СПОСОБ НАСЫЩЕНИЯ ВОДЫ ГАЗОМ Российский патент 1995 года по МПК C02F7/00 C02F1/72 

Изобретение относится к обработке природных и промышленных вод и может быть использовано для ведения водного и рыбного хозяйств естественных и искусственных водоемов и водохранилищ.

Известен способ насыщения воды газом, в частности кислородом, основанный на подаче кислорода или воздуха в воду через ряд последовательно соединенных штуцеров, установленных в воде вдоль рыбоводной емкости [1].

Недостатком этого способа является низкая эффективность насыщения воды вследствие того, что в воде растворяется лишь 10-18% подаваемого кислорода или воздуха, в то время как остальная часть подаваемого газа выделяется в виде пузырьков в окружающую атмосферу.

Известен также способ насыщения воды газом, например кислородом, путем диспергирования газа в воде с помощью ультразвуковых колебаний и пористых мембран [2, 3].

Этот способ повышает эффективность процесса растворения газа в воде до 25-35% , однако его осуществление требует сложных устройств с большой энергоемкостью, что ведет к удорожанию процесса.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ насыщения воды кислородом путем подачи в нее воды, насыщенной кислородом под избыточным давлением [4].

Насыщение воды кислородом под избыточным давлением, точнее говоря при парциальном давлении кислорода выше парциального давления его в насыщаемой воде, обеспечивает концентрацию растворенного в воде кислорода выше, чем при атмосферном давлении. Однако при снижении давления до атмосферного происходит бурное выделение растворенного таким образом кислорода из воды в виде газообразных пузырьков. Часть кислорода при этом успевает раствориться в насыщаемой воде, но около 60% кислорода теряется в окружающей атмосфере. Таким образом, недостатками этого способа являются низкие эффективность и экономичность.

Целью изобретения является повышение эффективности и экономичности процесса насыщения воды газом.

Поставленная цель достигается тем, что насыщение воды газом осуществляют путем подачи в нее жидкости, насыщенной этим газом при парциальном давлении этого газа выше парциального давления его в насыщаемой воде.

При этом в качестве упомянутой жидкости используют жидкое фторорганическое соединение.

Кроме того, жидкое фторорганическое соединение перемешивают в воде. После насыщения воды газом жидкое фторорганическое соединение собирают и используют повторно.

Использование жидкого фторорганического соединения в качестве жидкости, насыщенной газом, обеспечивает переход растворенного газа из фторорганического соединения в воду в молекулярном виде без образования газообразных пузырьков. Такой переход газа полностью исключают его потери в атмосферу, что повышает одновременно и эффективность и экономичность способа.

Перемешивание фторорганического соединения с водой повышает интенсивность массообменных процессов за счет увеличения поверхности контакта двух сред.

Жидкие фторорганические соединения не смешиваются с водой и тяжелее ее, поэтому после насыщения воды газом их собирают и используют повторно, что также повышает эффективность и экономичность способа.

На чертеже представлена установка для осуществления предлагаемого способа.

Способ насыщения воды газом осуществляется следующим образом.

Жидкое фторорганическое соединение, например перфтордекалин, перфтортрипропиламин или другое, насыщается нужным газом, например кислородом, в оксигенаторе 1 или аналогичном устройстве, конструкции которых широко известны [5] . При парциальном давлении кислорода в насыщаемой воде, равном (0,1-0,12)˙10⁵ Па насыщение фторорганического соединения осуществляют при парциальном давлении кислорода в газовой смеси, равном или выше 0,13˙10⁵ Па, с учетом потерь на местное сопротивление газовой магистрали.

Насыщенный кислородом перфтордекалин или перфтортрипропиламин по трубопроводу 2 подается в водоем 3, непосредственно в воду. При соприкосновении с водой, обедненной кислородом, указанная насыщенная кислородом жидкость начинает отдавать растворенный в ней кислород. Переход кислорода от фторорганического соединения в воду протекает без образования газовой фазы путем молекулярной диффузии.

Скорость насыщения воды кислородом в этом случае не ниже чем в известном способе.

Для увеличения скорости насыщения и эффективности массообменных процессов жидкое фторорганическое соединение, насыщенное кислородом, перемешивают в воде с помощью мешалки 4 любой известной конструкции. При этом происходит увеличение площади поверхности соприкосновения двух сред, а также активное перемещение масс воды и жидкого фторорганического соединения, вследствие чего и происходит повышение эффективности процесса. Количество кислорода, переходящего из жидкого фторорганического соединения увеличивается в несколько раз по сравнению со статической поверхностью жидкого фторорганического соединения, а количество ПФС сокращается, что ведет к повышению экономичности процесса.

П р и м е р 1. Оценка эффективности предлагаемого способа проводилась в лабораторных условиях с использованием изображенной установки. Установка содержит оксигенатор 1, емкость с водой, насыщаемой кислородом, объем 150 л, трубопроводов 2, 5 и 6, насоса лабораторного, максимальной производительностью 500 мл/мин, редуктором и манометром.

В качестве жидкости, переносящей и отдающей кислород в воду, использовалось жидкое перфторсоединение - перфтордекалин (ПФД). Испытания проводились при комнатной температуре 24^оС. Объем насыщаемой воды в емкости равен 150 л, объем используемого ПФД равен 0,25 л.

Насыщение ПФД чистым кислородом осуществлялось в оксигенаторе 1 под давлением (1,1-1,2) ˙10⁵ Па. Насыщенный кислородом ПФД насосом 7 подавался в емкость с водой с расходом 3,3-5˙10^-3 л/с. При этом непосредственно в емкости с водой постоянно находилось около 12˙10^-2 л ПФД.

Поскольку плотность ПФД составляет (1,8-1,9) ˙10³ кг/м³, то он скапливается в придонном пространстве, не смешиваясь с водой, что позволяет подавать его по трубопроводам 5 и 6 при помощи насоса 7 вновь в оксигенатор 1. Данный процесс протекает непрерывно.

Контроль за процессом насыщения воды кислородом осуществлялся по изменению средней концентрации его во времени. Концентрация растворенного в воде кислорода определялась стандартным методом Винклера.

Результаты испытаний представлены в таблице. Испытания проводились на установке. Для получения более достоверных результатов процесс насыщения перфтордекалина (ПФД) и воды согласно прототипу проводился с помощью одинаковых оксигенаторов при равных парциальных давлениях кислорода и равных расходах газообразного кислорода. Эффективность Е(%) предлагаемого способа оценивалась по общепринятой формуле
F = 1 - · · 100 % ,
где G_фос, и G - расходы жидкого носителя кислорода соответственно ФОС и воды;
С_р' и С_р'' - равновесные концентрации кислорода в воде при температурах проведения насыщения соответственно с использованием в качестве носителя кислорода воды и ФОС;
С₁' и С₁'' - безразмерное начальное значение концентрации кислорода в воде до начала ее насыщения кислородом соответственно с использованием воды и ФОС;
Δt и Δt_фос - продолжительность процесса насыщения с использованием в качестве носителя кислорода соответственно воды и ФОС. После подстановки данных таблицы в выражение получим значение эффективности в пределах
F= 82÷92,2% . Данный показатель характеризует в комплексе экономию энергоресурсов и интенсификацию массообменных процессов предлагаемого способа в сравнении с прототипом.

П р и м е р 2. Насыщение воды кислородом без циркуляции жидкого фторорганического соединения. В качестве жидкости, переносящей и отдающей кислород в воду, использовался перфторметилдекалин (ПФМД). Испытания проводились при комнатной температуре. Процесс насыщения воды кислородом контролировался по изменению средней концентрации кислорода во времени, определяемой методом Винклера. Процесс насыщения воды кислородом осуществлялся в лабораторной стеклянной емкости, в которую последовательно заливались 500 мл воды с известной начальной концентрацией кислорода, равной 11,0 мг/л и 100 мл ПФМД, насыщенного предварительно кислородом до равновесной концентрации при его парциальном давлении, равном 1˙10⁵ Па. Этот процесс осуществлялся при температуре окружающей среды, равной 22^оС. Через 5 мин значение средней концентрации возросло до 12,5 мг/л. Образования газовой фазы кислорода не наблюдалось. Данный пример показывает отсутствие влияния способа ввода фторорганического соединения в емкость с водой и способа его насыщения кислородом на эффективность предлагаемого способа.

П р и м е р 3. Исследование влияния перемешивания насыщенного кислородом фторорганического соединения на эффективность предлагаемого способа проводилось в лабораторных условиях с помощью лабораторной стеклянной посуды, магнитной мешалки, обеспечивающей частоту вращения 120-150 об/мин. Этот процесс насыщения воды кислородом осуществлялся при комнатной температуре, равной 22^оС, путем ряда последовательных операций: заливки воды объемом 500 мл с известной концентрацией кислорода, равной 10,5 мг/л, определяемой методом Винклера; заливки ПФМД, предварительно насыщенного кислородом при парциальном давлении 1˙10⁵ Па; перемешиванием с помощью магнитной мешалки объема стеклянной емкости.

После 5 мин перемешивания средняя концентрация кислорода в воде составила 27,0 мг/л. Выделения газовой фазы не наблюдалось.

Все жидкие фторорганические соединения имеют плотность, почти в 2 раза и более превышающую плотность воды. Кроме того, эти соединения не смешиваются с водой. Благодаря этим физическим свойствам указанные соединения легко отделяются от воды естественным путем и опускаются на дно емкости, откуда по трубопроводам 5 и 6 с помощью насоса 7 подают повторно в оксигенатор 1.

При осуществлении процесса в открытом естественном водоеме через емкость прокачивается вода из водоема или емкость погружается непосредственно в водоем.

Все жидкие фторорганические соединения являются биологически и экологически чистыми веществами. Случайная утечка этих соединений в водоем абсолютно безвредна для его экологического состояния.

Использование изобретения в природных водоемах обеспечит экологическую чистоту процесса насыщения воды кислородом или другим газом для улучшения экологического состояния водоема.

Предлагаемый способ может быть использован для насыщения воды любым газом, например в целях очистки ее, а также в других технологических целях. Процесс насыщения имеет высокую эффективность и осуществляется практически без потерь газа.

Кроме очистки воды предлагаемый способ может быть использован для насыщения воды кислородом в рыбоводных водоемах, что улучшит условия обитания живых организмов в воде, в том числе и рыбы, и приведет к повышению производительности. Кроме того, этот способ может быть использован при перевозке и хранении живой рыбы в емкости. Способ может быть осуществлен в открытом водоеме в любое время года.

Использование: обработка природных и промышленных вод. Сущность изобретения: способ насыщения воды газом осуществляется путем подачи в нее жидкости, насыщенной этим газом при парциальном давлении его выше парциального давления в насыщаемой воде. В качестве упомянутой жидкости используют фторорганические соединения, которые перемешивают с водой, а затем собирают и используют повторно. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. СПОСОБ НАСЫЩЕНИЯ ВОДЫ ГАЗОМ путем подачи в нее жидкости, насыщенной этим газом при парциальном давлении газа выше парциального давления его в насыщаемой воде, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и экономичности способа, в качестве жидкости используют жидкое фторорганическое соединение. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкое фторорганическое соединение перемешивают в воде. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что после насыщения воды газом жидкое фторорганическое соединение собирают и используют повторно.