УСТАНОВКА ДЛЯ НАСЫЩЕНИЯ ВОДЫ ОЗОНОМ Российский патент 2003 года по МПК C02F1/78 

Предложенная установка относится к технике обработки воды окислением с помощью озонирования. Она может быть использована, в частности, для обеззараживания, осветления и дезодорирования питьевой воды в системах водоснабжения городов и других населенных пунктов, для дезинфекции оборотной воды бассейнов и для очистки сточных вод промышленных предприятий.

Известен аналог предложенного - установка, реализующая способ получения воды с высокой концентрацией озона [1] (ЕР 0430904 А1, С 02 F 1/78, 05.06.91), в которой озонсодержащий газ контактирует с распыляемой в виде мелких капель исходной водой. Установка содержит камеру, в верхней части которой расположены сопла для распыления исходной воды и патрубки для подвода озонсодержащего газа, а в нижней части, в которой накапливается обработанная вода, расположен патрубок для ее слива.

Недостаток известного аналога [1] состоит в его повышенной энергоемкости из-за необходимости мелкого диспергирования больших масс обрабатываемой жидкости. Кроме того, снижение эффективности озонирования обусловлено нарушением принципа противотока, общепризнанного оптимальным для процессов массообмена.

Также известно устройство для озонирования воды [2] (RU 2114790 С1, С 02 F 1/78, 10.07.1998), содержащее систему подготовки воздуха, соединенную с генератором озона, снабженным источником электропитания, реакционную емкость, в нижней части которой расположены диспергаторы, сообщенные с генератором озона, а также систему обработки избыточного озона.

Недостаток аналога [2] состоит в его повышенной энергоемкости, обусловленной, во-первых, необходимостью производства повышенного количества озона вследствие неоптимального его использования в процессе обработки воды и, во-вторых, последующим расходом энергии на разложение избыточного озона.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для очистки сточных вод [3] (RU N 2002707 С1, C 02 F 1/78), принятое в качестве прототипа предлагаемого и содержащее контактную колонну с входным/выходным штуцерами для впуска/выпуска рабочего/отработанного газа и входным/выходным патрубками для ввода/вывода исходной/озонированной воды в контактную колонну и из нее соответственно, а также насос, соединенный с входным патрубком контактной колонны, компрессор, к выходу которого подключен вход блока генерации озоновоздушной смеси, выход которого соединен с входным штуцером, расположенным в нижней части контактной колонны, частично заполненной контактными элементами, что совпадает с существенными признаками предлагаемой установки.

В указанном прототипе, кроме того, входной патрубок размещен внизу, а выходной патрубок - вверху контактной колонны, снабженной также дополнительным фильтрующим элементом, размещенным над контактным элементом, выполненным из спеченных между собой гранул.

При этом рабочим газом называем озоновоздушную смесь, а отработанным - газ, прошедший на поверхность водного бассейна после взаимодействия с заполняющей его водой.

Работа установки-прототипа основана на том, что вода, подлежащая озонированию, поступает в нижнюю часть контактной колонны, частично заполненной контактными элементами, и проходит сквозь поры и межгранульные полости этих элементов вместе с озоновоздушной смесью, также подводимой в нижней части контактной колонны из-под зоны размещения контактных элементов. По мере поднимания вверх озон окисляет примеси - органические и неорганические, находящиеся в воде, переводит их в нерастворимую форму, способствуя выпадению осадка. Таким образом происходит очищение воды от нежелательных примесей.

Итак, недостаток прототипа [3] состоит в ухудшении следующих характеристик: энергоемкости, экологичности, надежности, стоимости, габаритов.

Соответственно, требуемый технический результат состоит в повышении экологичности и надежности установки, а также снижении ее энергоемкости, стоимости и габаритов.

На чертеже представлена схема предлагаемой установки по п.1 формулы.

На чертеже использованы следующие условные обозначения составных элементов:
1 - контактная колонна
2 - входной штуцер
3 - выходной штуцер
4 - входной патрубок
5 - выходной патрубок
6 - насос
7 - компрессор
8 - блок генерации озоновоздушной смеси
9 - контактный элемент.

Недостатки прототипа устраняются в предлагаемой установке, которая существенно улучшена с учетом
- соблюдения режима противотока воды и мелкодисперсной озоновоздушной смеси;
- резкого увеличения удельной поверхности контакта газовой и жидкой фазы.

Предлагаемая установка содержит контактную колонну с входным/выходным штуцерами для впуска/выпуска рабочего/отработанного газа и входным/выходным патрубками для ввода/вывода исходной/озонированной воды в контактную колонну и из нее соответственно, а также насос, соединенный с входным патрубком контактной колонны, компрессор, к выходу которого подключен вход блока генерации озоновоздушной смеси, выход которого соединен с входным штуцером, расположенным в нижней части контактной колонны, частично заполненной контактными элементами, что совпадает с существенными признаками прототипа.

Кроме того, входной патрубок размещен в верхней части контактной колонны, выходной патрубок размещен в нижней части контактной колонны, причем высота засыпки, размер контактных элементов, а также соотношение расходов воды и газа выбрано с учетом обеспечения работы контактной колонны в режиме пенообразования.

Кроме того, контактная колонна заполнена контактными элементами в виде колец.

Кроме того, контактная колонна заполнена контактными элементами в виде колец Рашига.

Кроме того, соотношение расходов воды V_в и газа V_г выбрано удовлетворяющим следующей пропорции: V_в:V_г=(0,05-0,5):1.

Кроме того, размер контактных элементов увеличивается по мере их удаления от стенок контактной колонны.

Кроме того, размер контактных элементов увеличивается по мере их удаления от дна контактной колонны.

Кроме того, размер контактных элементов увеличивается по мере их удаления от дна контактной колонны.

Кроме того, поверхность контактных элементов обладает каталитическими свойствами окисления примесей озоном.

Принцип работы предлагаемой установки состоит в следующем.

В контактную колонну, заполненную контактными элементами, сверху подают исходную воду, а снизу - озоновоздушную смесь. В объеме, заполненном контактными элементами, газовая и жидкая фазы за счет динамического взаимодействия образуют гетерогенную среду, переходя в пенообразное состояние. При этом поверхность контакта фаз в системе газ-жидкость увеличивается на несколько порядков, что существенно повышает эффективность процесса растворения в воде озона, содержащегося в озоновоздушной смеси (обычно не более 1,5-5%). Кроме того, метод противотока газовой и жидкой фаз также способствует более эффективному растворению озона в воде. При этом динамическое равновесие диффундирующих потоков озона из воды в газ и обратно из газа в воду сдвинуто в верхней части колонны в сторону последнего. Соответственно, пузырьки газа в верхней части колонны имеют малую концентрацию озона, что снижает его проскок на выход (с отработанным газом). При этом отпадает необходимость в затратах энергии на деструкцию проходящего на выход озона, как это по экологическим соображениям приходилось делать в прототипе.

Итак, предложена установка для насыщения воды озоном, содержащая контактную колонну с входным/ выходным штуцерами для впуска/выпуска рабочего/ отработанного газа и входным/выходным патрубками для ввода/вывода воды в контактную колонну и из нее соответственно, а также насос, соединенный с входным патрубком контактной колонны, компрессор, к выходу которого подключен вход блока генерации озоновоздушной смеси, выход которого соединен с входным штуцером, расположенным в нижней части контактной колонны, частично заполненной контактными элементами,
отличающаяся тем, что входной патрубок размещен в верхней части контактной колонны, выходной патрубок размещен в нижней части контактной колонны, причем высота засыпки, размер контактных элементов, а также соотношение расходов воды и газа выбрано с учетом обеспечения работы контактной колонны в режиме пенообразования.

Также предложена установка по п. 1, отличающаяся тем, что контактная колонна заполнена контактными элементами в виде колец, например, типа колец Рашига.

Также предложена установка по п.1, отличающаяся тем, что соотношение расходов воды V_в и газа V_г выбрано удовлетворяющим следующей пропорции: V_в: V_г=(0,05-0,5):1.

Также предложена установка по п.1, отличающаяся тем, что размер контактных элементов увеличивается по мере их удаления от стенок контактной колонны.

Также предложена установка по п.1, отличающаяся тем, что размер контактных элементов увеличивается по мере их удаления от дна контактной колонны.

Также предложена установка по п.1, отличающаяся тем, что поперечное сечение контактной колонны уменьшается по мере его удаления от дна контактной колонны.

Также предложена установка по п.1, отличающаяся тем, что поверхность контактных элементов обладает каталитическими свойствами окисления примесей озоном.

Далее покажем, что именно благодаря существенным отличиям предлагаемой установки обеспечивается требуемый технический результат.

То, что входной патрубок размещен в верхней части контактной колонны, выходной патрубок размещен в нижней части контактной колонны, причем высота засыпки, размер контактных элементов, а также соотношение расходов воды и газа выбрано с учетом обеспечения работы контактной колонны в режиме пенообразования, приводит к ряду достоинств предлагаемого:
- к увеличению контактной поверхности раздела фаз газ-жидкость. При этом интенсивность процесса массообмена, пропорциональная поверхности раздела фаз газ-жидкость, соответственно, увеличивается;
- к дополнительному повышению скорости массообмена с учетом противотока реагирующих между собой жидкой и газовой фаз;
- к снижению энергопотребления установки с учетом того, что в режиме пенообразования удельная (т.е. приведенная к единице массы жидкости) поверхность контакта жидкой и газовой фаз оказывается настолько развитой, что площадь контакта, необходимая для заданной скорости массообмена, обеспечивается при существенно меньшей массе воды, чем требуется в прототипе.

Кроме того, в прототипе подача воды осуществляется снизу вверх сквозь слой контактных элементов, создающих дополнительное переходное затухание, приводящее к дополнительной затрате энергии на прокачку воды. В предлагаемой установке вода подается в верхнюю часть контактной колонны по свободному каналу (трубопроводу), не требующему повышенного напора и, соответственно, увеличения расхода энергии. Прохождение слоя контактных элементов затем происходит под действием сил тяжести, без дополнительной затраты энергии.

То, что контактная колонна заполнена контактными элементами в виде колец, также повышает эффективность процесса массообмена и снижает энергопотребление с учетом того, что данный вид контактного элемента формирует достаточно развитую поверхность и вместе с тем обладает достаточно малым переходным аэродинамическим затуханием.

То, что контактная колонна заполнена контактными элементами в виде серийно освоенных и широко распространенных комплектующих изделий, например, типа колец Рашига, позволяет снизить стоимость установки, поскольку с применением готовых изделий устраняются затраты на освоение нового изделия.

То, что соотношение расходов воды V_в и газа V_г выбрано удовлетворяющим следующей пропорции: V_в: V_г=(0,05-0,5):1, обеспечивает формирование режима пенообразования.

То, что размер контактных элементов увеличивается по мере их удаления от стенок контактной колонны, повышает равномерность распределения газового потока по поперечному сечению колонны. Это повышает эффективность процесса массообмена реагирующих фаз.

То, что размер контактных элементов увеличивается по мере их удаления от дна контактной колонны, также повышает эффективность процесса массообмена, поскольку выравнивает скорость протекания процесса массообмена в вертикальном направлении. Действительно, скорость перехода озона в воду в нижней части колонны снижается с учетом влияния закона Генри, поскольку вода в нижней части колонны содержит большую концентрацию озона, чем вода в верхней части колонны, еще не успевшая прореагировать с озоном. Для компенсации этого снижения скорости растворения озона в нижней части колонны целесообразно увеличить площадь поверхности контактных элементов, сделав эти элементы более мелкими. Это приводит к более мелкой дисперсности образуемой пены и, соответственно, к увеличению площади поверхности раздела реагирующих фаз.

То, что поверхность контактных элементов обладает каталитическими свойствами окисления примесей озоном, приводит к повышению эффективности процессов массообмена. При этом каталитический процесс может обеспечивать и ускоренный переход озона в воду, что дополнительно повысит эффективность проводимого процесса массообмена.

Это обеспечивает указанный выше технический результат.

Таким образом, в предлагаемой установке обеспечивается требуемый технический результат - повышается экологичность и надежность установки, в ней увеличивается эффективность массообмена жидкости и газа, а также снижается ее энергоемкость, стоимость и габариты.

Вместе с этим показано, что требуемый технический результат, действительно, достигается за счет существенных отличий предлагаемой установки.

Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого объекта изобретения.

Изобретение относится к технике обработки воды окислением с помощью озонирования и может быть использовано для обеззараживания, осветления и дезодорирования питьевой воды в системах водоснабжения городов и других населенных пунктов, для дезинфекции оборотной воды бассейнов и для очистки сточных вод промышленных предприятий. Установка содержит контактную колонну с входным/выходным штуцерами для впуска/выпуска рабочего/отработанного газа и входным/выходным патрубками для ввода/вывода воды в контактную колонну и из нее соответственно, а также насос, соединенный с входным патрубком контактной колонны, компрессор, к выходу которого подключен вход блока генерации озоновоздушной смеси, выход которого соединен с входным штуцером, расположенным в нижней части контактной колонны, частично заполненной контактными элементами, при этом входной патрубок размещен в верхней части контактной колонны, выходной патрубок размещен в нижней части контактной колонны, и соотношение расходов воды V_в и газа V_г выбрано удовлетворяющим следующей пропорции: V_в: V_г=(0,05-0,5):1. Изобретение позволяет повысить экологичность и надежность установки, а также снизить ее энергоемкость, стоимость и габариты. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для насыщения воды озоном, содержащая контактную колонну с входным/выходным штуцерами для впуска/выпуска рабочего/отработанного газа и входным/выходным патрубками для ввода/вывода воды в контактную колонну и из нее, соответственно, а также насос, соединенный с входным патрубком контактной колонны, компрессор, к выходу которого подключен вход блока генерации озоновоздушной смеси, выход которого соединен с входным штуцером, расположенным в нижней части контактной колонны, частично заполненной контактными элементами, отличающаяся тем, что входной патрубок размещен в верхней части контактной колонны, выходной патрубок размещен в нижней части контактной колонны, причем соотношение расходов воды V_в и газа V_г выбрано удовлетворяющим следующей пропорции: V_в:V_г=(0,05-0,5):1. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что контактная колонна заполнена контактными элементами в виде колец. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что контактная колонна заполнена контактными элементами в виде колец Рашига. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что размер контактных элементов увеличивается по мере их удаления от стенок контактной колонны. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что размер контактных элементов увеличивается по мере их удаления от дна контактной колонны. 6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что поверхность контактных элементов обладает каталитическими свойствами окисления примесей озоном.