Устройство и способ получения газовых пузырьков в жидкости
Группа изобретений относится к устройству и способу для получения газовых пузырьков в жидкости и может быть применена в области очищения воды. Устройство содержит по меньшей мере один вращающийся газопроницаемый полый вал, расположенный в по меньшей мере одном контейнере. На полом валу в герметичном контакте друг с другом расположены поочередно аэрационные диски и разделители. Устройство также содержит по меньшей мере один подводящий трубопровод для по меньшей мере одного сжатого газа. При этом каждый из разделителей содержит по меньшей мере одно центрированное отверстие для вмещения полого вала и по меньшей мере две камеры. При этом по меньшей мере две камеры расположены вокруг центрированного отверстия и равноудаленно от него. При этом центрированное отверстие и по меньшей мере две камеры по меньшей мере частично совпадают и в области совпадения находятся в открытом сообщении друг с другом, так что сжатый газ из полого вала может поступать соответственно в по меньшей мере одну из камер разделителя и может входить из по меньшей мере одной камеры разделителя в аэрационные диски. Техническим результатом является обеспечение равномерного образования пузырьков в жидкости. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 9 ил.
Настоящее изобретение относится к устройству для получения газовых пузырьков в жидкости, способу получения газовых пузырьков в жидкости путем применения такого устройства, установке для очищения воды, содержащей подобное устройство, а также к способу очищения воды путем применения такой установки.
Описание
Газовые пузырьки в жидкостях являются необходимыми для ряда различных применений, как, например, для растворения газа в жидкости. Область применения газовых пузырьков в жидкостях, представляющая все больший интерес и получающая все большее значение, представляет очищение воды и других жидкостей в рамках так называемого флотационного способа.
Флотация является способом разделения твердо-жидкофазных или жидко-жидкофазных систем с применением гравитационного осаждения. В этом случае получают газовые пузырьки, например, из воздуха и вводят в жидкую фазу, при этом находящиеся в жидкой фазе гидрофобные частицы, как, например, органические вещества или биологические отходы, осаждаются на этих также гидрофобных пузырьках и поднимаются на поверхность благодаря выталкивающей силе, обусловленной газовыми пузырьками. На поверхности жидкой фазы эти агломераты собираются в слой шлама, который механически легко отделяется.
При этом, чем выше удельная поверхность поднимающихся газов, на которую могут осаждаться гидрофобные частицы из воды, которая подлежит очищению, тем сильнее проявляется флотационный эффект. Соответственно, является желательным образование мельчайших пузырьков с диаметром от 10 до 100 мкм в виде скопления пузырьков (также называемого «белая вода»).
Возможность введения газа в виде мельчайших пузырьков в жидкость, которая подлежит очищению, обеспечивается благодаря известному способу DAF (пневматической флотации, dissolved air flotation). В то же время газ, находящийся в жидкости при повышенном давлении в растворенном виде, вводится в жидкость, которая подлежит очищению, и из-за падения давления в жидкости, которая подлежит очищению, газ выделяется в виде мельчайших пузырьков, которые имеют диаметр в микронном диапазоне. Способ DAF обеспечивает очень хорошее осаждение микроводорослей, других микроорганизмов, масел, коллоидов, а также других органических и неорганических частиц из воды, загрязненной в значительной степени, однако требует относительно высокого расхода энергии из-за ввода воздуха в жидкость посредством насыщающей колонки, связанной с высоким расходом энергии. При высоких температурах (выше 30°C) и содержании соли (выше 30000 мг/кг) способ функционирует все менее эффективно или даже не функционирует вообще.
Дополнительная возможность ввода мельчайших газовых пузырьков в жидкость с избеганием высокого расхода энергии, который наблюдается в рамках способа DAF, описана, в частности, в WO 2013/167358 A1, где подача газа осуществляется посредством прямого впуска газа с помощью аэрационной мембраны в жидкость, которая подлежит очищению. В этом случае исключаются рециркулируемый поток, который, напротив, является привычным для способа DAF, и насыщающая колонка, так как газ, например, может быть удален непосредственно из трубопровода сжатого воздуха или газового баллона.
В WO 2016/180853 описывается устройство для получения газовых пузырьков в жидкости, в частности микропузырьков, которое обеспечивает получение пузырьков посредством подходящих аэрационных дисков. Сжатый газ вводится в данном случае в горизонтально расположенный вращающийся полый вал (из внутреннего, меньшего и внешнего, большего полого вала) и посредством аэрационных дисков, которые состоят, например, из керамической мембраны с газовым каналом, направляется в жидкость. Благодаря применению двух полых валов, один из которых находится в другом, обеспечивается равномерное и симметричное распределение давления внутри большего полого вала. Благодаря этому диски симметрично снабжаются газом, и достигается равномерное образование пузырьков в среде, в которую необходимо подавать газ. При этом недостатком, однако, является затратная конструкция из внутреннего и внешнего полого вала и заданное необходимое расположение аэрационных дисков над отверстием для подачи газа во внешнем полом валу, чтобы обеспечить эффективную подачу газа в аэрационный диск.
Таким образом, задача следующего изобретения состоит в том, чтобы предоставить устройство для получения газовых пузырьков в жидкости, изготовление которого является экономически выгодным и которое обеспечивает экономически выгодное, полезное и долгосрочное применение в промышленных масштабах, в частности в рамках очищения загрязненной или соленой воды.
Данная задача решается посредством устройства с признаками, указанными в пункте 1 формулы изобретения.
Соответственно, предоставляется устройство для получения газовых пузырьков в жидкости в контейнере, при этом устройство содержит следующие элементы:
- по меньшей мере один вращающийся газопроницаемый полый вал, расположенный в по меньшей мере одном контейнере,
- аэрационные диски, расположенные на по меньшей мере одном полом валу, и разделители, расположенные между аэрационными дисками, при этом аэрационные диски и разделители расположены поочередно на полом валу в герметичном контакте друг с другом,
- по меньшей мере один подводящий трубопровод для по меньшей мере сжатого газа, проходящий во внутреннее пространство по меньшей мере одного вращающегося полого вала.
В соответствии с настоящим изобретением каждый из разделителей содержит по меньшей мере одно центрированное отверстие (O) для вмещения полого вала и по меньшей мере две камеры (K1, K2), при этом по меньшей мере две камеры (K1, K2) расположены вокруг центрированного отверстия (O) и равноудаленно от него.
В соответствии с настоящим изобретением радиусы центрированного отверстия (O) и радиусы по меньшей мере двух камер (K1, K2) совпадают или перекрываются, так что центрированное отверстие (O) и по меньшей мере две камеры (K1, K2) находятся по меньшей мере в области совпадения в открытом сообщении друг с другом. Иными словами, область совпадения не имеет материала.
Открытое сообщение центрированного отверстия и камер обеспечивает поступление сжатого газа из полого вала соответственно в по меньшей мере одну из камер (K1, K2) разделителя. Затем газ может далее из по меньшей мере одной камеры (K1, K2) разделителя входить в аэрационные диски.
Поскольку между двумя разделителями предпочтительно расположен один аэрационный диск, газ направляется из по меньшей мере одной наполненной газом камеры разделителя в промежуточное пространство между двумя разделителями, при этом промежуточное пространство аэрационного диска является заполненным, и из этого промежуточного пространства направляется в аэрационный диск через подходящие отверстия для подачи газа или подвода газа в аэрационном диске. Благодаря этому диски симметрично снабжаются газом, и достигается равномерное образование микропузырьков в среде, в которую необходимо подавать газ, или в жидкости, которая подлежит очищению.
В одном предпочтительном варианте осуществления представленное устройство содержит по меньшей мере один горизонтально расположенный в по меньшей мере одном контейнере вращающийся газопроницаемый полый вал.
Аэрационные диски могут иметь любую геометрическую форму, которая для описанной функции аэрационных дисков является возможной и целесообразной.
В одном предпочтительном варианте осуществления на этом по меньшей мере одном полом валу предусмотрены круглые аэрационные диски, вертикально по отношению к полому валу, и между аэрационными дисками предусмотрены круглые разделители, при этом аэрационные диски и разделители расположены поочередно на полом валу в герметичном контакте друг с другом.
В другом предпочтительном варианте осуществления каждый из разделителей содержит по меньшей мере одно центрированное круглое отверстие (O) для вмещения полого вала и по меньшей мере три круглые камеры (K1, K2, K3), при этом по меньшей мере три камеры (K1, K2, K3) расположены вокруг центрированного отверстия (O) и равноудаленно от него. Расположение трех камер может быть описано на примере геометрической характеристики трех листков клевера. В целом также является возможным, чтобы разделитель содержал более трех, например четыре, пять или шесть камер. Эти камеры могут также образовываться в виде круговых сегментов.
Как будет указано ниже, керамическая мембрана имеет, например, размер пор два микрометра, что служит образованию пузырьков с размером пузырьков от 40 до 60 мкм. Из-за вращения полого вала и керамических дисков, которые находятся на полом валу, усилия сдвига действуют на газовые пузырьки, которые выходят из керамических дисков, что влияет на размер газовых пузырьков и скопления пузырьков. Сила или величина действующего усилия сдвига имеет, таким образом, непосредственное влияние на эффективность образования пузырьков. На силу самих усилий сдвига, в свою очередь, может влиять скорость вращения полого вала, при этом скорость вращения полого вала может составлять до 400 об/мин.
На пузырьки, образовавшиеся в жидкости в виде скопления пузырьков, впоследствии осаждаются частицы грязи, находящиеся в жидкости (например, органические вещества или биологические вещества), и поднимаются в виде соответствующего агломерата газовых пузырьков на поверхность жидкости. Впоследствии образовавшийся на поверхности жидкости слой твердого вещества можно затем механически отделить. Благодаря специальной комбинации (прямого) впуска газа в подводящий трубопровод и полый вал, а также вертикальному расположению разделителей и аэрационных дисков на горизонтальном полом валу обеспечивается получение мельчайших пузырьков энергетически и, значит, экономически выгодным путем, что делает целесообразным применение устройства в крупных промышленных масштабах.
Как указано выше, каждый разделитель содержит по меньшей мере одно центрированное отверстие (O) с диаметром dO для вмещения полого вала и по меньшей мере две, в частности по меньшей мере три, круглые камеры (K1, K2, K3) с диаметрами dK1, dK2, dK3 соответственно.
Предпочтительно геометрические характеристики, в частности диаметры каждой камеры разделителя, являются равными. В одном варианте эти диаметры находятся в пределах от 5 до 50 мм, предпочтительно от 15 до 50 мм, предпочтительно от 20 до 35 мм.
В одном варианте диаметры каждой камеры являются одинаковыми, и dO являются одинаковыми. Однако также возможно, чтобы диаметры каждой камеры являлись одинаковыми, а dO отличались. В последнем случае dO может, например, составлять от 15 до 20 мм, и диаметры камер могут составлять меньше 10 мм, например от 5 до 10 мм.
В целом диаметры камер, а также dO и, значит, вала и камеры являются вариабельными и соответственно регулируются по отношению друг к другу.
Толщина разделителя зависит от ширины емкости, в которой применяют представленное устройство, и количества аэрационных дисков, необходимых для аэрации. В одном варианте осуществления разделитель выполнен цельным. Но в целом также является вероятным и возможным изготовить разделитель из нескольких частей (например, трех частей) и эти части герметично и крепко друг с другом соединить, например склеить или сварить.
В другом варианте осуществления разделитель изготовлен из металлического или неметаллического материала, предпочтительно образован из синтетического материала. В качестве предпочтительного материала можно применять, например, полиоксиметилен (POM) или поливинилхлорид (PVC).
В одном дополнительном варианте осуществления по меньшей мере один разделитель с внешним диаметром dAвнешний на по меньшей мере одной из его круглых сторон содержит выступ с диаметром dAвыступа, при этом dAвыступа является меньшим, чем dAвнешний. Таким образом, диаметр или радиус выступа являются меньшими, чем общий диаметр разделителя. Так, внешний диаметр dAвнешний может составлять от 50 до 150 мм, предпочтительно от 70 до 120 мм, особенно предпочтительно от 90 до 110 мм, и диаметр выступа dAвыступа может составлять от 30 до 100 мм, предпочтительно от 50 до 90 мм. В одном варианте dAвнешний составляет, например, 110 мм, и dAвыступа, например, составляет 89,9 мм. В целом действует правило, что диаметр выступа является зависимым от внутреннего диаметра аэрационного диска.
Этот по меньшей мере один выступ разделителя служит для вмещения аэрационного диска. В частности, выступ может описываться как центрирующий выступ, на котором расположен аэрационный диск. Дополнительно предусмотрена канавка (канавка под уплотнительное кольцо) для создания уплотнения между аэрационным диском и разделителем. Герметичный контакт между разделителем и аэрационным диском осуществляется посредством наложения аэрационного диска на выступ разделителя и создания уплотнения между аэрационным диском и разделителем (на внешнем радиусе разделителей) при помощи вставленного уплотнительного кольца.
В одном варианте осуществления представлен аэрационный диск в виде кольца, имеющего внутреннюю окружность с внутренним диаметром dBвнутренний и внешнюю окружность с внешним диаметром dBвнешний, при этом внутренний диаметр dBвнутренний аэрационного диска (с небольшим допуском приблизительно 2/10 мм) соответствует диаметру dAвыступа (центрирующего) выступа разделителя.
В дополнительном варианте осуществления представленного устройства аэрационный диск вдоль внутренней окружности содержит равномерно распределенные отверстия для газа. Так, размер отверстий может составлять приблизительно 2x5 мм, и они могут располагаться на расстоянии 13 мм друг от друга. Размер отверстий для газа и расстояние между ними могут быть, однако, выбраны произвольно.
Газ, который поступает по полому валу в камеры разделителя, распространяется в (герметичном) промежуточном пространстве, заполненном благодаря аэрационному диску, между двумя разделителями и входит в отверстия для газа аэрационного диска.
Аэрационный диск, как правило, имеет внешний диаметр от 100 до 500 мм, предпочтительно от 150 до 350 мм. Керамика оказалась особенно подходящим материалом для аэрационных дисков, в частности оксид алюминия a-Al2O3. Однако применимы также другие керамические оксиды и вещества, не являющиеся оксидами, такие как карбид кремния или оксид циркония.
В дополнительном варианте осуществления представленного устройства по меньшей мере один аэрационный диск состоит из керамического материала со средним размером пор от 0,05 мкм до 20 мкм, предпочтительно от 0,1 до 10 мкм, особенно предпочтительно от 2 до 5 мкм. Размер пор 2 мкм или 3 мкм является при этом наиболее предпочтительным.
Средний диаметр пузырьков, которые подаются в жидкость через аэрационный диск или аэрационную мембрану, может составлять от 10 мкм до 200 мкм, предпочтительно от 20 мкм до 100 мкм, особенно предпочтительно от 30 до 80 мкм, еще более предпочтительно 50 мкм. На получение пузырьков на аэрационной мембране или аэрационном диске, в частности, могут влиять соответствующий объемный расход газа и давление. Чем выше является давление, тем больше по количеству и по размеру при этом возникает пузырьков. При этом установленный объемный расход играет в данном случае исключительно второстепенную роль.
Дополнительно предусмотрено, что на по меньшей мере одном вращающемся полом валу расположено от 2 до 100, предпочтительно от 10 до 50, особенно предпочтительно от 15 до 30 аэрационных дисков и разделителей.
В одном варианте представленного устройства по меньшей мере один полый вал вращается со скоростью вращения от 50 до 400 об/мин, предпочтительно от 100 до 300 об/мин, особенно предпочтительно от 180 до 220 об/мин. Угловая скорость зависит от размера аэрационных дисков. Так, угловая скорость в случае небольших аэрационных дисков (например, d = 152 мм) может находиться в пределах 180–200 об/мин, тогда как в случае больших аэрационных дисков (например, d = 312 мм) угловая скорость находится в пределах 100–120 об/мин. Скорость вращения полого вала и, значит, также скорость вращения аэрационных дисков, равно как количество газа и давление газа, можно менять в режиме «онлайн» (реального времени) во время эксплуатации устройства в зависимости от предпочтительных параметров образования пузырьков, то есть количества и размера пузырьков.
В дополнительном варианте представленного устройства по меньшей мере один подаваемый сжатый газ выбран из группы, состоящей из воздуха, двуокиси углерода, азота, озона, метана или природного газа. Метан находит особое применение при удалении нефти и газа из жидкости, как, например, в случае очищения накопившейся жидкости при гидравлическом разрыве пласта. Озон, в свою очередь, благодаря своим окислительным и антибактериальным свойствам может применяться для очищения воды из аквакультуры.
Сжатый газ подается, как описано выше, в по меньшей мере один подводящий трубопровод и, значит, затем непосредственно в по меньшей мере один полый вал без жидкости-носителя. Соответственно, происходит прямой впуск сжатого газа непосредственно из резервуара для газа, как, например, из газового баллона или соответствующего газопровода. Таким образом, газ не требует жидкости-носителя, как, например, это предусмотрено в случае DAF, так что нет необходимости в рециркулируемом потоке и насыщающей колонке, а также в энергии уплотнения для достижения высокого уровня давления в рециркулируемом потоке при DAF. Дополнительное преимущество прямого впуска сжатого газа без жидкости-носителя состоит в том, что обеспечивается простое и энергетически не затратное получение микропузырьков.
Давление газа, который подается в по меньшей мере один полый вал, составляет от 1 до 5 бар, предпочтительно от 2 до 3 бар. Чтобы достичь этого уровня давления в полом валу, в подводящий трубопровод для газа вводится по меньшей мере один сжатый газ с давлением от 5 до 10 бар. В целом действует правило, что давление введенного газа должно быть больше, чем сумма давления в валу и потери давления. Ход давления внутри полого вала предпочтительно является постоянным.
В дополнительном варианте представленного устройства по меньшей мере один полый вал изготовляется из нержавеющей стали, как, например, V2A или 4VA, материал типа «Дуплекс» или «Супер дуплекс», или из синтетического материала. Общий диаметр полого вала составляет от 10 до 50 мм.
Полый вал состоит из газопроницаемого материала (например, перфорированного материала), так что газ может входить из внутреннего пространства полого вала в камеры разделителя и оттуда в аэрационные диски. Газопроницаемость материала полого вала может быть достигнута посредством отверстий с диаметром от 1 до 5 мм, которые могут быть расположены или распределены на различных позициях. Также возможно применение материала со сделанными в нем прорезями или сети (жесткой).
Полый вал имеет на своих обоих концах соответственно т. наз. концевой элемент вала. Концевые элементы вала служат, во-первых, для герметичного закрытия комбинации из аэрационных дисков и разделителей, во-вторых, для скрепления этой комбинации и, в-третьих, для вмещения соответствующей опоры полого вала. Дополнительно предусмотрено, чтобы по меньшей мере один полый вал располагался при помощи концевых элементов вала соответственно в двух фиксаторах вала с соответствующими опорами.
На конце или на концевом элементе вала в особом варианте вместе предусмотрены по меньшей мере один подводящий трубопровод для сжатого газа, проходящий в полый вал, и по меньшей мере один привод для вращения полого вала. Подача воздуха и привод полого вала, следовательно, предусмотрены в одной части на одной стороне или одном конце полого вала. Однако также возможно, чтобы подача воздуха и привод были предусмотрены на разных или противоположных концах полого вала. Уплотнение и подача воздуха на стороне привода осуществляются посредством модифицированного контактного уплотнительного кольца. Известны моторы для привода полых валов, и их можно выбрать из разнообразного ассортимента в зависимости от величины установки.
Концевой элемент вала со стороны привода и со стороны подачи газа физически соединен с полым валом. Благодаря этому возникает герметичное соединение, которое также выдерживает поворот и растяжение. На стороне, противоположной приводу, находится гайка вала. Внешний вал служит в качестве затяжки. При помощи концевого элемента вала, который посажен на полый вал с возможностью перемещения, на другой стороне от привода комбинация из аэрационных дисков и разделителей с лежащими между ними уплотнительными кольцами затягивается посредством завинчивания гайки вала и герметизируется до достижения средней герметизации.
Расположение привода для устройства может быть снаружи или внутри резервуара или контейнера, в который устройство погружено и в котором его применяют.
Устройство согласно настоящему изобретению применяют в способе получения газовых пузырьков в жидкости в контейнере, при этом способ включает следующие этапы:
- введение сжатого газа в по меньшей мере один подводящий трубопровод, при этом сжатый газ предпочтительно непосредственно без жидкости-носителя подают в подводящий трубопровод;
- введение сжатого газа во внутреннее пространство по меньшей мере одного, в частности, горизонтально расположенного вращающегося полого вала, при этом по меньшей мере один полый вал вращается со скоростью вращения от 50 до 400 об/мин, предпочтительно от 100 до 300 об/мин, особенно предпочтительно от 180 до 220 об/мин, и
- подачу сжатого газа по разделителям и аэрационным дискам, расположенным, в частности, вертикально на вращающемся полом валу, в жидкость с получением газовых пузырьков.
Благодаря представленному способу возможно получать пузырьки в жидкости с размером пузырьков от 1 мкм до 200 мкм, предпочтительно от 20 мкм до 100 мкм, особенно предпочтительно от 30 до 89 мкм, еще более предпочтительно от 45 мкм до 50 мкм.
В предпочтительном варианте представленное устройство применяют для получения газовых пузырьков в установке для очищения жидкости, предпочтительно воды, в частности для очищения соленой воды или ее предварительного очищения, шламовых сточных вод и других загрязненных жидкостей.
Такая установка для очищения жидкости, как, например, воды, содержит по меньшей мере один контейнер с устройством для получения газовых пузырьков в соответствии с вышеизложенным описанием и по меньшей мере один контейнер (флотационную камеру) для вмещения по меньшей мере одной жидкости, перемешанной с пузырьками, при этом данный контейнер содержит по меньшей мере один фильтрационный блок для отделения органических компонентов, содержащихся в жидкости.
В одном варианте представленного расположения дополнительно к контейнеру с устройством для получения газовых пузырьков может быть включен по меньшей мере один коагуляционный блок для вмещения жидкости, которая подлежит очищению, и для вмещения по меньшей мере одного коагулянта для коагулирования компонентов, содержащихся в жидкости.
В дополнительном варианте представленной установки по меньшей мере один коагуляционный блок, по меньшей мере одно устройство для получения газовых пузырьков и по меньшей мере один контейнер (флотационная камера) с по меньшей мере одним фильтрационным блоком расположены таким образом по отношению друг к другу, что они находятся друг с другом в сообщении по текучей среде, так что перемешанная с коагулирующим средством жидкость, которая подлежит очищению, передается из коагуляционного блока в устройство для получения газовых пузырьков и затем из этого устройства в контейнер (флотационную камеру) с фильтрационным блоком.
Коагуляционный блок может либо быть выполнен как отдельный блок, отделенный от других контейнеров, либо быть соединенным цельно с дополнительными контейнерами. В жидкость, которая подлежит очищению, как, например, вода, которая подлежит очищению, вводится подходящее коагулирующее средство, как, например, соли Fe3+ или Al3+, например FeCl3, и в некоторых случаях интенсивно смешивают с жидкостью путем применения импеллера или статического смешивающего устройства. Жидкость, перемешанная с коагулирующим средством в коагуляционном блоке, затем предпочтительно передается в по меньшей мере один контейнер с устройством для получения газовых пузырьков в виде потока жидкости, при этом поток жидкости в этом контейнере перемешивается с газовыми пузырьками, введенными посредством устройства для получения газовых пузырьков.
Образующийся при этом агломерат газовых пузырьков и подвергнутых коагулированию органических компонентов затем поступает в дальнейший контейнер (флотационную камеру) с по меньшей мере одним фильтрационным блоком, при этом агломерат газовых пузырьков и подвергнутые коагулированию органические компоненты во флотационной камере поднимаются на поверхность жидкости, там собираются, и их механически отделяют. Жидкость, из которой таким образом было удалено большинство органических компонентов, затем перегоняется посредством фильтрационного блока, расположенного на поверхности дна флотационной камеры, и подвергается дальнейшим этапам очистки. Соответственно, в одном варианте осуществления представленной установки имеется по меньшей мере один фильтрационный блок во флотационной камере под слоем, образованным посредством вынесенных наверх подвергнутых коагулированию органических компонентов. Особенно предпочтительно, если по меньшей мере один фильтрационный блок расположен на дне флотационной камеры, и, соответственно, предусмотрено, что он погружен в область флотационной камеры, где находится жидкость.
Фильтрационный блок имеет, в частности, прямоугольную форму, адаптированную под контейнер (флотационную камеру). Длина фильтрационного блока предпочтительно соответствует от 0,5 до 0,8, особенно предпочтительно 0,6 длины флотационной камеры. Ширина фильтрационного блока предпочтительно соответствует от 0,6 до 0,9, особенно предпочтительно 0,8 ширины флотационной камеры. Таким образом, фильтрационный блок полностью не проходит по всей ширине флотационной камеры, а, напротив, находится на небольшом расстоянии от ее продолговатых боковых стенок. Вверху фильтрационный блок выполнен таким образом, что он в этой области соответствует от 0,1 до 0,9, предпочтительно от 0,6 до 0,7 высоты контейнера (флотационной камеры). Само собой разумеется, что у применяемого фильтрационного блока возможны также другие параметры.
В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один фильтрационный блок представлен в виде керамической фильтрационной мембраны, в частности в виде керамической микро- или ультрафильтрационной мембраны. Подобные керамические фильтрационные мембраны имеют высокую устойчивость к воздействию химических веществ и долгий срок эксплуатации. Кроме того, керамические фильтрационные мембраны являются водопроницаемыми и менее подвержены загрязнению, поскольку они, будучи полимерными мембранами, имеют высокую гидрофильность. Благодаря их механической стабильности нет необходимости в предварительной фильтрации. Особенно предпочтительным оказался мембранный модуль, который имеет средний размер пор от 20 нм до 500 нм, предпочтительно от 100 нм до 300 нм, особенно предпочтительно 200 нм. Предпочтительно применяемый фильтрационный мембранный модуль может изготовляться из нескольких пластин, одной или нескольких труб или иметь другие геометрические формы. Особенно предпочтительным керамическим материалом оказался оксид алюминия в виде a-Al2O3, однако применимы другие керамические оксиды или вещества, не являющиеся оксидами, как карбид кремния или оксид циркония, в фильтрационном блоке.
В другом предпочтительном варианте осуществления установка, в данном случае, в частности, флотационная камера, содержит средство для вовлечения воздуха в фильтрационный блок, чтобы подходящим образом осуществлять вовлечение воздуха в по меньшей мере один фильтрационный блок. Подходящее средство для вовлечения воздуха может, например, быть представлено в виде перфорированных шлангов или труб. В средство для вовлечения воздуха может подаваться воздух, чтобы осуществлять большие усилия сдвига на поверхности фильтрационного блока для избегания загрязнения поверхности мембраны или сведения его к минимуму. Дополнительной возможностью для предупреждения или уменьшения загрязнения фильтрационного блока является очистка подходящими химическими веществами, такими как лимонная кислота, для предупреждения неорганического загрязнения или подходящим окисляющим средством, как, например, гидрохлорид натрия, для уменьшения биологического загрязнения.
Соответственно, описанную установку можно применять в способе очищения жидкости, в частности очищения воды, как, например, очищения или предварительного очищения морской воды. При этом такой способ включает этапы:
- необязательного введения жидкости, которая подлежит очищению, в по меньшей мере один коагуляционный блок и добавления по меньшей мере одного коагулирующего средства в жидкость, которая подлежит очищению, для коагулирования компонентов, которые содержатся в жидкости, как, например, органических компонентов,
- передачи жидкости, необязательно перемешанной с по меньшей мере одним коагулирующим средством, в по меньшей мере один расположенный ниже контейнер с устройством для получения газовых пузырьков и приведения в контакт жидкости, необязательно перемешанной с коагулирующим средством, с газовыми пузырьками, которые подаются в этом контейнере, для получения агломерата газовых пузырьков, в частности агломерата газовых микропузырьков и коагулянтов,
- передачи жидкости, перемешанной с газовыми пузырьками и необязательным коагулирующим средством, во флотационную камеру, при этом агломерат газовых пузырьков, поднимающихся на поверхность флотационной камеры, отделяют, и
- перегонки жидкости с удаленным агломератом газовых пузырьков через по меньшей мере один расположенный во флотационной камере фильтрационный блок, и
- подведения жидкости, перегнанной через фильтрационный блок, для дальнейших этапов очистки.
Представленный способ, соответственно, отображает комбинированный процесс получения газовых пузырьков путем применения аэрационных дисков, расположенных вертикально на полом валу, микрофлотации и фильтрации через мембранный фильтр в одном блоке устройства.
Изобретение будет объяснено более подробно ниже со ссылкой на фигуры графических материалов в отношении примера осуществления. На графических материалах:
на фиг. 1A показан первый схематический боковой вид устройства для получения газовых пузырьков в жидкости в соответствии с одним вариантом осуществления;
на фиг. 1B показан второй схематический боковой вид устройства для получения газовых пузырьков в жидкости в соответствии с одним вариантом осуществления;
на фиг. 2A показан первый схематический боковой вид разделителя, применяемого в устройстве для получения газовых пузырьков в жидкости;
на фиг. 2B показан второй схематический вид разделителя, применяемого в устройстве для получения газовых пузырьков в жидкости;
на фиг. 2C показан третий схематический вид разделителя, применяемого в устройстве для получения газовых пузырьков в жидкости;
на фиг. 3A показан схематический вид концевого элемента полого вала с устройством подачи воздуха и приводом;
на фиг. 3B показан схематический вид первого варианта расположения привода для устройства (в закрытой версии);
на фиг. 3C показан схематический вид второго варианта расположения привода для устройства (в открытой версии);
на фиг. 4 показан схематический боковой вид установки для очищения жидкости, содержащей устройство для получения газовых пузырьков.
Общая конструкция первого варианта осуществления устройства согласно настоящему изобретению для получения газовых пузырьков показана на фиг. 1A.
Боковой вид на фиг. 1A содержит устройство 1 с подводящим трубопроводом 2 для подвода сжатого газа, полый вал 3, а также аэрационные диски 4 и разделители 5, расположенные поочередно на полом валу 3. Сжатый газ вводится посредством полого вала 3 в разделители 5 и далее в аэрационные диски 4.
В показанном на фиг. 1A варианте осуществления на полом валу расположено несколько круглых аэрационных дисков из керамического материала. Керамические диски состоят из оксида алюминия, имеют внешний диаметр 152 мм и внутренний диаметр 25,5 мм. Поверхность мембраны составляет 0,036 м2, и размер пор аэрационных дисков находится в пределах 2 мкм. Газ вводится из полого вала 3 в полость керамического диска 4 и проникает из внутреннего пространства полости через поры керамического материала в жидкость, которая подлежит очищению, которая находится вокруг и вверху полого вала, снабженного аэрационными дисками, с образованием микропузырьков с размером пузырьков от 45 до 50 мкм. Аэрационные диски 4 расположены на полом валу с помощью креплений из нержавеющей стали или синтетического материала. Расстояние между аэрационными дисками соответствует толщине разделителей 5.
Вместе с подводящим трубопроводом 2 для газа на том же концевом элементе вала предусмотрено подходящее устройство 6 для приведения полого вала в движение. Это устройство может быть предусмотрено в виде мотора, который передает соответствующее вращательное движение посредством нескольких передач на полый вал.
Показанный на фиг. 1B вариант осуществления изображает конструкцию полого вала 3 и расположение разделителей 5 и аэрационных дисков 4 на полом валу 3.
Аэрационные диски 4 и разделители 5 поочередно расположены на полом валу 3 в герметичном контакте. Герметичный контакт обеспечивается благодаря специальной конструкции разделителя 5 (см. также фиг. 2A–C). Газ попадает по подводящему трубопроводу 2 в полый вал 3, оттуда вводится в разделитель 5 и оттуда – в аэрационные диски. Таким образом, керамические аэрационные диски 4 обеспечиваются газом, и достигается равномерное производство пузырьков в среде, в которую необходимо подавать газ. Полый вал 3 может быть изготовлен из металлических, а также неметаллических материалов.
Разделители детализировано показаны на фиг. 2A–2C. Каждый из разделителей 5 имеет центрированное отверстие (O) с диаметром dO для вмещения полого вала и по меньшей мере две или три, в частности, круглые камеры (K1, K2, K3) с диаметрами dK1, dK2, dK3 соответственно. В случае варианта осуществления, показанного на фиг. 2A–C, каждый из диаметров dK1, dK2, dK3 и dO составляет 35 мм. Эти значения, однако, являются вариабельными и зависят от общего размера устройства.
Радиусы центрированного отверстия (O) и радиусы двух или трех круглых камер (K1, K2, K3) совпадают или перекрываются, так что центрированное отверстие (O) и две или три камеры (K1, K2, K3) находятся по меньшей мере в области 5b совпадения в открытом сообщении друг с другом. Открытое сообщение центрированного отверстия и камер обеспечивает поступление сжатого газа из полого вала, соответственно, в по меньшей мере одну из камер K1, K2, K3 разделителя 5. Затем газ может далее из одной из камер K1, K2, K3 разделителя 5 входить в аэрационные диски 4.
В вариантах осуществления фиг. 2A–2C один разделитель 5 с внешним диаметром dAвнешний на своих круглых сторонах содержит выступ 5a с диаметром dAвыступа, при этом dAвыступа является меньшим, чем dAвнешний.
Центрирующий выступ 5a разделителя служит для вмещения или приведения в контакт с аэрационным диском 4. Герметичный контакт между разделителем 5 и аэрационным диском 4 осуществляется посредством наложения аэрационного диска 4 на выступ 5a разделителя 5 и создания уплотнения между аэрационным диском и разделителем (на внешнем радиусе разделителей).
Аэрационный диск 4 представлен в виде кольца, имеющего внутреннюю окружность с внутренним диаметром dBвнутренний и внешнюю окружность с внешним диаметром dBвнешний, при этом внутренний диаметр dBвнутренний аэрационного диска соответствует диаметру dAвыступа (центрирующего) выступа разделителя (см. фиг. 2C).
Вдоль внутренней окружности аэрационного диска предусмотрены равномерно распределенные отверстия 4a для газа (см. фиг. 2C).
Введение газа из камеры K1, K2, K3 разделителя в аэрационный диск 4 проистекает из того обстоятельства, что каждый аэрационный диск 4 расположен между двумя разделителями 5. Газ направляется из наполненной газом камеры разделителя в промежуточное пространство между двумя разделителями, при этом промежуточное пространство аэрационного диска является заполненным, и далее из этого промежуточного пространства направляется в аэрационный диск через подходящие отверстия для подачи газа или подвода газа в аэрационном диске.
На фиг. 3A показан концевой элемент вала, где комбинированно представлены устройство 2 подачи воздуха и привод 6. Привод 6 для вращательного движения вала может непосредственно находиться на валу, но может также приводиться в действие посредством различных механических изменений направлений силы, например посредством конической зубчатой передачи, понижающей передачи под углом 90°. Таким образом, привод 6 вала может находиться, с одной стороны, в среде, в которую необходимо подавать газ, но, с другой стороны, также вне среды, в которую необходимо подать газ. Привод 6 может быть представлен всеми известными типами приводов (например, электрическим/использующим гидравлическую энергию/использующим атмосферное давление).
Вал 3 расположен по меньшей мере на двух позициях, при этом можно применять различные типы роликовых подшипников, например, шариковые подшипники, радиальные шариковые подшипники, игольчатые подшипники, цилиндрические подшипники, подшипники скольжения.
Подача 2 газа во вращающийся вал должна осуществляться с помощью по меньшей мере одного уплотнителя. Он может размещаться как внутри, так и вне среды, в которую необходимо подавать газ.
Уплотнение концевого элемента вала с первым аэрационным диском или с первым разделителем происходит через уплотнительное кольцо. При этом канавка под уплотнительное кольцо может прорезаться в концевой элемент вала.
На фиг. 3B показан первый вариант (в закрытой версии) для расположения привода 6 (мотора) устройства 1. Привод 6 в данном случае находится снаружи резервуара или контейнера, в который устройство 1 погружено и в котором его применяют. Передача осуществляется посредством вращающегося коллектора на стенке контейнера.
На фиг. 3C показан второй вариант (в открытой версии) для расположения привода 6 (мотора) устройства 1. В данном случае привод 6 находится внутри резервуара или контейнера, в который устройство 1 погружено и в котором его применяют. Эти варианты осуществления позволяют осуществить простую интеграцию устройства в существующие системы, поскольку нет необходимости сверлить отверстия в стенке контейнера.
На фиг. 4, в свою очередь, показано схематическое изображение установки 20 для очищения жидкости, в частности воды, которая содержит по меньшей мере один из вышеизложенных вариантов осуществления устройства для получения газовых пузырьков. На боковом виде установки 20 на фиг. 4 показан коагуляционный блок 10, в который подают воду, которая подлежит очищению, и коагулянт. После смешивания воды, которая подлежит очищению, с коагулянтом, например, путем применения импеллера смесь из коагуляционного блока 10 вводится через перегородку в дальнейший отдельный участок или контейнер 20, в котором предусмотрен по меньшей мере один полый вал 20a с четырьмя аэрационными дисками в соответствии с вариантом осуществления по фиг. 1.
В представленном экспериментальном способе применяют загрязненную воду, которая перемешана с гуминовыми веществами. Общее количество органических веществ в загрязненной воде в данном случае симулирует гуминовые вещества, которые в природе также возникают вследствие естественного биологического разложения. Для коагулирования содержащихся в воде гуминовых веществ предложены, прежде всего, железо- и алюминийсодержащие вещества, содержащие трехвалентные ионы, в качестве осаждающего средства. В представленном случае раствор FeCl3 применяют в качестве коагулирующего средства. После добавления коагулирующего средства путем применения статического смешивающего устройства в коагуляционном блоке 10 осуществляется коагулирование гуминовых кислот, содержащихся в загрязненной воде, посредством коагулянта FeCl3.
Загрязненная вода, перемешанная с FeCl3, вводится после этого из коагуляционного блока 10 в аэрационное устройство, состоящее из контейнера 20, который содержит полый вал с четырьмя аэрационными дисками, с объемным расходом, составляющим 400–700 л/ч.
Посредством аэрационного устройства 20a согласно настоящему изобретению в контейнер 20 осуществляется впуск воздуха, причем это приводит к образованию микропузырьков непосредственно в введенной воде, перемешанной с коагулянтом. Аэрационные диски или аэрационные пластины аэрационного устройства вращаются равнонаправленно со скоростью вращения 180 об/мин, при этом возникает смещение фаз, составляющее 180°. Образованные микропузырьки соединяются с коагулянтами с образованием агломератов воздушных пузырьков и коагулянтов, которые в дальнейшем вводятся в предусмотренную вниз по потоку флотационную камеру 30. Благодаря осаждению микропузырьков на подвергнутые коагулированию органические компоненты соответствующие образованные агломераты поднимаются во флотационной камере в направлении поверхности жидкости, которая находится во флотационной камере 30, и образуют на поверхности воды слой твердого вещества, который отделяется механически, например путем применения скребков. Под этим слоем твердого вещества находится предварительно очищенная вода во флотационной камере 30. Предварительно очищенная таким образом вода перегоняется путем применения подходящего насоса через фильтрационный блок 40, расположенный во флотационной камере 30, и предоставляется в качестве очищенной воды для дальнейшей обработки, как, например, для дальнейших процессов обессоливания. Чтобы избежать загрязнения поверхности фильтрационного блока 40, воздух может непосредственно направляться на поверхность фильтрационного блока 40 посредством снабженных отверстиями шлангов или труб, благодаря чему обеспечивается механическое удаление осаждений на поверхности фильтрационного блока 40.
1. Устройство (1) для получения газовых пузырьков в жидкости в контейнере, содержащее:
- по меньшей мере один вращающийся газопроницаемый полый вал (3), расположенный в по меньшей мере одном контейнере,
- аэрационные диски (4), расположенные на по меньшей мере одном полом валу (3), и разделители (5), расположенные между аэрационными дисками (4), при этом аэрационные диски (4) и разделители (5) расположены поочередно на полом валу (3) в герметичном контакте друг с другом,
- по меньшей мере один подводящий трубопровод (2) для по меньшей мере одного сжатого газа, проходящий во внутреннее пространство по меньшей мере одного вращающегося полого вала (3),
отличающееся тем, что
каждый из разделителей (5) содержит по меньшей мере одно центрированное отверстие (O) для вмещения полого вала (3) и по меньшей мере две камеры (K1, K2),
при этом по меньшей мере две камеры (K1, K2) расположены вокруг центрированного отверстия (O) и равноудаленно от него,
при этом центрированное отверстие (O) и по меньшей мере две камеры (K1, K2) по меньшей мере частично совпадают,
при этом центрированное отверстие (O) и по меньшей мере две камеры (K1, K2) находятся по меньшей мере в области совпадения в открытом сообщении друг с другом, так что сжатый газ из полого вала (3) может поступать соответственно в по меньшей мере одну из камер (K1, K2) разделителя (5) и может входить из по меньшей мере одной камеры (K1, K2) разделителя (5) в аэрационные диски (4).
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере один полый вал (3) в по меньшей мере одном контейнере расположен горизонтально.
3. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что аэрационные диски (4) выполнены круглыми и расположены вертикально по отношению к полому валу на по меньшей мере одном полом валу (3).
4. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что разделители (5) выполнены круглыми.
5. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что разделитель (5) содержит по меньшей мере три круглые камеры (K1, K2, K3), при этом по меньшей мере три камеры (K1, K2, K3) расположены вокруг центрированного отверстия (O) и равноудаленно от него.
6. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что геометрические характеристики, в частности диаметры каждой из камер разделителя (5), являются одинаковыми.
7. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере один разделитель (5) с внешним диаметром dAвнешний на по меньшей мере одной из своих круглых сторон содержит выступ (5a) с диаметром dAвыступа, при этом dAвыступа является меньшим, чем dAвнешний.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что по меньшей мере один выступ (5a) разделителя (5) служит для вмещения/наложения аэрационного диска (4).
9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что аэрационный диск (4) представлен в виде кольца, имеющего внутреннюю окружность с внутренним диаметром dBвнутренний и внешнюю окружность с внешним диаметром dBвнешний, при этом внутренний диаметр dBвнутренний аэрационного диска (4) соответствует диаметру dAвыступа (центрирующего) выступа (5a) разделителя с допуском.
10. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что аэрационный диск (4) содержит вдоль внутренней окружности равномерно распределенные отверстия для газа.
11. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что аэрационные диски (4) являются керамическими аэрационными дисками со средним размером пор от 0,05 мкм до 20 мкм, предпочтительно от 0,1 мкм до 10 мкм, особенно предпочтительно от 2 мкм до 5 мкм.
12. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что на по меньшей мере одном вращающемся полом валу расположено от 2 до 100, предпочтительно от 10 до 50, особенно предпочтительно от 15 до 30 аэрационных дисков и разделителей.
13. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере один подводящий трубопровод (2) для сжатого газа, проходящий в полый вал, и по меньшей мере один привод для вращения полого вала предусмотрены на одном концевом элементе вала или на разных концевых элементах вала.
14. Способ получения газовых пузырьков в жидкости в контейнере путем применения по меньшей мере одного устройства по любому из пп.1–13, при этом способ включает следующие этапы:
- введение сжатого газа в по меньшей мере один подводящий трубопровод (2), при этом сжатый газ непосредственно без жидкости-носителя подают в подводящий трубопровод (2);
- введение сжатого газа во внутреннее пространство по меньшей мере одного горизонтально расположенного вращающегося полого вала (3), при этом по меньшей мере один полый вал (3) вращается со скоростью вращения от 50 до 400 об/мин,
- подачу сжатого газа по разделителям (5) и аэрационным дискам (4), расположенным вертикально на горизонтальном вращающемся полом валу (3), в жидкость с получением газовых пузырьков.
15. Способ по п.14, отличающийся тем, что по меньшей мере один полый вал (3) вращается со скоростью вращения от 100 до 300 об/мин, предпочтительно от 180 до 220 об/мин.
16. Способ по п.14 или 15, отличающийся тем, что пузырьки, полученные в жидкости, имеют размер пузырьков от 1 мкм до 200 мкм, предпочтительно от 20 мкм до 80 мкм, особенно предпочтительно от 45 мкм до 50 мкм.
