УСТАНОВКА ДЛЯ ОЗОНИРОВАНИЯ ЖИДКОСТИ Российский патент 1998 года по МПК C02F1/78 

Изобретение относится к области подготовки питьевой воды, очистки сточных вод и может быть использовано для дезинфекции природной воды в процессе водоподготовки и для обеззараживания оборотной воды плавательных бассейнов.

Известна станция для приготовления питьевой воды на судах [1], содержащая реакционную емкость для смешения забортной воды с озонированной (реактор для предварительной обработки воды), насос, фильтр, эжектор, контактную колонну, озонатор и циркуляционный трубопровод с запорным устройством, соединяющий контактную колонну с реакционной емкостью. Циркуляционный трубопровод присоединен к контактной колонне на расстоянии 2,8 - 3,2 ее диаметра от дна. Эжектор размещен вертикально в центральной части дна контактной колонны, выходящий из него газожидкостной поток направлен вверх.

Указанная установка имеет целый ряд серьезных недостатков. В частности, отсутствуют устройства для разделения газовой и жидкой фаз на выходе из реакционной емкости и контактной колонны; не имеется даже штуцеров для отвода отработанной озоновоздушной смеси. Поскольку газовая фаза (и озон, и тем более, воздух) растворяется в жидкости далеко не полностью, пузыри озоновоздушной смеси будут попадать в насос, нарушая его работу и вызывая быстрый износ движущихся частей. Кроме того, пузыри частично отработанной озоновоздушной смеси будут попадать и в питьевую воду, отводимую непосредственно через верхний штуцер в крышке контактной колонны. Последующая самопроизвольная дегазация такой питьевой воды может приводить к попаданию озона в воздух помещений, что представляет опасность для людей, поскольку предельно допустимая концентрация озона в воздухе составляет всего лишь 0,0001 мг/л. Отработанную озоно-воздушную смесь необходимо отделять от воды и либо отводить через высокие трубы, либо подвергать "дожиганию" (проводить разложение остаточного озона) в специальных устройствах, например катализаторных коробках.

В рассматриваемой известной установке эжектор обслуживается насосом, прокачивающим воду через фильтр, очищающий воду от взвешенных веществ. При этом значительная часть напора насоса теряется на этом фильтре и не доходит до инжектора. Следовательно, либо обслуживающий установку насос должен быть очень мощным и высоконапорным, либо коэффициент инжекции озоновоздушной смеси в контактную колонку будет невелик, а тонкое диспергирование газа струей, потерявшей значительную часть напора, окажется невозможным.

Известно также [2] , что затопленные инжекторы имеют значительно более низкую инжектирующую способность, чем незатопленные. Поэтому установка инжектора в днище аппарата (под слоем воды) является существенным недостатком, который приводит к снижению расхода подсасываемой озоновоздушной смеси, газосодержания и удельной поверхности контакта фаз в аппарате. Кроме того, поскольку газожидкостной поток, выходящий из инжектора, направлен вертикально вверх, время пребывания газовых пузырей в аппарате невелико, что не позволяет добиваться высоких степеней использования дорогостоящего озона, нуждающегося, к тому же, в разложении на выходе из установки.

Известна также установка для обеззараживания воды [3], содержащая напорный бак, эжектор-смеситель, насос, а также установленный перед насосом накопительный бак с эжектором и циркуляционным трубопроводом, сообщающим его (накопительный бак) с напорным баком. По оси напорного бака установлен цилиндрический канал, сообщенный с эжектором-смесителем. Накопительный бак выполнен в виде мембранного пневмогидроаккумулятора с эластичным разделителем сред. Отметим, что оба упомянутых "эжектора" являются на самом деле инжекторами.

Недостатком указанной установки является низкий коэффициент инжекции озоновоздушной смеси и отсутствие полноценной второй ступени массопереноса озона из газа в жидкость. Эта ступень представлена не контактной емкостью, а лишь инжектором для смешения исходной воды с газожидкостной смесью из напорного бака. Как следствие, степень использования озона в такой установке невысока и, по нашим расчетам, не может превышать 70 - 80%.

Отсутствие устройства для разделения жидкой и газовой фаз на выходе из напорного бака, а также штуцера для отвода отработанной озоновоздушной смеси снижает эффективность работы инжектора в циркуляционном контуре, в который жидкость из накопительного бака подсасывается не жидкостью, а меньшей по плотности газожидкостной смесью, поступающей из напорного бака. При этом газовые пузыри попадают во всасывающую линию насоса, резко ухудшают условия его работы, нарушают стабильность подачи, приводят к быстрому износу подвижных деталей. Кроме того, из-за отсутствия разделительных устройств создается опасность попадания газообразного озона в обработанную жидкость (например, в питьевую воду), что совершенно неприемлемо по причине низкой ПДК озона в воздухе помещений.

Задачей изобретения является повышение коэффициента инжекции озоновоздушной смеси и степени использования озона, улучшение условий эксплуатации насоса и стабилизация подачи жидкости во вторую контактную емкость, охрана окружающей среды от загрязнения озоном.

Повышение коэффициента инжекции озоновоздушной смеси достигается тем, что инжекционные элементы образованы насадками кольцевого сечения для струйного истечения жидкости, заделанными в верхнюю трубную решетку, и опускными трубами, вмонтированными в нижнюю трубную решетку соосно с указанными насадками, при этом длина опускных труб превышает их диаметр не менее, чем в 20 раз.

Повышение степени использования озона, улучшение условий эксплуатации насоса и стабилизация подачи жидкости во вторую контактную емкость, охрана окружающей среды от загрязнения озоном достигаются тем, что в верхней части контактных емкостей под трубными решетками установлены сепарационные устройства для отделения отработанной озоновоздушной смеси от жидкости, выполненные в виде кольцевого лотка, начало и конец которого разделены вертикальной радиальной перегородкой, в донной части начала лотка имеется горизонтальное окно для входа газожидкостной смеси, в конце лотка - штуцер для отвода жидкости, верхний край лотка образует с корпусом емкости кольцевую щель для выхода отсепарированной газовой фазы (озоновоздушной смеси), а также тем, что штуцеры контактных емкостей соединены трубопроводами таким образом, что в установке создается противоточное движение жидкости и озоновоздушной смеси; на нагнетательной линии насоса установлен регулятор расхода; штуцер для отвода отработанной озоновоздушной смеси из установки соединен трубопроводом с устройством для разложения остаточного озона.

Повышение коэффициента инжекции озоновоздушной смеси, по сравнению с известными устройствами, достигается особой конструкцией инжекционных элементов. Проведенные исследования позволили упростить общепринятую конструкцию инжектора, состоящую из сопла, конфузора, камеры смешения и диффузора, оставив только соосно расположенные сопло и цилиндрическую камеру смешения увеличенной длины (опускную трубу). Эксперименты показали, что при длине опускной трубы, превышающей двадцать ее диаметров, коэффициент подсоса газа такими инжекционными элементами в 1,2 - 1,4 раза выше, чем в инжекторах традиционной конфигурации, причем инжекционные элементы с удлиненной камерой смешения можно выполнять без диффузора, что существенно упрощает конструкцию.

Проведенные исследования позволили также выяснить, что расход газа, инжектируемого падающей струей, пропорционален ее периметру. В связи с этим струя кольцевого поперечного сечения имеет существенное преимущество по сравнению со сплошной круглой струей: при одинаковых площади поперечного сечения и среднерасходной скорости жидкости кольцевая струя обладает гораздо большим периметром наружной поверхности. Это способствует значительному увеличению расхода инжектируемого газа. Поэтому замена обычных круглых сопел инжектора насадками кольцевого поперечного сечения существенно (в 1,15 - 1,3 раза) повышает коэффициент инжекции озоновоздушной смеси в контактную емкость.

Повышение степени использования озона достигается тем, что установка состоит из двух однотипных контактных емкостей - двух полноценных ступеней массопереноса озона из газа в жидкость, соединенных трубопроводами подачи жидкости и озоновоздушной смеси таким образом, что в установке создается противоточное их движение. В процессах абсорбции противоток фаз, как известно, наиболее эффективен. Организация противоточного движения жидкости и растворяемого в ней газа увеличивает движущую силу процесса массопереноса, способствует более глубокому извлечению (исчерпыванию) целевого газового компонента из газовоздушной смеси, т.е. повышает степень использования озона. Это является существенным достоинством установки, поскольку озон - газ дорогостоящий и желательно использовать его как можно полнее. Кроме того, озон - газ с низкой ПДК в воздухе, поэтому следует стремиться к снижению его концентрации в отходящей озоновоздушной смеси.

Наличие в верхней части каждой контактной емкости сепарационных устройств для отделения отработанной озоновоздушной смеси от жидкости: во-первых, позволяет организовать полноценный двухступенчатый контакт фаз; во-вторых, исключает попадание газовых пузырей во всасывающую линию насоса, что существенно улучшает условия его эксплуатации, повышает стабильность подачи и срок службы насоса.

Поскольку подвод исходной жидкости в установку осуществляется также с помощью насоса (не показан), для поддержания стабильного уровня жидкости в первой контактной емкости необходимо синхронизировать подачу насоса, расположенного между контактными емкостями, с подачей насоса, обеспечивающего подвод жидкости в инжекторы первой контактной емкости. В противном случае будет наблюдаться либо переполнение первой контактной емкости жидкостью и прекращение подсоса в нее озоновоздушной смеси, либо срыв работы насоса из-за недостатка подаваемой в него жидкости из первой емкости. Регулятор расхода на нагнетательной линии насоса позволяет поддерживать оптимальный (с точки зрения условий инжекции и контакта фаз) уровень жидкости в первой емкости. Это способствует повышению степени использования озона и стабилизации подачи жидкости во вторую контактную емкость.

Охрана окружающей среды от загрязнения озоном достигается тем, что озоно-воздушная смесь, отработанная во второй (по ходу движения жидкости) контактной емкости и содержащая 20 - 30% неиспользованного озона, подсасывается инжекционными элементами первой контактной емкости, где происходит почти полное доисчерпывание озона из газовой фазы. Оставшиеся несколько процентов озона, неизрасходованные в первой емкости, подвергаются разложению в специальном устройстве, установленном на трубопроводе, по которому отработанная озоно-воздушная смесь отводится из установки.

На фиг.1 изображена установка для озонирования жидкости; на фиг.2 - контактная емкость (фронтальный разрез); на фиг.3 - сепарационное устройство для отделения отработанной озоновоздушной смеси от жидкости.

Установка (фиг. 1) состоит из двух однотипных контактных емкостей 1 и 2 (фиг.2), каждая из которых содержит несколько вертикальных инжекционно-струйных элементов. Инжекционные элементы образованы насадками 3 кольцевого сечения для струйного истечения жидкости, заделанными в трубную решетку 4, и опускными трубами 5, вмонтированными в трубную решетку 6 соосно с насадками 3. Каждая из емкостей 1 и 2 имеет штуцеры 7 и 8 для подвода соответственно жидкости и озоновоздушной смеси, сепарационное устройство 9 для отделения отработанной озоновоздушной смеси от жидкости и штуцеры 10 и 11 для вывода соответственно обработанной жидкости и отработанной газовой смеси.

Для получения озоновоздушной смеси из воздуха служит озонатор 12. Контактные емкости 1 и 2 соединены трубопроводом 13 и насосом 14, на нагнетательной линии которого установлен регулятор расхода 15. Для обезвреживания (разложения) остаточного озона на выходе из установки предусмотрено специальное устройство 16.

Сепарационное устройство (фиг.3) представляет собой кольцевой лоток 9, разделенный вертикальной радиальной перегородкой 17. В донной части начала лотка имеется горизонтальное окно 18 для входа газожидкостной смеси, в конце лотка - штуцер для отвода жидкости 10. Верхний край лотка образует с корпусом контактной емкости кольцевую щель 19 для выхода отсепарированной газовой фазы (отработанной озоновоздушной смеси).

Установка работает следующим образом.

Исходная озоно-воздушная смесь подсасывается в контактную емкость 2 через штуцер 8 из озонатора 12 за счет разрежения, создаваемого инжекционными элементами, образованными насадками 3 и опускными трубами 5, установленными соответственно в трубных решетках 4 и 6 в верхней части аппарата 2. Указанные инжекционные элементы обслуживаются насосом 14, перекачивающим жидкость из контактной емкости 1. Для поддержания определенного уровня жидкости в аппарате 1 подача насоса 14 должна быть равна подаче исходной жидкости в контактную емкость 1, что осуществляется с помощью регулятора расхода 15.

Контактная емкость 2 работает как первая ступень массопереноса озона из газа в жидкость (растворения озона в жидкости). Проходя через газовое пространство между трубными решетками 4 и 6, истекающие из насадков 3 кольцевые струи жидкости инжектируют озоно-воздушную смесь в шероховатостях своей поверхности и в примыкающих к ним пограничных слоях. При падении струй в опускные трубы 5 (камеры смешения инжекторов) происходит тонкое диспергирование газовой фазы. Образующаяся в опускных трубах 5 газожидкостная смесь движется по ним нисходящим потоком под действием кинетической энергии струй, затем проникает на некоторую глубину в слой жидкости под трубами. Расширяющиеся на выходе из опускных труб газожидкостные струи равномерно распределяют озоно-воздушную смесь по поперечному сечению контактной емкости. Газовые пузыри из пространства под опускными трубами поднимаются к поверхности, в итоге проходя путь, почти в два раза больший, чем в аппаратах с нижним расположением инжекторов [1]. Образующаяся в контактной емкости тонкодисперсная газожидкостная смесь имеет развитую поверхность контакта фаз (особенно, в опускных трубах), благодаря чему обеспечивается быстрое растворение озона в воде. Увеличенное время пребывания пузырей озоновоздушной смеси в аппарате способствует достижению высокой степени использования озона.

На выходе из контактной емкости 2 газожидкостная смесь через горизонтальное окно 18 попадает в начало кольцевого лотка сепарационного устройства 9, разделенного вертикальной перегородкой 17. За время прохождения газожидкостной смеси по окружности кольцевого лотка 9, пузырьки озоновоздушной смеси успевают выделиться из жидкости в результате всплывания. Обработанная озоном жидкость самотеком уходит к потребителю. Отработанная озоно-воздушная смесь отводится из сепарационного устройства через кольцевую щель 19 в пространство под трубной решеткой 6, откуда через штуцер 11 подсасывается инжекционными элементами, установленными в контактной емкости 1. Туда же, в емкость 1, в пространство над верхней трубной решеткой 4 насосом подается исходная жидкость, подлежащая озонированию. При ее взаимодействии с частично отработанной озоновоздушной смесью (контакт организован так же, как и в емкости 2) происходит почти полное (на 91 - 93%) доисчерпывание озона из газовоздушной смеси. Остатки озона после выхода отработанной озоновоздушной смеси из емкости 1 подвергаются разложению в специальном устройстве 16 (например, в катализаторной коробке).

Из контактной емкости 1 жидкость, уже содержащая некоторое количество растворенного озона, насосом 14 подается в контактную емкость 2, где взаимодействует со свежей озоновоздушной смесью, поступающей из озонатора.

Усовершенствованная конструкция инжекционных элементов позволяет увеличить коэффициент инжекции озоновоздушной смеси в общей сложности в 1,4 - 1,8 раза. За счет использования длинных опускных труб и организации двухступенчатого противоточного контакта фаз степень использования озона на 10 - 15% выше, чем в известных установках. Благодаря наличию в первой контактной емкости сепарационного устройства оригинальной конструкции и наличию регулятора расхода, насос, подающий жидкость во вторую контактную емкость, работает абсолютно стабильно. Сепарационное устройство, установленное во второй контактной емкости, исключает попадание пузырьков озоновоздушной смеси в обработанную жидкость, подаваемую потребителю. Использование устройства для разложения остаточного озона исключает загрязнение окружающей среды.

Использование: для дезинфекции природной воды в процессе водоподготовки, и для обеззараживания оборотной воды плавательных бассейнов. Инжекционные элементы образованы насадками кольцевого сечения для струйного истечения жидкости, заделанными в верхнюю трубную решетку, и опускными трубами, вмонтированными в нижнюю трубную решетку соосно с указанными насадками, при этом длина опускных труб превышает их диаметр не менее чем в 20 раз. В верхней части контактных емкостей под трубными решетками установлены сепарационные устройства для отделения отработанной озоновоздушной смеси от жидкости, выполненные в виде кольцевого лотка, начало и конец которого разделены вертикальной радиальной перегородкой, в донной части начала лотка имеется горизонтальное окно для входа газожидкостной смеси, в конце лотка - штуцер для отвода жидкости, верхний край лотка образует с корпусом емкости кольцевую щель для выхода отсепарированной газовой фазы (озоновоздушной смеси), а также тем, что штуцеры контактных емкостей соединены трубопроводами таким образом, что в установке создается противоточное движение жидкости и озоновоздушной смеси; на нагнетательной линии насоса установлен регулятор расхода; штуцер для отвода отработанной озоновоздушной смеси из установки соединен трубопроводом с устройством для разложения остаточного озона. Это позволяет обеспечить повышение коэффициента инжекции озоновоздушной смеси и степени использования озона, улучшение условий эксплуатации насоса и стабилизацию подачи жидкости во вторую контактную емкость, охрану окружающей среды от загрязнения озоном. 3 ил.

Установка для озонирования жидкости, содержащая озонатор, насос, соединенные трубопроводами две контактные емкости с вертикальными инжекционными элементами, отличающаяся тем, что инжекционные элементы образованы насадками кольцевого сечения, заделанными в верхнюю трубную решетку, и опускными трубами, вмонтированными в нижнюю трубную решетку соосно с указанными насадками, причем длина опускных труб превышает их диаметр не менее чем в 20 раз, в верхней части контактных емкостей под трубными решетками установлены сепарационные устройства, выполненные в виде кольцевого лотка, начало и конец которого разделены вертикальной радиальной перегородкой, в донной части начала лотка расположено горизонтальное окно для входа газожидкостной смеси, в конце лотка - штуцер для отвода жидкости, верхний край лотка образуется с корпусом емкости кольцевую щель для выхода отсепарированной газовой фазы, штуцеры контактных емкостей соединены трубопроводами так, что в установке осуществляется противоточное движение жидкости и озоновоздушной смеси, на нагнетательной линии насоса установлен регулятор расхода, штуцер для отвода отработанной озоновоздушной смеси из установки соединен трубопроводом с устройством для разложения остаточного озона.