БИОРЕАКТОР

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к сельскому хозяйству, в частности к биогазовым установкам и может быть использована для переработки отходов животноводства и птицеводства в фермерских и крестьянских хозяйствах.
Уровень техники
Для переработки отходов животноводства и птицеводства и получения из них биогаза и биоудобрений используются биореакторы (биогазовые установки), применение которых ограничиваются высокими затратами тепловой энергии на поддержание процесса анаэробного сбраживания, высокой металлоемкостью конструкции и малым выходом биогаза.
Для эффективной работы биореактора и поддерживания стабильности процесса сбраживания, сырье необходимо нагревать до температуры протекания анаэробных процессов и периодически перемешивать для предотвращения участков, имеющих разную температуру, равномерности теплопередачи и равномерного нагрева биомассы. Резкие перепады температуры и частое или продолжительное перемешивание нежелательны.
Эти операции выполняются теплообменником и мешалкой, установленными внутри биореактора и работающими независимо друг от друга. Такое конструктивное решение приводит к увеличению металлоемкости конструкций и энергетических затрат.
Поэтому главная задача современной технологии переработки отходов животноводства и птицеводства является максимальное совмещение технологических операций с целью снижения энергетических затрат, металлоемкости и увеличения выхода биогаза.
В связи с этим для анаэробного сбраживания отходов необходимо применять высокоэффективные биореакторы.
Известен биореактор включающий в себя корпус, разделенный на четыре секции, внутри которых расположены теплообменники и перемешивающие устройства, работающие независимо друг от друга [1].
К недостаткам данного биореактора следует отнести сложность конструкции, неравномерный нагрев и неравномерное перемешивание всего объема биомассы.
Известен биореактор включающий в себя корпус внутри которого расположены циркуляционная и перфорированная трубы. Циркуляционная труба заполняется подогреваемой ТЭН-ом водой, часть биогаза с помощью компрессора подается в перфорированную трубу и через перфорацию поступает в корпус, приводя к перемешиванию прогретой биомассы в корпусе [2].
К недостаткам данного биореактора следует отнести сложность конструкции, постоянное и избыточное перемешивание биомассы и нерациональное использование получаемого биогаза.
Наиболее близким по технической сущности, достигаемому положительному эффекту и принятым авторами за прототип является биогазовая установка, представляющая собой биореактор, внутри которого размещен теплообменник, трубопровод приема и трубопровод отвода биомассы, перемешивающее устройство выполненное в виде вертикального вала, на котором установлены лопатки. Вне реактора установлен солнечный нагреватель, соединенный с теплообменником [3].
К недостаткам известной биогазовой установки следует отнести сложность конструкции, неравномерный нагрев и перемешивание биомассы по всему объему биореактора.
Для снижения энергоемкости процесса и увеличения объема выхода биогаза, необходимо разработать биореактор для анаэробного сбраживания отходов, состоящий из корпуса, теплообменника-мешалки объединенных в один узел, позволяющий снизить металлоемкость конструкции и энергетические затраты, увеличить равномерность теплообмена и перемешивания биомассы по всему объему биореактора.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является снижение энергоемкости процесса и увеличение объема выхода биогаза путем повышения равномерности теплопередачи и перемешивания биомассы по всему объему биореактора.
Технический результат предлагаемой полезной модели сводится к нагреву и перемешиванию биомассы одновременно одним устройством, снижению металлоемкости конструкции и энергетических затрат, увеличению равномерности теплообмена и перемешивания биомассы по всему объему биореактора.
Технический результат достигается тем, что биореактор содержит герметичный теплоизолированный корпус с крышкой, патрубки подвода и отвода биомассы, патрубок отвода биогаза, теплообменник-мешалку и привод.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
Предлагаемая конструкция включает в себя теплообменник-мешалку, выполненный виде вертикального трубчатого вала с четырьмя лопастями, изготовленными из труб хромомолибденовой стали, при этом лопасти, имеющие скобообразную форму расположены симметрично и жестко прикреплены к вертикальному трубчатому валу с возможностью вращения в горизонтальной плоскости.
Теплообменник-мешалка установлен соосно с камерой сбраживания, верхняя и нижняя части которого жестко установлены в подшипниках качения с сальниковыми уплотнителями, прикрепленных к крышке и корпусу биореактора и соединен с источником теплоты посредством неподвижно закрепленных цилиндрических труб, одни концы которых связаны с источником теплоты с помощью труб, а в других установлены концы вертикального трубчатого вала с сальниковыми уплотнителями.
Посередине верхней части вертикального трубчатого вала жестко прикреплен ведомый шкив, связанный с электродвигателем посредством клиноременной передачи.
Благодаря такому конструктивному исполнению биореактора снижается металлоемкость конструкции и энергетические затраты, увеличивается объем выхода биогаза за счет равномерного теплообмена и перемешивания биомассы по всему объему биореактора.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан биореактор; на фиг. 2 показана схема расположения лопастей теплообменника - мешалки.
Осуществление полезной модели
Изображенный на фиг. 1 биореактор, состоит из герметичного теплоизолированного корпуса 1 с крышкой 2, патрубков подвода 3 и отвода 4 биомассы, патрубка отвода биогаза 5, теплообменника-мешалки 6.
Теплообменник-мешалка 6, выполнен виде вертикального трубчатого вала с четырьмя лопастями (на фиг. не пронумерованы), изготовленными из труб хромомолибденовой стали, при этом лопасти, имеющие скобообразную форму расположены симметрично и жестко прикреплены к вертикальному трубчатому валу (на фиг. не пронумерован) с возможностью вращения в горизонтальной плоскости.
Теплообменник-мешалка 6 установлен соосно с камерой сбраживания, верхняя и нижняя части которого жестко установлены в подшипниках качения 7 с сальниковыми уплотнителями 8, прикрепленных к крышке 2 и корпусу 1 биореактора и соединен с источником теплоты посредством неподвижно закрепленных цилиндрических труб 9, одни концы которых соединены с источником теплоты 10 с помощью труб 11 и 12, а в других установлены концы вертикального трубчатого вала (на фиг. не пронумерован) с сальниковыми уплотнителями 8.
Посередине верхней части вертикального трубчатого вала (на фиг. не пронумерован) жестко прикреплен ведомый шкив 13, связанный с электродвигателем 14 посредством клиноременной передачи 15. Электродвигатель 14 снабжен пультом управления 16 и реле временем 17.
Биореактор работает следующим образом.
Из источника теплоты 10 нагретый теплоноситель (на фиг. не показан) поступает по подающей трубе 11 через цилиндрическую трубу 9 в вертикальный трубчатый вал (на фиг. не пронумерован) теплообменника-мешалки 6 и под напором распределяется по всем его лопастям (на фиг. не пронумерован), нагревая биомассу. Через нижнюю часть теплообменника-мешалки 6 нагретый теплоноситель (на фиг. не показан) поступает в нижнюю цилиндрическую трубу 9 и по трубе 12 возвращается к источнику теплоты 10. Происходит постоянный нагрев биомассы и циркуляция теплоносителя.
-1
Оператор включает электродвигатель 14 и крутящий момент посредством клиноременной передачи 15 передается на ведомый шкив 13, который приводит во вращение вертикальный трубчатый вал (на фиг. не пронумерован) теплообменника-мешалки 6 с частотой вращения 7…8 мин, осуществляя равномерный теплообмен и перемешивание биомассы. Перемешивание биомассы осуществляется через 2…3 часа, продолжительностью 10…15 минут, весь процесс контролируется реле временем 17. Нагрев биомассы для протекания термофильного процесса не должен превышать 50…60°C для снижения энергоемкости процесса и увеличения объема выхода биогаза (режим работы выбирается конструктивно в зависимости от вида отходов).
Совмещение перемешивающего устройства и теплообменника в один конструктивный узел, позволяет нагревать и перемешивать биомассу более равномерно за счет вращения теплообменника-мешалки и передачи тепла биомассе по всему объему биореактора в отличии от всех существующих теплообменников которые позволяют нагревать и перемешивать только ограниченные зоны, что приводит к неравномерному нагреву и перемешиванию биомассы.
Экспериментальный образец биореактора изготовлен и испытан в лаборатории «Энергосберегающие технологии» ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова» и показал высокие качества анаэробного сбраживания отходов птицеводства.
Предлагаемая конструкция биореактора по сравнению с прототипом и другими техническими решениями имеет следующие преимущества:
- простота и малая металлоемкость конструкции;
- способность выполнения одновременно нагрева и перемешивания биомассы;
- способность снизить энергетические затраты на нагрев биомассы;
- способность увеличить объем выхода биогаза.
Источники информации
7
1. Пат. 2491330 Российская Федерация МПК C12M 1/04. Биореактор емкостный / В.Н. Кононов, Н.А. Овсянникова; заявители и патентообладатели В.Н. Кононов, Н.А. Овсянникова. - №2011150342/10; заявл. 09.12.11; опубл. 27.08.13, Бюл. №24 - 10 с.: ил.
7
2. Пат. 2430153 Российская Федерация МПК C12M 1/04. Биореактор / Д.Ю. Суслов, Л.А. Кущев; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова». - №2009139543/13; заявл. 26.10.09; опубл. 10.05.11, Бюл.№13 - 7 с.: ил.
6
3. Пат. 2065408 Российская Федерация МПК C02F 3/28. Биогазовая установка / А.К. Ильин, О.П. Ковалев, В.А. тимошенко; заявитель и патентообладатель: Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН. - №94011881/26; заявл. 05.04.94; опубл. 20.08.96.