Способ дегазации жидкости и устройство для его осуществления
METHOD OF LIQUID DEGASATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Способ дегазации жидкости и устройство для его осуществления относятся к области очистки питьевых, технических, сточных вод и различных жидкостей от содержащихся в них газов. Изобретения могут быть использованы в коммунальном водоснабжении, водоподготовке и различных областях промышленности для очистки подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения населения, очистки подземных вод, используемых для технологического обеспечения водой объектов промышленности, очистки питьевой воды, очистки промышленных сточных вод, отдувки растворенных газов, таких как хлор, аммиак, сероводород и т.д., обезжелезивания воды, активирования воды, корректировки уровня рН, охлаждения воды, используемой в качестве теплоносителя, может использоваться в качестве реактора.
Различают химические и физические способы дегазации воды. Сущность первых заключается в добавлении реагентов, которые связывают растворенные в воде газы. Химические способы дегазации требуют строгого контроля над количеством добавляемого к воде реагента, так как всякий избыток дегазатора ухудшает свойства воды. Чаще применяются физические способы дегазации воды: с помощью нагрева, дегазация ультразвуком, вакуумированием, применяется для дегазации и способ, когда газ выделяется из воды под действием центробежной силы и др. Физические методы дегазации имеют ряд достоинств: их использование не требует реагентов, усложняющих процесс очистки; не изменяется солевой состав воды, улучшаются условия работы обслуживающего персонала. Но проблема эффективного способа дегазации, не требующего дорогого оборудования и больших затрат энергии остается весьма актуальной.
Так, изобретение по патенту RU 2556937 (B01D 19/00; C02F 1/20; F15B 21/04; F15B 21/12 опубликовано 20.07.2015) направлено на повышение эффективности способа дегазации жидкости на сетке в проточном гидробаке открытого типа электро-гидромеханических систем, например, гидросистемы гидропривода путем интенсификации процесса дегазации за счет многоступенчатости обработки жидкости на сетке. Способ дегазации рабочей жидкости электрогидромеханической системы включает дегазацию рабочей жидкости на сетке в проточном гидробаке, при этом сетке придают низкочастотную поперечную вибрацию, а на входе сетки методом барботажа создают газожидкостной слой с высокочастотным пульсирующим давлением низкой интенсивности.
Группа изобретений по патенту SU 1664359 (B01D 19/00, дата публикации 23.07.1991 г) относится к способу дегазации жидкости и устройству для его осуществления. Целью изобретения является повышение эффективности дегазации жидкости и снижения энергозатрат, а также упрощение конструкции устройства. В жидкость помещают герметичную газовую камеру и возбуждают в жидкости колебания периодически и с определенной частотой. Устройство содержит емкость, в которой на вертикальном стержне свободно установлена торообразная газонаполненная упругая камера. На поверхности жидкости размещен плавающий перфорированный диск. Возбудитель колебаний выполнен в виде пульсатора.
Изобретение по патенту RU 2001653 (B01D 19/00, дата публикации 30.10.1993) направлено на повышение эффективности дегазации рабочей жидкости сравнительно невысокого удельного веса при обеспечении ее фильтрации. Рабочую жидкость (РЖ) предварительно частично дегазируют и фильтруют в камере фильтрации, откуда РЖ подают в виде струй в сепарационную камеру дегазатора (КД) с вращающимся ротором, при этом периодически сообщают камеру фильтрации через КД с камерой разрежения, одновременно герметизируют КД периферийным кольцевым слоем РЖ, к которой прикладывают вакуум, фильтруют через боковую стенку ротора и выводят из него. Устройство выполнено с дополнительной камерой фильтрации. Ротор выполнен с радиальными лопатками и боковой стенкой с проходными фильтрующими элементами и размещен внутри корпуса. В турбосепарационном варианте КД к внутренним концам лопаток прикреплены турбинные лопатки, а к наружным концам лопаток - винтовой шнек по образующей ротора.
Все указанные изобретения направлены на повышение эффективности дегазации разными способами и устройствами. Между тем, эта задача не решена известными решениями.
Из уровня техники известен способ дегазации жидкости и устройство для его осуществления (RU 2166349, B01D 19/00, дата публикации 10.05.2001 г) в котором жидкость подают под давлением через распылительную головку в вакуумную камеру. Образующийся на выходе камеры поток газожидкостной смеси подают в замкнутую коническую зону по касательной к боковой поверхности замкнутой зоны и под углом к оси замкнутой зоны и придают потоку вращательное и поступательное движение. Поток образует спиральный вихрь с вертикальной осью и уменьшающимся книзу радиусом закрутки вихря. Поток разделяют под действием центробежной силы на жидкую и газовую фазы. Устройство, позволяющее реализовать способ, содержит патрубок подачи дегазируемой жидкости, распылительную головку, состоящую из сопла и закрепленной на его конце насадки, вакуумную камеру. На выходе вакуумной камеры установлен циклон. Ось вакуумной камеры направлена по касательной к боковой поверхности циклона и под углом к оси циклона. Изобретение обеспечивает глубокое выделение и отделение агрессивных газов из потока жидкости.
Недостатками способа и устройства является наличие вакуумной камеры, что усложняет и удорожает процесс. Кроме того, в способе используется только три физических процесса: увеличение площади поверхности раздела сред «вода-воздух» (распыление), отдувка, отделение газов под действием центробежной силы, что не позволяет эффективно очистить воду.
На эффективное проведение процессов дегазации жидкости и упрощение конструкции направлены также способ дегазации жидкости и устройство для его осуществления, известные из патента РФ №2315646 (B01D 19/00, C02F 1/36, дата публикации 27.01.2008 г.), принятые в качестве ближайшего аналога для соответствующего объекта. Дегазация жидкости заключается в том, что массе жидкости сообщают вращательное движение, воздействуя на нее акустическим полем в тангенциальном или тангенциально-продольном направлении относительно оси вращения объема жидкости, посредством которого осуществляют разделение газовой фазы и жидкой. Дегазация осуществляется в устройстве, содержащем камеру для дегазируемой жидкости, патрубки подвода газожидкостной смеси и отвода жидкости, при этом камера снабжена акустическими излучателями, активная поверхность которых установлена в тангенциальном или тангенциально-продольном направлении со смещением относительно друг друга в осевом направлении камеры. Также дегазационная камера снабжена дополнительным акустическим излучателем, активная поверхность которого установлена в продольном направлении относительно оси дегазационной камеры.
Недостатком способа и устройства является техническая сложность реализации, что удорожает процесс. Другим недостатком является использование для чистки только одного физического эффекта - кавитации, что снижает эффективность очистки воды.
Настоящее изобретение направлено на повышение эффективности очистки питьевых, технических, сточных вод и различных жидкостей от содержащихся в них газов более простым в реализации способом и устройством, позволяющим уменьшить затраты энергии и увеличить объем очищенной жидкости с высоким содержанием растворенных газов. Решение указанных задач обеспечивает возможность получения совокупностью существенных признаков технического результата, заключающегося в повышении эффективности очистки жидкости за счет насыщения обрабатываемой воды кислородом воздуха, окисления загрязняющих веществ, содержащихся в воде, отделения и удаления растворенных газов, активирования воды. При реализации изобретений также достигается еще один результат - повышенный теплообмен между рабочей жидкостью и воздушной средой.
Решение поставленных задач и достижение технических результатов достигается тем, что, согласно предлагаемому способу в камере устройства для дегазации проводят аэрацию жидкости в потоке в процессе которой обрабатываемая вода насыщается воздухом и создаются кавитационные пузырьки, затем осуществляют гидродинамическую кавитацию путем снижения давления в потоке жидкости до значения равного давлению насыщенных паров этой жидкости при данной температуре или давлению, при котором начинается выделение из нее растворенных газов (газовая кавитация) за счет повышения скорости потока в струях, поступления рабочей жидкости в зону пониженного давления, увеличения давления поступающей рабочей жидкости перед зоной низкого давления, расширения потока вслед за его сужением, создания очагов кавитации пузырьками нерастворенного воздуха, поступившего в жидкость в процессе предварительной аэрации; после чего обеспечивают отдувку выделившихся газов потоком воздуха с одновременным механическим распылением жидкости в результате удара струи о стенку, обеспечивающее отделение и удаление растворенных газов.
Технический результат достигается также предлагаемым устройством дегазации для осуществления способа, содержащим камеру (4) для дегазируемой жидкости, снабженную аэратором (1); нагнетательные патрубки (2) в которых увеличивается давление с душирующими отверстиями (3), обеспечивающими эффект кавитации и образование струй; воздушные патрубки (6) для подвода воздуха и отвода выделившихся газов, выполненных с противоположных сторон, при этом патрубок подвода воздуха снабжен вентилятором (5); по меньшей мере одним гидрозатвором, препятствующим попаданию отделенных газов в дегазированную жидкость и повторное их растворение (7). Для увеличения эффекта кавитации профили сечений душирующих отверстий могут соответствовать профилю сечений диффузорного насадка.
Сущность технических решений поясняется чертежом, где представлен общий вид устройства дегазации.
Для устранения вышеуказанных недостатков предлагается способ дегазации жидкости и устройство для его осуществления, включающие четыре физических процесса: предварительную аэрацию жидкости, последующую гидродинамическую кавитацию, механическое распыление жидкости в результате удара струи о стенку, отдувку выделившихся газов потоком воздуха.
Устройство представляет собой дегазационную камеру (4), снабженную аэратором (1) в виде компрессора или эжектора, нагнетающего воздух в поток жидкости, нагнетательных патрубков (2), в которых увеличивается давление и снабженных душирующими отверстиями (3), которые обеспечивают образование струй. Профили сечений душирующих отверстий 3 предпочтительнее выполнять в форме сечений диффузорных насадков. В дегазационной камере (4) происходит кавитация, увеличение поверхности раздела сред «вода-воздух» и отдувка выделившихся газов. Камера (4) содержит, по крайней мере, два воздушных патрубка (6), по которым осуществляется подвод воздуха и отвод выделившихся газов. Патрубок подвода воздуха (6) содержит вентилятор (5), создающий поток воздуха в дегазационной камере (4). Гидрозатвор (7) препятствует поступлению газов в поток очищенной жидкости.
Конструкция устройства дегазации обеспечивает реализацию способа, включающего следующие действия.
Аэрация жидкости в потоке, в процессе которой обрабатываемая вода насыщается воздухом. При этом совершается окисление растворенных газов и органических веществ, содержащихся в жидкости, вытеснение растворяемым воздухом газов из рабочей жидкости, образование ядер, в которых впоследствии зарождаются и растут кавитационные пузырьки. Аэрация жидкости в потоке может быть, как напорной, посредством компрессора, так и инжекционной, с использованием узла Вентури.
Гидродинамическая кавитация достигается путем повышения давления в потоке жидкости в нагнетательных патрубках перед душирующими отверстиями за счет уменьшения сечения с резким понижением давления после них вследствие повышения скорости потока и пониженного давления в дегазационной камере при отдувке. Целесообразно выполнение душирующих отверстий в форме сечений диффузорных насадков, что усиливает эффект кавитации. На данном этапе происходит усиленное окисление загрязняющих веществ, содержащихся в воде, таких как железо, сероводород, органические соединения и т.п.за счет повышения температуры внутри кавитационных пузырьков, разрушение кластеров воды (активация), улучшенное смешение жидкостей и коллоидных составов. Граничные условия кавитации могут уничтожать загрязняющие вещества и органические молекулы.
Гидродинамическая кавитация в устройстве происходит вследствие:
- снижения давления в потоке жидкости до значения равного давлению насыщенных паров этой жидкости при данной температуре или давлению, при котором начинается выделение из нее растворенных газов (газовая кавитация) за счет повышения скорости потока в струях, поступления рабочей жидкости в зону пониженного давления;
- увеличения давления поступающей рабочей жидкости перед зоной низкого давления;
- расширения потока вслед за его сужением;
- создания очагов кавитации пузырьками нерастворенного воздуха, поступившего в жидкость в процессе предварительной аэрации;
- наличия в рабочей жидкости растворенных газов.
Далее подробно описаны условия возникновения кавитация и их достижение в предлагаемом решении.
1. Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда целостность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Когда местное давление жидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлению насыщения при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя, в основном, фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырями. Ведущую роль в образовании пузырьков при кавитации играют газы, выделяющиеся внутрь образовывающихся пузырьков.
Кавитация возникает при достижении давления жидкости, равного давлению насыщенных паров этой жидкости при данной температуре или давлению, при котором начинается выделение из нее растворенных газов (газовая кавитация).
В заявленном изобретении в потоке жидкости падение давления происходит в области повышенных скоростей. Причиной кавитации является возникновение больших местных скоростей, ведущих к понижению давления. Если при этом давление оказывается меньше упругости паров, в соответствующих местах потока начинается бурное выделение растворенных газов и испарение жидкости, она начинает кипеть и в ней образуются кавитационные полости, состоящие из пузырьков, заполненных паром.
По мере увеличения скорости потока давление падает. Оно может стать ниже давления насыщения. В итоге в ней возникают пузырьки, содержащие смесь пара и газа, растворенного в жидкости. При скоростях потока 14 м/с (при температуре 20°С и отсутствии в жидкости пузырьков воздуха, а также растворенных газов) создаются условия для возникновения кавитационных режимов. При повышении скорости эффект кавитации увеличивается.
Установка душирующих отверстий, имеющих сечение намного меньше сечений нагнетательных патрубков, обеспечивает повышение давления потока перед ними и увеличение скорости жидкости в струях. Скорость увеличивается прямо пропорционально отношению площади сечений нагнетательных патрубков к площади сечений душирующих отверстий. Эффект кавитации возрастает пропорционально квадрату скорости потока.
2. Увеличение давления поступающей рабочей жидкости перед зоной низкого давления (зоной кавитации) выше 4 м (при температуре 20°С и отсутствии в жидкости пузырьков воздуха, а также растворенных газов).
Повышение давления в потоке жидкости в нагнетательных патрубках в предлагаемом способе происходит за счет сужения сечения потока в душирующих отверстиях. При наличии в рабочей жидкости растворенных газов и зародышевых ядер, а также повышением температуры, напор может быть ниже 4 м.
3. Возникновение кавитации в результате расширения потока вслед за его сужением.
В заявленном решении при течении жидкости через местное сужение трубы, увеличивается скорость и падает давление, что обусловливает возникновение кавитационной зоны.
При прохождении жидкости через душирующее отверстие происходит ее мгновенное сжатие с повышением местного давления и последующим расширением в струе с понижением давления и образованием зоны кавитации.
Площадь узких сечений душирующих отверстий значительно меньше площади нагнетательных патрубков, за этими сечениями основная масса жидкости движется в виде свободной струи, сопровождаемой по бокам пенообразной смесью, состоящей из пузырьков газа и жидкости. А, поскольку струи жидкости из душирующих отверстий попадают непосредственно в зону отдувки, кавитационная зона располагается в зоне дегазации.
При обтекании любого тела образуется область пониженного давления. В некоторых случаях падение давления достаточно для возникновения эффекта кавитации. Особенно ярко это явление наблюдается при истечении жидкости через диффузорный насадок. Для увеличения эффекта кавитации целесообразно профили душирующих отверстий исполнять в соответствии с профилем диффузорного насадка, т.к. именно этот профиль предполагает наличие зоны кавитации.
4. Понижение внешнего давления.
Поскольку поток рабочей жидкости после душирующих отверстий поступает в воздушную среду, имеющую более низкое давление, чем давление жидкости в нагнетательных патрубках, то это создает дополнительные условия для возникновения кавитации. Кроме того, пониженное давление в зоне дегазации создается за счет потока воздуха, отдувающего отделенные газы.
5. Давление при возникновении кавитации не всегда равно давлению насыщенных паров. Это объясняется наличием своего рода ядер, в которых зарождаются и растут кавитационные пузырьки. Такими ядрами могут служить микроскопические пузырьки газа, твердые примеси (пыль) и т.п. Кавитация наступает тем раньше, чем больше в жидкости нерастворенного воздуха, пузырьки которого служат активными очагами кавитации. Возникновение кавитации значительно облегчается при наличии в жидкости пузырьков воздуха, а также растворенных газов.
По условиям решаемой задачи в рабочей жидкости содержатся растворенные газы, что обеспечивает образование кавитационных пузырьков при более высоком давлении. Кроме того, предварительная аэрация снабжает рабочую жидкость зародышевыми ядрами, что способствует облегчению этого процесса и делает возможным возникновение эффекта кавитации при меньших перепадах давлений в потоке.
6. При повышении температуры жидкости.
Чем выше температура жидкости, тем при больших значениях давления начинается образование кавитационных пузырьков.
В нашем случае это явление учитывается при использовании заявленного способа и устройства для охлаждения рабочей жидкости.
Отдувка выделившихся газов - завершающий этап дегазации жидкости осуществляется потоком воздуха с одновременным механическим распылением жидкости в результате удара струи о стенку, обеспечивающее отделение и удаление растворенных газов.
В предлагаемом устройстве технический результат достигается предварительной аэрацией и применением душирующих отверстий (3), обеспечивающих повышение давления перед ними и увеличение скорости потока после них за счет уменьшения сечения. При прохождении жидкости через душирующее отверстие происходит ее мгновенное сжатие с повышением местного давления и последующим расширением в струе с понижением давления и образованием зоны кавитации. Сразу за срезом душирующих отверстий появляются волнообразные колебания струи, приводящие к ее распаду. С увеличением скорости на струю начинают действовать аэродинамические силы, ускоряющие распад струи и приводящие к дополнительному дроблению частичек жидкости
Струи жидкости с большой скоростью ударяются о стенку дегазационной камеры (4). При этом происходит механическое распыление жидкости с увеличением площади поверхности раздела сред «вода-воздух» и резкое снижение давления, что вызывает дополнительный кавитационный эффект.
Поток воздуха, проходящий через дегазационную камеру (4), обеспечивает отдувку выделившихся газов.
Данная последовательность применения физических эффектов значительно повышает эффективность очистки жидкости от растворенных газов, т.к. предварительная аэрация позволяет обеспечить перенасыщение жидкости воздухом, что способствует вытеснению растворенных газов и образованию кавитационных пузырей. Увеличение поверхности раздела сред «вода-воздух» содействует выделению находящихся в жидкости газов. Поскольку газы выделяются в поток воздуха, происходит их эффективная отдувка, что препятствует их вторичному растворению.
При применении устройства насыщение обрабатываемой воды кислородом воздуха производится в усиленном режиме, окисление загрязняющих веществ, содержащихся в воде, таких как железо, сероводород и т.п.значительно ускоряется, предельно увеличивается площадь поверхности раздела сред «вода-воздух», что обеспечивает интенсивную отдувку и окисление загрязняющих веществ, обезжелезивание воды происходит без применения реагентов. В процессе работы устройства происходит активирование обрабатываемой воды, имеется возможность проводить усиленное смешение жидких и коллоидных реагентов, обеспечивается повышенный теплообмен между потоками рабочей жидкости и воздуха, достигается высокая эффективность. Устройство имеет небольшие габариты и невысокую стоимость. Его преимуществами является простота монтажа и пусконаладки, обслуживание не требует высокой квалификации, вследствие отсутствия высоких давлений повышается безопасность эксплуатации.
Способ очистки воды от растворенных газов с использованием устройства для его осуществления осуществляли согласно примерам 1, 2.
Пример 1. Испытания способа очистки воды производили с питьевой водой подземного источника водоснабжения с повышенным содержанием радона. Эксперимент проводили следующим образом. Вода из артезианской скважины насосом подавалась на аэрирующий узел, в котором аэрация производилась при помощи компрессора. Затем аэрированная вода поступала по нагнетательным патрубкам к душирующим отверстиям. Образовавшиеся струи питьевой воды разбивались о стенки дегазационной камеры. Вентилятором создавался поток воздуха, проходящий по воздушным патрубкам и рабочей зоне дегазационной камеры. Поскольку радон тяжелее воздуха, в целях предотвращения поступления радона в поток очищенной воды, был установлен гидрозатвор. Степень очистки сточных вод от радона составила 99,67%.
Пример 2. Испытания проводили со сточной водой с высоким содержанием аммиака. Вода насосом подавалась через эжектор, через который в поток воды поступал воздух, в нагнетательные патрубки, и, далее, к душирующим отверстиям. Образовавшиеся струи сточной воды разбивались о стенки дегазационной камеры. Вентилятором создавался поток воздуха, проходящий по воздушным патрубкам и рабочей зоне дегазационной камеры, в которой был установлен гидрозатвор. В результате обработки концентрация аммиака в сточной воде снизилась на 5022 мг/л (66,2%).
В таблице приведены результаты очистки воды, осуществляемые согласно приведенным примерам 1-2
Наименование ингредиента
Концентрация до очистки
Концентрации после очистки
Радон
173,8 Бк/л
0,57 Бк/л
Аммиак
7587 мг/л
2565 мг/л
Из анализа данных таблицы следует, что применение способа дегазации жидкости, заключающегося в последовательной аэрации, кавитации, увеличении площади поверхности раздела сред «вода-воздух» распылением и отдувке с помощью устройства для его осуществления значительно повышает эффективность очистки, позволяет проводить очистку жидкостей с большим содержанием газов. Заявляемый способ и устройство имеют невысокие затраты на осуществление, просты в применении, позволяют эффективно очищать большие объемы жидкости с высоким содержанием растворенных газов. Устройство является простым и обеспечивает снижение трудоемкости и повышение качества очистки жидкости от газовых включений. Кроме того, поскольку в устройстве происходит активное перемешивание рабочей жидкости, оно может быть использовано в качестве химического реактора путем введения жидких химических реагентов или коллоидных составов, в частности для изменения уровня рН.