Результат интеллектуальной деятельности: АЭРАТОР

Изобретение относится к области смесительной техники и служит для создания микропузырьков воздуха или иного газа в воде или иной жидкости и равномерного распределения микропузырьков в объеме жидкости или по сечению потока, а также генерации струй газожидкостной смеси. Устройство может быть использовано для очистки загрязненных стоков, защиты мальков рыб от попадания в водозаборы, а также получения газожидкостных смесей в иных областях техники, например при производстве битумов.

Для защиты водозаборов, как правило, используются кассетные конструкции, в том числе из фильтрующих пластиковых трубок (см. патент РФ 2183702, Е 02 В 8/08, 2000 г.) или шариков (см. патент РФ 2049194, Е 02 В 8/08, 1992 г.).

Недостатком подобных устройств является сложность конструкции, необходимость периодической очистки элементов и сезонность работы - на время ледохода кассеты демонтируются. Установленные в потоке кассеты могут быть классифицированы как аэрационные, но степень насыщения жидкости воздухом невысока.

При очистке жидкостей от примесей и загрязнений, в частности нефтепродуктов, широко используются роторные аэраторы, содержащие корпус, в полости которого на оси размещен с возможностью вращения ротор (см. РСТ WO 01/60504, B 01 F 3/04, 2001 г.). Аналогичные устройства описаны в патенте Великобритании 489497, 1937 г., ЕР 1243313, B 01 F 3/04, 2002 г., JP 2003 - 190753, B 01 F 7/16 и РСТ WO 02/081093, B 03 D 1/16, 2002 г.).

Однако такие устройства недостаточно надежны и неэкономичны из-за наличия вращающихся частей, а кроме того, непригодны для создания протяженных потоков аэрированной жидкости. В то же время эффективность рыбозащитных устройств и флотационных установок во многом определяется именно возможностью создания пространственно распределенных завес или потоков.

Известен компактный аэратор, содержащий камеру с перегородкой и впускным и выпускным патрубками (см. JP 2003 - 265938, B 01 F 1/00).

Помимо непригодности для создания протяженных потоков аэрированной жидкости к недостаткам данного устройства следует отнести ограниченную область применения из-за необходимости поддержания высокого давления в жидкости, заполняющей камеру, и в подводимом газе. Необходимость создания и поддержания давления не только ограничивает область применения, но и снижает производительность и эффективность как самого аэратора, так и устройств и установок с его использованием.

Первый из указанных недостатков устранен в аэраторе, выполненном в виде протяженного коллектора с рядами сопел (см. JP 2003 - 236305, B 01 D 17/00). Однако в нем для создания микропузырьков также используется поток жидкости, в которой растворен воздух, в связи с чем второй из вышеназванных недостатков свойственен и этому аэратору.

Наиболее близким к предложенному является аэратор по патенту США 2003.0070992, C 02 F 1/24, 17.04.2003 г.

Известный аэратор содержит узел насыщения жидкости газом, выход которого подключен к входу узла расширения, выполненному в виде проточной инжекционной камеры с напорным и выпускным патрубками и подвижной конической вставкой, причем выходной патрубок проточной инжекционной камеры соединен с узлом распределения газожидкостной смеси.

Недостатками известного аэратора являются ограниченная область применения из-за необходимости поддержания давления в жидкости, сложность конструкции и снижение надежности аэратора, обусловленные наличием в инжекторе подвижной конической вставки сложного профиля, а также невозможность создания равномерных пространственно распределенных и однородных по составу потоков газожидкостной смеси.

Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является создание протяженного равномерного по кинетике, а главное, по составу (содержанию газа в жидкости), потока газожидкостной смеси, упрощение устройства, повышение его надежности, а также расширение области применения за счет возможности использования в промышленных установках очистки стоков, на удаленных водозаборах, где неудобно или невозможно использовать стационарные источники сжатого газа или компрессоры.

Указанный результат достигается тем, что в известном аэраторе, содержащем узел расширения с проточной камерой, выполненной с напорным и выпускным патрубками, и узел распределения газожидкостной смеси, узел расширения снабжен водонапорным трубопроводом и выполнен в виде N (N=2,3...) проточных камер, снабженных воздушным патрубком и размещенных на напорном трубопроводе, а узел распределения газожидкостной смеси выполнен в виде перфорированных насадок на выпускные патрубки проточных камер, расположенных под острым углом к оси водонапорного трубопровода.

Кроме того, суммарные длины выпускных патрубков и перфорированных насадок могут превышать расстояние между проточными камерами.

При этом воздушные патрубки проточных камер могут быть выполнены гибкими.

Целесообразно также воздушные патрубки проточных камер выполнить с поплавками.

Кроме того, воздушные патрубки проточных камер могут быть выполнены с регуляторами расхода воздуха.

Кроме того, наконечники выпускных патрубков проточных камер могут быть выполнены с тройниками, на свободных концах которых размещены перфорированные насадки.

Целесообразно также, чтобы диаметры отверстий перфорированных насадок по мере удаления от проточных камер сначала уменьшались, а затем возрастали.

В частности, диаметры групп отверстий перфорированных насадок по мере удаления от проточных камер могут составлять (0,07÷0,09)L, (0,06÷0,08)L, (0,07÷0,09)L и (0,09÷0,1)L соответственно, где L - шаг между соседними отверстиями.

Кроме того, аэратор может быть выполнен с источником газожидкостной смеси, выход которого соединен с напорными патрубками проточных камер.

И, наконец, аэратор может быть выполнен с источником газожидкостной смеси, выход которого соединен с воздушными патрубками проточных камер.

При этом источник газожидкостной смеси может быть выполнен в виде М (M=1...N) проточных камер, выполненных с напорным, воздушным и выпускным патрубками, последние из которых соединены с соответствующими воздушными патрубками из N проточных камер.

Таким образом, особенностью предлагаемого аэратора является то, что, во-первых, водовоздушная смесь не транспортируется по трубопроводу и, следовательно, не расслаивается, а создается непосредственно перед узлом распределения, который в данном случае минимизирован, а во-вторых, эта смесь создается в нескольких точках, расположенных вдоль оси водонапорного трубопровода. Это позволяет обеспечить однородность состава и кинетической энергии струй водовоздушной смеси, вытекающих из сопел. Кроме того, как показали проведенные исследования, подключение смежных проточных камер к одному напорному трубопроводу позволяет дополнительно выровнять завесу, создаваемую предлагаемым аэратором за счет взаимного влияния соседних камер и узлов распределения.

На фиг.1, 2 и 3 показаны два варианта реализации предлагаемого аэратора. На фиг.4 показано сечение проточной камеры, а фиг.5 иллюстрирует выполнение рыбозащитного устройства с предлагаемым аэратором. На фиг.6 показана флотационная установка с предлагаемым аэратором. И, наконец, фиг.7 иллюстрирует вариант выполнения перфорированной насадки.

Аэратор содержит (фиг.1-4) проточные камеры 1 с напорным 2, выпускным 3 и воздушным 4 патрубками, на выпускных патрубках 3 размещены перфорированные насадки 5. Перфорированные насадки 5 образуют узел распределения газожидкостной смеси, а N проточных камер 1 - узел расширения.

Перфорированные насадки 5 могут, как показано на фиг.2, располагаться под острым углом α к оси 6 водонапорного трубопровода 7, к которому подключены напорные патрубки 2 проточных камер 1. Перфорированные насадки 5 (фиг.3) могут также подключаться к выпускным патрубкам 4 через соответствующие тройники 8.

Между проточной камерой 1 и напорным патрубком 2 размещен участок 9 меньшего диаметра, обеспечивающий «пережатие» потока жидкости (фиг.4). Вместо уменьшения диаметра или вместе с ним «пережатие» потока жидкости может достигаться на участке 9 и размещением в потоке тела, препятствующего прохождению потока, например конуса или усеченного конуса, меньшее основание которого обращено к выходному патрубку 3.

Через окна 10 водозабора (фиг.5) вода насосами 11 подается для нужд предприятия в магистраль 12. Трубопровод 13 врезан в линию 12. На трубопроводе 13 последовательно установлены фильтр 14 с арматурой обвязки 15 и источник газожидкостной смеси 16 (стрелкой обозначена подача воздуха), подключенный к водонапорному трубопроводу 7 аэратора, на выходе которого установлена задвижка 17.

Установка, изображенная на фиг.6, содержит бак-флотатор 18 с узлом 19 удаления нефтепродуктов, последовательно соединенные насос 20 и источник газожидкостной смеси 16, поплавки 21 и регуляторы расхода воздуха 22.

Позицией 23 на фиг.1, 2, 3 и 7 обозначены отверстия перфорированных насадок 5. Отверстия 23 на фиг.7 разбиты на группы 24-27, так что внутри группы диаметры отверстий 23 одинаковы, а диаметры групп 24, 25, 26, 27 составляют соответственно 12 мм (3 отверстия 23), 10 мм (4 отверстия 23), 12 мм (2 отверстия 23) и 15 мм (одно отверстие 23). При этом шаг L между отверстиями 23 в рассматриваемом примере составляет 150 мм. Расстояние между проточной камерой 1 и тройником 8 составляет в данном случае 200-300 мм.

Аэратор работает следующим образом. Вода под давлением поступает в водонапорный трубопровод 7 (фиг.1-3), который со второго конца может быть полностью или частично перекрыт. Через патрубки 2 и участки 9 вода поступает в полость камеры 1, где за счет расширения резко падает давление и возникает каверна, куда подсасывается через воздушные патрубки 4 и где дробится атмосферный воздух.

Полученная газожидкостная смесь выходит через отверстия 23 (в частном случае - сопла 23) в перфорированных насадках 5 струями, образующими равномерную завесу. Расположение перфорированных насадок 5 под острым углом обеспечивает отсутствие «пропусков», равномерность завесы. Той же цели служит и «волнообразный» закон изменения диаметров отверстий 23.

В рыбозащитном устройстве, показанном на фиг.5, трубопровод 13 имеет диаметр меньший, чем трубопровод магистрали 12, так что часть потока ответвляется в трубопровод 13, проходит через фильтр 14 и аэрируется в источнике газожидкостной смеси 16, в качестве которого может быть использован как предлагаемый аэратор (т.е. проточная камера 1 с напорным патрубком 3, выпускным патрубком 3 и воздушным патрубком 4), так и известное устройство, например, по патенту РФ №2194024, C 02 F 3/20, 29.11.2000. Струи газожидкостной смеси, под напором выходящие из отверстий 23 перфорированных насадок 5, защищают окна 10 водозабора от попадания мальков рыб и мусора.

Установка для извлечения нефтепродуктов, показанная на фиг.6, работает следующим образом. Насос 20 забирает очищаемую жидкость в верхней части бака-флотатора 18 и через источник газожидкостной смеси 16 подает ее в напорный трубопровод 7. Гибкие воздушные патрубки 4 удерживаются поплавками 21, а размер микропузырьков, поднимающихся из отверстий 23 перфорированных насадок 5, регулируется регуляторами расхода воздуха 22. Нефтепродукты, увлекаемые микропузырьками воздуха, собираются с помощью узла 19 удаления нефтепродуктов, выполненного, например, в виде воронки.

Проведенные испытания показали, что каждая проточная камера обеспечивает расход воздуха 6-16 м³/ч при глубине до 3 м. При использовании двухступенчатой схемы (дополнительная проточная камера подключена к воздушному патрубку основной или нескольких основных; каждая из М, M<N дополнительных проточных камер подключена к нескольким из N; каждая из М камер, M=N подключена к каждой их N) глубина может быть увеличена до 8 м. Испытания показали также, что устройство обеспечивает создание интенсивного и равномерного потока газожидкостной смеси, допускает регулировку параметров завесы и не требует обслуживания, поскольку отверстия в насадках не зарастают.