РЕАКТОР Российский патент 1999 года по МПК B01F3/04 B01F5/04 C02F3/14 

Настоящее изобретение относится к реакторам для создания двухфазных или трехфазных систем.

Реактор имеет конкретное применение для аэрации текучей среды, содержащей взвесь из минеральных частиц с воздухом или любым другим подходящим кислородсодержащим газом, что необходимо, например, в аэробном бактериальном выщелачивании. Однако настоящее изобретение не ограничено данным применением и распространяется на аэрацию любых сочетаний газ/жидкость, газ/жидкость/твердое вещество и газ/жидкость/твердое вещество/микробиологические системы.

Изобретение характерно тем преимуществом, что аэрация жидкости с газом происходит при небольших затратах энергии и с большой эффективностью с точки зрения расхода газа.

Термин "аэрация" следует понимать как введение газа или газов в жидкость.

Реакторы для аэрации взвесей использовались в течение многих лет в горнодобывающей промышленности. Основным типом реакторов является Пачука (или реактор с воздушным перемешиванием) и реактор с механическим перемешиванием.

Сначала предпочтение отдавалось реактору Пачука за счет простоты его конструкции и работы, хотя его преимущества значительно снижаются при увеличении размера реактора. Снижение интереса к нему было вызвано большим потреблением сжатого воздуха, необходимого для получения хорошей минеральной суспензии. Кроме того, время пребывания воздуха в реакторе Пачука слишком мало для эффективного переноса массы, а сам реактор склонен к туннелированию воздуха. Воздушное перемешивание в принципе неэффективно, поскольку размер пузырьков для эффективного перемешивания слишком велик для эффективного переноса массы.

Механическое перемешивание использовалось шире, особенно в больших реакторах, поскольку конструкция крыльчатки стала более эффективной, то также стало очевидно, что дополнительные капитальные затраты более чем компенсируются за счет относительно небольшой энергии, необходимой для перемешивания.

Для эффективного переноса массы воздуха в раствор необходимо получить мелкую дисперсию пузырьков с длительным временем пребывания в реакторе. На практике это было получено за счет пропускания воздуха через мощную крыльчатку турбины или за счет продувки воздуха через мембрану из пористого диффузора. Оба эти способа требуют значительных энергозатрат, поскольку воздух должен вводиться со значительным избыточным давлением, чтобы преодолеть давление жидкости в точке инжекции и падение давления на инжекционном отверстии, мембране или диффузоре. Обычно точка инжекции находится вблизи дна реактора и, в частности, при аэрации больших сосудов основными затратами являются капитальные затраты и затраты на электроэнергию, расходуемую для сжатия необходимого для инжекции воздуха. Если баки имеют глубину более 10 м, необходимо вместо воздуходувок устанавливать дорогие компрессоры высокого давления. Кроме того, использование пористых диффузоров или разбрызгивателей в реакторах для суспензий может привести к потере рабочего времени на разборку диффузоров.

Наиболее близким к реактору по настоящему изобретению является реактор для введения газа в жидкость, содержащий смесительный бак для жидкости, средство для разделения бака по меньшей мере на две камеры и для прохождения жидкости между камерами в нижней и в верхней области бака, откачивающее средство для циркуляции жидкости вниз через одну из камер и затем вверх через другую камеру и средство для аэрации части жидкости, циркулирующей в камере, в отдельном контуре основного потока жидкости, циркулирующей в камере, причем средство для аэрации включает средство для введения газа в жидкость и средство для введения аэрированной жидкости в циркулирующую в баке жидкость (FR N 2421669, кл. B 01 F 3/04, 1979).

Однако имеется ряд недостатков, связанных с такими известными реакторами для введения газа в жидкость. Например, они становятся неэффективными, когда необходимы большие количества воздуха, поскольку энергия, необходимая для диспергирования воздуха в реакторах, значительно увеличивается. Далее в случае бактериологических реакторов силы среза, присутствующие на острых концах лопастей быстровращающейся крыльчатки, могут разрушить бактерии.

Кроме того, особенно для систем типа газ/жидкость/твердое вещество, где необходимо поддерживать твердые вещества во взвешенном состоянии, энергия, необходимая для циркуляции жидкости в аэраторе, становится наибольшей статьей затрат.

Задачей настоящего изобретения, следовательно, является создание реактора для введения газа в жидкость, в котором значительно снижаются энергозатраты и рабочее время, необходимое на разборку диффузоров.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что реактор для введения газа в жидкость содержит смесительный бак для жидкости, средство для разделения бака по меньшей мере на две камеры и для прохождения жидкости между камерами в нижней и в верхней области бака, откачивающее средство для циркуляции жидкости вниз через одну из камер и затем вверх через другую камеру и средство для аэрации части жидкости, циркулирующей в камере, в отдельном контуре основного потока жидкости, причем средство для аэрации включает средство для введения газа в жидкость и средство для введения аэрированной жидкости в циркулирующую в баке жидкость. При этом средство для аэрации снабжено средством для создания пониженного давления в боковой части потока жидкости, а средство для введения газа в жидкость расположено в области пониженного давления для аэрации боковой части потока жидкости.

Согласно второму варианту осуществления изобретения реактор для введения газа в жидкость содержит смесительный бак для жидкости, средство для разделения бака по меньшей мере на две камеры и для прохождения жидкости между камерами в нижней и верхней области бака, откачивающее средство, расположенное в одной из камер, для циркуляции жидкости вниз через одну из камер и затем вверх через другую камеру, внешний контур для бокового потока жидкости, отделенной от жидкости, циркулирующей в баке, средство для введения газа в жидкость и средство для введения аэрированного потока в циркулирующую в баке жидкость, при этом внешний контур для бокового потока жидкости снабжен средством для создания области пониженного давления в боковой части потока жидкости, а средство для введения газа в жидкость расположено в области пониженного давления для аэрации боковой части потока жидкости.

Целесообразно, чтобы средство для разделения бака содержало отводную трубу, выполненную с возможностью погружения в содержащуюся в баке жидкость, причем отводная труба имеет открытый верхний конец и открытый нижний конец.

Желательно, чтобы смесительный бак имел форму цилиндра, а отводная труба расположена по центру бака для разделения его на внутреннюю камеру и внешнюю кольцевую камеру.

Желательно также, чтобы откачивающее средство содержало насос осевого потока, расположенный в отводной трубе, при этом насос осевого потока содержит крыльчатку.

Целесообразно также, чтобы средство для введения аэрированной жидкости в циркулирующую в баке жидкость было выполнено с возможностью введения аэрированной жидкости в отводную трубу выше крыльчатки, причем средство для введения газа в жидкость в области пониженного давления содержит пористую мембрану, отверстия или сопла.

Желательно, в частности, чтобы реактор содержал внешний контур для бокового потока жидкости, причем средство для создания области пониженного давления в боковой части потока жидкости, средство для введения газа в жидкость в области пониженного давления для аэрации боковой части потока жидкости и средство для введения аэрированного потока жидкости в циркулирующую в баке жидкость расположены во внешнем контуре для бокового потока жидкости, при этом средство для введения газа в жидкость в области пониженного давления содержит трубчатый элемент, имеющий область ограниченного поперечного сечения, обеспечивающий эффект Вентури в жидкости, проходящей через трубчатый элемент, причем скорость жидкости увеличивается, а давление жидкости уменьшается в области ограниченного поперечного сечения.

Далее следует подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 представляет собой схему предпочтительного варианта осуществления реактора, соответствующего настоящему изобретению,
фиг. 2 представляет собой подробную схему базовой конструкции устройства Вентури для реактора по фиг. 1,
фиг. 3 представляет собой подробную схему предпочтительного варианта осуществления устройства Вентури для реактора по фиг. 1,
фиг. 4 представляет собой график поглощения кислорода и использования кислорода в зависимости от расхода воздуха в реакторе по фиг. 1 и в традиционном реакторе с воздушным перемешиванием.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения приведен для случая аэрации взвеси минерала и воды в воздухе. Однако настоящее изобретение не ограничено данным применением и может быть использовано для аэрации любой жидкости как со взвешенными в ней твердыми веществами, так и без них. Показанный на фиг.1 реактор 11 содержит смесительный бак 12, содержащий взвесь, погруженную во взвесь вертикальную отводную трубу 13 и приводимую в действие двигателем крыльчатку осевого потока 14, расположенную вблизи верхней части отводной трубы 13.

Бак 12 может иметь любой подходящий размер. Отводная труба 13 имеет открытые верхний и нижний концы 16, 18 и расположена по центру смесительного бака 12 для разделения его на внутреннюю камеру 21 и внешнюю кольцевую камеру 23. Расход взвеси управляется так, чтобы сохранять минеральные частицы во взвешенном состоянии.

Реактор 11 также содержит внешний контур для отвода части взвеси из смесительного бака 12, аэрации взвеси и возврата аэрированной взвеси обратно в смесительный бак 12. Внешний контур содержит линию рециркуляции 6, насос 15 для откачки взвеси по внешнему контуру и устройство Вентури 17 для аэрации взвеси.

Внешний контур приспособлен для отбора взвеси из верхней части смесительного бака 12 и возврата обогащенной воздухом смеси в отводную трубу 13 над крыльчаткой 14 для оптимизации перемешивания обогащенной воздухом взвеси с циркулирующей по смесительному баку 12 взвесью.

Внешний контур содержит по меньшей мере одно возвратное сопло 19, приспособленное для направления обогащенной воздухом взвеси вниз по отводной трубе 13.

На фиг. 2 показаны основные конструктивные особенности устройства Вентури. Как видно из рисунка, устройство Вентури 17 содержит трубчатый корпус 25 c входным концом 41 и выходным концом 43 и промежуточную горловину 3, которая определяет область ограниченного поперечного сечения, в которой предусмотрены отверстия 2 ввода воздуха для перемешивания со взвесью. По мере прохождения взвеси по трубчатому корпусу 25 в направлении, показанном стрелкой А скорость потока увеличивается, поскольку взвесь входит в горловину 3, создавая область пониженного давления согласно уравнению Бернулли. Следовательно, для введения воздуха в область пониженного давления нет необходимости подавать воздух под большим давлением, он может подаваться под небольшим давлением или за счет естественного всасывания. При выходе из горловины 3 взвесь попадает в область увеличенного поперечного сечения 5, где скорость жидкости уменьшается, а давление увеличивается.

Область увеличенного поперечного сечения 5 сформирована так, чтобы давать максимальное восстановление энергии, когда обогащенная воздухом смесь расширяется при выходе из горловины 3. Более того, конструкция и рабочие параметры устройства Вентури 17 выбираются так, чтобы создавались пузырьки воздуха оптимального размера для эффективного переноса массы кислорода из пузырьков во взвесь. В результате, необходимо лишь минимальное количество кислорода, что снижает эксплуатационные затраты. Конструкция и рабочие параметры включают в себя скорость потока взвеси, давление воздуха и средство введения воздуха в смесь.

На фиг. 3 показан предпочтительный вариант осуществления устройства Вентури 17 для использования со смесительным баком 12 емкостью 3000 литров и линией рециркулирования 6 диаметром 75 мм. Горловина 3 устройства Вентури 17 содержит входной конус 45 с углом 25 градусов и выходной конус с углом 7 градусов. Диаметр горловины 3 составляет 25 мм, а диаметр входного и выходного концов составляет 75 мм. Отверстия 2 находятся на выходном конусе 47 горловины 3 и расположены по кругу в три ряда, отстоящих друг от друга, на 5 мм, причем в каждом ряду находится по 24 отверстия диаметром 1 мм.

Должно быть вполне понятно, что настоящее изобретение в целом не ограничено указанными выше конкретными деталями.

Далее настоящее изобретение иллюстрируется с помощью следующего примера.

Был проведен ряд экспериментов на традиционном реакторе, содержащем смесительный бак на 3000 литров, перемешиваемый крыльчаткой осевого потока, и имеющем воздушную инжекцию через кольцевой рассекатель о высверленными в нем 1-ми отверстиями, установленный под крыльчаткой, и предпочтительный вариант осуществления изобретения, который показан на фиг. 1, содержит смесительный бак на 3000 литров, перемешиваемый крыльчаткой осевого потока, находящийся в отводной трубе, и имеющий устройство Вентури, возвращающее аэрированную взвесь в место над крыльчаткой осевого потока. Баки содержат 8%-ную взвесь пирит-пирготитовой концевой фракции, которая была бактериально выщелочена тиобактериальными ферроокислителями. Рассчитывались КПД аэрации каждого бака, а полученные результаты показаны на фиг. 4.

На фиг. 4 показаны взаимосвязи между:
а) отбором кислорода во взвеси и расходы воздуха в традиционном реакторе и в предпочтительном варианте осуществления изобретения;
б) использованием кислорода и расходом воздуха в традиционном реакторе и в предпочтительном варианте осуществления изобретения.

Термин "отбор кислорода" относится к количеству кислорода, перенесенному в жидкость и, поэтому, является мерой степени аэрации. Термин "использование кислорода" относится к количеству кислорода, перенесенному в жидкость в процентном отношении к общему количеству кислорода, введенного в реактор и, поэтому, является непосредственной мерой КПД аэрации.

Согласно фиг. 4, термин "рассекатель воздуха" относится к традиционному реактору, а термин "аэратор Вентури" относится к предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Приведенные на фиг. 4 результаты говорят о том, что КПД аэрации в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения значительно больше, чем КПД аэрации традиционного реактора.

На конкретном примере предпочтительного варианта осуществления изобретения оказалось возможным аэрировать взвесь с производительностью, равной 150 мг кислорода на литр взвеси в час при расходе воздуха, равном 60 л/мин, и использованием кислорода 50%, в то время как в традиционном реакторе можно было аэрировать взвесь только с производительностью 150 мг кислорода на литр взвеси в час при значительно большем расходе воздуха порядка 150 л/мин и при значительно меньшем использовании кислорода порядка 20%.

Затраты энергии на аэрацию в реакторах каждого типа регистрировались и соотносились с предполагаемыми величинами для аэрации бака емкостью 1000 кубических метров. Результаты приведены в таблице 1 (см. в конце описания).

Результаты говорят о значительной экономии энергии в предпочтительном варианте осуществления изобретения по сравнению с традиционным реактором. Точнее, результаты говорят о том, что затраты энергии на подачу одного кубометра воздуха оказываются в четыре раза ниже для предпочтительного варианта осуществления по сравнению с традиционным реактором. На основании результатов, полученных для энергетических затрат на отвод кислорода в размере 150 мг/л из взвеси в час, энергия, необходимая на передачу одного кубометра кислорода, оказывается для предпочтительного варианта осуществления в девять раз меньше, чем для традиционного реактора.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения по сравнению с традиционным реактором имеет следующие преимущества:
1) Газ подается под низким давлением или за счет естественного всасывания, за счет чего исключается необходимость дорогих газовых компрессоров высокого давления и снижается потребляемая реактором энергия. Существенно и то, что перемешивание используется только для создания взвеси минеральных частиц и циркуляции аэрированной взвеси.

2) Газ инжектируется или естественно всасывается в той точке устройства Вентури, где скорость жидкости велика, это создает очень маленькие пузырьки, улучшая таким образом перенос массы кислорода в раствор. В результате снижаются эксплуатационные затраты, поскольку реактору требуется минимальное количество воздуха.

3) Аэрированная взвесь возвращается в смесительный бак над крыльчаткой в центральной отводной трубе при низком давлении. Вследствие этого эксплуатационные затраты снижаются поскольку энергия откачки, необходимая для циркуляции взвеси, минимальна.

4) Капитальные затраты на реактор снижены до минимума, поскольку в смесительном баке содержится меньше внутренних деталей. Более того, можно строить большие реакторы, влекущие за собой экономию по шкале затрат.

5) Затраты на техническое обслуживание и время простоя минимизированы, поскольку в смесительном баке находится меньше способных выходить из строя деталей. Обслуживание внешних компонентов производится легко, поскольку на ремонт можно остановить одно аэрирующее устройство, не влияя на общую работу реактора. Замену блокированного аэрирующего устройства можно провести быстро и легко, внося в процесс минимальное прерывание.

6) Настоящее изобретение предназначено для эффективной подачи газа и создания взвеси твердых частиц в системе газ/жидкость/твердое вещество или для эффективной подачи газа в систему газ/жидкость.

Примером использования настоящего изобретения может служить создание взвеси и аэрация реактивного шлама из минеральных частиц таких, как при бактериальном выщелачивании. Другие применения включают в себя биоконверсию окиси углерода и двуокиси углерода в метан в синтетическом газе, аэробное вываривание сточных вод или других шламов, а также производство синтетического рутила, как в процессе Венера. Однако, применение настоящего изобретения не ограничивается этими областями.

В пределах существа и объема настоящего изобретения возможны различные изменения описанного выше предпочтительного варианта осуществления.

Например, несмотря на то, что в предпочтительном варианте осуществления крыльчатка 14 расположена вблизи верхней части отводной трубы 13, изобретение не ограничивается этой конструкцией, и крыльчатка 14 может находиться в любом подходящем месте на всем протяжении отводной трубы 13.

Изобретение относится к реакторам для создания двухфазных или трехфазных систем. Конкретное применение реактора - для аэрации текучей среды, содержащей взвесь из минеральных частиц с воздухом или любым другим кислородсодержащим газом, что необходимо, например, в аэробном бактериальном выщелачивании. Реактор для введения газа в жидкость содержит смесительный бак для жидкости, средство для разделения бака по меньшей мере на две камеры и для прохождения жидкости между камерами в нижней и верхней областях бака, откачивающее средство для циркуляции жидкости и средство для аэрации жидкости, циркулирующей в камере, в отдельном контуре основного потока жидкости. Откачивающее средство обеспечивает циркуляцию жидкости вниз через одну из камер и затем вверх через другую камеру. Средство для аэрации включает средство для введения газа в жидкость и средство для введения аэрированной жидкости в циркулирующую в баке жидкость. Средство для аэрации содержит средство для создания пониженного давления в боковой части потока жидкости. Средство для введения газа в жидкость расположено в области пониженного давления для аэрации боковой части потока жидкости. Изобретение позволяет значительно снизить энергозатраты и рабочее время, необходимое на разборку диффузоров. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Реактор для введения газа в жидкость, содержащий смесительный бак для жидкости, средство для разделения бака по меньшей мере на две камеры и для прохождения жидкости между камерами в нижней и верхней областях бака, откачивающее средство для циркуляции жидкости вниз через одну из камер и затем вверх через другую камеру и средство для аэрации части жидкости, циркулирующей в камере, в отдельном контуре основного потока жидкости, причем средство для аэрации включает средство для введения газа в жидкость и средство для введения аэрированной жидкости в циркулирующую в баке жидкость, отличающийся тем, что средство для аэрации снабжено средством для создания пониженного давления в боковой части потока жидкости, причем средство для введения газа в жидкость расположено в области пониженного давления для аэрации боковой части потока жидкости. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что средство для разделения бака содержит отводную трубу, выполненную с возможностью погружения в содержащуюся в баке жидкость, причем отводная труба имеет открытый верхний конец и открытый нижний конец. 3. Реактор по п.2, отличающийся тем, что смесительный бак имеет форму цилиндра, а отводная труба расположена по центру бака для разделения его на внутреннюю камеру и внешнюю кольцевую камеру. 4. Реактор по п.3, отличающийся тем, что откачивающее средство содержит насос осевого потока. 5. Реактор по п.4, отличающийся тем, что насос осевого потока расположен в отводной трубе. 6. Реактор по п.5, отличающийся тем, что насос осевого потока содержит крыльчатку. 7. Реактор по п.6 отличающийся тем, что средство для введения аэрированной жидкости в циркулирующую в баке жидкость выполнено с возможностью введения аэрированной жидкости в отводную трубу выше крыльчатки. 8. Реактор по п.1, отличающийся тем, что средство для введения газа в жидкость в области пониженного давления содержит пористую мембрану, отверстия или сопла. 9. Реактор по п.1, отличающийся тем, что он содержит внешний контур для бокового потока жидкости, причем средство для создания области пониженного давления в боковой части потока жидкости, средство для введения газа в жидкость в области пониженного давления для аэрации боковой части потока жидкости и средство для введения аэрированного потока жидкости в циркулирующую в баке жидкость расположены во внешнем контуре для бокового потока жидкости. 10. Реактор для введения газа в жидкость, содержащий смесительный бак для жидкости, средство для разделения бака по меньшей мере на две камеры и для прохождения жидкости между камерами в нижней и верхней областях бака, откачивающее средство, расположенное в одной из камер, для циркуляции жидкости вниз через одну из камер и затем вверх через другую камеру, внешний контур для бокового потока жидкости, отделенной от жидкости, циркулирующей в баке, средство для введения газа в жидкость и средство для введения аэрированного потока в циркулирующую в баке жидкость, отличающийся тем, что внешний контур для бокового потока жидкости снабжен средством для создания области пониженного давления в боковой части потока жидкости, а средство для введения газа в жидкость расположено в области пониженного давления для аэрации боковой части потока жидкости. 11. Реактор по п.10, отличающийся тем, что средство для разделения бака содержит отводную трубу, выполненную с возможностью погружения в содержащуюся в баке жидкость, причем отводная труба содержит открытый верхний конец и открытый нижний конец. 12. Реактор по п.11, отличающийся тем, что бак имеет форму цилиндра, а отводная труба расположена по центру бака для разделения его на внутреннюю камеру и внешнюю кольцевую камеру. 13. Реактор по п.12, отличающийся тем, что откачивающее средство содержит насос осевого потока. 14. Реактор по п.13, отличающийся тем, что насос осевого потока расположен в отводной трубе. 15. Реактор по п.14, отличающийся тем, что насос осевого потока содержит крыльчатку. 16. Реактор по п.15, отличающийся тем, что средство для введения аэрированной жидкости в циркулирующую в баке жидкость выполнено с возможностью введения аэрированной жидкости в отводную трубу выше крыльчатки. 17. Реактор по п.10, отличающийся тем, что средство для введения газа в жидкость в области пониженного давления содержит трубчатый элемент, имеющий область ограниченного поперечного сечения, обеспечивающий эффект Вентури в жидкости, проходящей через трубчатый элемент, при этом скорость жидкости увеличивается, а давление жидкости уменьшается в области ограниченного поперечного сечения. 18. Реактор по п.10, отличающийся тем, что средство для введения газа в жидкость в области пониженного давления содержит пористую мембрану, отверстия или сопла.