АЭРАТОР Российский патент 1995 года по МПК C02F3/02 

Изобретение относится к пищевой и микробиологической промышленности, в частности к дрожжерастительным аппаратам и аппаратам для выращивания микроорганизмов, и может использоваться в других отраслях промышленности, в которых применяются барботажные и флотационные установки, а также в сооружениях для биологической очистки сточных вод.

Наиболее близким к изобретению является аэратор, содержащий основание, узел для подвода газа и элемент с отверстиями для прохода газа из внутренней полости аэратора в окружающую среду, соединенные с основанием.

Данное устройство представляет собой тарельчатый аэратор, состоящий из основания, выполненного в виде обращенной своей выпуклой частью вниз оболочки-тарелки, узла для подвода газа в виде втулки с резьбой, соединенной с тарелкой снизу, и элемента для прохода газа из сетки, закрепленной на тарелке сверху в горизонтальном положении.

Этот аэратор обладает следующими недостатками:
горизонтальное расположение элемента для прохода газа в отличие, например, от вертикального не может обеспечить мелкодисперсное образование пузырьков газа в жидкости;
пузырьки газа, оторвавшиеся от поверхности аэратора с горизонтальным расположением элемента для прохода газа, увлекаются к центру газожидкостного потока, поднимающегося от аэратора, образуют "жгут", который затем распадается на конгломераты плотные группы пузырьков, что приводит к уменьшению эффективной поверхности массообмена между газом и жидкостью;
конструкция аэратора предполагает наличие жидкости в аэраторе, что в процессе работы приводит к циклическим нагрузкам на сетку, вызывающим ее отрыв в местах крепления, а по окончании технологического периода затрудняет или делает невозможным соблюдение требований стерильности.

Задача изобретения повышение эффективности и улучшение эксплуатационных характеристик аэратора.

Это достигается тем, что предлагаемый аэратор, содержащий основание, узел для подвода газа и элемент с отверстиями для прохода газа из внутренней полости аэратора в окружающую среду, соединенные с основанием, отличается от прототипа тем, что основание аэратора состоит из двух оболочек; элемент для прохода газа выполнен в виде кольца, жестко скрепленного по краям с внешними кромками обеих оболочек.

Предлагаемый аэратор отличается также тем, что:
обе оболочки выполнены выгнутыми вверх;
элемент с отверстиями для прохода газа имеет высоту меньше диаметра и выполнен из сетки с размерами ячеек не более 200 мкм;
узел для подвода газа выполнен в виде глухого патрубка, скрепленного с внутренними кромками обеих оболочек и снабженного на участке между оболочками боковыми сквозными отверстиями, а над одной из оболочек выступающей конечной частью, содержащей элемент для соединения с подводящей газовой магистралью;
отверстия в патрубке между оболочками выполнены круглыми или щелевыми, причем последние выполнены с продольными или поперечными щелями, а нижние кромки крайнего ряда отверстий расположены у нижней оболочки;
элемент для соединения с подводящей газовой магистралью снабжен резьбой или выполнен в виде фланца с отверстиями;
выступающая конечная часть патрубка с элементом соединения, имеющего резьбу, снабжена лысками или многогранником;
патрубок снабжен заглушкой, размещенной в нем на торце, противоположном выступающей конечной части, и установленной вровень с оболочкой.

На фиг. 1 изображен аэратор, разрез (h высота; D диаметр элемента с отверстиями для прохода газа); на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 траектории движения пузырьков газа в жидкости после отрыва их от аэратора-прототипа; на фиг. 4 аналогичные траектории для предлагаемого аэратора.

Аэратор (фиг. 1) состоит из двух выгнутых вверх оболочек 1 и 2, между которыми на их внешних кромках жестко закреплен элемент для прохода газа 3, имеющий форму кольца и образующий боковую поверхность аэратора. Кольцо имеет высоту не более диаметра и выполнено из сетки с размерами ячеек не более 200 мкм.

Внутренняя полость аэратора, образованная оболочками 1, 2 и кольцом 3, сообщается с подводящей газовой магистралью с помощью патрубка 4, а именно его отверстий 5 и выступающей конечной части с элементом соединения 6 (на фиг. 1 показан вариант "верхнего" подвода газа к аэратору, вариант выполнения элемента соединения выступающей части, имеющего резьбу, и патрубка с круглыми отверстиями, при этом подводящая газовая магистраль на фиг. 1 не показана). Патрубок 4 жестко скреплен с внутренними кромками оболочек 1 и 2 (в этом случае патрубок является одновременно и узлом крепления оболочек между собой).

Патрубок 4 с торца, противоположного выступающей конечной части, снабжен заглушкой 7, которая установлена вровень с оболочкой, являясь как бы ее продолжением внутри патрубка.

Элемент соединения с газовой магистралью может быть выполнен, как уже указывалось, с резьбой или в виде фланца с отверстиями. Для удобства монтажа и демонтажа аэратора выступающая конечная часть патрубка 4 с элементом соединений 6, имеющего резьбу, снабжена лысками или многогранником (сечение А-А, вариант I, II).

Аэратор работает следующим образом.

Газ, подведенный к патрубку 4, через его боковые отверстия 5 поступает во внутреннюю полость аэратора, вытесняя полностью без остатка находящуюся в нем жидкость. Отверстия в патрубке обеспечивают равномерное распределение газа в этой полости. Из последней газ проходит через отверстия в кольце 3 в жидкость, в которую погружен аэратор во время работы. На внешней поверхности кольца 3 выходящий газ образует пузырьки, которые, отрываясь, поднимаются по жидкости.

В аэраторе-прототипе (фиг. 2) из-за горизонтального расположения сетки, как уже отмечалось, невозможно обеспечить мелкодисперсное образование пузырьков. Это объясняется тем, что величина пузырьков газа, отрывающихся от поверхности сетки при малой скорости истечения, определяется разностью между направленной вверх архимедовой силой, отрывающей пузырек, и силой поверхностного натяжения, удерживающей его. Чем меньше вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения, тем более мелкие пузырьки отрываются от сетки. При расположении сетки, отличном от горизонтального, вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения, направленная вниз, всегда будет меньше, чем при горизонтальном расположении.

Кроме того, в аэраторе-прототипе из-за "жгутования" газожидкостной смеси и образования конгломератов имеет место уменьшение эффективности массообмена между газом и жидкостью.

Эти недостатки устраняются в предлагаемом изобретении благодаря тому, что в нем сетка расположена на боковой поверхности аэратора. В связи с этим образование и движение пузырьков в жидкости носит иной характер (фиг. 3).

Пузырьки воздуха, образующиеся на боковой поверхности аэратора, поднимаются, увлекая за собой жидкость (эффект "газ-лифт"), которая вблизи боковой поверхности приобретает направленную вверх скорость. Таким образом, архимедова сила, отрывающая пузырьки газа от сетки, складывается с гидродинамической силой, обусловленной движением жидкости относительно сетки, и пузырьки газа отрываются от последней, достигнув размеров, меньших, чем при отрыве от горизонтальной сетки.

Кроме того, газожидкостная смесь, создаваемая вертикальной сеткой, образует над верхней оболочкой аэратора вихрь (фиг. 3), размывающий восходящий поток пузырьков в горизонтальном направлении, что препятствует образованию "жгутов" и конгломератов. При этом, как показывают эксперименты, на высоте (2-3) D над аэратором пузырьки газа уже равномерно распределены во всем объеме. Упомянутый вихрь интенсивно перемешивает жидкость вблизи аэратора, что является весьма желательным при выращивании микроорганизмов, поскольку способствует более интенсивному газомассообмену между пузырьками воздуха, раствором и находящимися в нем микроорганизмами.

Согласно изобретению в предлагаемом аэраторе не остается жидкости в полости аэратора после слива ее из рабочей емкости, так как оболочки аэратора выполнены выгнутыми вверх, а нижний ряд отверстий в патрубке размещен вплотную к нижней оболочке.

В данном изобретении в отличие от аэратора-прототипа в процессе работы отсутствует жидкость внутри аэратора, так как в качестве элемента для прохода газа используется сетка с размерами ячеек более 200 мкм, что позволяет достичь величины перепада давления на сетке, достаточного для полного вытеснения жидкости из полости аэратора. При этом, как подтверждают эксперименты, изменение в широком диапазоне величин расхода газа через аэратор не приводит к существенному изменению упомянутого перепада, а его величина не налагает дополнительных требований на мощность источника газа.

Эксперименты, проведенные на модельных образцах, показали, что предлагаемый аэратор может обеспечить в 4-5 раз большую скорость растворения газа в жидкости, чем аэратор-прототип.

Использование: в пищевой и микробиологической промышленности, в частности в дрожжерастительных аппаратах и аппаратах для выращивания микроорганизмов, барботажных и флотационных установках сооружениях для биологической очистки сточных вод. Сущность изобретения: аэратор состоит из двух выгнутых вверх оболочек, бокового кольца в виде сетки и глухого патрубка для подачи газа с отверстиями, которые могут быть круглыми или щелевыми. Аэратор обеспечивает большое насыщение жидкости газом за счет большой продолжительности образованных мелкодисперсных пузырьков, движение которых в жидкости происходит без образования "жгутов" и конгломератов. 7 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. АЭРАТОР, содержащий основание, узел подвода газа и элемент с отверстиями для прохода газа из внутренней полости аэратора в окружающую среду, соединенные с основанием, отличающийся тем, что основание выполнено из двух оболочек, а элемент для прохода газа в виде кольца, жестко соединенного по краям с внешними кромками обеих оболочек. 2. Аэратор по п. 1, отличающийся тем, что обе оболочки выполнены выгнутыми вверх. 3. Аэратор по п. 1, отличающийся тем, что элемента с отверстиями для прохода газа выполнен высотой, меньшей его диаметра, из сетки с размерами ячеек не более 200 мкм. 4. Аэратор по п. 1, отличающийся тем, что узел для подвода газа выполнен в виде глухого патрубка, скрепленного с внутренними кромками обеих оболочек и снабженного на участке между оболочками боковыми сквозными отверстиями, а над одной из оболочек выступающей конечной частью, содержащей элемент для соединения с подводящей газовой магистралью. 5. Аэратор по п. 4, отличающийся тем, что боковые сквозные отверстия патрубка расположены рядами и выполнены круглыми или щелевыми, причем последние выполнены с продольными или поперечными щелями, а нижние кромки крайнего ряда отверстий расположены у нижней оболочки. 6. Аэратор по п. 4, отличающийся тем, что глухой патрубок снабжен заглушкой, размещенной в нем на торце, противоположном выступающей конечной части, и установленной вровень с оболочкой. 7. Аэратор по п. 4, отличающийся тем, что элемент для соединения с подводящей газовой магистралью снабжен резьбой или выполнен в виде фланца с отверстиями. 8. Аэратор по пп. 4 и 7, отличающийся тем, что выступающая конечная часть патрубка с элементом соединения, имеющим резьбу, снабжена лысками или многогранником.