способ аэрирования жидкости

Формула изобретения

СПОСОБ АЭРИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ, включающий диспергирование струи подаваемого в аппарат воздуха охватывающими ее сверху и снизу затопленными струями жидкости, создаваемыми выносным циркуляционным насосом, отличающийся тем, что нагнетание воздуха из атмосферы в аппарат осуществляют струей жидкости, создаваемой выносным циркуляционным насосом, при этом отношение расхода жидкости, направляемой на нагнетание воздуха, к расходу жидкости, подаваемой тем же насосом на диспергирование воздуха в аппарате, составляет 0,285 - 2,0.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам диспергирования газов в жидкостях и может быть использовано при аэрировании оборотных и сточных вод в процессах их микробиологической очистки или дегазации (удаления растворенных газов, например сероводорода, сероуглерода и т. п.).

Наиболее близким к заявляемому является способ аэрирования с диспергированием воздуха затопленными струями жидкости [1]. Способ заключается в диспергировании струи принудительно подаваемого в аппарат воздуха охватывающими ее сверху и снизу затопленными струями жидкости. При этом энергия, необходимая для дробления газовой фазы, вводится в аппарат не механическим перешивающим устройством, а простым и удобным в обслуживании выносным насосом. Сжатый воздух от газодувки поступает в центральный канал заглубленного в жидкость газораспределителя специальной конструкции. Жидкость из нижней части аппарата с помощью циркуляционного насоса подается в нижний и верхний каналы газораспределителя, охватывающие с двух сторон центральный канал для подачи воздуха. Струи жидкости, выходящие из каналов газораспределителя со скоростью 8-10 м/с, увлекают за собой выходящий из центрального канала воздух, не давая его пузырям вырасти до размеров, которые получаются на выходе из обычных щелевых барботеров. На некотором расстоянии от диспергатора расширяющиеся струи жидкости смыкаются и дробят заключенный между ними воздух на мелкие пузырьки. Образовавшаяся струя газожидкостной смеси распространяется в жидкости в горизонтальном направлении, постепенно поднимаясь к поверхности. Погруженная струя сообщает свою энергию окружающей жидкости, вызывая в емкости интенсивное перемешивание. Таким образом функции перемешивающего устройства здесь выполняет циркуляционный насос, вынесенный за пределы аэрационного сооружения.

Одним из недостатков описанного способа аэрации является необходимость использования для подачи воздуха в жидкость газодувных машин. Разрежение, создаваемое струями жидкости на выходе из газораспределительной камеры, хотя и дает некоторый эжекционный эффект, но недостаточно для подсасывания воздуха в емкость, где уровень жидкости над камерой превышает 0,4-0,5 м. Используемые для принудительной подачи воздуха газодувки требуют постоянного высококвалифицированного обслуживания, что затрудняет эксплуатацию аэрационной системы.

Другой недостаток известного способа заключается в низкой степени использования кислорода воздуха (в случае проведения процесса абсорбции) или в низкой степени насыщения воздуха десорбируемыми компонентами (в случае проведения процесса дегазации - удаления из жидкости растворенных газов, например Н₂S, СS₂ и др.), что обусловлено недостаточно интенсивным массообменом и сравнительно малым временем контакта фаз газ-жидкость.

Целью изобретения является упрощение процесса подачи в жидкость газовой фазы и повышение степени ее использования.

Цель достигается тем, что для нагнетания воздуха из атмосферы в аппарат используют энергию струи жидкости, создаваемой высоконапорным выносным циркуляционным насосом, при этом отношение расхода жидкости, направляемой на нагнетание воздуха, к расходу жидкости, подаваемой тем же насосом на диспергирование воздуха в аппарате, составляет 0,286 -2,0.

Использование для подачи воздуха в аппарат принципа струйного гидрокомпрессора, приводимого в действие тем же выносным циркуляционным насосом, который нагнетает в аппарат жидкость, позволяет избежать использования трудоемких в обслуживании газодувных машин, что существенно упрощает процесс подачи воздуха в жидкость.

Нагнетаемая насосом в гидрокомпрессорное устройство струя жидкости эжектирует воздух из окружающей среды, создавая в камере смешения развитую поверхность контакта фаз. Таким образом интенсивный массоперенос между фазами начинается уже на стадии нагнетания воздуха. Вторая зона активного массопереноса возникает в аппарате вблизи газораспределительной камеры, где нагнетаемый воздух подвергается тонкому диспергированию затопленными струями жидкости. Наличие двух зон интенсивного массопереноса способствует более эффективному использованию кислорода воздуха, либо (в случае проведения процесса дегазации) более высокой степени насыщения воздуха десорбируемыми компонентами.

Поясним выбор соотношения расхода жидкости, подаваемой на нагнетание воздуха, и расхода жидкости, направляемой на диспергирование газовой фазы в аппарат.

Как показали проведенные эксперименты, для эффективного диспергирования струи газа охватывающими ее сверху и снизу затопленными струями жидкости расход газа V_г не должен превышать расхода жидкости V_ж(V_г V_ж). При больших расходах газа часть его прорывается сквозь верхнюю струю жидкости без достаточного диспергирования. Поэтому при известной необходимой производительности аппарата по газу V_г расход жидкости, направляемой в газораспределительную камеру аппарата, должен быть как минимум равен величине V_г. Обычно используют именно предельное соотношение

= 1 (1)

Струйные гидрокомпрессорные устройства работают, как правило, при абсолютных давлениях рабочей жидкости Р_р от 0,4 до 1,2 МПа. Противодавление, определяемое гидравлическим сопротивлением газораспределительной камеры и высотой столба аэрируемой жидкости, находится в пределах 0,15-0,20 МПа. В этих условиях объемный коэффициент К подсоса воздуха гидрокомпрессором колеблется в зависимости от давления рабочей среды от 0,5 (при Р_р = 0,4 МПа) до 3,5 (при Р_р = 1,2 МПа):

K = = 0,5-3,5 , (2) где V_жн - расход жидкости, используемой для нагнетания воздуха.

Сопоставляя выражения (1) и (2), получают необходимое соотношение расхода жидкости, подаваемой на нагнетание воздуха, и расхода жидкости, направляемой в газораспределительную камеру аппарата:

V_жн/V_ж=0,286-2,0 (3)

При значении отношения V_жн/V_ж, меньшем 0,286, гидрокомпрессорное устройство не обеспечивает необходимой производительности по воздуху. При V_жн/V_ж > 2,0 расход жидкости, подаваемой в газораспределительную камеру аппарата, будет недостаточен для эффективного диспергирования газовой фазы (часть газа будет прорываться через верхнюю струю жидкости в виде крупных пузырей с малой поверхностью контакта фаз). Таким образом только в диапазоне 0,286 < V_жн/V_ж < 2,0 удается подать в аппарат необходимое количество воздуха без использования газодувок и получить наибольшую поверхность контакта фаз, а следовательно, и наивысшую степень использования газовой фазы.

На чертеже изображена технологическая схема осуществления предлагаемого способа.

Способ осуществляется в установке, которая содержит емкость 1 с залитой в зоне аэрируемой жидкостью, высоконапорный циркуляционный насос 2, гидрокомпрессорное устройство 3, газораспределительную камеру 4 специальной конструкции, циркуляционные трубопроводы 5 и 6 для подачи жидкости из нижней части емкости 1 соответственно в гидрокомпрессорное устройство и газораспределительную камеру, регулировочные вентили 7 и 8, штуцер 9 для ввода исходной жидкости, штуцер 10 для вывода из емкости 1 обработанной жидкости и штуцер 11 для вывода из емкости отработанного воздуха.

Способ осуществляют следующим образом.

Исходная жидкость поступает в емкость 1 через штуцер 9 и заполняет ее до уровня штуцера 10, который служит для вывода обработанной жидкости. Жидкость из нижней части емкости 1 высоконапорным циркуляционным насосом 2 нагнетается по трубопроводу 5 в гидрокомпрессорное устройство 3, а по трубопроводу 6 - в верхний и нижний каналы установленной в емкости ниже уровня жидкости газораспределительной камеры 4. При этом с помощью регулировочных вентилей 7 и 8 устанавливается отношение расхода жидкости, подаваемой в гидрокомпрессорное устройство на нагнетание воздуха, к расходу жидкости, нагнетаемой в газораспределительную камеру, от 0,286 до 2,0. Струя жидкости, поступающая в гидрокомпрессорное устройство, подсасывает воздух из атмосферы и сжимает его до давления, необходимого для подачи воздуха в емкость через газораспределительную камеру 4. В смесительной камере гидрокомпрессорного устройства образуется газожидкостная смесь с развитой поверхностью контакта фаз и уже здесь начинается интенсивный массоперенос целевого компонента из газа в жидкость (а в случае проведения процесса дегазации - из жидкости в воздух). В разделительной камере гидрокомпрессора происходит отделение воздуха от жидкости, которая стекает затем в емкость 1. Сжатый воздух гидрокомпрессорным устройством 3 нагнетается в центральный канал газораспределительной камеры 4. Струи жидкости, выходящие из верхнего и нижнего каналов газораспределителя, увлекают за собой выходящий из центрального канала воздух, не давая сформироваться крупным пузырям. На некотором расстоянии от диспергатора расширяющиеся струи жесткости смыкаются и дробят заключенный между ними воздух на мельчайшие пузырьки. В емкости образуется зона с развитой поверхностью контакта фаз газ-жидкость, где интенсивно протекают массообменные процессы. Струя газожидкостной смеси распространяется в горизонтальном направлении, постепенно поднимаясь к поверхности. Погруженная струя сообщает свою энергию окружающей жидкости, вызывая в емкости интенсивное перемешивание. Массоперенос протекает не только в зоне газожидкостной струи, но и по всему объему жидкости, куда проникают всплывающие пузыри воздуха. Отработанная жидкость выводится из емкости через штуцер 10. Отработанный воздух выходит через штуцер 11.

П р и м е р 1. 5 м³ жидкости подвергают аэрации в емкости объемом 8 м³. Для подачи воздуха используется газодувка с производительностью V_г = 50 м³/ч. Диспергирование газа в жидкости осуществляется струями, создаваемыми циркуляционным насосом с производительностью V_ж = 50 м³/ч. Степень использования кислорода составляет 17%.

П р и м е р 2. 5 м³ жидкости подвергают аэрации в емкости объемом 8 м³. Газодувка не используется. Насос с общей производительностью 50 м³/ч и напором 1,0 МПа нагнетает из нижней части емкости 20 м³/ч (V_жн) жидкости в гидрокомпрессорное устройство струйного типа, имеющее при указанном давлении рабочей среды коэффициент подсоса воздуха, равный 1,5. Гидрокомпрессор засасывает из атмосферы V_г = 20 x 1,5 = 30 м³/ч воздуха и сжимает его до давления 0,20 МПа, необходимого для подачи его в центральный канал газораспределительной камеры. Жидкость с расходом V_ж = 30 м³/ч нагнетается насосом в верхний и нижний каналы газораспределительной камеры для диспергирования воздуха в емкости затопленными струями. Интенсивный массоперенос из газа в жидкость происходит как в зоне смешения гидрокомпрессорного устройства, так и в основной емкости. Степень использования кислорода воздуха достигает 39-41%.

Таким образом, предложенный способ аэрирования жидкости позволяет избежать использования трудоемких в обслуживании газодувных машин и повысить степень использования газовой фазы на 22-24%.