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 птицеводства и животноводства в фермерских и крестьянских хозяйствах.
Уровень техники
Для переработки отходов птицеводства и животноводства и получения из них биогаза и биоудобрений используются биореакторы (биогазовые установки), применение которых ограничиваются высокими затратами тепловой энергии на поддержание процесса анаэробного сбраживания 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 нежелательны.
Эти операции выполняются теплообменником и мешалкой, установленными внутри биореактора и работающими независимо друг от друга или одновременно, но перемешивание и нагрев производится в одной плоскости. Такое конструктивное решение приводит к увеличению энергетических затрат и застою пузырьков газа в биомассе.
Поэтому главная задача современной технологии переработки отходов птицеводства и животноводства является достижение перемешивания биомассы как в горизонтальной так и в вертикальной плоскостях биореактора с целью максимального снижения энергетических затрат и ускорения подъема и выхода пузырьков биогаза.
В связи с этим для анаэробного сбраживания отходов необходимо применять высокоэффективные биореакторы.
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 [1].
К недостаткам данного биореактора следует отнести сложность конструкции, постоянное и избыточное перемешивание биомассы и нерациональное использование получаемого биогаза.
Известна 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 [2].
К недостаткам известной биогазовой установки следует отнести сложность конструкции, неравномерный нагрев и перемешивание биомассы по всему объему биореактора.
Наиболее близким по технической сущности, достигаемому положительному эффекту и принятым авторами за прототип является биореактор, включающий в себя герметичный теплоизолированный корпус с крышкой, патрубки подвода и отвода биомассы, патрубок отвода биогаза, теплообменник-мешалку и привод [3].
К недостаткам известного биореактора следует отнести перемешивание биомассы только в горизонтальной плоскости объема биореактора.
Для снижения энергоемкости процесса и ускорения подъема и выхода пузырьков биогаза, необходимо разработать биореактор для анаэробного сбраживания отходов, состоящий из корпуса, теплообменника-мешалки с лопастями, позволяющий снизить энергетические затраты, ускорить подъем и выход пузырьков биогаза, увеличить равномерность теплообмена и перемешивания за счет перемещения биомассы в горизонтальной и вертикальной плоскостях биореактора.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является снижение энергоемкости процесса, увеличение объема выхода биогаза и ускорение подъема и выхода пузырьков биогаза путем повышения равномерности теплопередачи и перемешивания, за счет перемещения биомассы в горизонтальной и вертикальной плоскостях биореактора.
Технический результат предлагаемой полезной модели сводится к снижению энергетических затрат, ускорению подъема и выхода пузырьков биогаза, увеличению равномерности теплообмена и перемешивания за счет перемещения биомассы в горизонтальной и вертикальной плоскостях биореактора.
Технический результат достигается тем, что биореактор содержит герметичный теплоизолированный корпус с крышкой, патрубки подвода и отвода биомассы, патрубок отвода биогаза, теплообменник-мешалку с лопастями, установленными под углом, и привод.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
Предлагаемая конструкция включает в себя теплообменник-мешалку, выполненный в виде вертикального трубчатого вала с четырьмя лопастями, при этом верхние и нижние лопасти смещены относительно друг друга под углом 25-35°, а боковые лопасти расположены под углом 25-35° относительно горизонтальной плоскости биореактора, при этом верхние и нижние лопасти соединены между собой промежуточными лопатками, выполненными в виде прямоугольных труб, образуя при этом единую внутреннюю полость.
Благодаря такому конструктивному исполнению биореактора снижаются энергетические затраты, ускоряется подъем и выход пузырьков биогаза, увеличивается равномерность теплообмена и перемешивания за счет перемещения биомассы в горизонтальной и вертикальной плоскостях 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, подшипника качения 7, сальникового уплотнителя 8, цилиндрической трубы 9, источника теплоты 10, труб 11 и 12, ведомого шкива 13, электродвигателя 14, клиноременной передачи 15, пульта управления 16 и реле времени 17.
Изображенный на фиг. 1 теплообменник-мешалка 6 выполнен в виде вертикального трубчатого вала 18 с четырьмя лопастями, изготовленными из труб хромомолибденовой стали, при этом верхние 19 и нижние 20 лопасти смещены относительно друг друга под углом 25-35°, а боковые лопасти 21 расположены под углом 25-35° относительно горизонтальной плоскости биореактора и жестко прикреплены к вертикальному трубчатому валу 18 с возможностью вращения в горизонтальной плоскости. Верхние 19 и нижние 20 лопасти соединены между собой промежуточными лопатками 22, выполненными в виде прямоугольных труб, образуя при этом единую внутреннюю полость. Значения углов наклона лопастей выбраны конструктивно. В заданном диапазоне углов наклона лопастей значительно улучшаются качественные показатели подъема и выхода биогаза.
Теплообменник-мешалка 6 установлен соосно с камерой сбраживания, верхняя и нижняя части которого жестко установлены в подшипниках качения 7 с сальниковыми уплотнителями 8, прикрепленными 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 верхним 19, промежуточными 22, боковым 21 и нижним 20 лопастям, 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 18 теплообменника-мешалки 6 с частотой вращения 7…8 мин, осуществляя равномерный теплообмен и перемешивание в горизонтальной и вертикальной плоскостях за счет скольжения биомассы по наклонным поверхностям боковых 21 и промежуточных 22 лопастей, вследствие чего происходит ускоренный подъем и выход пузырьков биогаза. Перемешивание биомассы осуществляется через 2…3 ч, продолжительностью 10…15 мин, весь процесс контролируется реле временем 17. Нагрев биомассы для протекания термофильного процесса не должен превышать 60°C, а режим работы выбирается конструктивно в зависимости от вида отходов. Значения режимов работы биореактора выбраны конструктивно, позволяющие улучшить качество перемешивания и сбраживания.
Экспериментальный образец биореактора изготовлен и испытан в научно-исследовательской лаборатории «Альтернативная энергетика» Кабардино-Балкарского ГАУ им. В.М. Кокова и показал высокие качества анаэробного сбраживания отходов птицеводства и животноводства.
Предлагаемая конструкция биореактора по сравнению с прототипом и другими техническими решениями имеет следующие преимущества:
простота конструкции;
способность перемешивания биомассы в горизонтальной и вертикальной плоскостях биореактора;
способность снизить энергетические затраты на нагрев биомассы;
способность увеличить объем выхода биогаза;
способность увеличить скорость подъема и выхода пузырьков выработанного биогаза.
Источники информации
7
1. 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
2. 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.
3. Пат. 152918 Российская Федерация, МПК7 A01C 3/02 (2006.01). Биореактор / А.Г. Фиапшев, О.Х. Кильчукова, А.К. Апажев, Л.М. Хажметов, Ю.А. Шекихачев, М.М. Хамоков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет имени В.М. Кокова. - №2015109021/13 (014286); заявл. 13.03.15; опубл. 20.06.2015 Бюл. №17.