degasirati, na pritisku od, na primer 2-5 bar, dovodi se preko dovoda fluida 6 u smeru strelice u prstenasti zazor 8. U prstenastom zazoru 8 smeša fluida se primorava na brzo rotaciono kretanje, čija ugaona brzina raste usled smanjivanja poluprečnika prstenastog zazora 8 u smeru protoka do otvora mlaznice 10. Iz istog razloga, povećava se i linearna komponenta brzine usmerena ka otvoru mlaznice 10. Smeša fluida napušta mlaznicu 2 na otvoru mlaznice 10 i uvodi se u zapreminu 11, u kojoj je, na primer, pritisak 1 bar, kao jako uvrnuti mlaz fluida 13 sa velikim obrtnim momentom i većom aksijalnom brzinom u smeru strelice 14. Usled velike ugaone brzine, duž centralne ose 15 mlaza fluida 13, koja je istovremeno osa simetrije prstenastog zazora 7, nastaje zona 16 jako sniženog pritiska. U zoni 16, gas sadržan u smeši fluida, na primer rastvoreni gas koji se degasira, sakuplja se u obliku većeg broja malih mehurića gasa ili jednog jedinog mehura gasa i na taj način se odvaja najmanje delimično od tečnosti sadržane u smeši fluida.

[0041] U zonu 16 zaronjen je separator 3 sa delom za separaciju 18. Deo za separaciju 18 je u primerima otelotvorenja prikazanim na Sl.1, 2 cevasti cilindar, koji je smešten radijalno simetrično u odnosu na osu 15 u zapremini 11 i čiji prednji ulazni otvor 19 je aksijalno razdvojen od otvora mlaznice 8. U primeru otelotvorenja, površina poprečnog preseka ulaznog otvora 19 je veća od površine poprečnog preseka otvora mlaznice 10, ali takođe se može odabrati da bude iste veličine ili manja. Deo za separaciju 18 je u fluidnoj vezi sa odvodom 20, preko koga se smeša fluida koja ulazi u deo za separaciju 18 izvlači iz zapremine 11, po potrebi preko pumpe koja ovde nije prikazana; međutim, pumpa nije neophodna za tu svrhu.

[0042] Na većem radijalnom rastojanju od ose 15 i radijalno van dela za separaciju 18 tako se nalazi smeša fluida, koja je suštinski bez sastojaka prvog gasa. U tu smešu fluida pomoću dovoda gasa 4 uvodi se drugi gas. Drugi gas se pri tome uvodi iz izvora koji ovde nije prikazan, na primer rezervoara, i na izlazu 21 izlazi iz dovoda gasa 4 u smešu fluida koja se nalazi u zapremini 11. Kako bi se sprečilo da drugi gas dospe u zonu 16 sa nižim pritiskom i da se zajedno sa prvim gasom ukloni iz smeše fluida, izlaz 21 se nalazi u visini dela za separaciju 18 i na radijalnom rastojanju od njega. Gas koji izlazi iz izlaza 21 tako dospeva u spoljni prostor uvrnutog mlaza fluida 13 i tu se intenzivno meša sa okolnom smešom fluida. Da bi se efikasnost unosa gasa još više povećala, dovod gasa 4, kao što je prikazano na Sl.1, u području izlaza 21 može da bude konstruisan u obliku mlaznice, dakle sa konusnim poprečnim presekom koji se sužava.

[0043] Pored toga, uređaj 1 može biti horizontalno ili vertikalno pozicioniran u zapremini 11; konkretno, odvojeni gas može da izlazi naviše kroz vertikalni aranžman u separatoru gasovite faze (nije prikazan na Sl.1) nishodno od izlaza 20, dok tečna faza koja ostaje u separatoru gasovite faze može da se vraća u dovod fluida 5. Ako se drugi gas u izvoru čuva u pothlađenom tečnom stanju ili pod pritiskom, energija potrebna za isparavanje ili ekspanziju drugog gasa može da se uzme iz drugih tokova fluida preko izmenjivača toplote koji ovde nije prikazan, na primer od prvog gasa koji se odvodi preko izlaza 20.

[0044] Da bi se potpomoglo uklanjanje prvog gasa iz smeše fluida, u uređaju 1 gas za barbotiranje doveden u mlaznicu 2 može da se uvodi u smešu fluida preko dovoda gasa 22 koji ulazi u dovod fluida. Gas za barbotiranje je konkretno delimični tok drugog gasa, čiji preostali tok se preko dovoda gasa 4 dovodi u smešu fluida. Umesto drugog gasa, kao gas za barbotiranje može da se koristi i drugi gas, posebno inertni gas, na primer azot ili plemeniti gas.

[0045] Sl.3 prikazuje uređaj prema pronalasku 25 u drugom otelotvorenju.

[0046] Na sličan način kao uređaj 1, uređaj 25 prikazan na Sl.3 ima mlaznicu 26 sa konusnim prstenastim zazorom 27, koji je smešten između aksijalno pokretno smeštene vodeće kupe 28 i konusnog plašta mlaznice 30 i ulazi u dovod fluida 29. Na vrhu konusnog prstenastog zazora 27 predviđen je otvor mlaznice 31.

[0047] Kao i uređaj 1, uređaj 25 ima separator 33 sa delom za separaciju 34 u obliku cevastog cilindra, koji je duž ose 36 aksijalno razmaknut ispred mlaznice 27 i čija čeona strana smeštena nasuprot mlaznice 27 ima ulazni otvor 35, kao i dovod gasa 37, koji se otvara bočno u odnosu na deo za separaciju 34 sa ulazom 38.

[0048] Nadalje, uređaj 25 može biti opremljen generatorom ultrazvuka 39, pomoću koga, na primer, vodeća kupa 28 može da se podesi na vibracije veoma visoke frekvencije (ultrazvučne vibracije). Time se nishodno od otvora mlaznice 31 u smeši fluida koja se obrađuje formiraju kavitacije, iz kojih prvi gas rastvoren u smeši fluida može iz nje da se degasira. Time se delotvornost uređaja 25 dodatno povećava. Pored toga, takođe na primer, umesto vodeće kupe 28 pomoću ultrazvučnih vibracija može da se pomera, na primer, cela mlaznica 25 ili plašt mlaznice koji obuhvata vodeću kupu 28.

[0049] Uređaj 25 pored toga ima fazni separator 40, u kome se smeša fluida odvojena u separatoru 33 i dovedena preko izlaza 41 faznog separatora 40, jako obogaćena prvim gasom, razdvaja na gasovitu fazu i tečnu fazu. Dok se gasovita faza odvodi preko odvoda gasa 42, tečna faza oslobođena od gasa se preko povratnog voda 43 ponovo dovodi u vod fluida 29, ushodno od pumpe 44 koja transportuje netretiranu smešu fluida do mlaznice 26. U dovodu fluida 29 u uređaju 25 dodatno je smešten grejni element 45, na primer električni grejni uređaj, pomoću koga se smeša fluida zagreva i tako može da se smanji njen viskozitet.

Nadalje, nishodno od otvora mlaznice 31, raspoređena je cevasta komora za razdvajanje 46, koja pogoduje odvajanju smeše fluida koja izlazi iz mlaznice 26. Pri tome su dužina i poprečni presek komore za razdvajanje 46 izabrani tako da se postiže dobar efekat razdvajanja za odgovarajuću smešu fluida.

[0050] Da bi se potpomoglo razdvajanje prvog gasa od tečnosti, u uređaju 25 može da se koristi i gas za barbotiranje, na primer azot ili drugi inertni gas. Pri tome, uređaj 25 ima dovod gasa 47 koji nishodno od pumpe 44 ulazi u dovod fluida 29, kao i element za mešanje 48 ugrađen nishodno od ulaza dovoda gasa 47 u dovod fluida 29. Element za mešanje 48 služi za intenzivno temeljno mešanje gasa za barbotiranje uvedenog preko dovoda gasa 47 sa okolnom smešom fluida dovedenom preko dovoda fluida 29.

[0051] Rad uređaja 25 vrši se slično kao kod uređaja 1. Smeša fluida, na primer voda u kojoj prvi gas, na primer kiseonik, postoji u rastvorenom obliku, transportuje se putem dovoda fluida 29 pomoću pumpe 44 do mlaznice i pri tome se obogaćuje gasom za barbotiranje koji se dovodi preko dovoda gasa 45. Smeša fluida se u prstenastom zazoru 27 mlaznice 26 dovodi u brzo rotaciono kretanje i napušta otvor mlaznice 31 u obliku jako uvrnutog mlaza tečnosti, pri čemu on zamenjuje smešu fluida već prisutnu u zapremini 11. U uvrnutom mlazu tečnosti, veliki gradijent pritiska u radijalnom smeru obezbeđuje da se sastojci prvog gasa rastvoreni ili pomešani u smeši fluida kao i gasa za barbotiranje nakupljaju u fazi bogatoj

1

gasom u centru mlaza duž ose 36. Mali parcijalni pritisak prvog gasa u mehurićima vazduha za barbotiranje pri tome obezbeđuje degasiranje prvog gasa iz okolne tečnosti smeše fluida. Centralna faza bogata gasom se u separatoru 33 odvaja od faze smeše fluida koja je najvećim delom oslobođena od prvog gasa. U faznom separatoru 40, separirana faza bogata gasom dalje se razdvaja na gasovitu fazu i tečnu fazu. Dok se gasovita faza odvodi preko odvoda gasa 42, razdvojena tečnost se preko povratnog voda 43 ponovo dovodi u vod fluida 29. Istovremeno sa uklanjanjem prvog gasa, preko dovoda gasa 37 se drugi gas, na primer ugljen dioksid, uvodi u područje u zapremini 11, u kome je smeša fluida već uglavnom oslobođena od prvog gasa, na primer u području radijalno spolja na delu za separaciju 34. Putem uglavnom jakog vrtložnog strujanja smeše fluida koje tamo postoji, drugi gas se temeljno meša sa smešom fluida.

[0052] Alternativno ili dodatno uz Separator 34 smešten ispred ulaznog otvora 31 mlaznice 26 u zapremini 11, pored toga faza bogata gasom u centru zapremine ispred ulaznog otvora 31 mlaznice 26 može da se izvlači preko izlaznog voda 49 vođenog centralno kroz vodeću kupu 28, na primer pomoću pumpe koja ovde nije prikazana, i na taj način se odvaja od ostale smeše fluida.

[0053] Pronalazak nije ograničen na ovde prikazane primere otelotvorenja. Štaviše, različite karakteristike uređaja 1, 25 mogu po želji uzajamno da se kombinuju ili uređajima 1, 25 mogu da se dodaju dodatne karakteristike. Na primer, u uređaju 1 može biti predviđen i uređaj za grejanje ili generator ultrazvuka. Takođe, različiti radni parametri uređaja prema pronalasku, kao što je, na primer, toplotni učinak grejnog elementa 30, širina prstenastog zazora 7, 27, aksijalno rastojanje separatora 3, 33 ili ulaz 21, 38 mlaznice 2, 26 ili pritisak pumpe koja dovodi obrađivanu smešu fluida na mlaznicu 2, 26, može da se reguliše pomoću elektronskog upravljanja koje ovde nije prikazano, u zavisnosti od kontinualno merenih parametara, kao što je, na primer, koncentracija prvog i/ili drugog gasa u tretiranoj smeši, nishodno od separatora 3, 33 i dovoda gasa 21, 37.

Spisak referentnih simbola [0054]

1

Claims (14)

Patentni zahtevi

1. Uređaj za kontinualnu razmenu gasova u struji smeše fluida, sa mlaznicom (2, 26) za dovod smeše fluida sačinjene od više komponenata u zapreminu (11) napunjenu smešom fluida kada se uređaj koristi, pri čemu mlaznica (2, 26) ima konusni prstenasti zazor (8, 27) raspoređen između konusne unutrašnje površine plašta mlaznice (5, 30) i vodeće kupe (7, 28), i otvara se na vrhu na otvoru mlaznice (10, 31) u zapreminu (11), i dovod fluida (6, 29) koji tangencijalno ulazi u konusni prstenasti zazor (8, 27), kao i sa separatorom (3, 33) za odvajanje prvog gasa sadržanog u smeši fluida, koji ima deo za separaciju (18, 34) smešten u zapremini (11) i fluidno povezan sa izlaznim vodom (20, 41) sa izlaznim otvorom (19) koncentričnim u odnosu na otvor mlaznice (10, 31) i aksijalno razmaknutim od njega, kao i najmanje jednim dovodom gasa (3, 37) fluidno povezanim sa izvorom gasa za drugi gas koji se disperguje u smeši fluida, koji ulazi u zapreminu (11) na izlazu (21, 38) na rastojanju od otvora mlaznice (10, 31) u visini dela za separaciju (18, 34) i radijalno spolja od njega.

2. Uređaj prema zahtevu 1, naznačen time, što je kao zapremina (11) predviđen sud napunjen smešom fluida ili vod koji sprovodi smešu fluida.

3. Uređaj prema zahtevu 1 ili 2, naznačen time, što je u izlazni vod (20, 41) separatora (3, 33) integrisan fazni separator (40) koji je preko povratnog voda (43) fluidno povezan sa dovodom fluida (6, 29).

4. Uređaj prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što može da se podesi aksijalno rastojanje između otvora mlaznice (10, 31) i ulaznog otvora (19, 19a, 19b, 19c, 19d) separatora (3, 33) i/ili aksijalno rastojanje između otvora mlaznice (10, 31) i izlaza (21, 38) dovoda gasa (4, 37) za drugi gas i/ili aksijalna pozicija vodeće kupe (7, 28) mlaznice (2, 26) naspram konusne unutrašnje površine plašta mlaznice (5, 30).

5. Uređaj prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što u dovod fluida (6, 29) i/ili prstenasti zazor (8, 27) ulazi dovod gasa (22, 47) za gas za barbotiranje.

6. Uređaj prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je mlaznica (2, 26), nishodno od otvora mlaznice (10, 31), opremljena komorom za razdvajanje (46).

7. Uređaj prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je u dovodu fluida (6, 29), u plaštu mlaznice (5, 30) i/ili u vodećoj kupi (7, 28) obezbeđen uređaj za grejanje (30).

8. Uređaj prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen generatorom ultrazvuka (39) za proizvodnju kratkotrajnih lokalnih razlika pritiska u smeši fluida.

9. Uređaj prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je kroz vodeću kupu (7, 28) centralno obezbeđen izlazni vod (49) za odvođenje delimičnog toka smeše fluida prisutne nishodno od otvora mlaznice (10, 31).

10. Postupak za kontinualnu razmenu gasova u struji smeše fluida, kod koga

a. smeša fluida koja sadrži najmanje jednu tečnost i najmanje jedan prvi gas dovodi se na mlaznicu (2, 26) koja ima konusni prstenasti zazor (8, 27), pri čemu se smeša fluida preko dovoda fluida (6, 29) koji tangencijalno ulazi u prstenasti zazor (8, 27) dovodi u konusni prstenasti zazor (8, 27),

b. smeša fluida u konusnom prstenastom zazoru (8, 27) prinudno se usmerava na spiralnu sužavajuću putanju i, na otvoru mlaznice (10, 31) smeštenom na vrhu konusnog prstenastog zazora (8, 27) izbacuje se u obliku uvrnutog mlaza fluida (13) u zapreminu (11), pri čemu se u uvrnutom mlazu fluida formira zona (16) sniženog pritiska, i prvi gas sadržan u smeši fluida se obogaćuje u zoni (16) sniženog pritiska,

c. pomoću separatora (3, 33) smeštenog u zapremini ispred otvora mlaznice (10, 33), delimični tok (tok odvajanja) smeše fluida obogaćen prvim gasom izvlači se iz zone (16) sniženog pritiska i odvaja se od ostatka toka smeše fluida, i

d. u ostatku toka se pomoću dovoda gasa (4) disperguje tok drugog gasa.

11. Postupak prema zahtevu 10, naznačen time, što se u smešu fluida ushodno od otvora mlaznice (10, 31) dovodi gas za barbotiranje namenjen za odvajanje prvog gasa iz smeše fluida.

1

12. Postupak prema zahtevu 11, naznačen time, što se kao gas za barbotiranje koristi tok drugog gasa.

13. Postupak prema jednom od zahteva 11 ili 12, naznačen time, što se kao gas za barbotiranje koristi pothlađeni tečni ili komprimovani gas, čiji sadržaj hlađenja se koristi za hlađenje struje odvajanja i/ili gasovite faze separirane u separatoru (3, 33).

14. Postupak prema jednom od zahteva 10 do 13, naznačen time, što tok odvajanja izvučen iz zone (16) smeše fluida namenjen za odvajanje prvog gasa podvrgava se faznoj separaciji za odvajanje prvog gasa od tečne faze i tečna faza se ponovo dovodi na mlaznicu (2, 26).

1