способ аэрирования жидкости

Формула изобретения

СПОСОБ АЭРИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ, включающий подачу под слой жидкости струи воздуха и ее диспергирование, отличающийся тем, что диспергирование струи воздуха осуществляется охватывающими ее сверху и снизу затопленными струями жидкости, создаваемыми выносным циркуляционным насосом, при этом верхняя и нижняя струи жидкости наклонены одна к другой под углом 10 15^o, а отношение расхода циркулирующей жидкости к расходу подаваемого на аэрацию воздуха составляет 0,96 1,2.

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 (отдувки растворенных газов, например, сероводорода, сероуглерода и т.п.).

Известен пневматический способ аэрирования жидкости, заключающийся в подаче воздуха под слой обрабатываемой жидкости через барботеры (см. например, Худенко Б.М. Шпирт Е.А. Аэраторы для очистки сточных вод, М. Стройиздат, 1973, с. 33-44). В зависимости от размеров образующихся при таком способе аэрации пузырьков воздуха пневматические системы разделяют на три типа: мелкопузырчатые (диаметр пузырей d_п < 2,5 мм), среднепузырчатые (d_п 2,5-10 мм) и крупнопузырчатые (d_п > 10 мм). Пористые элементы мелкопузырчатых систем пневматической аэрации достаточно быстро засоряются, их гидравлическое сопротивление при этом увеличивается и со временем они просто перестают пропускать воздух. В связи с этим фильтросные пластины и тканевые аэраторы приходится часто заменять. Для среднепузырчатой аэрации применяют перфорированные трубы, которые также со временем требуют замены из-за увеличения размеров отверстий в результате коррозии. Замена аэрационных элементов, расположенных, как правило, у дна сооружения требует его опорожнения и остановки работы на длительный срок, что существенно повышает расходы на эксплуатацию таких систем и снижает их производительность.

Крупнопузырчатые пневматические аэраторы (открытые трубы, сопла) не позволяют получать высокую поверхность контакта фаз, что уменьшает скорость растворения кислорода воздуха в жидкости и снижает степень его использования.

Известен способ аэрирования жидкости, называемый пневмомеханическим (см. Худенко Б. М. Шпирт Е.А. Аэраторы для очистки сточных вод. М. Стройиздат, 1973, с.62), заключающийся в подаче воздуха под слой жидкости и диспергировании его механическими перемешивающими устройствами. Наличие погруженных в жидкость движущихся частей механических перемешивающих устройств снижает их эксплуатационную надежность и ремонтопригодность. Кроме того, использование мешалок предполагает наличие громоздкого, сложного в обслуживании мотора-редуктора с жестко заданной частотой вращения и ограниченным выбором мощности. Это приводит к тому, что устройства для осуществления пневмомеханического способа аэрирования жидкости имеют высокую энерго- и металлоемкость.

Целью предлагаемого технического решения является снижение энергоемкости процесса аэрирования и повышение удобства обслуживания аэрационной системы.

Цель достигается тем, что диспергирование струи подаваемого под слой жидкости воздуха осуществляется охватывающими ее сверху и снизу затопленными струями жидкости, создаваемыми выносным циркуляционным насосом, при этом верхняя и нижняя струи жидкости наклонены друг к другу под углом 10-15^о, а отношение расхода циркулирующей жидкости к расходу подаваемого на аэрацию воздуха составляет 0,96-1,2.

При аэрировании жидкости предложенным способом энергия, необходимая для такого дробления воздуха, вводится в жидкость не механическим перемешивающим устройством, а выносным насосом. По интенсивности массопереноса кислорода из газа в жидкость система с диспергированием воздуха затопленными струями не уступает системам аэрации с механическими перемешивающими устройствами. Объемный коэффициент массопереноса достигает 0,1-0,2 с^-1. При одинаковой производительности по растворяемому кислороду энергетические затраты по предлагаемому способу на 25-30% ниже, чем при пневмомеханической аэрации. Это объясняется более эффективным использованием энергии в процессе массопереноса и более высоким КПД насоса по сравнению с КПД привода мешалки. Кроме того, использование механического перемешивающего устройства предполагает наличие мотора-редуктора с жестко заданной частотой вращения и ограниченным выбором мощности. В предлагаемой системе аэрации подача жидкости выносным насосом может регулироваться, что обеспечивает энергетически экономное ведение процесса.

Наивысшая интенсивность массопереноса кислорода из воздуха в жидкость, не уступающая интенсивности массопереноса при пневмомеханической аэрации, наблюдается при величине угла столкновения жидкостных струй 10-15^о. Это наглядно видно из экспериментально полученного графика зависимости объемного коэффициента массопереноса KLa от угла наклона струй (фиг.3). При значениях угла > 15^о происходит "запирание" струй газа вблизи газораспределительной камеры, что приводит к периодическому образованию крупных пузырей, неэффективных в процессе массопереноса. При 10^о струи проходят слишком большее расстояние до точки столкновения, теряя при этом значительную долю своего импульса. В результате дробления газовой фазы происходит не столько интенсивно, пузыри имеют более крупные размеры и скорость массопереноса уменьшается.

Как показали эксперименты, для эффективного ведения процесса аэрирования отношение расхода V_ж циркулирующей жидкости к расходу V_в воздуха должно находиться в пределах 0,96-1,2. При (V_ж/V_в) < 0,96 расход жидкости не достаточен для тонкого диспергирования всего подаваемого воздуха. Часть его начинает прорываться сквозь верхнюю струю жидкости в виде более крупных пузырей, что приводит к ухудшению массообменных характеристик процесса. Увеличение расхода циркулирующей сверх установленного соотношения (V_ж/V_в) > 1,2 не приводит к существенной интенсификации массопереноса и является нецелесообразным с энергетической точки зрения, так как требует использования насоса слишком высокой мощности.

На фиг.1 изображена технологическая схема осуществления способа; на фиг. 2 узел I на фиг.1; на фиг.3 графическое изображение способа.

Способ осуществляется с установке, которая содержит емкость 1 с аэрирующей жидкостью, циркуляционный насос 2, трубопровод 3 для циркулирующей жидкости, трубопровод 4 для подвода воздуха, распределительную камеру 5, штуцеры 6 и 7 соответственно для ввода исходной и вывода обработанной жидкости. Распределительная камера 5 имеет центральный канал 8 для ввода воздуха в верхний 9 и нижний 10 каналы для подачи циркулирующей жидкости. Конструкция камеры обеспечивает наклон жидкостных струй навстречу друг другу под углом 10-15 градусов.

Способ осуществляется следующим образом.

Исходная жидкость поступает в емкость 1 через штуцер 6 и заполняет ее до уровня штуцера 7, который служит для вывода обработанной жидкости. Жидкость из нижней части емкости 1 циркуляционным насосом 2 нагнетается по трубопроводу 3 в верхний 9 и нижний 10 каналы распределительной камеры 5. Сжатый воздух от газодувки по трубопроводу 4 подается в центральный канал 8 распределительной камеры 5. Наклонные струи жидкости, выходящие из каналов 9 и 10 со скоростью 8-10 м/с, увлекают за собой выходящий из центрального канала 8 воздух, не давая образовываться его крупным пузырям. На некотором расстоянии от распределительной камеры 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.

Одинаковая со способом-прототипом интенсивность аэрации достигается при затратах энергии, меньших на 25-30% Предложенная система аэрации, по сравнению с пневмомеханической, гораздо удобнее в обслуживании, поскольку не содержит погруженных в жидкость движущихся элементов и сложного, громоздкого привода, а использует лишь легко доступный для осмотра и ремонта выносной насос.