УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ АЭРАЦИИ ЖИДКОСТИ Российский патент 1995 года по МПК C02F1/74 C02F3/20 

Изобретение относится к устройствам для смешения жидкости и газа, в частности к устройствам для аэрации бытовых и сточных вод с использованием пульсаций давления.

Известно устройство для импульсной аэрации жидкости, включающее установленный в жидкостной части емкости вертикальный патрубок с диффузором, размещенным над днищем емкости, и трубопровод подачи и выброса воздуха с запорно-регулирующей и переключающей арматурой, нижний открытый конец которого размещен внутри вертикального патрубка с образованием кольцевого зазора. При работе устройства производится циклическая, с большой скоростью, импульсная подача воздуха в жидкость через диффузор патрубка и последующее отключение подачи и сброс остаточного воздуха в верхнюю часть трубопровода. Основной процесс аэрации жидкости происходит при частичном смешении воздуха с жидкостью в диффузоре и в нижней части патрубка (аэраторе) и барботаже воздуха через жидкость. Последующий период сброса воздуха и заполнения жидкостью аэратора является подготовительным к предыдущему и не оказывает существенного влияния на процесс аэрации. Недостатком известного устройства является низкая интенсивность процесса вследствие низкой интенсивности массообмена между газом и жидкостью.

Необходимость импульсного, с большой скоростью, ввода в аэратор воздуха при последующем резком прерывании подачи и поддержание заданного уровня жидкости в трубопроводе при обратном заполнении аэратора обуславливает сложность регулирования процесса и повышенные требования к запорно-регулировочной арматуре. Сброс части вводимого в аппарат воздуха при обратном заполнении аэратора жидкостью, осуществляемом за счет гидростатического давления жидкости, снижает степень использования воздуха в аппарате, а также обуславливает повышенную инерционность процесса и низкую частоту пульсаций (40-200 раз в минуту или 0,7-3,5 Гц), что существенно ограничивает производительность и качество процесса аэрации.

Наиболее близким предложенному решению является устройство для импульсной аэрации жидкости, включающее размещенные в жидкостной части емкости горизонтальную плиту с отверстиями и поддон, между которыми расположена упругая мембрана, разделяющая две изолированные полости, нижняя из которых заполнена жидкостью и через патрубок подключена к пульсатору давления, а верхняя через кольцевой коллектор соединена с источником сжатого газа, при этом мембрана снабжена выступами, размещенными против каждого отверстия и имеющими форму, ответную форме входа отверстий, а на наружной поверхности плиты концентрично отверстиям выполнены кольцевые буртики. В данном устройстве пульсатор, создавая возвратно-поступательное движение рабочей жидкости, заставляет вибрировать упругую мембрану, в полость над которой поступает газ из коллектора. Колебания мембраны обеспечивают импульсный выброс газа через отверстия в плите в аэрируемую жидкость. При этом выступы мембраны, размещенные против отверстий плиты, периодически перекрывают их, частично входя в полость отверстий. Данное устройство по сравнению с аналогом позволяет повысить интенсивность процесса аэрации за счет наличия большого количества отверстий для выхода газа в жидкость и за счет более высокой (до 50 Гц) частоты пульсаций.

Однако, данное устройство характеризуется большой сложностью изготовления ввиду наличия плиты со множеством отверстий с буртиками, взаимодействующей с плитой эластичной мембраны с выступами специальной формы, соосными с отверстиями плиты. При этом мембрана с выступами обладает большой жесткостью (низкими упругими свойствами), что обуславливает малую амплитуду и скорость ее колебаний и, следовательно, малую скорость выброса газа в жидкость через отверстия плиты, малую степень диспергирования газа в жидкости и низкую интенсивность массообмена между ними. Это существенно ограничивает возможности интенсификации процесса аэрации. Кроме того, данное устройство обеспечивает малое время нахождения газа в жидкости, так как газ вводится в жидкость в направлении снизу вверх, причем в нижней части емкости (под поддоном) процесс аэрации практически не происходит.

Технической задачей изобретения является интенсификация процесса аэрации и упрощение конструкции устройства.

Поставленная задача достигается за счет того, что устройство для импульсной аэрации жидкости, содержащее горизонтальную плиту с установленным под ней поддоном, образующими между собой полость, верхняя часть которой сообщена с источником сжатого газа, и размещенную в этой полости упругую мембрану, герметично закрепленную на периферийной части поддона, центральная часть которого соединена с пульсатором давления, снабжено двумя установленными концентрично с кольцевым зазором вертикальными обечайками, при этом верхняя часть наружной обечайки герметично закреплена по периметру плиты, верхняя часть внутренней закреплена по периметру поддона, а плита выполнена в виде жесткой пластины с центральным отверстием, к которому подсоединен трубопровод подачи сжатого газа. Наружная обечайка может быть выполнена с продольными гофрами, разделяющими кольцевой зазор на множество параллельных каналов. При таком выполнении устройства концентричные обечайки образуют кольцевую полость (зазор), нижняя часть которой открыта, а верхняя сообщена с газовой полостью, образованной плитой и мембраной. Поэтому вводимый в надмембранную полость газ выходит из менее через кольцевой зазор в направлении днища емкости, что увеличивает время нахождения газа в жидкости (время контакта фаз) и повышает интенсивность аэрации нижнего слоя жидкости. Отсутствие перфорации в плите позволяет выполнить мембрану без выступа гладкой и тонкостенной, что намного улучшает ее упругие и эластичные свойства. В результате резко увеличивается амплитуда колебаний мембраны и повышается количество газа, поступающего в надмембранное пространство. Увеличивается скорость импульсного выброса газа через кольцевой зазор в жидкость, повышается степень диспергирования газа в жидкости и интенсивность процесса аэрации. Наличие продольных гофр на наружной обечайке, разбивая кольцевой зазор на множество параллельных каналов, дополнительно улучшает диспергирование газа и эффективность аэрации жидкости.

На фиг.1 изображено устройство, общий вид; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1 при выполнении наружной обечайки гладкостенной; на фиг.3 то же, при выполнении наружной обечайки с продольными гофрами.

Устройство включает жидкостную емкость 1, в нижней части которой помещен вертикальный патрубок 2, проходящий через днище 3 емкости. На верхнем конце патрубка 2 герметично закреплен поддон 4 с упругой мембраной 5, образующей с поддоном замкнутую полость 6, сообщенную с полостью патрубка 2. Над поддоном 4 с зазором размещена жесткая пластина (плита) 7 с центральным отверстием, к которому подключен наружный трубопровод 8, соединенный с источником подачи сжатого газа. Снаружи поддона 4 размещена вертикальная цилиндрическая обечайка 9, верхняя часть которой герметично закреплена на поддоне по его периметру, а нижняя расположена вблизи днища 3 емкости 1. Обечайка 9 размещена внутри концентричной ей обечайки 10, верхняя часть которой герметично закреплена по периметру пластины 7. Обечайки 9 и 10 образуют между собой кольцевой зазор 11, нижняя часть которого открыта в сторону днища 3 емкости, а верхняя сообщена с газовой полостью 12, расположенной между пластиной 7 и упругой мембраной 5. Обечайки 9 и 10 жестко соединены между собой, например с помощью пластинчатых ребер 13 (фиг.2), установленных в кольцевом зазоре 11. Наружная обечайка 10 может быть выполнена гофрированной с продольными гофрами (фиг.3), разделяющими кольцевой зазор 11 на продольные каналы 14. В этом случае закрепление обечайки 10 с пластиной 7 на обечайке 9 может осуществляться за счет самих гофр, своей внутренней поверхностью контактирующих с поверхностью обечайки 9. Полость между поддоном 4 и мембраной 5 и патрубок 2, связанный с пульсатором, заполнены жидкостью.

Устройство работает следующим образом. Емкость 1 заполняют обрабатываемой жидкостью, после чего производят подачу сжатого газа через трубопровод 8 в полость 12 и включают пульсатор, возбуждающий периодические пульсации давления жидкости в подмембранной полости устройства. Пульсации давления жидкости вызывают периодические колебания упругой мембраны 5 и периодическое изменение объема газовой полости 12 устройства. При движении мембраны 5 вниз полость 12 заполняется газом, поступающим по трубопроводу 8, а при движении мембраны вверх происходит импульсный выброс газа из полости в жидкость через кольцевой зазор 11, образованный обечайками 9 и 10. Газ выбрасывается вниз и движется в сторону днища 3 емкости, насыщая придонную часть жидкости, после чего поднимается вверх, насыщая верхние слои жидкости. Гладкая тонкостенная мембрана 5, обладая хорошими эластичными свойствами, под действием пульсатора совершает интенсивные высокоамплитудные колебания в газовой полости 12, что обеспечивает большую скорость импульсного выброса газа через кольцевой зазор 12, значительно превышающую скорость выброса газа в прототипе. Увеличение скорости выброса газа в жидкость, причем выброс в направлении днища емкости повышает турбулизацию жидкости за счет увеличения дальнобойности импульсных струй газа и степень диспергирования газа в жидкости, что интенсифицирует массообмен между взаимодействующими фазами. В результате этого повышается интенсивность процесса аэрации, увеличивается производительность процесса. Наличие двух концентричных обечаек, образующих кольцевую полость для импульсного выброса газа, сообщенную с газовой полостью устройства, позволяет выполнить плиту в виде сплошной пластины (без перфорации и кольцевых буртиков), а мембрану гладкой, без выступов. Это значительно упрощает изготовление предложенного устройства. Увеличение производительности и повышение интенсивности процесса аэрации позволяет также значительно снизить удельные энергозатраты при аэрации жидкости.

Выполнение одной из обечаек гофрированной (наружной обечайки, так как это технологически проще) улучшает процесс аэрации за счет усиления массообмена между газом и жидкостью. В этом случае кольцевой зазор 12 разбивается на множество продольных каналов, формирующих параллельные импульсные струи газа при выбросе его в жидкость. При этом повышается динамическая активность газа, повышается степень диспергирования его и турбулизация жидкости и интенсифицируется процесс аэрации.

Использование: в процессах импульсной аэрации жидкости. Сущность изобретения: устройство содержит горизонтальную плиту с центральным отверстием, расположенный под ней поддон с закрепленной на нем упругой мембраной и две вертикальные, установленные с кольцевым зазором, концентричные обечайки, причем верхняя часть наружной обечайки закреплена по периметру плиты, а верхняя часть внутренней обечайки по периметру поддона. Плита и мембрана образуют газовую полость, подключенную к источнику сжатого газа и сообщенную с кольцевым зазором, а поддон с мембраной образует герметичную полость, соединенную с жидкостным пульсатором давления. Пульсации давления жидкости, создаваемые пульсатором, вызывают периодические колебания упругой мембраны и периодическое изменение объема газовой полости, что приводит к импульсному выбросу газа через кольцевой зазор в жидкость. Высокая степень диспергирования газа и турбулизация жидкости обеспечивают интенсивный массообмен между газом и жидкостью. Для усиления процесса аэрации наружная обечайка может быть выполнена с продольными гофрами, разбивающими кольцевой зазор на множество параллельных каналов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ АЭРАЦИИ ЖИДКОСТИ, содержащее горизонтальную плиту с установленным под ней поддоном, образующими между собой полость, верхняя часть которой сообщена с источником сжатого газа, и размещенную в этой полости упругую мембрану, герметично закрепленную на периферийной части поддона, центральная часть которого соединена с пульсатором давления, отличающееся тем, что, оно снабжено двумя установленными концентрично с кольцевым зазором вертикальными обечайками, при этом верхняя часть наружной обечайки герметично закреплена по периметру плиты, верхняя часть внутренней закреплена по периметру поддона, а плита выполнена в виде жесткой пластины с центральным отверстием, к которому подсоединен трубопровод подачи сжатого газа. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружная обечайка выполнена с продольными гофрами.