Способ газонасыщения воды и барботажная установка для его реализации

Способ газонасыщения воды и барботажная установка для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предложенный способ и установка относятся к технике обработки воды окислением, например, с помощью озонирования. Они могут быть использованы, в частности, для обеззараживания, осветления и дезодорирования питьевой воды в системах водоснабжения городов и других населенных пунктов.

Известен аналог предложенного - способ озонирования воды [1] (RU 2114790 С1, С02F 1/78, 10.07.1998), при котором растворяемый газ барботируют в водном массиве контактного бассейна с использованием, по крайней мере, одного диспергатора, размещенного в нижней части контактного бассейна, что совпадает с существенными признаками предлагаемого способа.

Кроме того, в известном способе осуществляют разложение избыточного озона.

Установка, реализующая указанный способ [1], содержит компрессор, к выходу которого подключен вход блока генерации озона, к выходу которого подключен, по крайней мере, один диспергатор, размещенный в нижней части контактного бассейна, что совпадает с существенными признаками предлагаемой установки. Кроме того, известная установка содержит систему разложения избыточного озона.

Недостаток аналога [1] состоит в его повышенной энергоемкости, обусловленной, во-первых, необходимостью производства повышенного количества озона вследствие неоптимального его использования в процессе обработки воды и, во-вторых, последующим расходом энергии на разложение избыточного озона.

Известен также другой аналог предложенного - способ, реализованный в аэрирующем устройстве [2] (RU 2134662 С1, С02F 3/20, 08.09.1998), при котором растворяемый газ барботируют в водном массиве контактного бассейна с использованием, по крайней мере, одного диспергатора, размещенного в нижней части контактного бассейна, что совпадает с существенными признаками предлагаемого способа. Кроме того, в известном способе производят дозировку подаваемого газа с помощью дросселей.

Известное аэрирующее устройство [2] содержит компрессор, к выходу которого подключена система подачи воздуха, к выходу которой подключен воздуховод и воздухоразводящие трубы с подключенными к ним диспергаторами, размещенными в нижней части контактного бассейна, что совпадает с существенными признаками предлагаемой установки. Кроме того, в известном устройстве диспергатор имеет кольцеобразную форму, а дроссель имеет кольцеобразную форму с суммарным проходным сечением заданной величины.

Недостаток указанных технических решений при их применении для диспергирования как воздуха, так и озоновоздушной смеси в водном массиве, состоит в снижении эффективности процессов растворения газа из-за снижения степени диспергирования с использованием диспергаторов традиционного типа. В частности, с применением в известных устройствах диспергаторов из полиэтилена (или нержавстали) - материалов, имеющих плохую смачиваемость, при диспергировании воздуха, как показали проведенные исследования, образуются пузыри повышенного диаметра, которые быстрее всплывают, и время взаимодействия кислорода с водной средой оказывается недостаточным. Кроме того, неравномерность параметров перфорации диспергаторов по их площади, а также их отличие друг от друга создает неравномерность распределения размеров формируемых пузырьков газа, что также снижает эффективность процесса газонасыщения.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ, реализованный в системе аэрации природных и сточных вод [3] (RU N 216706, Int. Cl. C02F 3/20, 31.10.2000 г.), принятый в качестве прототипа, при котором растворяемый газ барботируют в водном массиве контактного бассейна с использованием, по крайней мере, одного диспергатора, размещенного в нижней части контактного бассейна, что совпадает с существенными признаками предлагаемого способа.

Системе аэрации природных и сточных вод [3] содержит компрессор, к выходу которого подключена система подготовки воздуха, соединенная с входом блока генерации газовой смеси, к выходу которого подключены диспергаторы, размещенные в нижней части контактного бассейна, что совпадает с существенными признаками предлагаемой установки.

При этом диспергирующий элемент в прототипе выполнен многослойным с размером пор, уменьшающимся к наружной поверхности мембраны, контактирующей с водой. Материал поверхности мембраны выбран гидрофобным - полиэтилен или нержавеющая сталь.

Работа прототипа - способа и реализующей его установки - основана на том, что очищаемая вода подвергается газонасыщению путем барботирования воздуха (при аэрировании) или озоновоздушной смеси (при озонировании) через водный массив контактного бассейна. При этом воздух (например, для случая озонирования), нагнетаемый компрессором, поступает в блок генерации озона, где формируется озоновоздушная смесь. Далее озонсодержащий (или кислородсодержащий, т.е. воздух) газ через газоразводящие трубы подается на размещенные в нижней части контактного бассейна диспергаторы.

При этом высокая производительность установки требует повышения размеров пор диспергатора, а снижение проскока озона - их уменьшения. Каждая из ситуаций имеет свои недостатки. Действительно, крупные поры формируют большие пузыри, которые имеют повышенную скорость всплытия и пониженное время массообмена с жидкой средой. Это снижает эффективность системы газонасыщения, приводит к необходимости увеличивать расход энергии, газа для обеспечения заданных режимов проводимых процессов (достаточно высокой концентрации озона в воде и достаточно низкой концентрации - в отработанной газовой смеси), повышает стоимость процесса газонасыщения, повышает габариты реакторных установок. Кроме того, как уже отмечалось, при работе озонаторной установки контролируется концентрация озона в отработанной газовой смеси, т.к. увеличение «проскока» озона снижает экологические характеристики установки. Нарушение экологических норм в технологическом процессе озонирования приводит к дальнейшему повышению энергозатрат, связанному с затратами на производство избыточного озона и его последующую деструкцию. При этом, очевидно, снижается и надежность оборудования, вместе с тем повышается его стоимость.

Уменьшение размеров пор мембраны диспергатора приводит к более высоким потерям давления на ней (из-за повышения переходного затухания и давления Лапласа), что увеличивает затраты энергии на барботирование. Вместе с этим происходит более быстрое засорение мембраны как частицами пыли и окалины, поступающими с нагнетаемым в диспергатор газом, так и осадком, выпадающим из воды, особенно в периоды перерывов в подаче газа (процесс заиливания). Это также приводит к вышеотмеченным недостаткам известного способа и реализующего его устройства.

Итак, недостаток прототипа [3] - способа и реализующей его установки состоит в ухудшении следующих характеристик:

- энергоемкости

- экологичности

- надежности

- стоимости

- эффективности массообмена жидкости и газа

- габаритов

- переходного затухания; затрат энергии; стойкости к заиливанию; эффективности массообмена жидкости и газа.

Соответственно требуемый при реализации способа и установки технический результат состоит в улучшении вышеуказанных характеристик.

Список чертежей.

Фиг.1. Структурная схема предлагаемой установки (по п.6 формулы).

Фиг.2 Размещение форсунки над диспергатором (вид сверху) (по п.6, 7 формулы).

Фиг.3. Размещение форсунки над системой диспергаторов (вид сбоку) (по п.11 формулы).

Фиг.4. Размещение форсунки над системой диспергаторов (вид сверху). Тангенциальная компонента скорости струй форсунки у поверхности системы диспергаторов (по п.11 формулы).

Фиг.5. Размещение форсунки над системой диспергаторов (вид сверху). Продольно-поперечные компоненты скорости струй форсунки у поверхности системы диспергаторов.

Фиг.6. Размещение форсунки над диспергатором (вид сбоку) с отклонением оси вихревой струи от нормали к поверхности диспергатора (по п.8 формулы).

Фиг.7. Ориентация сквозных пор у поверхности диспергатора (вид сбоку) (по п.12 формулы).

На фиг.1-7 использованы следующие условные обозначения составных элементов: 1 - компрессор; 2 - озонатор; 3 - водный бассейн; 4 - диспергатор; 5 - форсунка; 6 - насос; 7 - струи форсунки; 8 - ось струи форсунки; 9 - сквозная пора диспергатора, 10 - ось сквозной поры диспергатора.

На фиг.1 представлена схема предлагаемой установки по п.6 формулы.

На фиг.2 представлено размещение форсунки над диспергатором (вид сверху), где показано, что форсунка размещена соосно над поверхностью диспергатора и отображена тангенциальная компонента струй форсунки у поверхности диспергатора.

На фиг.3 представлена схема размещения форсунки над поверхностью системы диспергаторов (вид сбоку) по п.11 формулы.

На фиг.4 представлена схема размещения форсунки над системой диспергаторов (вид сверху) по п.11 формулы.

На фиг.5 представлена схема размещения форсунки над системой диспергаторов (вид сверху) и отображена продольно-поперечная компонента скорости струй форсунки у поверхности системы диспергаторов.

На фиг.6 представлена схема размещения форсунки над диспергатором (вид сверху) с отклонением оси форсунки от нормали к поверхности диспергатора.

На фиг.7 представлена ориентация оси сквозной поры, где показано, что ее ось отклонена от нормали к поверхности диспергатора и наклонена встречно тангенциальной скорости вихревой струи у поверхности диспергатора.

Недостатки прототипа - способа и реализующей его установки - устраняются в предлагаемом техническом решении - способе газонасыщения воды, при котором растворяемый газ барботируют в водном массиве контактного бассейна с использованием, по крайней мере, одного диспергатора, размещенного в нижней части контактного бассейна, что совпадает с существенными признаками прототипа, при этом слой воды, прилегающий к поверхности, по крайней мере, одного диспергатора, приводят в движение по касательной к поверхности диспергатора.

Кроме того, слой воды, прилегающий к поверхности, по крайней мере, одного диспергатора, приводят в движение с помощью, по крайней мере, одной вихревой струи, ось вращения которой ориентирована по центру диспергатора нормально к его поверхности.

Кроме того, слой воды, прилегающий к поверхности, по крайней мере, одного диспергатора, приводят в движение с помощью, по крайней мере, одной вихревой струи, ось вращения которой отклонена от центра диспергатора и от нормали к его поверхности.

Кроме того, в газе, поступающем, по крайней мере, на один диспергатор, возбуждают звуковые колебания.

Кроме того, по крайней мере, в одной вихревой струе воды возбуждают звуковые колебания.

Барботажная установка, реализующая предлагаемый способ, представлена на схеме фиг.1 и содержит компрессор, к выходу которого подключен вход блока генерации озона, к выходу которого подключен, по крайней мере, один размещенный в нижней части контактного бассейна диспергатор, через сквозные поры которого воздух поступает в водный массив, что совпадает с существенными признаками прототипа.

При этом над поверхностью диспергатора размещена вихревая форсунка, подключенная к насосу.

Кроме того, ось форсунки ориентирована по центру диспергатора нормально к его поверхности.

Кроме того, ось форсунки отклонена от центра диспергатора и от нормали к его поверхности.

Кроме того, форсунка выполнена с возможностью ее регулировки по высоте над поверхностью диспергатора.

Кроме того, введена регулировка производительности насоса в соответствии с расходом барботируемого газа.

Кроме того, диспергаторы размещены по периметру круга, над плоскостью которого аксиально размещена форсунка.

Кроме того, оси сквозных пор у поверхности диспергатора выполнены с отклонением от нормали к поверхности диспергатора и с наклоном, встречным тангенциальной скорости вихревой струи у поверхности диспергатора.

Итак, рассмотрим предлагаемый способ и работу реализующей его установки, выполненной по схеме фиг.1, например, в режиме озонирования.

Существо предлагаемого способа состоит в обеспечении принудительного отрыва пузырей от поверхности мембраны на более раннем этапе их естественного формирования. Соответственно размер пузырей уменьшается. Это объясняется следующим образом. Форма пузырька, надуваемого через сквозную пору диспергатора, проходит ряд стадий до его отрыва от поры:

1) купол, радиус от бесконечного до равного радиусу поры;

2) полусфера, диаметр равен диаметру поры;

3) шаровой сегмент, больший полусферы, основанием которого является граница поры;

4) Шаровой сегмент, связанный с границей поры шейкой, диаметр в узкой части которой меньше диаметра поры.

Отрыв пузырька происходит, когда сила Архимеда превысит действие сил поверхностного натяжения оболочки пузырька. Прочность оболочки пузырька на отрыв от поверхности диспергатора пропорциональна периметру сечения отрыва, т.е. минимальна в месте шейки, где периметр поперечного сечения пузырька минимален.

При боковом смещении пузырька под действием движения слоя воды, касательного к поверхности диспергатора, происходит уменьшение периметра поперечного сечения шейки у основания пузырька (по периметру его сцепления с границей поры диспергатора).

Соответственно величина поверхностных сил, удерживающих пузырек у поверхности мембраны, уменьшается. Следовательно, отрыв пузырька произойдет при меньшей силе Архимеда, т.е. меньшем размере пузыря.

Движение слоя воды у поверхности обеспечивают с помощью центральной вихревой струи, направленной по нормали к поверхности диспергатора. Это приводит к завихрению воды над диспергатором и появлению тангенциальной составляющей скорости гидродинамического потока у поверхности диспергатора. В результате формируется центробежное гидродинамическое течение, отбрасывающее пузырьки от центра диспергатора на периферию и за пределы его диаметра. При этом наряду с уменьшением размера формируемых пузырьков происходит их распределение в цилиндрическом столбе большего диаметра, снижается их удельная плотность объемного распределения. Это уменьшает вероятность коалесценции пузырей в процессе их всплывания.

При использовании диспергатора малого диаметра (соразмерного с форсункой) целесообразно направить ось 8 вихревой струи 7 под косым углом к поверхности диспергатора 4. Это позволяет вывести форсунку 5 за пределы пространства над диспергатором 4 и расширяет диапазон интенсивности воздействия вихревых струй 7, в частности, позволяет снижать потери при барботаже в экономичном режиме - с небольшим центробежным влиянием вихревых струй 7. Размещение форсунки 5 над диспергатором 4 в данном режиме мешало бы всплыванию части пузырей.

Кроме того, в газе, поступающем на диспергаторы 4, возбуждают звуковые колебания. Это также способствует более раннему отрыву пузырей и уменьшению их размера при меньшей мощности струй форсунки 5. Аналогичный эффект реализован при возбуждении звуковых колебаний в воде, поступающей на вихревую форсунку.

Работа предлагаемой установки (фиг.1) основана на том, что подлежащая озонированию вода контактного бассейна подвергается озонированию путем барботирования озоновоздушной смеси через водный массив контактного бассейна. При этом воздух, нагнетаемый компрессором 1, поступает в блок генерации озона 2, где формируется озоновоздушная смесь. Далее озонсодержащий газ подается на размещенные у дна контактного бассейна 3 диспергаторы 4, которые барботируют этот газ сквозь толщу водного массива контактного бассейна 3, обеспечивая его растворение в водном массиве.

В предлагаемой установке над поверхностью диспергатора размещена вихревая форсунка 5, подключенная к насосу 6. Вихревые струи 7 форсунки 5 воздействуют на поверхность мембраны диспергатора 4, как показано на фиг.2, 3, 4, 5. При этом обеспечивается принудительный отрыв пузырей от поверхности мембраны на более раннем этапе их формирования и соответственно размер пузырей уменьшается. Это объясняется уменьшением периметра поперечного сечения шейки основания пузырька при его боковом смещении под действием струй форсунки. Соответственно величина поверхностных сил, удерживающих пузырек у поверхности мембраны, уменьшается. Следовательно, отрыв пузырька произойдет при меньшей силе Архимеда, т.е. меньшем размере пузыря.

Вектор скорости струй 7, формируемых форсункой 5, имеет составляющую, направленную тангенциально к поверхности диспергатора 4. При этом, как показали проведенные эксперименты, поперечное сечение потока всплывающих пузырей увеличивается, их размеры и скорость всплывания уменьшаются. Это повышает равномерность газосодержания в водном бассейне, повышает эффективность процесса водоочистки.

С целью оптимизации режима работы вихревой форсунки, а также оптимизации структуры течения в водном бассейне предусмотрена возможность регулировки вихревой форсунки 5 по высоте над поверхностью диспергатора 4.

Кроме того, ось форсунки отклонена от центра диспергатора и/или от нормали к его поверхности (фиг.6), что освобождает пространство над диспергатором для всплывания пузырей. Это позволяет вести барботаж и без включения вихревого режима, что повышает функциональные возможности установки, позволяя оптимизировать рабочий режим с учетом уровня воды в бассейне. Дело в том, что при достаточной глубине диспергаторов усвоение озона будет достаточно полным при имеющемся размере пузырьков и затрата энергии на вихревые струи может быть исключена (понятно, что повышение толщи воды над диспергаторами увеличивает время всплывания пузырьков и повышает отдачу ими озона в очищаемую воду).

Кроме того, введена регулировка производительности насоса 6 в соответствии с расходом барботируемого газа, что позволяет оптимизировать режим работы установки.

При размещении диспергаторов 4 по периметру круга, над плоскостью которого аксиально размещена форсунка 5, как показано на фиг.3, обеспечивается повышение производительности установки, повышается ее КПД. При этом показаны различные возможности ориентации струй, направляемых к поверхности диспергатора, как показано на фиг.4 и 5 (тангенциально либо радиально).

Оси 10 сквозных пор 9 у поверхности диспергатора 4 выполнены с отклонением от нормали к поверхности диспергатора и с наклоном, встречным тангенциальной скорости струй вихревой форсунки (фиг.7). Это обеспечивает возможность отрыва пузыря требуемого размера при меньшей скорости вихревой струи, повышает экономичность работы установки.

Далее покажем, что именно благодаря существенным отличиям предлагаемого способа обеспечивается требуемый технический результат.

То, что в предлагаемом способе газонасыщения воды газ подают, по крайней мере, на один диспергатор, размещенный в нижней части контактного бассейна, и осуществляют барботаж газа в водном массиве контактного бассейна, причем слой воды, прилегающий к поверхности, по крайней мере, одного диспергатора, приводят в движение по касательной к поверхности диспергатора, повышает эффективность процесса газонасыщения (озонирования), т.к. обеспечивает уменьшение размера и скорости всплывания пузырей, распределяет их в большем объеме водного массива. При этом уменьшается объем необходимой выработки озона, снижаются габариты оборудования и стоимость процесса водоочистки.

То, что слой воды, прилегающий к поверхности, по крайней мере, одного диспергатора, приводят в движение с помощью, по крайней мере, одной вихревой струи воды, ось вращения которой ориентирована по центру диспергатора нормально к его поверхности, обеспечивает простоту технической реализации предлагаемого способа, уменьшает его стоимость.

То, что слой воды, прилегающий к поверхности, по крайней мере, одного диспергатора, приводят в движение с помощью, по крайней мере, одной вихревой струи воды, ось вращения которой отклонена от центра диспергатора и от нормали к его поверхности, расширяет арсенал технических средств, повышает диапазон эффективно реализуемых режимов способа.

То, что в газе, поступающем, по крайней мере, на один диспергатор, возбуждают звуковые колебания, позволяет обеспечить необходимую эффективность растворения озона при меньших затратах энергии, поскольку «озвучивание» газа позволяет уменьшить затрату энергии на завихрение струи воды. Формируемые в газе импульсы давления создают неравновесный режим надувания пузырька над диспергирующим элементом, чем обеспечивают условия для более раннего его отрыва от поверхности диспергирующего элемента. Указанный эффект подтвержден экспериментально на лабораторной установке ИПРИМ РАН.

То, что по крайней мере, в одной вихревой струе воды возбуждают звуковые колебания, предполагает экономию энергии, аналогично указанному выше.

Далее покажем, что именно благодаря существенным отличиям предлагаемой установки обеспечивается требуемый технический результат.

То, что барботажная установка содержит компрессор, к выходу которого подключен вход блока генерации озона, к выходу которого подключен, по крайней мере, один диспергатор, через сквозные поры которого воздух поступает в водный массив, размещенный в нижней части контактного бассейна, причем над поверхностью диспергатора размещена вихревая форсунка, подключенная к насосу, повышает эффективность процесса газонасыщения (озонирования), т.к. обеспечивает уменьшение размера и скорости всплывания пузырей, распределяет их в большем объеме водного массива. При этом уменьшается объем необходимой выработки озона, снижаются габариты оборудования и стоимость процесса водоочистки.

Кроме того, уменьшение размера пузырей в предлагаемой установке позволяет получить пузыри заданного размера при большем размере пор диспергирующего элемента по сравнению с прототипом. Этим уменьшается вероятность заиливания диспергатора, повышается его надежность, экономится энергия на преодоление его переходного затухания, поскольку последнее снижается с ростом размера пор.

Это обеспечивает указанный выше технический результат.

Таким образом, в предлагаемой установке обеспечивается требуемый технический результат - повышается экологичность и надежность установки, в ней увеличивается эффективность массообмена жидкости и газа, а также снижается ее энергоемкость, стоимость и габариты.

Кроме того, уменьшение размеров пузырьков уменьшает активность процессов перемешивания воды, снижает вредное влияние аэрлифта, что также повышает эффективность процессов массообмена. Одновременно уменьшается проскок озона, что увеличивает экологичность установки, уменьшает требуемый расход озона и устраняет необходимость затрат на его разложение на выходе из установки. Этим улучшаются экономические показатели - уменьшается стоимость эксплуатации установки и ее собственная стоимость, повышается надежность оборудования за счет уменьшения степени контакта с агрессивной средой.

То, что ось форсунки ориентирована по центру диспергатора нормально к его поверхности, обеспечивает простоту технической реализации предлагаемого способа, уменьшает его стоимость.

То, что ось форсунки отклонена от центра диспергатора и от нормали к его поверхности, повышает диапазон эффективно реализуемых режимов способа.

То, что форсунка выполнена с возможностью ее регулировки по высоте над поверхностью диспергатора, обеспечивает возможность оптимизации режима работы, устанавливает необходимое соответствие между производительностью установки и режимом работы форсунки.

То, что введена регулировка производительности насоса в соответствии с расходом барботируемого газа, обеспечивает вышеуказанный технических результат.

То, что диспергаторы размещены по периметру круга, над плоскостью которого аксиально размещена форсунка, обеспечивает повышение производительности установки, повышает ее КПД.

То, что оси сквозных пор у поверхности диспергатора выполнены с отклонением от нормали к поверхности диспергатора и с наклоном, встречным тангенциальной скорости струи вихревой форсунки у поверхности диспергатора, повышает давление у выхода поры диспергатора, ускоряет отрыв пузыря, позволяет снизить энергозатраты и повысить экономичность работы установки.

Показано, что требуемый технический результат, действительно, достигается за счет существенных отличий предлагаемой установки и диспергатора, использованного в ней. Проведенные эксперименты показали реализуемость обоих предлагаемых объектов изобретения.

1. Способ газонасыщения воды, при котором газ подают, по крайней мере, на один диспергатор, размещенный в нижней части контактного бассейна, и осуществляют барботаж газа в водном массиве контактного бассейна, отличающийся тем, что слой воды, прилегающий к поверхности, по крайней мере, одного диспергатора, приводят в движение по касательной к поверхности диспергатора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой воды, прилегающий к поверхности, по крайней мере, одного диспергатора, приводят в движение с помощью, по крайней мере, одной вихревой струи воды, ось вращения которой ориентирована по центру диспергатора нормально к его поверхности.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что слой воды, прилегающий к поверхности, по крайней мере, одного диспергатора, приводят в движение с помощью, по крайней мере, одной вихревой струи воды, ось вращения которой отклонена от центра диспергатора и от нормали к его поверхности.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в газе, поступающем, по крайней мере, на один диспергатор, возбуждают звуковые колебания.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере, в одной вихревой струе воды возбуждают звуковые колебания.

6. Барботажная установка, содержащая компрессор, к выходу которого подключен вход блока генерации озона, к выходу которого подключен, по крайней мере, один размещенный в нижней части контактного бассейна диспергатор, через сквозные поры которого воздух поступает в водный массив, отличающаяся тем, что у поверхности диспергатора в нижней части контактного бассейна размещена вихревая форсунка, подключенная к насосу.

7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что ось форсунки ориентирована по центру диспергатора нормально к его поверхности.

8. Установка по п.6, отличающаяся тем, что ось форсунки отклонена от центра диспергатора и/или от нормали к его поверхности.

9. Установка по п.6, отличающаяся тем, что форсунка выполнена с возможностью ее регулировки по высоте над поверхностью диспергатора.

10. Установка по п.6, отличающаяся тем, что введена регулировка производительности насоса в соответствии с расходом барботируемого газа.

11. Установка по п.6, отличающаяся тем, что диспергаторы размещены по периметру круга, над плоскостью которого аксиально размещена форсунка.

12. Установка по п.6, отличающаяся тем, что оси сквозных пор у поверхности диспергатора выполнены с наклоном, встречным тангенциальной скорости вихревой струи у поверхности диспергатора.