БАРБОТЕР Российский патент 1997 года по МПК C02F3/02 C02F1/78 

Изобретение относится к области водоподготовки и может быть использовано при разработках и проектировании очистных сооружений, систем подготовки питьевой воды, а также в системах обеззараживания плавательных бассейнов, зерновых культур, семян и комбикормов.

Известно, что любое коммунальное хозяйство содержит целый ряд комплексных систем водоподготовки и очистки различных стоков.

Во всех этих системах и установках используются отстойники открытого (бассейн) и герметически закрытого (резервуары) типа, в которых процессы озонирования (окисления) осуществляются с помощью барботеров (устройство для аэрации жидкости).

Во всех таких сооружениях для преобразования потока озоновоздушной, воздушной или чисто кислородной среды определенного расхода Q м³/ч. в газовые пузыри заданного размера d_о, обеспечивающие необходимые процессы очистки (окисление и восстановление) и обеззараживание (уничтожение микробов, вирусов и органических вредных элементов) очищаемой жидкости необходим барботер.

В большинстве известных конструкций барботеров используется лишь передача нерегулируемого количества окислителя в строго заданный объем неизвестной (часто переменной) по составу очищаемой жидкости [1]
Барботер представляет собой перфорированную на определенной длине трубу подключенную к газопроводу, по которому подается окислитель, а сама труба помещается в жидкость, как правило, вблизи днища отстойника, выполняющего роль аэротенка или реактора.

Для регулирования даже в незначительном диапазоне скорости истечения окислителя на перфорированную трубу, выполняющую роль основания барботера, плотно насаживаются регуляторы гидравлического сопротивления [2] Иными словами устройство, позволяющее как-то регулировать перфорацию.

Однако диапазон регулирования характеристик такого барботера оказывается очень малым. Как показывает практика, при изготовлении основания барботера в виде сетчатого станкообразного элемента любой ячейки при ее перекрытии любой перфорации образуются четкие "затопленные" струи истечения газа в жидкость.

Поэтому в таких устройствах вообще нельзя даже говорить о какой-нибудь равномерности пузыреобразования без особых дополнительных устройств.

Другим известным типом барботера является инжекторный эжектор, работающий по принципу циклона [3] позволяющий нагнетать в проходящий поток жидкости определенное количество окислителя. По этому принципу построены все очистительные установки комплексы ведущей фирмы Европы Ведеко.

Однако и этот тип барботера не позволяет регулировать ни скорость истечения окислителя, ни размеры газовых пузырей с озоном, осуществляющих реакции окисления, восстановления и перевода.

Только поэтому фирма Ведеко вводит в систему очистки специальные реакторы, в которых и осуществляются требуемые химические превращения.

Наиболее близким техническим решением являются предложения в которых для регулирования равномерности истечения озона используется пористый патрубок или диски, изготовленные из нитрида титана и имеющие монодисперсные образования пузырей [4] Пористый элемент устанавливается над перфорированным основанием и механически закрепленного с ним шпилькообразными стяжками [4]
Однако и это техническое решение не позволяет:
в необходимом диапазоне регулировать скорость истечения озона в зависимости от степени загрязнения;
варьировать размерами получаемых газовых пузырей;
достигать равномерного истечения газовых пузырей по всей поверхности пористого патрубка.

Поэтому и для этого барботера регулируемыми параметрами остается только диапазон расхода озоновоздушной среды через генератор озона, что однозначно связано с изменением производительности используемого озонатора. Вариация концентрации озона связан с изменением энергозатрат на единицу очищаемой жидкости.

Если регулирование расхода среды определяет коэффициент полезного действия барботера или барботажного процесса окисления, то изменение экспозиции озонирования непосредственно связано с экономикой процесса очистки.

Целью настоящего изобретения является разработка такой универсальной конструкции барботера, которая позволяла бы автоматически регулировать как интенсивность истечения озонирования среды заданного расхода, так и в широких пределах изменять размеры получаемых газовых пузырей.

Поставленная цель достигается тем, что барботер содержащий перфорированное трубчатое основание и пористый элемент, отличающийся тем, что на основании помещена дополнительная перфорированная тонкостенная труба из диэлектрика или немагнитного материала со встроенными полукольцевыми ферритовыми элементами управления, а пористый сменный элемент укреплен коаксиально относительно основания гайками с заданной конусностью таким образом, чтобы выполнялось равенство

где Δ_пэ толщина стенки пористого элемента;
K_пэ коэффициент прозрачности пористого элемента, пропорциональный его гидросопротивлению;
h зазор ресиверного слоя расстояние между внешним диаметром основания D_по и внутренним диаметром пористого элемента D_пэ, h 1/2(D_пэ D_по);
S_о полное сечение перфорации основания.

Сущность предложения поясняется чертежом, где схематически изображен продольный разряд барботера.

Устройство содержит основание барботера 1, выполненное в виде металлической трубы с произвольной по форме перфорацией на одном из концов; причем общая площадь отверстий в перфорации S_о должна быть хотя бы на порядок больше площади ее перегородки; по концам зоны перфорации имеется наружная резьба под конусообразные гайки 2 3, а на торцах основания 1 имеется с одной стороны внутренняя резьба для заглушки 4, а с другой для размещения стандартного электроинжектора ПО "Квант" (г. Москва), осуществляющий регулирование подачи окислителя через основание барботера, с окнами 5 и заслонкой-шабером 6; поверх основания 1 одета перфорированная труба 7 ( из диэлектрика типа СТЭФ-4М или винипласта или из любого немагнитного материала) со скользящей посадкой строго определенной длины l_т с толщиной стенки Δ_т≪Δ_пэ и гидросопротивлением всего соединения R_г пропорциональное отношению коэффициентов гидросопротивления основания и насадки, т.е. R_г≡ λ_т/λ_пэ на которой (7) закреплены полукольцевые электроды 8, управляемые магнитной импульсной муфтой 9, обеспечивая нужное (требуемое) смещение 7 относительно 1, так чтобы площадь перфорации изменялась по закону S_п= S_oexp(-x/λ_т) а гайки 2 3 ограничивают ход трубы 7, на гайках 2 3 коаксиально основанию 1 закрепляется внешний пористый патрубок 10. В собранном виде барботер размещается вблизи отстойника 11 на расстоянии (от дна) не менее трех диаметров пористого патрубка 10.

Пористый элемент выполнен в виде отрезка трубы длины l из нитрида титана методом порошковой металлургии.

Работа устройства осуществляется следующим образом: поток озоновоздушной смеси заданной концентрации и производительности O_з от магистрали, соединенной с генератором озона, поступает на вход электроинжектора в основании 1 и на его выходе подразделяется на ряд струй, определяемых используемой перфорации S_п и попадает в дополнительный объем с поперечным сечением h, образованный трубой 7 и пористым элементом-патрубком 10. Перемещением трубя 7 относительно основания 1 регулируется площадь S_п или скорость истечения при заданном расходе Q, т.е. изменяется скорость наполнения озоновоздушной смеси дополнительным объемом ≡h выполняющего роль ресивера и выравнивающего перепад давления ΔP по всей внутренней поверхности пористого элемента.

Поскольку прозрачность взятого пористого элемента k_пэ заранее выбирается по средней загрязненности очищаемого стока, то средневзвешенный диаметр барботирующего пузырька будет определяться только величиной градиента давления ΔP на границе перехода в тело пористого патрубка.

Изменяя расход подаваемого потоковоздушной смеси Q перемещением заслонки инжектора при неизменной скорости истечения (Q=Q_exp(-λ_пэ/x) из перфорированной зоны, можно в широких пределах изменять ΔP на границе перехода дополнительного газового объема ≡h что приведет к изменению процесса газообразования пузырей с озоном в требуемых пределах неоднородного псевдоожижения при их равномерном выходе из дополнительного объема в очищаемую жидкость.

Варьируя величиной и l, можно обеспечить весь диапазон существования неоднородного псевдоожижения очищаемой жидкости с барботирующим процессом от ламинарного потока неоднородного псевдоожижения до поршникового эффекта. По закону Дарен-Вейсбаха, определяющему скачок давления ΔP на границе перехода к внутренней поверхности пористого элемента при заданном диаметре основания D_по:

где -коэффициент, определяющий гидравлическое сопротивление на переходе;
S_п=S₀e^-a/x площадь перфорации основания с
Re коэффициент, определяющий число Рейнольдса (для ламинарных потоков определяемое по уравнению Пуазейля, а при наличии турбулентности по Блейку и Карману).

С другой стороны для достижения неоднородного псевдоожижения с наличием барботирующих пузырьков заданного дисперсного состава скорость истечения озоновоздушной смеси должна соответствовать соотношением (уравнение Андрианова):

где ρ и μ плотность и вязкость очищаемой жидкости.

При наличии ресиверного объема между D_по и D_пэ скорость его заполнения будет

где Q расход в единицу времени;
гидравлическое сопротивление всей системы;
ε_н коэффициент, характеризующий потерю напора на гране перехода смеси из реверсивного объема в пористый элемент.

В соответствии с теорией псевдоожижения, величина гидросопротивления пористого элемента как однородной решетки определяется как

ε_o удельное трение озоновоздушной смеси о стенки каналов пористого элемента.

Считая пористый элемент по Δ_пэ и l, определяем размер требуемого объема ресивера как

При этом для ламинарного истечения (малые значения Re) O2-3

это соотношение примет вид:

Для больших значений Re при наличии существенных турбулентностей

В практических комплексах очистки стоков и питьевой воды возможности используемых типовых генераторов озона существенно ограничивают связь между h, Δ_пэ, K_пэ и S_п через заданные (выбранных) S₀, l и Q. Для озонаторов с диэлектрическими покрытиями для поддержания требуемой концентрации [г/м³ O2-3] необходим диапазон 1,2≅Q≅10 м³/ч. Для стандартных труб из нитрида титана или перфорированных труб возможная граница изменения поверхности перфорации определяется как 0,5S₀≅S_п≅S₀
При отмеченных ограничениях характерное соотношение принимают вид

При этом максимальный коэффициент 0,6 характеризует начало стадии неоднородного псевдоожижения с барботирующими пузырьками, выше которого они просто не образуются. Минимальный коэффициент 0,1 показывает, что при меньшем гидросопротивлении (меньшая величина толщины стенки пористого элемента или перфорации) возникает поршневой режим барботажа (коагуляции пузырей в единый до размера полного сечения отстойника), при котором уже невозможны химические реакции окисления и восстановления свободным озоном.

Таким образом изобретение решает важнейшие проблемы конструктивного выполнения барботера по обеспечению интенсивного и регулируемого процесса озонирования.

Использование регулируемой перфорации, скорости истечения и дополнительного газового зазора h, характеристик пористого патрубка (Δ_пэ K_пэ, D_пэ, l) обеспечивает оптимальное функционирование барботера при очистке и обеззараживании любой водной среды.

Предложенное техническое решение имеет важные достоинства по своему конструктивному исполнению, т.к. было направлено на решение проблем, которые поставила конверсия. Большинство деталей в предложенном устройстве предполагается заимствовать из ранее широко применяемых комплектующих в ракетостроении при изготовлении высокоточных фильтров жидкостных топлив, а также в системах очистки топлив летательных аппаратов.

Эти детали (перфорированные основания, пористые патрубки, конусообразные гайки, электрогидродинамические инжектора и импульсные магнитные муфты) в большом количество выпускаются предприятиями военно-промышленного комплекса России.

Необходимо отметить, что в отличие от керамических пористых элементов трубы из нитрида титана в очистных сооружениях при очистке даже агропромышленных стоков практически не зарастают и их пористость и коэффициент прозрачности K_пэ Остается неизменной.

В предложенной конструкции смена пористого элемента другим (с отличными Δ_пэ K_пэ и l) обеспечивается конусной гайкой 2 3 путем свинчивания заглушки и одной гайки, даже при работающем аэротенке.

Использование: в водоочистных сооружениях и системах обеззараживания воды. Сущность изобретения: барботер содержит перфорированное трубчатое основание и пористый элемент. Согласно изобретению барботер снабжен размещенной на основании дополнительной трубой заданной толщины из диэлектрика или немагнитного материала со встроенными полукольцевыми элементами управления, а пористый элемент выполнен сменным и укреплен коаксиально относительно основания с определенным зазором гайками с заданной конусностью. Использование регулируемой перфорации, скорости истечения и дополнительного газового зазора обеспечивает оптимальное функционирование барботера при очистке и обеззараживании любой водной среды. 1 ил.

Барботер, содержащий перфорированное трубчатое основание и пористый элемент, отличающийся тем, что он снабжен размещенной на основании дополнительной трубой заданной толщины из диэлектрика или немагнитного материала со встроенными полукольцевыми элементами управления, а пористый элемент выполнен сменным и укреплен коаксиально относительно основания с определенным зазором гайками с заданной конусностью таким образом, чтобы выполнялось равенство

где Δ_п.э толщина стенки пористого элемента, м;
к_п . э коэффициент прозрачности;
h величина зазора между основанием и пористым элементом, м;
S_о полная площадь перфорации основания, м²;
D_п . о диаметр основания, м.