УСТАНОВКА ДЛЯ ОЗОНИРОВАНИЯ ВОДЫ Российский патент 2006 года по МПК C02F1/78 

Предложенная установка относится к технике водоподготовки, например, с помощью озонирования. Она может быть использована, в частности, для обеззараживания, осветления и дезодорирования питьевой воды в системах водоснабжения городов и других населенных пунктов.

Известен аналог предложенного - высокочастотная озонаторная установка (RU 2026809 С1, С 02 F 1/78, 04.03.1992), содержащая компрессор, к выходу которого подключена система подачи воздуха, к выходу которой подключен воздуховод и воздухоразводящие трубы, последовательно соединенные с соответствующими размещенными в нижней части контактного бассейна диспергаторами, что совпадает с существенными признаками предлагаемой установки. Кроме того, в известном устройстве полость над поверхностью водного массива соединена с компрессором через узел разложения озона.

Недостаток указанного технического решения состоит в снижении экономической эффективности процессов озонирования из-за затрат энергии на производство избыточного озона и его последующую деструкцию.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является установка, реализующая способ озонирования воды [1] (RU 2114790 C1, С 02 F 1/78, 10.07.1998), принятая в качестве прототипа и содержащая заполненный водой контактный бассейн, компрессор, к выходу которого подключена система подготовки воздуха, соединенная с входом блока генерации озоно-воздушной смеси, к выходу которого подключена, по крайней мере, одна газоразводящая труба, к выходу, по крайней мере, одной газоразводящей трубы подключен вход соответствующего размещенного в нижней части контактного бассейна диспергатора, что совпадает с существенными признаками предлагаемой установки.

Кроме того, известная установка содержит систему разложения избыточного озона.

Работа установки-прототипа основана на том, что очищаемая вода подвергается озонированию путем барботирования озоно-воздушной смеси через водный массив контактного бассейна (КБ). При этом воздух, нагнетаемый компрессором, поступает в систему подготовки воздуха, где происходит осушение и/или охлаждение воздуха перед подачей его в блок генерации озона, где формируется озоно-воздушная смесь. Далее озонсодержащий газ через газоразводящие трубы подается на размещенные в нижней части контактного бассейна диспергирующие модули - устройства диспергирования газовой смеси с заданным номинальным расходом. В прототипе их роль исполняют одиночные диспергаторы.

При работе озонаторной установки контролируется концентрация озона в «газовой подушке» - отработанной газовой смеси над поверхностью водного массива КБ, выходящей в атмосферу. Увеличение «проскока» озона снижает экологические характеристики установки. Нарушение экологических норм в технологическом процессе озонирования приводит к существенному повышению энергозатрат, связанному с затратами на производство избыточного озона и его последующую деструкцию. При этом, очевидно, снижается эффективность и надежность оборудования, вместе с тем повышается его стоимость.

Итак, сложившаяся практика эксплуатации таких устройств указывает на необходимость разложения избыточного озона на выходе контактного бассейна, что повышает энергоемкость устройства озонирования, снижает его экологичность, эффективность и надежность, повышает стоимость и массогабариты. Отмеченное является существенным недостатком устройства-прототипа.

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

Список фигур чертежей.

Фиг.1. Схема предлагаемой установки по п.1, 2 формулы.

Фиг.2. Схема предлагаемого диспергатора по п.7 формулы.

Фиг.3. Схема предлагаемой установки по п.8 формулы.

На чертежах фиг.1-3 использованы следующие условные обозначения составных элементов:

1 - входная водная магистраль;

2 - контактный бассейн;

3 - компрессор;

4 - система подготовки газа;

5 - блок генерации озоно-воздушной смеси;

6 - газоразводящие трубы;

7 - диспергатор;

8 - поверхностный слой защитного материала;

9 - фрагмент поверхностного слоя;

10 - желоб;

11 - водоразводящие трубы;

12 - прорезь в желобе;

13 - сквозные каналы во фрагментах поверхностного слоя;

14 - выходная водная магистраль.

На фиг.1 представлена схема предлагаемой установки по п.1, 2 формулы.

На фиг.2 представлено выполнение фрагмента поверхностного слоя предлагаемой установки по п.7 формулы, где показано, что фрагмент выполнен в виде пластинообразного элемента, у которого внешняя поверхность выпукла, а по краям расположены углубления в виде желобов с прорезями на периферийных сторонах.

На фиг.3 представлена схема фрагмента поверхностного слоя предлагаемой установки по п.8 формулы, где показано, что фрагмент выполнен со сквозным каналом в виде воронки, повернутой раструбом к основанию фрагмента.

Недостатки установки-прототипа устраняются в предлагаемой установке, которая представлена на схеме фиг.1 и содержит:

Входную (выходную) водную магистраль 1 (14), подающую (выводящую) воду в КБ (из КБ) 2, компрессор 3, к выходу которого подключена система подготовки воздуха 4, соединенная с входом блока 5 генерации озоно-воздушной смеси, к выходу которого подключена, по крайней мере, одна газоразводящая труба 6, к выходу, по крайней мере, одной газоразводящей трубы подключен вход соответствующего размещенного в нижней части контактного бассейна 2 диспергатора 7, что совпадает с существенными признаками прототипа.

Кроме того, на поверхности водного бассейна размещен слой 8 материала, устойчивого к воздействию озона и препятствующего газовыделению с поверхности воды контактного бассейна, а вода из входной (водной) магистрали поступает в контактный бассейн сверху через открытые участки поверхности водного бассейна.

Кроме того, слой материала, размещенного на поверхности водного бассейна, выполнен из отдельных фрагментов 9.

Кроме того, хотя бы часть отдельных фрагментов слоя, размещенного на поверхности водного бассейна, выполнена с положительной плавучестью, достаточной для поддержания на поверхности остальных фрагментов слоя.

Кроме того, материал фрагментов с положительной плавучестью имеет плотность меньшую, чем вода.

Кроме того, фрагменты с положительной плавучестью выполнены из пористого стекла, пеносиликата или пенобетона.

Кроме того, фрагменты слоя, размещенного на поверхности водного бассейна, имеют гидрофильную нижнюю и гидрофобную торцевую поверхности.

Кроме того, по периметру верхней поверхности фрагментов слоя, размещенного на поверхности водного бассейна, расположены желоба 10, хотя бы часть воды, проходящей по водной магистрали, поступает по водоразводящим трубам 11 в указанные желоба, из которых она подается в контактный бассейн через прорези 12 в периферийных стенках желоба 10.

Кроме того, фрагменты слоя материала, размещенного на поверхности водного бассейна, имеют сквозные каналы 13, конически уширяющиеся до размера площади основания, причем поверхность канала ниже уровня воды гидрофильна, а выше уровня - гидрофобна.

Существо предлагаемого изобретения основано на проведенных авторами исследованиях которые выявили реальную причину повышенного проскока озона. Существует два различных механизма проскока озона в газовую подушку КБ:

- Из газовой фазы, вместе с пузырьками озоно-воздушной смеси,

- Из жидкой фазы - воды, насыщенной озоном.

Оба эти механизма подчиняются известному закону Генри:

γ=С_г(Н)/С_ж(Н),

где γ - коэффициент Генри, задающий динамически равновесное соотношение концентрации озона в жидкой и газовой фазах;

С_г(Н) и С_ж(Н) - значения концентрации озона, соответственно, в газовой и жидкой фазах вблизи границы раздела, зависящие от глубины Н.

Традиционно принималось во внимание влияние лишь первого из отмеченных механизмов, соответственно, проводимые технические мероприятия были направлены на усовершенствование процесса диспергирования с целью получения более мелких и однородных по размерам пузырьков газа. По существующим представлениям, мелкие и, следовательно, медленно всплывающие пузырьки успевают передать содержащийся в них озон в водный массив. Соответственно, доля озона, выносимого пузырьками в газовую подушку, уменьшается.

По мнению авторов, учет второго механизма не менее важен, поскольку на поверхности водного массива (на естественной границе газ/жидкость) протекает объективно обусловленный законом Генри процесс установления динамического равновесия между концентрацией озона в поверхностном слое водного массива и примыкающей к ней сверху газовой подушкой.

Была проведена оценка величин проскока озона в газовую подушку контактного бассейна (КБ) за счет первого («пузырькового») и второго («поверхностного») механизма на конкретном примере КБ Восточной водопроводной станции (ВВС), г.Москва (площадь поверхности секции озонирования КБ ВВС равна 36 м², расход озоно-воздушной смеси Q_газа=0.1675 м³/с).

Долю вклада каждого из механизмов проскока озона считали пропорциональной приведенной площади поверхности потока пузырьков (для первого механизма) и зеркальной глади контактного бассейна (для второго механизма), поскольку, как известно, интенсивность выноса озона в газовую подушку пузырьками озоно-воздушной смеси пропорциональна общему объему пузырьков озоно-воздушной смеси в приповерхностном слое водного массива бассейна, а интенсивность выноса озона из воды через зеркало водной поверхности пропорциональна общей площади указанной поверхности.

При этом использованы следующие обычные для практических оценок предположения о том, что уход озона из пузырька не изменяет объема газа с учетом пренебрежительно малой величины концентрации озона, содержащегося в газе, и что растворимостью кислорода в воде, много меньшей, чем озона, пренебрегаем.

Результаты проведенного расчета значений приведенного сечения S_вых выходящего потока газа для различных размеров пузырей приведены в таблице.

ТаблицаНаименование параметраЗначение параметраДиаметр пузырька, мм0.10.20.31.03.0Проскок озона с газом, %93.148.714.53.41.7Выпар озона с пов-сти, %6.951.385,594.698.3

Следует отметить, что здесь и далее приняты допущения о несжимаемости газа. Из приведенной таблицы следует, что основной вклад в проскок озона при диаметре пузырьков более 0.2 мм приходится на долю второго из указанных ранее механизмов, осуществляемого за счет выделения (выпара) растворенного в воде озона из жидкой фазы - с поверхности водного массива КБ в его газовую подушку.

Полученный результат указывает на целесообразность блокирования контакта водной поверхности КБ с его газовой подушкой путем конструктивной доработки, например установкой крышек на поверхности водного массива.

Следует отметить, что в практически используемых установках озонирования непрерывного действия по методу противотока (вода поступает сверху, а газ подается снизу, в том числе и на промышленной установке ВВС, г.Москва) принят диаметр диспергируемых пузырьков озоно-воздушной смеси не менее 0.5 мм. Это поясняется тем, что при нормальном режиме работы такой установки пузырьки газа всплывают вверх сквозь поток поступающей сверху воды. Это возможно лишь при соблюдении условия: скорость всплытия пузырьков (определяется их диаметром) больше скорости опускания воды (определяется соотношением расхода воды и поперечного сечения КБ). Таким образом, пузырьки диаметра меньше, чем 0.5 мм (с учетом реального разброса их размеров) не смогут всплывать вверх в нисходящем потоке воды, а будут уноситься вместе с нисходящим потоком воды. Таким образом, как следует из вышеприведенной таблицы, на практике преобладает «поверхностный» механизм проскока озона, который устраняется в предлагаемой установке.

Итак, рассмотрим работу предлагаемой установки, выполненной по схеме фиг.1. Работа предлагаемой установки основана на том, что вода, непрерывно поступающая из водоподающей магистрали 1 в контактный бассейн, подвергается озонированию путем барботирования озоно-воздушной смеси через водный массив контактного бассейна 2. При этом воздух, нагнетаемый компрессором 3, поступает в систему подготовки воздуха 4, где происходит его осушение и/или охлаждение перед подачей в блок генерации озона 5, где формируется озоно-воздушная смесь. Далее озонсодержащий газ через газоразводящие трубы 6 подается на размещенные у дна контактного бассейна 2 диспергаторы 7.

Образуемые диспергаторами пузырьки озоно-воздушной смеси при всплытии передают содержащийся в них озон водному массиву до установления динамического равновесия (определяемого законом Генри) концентраций озона в воде и пузырьке.

На поверхности водного бассейна размещен слой 8 материала, устойчивого к воздействию озона, который препятствует проскоку озона, обусловленному «поверхностным» механизмом, - выделению озона в газовую подушку с поверхности воды контактного бассейна 2, причем вода из входной водной магистрали поступает в контактный бассейн сверху через открытые участки поверхности водного массива, обеспечивая эффект водного затвора. Указанный слой из соображений технологичности, повышения ремонтопригодности и надежности, а также снижения стоимости, выполнен из отдельных фрагментов 9.

Задача фиксации фрагментов 9 на поверхности КБ 2 эффективно решается использованием их свойства плавучести - хотя бы часть отдельных фрагментов 9 слоя 8, размещенного на поверхности водного бассейна 2, выполнена с положительной плавучестью, достаточной для поддержания на поверхности остальных фрагментов 9 слоя 8.

При этом фрагменты 9 могут иметь полую конструкцию, а могут быть выполнены из материала, имеющего плотность меньшую, чем вода.

Фрагменты с положительной плавучестью могут быть выполнены из пористого стекла, пеносиликатного материала или пенобетона.

Установлено, что фрагменты 9 слоя 8, размещенного на поверхности водного бассейна 2, имеющие гидрофильную нижнюю поверхность выпуклой формы, препятствуют залипанию и последующему слиянию пузырьков газа на нижней поверхности. Пузырьки газа перемещаются к краям по нижней выпуклой поверхности фрагмента 9 и выходят из под него. При этом исключается образование газовых полостей под фрагментами, куда могла бы происходить дополнительная диффузия озона из водной среды. Гидрофобность торцевой поверхности фрагмента уменьшает площадь водной поверхности, контактирующей с газовой подушкой, и таким образом снижает возможный проскок озона. Кроме того, периодические выбросы больших пузырей на поверхность КБ сопровождаются турбулизацией течения в КБ, что приводит к массообмену в режиме перемешивания, который менее эффективен, чем в режиме вытеснения (в отсутствие турбулизации водной среды).

Кроме того, по периметру верхней поверхности фрагментов слоя, размещенного на поверхности водного бассейна, расположены желоба, в которые направляют воду из водной магистрали 1 по водоразводящим трубам 11. В периферийных стенках желоба сделаны прорези, через которые вода из желобов стекает в КБ.

Фрагменты 9 могут иметь сквозные каналы 13, конически уширяющиеся до размера площади основания, причем поверхность канала ниже уровня воды гидрофильна, а выше уровня - гидрофобна, что также облегчает выход поднимающихся пузырьков в газовую подушку без образования дополнительных поверхностей раздела газ-жидкость, где мог бы реализоваться «поверхностный» механизм проскока озона.

Итак, предложена установка для озонирования воды, содержащая водную магистраль, подающую воду в контактный бассейн, компрессор, к выходу которого подключена система подготовки воздуха, соединенная с входом блока генерации озоно-воздушной смеси, к выходу которого подключена, по крайней мере, одна газоразводящая труба, к выходу, по крайней мере, одной газоразводящей трубы подключен вход соответствующего размещенного в нижней части контактного бассейна диспергатора, причем на поверхности водного бассейна размещен слой материала, устойчивого к воздействию озона и препятствующего газовыделению с поверхности воды контактного бассейна.

Кроме того, слой материала, размещенного на поверхности водного бассейна, выполнен из отдельных фрагментов, а вода из входной водной магистрали поступает в контактный бассейн сверху через открытые участки поверхности водного массива, и хотя бы часть отдельных фрагментов слоя, размещенного на поверхности водного бассейна, выполнена с положительной плавучестью, достаточной для поддержания на поверхности остальных фрагментов слоя.

Кроме того, материал фрагментов с положительной плавучестью имеет плотность меньшую, чем вода.

Кроме того, фрагменты с положительной плавучестью выполнены из пористого стекла или пенобетона.

Кроме того, фрагменты слоя, размещенного на поверхности водного бассейна, имеют выпуклую гидрофильную нижнюю и гидрофобную торцевую поверхности.

Кроме того, по периметру верхней поверхности фрагментов слоя, размещенного на поверхности водного бассейна, расположены желоба, хотя бы часть воды, проходящей по водной магистрали, поступает в указанные желоба, из которых она подается в контактный бассейн через прорези в периферийных стенках желоба.

Кроме того, фрагменты слоя материала, размещенного на поверхности водного бассейна, имеют сквозные каналы, конически уширяющиеся до размера площади основания, причем поверхность канала ниже уровня воды гидрофильна, а выше уровня - гидрофобна.

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

Тем, что предложенная установка для озонирования воды содержит водную магистраль, подающую воду в контактный бассейн, компрессор, к выходу которого подключена система подготовки воздуха, соединенная с входом блока генерации озоно-воздушной смеси, к выходу которого подключена, по крайней мере, одна газораэводящая труба, к выходу, по крайней мере, одной газоразводящей трубы подключен вход соответствующего размещенного в нижней части контактного бассейна диспергатора, причем на поверхности водного бассейна размещен слой материала, устойчивого к воздействию озона и препятствующего газовыделению с поверхности воды контактного бассейна, перекрывает наиболее активный канал проскока озона - поверхностный «выпар» озона в газовую подушку КБ повышается концентрация озона в воде, увеличивается эффективность массообмена жидкости и газа, повышается эффективность протекающих реакций окисления вредных примесей и микрофлоры в водном массиве КБ. Одновременно снижается необходимое количество производимого озона, отпадает необходимость его последующей деструкции.

При этом повышается экологичность и надежность установки, уменьшается ее энергоемкость, стоимость, габариты.

С целью повышения технологичности, ремонтопригодности и транспортабельности установки слой материала, размещенного на поверхности водного бассейна, выполнен из отдельных фрагментов.

Часть из них выполнена с положительной плавучестью (например, из легкого материала - пористого стекла, пеносиликатов или пенобетона), достаточной для поддержания на поверхности остальных фрагментов слоя, что снижает себестоимость установки.

То, что фрагменты слоя, размещенного на поверхности водного бассейна, имеют выпуклую гидрофильную нижнюю и гидрофобную торцевую поверхности, также снижает проскок озона (как пояснялось при описании работы установки) и обеспечивает достижение вышеуказанного комплексного технического результата.

То, что по периметру верхней поверхности фрагментов слоя, размещенного на поверхности водного бассейна, расположены желоба, хотя бы часть воды, проходящей по водной магистрали, поступает в указанные желоба, из которых она подается в контактный бассейн через прорези в периферийных стенках желоба, дополнительно снижает проскок озона, с пузырьками газа. Действительно, вновь поступающая вода контактирует с потоком всплывающих в межфрагментном пространстве пузырей озоно-воздушной смеси, вымывает из них остаточный озон в соответствии с законом Генри, создавая эффект «водяного затвора».

То, что фрагменты слоя материала, размещенного на поверхности водного бассейна, имеют сквозные каналы, конически уширяющиеся до размера площади основания, причем поверхность канала ниже уровня воды гидрофильна, а выше уровня - гидрофобна, также снижает проскок озона за счет разделения потока всплывающих пузырей на ряд каналов. При этом уменьшается их объемная концентрация, предотвращается слияние отдельных пузырей. Гидрофильность и наклонность нижней поверхности фрагментов также предотвращает сцепление пузырей с указанной поверхностью, не дает им сливаться, образуя дополнительную поверхность «выпара» озона. Гидрофобность надводной поверхности каналов также снижает поверхность жидкости, выделяющую озон в газовую подушку, соответственно, обеспечивая вышеуказанный технический результат.

То, что вода из входной водной магистрали поступает в контактный бассейн сверху через открытые участки поверхности водного массива, создает в зонах выхода пузырей на поверхность направленный вниз ток воды, ненасыщенной озоном. Соответственно, остаточный озон из всплывающих пузырьков переносится указанным током воды в контактный бассейн, чем уменьшается его вредный выброс в газовую подушку, соответственно, обеспечивая вышеуказанный технический результат.

Как следует из вышеприведенного анализа, требуемый технический результат (повышение экологичности и надежность установки, увеличение эффективности массообмена жидкости и газа, а также снижение ее энергоемкости, стоимости и габаритов) достигается за счет существенных отличий предлагаемой установки.

Следует отметить возможность гибкого использования достигаемого технического результата за счет обеспечения одновременно нескольких положительных эффектов. Например, отсутствие необходимости деструкции избыточного озона снижает энергоемкость установки, часть сэкономленной энергии может быть использована для производства дополнительного озона с целью очистки более загрязненных вод, либо позволит увеличить производительность установки, повысив скорость протекания в ней воды, причем часть исходной экономии ресурса может быть направлена на снижение стоимости установки, уменьшение ее габаритов, повышение надежности.

Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого объекта изобретения.

Изобретение относится к технике водоподготовки и может быть использовано для обеззараживания, осветления и дезодорирования воды. Установка содержит входную водную магистраль, подающую воду в контактный бассейн, последовательно соединенные компрессор, систему подготовки воздуха, блок генерации озоно-воздушной смеси, к выходу которого подключена, по крайней мере, одна газоразводящая труба. К выходу газоразводящей трубы подключен диспергатор, расположенный в нижней части контактного бассейна. На поверхности водного бассейна размещен слой материала, выполненный из отдельных фрагментов, устойчивый к воздействию озона и препятствующий газовыделению с поверхности воды контактного бассейна. При этом вода из входной магистрали поступает в контактный бассейн сверху через открытые участки поверхности водного бассейна. В результате повышается экологичность, эффективность и надежность установки, а также снижается ее энергоемкость, стоимость и габариты. 7 з.п. ф-лы, 3 ил, 1 табл.

1. Установка для озонирования воды, содержащая входную водную магистраль, подающую воду в контактный бассейн, компрессор, к выходу которого подключена система подготовки воздуха, соединенная с входом блока генерации озоно-воздушной смеси, к выходу которого подключена, по крайней мере, одна газоразводящая труба, к выходу, по крайней мере, одной газоразводящей трубы подключен вход соответствующего размещенного в нижней части контактного бассейна диспергатора, отличающаяся тем, что на поверхности водного бассейна размещен слой материала, устойчивого к воздействию озона и препятствующего газовыделению с поверхности воды контактного бассейна, а вода из входной магистрали поступает в контактный бассейн сверху через открытые участки поверхности водного бассейна.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что слой материала, размещенного на поверхности водного бассейна, выполнен из отдельных фрагментов.3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что хотя бы часть отдельных фрагментов слоя, размещенного на поверхности водного бассейна, выполнена с положительной плавучестью, достаточной для поддержания на поверхности остальных фрагментов слоя.4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что материал фрагментов с положительной плавучестью имеет плотность, меньшую, чем вода.5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что фрагменты с положительной плавучестью выполнены из пористого стекла или пенобетона.6. Установка по п.2, отличающаяся тем, что фрагменты слоя, размещенного на поверхности водного бассейна, имеют выпуклую гидрофильную нижнюю и гидрофобную торцевую поверхности.7. Установка по п.2, отличающаяся тем, что по периметру верхней поверхности фрагментов слоя, размещенного на поверхности водного бассейна, расположены желоба, хотя бы часть воды, проходящей по водной магистрали, поступает в указанные желоба, из которых она подается в контактный бассейн через прорези в периферийных стенках желоба.8. Установка по п.2, отличающаяся тем, что фрагменты слоя материала, размещенного на поверхности водного бассейна, имеют сквозные каналы, конически уширяющиеся до размера площади основания, причем поверхность канала ниже уровня воды выполнена гидрофильной, а выше уровня воды - гидрофобной.