АЭРАТОР Российский патент 2000 года по МПК B01F3/04 C02F3/20 

Изобретение относится к технологическому оборудованию для обработки многофазных систем, в частности к устройствам для аэрации и насыщения жидкости газом.

Известны различные способы и конструкции аэраторов жидкости, рассмотренные в литературе [1], а также в авторских свидетельствах [2], [3], [4].

В качестве примеров следует рассмотреть наиболее близкие по технической сущности изобретения, к которым относятся [3], [4].

В авторском свидетельстве [3] изложен способ аэрации жидкости и устройство его осуществления. Сущность этого изобретения заключается в том, что по данному способу подачу воздуха в жидкость производят встречными потоками под давлением, превышающим гидростатическое давление жидкости на величину 4905-5886 Па. Устройство для аэрации жидкости содержит пневматическую камеру в виде вертикальной фильтросной трубки, стенки которой выполнены из мелкопористого материала (трубчатого керамического диффузора). Пневматическая камера снабжена воздухопроницаемым корпусом с воздухоподводящим патрубком. Устройство находится в аэротенке с аэрируемой жидкостью.

Основными недостатками этой конструкции являются следующие:
высокое гидравлическое сопротивление фильтросной трубки (около 5000 Па) является следствием необходимости преодоления действия сил поверхностного натяжения, а при малых размерах отверстий (пористая керамика) оно должно быть существенным в соответствии с выражением

где ΔP_σ - гидравлическое сопротивление, Па;
σ - поверхностное натяжение жидкой фазы, Н/м;
d_экв - диаметр эквивалентный пористой керамики, м,
следовательно, будут значительны и расходы энергии на аэрацию;
высокая стоимость мелкопористой керамики существенно удорожает капитальные затраты при оснащении аэротенков.

Наиболее близкими по технической сути решением является аэратор [4] по авторскому свидетельству СССР N 1699566, принятый в качестве прототипа. Известный аэратор содержит коллектор, укрепленные на нем воздухораспределительные патрубки с прорезями, сегментные обечайки с заглушками на торцах, установленные на воздухораспределительных патрубках со стороны прорезей с образованием щелевых зазоров и отличающийся тем, что он снабжен циркуляционными перегородками в виде перфорированных криволинейных пластин, установленных у воздухораспределительных патрубков, а перфорированные рядом отверстий криволинейные пластины обращены выпуклыми сторонами с отверстиями к щелевым зазорам.

К недостаткам этой конструкции следует отнести:
сложность изготовления конструкции в целом, так и ее элементов, а также вызывает сомнение целесообразность применения болтовых соединений для крепления элементов в условиях повышенной коррозионной активности обрабатываемых в аэротенках сред.

Кроме того, указанные в литературе [1] и аналоги [2], [3], [4] обладают значительной сложностью конструкции и не обеспечивают равномерного распределения газа в жидкости мелкими пузырями при малом гидравлическом сопротивлении.

В связи с этим целями изобретения являются улучшение распределения газа, повышение эффективности процесса массопередачи, а также упрощение конструкции в целом.

Эти цели достигаются тем, что горизонтальные прорези воздухораспределительного патрубка, размещенные симметрично друг против друга, перекрыты полимерной или металлической сеткой, а ширина прорези в_пр определяется из выражения:
в_пр = 4,76(σ_жd_экв/ρ_жg)^1/3, [м],
где в_пр - ширина прорези, [м],
σ_ж - сила поверхностного натяжения жидкой фазы, Н/м,
d_экв - диаметр эквивалентный ячеек полимерной или металлической тканой сетки, м;
ρ_ж - плотность жидкой фазы, кг/м³;
g - ускорение силы тяжести = 9,81 м/с².

На фиг.1 представлен общий вид аэратора, вид сверху; на фиг.2 - сечение воздуховода по А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - то же, по варианту исполнения фиг.3; на фиг. 5 - узел I на фиг.3, перекрытие прорези тканой сеткой.

Аэратор содержит коллектор 1, на котором установлены воздухораспределительные патрубки 2 для подачи воздуха. Патрубки 2 равномерно расположены по окружности коллектора 1, снабженного подводящим патрубком 3. В патрубках 2 выполнены горизонтальные прорези 4, размещенные симметрично друг против друга, которые перекрыты полимерной или металлической тканой сеткой 5, закрепленной с наружной стороны на патрубке 2 или другим способом соединения. Торцы каждого патрубка 2 закрыты заглушками 6.

Применение полимерной или металлической тканой сетки 5 в качестве воздухопроницаемой перегородки в предлагаемой конструкции позволяет получить аэратор, способный работать с малым и постоянным гидравлическим сопротивлением в широком диапазоне расходов по газовой фазе. В данном случае в максимальной степени реализуется механизм образования поверхности контакта фаз в автомодельном клапанном режиме [5], [6], причем соответствующим подбором геометрических параметров тканой сетки и прорези можно варьировать размером пузырей и диапазоном автомодельного режима [5]. Ширина прорези в данном случае обеспечивает полноценное образование в активной форме поверхности контакта фаз в виде пузырей следующего размера:
d_пуз = в_пр = 4,76(σ_жd_экв/ρ_жg)^1/3, [м]
где d_пуз - диаметр пузыря, [м],
σ_ж - сила поверхностного натяжения жидкой фазы,
d_экв- диаметр эквивалентный ячеек полимерной или металлической тканой сетки, м;
ρ_ж - плотность жидкой фазы, кг/м³;
g - ускорение силы тяжести = 9,81 м/с².

В предлагаемой конструкции достижение максимальной поверхности контакта фаз связано именно с двухщелевым (две прорези) вариантом, фиг. 3 и 4. Применение большего или меньшего числа прорезей приводит к обратному эффекту, т. е. к снижению площади работающего сечения. Например, при вариантах расположения двух прорезей (вверху и внизу сечения патрубка 2), трех прорезей (две боковые горизонтальные и одна вверху) и четырех прорезей (под углом относительно вертикальной и горизонтальной осей) будут работать на проход газа в автомодельном клапанном режиме (т.е. при ΔP = const) только прорези, расположенные в верхней части воздухораспределительного патрубка 2. Происходит это вследствие того, что для этого режима справедливо условие
ΔP_общ = ΔP_w+ΔP_σ+ΔP_cт = const,
где ΔP_общ - общие потери давления,
ΔP_w - скоростной напор газа (воздуха) постоянен для автомодельного режима, т.е.

ΔP_w = const;
ΔP_σ - потери напора, вызванные силами поверхностного натяжения жидкой фазы, также постоянны и ΔP_σ = const;
ΔP_cт - потери напора на преодоление гидрастатического столба жидкости.

Отсюда следует, что проход газа будет в той зоне, где ΔP_cт будет наименьшим, т.е. в верней части патрубка 2. В этой связи предложенная конструкция с использованием перекрытия прорезей тканой сеткой обеспечивает проход газа в автомодельном клапанном режиме.

Аэратор работает следующим образом. Сжатый воздух подается по подводящему патрубку 3 в коллектор 1 и распределяется по патрубкам 2, из которых через прорези 4, симметрично размещенные друг против друга в горизонтальной плоскости и перекрытые полимерной или металлической тканой сеткой, он попадает в аэрируемую жидкость, формируя воздушные пузыри, соразмерные с шириной прорезей. Длина прорезей не оказывает влияния на размер формирующихся пузырей, а влияет лишь на производительность аэратора. Таким образом, в предлагаемом аэраторе улучшается распределение воздуха (газа), повышается эффективность процесса массопередачи и значительно упрощается конструкция аэратора в целом.

Источники информации
1. Попкович Г.С., Репин Б.И. Системы аэрации сточных вод. М., Стройиздат, 1986, с. 68.

2. Авторское свидетельство СССР N 1535848, кл. C 02 F 3/14, 1985.

3. Авторское свидетельство СССР N 1703630, кл. C 02 F 7/00, 1992.

4. Авторское свидетельство СССР N 1699566, кл. B 02 F 3/14, C 02 F 3/20, 1991.

5. Борисенко М. М. Гидродинамика и массообмен газожидкостного слоя на тканых контактных устройствах. Автореф. диссертации на соиск. уч. степ. канд. тех. наук, Санкт-Петербург, 1993.

Серов А.В., Терещенко Л.Я. и др. Применение текстильных элементов из полимерных материалов в тепло- и массообменных аппаратах и исследование некоторых характеристик тканых тарелок. Научно-техн. конференция "Создание колонных массообменных аппаратов из неметаллических материалов". Тезисы доклада. М., 1990, с. 12 - 16.

Изобретение относится к технологическому оборудованию для обработки многофазных систем, в частности к устройствам для аэрации и насыщения жидкости газом. Аэратор содержит коллектор, на котором установлены воздухораспределительные патрубки для подачи воздуха. Патрубки равномерно расположены по окружности коллектора, снабженного подводящим патрубком. В патрубках выполнены горизонтальные прорези, которые размещены симметрично друг против друга и перекрыты полимерной или металлической тканой сеткой. Сетка закреплена с наружной стороны на патрубке. Торцы каждого патрубка закрыты заглушками. Сжатый воздух или газ подается по подводящему патрубку в коллектор и распределяется по патрубкам. Из патрубка воздух или газ, проходя через прорези, перекрытые тканой сеткой, поступает в аэрируемую жидкость в виде воздушных пузырей, соразмерных с шириной прорези. Ширина прорези в_пр определяется из выражения в_пр = 4,76(σ_жd_экв/ρ_жg)^1/3, [м], где σ_ж - сила поверхностного натяжения жидкой фазы, Н/м; d_экв - диаметр эквивалентный ячеек полимерной или металлической тканой сетки, м; ρ_ж - плотность жидкой фазы, кг/м³; g = 9,81 м/с² - ускорение силы тяжести. Технический результат: улучшение распределения газа, повышение эффективности процесса массопередачи, а также значительное упрощение конструкции в целом. 5 ил.

Аэратор, содержащий коллектор, укрепленные на нем горизонтально воздухораспределительные патрубки с прорезями и с заглушками на торцах, отличающийся тем, что горизонтальные прорези воздухораспределительного патрубка, размещенные симметрично друг против друга, перекрыты полимерной или металлической тканой сеткой, а ширина прорези в_пр определяется из выражения
в_пр = 4,76(σ_жd_экв/ρ_жg)^1/3, м,
где σ_ж - сила поверхностного натяжения жидкой фазы, Н/м;
d_экв - диаметр эквивалентных ячеек полимерной или металлической тканой сетки, м;
ρ_ж - плотность жидкой фазы, кг/м³;
g = 9,81 м/с² - ускорение силы тяжести.