ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЗАМЕРА ОБЪЕМА БИОГАЗА, ОБРАЗОВАВШЕГОСЯ ПРИ РАЗЛОЖЕНИИ ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В АНАЭРОБНЫХ УСЛОВИЯХ

Полезная модель относится к лабораторному оборудованию, а именно к установкам исследования в анаэробных условиях способности к биоразложению, биогазового потенциала органических материалов путем замера объема образовавшегося биогаза.
Известна лабораторная установка для исследования метанового сбраживания органических отходов с получением биогаза (RU 105449, опубл. 10.06.2011), состоящая из биореактора, ресивера соединенного с гидрозатвором, биореактор снабжен мешалкой, ручка которого герметично закреплена в крышке и герметичной гильзой, в полости которой установлен нагреватель, соединенный с автоматическим регулятором температуры, имеющим датчик, расположенный в биореакторе.
Недостатками данной лабораторной установки являются громоздкость и сложность конструкции, дороговизна оборудования, что делает невозможным одновременное использование нескольких установок для серии тестов с необходимым числом повторности. Конструкцией не предусмотрена возможность отбора биогаза исходного состава, а отбор газовой пробы осуществляется только после прохождения гидрозатвора, который для ряда газовых компонентов выступает в качестве абсорбента, что ведет к изменению состава биогаза, хранящегося в ресивере.
Наиболее близкой к заявляемой является установка для измерения объема образовавшегося биогаза по его давлению (ГОСТ 32475-2013), в которой осуществляют инкубацию исследуемого органического материала в стеклянный сосуд с герметичной газонепроницаемой мембранной, промежуточное измерение объема биогаза с использованием мембранного манометра с регистрацией давления газовой фазы и времени, затраченного на его образование.
Недостатком оборудования является малая представительность пробы при исследовании сильно гетерогенных материалов с высокой газогенерирующей способностью, поскольку при осуществлении исследований возникает необходимость в увеличении объема свободного пространства внутри инкубационной камеры за счет уменьшения объема исследуемой пробы, что снижает достоверность исследований из-за низкой точности замеров.
Кроме того, существует риск нарушения герметичности газонепроницаемой мембраны при проколе ее иглой с целью отбора газовой пробы на анализ или с целью понижения избыточного давления внутри инкубационной камеры посредством выпуска газа.
Техническая задача заключается в создании удобной в эксплуатации лабораторной установки для замера объема биогаза, образовавшегося при разложении сильно гетерогенных органических материалов с высокой газогенерирующей способностью в анаэробных условиях, обеспечивающей высокую точность замеров и достоверность полученных результатов при исследовании.
Технический результат - повышение точности замеров и достоверности полученных результатов при исследовании сильно гетерогенных органических материалов с высокой газогенерирующей способностью за счет достаточно высокой массы исследуемого материала и исключения необходимости увеличения свободного пространства в инкубационной камере установки, а также избежание риска нарушения герметичности установки.
Сущность полезной модели заключается в том, что в лабораторной установке для замера объема биогаза, образовавшегося при разложении органических материалов в анаэробных условиях, включающей инкубационную камеру с герметичной крышкой, газоизмерительную систему, согласно п. 1 формулы, газооизмерительная система содержит напорный сосуд с напорной жидкостью, в котором размещена газоприемная градуированная емкость днищем кверху, газоотводящую трубку с одноходовым краном, установленную в крышке инкубационной камеры, газозаборную трубку с одноходовым краном, а также трубку и емкость сброса вытесняемой напорной жидкости, при этом газоотводящая трубка размещена внутри напорного сосуда с возможностью подвода биогаза во внутреннюю полость газоприемной емкости, а газозаборная трубка - в верхней части газоприемной емкости с возможностью забора биогаза выше уровня напорной жидкости, при этом трубка сброса расположена в верхней части напорного сосуда, а герметичная крышка выполнена с технической трубкой.
Кроме того, согласно п. 2 формулы напорная жидкость представляет собой подкисленный солевой раствор.
Заявляемая конструкция лабораторной установки обеспечивает в непрерывном режиме отвод биогаза, который образуется при биологическом разложении органического материала в анаэробных условиях, из емкости инкубационной камеры в газоприемную градуированную емкость, что дает возможность практически весь объем инкубационной камеры использовать для заполнения исследуемым органическим материалом, тем самым увеличить массу и объем исследуемого материала и, как следствие, повысить представительность пробы при гетерогенном составе исследуемого материала. Внутри инкубационной камеры не возникает значительного избыточного давления, что обеспечивает нормальные условия протекания процесса газообразования без риска нарушения герметичности установки.
Техническая трубка, встроенная в герметичную крышку инкубационной камеры, обеспечивает возможность продувки системы инертным газом и добавления при необходимости реагентов для промывки исследуемого органического материала.
Газоприемная емкость обеспечивает сохранность газа при неизменном его составе. Она выполнена с градуировкой, что дает возможность оценивать скорость образования биогаза за отдельные промежутки времени, повышая точность и достоверность исследований.
Трубка сброса расположена в верхней части напорного сосуда, что обеспечивает отвод избыточного количества напорной жидкости из напорного сосуда в емкость сбора вытесняемой запорной жидкости, обеспечивая постоянную высоту уровня напорной жидкости, что ведет к уменьшению числа фиксируемых показателей в ходе эксперимента и облегчает дальнейший расчет объема образовавшегося биогаза.
Газоотводящая трубка входным концом размещена в инкубационной камере, далее проходит внутри напорного сосуда вдоль ее стенок, выходной конец ее расположен в нижней части внутренней полости напорного сосуда, заполненного напорной жидкостью. Такое расположение газоотводящей трубки обеспечивает непрерывный отвод биогаза из инкубационной камеры в газоприемную емкость с сохранением герметичных условий протекания процесса газообразования.
Газозаборная трубка размещена в верхней части газоприемной емкости, т.е. над поверхностью напорной жидкости в свободном газовом пространстве, что исключает попадание жидкости в газозаборную трубку, т.к. напорная емкость и запорная жидкость образуют гидрозатвор. В противном случае выпуск биогаза будет затруднен, а точность замеров не будет обеспечена.
Напорная жидкость представляет собой, например, насыщенный солевой раствор (например, 25% NaCl), подкисленный серной или соляной кислотой и подкрашенный в розовый цвет индикатором метилоранжем. Использование в качестве напорной жидкости подкисленного солевого раствора предотвращает абсорбцию газовых компонентов биогаза, что позволяет собирать и хранить биогаз без изменения его состава. Розовый цвет напорной жидкости обеспечивает четкое прочтение границ раздела фаз, что облегчает снятие показаний накопленного объема биогаза в газоприемной емкости.
Полезная модель проиллюстрирована следующими фигурами.
1
На фиг. 1 схематично представлена заявляемая лабораторная установка; на фиг. 2 показан напорный сосуд установки на момент начала лабораторного испытания; на фиг. 2 - на момент времени T.
Лабораторная установка содержит инкубационную камеру 1, герметичную крышку 2, газоотводящую трубку 3, одноходовой кран 4, газоприемную градуированную емкость 5, газозаборную трубку 6, трубку сброса вытесняемой напорной жидкости 7, емкость 8 сбора вытесняемой напорной жидкости 9, напорный сосуд 10, техническую трубку 11 с одноходовым краном 12. В инкубационной камере 1 помещен образец исследуемого органического материала 13. Газозаборная трубка 6 снабжена одноходовым краном 14. Биогаз обозначен позицией 15.
Работа лабораторной установки заявляемой конструкции осуществляется следующим образом.
Образец 13 исследуемого органического материала помещают в стеклянную инкубационную камеру 1, которую закрывают герметичной крышкой 2, имеющей два отверстия, в одно из которых герметично вставлена газоотводящая трубка 3 с одноходовым краном 4, в другое - техническая трубка 11 с одноходовым краном 12.
Далее инкубационную камеру 1 помещают в климатостат или водяную баню (не показаны) с заданной температурой проведения эксперимента, например 35-40°С. После часового нагрева инкубационную камеру 1 продувают инертным газом, например, азотом, при открытых одноходовых кранах 4 и 12. Через техническую трубку 11 инертный газ поступает в инкубационную камеру 1, через газоотводящую трубку 3 осуществляется его отвод. Инертный газ вытесняет кислород из реакционного пространства инкубационной камеры 1, что создает анаэробные условия на момент начала проведения эксперимента. После продувки оба крана 4 и 12 переводят в закрытое положение.
Газоприемную емкость 5 помещают в напорный сосуд 10 днищем кверху, фиксируют внутри нее газоотводящую 3 и газозаборную 6 трубки. Далее заливают напорную жидкость 9 в сосуд 10 при открытом одноходовом кране 14 газозаборной трубки 6. При этом уровни напорной жидкости в газоприемной емкости 5 и в напорном сосуде 10 выравниваются по принципу сообщающихся сосудов. Высота уровня напорной жидкости 9 определяется высотой расположения трубки сброса вытесняемой напорной жидкости 7 в напорном сосуде 10. Одноходовой кран 14 газозаборной трубки 6 переводят в закрытое положение, а кран 4 газоотводящей трубки 3 - в открытое положение.
В результате анаэробного разложения образца 13 органического материала образуется биогаз 15, который из инкубационной камеры 1 по газоотводящей трубке 3 поступает в газоприемную емкость 5, где он накапливается и хранится. Напорная жидкость 9 из емкости 5 вытесняется биогазом 15 в напорный сосуд 10 и далее через трубку сброса 7 поступает в емкость 8 сбора вытесняемой напорной жидкости.
При отборе пробы биогаза 15 на анализ или его выпуске из газоприемной емкости 5 перекрывают одноходовой кран 4 газоотводящей трубки 3, подсоединяют пробоотборник (не показан) к газозаборной трубке 6 и открывают одноходовой кран 14. Напорная жидкость 9 из напорного сосуда 10 поступает в газоприемную емкость 5, тем самым вытесняя биогаз 15 по газозаборной трубке 6 в пробоотборник, при этом подливают запорную жидкость 9 в напорный сосуд 10 из емкости сбора 8. После выравнивания уровней напорной жидкости 9 в емкости 5 и в напорном сосуде 10 одноходовой кран 14 газозаборной трубки 6 перекрывают и открывают одноходовой кран 4 газоотводящей трубки 3, после чего анализ продолжают.
После проведенных замеров осуществляют расчет объема образования биогаза 15 в пересчете на нормальные условия по известной формуле:
,
Vн.y.
где  - объем при нормальных условиях, куб.м;
Тн.у.
- стандартная температура, K;
Татм
- температура атмосферного воздуха расположения газоизмерительной системы, K;
Рн.у
. - стандартное давление, Па;
Ратм
- атмосферное давление, Па;
РH2O
атм
- давление водяного пара при Т, Па;
V1
1
- объем газового пространства в газоприемной емкости в момент времени t, куб.м;
2
2
V- объем газового пространства в газоприемной емкости в момент времени t, куб.м;
ρ
- плотность напорной жидкости, кг/куб.м;
g
- ускорение свободного падения, кв.м/с;
h0
- высота свободного пространства над напорной жидкостью в газоприемной емкости на момент начала анализа, м;
h1
1,
- высота свободного пространства над напорной жидкостью в газоприемной емкости на момент времени t м;
h2
2
- высота свободного пространства над напорной жидкостью в газоприемной емкости на момент времени t, м.