РАЗДЕЛЕНИЕ ОЗОННОГО ОКИСЛЕНИЯ В ЖИДКОЙ СРЕДЕ НА ТРИ ОТДЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ ДЛЯ ПРОЦЕССА ОПТИМИЗАЦИИ
SEPARATION OF OZONE OXIDATION IN A LIQUID MEDIUM INTO THREE SEPARATE OPERATIONS FOR THE PROCESS OF OPTIMISATION

Перекрестная ссылка на родственные заявки
[001] Настоящая заявка испрашивает приоритет заявки на патент США, серийный номер № 15938786, поданной 28 марта, 2018 г., включенной в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте для всех целей.
Область техники, к которой относится изобретение
3
Настоящее изобретение относится к способам и аппарату для разделения озонного (O) окисления в жидкой среде на три отдельные операции для способа оптимизации, в частности, для разделения озонного окисления в воде на отдельные операции для получения окисленной жидкости с применением озона, растворенного в воде ("вода, содержащая озон в высокой концентрации"). Вода с растворенным озоном представляет собой не содержащую газа, высококонцентрированную или насыщенную, или почти насыщенную (например, в пределах 10% концентрации насыщения, например, 5% или 1%, или 0,1%) воду с растворенным озоном под давлением, которая является перенасыщенной при атмосферном давлении.
Предпосылки создания изобретения
3
Жидкое окисление используют для окисления соединения, находящегося в растворенном состоянии. В обычном процессе жидкого окисления кислородсодержащий газ включен в жидкую или загрязненную жидкую среду для разрушения химических загрязнителей на месте. Он может использоваться для устранения разнообразных органических и неорганических соединений, в том числе некоторых, устойчивых к естественной деградации. Одним из широко распространенных окислителей, используемых в этом процессе, является озон (O).
3
Окислительная очистка на основе озона является широко распространенной в области промышленности. Озон используют для процессов окисления нескольких химических соединений в фармацевтических отраслях. Его также можно использовать для осветляющих веществ, а также для уничтожения микроорганизмов в воздухе и источниках воды. Большая часть озоновых реакций происходит в жидкой среде. Озон - это газ, сначала его нужно растворить в воде или жидкой среде (так называемый перенос массы), а затем озон, растворенный (dO) в воде или жидкой среде, применяют в качестве окислителя для вступления в реакцию с соединениями для окисления. В промышленности вода с растворенным озоном или жидкая среда может использоваться, но без ограничения, в следующих областях:
устранение загрязняющих микроорганизмов и окисление жестких, способных к разложению органических компонентов в воде, подлежащей доочистке;
химическое воздействие на загрязнители в воде (железо, мышьяк, серoводород, нитриты, сложные органические вещества и деколонизация);
обеззараживание воды вместо хлора, такой как, питьевая вода, рабочая жидкость и т. д.;
обеспечение помощи для флокуляции (агломерирование молекул, которые помогают в фильтрации, где железо и мышьяк удалены);
изготовление химических соединений посредством химического синтеза;
промывка свежих фруктов и овощей с целью уничтожения дрожжевидных грибов, плесени и бактерий; и
осветление целлюлозы и бумаги.
3
В настоящее время процессы растворения озона, смешивания и реакции для очистки сточных вод на основе озона происходит в одном реакторе, например, в большом бетонном резервуаре на станциях очистки сточных вод (wastewater treatment plant, WWTP). На фиг. 1 представлена блок-схема общей озоновой реакторной системы, предназначенной для выполнения всех процессов: растворения (переноса массы), смешивания и реакции в одном реакторе 100. В таких системах газообразный озон обычно впрыскивается через пузырьковые диффузоры или системы насоса-инжектора в озоновый реактор. В данном документе следует отметить, что один реактор 100, процесс перемешивания может происходить или нет, поскольку растворенный озон будет вступать в реакцию с реагентами сразу же в реакторе. Примерами таких реакторов являются экспериментальные установки, произведенные компанией Wedeco: WWTP Регенсдорф & WWTP Лозанна в Швейцарии, и WWTP Эмшер Вербунд и WWTP Дуйсбург в Германии. Такая система обычно имеет большой объем (например, 333 m) реактора, поскольку общепринятое время гидравлического удержания составляет от 20 мин. до 40 мин. В зависимости от разных применений окисления обычные дозы озона находятся в диапазоне от 2 г до 200 г озона на m³ очищенной рабочей жидкости. Кроме того, вышеуказанные индивидуальные реакторы, как правило, работают при атмосферном давлении около 1 бар, нерастворенные озон и кислород в потоке отходящего газа из одного реактора не могут быть восстановлены без дополнительного повышения давления, приводя к потере озона и/или кислорода, а также энергии, потребляемой для генерирования озона в системах.
В целом, известно, что скорость растворения озона в воде (также называемая скоростью переноса массы от газа в жидкость) представляет собой этап ограничения скорости по сравнению со скоростью реакции озона, растворенного с помощью окисляемых составляющих в рабочей жидкости. Во многих промышленных процессах (например, применение озона для глубокой или третичной очистки сточной воды) растворение озона в воде или перенос массы озона представляет собой ограниченный по времени этап во всем процессе. Кроме того, во многих случаях, поскольку как растворение, так и реакция происходят в одном и том же реакторе, эти реакторы не оптимизированы либо для растворения, либо для процесса реакции. Таким образом, разграничение растворения, смешивания и реакции в оборудовании для впрыскивания озона / применения озона, приведет к гибкости процесса и обеспечит возможность работы генератора озона в более экономичных и технически оптимизированных условиях, и/или обеспечит возможность более эффективного повторного использования газообразного озона.
Сущность изобретения
Раскрыт способ получения окисленной жидкости, причем способ включает этапы генерирования воды, содержащей озон в высокой концентрации в установке для переноса массы, смешивания воды, содержащей озон в высокой концентрации, с рабочей жидкостью в смесительной установке с образованием однородной и не содержащей газа смеси воды, содержащей озон в высокой концентрации, и рабочей жидкости, подачи однородной и не содержащей газа смеси в реакционную установку, и получения окисленной жидкости в реакционной установке.
2
Также раскрыт способ, который дополнительно включает этап впрыскивания газообразного CO или кислоты в подаваемую жидкость под давлением, выполненную с возможностью и приспособленную для образования кислотосодержащей подаваемой жидкости, и подачи кислотосодержащей подаваемой жидкости под давлением в установку для переноса массы, выполненную с возможностью и приспособленную для образования большого количества кислотосодержащей жидкости под давлением, для генерирования в ней воды, содержащей озон в высокой концентрации.
Также раскрыт способ, который дополнительно включает использование кислотосодержащей подаваемой жидкости для генерирования озона, растворенного в воде, имеющего более высокую концентрацию в насыщенной или близкой к насыщению концентрации по сравнению c процессами из известного уровня техники, при атмосферном давлении и нейтральном или щелочном pH.
Также раскрыт способ дополнительного повторного использования газообразного озона из потока отходящего газа под давлением из установки для переноса массы для применения в качестве кислорода, загружаемого в установку для переноса массы; и/или повторного использования газообразного кислорода из потока отходящего газа под давлением из установки для переноса массы для применения в качестве кислорода, загружаемого в существующую систему вторичной очистки сточных вод.
Также раскрыта величина pH воды, содержащей озон в высокой концентрации, которая находится в диапазоне от 3 до 7.
Также раскрыта величина pH воды, содержащей озон в высокой концентрации, которая находится в диапазоне от 4 до 6.
Также раскрыта величина pH воды, содержащей озон в высокой концентрации, которая составляет 5.
Также раскрыта величина pH воды, содержащей озон в высокой концентрации, которая составляет 4.
Также раскрыто, что однородная и не содержащая газа смесь воды, содержащей озон в высокой концентрации, и рабочей жидкости представляет собой смесь воды, содержащей озон в высокой концентрации, и рабочей жидкости с качеством перемешивания > приблизительно 95%.
Также раскрыто, что давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, находится в диапазоне от 2 бар изб. до 7 бар изб.
Также раскрыто, что давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, находится в диапазоне от 3 бар изб. до 6 бар изб.
Также раскрыто, что давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, составляет примерно 5 бар изб.
Также раскрыто, что давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, из установки для переноса массы поддерживается до тех пор, пока вода, содержащая озон в высокой концентрации, впрыскивается в рабочую жидкость, тем самым предотвращая дегазирование.
Также раскрыто, что давление однородной и не содержащей газа смеси в реакционной установке составляет приблизительно 1 бар атмосферного давления.
Также раскрыто, что давление однородной и не содержащей газа смеси в реакционной установке поддерживается таким же, как давление воды, содержащей озон в высокой концентрации.
Также раскрыто, что давление однородной и не содержащей газа смеси в реакционной установке составляет примерно 5 бар изб.
Также раскрыто, что рабочая жидкость состоит главным образом из воды.
Также раскрыто, что рабочая жидкость включает пресную воду, водопроводную воду, техническую воду, отработавшую воду, городские и промышленные сточные воды, сточные воды, уже очищенные посредством вторичного процесса очистки или что-то подобное.
Также раскрыто, что рабочая жидкость содержит компоненты, подлежащие окислению.
Также раскрыто, что подаваемая жидкостьсостоит из воды.
Также раскрыто, что подаваемая жидкость включает пресную воду, водопроводную воду, техническую воду, отработавшую воду, городские и промышленные сточные воды, сточные воды, уже очищенные посредством вторичного процесса очистки и т. п.
Также раскрыто, что подаваемая жидкость и рабочая жидкость из одного и того же источника.
Также раскрыто, что устойчивая концентрация озона в воде, содержащей озон в высокой концентрации, составляет более, чем приблизительно 150 мг/л.
Также раскрыто, что устойчивая концентрация озона в воде, содержащей озон в высокой концентрации, находится в диапазоне от приблизительно 150 мг/л до приблизительно 300 мг/л.
Также раскрыто, что устойчивая концентрация озона в воде в высокой концентрации, содержащей озон, составляет не более, чем приблизительно 200 мг/л.
Также раскрыто, что устойчивая концентрация озона в воде, содержащей озон в высокой концентрации, составляет приблизительно 300 мг/л.
Также раскрыта система жидкого окисления для получения окисленной жидкости, система, содержащая установку для переноса массы, выполненная с возможностью и приспособленная для генерирования воды, содержащей озон в высокой концентрации, смесительная установка, выполненная с возможностью и приспособленная для смешивания воды, содержащей озон в высокой концентрации, с рабочей жидкостью с образованием однородной и не содержащей газа смеси воды, содержащей озон в высокой концентрации, и рабочей жидкости, и реакционная установка, выполненная с возможностью и приспособленная для размещения однородной и не содержащей газа смеси и получения в ней окисленной жидкости.
Также раскрыто, что система дополнительно содержит установку для регулирования pH, выполненную с возможностью и приспособленную для образования кислотосодержащей подаваемой жидкости под давлением и дополнительно выполненную с возможностью и приспособленную для загрузки в установку для переноса массы для генерирования воды, содержащей озон в высокой концентрации, в кислотной среде.
2
Также раскрыто, что газообразный CO или минеральная кислота впрыскивается в подаваемую жидкость под давлением, которая протекает через установку для регулирования pH, выполненную с возможностью и приспособленную для образования кислотосодержащей подаваемой жидкости под давлением.
Также раскрыто, что pH воды, содержащей озон в высокой концентрации, составляет менее 7.
Также раскрыто, что pH воды, содержащей озон в высокой концентрации, составляет примерно 5.
Также раскрыто, что pH воды, содержащей озон в высокой концентрации, составляет примерно 4.
Также раскрыто, что давление внутри установки для переноса массы находится в диапазоне от 2 бар изб. до 7 бар изб.
Также раскрыто, что давление внутри установки для переноса массы находится в диапазоне от 3 бар изб. до 6 бар изб.
Также раскрыто, что давление внутри установки для переноса массы составляет примерно 5 бар изб.
Также раскрыт способ осуществления процесса жидкого окисления с применением жидких окислителей, причем способ включает этапы смешивания жидкого окислителя с рабочей жидкостью в смесительной установке с образованием однородной и не содержащей газа смеси окислителя и рабочей жидкости, подачи однородной и не содержащей газа смеси на реакционную установку, и получения окисленной жидкости в реакционной установке.
Также раскрыто, что окислитель является газообразным, причем способ дополнительно включает этап генерирования жидкого окислителя в установке для переноса массы.
Примечания и номенклатура
Следующее подробное описание и пункты формулы изобретения используют ряд аббревиатур, символов и терминов, которые, в целом, являются широко известными в данной области техники и включают:
В контексте данного документе форма единственного числа должна, в целом, подразумевать "один или несколько", если не указано иное, или если из контекста очевидно указание на форму единственного числа.
В контексте данного документа термины "примерно", или "около", или "приблизительно" в тексте или в пункте формулы изобретения означает ±10% указанной величины, например, ±5% или ±1%.
В контексте данного документа термины "почти" или "близкий" в тексте или в пункте формулы изобретения означает в пределах 10% указанного термина, например, в пределах 5% или 1%. Например, "почти или близкая к насыщению концентрация" относится к в пределах 10% насыщенной концентрации.
В контексте данного документа термин "быстрое растворение" или "ускоренное растворение" в тексте или в пункте формулы изобретения означает, что процесс растворения происходит в пределах приблизительно нескольких секунд, например, 2 секунд или 1 секунды, или 0,5 секунды.
В контексте данного документа термины "перенос озона", "перенос массы озона" и "растворение озона" все предназначены для того, чтобы ссылаться на растворение газообразного озона в воде.
Термин "вода, содержащая озон в высокой концентрации" относится к не содержащей газа высококонцентрированной или насыщенной, или почти насыщенной (например, в пределах 10% концентрации насыщения, например, 5% или 1%, или 0,1%) воде с растворенным озоном под давлением, которая является перенасыщенной при атмосферном давлении. Одним из применений воды, содержащей озон в высокой концентрации, является использование в качестве жидкого окислителя.
Термин "подаваемая жидкость" относится к жидкости, которая, как правило, состоит главным образом из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, техническая вода, отработавшая вода, городские и промышленные сточные воды, сточные воды, уже очищенные посредством вторичного процесса очистки или что-то подобное.
Термин "рабочая жидкость" относится к жидкости, которая, как правило, состоит главным образом из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, техническая вода, отработавшая вода, городские и промышленные сточные воды, сточные воды, уже очищенные посредством вторичного процесса очистки или что-то подобное.
Термин "окисленная жидкость" относится к рабочей жидкости, чьи неводные составляющие были окислены частично или полностью с помощью окислителя. В качестве альтернативы, термин "окисленная жидкость" относится к полученной жидкости, имеющей компоненты, которые были окислены в рабочей жидкости посредством воды, содержащей озон в высокой концентрации. В качестве альтернативы, термин "окисленная жидкость" относится, в частности, к случаям, когда жидкость появляется из процесса окисления, в котором различные органические и неорганические составляющие, присутствующие в рабочей жидкости, были преобразованы в окисленную форму в результате действия подходящего окислителя.
Термин "озонирование" относится к способу очистки воды, которая разрушает микроорганизмы и вызывает распад органических и неорганических загрязнителей посредством введения озона. Озонирование представляет собой метод химической очистки воды на основе введение озона в воду. Озонирование представляет собой своего рода способ глубокого окисления, при котором получают очень активные формы кислорода, которые могут воздействовать на широкий диапазон органических и неорганических соединений, и все микроорганизмы.
Термин "озонированная вода" относится к продукту пузырения озона через воду, которая содержит уровни озона, растворенного в воде.
Термин "доза озона" определен как количество озона в газовой фазе, подаваемого в воду (грамм/минута).
Термин "перенасыщенный" относится к растворению газа в жидкости, который является нестабильным при атмосферных условиях и будет подвержен дегазации.
Термин "однородный" относится к смеси текучих сред с качеством перемешивания > приблизительно 95%. Здесь качество перемешивания представляет собой степень однородности или гомогенности смеси и рассчитывается исходя из основных переменных статистики. Коэффициент изменения является наиболее широко используемой величиной. Чем больше эта величина приближается к 0, тем более гомогенной является смесь. Для визуализации она вычитается из 1 и указывается в %. Таким образом, 100% качество перемешивания (или коэффициент изменения = 0) относится к наилучшим условиям перемешивания, которое, однако, является практически недостижимым. Качество перемешивания >95% считается технически однородным.
Термин "не содержащий газа" относится к жидкости без видимых отдельных пузырей и/или без выявляемой мутности, обусловленной микропузырями.
Ссылка в данном документе на термин "один вариант осуществления" или "вариант осуществления" означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанная в отношении варианта осуществления может быть включена в по меньшей мере один вариант осуществления настоящего изобретения. Появления фразы "в одном варианте осуществления" в различных местах в описании необязательно все ссылаются на один и тот же вариант осуществления, а также не являются отдельными или альтернативными вариантами осуществления, обязательно взаимоисключающими другие варианты осуществления. То же самое применимо к термину "реализация."
Дополнительно, термин "или" предназначен обозначать включающий "или", а не исключающий "или". То есть, если не указано иное или очевидно из контекста "X использует A или B" предназначено обозначать любое из естественных всеобщих перестановок. То есть, если X использует A; X использует B; или X использует, как A, так и B, тогда "X использует A или B" соответствует любому из вышеупомянутых случаев.
В формуле изобретения термин "содержащий" является открытым переходным термином, который обозначает, что идентифицированные далее элементы формулы изобретения являются неисключительным перечнем, т. е. что угодно может быть дополнительно включено и оставаться в пределах объема термина "содержащий".  Термин "содержащий" определен в настоящем документе как обязательно охватывающий более ограниченные переходные термины "состоящий по сути из" и "состоящий из"; термин "содержащий" может, следовательно, быть заменен термином "состоящий по сути из" или термином "состоящий из" и оставаться в пределах явно определенного объема термина "содержащий".
В формуле изобретения термин «обеспечение» определяется в значении предоставления, снабжения, обеспечения наличия или получения чего-либо. Этап может быть выполнен посредством любого участника в отсутствие ясно выраженного языка в формуле изобретения, имеющего противоположный смысл.
Диапазоны могут быть выражены в настоящем документе в виде величин от примерно одного конкретного значения и/или до примерно другого конкретного значения. Когда выражен такой диапазон, следует понимать, что другой вариант осуществления представляет собой величину от одного конкретного значения и/или до другого конкретного значения наряду со всеми комбинациями в пределах указанного интервала.
Краткое описание чертежей
Для дальнейшего понимания природы и целей настоящего изобретения приведены ссылки на следующее подробное описание, взятое в сочетании с прилагаемыми графическими материалами, на которых сходные элементы имеют одинаковые или аналогичные ссылочные номера и где:
на фиг. 1 представлена блок-схема общей озоновой реакторной системы, предназначенной для выполнения всех трех процессов: растворения (переноса массы), смешивания и реакции в одном реакторе 100;
на фиг. 2 рассчитывают результаты озоновой растворимости в воде в зависимости от температуры и давления;
на фиг. 3 представлена блок-схема иллюстративного варианта осуществления системы разделения окисления, которая делит процесс озонового окисления в жидкой среде на три отдельные операции для способа оптимизации; и
на фиг. 4 представлена блок-схема иллюстративного устройства регулирования pH, применяемого на фиг. 3.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
3
Раскрыты способы и аппарат для деления или разделения процесса окисления в жидкой среде на три отдельные операции для способа оптимизации, в частности, для деления процесса озонового окисления (O) в воде на три отдельные операции для получения окисленной жидкости с водой, содержащей озон в высокой концентрации. Вода, содержащая озон в высокой концентрации, представляет собой не содержащую газа, высококонцентрированную или насыщенную, или почти насыщенную (например, в пределах 10% концентрации насыщения, например, 5% или 1%, или 0,1%) воду с растворенным озоном под давлением, которая является перенасыщенной при атмосферном давлении. Одним из применений воды, содержащей озон в высокой концентрации, является использование в качестве жидкого окислителя для получения окисленной жидкости.
Раскрытая система разделения окисления делит процесс озонного окисления на три стадии, то есть, озоновое растворение (перенос массы), смешивание и стадии реакции. Относительно стадии переноса озоновой массы, озоновая растворимость является наибольшим ограничивающим фактором в получении озона для растворения в воде. Озоновая растворимость в воде выражается в виде точки насыщения озона в воде и зависит от температуры воды, концентрации газообразного озона, давления воды, размера пузырей газообразного озона и т. д. На фиг. 2 показаны посчитанные результаты озоновой растворимости в воде в зависимости от температуры и давления. Видно, что кинетика переноса массы из газообразного озона в озон, растворенный в воде, увеличивается по мере увеличения давления в реакторе. Помимо давления и температуры воды обнаружено, что озоновая растворимость также зависит от pH воды. Величина pH ниже 7 способствует растворению озона в воде.
2
2
2
3
3
2
2
2
2
Ссылаясь на фиг. 3, показана блок-схема иллюстративного варианта осуществления раскрытой системы разделения окисления содержащей три отдельные установки: установку 204 для переноса массы, смесительную установку 206 и реакционную установку 208. Каждая из трех отдельных установок представляет собой сосуды под давлением, которые соединены последовательно по текучей среде. Устройство 202 регулирования pH подает кислотосодержащую подаваемую жидкость под давлением в установку 204 для переноса массы. Устройство 202 регулирования pH может содержать насос 12, соединенный по текучей среде с устройством 14 для впрыска газообразного CO, как показано на фиг. 4. Насос 12 представляет собой гидравлический насос высокого давления, обеспеченный для впрыска подаваемой жидкости в установку 204 для переноса массы. Здесь, приток, давление и уровень воды установки 204 для переноса массы управляются контурами управления с обратной связью. Подаваемая жидкость, как правило, состоит главным образом из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, техническая вода, отработавшая вода, городские и промышленные сточные воды, сточные воды, уже очищенные посредством вторичного процесса очистки или что-то подобное. Давление в подаваемой жидкости создается посредством насоса 12, а затем она проходит через устройство 14 для впрыска газообразного CO, где CO впрыскивают в подаваемую жидкость под давлением для достижения кислотного pH, который был экспериментально подтвержден для подавления образования свободных радикалов OH посредством отделения озона, растворенного в воде, тем самым увеличивая позже концентрацию растворенного O (dO) в воде. Специалисту в данной области техники будет понятно, что минеральные кислоты или другие кислоты, отличные от газообразного CO, также могут быть возможны для обеспечения кислотного pH для подаваемой жидкости. Устройство 14 для впрыска газообразного CO может представлять собой газожидкостное сопло Вентури, которое втягивает газообразный CO в поток подаваемой жидкости под давлением, если доступное давление газообразного CO ниже давления внутри установки 204 для переноса массы. Возвращаясь к фиг. 3, кислотосодержащая подаваемая жидкость под давлением, образованная устройством 202 регулирования pH, подается в установку 204 для переноса массы, где газообразный озон рассеян в ней для получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, в установке 204 для переноса массы. Газообразный озон может быть сгенерирован посредством генератора озона, который преобразовывает газообразный кислорода в газообразный озон. Газообразный озон, который подают в установку 204 для переноса массы, представляет собой газовую смесь озона и непреобразованного кислорода.
2
2
2
2
С целью получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, величину pH воды в установке 204 для переноса массы предпочтительно поддерживают ниже 7 посредством добавления газообразного CO (или минеральной кислоты или другой кислоты) в подаваемую жидкость. Это выполняют путем установки устройства 14 для впрыска газообразного CO между насосом 12 и установкой 204 для переноса массы. Количество CO, впрыскиваемого в устройство 14 для впрыска газа CO, и расход подаваемой жидкости можно непрерывно отслеживать и регулировать посредством подходящих контрольно-измерительных приборов.
2
2
С целью получения максимальной скорости переноса массы озона величину pH воды в установке 204 для переноса массы поддерживают предпочтительно в диапазоне приблизительно от 3 до 7. Более предпочтительно величина pH воды в установке 204 для переноса массы составляет приблизительно от 3 до 5. Еще более предпочтительно величину pH воды в установке 204 для переноса массы поддерживают приблизительно 5. Еще более предпочтительно величину pH воды в установке 204 для переноса массы поддерживают приблизительно 4. Специалисту в данной области техники будет понятно, что величину pH можно регулировать путем управления чистым потоком CO в подаваемую жидкость под давлением посредством устройства 14 для впрыска газа CO.
Охлаждающие катушки, вмонтированные в установку 204 для переноса массы, можно регулировать для поддержания температуры воды в установке 204 для переноса массы на желаемом постоянном уровне для получения воды, содержащей озон в высокой концентрации. Предпочтительно температура установки 204 для переноса массы находится в диапазоне от 10 ºC до 30 ºC. Более предпочтительно температура установки 204 для переноса массы находится в диапазоне от 15 ºC to 25 ºC. Еще более предпочтительно температуру установки 204 для переноса массы поддерживают равной температуре окружающей среды, например приблизительно 20 ºC, для достижения целевой операции при оптимизированных операционных издержках.
Во время непрерывной работы раскрытой системы разделения окисления установку 204 для переноса массы непрерывно заполняют кислотосодержащей подаваемой жидкостью под давлением. В установке 204 для переноса массы образуется большое количество кислотосодержащей жидкости под давлением. Предпочтительно давление свободного пространства для газа установки 204 для переноса массы поддерживают в диапазоне приблизительно от 2 до 7 бар изб. Более предпочтительно давление свободного пространства для газа установки 204 для переноса массы поддерживают в диапазоне приблизительно от 3 до 6 бар изб. Еще более предпочтительно давление свободного пространства для газа установки 204 для переноса массы поддерживают приблизительно 5 бар изб. Соответственно, давление воды, подаваемой в установку 204 для переноса массы и закачиваемой насосом 12, в незначительной степени больше, чем давление свободного пространства для газа в установке 204 для переноса массы с целью подачи воды в установку 204 для переноса массы. При получении воды, содержащей озон в высокой концентрации, поток отходящего газа, содержащий озон и кислород, выпускают из установки 204 для переноса массы, который можно вернуть в установку 204 для переноса массы для повторного применения в качестве подаваемого озона или направить обратно в раствор для вторичной очистки сточных вод для применения в качестве подаваемого кислорода, поскольку поток отходящего газа, выходящий из установки 204 для переноса массы, имеет давление, которое выше, чем давление окружающей среды. Давление свободного пространства для газа или внутреннее давление установки для переноса массы можно регулировать путем управления расходом отходящего газа. Таким путем давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, полученной в установке 204 для переноса массы, находится в диапазоне приблизительно от 2 бар изб. до 7 бар изб. Более предпочтительно давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, полученной в установке 204 для переноса массы, находится в диапазоне приблизительно от 3 бар изб. до 6 бар изб. Еще более предпочтительно давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, полученной в установке 204 для переноса массы, составляет приблизительно 5 бар изб.
3
3
Установка 204 для переноса массы может включать один этап процесса озонирования, имеющий один реактор. Установка 204 для переноса массы может включать два этапа процесса озонирования, имеющие два реактора, в которых один из двух реакторов представляет собой реактор перед озонированием, в котором используют повторно используемый поток отходящего газа, содержащий озон и кислород. Установка 204 для переноса массы может увеличивать достижимую устойчивую концентрацию озона, растворенного в воде, приблизительно более 150 мг/л, предпочтительно приблизительно вплоть до 200 мг/л, более предпочтительно приблизительно вплоть до 300 мг/л. Высокая концентрация озона, растворенного в воде, при повышенных значениях давления, может соответствовать насыщенной или почти насыщенной концентрации озона, растворенного в воде. При падении давления концентрация озона, растворенного в воде, может быть перенасыщенной. Получение воды, содержащей озон в высокой концентрации, может занимать приблизительно 20 минут. Кроме того, установка 204 для переноса массы может быть намного меньшего объема, чем общая озонная реакторная система, как показано на Фиг. 1. Например, реактор объемом приблизительно 20 m, применяемый в раскрытой системе разделения окисления, может быть эквивалентным реактору объемом приблизительно 333 m, применяемому в общей озонной реакторной системе для генерирования одного и того же количества растворенного озона.
Расход кислотосодержащей подаваемой жидкости под давлением, подаваемой в установку 204 для переноса массы, и расход полученной воды, содержащей озон в высокой концентрации, выпускаемой из установки 204 для переноса массы, можно регулировать для поддержания объема жидкости в установке для переноса массы на приблизительно постоянном уровне во время непрерывной работы. Расход кислотосодержащей подаваемой жидкости под давлением, подаваемой в установку 204 для переноса массы, и расход полученной воды, содержащей озон в высокой концентрации, выпускаемой из установки 204 для переноса массы, могут быть приблизительно одинаковыми. Полученную воду, содержащую озон в высокой концентрации, затем подают в смесительную установку 206, где ее смешивают с рабочей жидкостью, подаваемой в нее. Воду, содержащую озон в высокой концентрации, смешивают с рабочей жидкостью с образованием однородной смеси воды, содержащей озон в высокой концентрации, и рабочей жидкости для окисления микрозагрязнителей с уничтожением микроорганизмов, или любых похожих процессов окисления. В данном случае рабочая жидкость обычно состоит в основном из воды, такой как свежая вода, водопроводная вода, техническая вода, отходящая вода, коммунально-бытовая сточная вода и промышленная сточная вода, сточная вода, уже очищенная посредством процесса вторичной очистки или тому подобное. Рабочая жидкость содержит компоненты, которые должны быть окислены посредством способа окисления жидкости. Давление рабочей жидкости, подаваемой в смесительную установку 206, находится в диапазоне, но без ограничения, от 0,1 бар изб. до 1,6 бар изб. Дополнительно в одном варианте осуществления подаваемая жидкость и рабочая жидкость могут быть из одного и того же источника.
Смесительная установка 206 может иметь впускные отверстия для жидкости для впрыска полученной воды, содержащей озон в высокой концентрации, и рабочей жидкости в нее соответственно. Смесительная установка 206 содержит сосуд или трубу для нагнетания и смеситель. Труба для нагнетания присоединена по текучей среде к смесителю. Устройство для впрыска соединено с трубой для нагнетания. Рабочая жидкость проходит через трубу для нагнетания. Вода, содержащая озон в высокой концентрации, впрыскивается в главный поток трубы для нагнетания посредством устройства для впрыска. Воду, содержащую озон в высокой концентрации, и рабочую жидкость можно впрыскивать в смесительную установку 206 одновременно. Расход воды, содержащей озон в высокой концентрации, впрыскиваемой в смесительную установку 206, может отличаться от расхода рабочей жидкости, подаваемой в смесительную установку 206. Раскрытая смесительная установка выполнена с возможностью устранения дегазирования газообразного озона при смешивании растворенного газообразного озона с рабочей жидкостью. Раскрытая смесительная установка способна направлять однородную и не содержащую газа смесь воды, содержащей озон в высокой концентрации, и рабочей жидкости в реакционную установку 208. Этап впрыска воды, содержащей озон в высокой концентрации, предпочтительно должен быть максимально быстрым для ограничения количества дегазирования до смесителя в смесительной установке 206. В противном случае может произойти чрезмерное дегазирование озона, поскольку давление смесительной установки 206 ниже, чем давление установки 204 для переноса массы. То есть давление в смесительной установке 206 поддерживают в диапазоне приблизительно от 0 до 5 бар изб. Более предпочтительно давление в смесительной установке 206 поддерживают в диапазоне приблизительно от 0,5 до 1,5 бар изб. Время для процесса смешивания может составлять приблизительно от 1 до 5 секунд. Быстрое разбавление воды, содержащей озон в высокой концентрации, в рабочей жидкости может занимать приблизительно 1 секунду или менее 1 секунды.
Во время процесса впрыскивания может происходить некоторое дегазирование. В данном случае газообразный озон может быть снова растворен в воде в смесителе.
Специалист в данной области техники поймет, что раскрытая смесительная установка может применяться для смешивания любых жидких окислителей с рабочей жидкостью для процесса жидкого окисления с преобразованием рабочей жидкости в окисленную жидкость.
Смесь воды, содержащей озон в высокой концентрации, и рабочей жидкости, полученную в смесительной установке 206 затем подают в реакционную установку 208, в которой имеет место процесс жидкого окисления, и рабочую жидкость преобразуют в окисленную жидкость. Давление в реакционной установке 208 ниже, чем в смесительной установке 206, и его поддерживают равным приблизительно 1 бар или атмосферному давлению. Время реакции в реакционной установке 208 может составлять приблизительно 5 минут.
Давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, при подаче из установки 204 для переноса массы в смесительную установку 206 может находиться в диапазоне от 3 бар изб. до 10 бар изб. на основании рабочих условий установки 204 для переноса массы. Давление рабочей жидкости, подаваемой в смесительную установку 206, может находиться в диапазоне от 0,1 бар изб. до 1,6 бар изб., в зависимости от условий реакционной установки 208. Давление полученной однородной и не содержащей газа смеси рабочей жидкости и дегазированного жидкого окислителя, создаваемое в смесительной установке 206, может находиться в диапазоне от 0,1 бар изб. до 1,5 бар изб., в зависимости, в основном, от условий дальше по потоку относительно реакционной установки 208. В смесительной установке происходит большое падение давления. Таким образом, смесительная установка 206 обеспечивает переход давления или буфер давления из установки 204 для переноса массы, в которой имеет место кинетика озона под высоким давлением, в реакционную установку 208, в которой проводят процесс окисления при около атмосферном давлении. Смесительная установка 206 уменьшает давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, до давления рабочей жидкости (например, с 6 бар до 1 бар), что предотвращает дегазирование, тем самым предотвращая потерю озона из растворенного озона. Специалист в данной области техники поймет, что если в реакционной установке 208 может быть повышено давление для поддержания давления рабочей жидкости для дополнительного препятствования дегазированию озона в некоторых вариантах осуществления.
Например, давление в реакционной установке 208 могут поддерживать при давлении, эквивалентном давлению воды, содержащей озон в высокой концентрации, выходящей из установки 204 для переноса массы, в этом случае смесительная установка 206 даже может быть исключена. Например, если давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, поддерживают равным 5 бар изб. и давление рабочей жидкости также поддерживают равным 5 бар изб., то в смесительной установке может не быть нужды.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Кроме того, сумма размеров установки 204 для переноса массы и реакционная установка 208 значительно меньше, чем у одного реактора, показанного на фиг. 1. Размером смесительной установки 206 по сравнению с размерами установки 204 для переноса массы и реакционной установки 208 можно пренебречь. Например, озонирование 1000 м/ч воды в системе с одним резервуаром с временем выдержки, составляющим 20 мин, требует резервуара объемом 333 мпри атмосферном давлении для всего процесса окисления, включающего процессы растворения и реакции. Для сравнения, как показано на фиг. 5, при расходе 50 м/ч подаваемой жидкости в установку 1 для переноса массы, времени выдержки, составляющем 20 минут, давлении 5 бар изб. и pH 5, достигают приблизительно 200 мг/л воды, содержащей озон в высокой концентрации, с резервуаром объемом 16,7 м установки 1 для переноса массы. Полученную воду, содержащую озон в высокой концентрации, затем смешивали с 950 м/ч рабочей жидкости в смесительной установке 2 и смесь подавали в реакционную установку 3. При времени выдержки, составляющем 5 мин, при давлении 1 бар требуется резервуар объемом 83,3  м для расхода 1000 м/ч окисленной жидкости. Полный требуемый объем раскрытой системы разделения составляет 16,7 м+ 83,3 м = 100 м, что значительно меньше, чем резервуар объемом 333 мсистемы с одним резервуаром.
Помимо осуществления процесса окисления в реакционной установке 208 с применением воды, содержащей озон в высокой концентрации, в качестве окислителя, другие процессы, такие как, процесс дезинфекции, также могут иметь место в реакционной установке 208 с применением воды, содержащей озон в высокой концентрации.
В режиме непрерывной работы расходы жидкостей на различных этапах находятся под контролем. Расход подаваемой жидкости, подаваемой в установку 204 для переноса массы, расход воды, содержащей озон в высокой концентрации, выходящей из установки 204 для переноса массы, и расход воды, содержащей озон в высокой концентрации, подаваемой в смесительную установку 206, являются приблизительно одинаковыми, благодаря чему поддерживается приблизительно постоянный объем кислотосодержащей воды под давлением в установке 204 для переноса массы. Расход смеси, выходящей из смесительной установки 206, относится к расходу рабочей жидкости, подаваемой в смесительную установку 206. Расход окисленной жидкости, выходящей из реакционной установки 208, предпочтительно контролируют так, чтобы он был приблизительно таким же, как расход смеси, подаваемой в реакционную установку 208 за определенное время. Объемы трех установок рассчитаны так, чтобы обеспечивать непрерывное получение окисленной жидкости из раскрытой системы разделения окисления.
Раскрытая система разделения окисления имеет преимущества по сравнению с традиционной системой (например, фиг. 1). Раскрытая система разделения окисления в некоторых вариантах осуществления использует кислотосодержащую подаваемую жидкость для генерирования озона, растворенного в воде, имеющую более высокую концентрацию озона при насыщенной или близкой к насыщению концентрации (устойчивые уровни растворенного озона). Раскрытая система разделения окисления использует сосуды под давлением меньшего размера, чем в традиционных системах, благодаря чему экономится пространство и упрощается работа и управление. Раскрытая система разделения окисления может повторно использовать газообразный кислород/озон в потоке отходящего газа для повторного применения или направления обратно в раствор для вторичной очистки сточных вод. Раскрытая система разделения окисления, таким образом, имеет потенциал объединения с существующими устройствами очистки сточных вод, которые используют газообразный кислород. Кроме того, раскрытая система разделения окисления может требовать меньше начального генерирования озона, благодаря повышенной эффективности при растворении озона и продуктивных окислениях, что в значительной степени уменьшает энергозатраты (первичный фактор стоимости в операции по озонированию на основе систем очистки рабочей жидкости). Поскольку весь процесс окисления включает несколько процессов, каждый из которых имеет различные регулируемые факторы, раскрытая система разделения окисления является гибкой в отношении управления процессом. Раскрытая система разделения окисления отделяет процесс смешивания и процесс реакции от процесса генерирования растворенного озона, что улучшает кинетику реакции окисления, имеющую место в реакционной установке. Кроме того, раскрытая система разделения окисления использует кинетику озона под высоким давлением путем повышения давления подаваемой жидкости, что способствует повышению концентрации озона, растворенного в воде.
Будет понятно, что множество дополнительных изменений деталей, материалов, стадий и группировок частей, которые были описаны и проиллюстрированы в данном документе с целью объяснения природы настоящего изобретения, могут быть сделаны специалистом в данной области техники в пределах принципа и объема настоящего изобретения, выраженных в прилагаемой формуле изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не должно быть ограничено конкретными вариантами осуществления в примерах, приведенных выше, и/или прикрепленных чертежах.
Хотя были показаны и описаны варианты осуществления данного изобретения, его модификации могут быть сделаны специалистом в данной области техники без отступление от сущности или идеи данного изобретения. Варианты осуществления, описанные в данном документе, являются только иллюстративными и неограничивающими. Множество изменений и модификаций композиции и способа являются возможными и находятся в пределах объема настоящего изобретения. Соответственно, объем защиты не ограничен вариантами осуществления, описанными в данном документе, а ограничен только нижеследующей формулой изобретения, объем которой будет включать все эквиваленты объекта формулы изобретения.