дезинтегратор с тепловым эффектом

Формула изобретения

Дезинтегратор с тепловым эффектом, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленный по оси корпуса ротор с глухими отверстиями на его цилиндрической поверхности, взаимодействующими через кольцевой канал с отверстиями на внутренней цилиндрической поверхности корпуса, отличающийся тем, что выходной патрубок корпуса сообщен с раструбом улитки, плоская часть которой выполнена с трубой, перпендикулярной к плоской части улитки, а во внутренней полости трубы размещена плоская спираль, при этом труба сообщена со струевым насосом, камера разрежения которого сообщена с паровой секцией сборника, а жидкостная секция сборника сообщена с патрубком полости дезинтегратора, причем полость дезинтегратора образована концентричными перфорированными кольцами и корпусом дезинтегратора, изолирована от входного и выходного патрубков корпуса и сообщена с жидкостной секцией сборника и через него со следующими ступенями дезинтегратора и сборников, а сборник последней ступени дезинтегратора сообщен с приемной камерой установки электролиза, включающей разобщенные полупроницаемой перегородкой катодную и анодную секции, причем катодная секция сообщена со сборником дейтерия, а анодная - со сборником кислорода, входной патрубок корпуса первой ступени дезинтегратора сообщен через центробежный микрофильтр с нежесткой фильтровальной перегородкой с биофильтром, включающим корпус с провальными перфорированными перегородками, образующими секции с размещенной в них абразивной зернистой иммобилизационной насадкой, а секции сообщены с нагнетателем воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области дезинтеграции, может быть применено при очистке коммунально-бытовых строчных вод в районах Крайнего Севера с выработкой при утилизации биоудобрения, биогаза, дейтерия.

Известен дезинтегратор, содержащий корпус с входным и выходным патрубками, установленный по оси корпуса ротора с глухими отверстиями на его цилиндрической поверхности, взаимодействующими с отверстиями на внутренней цилиндрической поверхности корпуса /патент РФ N 2086641, кл. C 12 M 1/33, C 02 F 3/00, 1995/ с низким тепловым воздействием на процесс дезинтеграции.

Цель изобретения - повышение эффекта теплового воздействия на процесс дезинтеграции, достигается тем, что выходной патрубок сообщен с раструбом улитки, плоская часть которой выполнена с трубой, перпендикулярной к плоской части улитки, а во внутренней полости трубы размещена плоская спираль, а труба сообщена со струевым насосом, камера разрежения которого сообщена с паровой секцией сборника, а жидкостная секция сообщена с патрубком полости дезинтегратора, образованной концентричными перфорированными кольцами и корпусом дезинтегратора, причем полость дезинтегратора изолирована от входного и выходного патрубков и сообщена с жидкостной секцией сборника и через нее со следующими ступенями дезинтегратора и сборников, а сборник последней ступени дезинтегратора сообщен с приемной камерой установки электролиза, включающей разобщенные полупроницаемой перегородкой катодную и анодную секции, причем катодная секция сообщена со сборником дейтерия, а анодная секция - со сборником кислорода, а входной патрубок первой ступени дезинтегратора сообщен через центробежный микрофильтр с нежесткой фильтровальной перегородкой с биофильтром, включающим корпус с провальными перфорированными перегородками /ППП/, образующими секции, с размещенной в них на ППП абразивной зернистой иммобилизационной насадкой /АЗИН/, а секции сообщены с нагнетателем воздуха.

Аэробы биофильтра имеют высокий коэффициент накопления дейтериевой воды /D₂O/ порядка 10⁷-10⁹. Содержание дейтериевой воды составляет 0,4-0,6% от их массы. Разрушение оболочек аэробов после выделения их биомассы на нежесткой фильтровальной перегородке центробежного микрофильтра осуществляют в первой ступени дезинтегратора механическим и тепловым воздействием. Механическое воздействие проявляется в соударениях между отверстиями ротора и отверстиями перфорированных колец, а тепловое - гидродинамическими соударениями. При выбросе воды из глухих отверстий ротора перемещающаяся в глухих отверстиях вода в виде жидкостного поршня образует разрежение между жидкостным поршнем и днищем отверстий, в жидкостном поршне появляются пузырьки пара. При гидравлическом ударе жидкостного поршня о перфорированные кольца корпуса пузырьки пара конденсируются, объем конденсата в тысячу раз меньше объема пара, из которого образовался конденсат, в воде образуются пустоты. Центрами конденсации являются микроорганизмы и гидравлические удары воды, заполняющей пустоты, разрушают оболочки аэробов, освобождая дейтериевую воду. Плотность дейтериевой воды на 10% больше протиевой и она через отверстия перфорированных колец переходит в полость между перфорированными кольцами и корпусом. Количество гидравлических ударов определяется временем пребывания воды в кольцевой щели между перфорированными кольцами и ротором. А это в свою очередь определяется гидравлическими сопротивлениями состыкованных с выходным патрубком улитки трубы с плоской спиралью и струевого насоса. При выбросе воды из глухих отверстий ротора скоростной напор переходит в статический, а статический - в скоростной, что повторяется многократно. Пульсация напоров приводит к нагреву воды, т.е. потерянная энергия напоров переходит в тепловую и температура воды повышается до 30-70^oC. Температура кипения дейтериевой воды 101,42^oC и она хуже испаряется и быстрее конденсируется в сравнении с протиевой водой, т.е. происходит тепловая дезинтеграция ассоциатов молекул дейтериевой и протиевой воды. Вязкость дейтериевой воды на 23% больше протиевой и она задерживается перфорированными кольцами в полости между ними и корпусом и отводится в сборник дезинтеграта, в котором под действием разрежения, создаваемого струевым насосом, происходит испарение протиевой воды с отводом пара и образующегося из него конденсата в биофильтр. Повторение процессов дезинтеграции в нескольких степенях дезинтегратора позволяет доводить концентрацию дейтериевой воды до 90-95% с последующим выделением дейтерия при электролизе.

На чертеже схематически показана установка очистки коммунально-бытовых стоков в районах Крайнего Севера с применением дезинтегратора с тепловым эффектом.

Дезинтегратор с тепловым эффектом содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, установленный по оси корпуса 1 ротор 4 с глухими отверстиями 5 на его цилиндрической поверхности, взаимодействующими через кольцевой канал 6 с отверстиями 7 на внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1. Выходной патрубок 3 корпуса 1 сообщен с раструбом 8 улитки 9, плоская часть 10 которой выполнена с трубой 11, перпендикулярной к плоской части 10 улитки 9, во внутренней полости трубы 11 размещена плоская спираль 12 и труба 11 сообщена со струевым насосом 13, камера разрежения 14 которого сообщена с паровой секцией 15 сборника 16, а жидкостная секция 17 сообщена с патрубком 18 полости 19 дезинтегратора 20, причем полость 19 дезинтегратора 20, образованная концентричными перфорированными кольцами 21 и 24 и корпусом 1 дезинтегратора 20, изолирована от входного 2 и выходного 3 патрубков и сообщена с жидкостной секцией 17 сборника 16 и через нее со следующими ступенями дезинтеграторов 23 и 24 и сборников 25 и 26, а сборник 26 последней ступени дезинтегратора 24 сообщен с приемной камерой 27 установки 28 электролиза, включающей разобщенные полупроницаемой перегородкой 29 катодную 30 и анодную 31 секции, причем катодная секция 30 сообщена со сборником 32 дейтерия, а анодная 31 - со сборником 33 кислорода, входной патрубок 2 первой ступени дезинтегратора 20 сообщен через центробежный микрофильтр 34 с нежесткой фильтровальной перегородкой 35 с биофильтром 36, включающим корпус 37 с ППП 38, образующими секции 39 с размещенной в них АЗИН 40, а секции 39 сообщены с нагнетателем воздуха 41. Корпус 37 биофильтра 36 выполнен с технологическими патрубками 42 и 43, причем патрубком 42 сообщен с биореактором 44, включающим камеры: 45 - кислого, 46 - нейтрального, 47 - щелочного, 48 - метанового брожения. Камеры 45-48 выполнены с патрубками 49 и 50, сообщенными с диспергаторами 51, включающими взаимодействующие ребристыми поверхностями корпус 52 и ротор 53. Камера 45 кислого брожения сообщена со сборником 54 коммунально-бытовых стоков, а камера 48 метанового брожения по биогазу сообщена с газосборником 55, с газовой турбиной 56 и генератором постоянного тока 57, а по шламу - с ленточным пресс-фильтром 58. Центробежный микрофильтр 34 сообщен со сборником 59 воды.

Дезинтегратор с тепловым эффектом работает в установке очистки коммунально-бытовых стоков следующим образом.

Коммунально-бытовые стоки поступают в сборник 54, в котором освобождаются от песка, костей, металла и т.д., подогреваются продуктами выхлопа газовой турбины 56 с добавкой биогенных продуктов питания после струевого насоса 13 и последовательно сбраживаются в камерах 45-48 биореактора 44. В результате жизнедеятельности кислотогенов, ацетогенов, ацетогидрогенов, метаногенов образуются газовые и паровые фракции, которые выносят взвеси в верхнюю часть камер 45-48, занимающую 1/5 часть объема. Диспергаторы 51 через патрубок 49 забирают субстрат: обрабатывают между ребристыми цилиндрическими поверхностями 52 корпуса и 53 ротора. При обработке температура субстрата повышается и поддерживается в пределах 24-36^oC, причем колебания температуры не должны превышать 1^o в сутки. Минерализованные взвеси в виде шлама отбирают из камеры 48 метанового брожения, обезвоживают на ленточном пресс-фильтре 58 и используют в качестве биоудобрения. Биогаз из камеры 48 отбирают в газосборник 55 и после осушки используют в газовой турбине 56 привода генератора постоянного тока 57 для использования в установке электролиза 28. На растворенных примесях бражки из камеры 48 биореактора 44, поступающей через патрубок 42 в биофильтр 36, наращивают биомассу аэробов, которая в процессе жизнедеятельности накапливает в себе 0,4-0,6% дейтериевой воды. Благодаря иммобилизации /прилипанию/ к АЗИН 40 происходит АВТОСЕЛЕКЦИЯ - развиваются популяции микроорганизмов, адаптированных к изменению биогенных элементов питания по высоте корпуса 37. Иммобилизации биопленки обеспечивает СУКЦЕССИЮ, т. е. продукты жизнедеятельности /метаболиты/ вышележащих микроорганизмов используются в качестве источников питания микроорганизмов биопленки АЗИН 40 нижележащих секций 39. Уровень бражки на АЗИН 40 ППП 39 поддерживается напором воздуха, создаваемым нагнетателем 41. При превышении массы бражки величины напора воздуха она проваливается с переходом от секции 39 предыдущей к последующей. По патрубку 43 вода отводится в микрофильтр 34, в котором на нежесткой фильтровальной перегородке, находящейся под напряжением постоянного тока, отделяют биомассу аэробов и фрагменты биопленки в поле центробежных сил. Биомасса через патрубок 2 корпуса 1 дезинтегратора 20 поступает в кольцевой канал 6. При вращении ротора 4 вода выбрасывается из глухих отверстий 5 в виде жидкостного поршня с образованием разрежения между днищем отверстия 5 и жидкостным поршнем, в последнем под воздействием разжения возникают пузырьки пара, которые конденсируются в кольцевом канале 6 с образованием пустот. Центрами конденсации являются аэробы, оболочки которых разрушаются при схлопывании пустот. Такие дезинтеграции осуществляются многократно за время перемещения воды от входного патрубка 2 до выходного 3. При выбросе воды из отверстий 5 ротора 4 в кольцевой канал 6 скоростной напор переходит в статический, при более высоком статическом напоре вода заполняет отверстия 5. Такие пульсации напоров осуществляются многократно и их количество определяется гидравлическими сопротивлениями улитки 9 и плоской спирали 12. Часть энергии напоров переходит в тепловую с нагревом воды в кольцевом канале. При пульсациях выбросов воды и всасывании в отверстия 5 дейтериевая вода, имеющая плотность, на 10% превышающую плотность протиевой, проходит через отверстия 7 перфорированных колец 21 и 22 в полость 19. Противотоку дейтериевой воды из полости 19 в кольцевой канал 6 препятствует ее более высокая вязкость, на 23% превышающая вязкость протиевой воды. Дезинтеграт аэробов и ассоциаты молекул дейтериевой и протиевой воды поступают в жидкостную секцию 17 сборника 16. В паровой секции 15 сборника 16 струевым насосом 13 создается разрежение. Дейтериевая вода имеет температуру кипения 101,42^oC, а поэтому происходит испарение протиевой воды и ее пары из секции 15 отсасываются в камеру разрежения струевого насоса 13. Пары конденсируются, нагревая воду теплом конденсации, нагретая вода используется для температурных стабилизаций в биофильтре 36 и биореакторе 44. Таким образом, механическая дезинтеграция ассоциатов молекул воды дополняется тепловой. Вода из жидкостной секции 17 сборника 16 последовательно проходит через дезинтеграторы 23, 24 и сборники 25 и 26, работа которых аналогична описанной выше дезинтегратора 20 и сборника 16. В дезинтеграторе 20 преобладала дезинтеграция аэробов, а в дезинтеграторах 23 и 25 - дезинтеграция ассоциатов молекул воды. Причем эффект дезинтеграции возрастает от ступени к ступени в связи с превышением доли дейтериевой воды, а соответственно с ростом плотности, вязкости и температуры кипения ассоциатов молекул воды. Подбором количества ступеней дезинтеграции концентрацию дейтериевой воды доводят до 90-95%, причем не исключается вероятность получения чисто дейтериевой воды. Вода из сборника 26 поступает в приемную камеру 27 установки электролиза 28, в которой под воздействием постоянного электрического тока, вырабатываемого генератором 57, вода разлагается на кислород /O₂/ и дейтерий /D₂/. Дейтерий отводят в сборник 32, а кислород - в сборник 33. При работе установки электролиза 28 в катодной секции собирается щелочная среда и щелочной раствор из секции 30 отводят в камеру 47 щелочного брожения биореактора 44, что создает благоприятные условия для жизнедеятельности метаногенов.

На Крайнем Севере из-за низких годовых температур естественная очистка коммунально-бытовых стоков протекает неэффективно, а отсюда микробная очистка создает здоровую экологическую обстановку вокруг населения пунктов.

Выработка дейтерия, распад 1 кг которого в термоядерных реакторах по количеству выделяющейся энергии эквивалентен сжиганию 10000 т угля, устраняет необходимость завоза топлива и загрязнения воздушного пространства продуктами его сгорания. В отличие от атомных электростанций и теплоцентралей устраняется загрязнение среды обитания ЖРО и ТРО.