СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО ОЗОНА В ЖИДКИХ СРЕДАХ
METHODS AND SYSTEMS FOR OBTAINING A HIGH CONCENTRATION OF DISSOLVED OZONE IN LIQUID MEDIA

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет заявки на патент США с серийным номером №15/939114, поданной 28 марта 2018 г., заявки на патент США с серийным номером №16/046702, поданной 26 июля 2018 г., и заявки на патент США с серийным номером №16/046805, поданной 26 июля 2018 г., включенных в настоящий документ посредством ссылок во всей своей полноте для всех целей.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам растворения озона в жидких средах, в частности, максимизации концентрации растворенного озона в жидкой среде, такой как вода, для получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, предназначенной для использования в качестве жидкого окислителя. 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 при атмосферных условиях является перенасыщенной.
Предпосылки создания изобретения
3
Жидкое окисление используют для окисления соединения, находящегося в растворе. В типовом процессе жидкого окисления окисляющее вещество, такое как озон, диоксид азота, фтор, хлор, бром и т.д., добавляется в жидкость или загрязненную жидкую среду для разрушения химических загрязнителей на месте. Оно может использоваться для устранения разнообразных органических и неорганических соединений, в том числе некоторых, устойчивых к естественному разложению. Одним из широко распространенных окислителей, используемых в этом процессе, является озон (О).
Окислительная очистка на основе озона является широко распространенной в области промышленности. Озон используют для окисления нескольких химических соединений в фармацевтических отраслях. Его также можно использовать для осветления веществ и для уничтожения микроорганизмов в источниках воздуха и воды. Большая часть реакций с озоном происходит в жидкой среде. Поскольку озон в коммерческом отношении генерируется в газовой фазе с использованием генератора озона, он сначала должен быть растворен в воде или жидкой среде (так называемый перенос массы). Этот растворенный озон в воде или жидкой среде используется в качестве окислителя для вступления в реакцию с соединениями для окисления. В промышленности вода или жидкая среда с растворенным озоном может использоваться, но без ограничения, в следующих областях:
- устранение загрязняющих микровеществ и окисление трудноразлагаемых органических компонентов в воде, подлежащей доочистке;
- химическое воздействие на загрязнители в воде (железо, мышьяк, сероводород, нитриты, сложные органические вещества) и деколонизация;
- обеззараживание воды вместо хлора, такой как питьевая вода, рабочая жидкость и т.д.;
- обеспечение помощи для флокуляции (агломерирования молекул, которые помогают в фильтрации, где железо и мышьяк удалены);
- изготовление химических соединений посредством химического синтеза;
- промывка свежих фруктов и овощей с целью уничтожения дрожжевых грибков, плесени и бактерий; и
- осветление целлюлозы и бумаги.
3
3
В настоящее время процессы растворения, смешивания и реакции озона для очистки сточных вод на основе озона происходят в единственном реакторе, например, в большом бетонном резервуаре на станциях очистки сточных вод (WWTP). На фиг. 17 представлена структурная схема общей озоновой реакторной системы, предназначенной для выполнения всех процессов, то есть растворения (переноса массы), смешивания и реакции, в единственном реакторе 100. В таких системах газообразный озон обычно впрыскивается через пузырьковые диффузоры или системы насоса-инжектора в озоновый реактор. Здесь следует отметить, что в единственном реакторе 100 отдельный этап смешивания не является необходимым, поскольку газообразный озон растворяется непосредственно в технической воде, подлежащей очистке. Примерами таких реакторов являются экспериментальные установки, произведенные компанией Wedeco: WWTP, находящаяся в Регенсдорфе, и WWTP, находящаяся в Лозанне, в Швейцарии, и WWTP, принадлежащая Emscher Verbund, и WWTP, находящаяся в Дуйсбурге, в Германии. Такая система обычно имеет большой объем (например, 333 м) реактора, и время гидравлического удержания, составляющее от 20 минут до 40 минут, является общепринятым. В зависимости от разных применений окисления обычные дозы озона находятся в диапазоне от 2 г до 200 г озона на м рабочей жидкости, подлежащей очистке. Кроме того, вышеупомянутые единственные реакторы, как правило, работают при атмосферном давлении около 1 бар. Следовательно, нерастворенные озон и кислород в струе отходящего газа из единственного реактора не могут быть восстановлены без дополнительного повышения давления, что приводит к потере газообразного озона и/или газообразного кислорода, а также энергии, потребляемой для генерирования озона в системах.
В целом, известно, что скорость растворения озона в воде (также называемая скоростью переноса массы из газа в жидкость) представляет собой этап ограничения скорости по сравнению со скоростью реакции растворенного озона с окисляемыми составляющими 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 из газовой в жидкую фазу представляет собой этап ограничения скорости во всем процессе. Кроме того, поскольку как растворение, так и реакция происходят в одном и том же реакторе, они не оптимизированы либо для растворения, либо для процесса реакции. Таким образом, разграничение оборудования в системе, используемой для растворения, смешивания и реакции озона, приведет к гибкости процесса и обеспечит возможность работы системы при более экономичных и технически оптимизированных условиях и/или обеспечит возможность более эффективного повторного использования газообразного озона.
В последнее время были предприняты значительные попытки достижения высоких уровней или концентраций растворенного озона в водной среде.
В документе US 7022225 на имя Clawson и соавт. раскрыты устройство и система для смешивания и разделения озонированной воды. Устройство является полезным для цикличной санитарной обработки предварительно очищенной озонированной воды с подачей в большое количество воды. Устройство содержит разделительную емкость, содержащую смесительную башню с устройством в виде распылителя для улучшения смешивания предварительно очищенной озонированной воды без увеличения турбулентности в разделительной емкости. Разделительная емкость уплотнена вентиляционным отверстием для отходящего газа. Узел разрушения озона содержит линию возврата для пропускания очищенного отходящего газа в большое количество воды.
В документе US 5637231А на имя Hill и соавт. раскрыта каталитическая система фото каталитического окисления и озонирования, использующая ультрафиолетовый свет и озон при очистке отходов и сточной воды для уничтожения патогенов и для расщепления большинства углеводородов и других химикатов до неопасных форм. Озон взаимодействует в трубке Вентури до того, как ультрафиолетовый свет используется в качестве катализатора для разрыва двойных связей кетонов, альдегидов, сложных эфиров и карбоновых кислот. После первоначальной очистки сточная вода нагнетается в емкость оздоровления с помощью озона под давлением, где происходит паровое окисление загрязняющих химикатов. Емкость оздоровления содержит ряд пластин резонатора для озона, имеющих коллекторы для распределения озона, которые распыляют сточную воду с озоном.
В документе US 6461522 на имя Pak и соавт. раскрыто, что струи сточной воды, содержащие различные загрязняющие вещества, экономично и эффективно очищаются при температуре и давлении окружающей среды перекисью водорода, кислородом или озоном в присутствии гетерогенного катализатора.
В документе WO 1997014657 на имя Bargratt и соавт. раскрыто удаление загрязнителей из сточной воды с помощью усовершенствованного процесса окисления, в котором сточная вода контактирует с озоном в отсутствие катализатора для окисления окисляемых озоном загрязнителей и для растворения озона в воде, и результирующая озонсодержащая вода контактирует с твердым катализатором, активирующим озон, для окисления озоностойких загрязнителей в воде. Сток после очистки с помощью катализатора может контактировать с озоном и рециркулировать для дальнейшего контакта с катализатором.
В документе ЕР 0561458 на имя van Staveren раскрыты способы и устройство очистки воды, в которых смесь газообразных кислорода и озона вводится под высоким давлением в воду, подлежащую очистке, и полученная вода, обогащенная смесью газообразных кислорода и озона, направляется на стадию очистки, которая предусматривает по меньшей мере один реактор. Неразложившиеся или недостаточно разложившиеся загрязнители задерживаются мембранной фильтрующей установкой и подвергаются рециркуляции на стадию очистки.
В документах US 6190436 и US 6197091 на имя Ji и соавт. раскрыто использование мембранной разделяющей установки, содержащей мембрану из эластомерного полимера, для получения струи газа, обогащенного озоном, и струи газа, обогащенного кислородом. Смесь газообразных озона и кислорода получается путем пропускания кислорода в генератор озона. Газ, обогащенный озоном, контактирует с веществами, которые вступают в реакцию с озоном, тем самым окисляя вещества. Струя газа, обогащенного кислородом, рециркулирует в генератор озона. Перед рециркуляцией струя, обогащенная кислородом, может быть очищена для удаления газообразных примесей, которые проникают через мембрану из обрабатываемой струи жидкости или газа.
В документе US 9248415 на имя Osborn и соавт. раскрыты системы и способы максимизации концентрации растворенного газообразного озона в воде путем периодического или непрерывного растворения озона в жидкости, которая распыляется посредством подачи газообразных озона и кислорода, удаляя при этом избыточный газообразный кислород из свободного пространства резервуара насыщения, используемого в системе растворения. Концентрация растворенного озона при использовании системы отвода газа близка к 50 мг/л на выходе резервуара растворения.
Сущность изобретения
Раскрыт способ непрерывного получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, причем способ включает этапы а) впрыскивания подкисляющего агента в струю подаваемой воды под давлением для поддержания значения рН струи подаваемой воды под давлением ниже 7, b) подачи струи подаваемой воды под давлением в колонну растворения после впрыскивания подкисляющего агента для образования в ней большого количества кислой воды под давлением, с) распыления двухфазной смеси газообразных кислорода и озона и рециркуляционной воды в большое количество кислой воды под давлением в колонне растворения для растворения озона в кислой воде под давлением, тем самым получая в ней воду, содержащую озон в высокой концентрации; d) поддержания давления колонны растворения в пределах предопределенного диапазона давления путем контролируемого высвобождения струи отходящего газа из колонны растворения, е) выпускания воды, содержащей озон в высокой концентрации, из колонны растворения; и f) регулировки расхода воды, содержащей озон в высокой концентрации, выпускаемой из колонны растворения, так, чтобы он соответствовал расходу струи подаваемой воды под давлением, подаваемой в колонну растворения после впрыскивания подкисляющего агента, чтобы одновременно поддерживать режим пуска в верхней части колонны растворения, который способствует высокой эффективности переноса массы озона в кислую воду под давлением, и режим устойчивого состояния в нижней части колонны растворения, которое способствует высокой концентрации растворенного озона в кислой воде под давлением, которые одновременно имеют место в большом количестве кислой воды под давлением в емкости под давлением, при этом градиент концентрации растворенного озона образуется вдоль высоты большого количества кислой воды под давлением.
Также раскрыт способ непрерывного получения не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, причем способ включает этапы i) впрыскивания подкисляющего агента в струю подаваемой жидкости под давлением для поддержания значения рН струи подаваемой жидкости под давлением ниже 7, ii) подачи струи подаваемой жидкости под давлением в колонну растворения после впрыскивания подкисляющего агента для образования в ней большого количества кислой жидкости под давлением, iii) распыления двухфазной смеси газообразных кислорода и озона и рециркуляционной жидкости в большое количество кислой жидкости под давлением в колонне растворения для растворения озона в кислой жидкости под давлением, тем самым получая не содержащую газа жидкость, содержащую растворенный озон, iv) поддержания давления колонны растворения в пределах предопределенного диапазона давления путем контролируемого высвобождения струи отходящего газа, которая содержит озон, из колонны растворения, v) выпускания не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, из колонны растворения и vi) регулировки расхода жидкости, содержащей растворенный озон, выпускаемой из колонны растворения, так, чтобы он соответствовал расходу струи подаваемой жидкости под давлением, подаваемой в колонну растворения после впрыскивания подкисляющего агента, чтобы одновременно поддерживать режим пуска в верхней части колонны растворения, который способствует высокой эффективности переноса массы озона в кислую воду под давлением, и режим устойчивого состояния в нижней части колонны растворения, который способствует высокой концентрации растворенного озона в кислой жидкости под давлением, которые одновременно имеют место в большом количестве кислой воды под давлением в емкости под давлением, при этом градиент концентрации растворенного озона образуется вдоль высоты большого количества кислой жидкости под давлением.
2
2
2
Также раскрыт способ непрерывного получения не содержащего газа окислителя, предназначенного для процессов жидкого окисления, причем способ включает этапы 1) впрыскивания СО в струю подаваемой жидкости под давлением для поддержания значения рН струи подаваемой воды под давлением ниже 7, 2) подачи струи подаваемой жидкости под давлением в колонну растворения после впрыскивания СО для образования в ней большого количества кислой жидкости под давлением, 3) растворения газообразного озона в большом количестве кислой жидкости под давлением для получения не содержащего газа окислителя, 4) поддержания давления колонны растворения в пределах предопределенного диапазона давления путем контролируемого высвобождения струи отходящего газа из колонны растворения, 5) выпускания не содержащего газа окислителя из колонны растворения и 6) регулировки расхода не содержащего газа окислителя, выпускаемого из колонны растворения, так, чтобы он соответствовал расходу струи подаваемой жидкости под давлением, подаваемой в колонну растворения после впрыскивания СО, чтобы одновременно поддерживать режим пуска в верхней части колонны растворения, который способствует высокой эффективности переноса массы озона в кислую жидкость под давлением, и режим устойчивого состояния в нижней части колонны растворения, который способствует высокой концентрации растворенного озона в кислой жидкости под давлением, которые одновременно имеют место в большом количестве кислой воды под давлением в емкости под давлением, при этом градиент концентрации растворенного озона образуется вдоль высоты большого количества кислой жидкости под давлением.
Раскрыта система непрерывного получения не содержащей газа жидкости, содержащей озон, причем система содержит а) первое устройство для впрыскивания газа, выполненное с возможностью и приспособленное для впрыскивания подкисляющего агента в струю подаваемой жидкости под давлением для поддержания значения рН струи подаваемой воды под давлением ниже 7, b) колонну растворения, содержащую (i) емкость под давлением, выполненную с возможностью и приспособленную для содержания большого количества кислой жидкости под давлением и отходящего газа в свободном пространстве над большим количеством кислой жидкости под давлением, (ii) впускное отверстие, выполненное с возможностью и приспособленное для обеспечения прохождения струи подаваемой жидкости под давлением в емкость под давлением через свободное пространство после впрыскивания подкисляющего агента, (iii) вентиляционное отверстие для отходящего газа, выполненное с возможностью и приспособленное для высвобождения отходящего газа, содержащегося в свободном пространстве емкости под давлением, чтобы поддерживать давление емкости под давлением в пределах предопределенного диапазона давления, и (iv) выпускное отверстие, выполненное с возможностью и приспособленное для выпускания не содержащей газа жидкости, содержащей озон, из емкости под давлением, с) контур рециркуляции текучей среды, имеющий впускное отверстие для текучей среды, соединенное по текучей среде с колонной растворения, выполненное с возможностью и приспособленное для приема текучей среды из колонны растворения, второе устройство для впрыскивания газа, выполненное с возможностью и приспособленное для впрыскивания озона в текучую среду, рециркуляция которой осуществляется посредством контура рециркуляции текучей среды, и устройство для впрыскивания текучей среды, находящееся в пределах емкости под давлением, установленное на дне емкости под давлением, выполненное с возможностью и приспособленное для распыления текучей среды, после впрыскивания озона, в большое количество кислой жидкости под давлением в емкости под давлением, тем самым впрыскивая в нее озон, d) контроллер, выполненный с возможностью и приспособленный для регулировки расхода струи кислой подаваемой жидкости под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения, чтобы получить приток струи кислой подаваемой жидкости под давлением, который обеспечивает возможность непрерывного получения не содержащей газа жидкости, содержащей озон, и е) по меньшей мере одно из впрыскивающих сопел, каждое из которых контролируется клапаном, соединено по текучей среде с выпускным отверстием колонны растворения, выполнено с возможностью и приспособлено для регулировки расхода полученной не содержащей газа жидкости, содержащей озон, выпускаемой из выпускного отверстия колонны растворения, так, чтобы он соответствовал расходу струи кислой подаваемой жидкости под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения, чтобы поддерживать режим пуска в верхней части емкости под давлением, который способствует высокой эффективности переноса массы озона в кислую жидкость под давлением, и режим устойчивого состояния в нижней части емкости под давлением, который способствует высокой концентрации растворенного озона в кислой жидкости под давлением, которые одновременно имеют место в большом количестве кислой жидкости под давлением в емкости под давлением, при этом градиент концентрации растворенного озона образуется вдоль высоты большого количества кислой жидкости под давлением.
Также раскрыта система непрерывного получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, причем система содержит первое устройство для впрыскивания газа, выполненное с возможностью и приспособленное для впрыскивания подкисляющего агента в струю подаваемой воды под давлением для поддержания значения рН струи подаваемой воды под давлением ниже 7, b) колонну растворения, содержащую (i) емкость под давлением, выполненную с возможностью и приспособленную для содержания большого количества кислой воды под давлением и отходящего газа в свободном пространстве над большим количеством кислой воды под давлением, (ii) впускное отверстие, выполненное с возможностью и приспособленное для обеспечения прохождения струи подаваемой воды под давлением в емкость под давлением через свободное пространство после впрыскивания подкисляющего агента, (iii) вентиляционное отверстие для отходящего газа, выполненное с возможностью и приспособленное для высвобождения отходящего газа, содержащегося в свободном пространстве емкости под давлением, чтобы поддерживать давление емкости под давлением в пределах предопределенного диапазона давления, и (iv) выпускное отверстие, выполненное с возможностью и приспособленное для выпускания воды, содержащей озон в высокой концентрации, из емкости под давлением, с) контур рециркуляции текучей среды, имеющий впускное отверстие для текучей среды, соединенное по текучей среде с колонной растворения, выполненное с возможностью и приспособленное для приема текучей среды из колонны растворения, второе устройство для впрыскивания газа, выполненное с возможностью и приспособленное для впрыскивания озона в текучую среду, рециркуляция которой осуществляется посредством контура рециркуляции текучей среды, и устройство для впрыскивания текучей среды, находящееся в пределах емкости под давлением, установленное на дне емкости под давлением, выполненное с возможностью и приспособленное для распыления текучей среды, после впрыскивания озона, в большое количество кислой воды под давлением в емкости под давлением, тем самым впрыскивая в нее озон, d) контроллер, выполненный с возможностью и приспособленный для регулировки расхода струи кислой подаваемой воды под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения, чтобы получить приток струи кислой подаваемой воды под давлением, который обеспечивает возможность непрерывного получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, и е) по меньшей мере одно из впрыскивающих сопел, каждое из которых контролируется клапаном, соединено по текучей среде с выпускным отверстием колонны растворения, выполнено с возможностью и приспособлено для регулировки расхода полученной воды, содержащей озон в высокой концентрации, выпускаемой из выпускного отверстия колонны растворения, так, чтобы он соответствовал расходу струи кислой подаваемой воды под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения, чтобы поддерживать режим пуска в верхней части емкости под давлением, который способствует высокой эффективности переноса массы озона в кислую воду под давлением, и режим устойчивого состояния в нижней части емкости под давлением, который способствует высокой концентрации растворенного озона в кислой воде под давлением, которые одновременно имеют место в большом количестве кислой воды под давлением в емкости под давлением, при этом градиент концентрации растворенного озона образуется вдоль высоты большого количества кислой воды под давлением.
2
2
Также раскрыта система непрерывного получения не содержащего газа окислителя, предназначенного для процессов жидкого окисления, причем система содержит а) устройство для впрыскивания газа, выполненное с возможностью и приспособленное для впрыскивания СО в струю подаваемой жидкости под давлением для поддержания значения рН струи подаваемой воды под давлением ниже 7, b) колонну растворения, содержащую (i) емкость под давлением, выполненную с возможностью и приспособленную для содержания большого количества кислой жидкости под давлением и отходящего газа в свободном пространстве над большим количеством кислой жидкости под давлением, (ii) впускное отверстие, выполненное с возможностью и приспособленное для обеспечения прохождения струи подаваемой жидкости под давлением в емкость под давлением через свободное пространство после впрыскивания СО, (iii) устройство в виде распылителя текучей среды, находящееся в пределах емкости под давлением, установленное на дне емкости под давлением, выполненное с возможностью и приспособленное для распыления газообразного озона в большое количество кислой жидкости под давлением в емкости под давлением для растворения в ней газообразного озона, тем самым получая не содержащий газа окислитель, предназначенный для процессов жидкого окисления, и (iv) вентиляционное отверстие для отходящего газа, выполненное с возможностью и приспособленное для высвобождения отходящего газа, содержащегося в свободном пространстве емкости под давлением, чтобы поддерживать давление емкости под давлением в пределах предопределенного диапазона давления, и (v) выпускное отверстие, выполненное с возможностью и приспособленное для выпускания не содержащего газа окислителя, предназначенного для процессов жидкого окисления, из емкости под давлением, с) контроллер, выполненный с возможностью и приспособленный для регулировки расхода струи кислой подаваемой жидкости под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения, чтобы получить приток струи кислой подаваемой жидкости под давлением, который обеспечивает возможность непрерывного получения не содержащего газа окислителя, предназначенного для процессов жидкого окисления, и d) по меньшей мере одно из впрыскивающих сопел, каждое из которых контролируется клапаном, соединено по текучей среде с выпускным отверстием колонны растворения, выполнено с возможностью и приспособлено для регулировки расхода полученного не содержащего газа окислителя, предназначенного для процессов жидкого окисления, выпускаемого из выпускного отверстия колонны растворения, так, чтобы он соответствовал расходу струи кислой подаваемой жидкости под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения, чтобы поддерживать режим пуска в верхней части емкости под давлением, который способствует высокой эффективности переноса массы озона в кислую жидкость под давлением, и режим устойчивого состояния в нижней части емкости под давлением, который способствует высокой концентрации растворенного озона в кислой жидкости под давлением, которые одновременно имеют место в большом количестве кислой жидкости под давлением в емкости под давлением, при этом градиент концентрации растворенного озона образуется вдоль высоты большого количества кислой жидкости под давлением.
Любые из одного или нескольких из вышеприведенных способов и систем могут включать один или несколько из следующих аспектов:
2
- подкисляющий агент представляет собой газообразный СО;
- подкисляющий агент представляет собой минеральную кислоту;
2
4
3
- минеральная кислота представляет собой HCl, HSO, HNO или другие кислоты;
- значение рН в колонне растворения ниже 7;
- значение рН в колонне растворения находится в диапазоне от 2 до 6,95;
- значение рН в колонне растворения находится в диапазоне от 3 до 6;
- значение рН в колонне растворения составляет примерно 5;
- значение рН в колонне растворения составляет примерно 4;
- значение рН большого количества кислой жидкости под давлением ниже 7;
- значение рН большого количества кислой жидкости под давлением находится в диапазоне от 2 до 6,95;
- значение рН большого количества кислой жидкости под давлением находится в диапазоне от 3 до 6;
- значение рН большого количества кислой жидкости под давлением составляет примерно 5;
- значение рН большого количества кислой жидкости под давлением составляет примерно 4;
- значение рН большого количества кислой воды под давлением ниже 7;
- значение рН большого количества кислой воды под давлением находится в диапазоне от 2 до 6,95;
- значение рН большого количества кислой воды под давлением находится в диапазоне от 3 до 6;
- значение рН большого количества кислой воды под давлением составляет примерно 5;
- значение рН большого количества кислой воды под давлением составляет примерно 4;
- значение рН воды, содержащей озон в высокой концентрации, ниже 7;
- значение рН воды, содержащей озон в высокой концентрации, находится в диапазоне от 2 до 6,95;
- значение рН воды, содержащей озон в высокой концентрации, находится в диапазоне от 4 до 6;
- значение рН воды, содержащей озон в высокой концентрации, составляет примерно 5;
- значение рН воды, содержащей озон в высокой концентрации, составляет примерно 4;
- значение рН не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, ниже 7;
- значение рН не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, находится в диапазоне от 2 до 6,95;
- значение рН не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, находится в диапазоне от 4 до 6;
- значение рН не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, составляет примерно 5;
- значение рН не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, составляет примерно 4;
- значение рН не содержащего газа жидкого окислителя ниже 7;
- значение рН не содержащего газа жидкого окислителя находится в диапазоне от 2 до 6,95;
- значение рН не содержащего газа жидкого окислителя находится в диапазоне от 4 до 6;
- значение рН не содержащего газа жидкого окислителя составляет примерно 5;
- значение рН не содержащего газа жидкого окислителя составляет примерно 4;
- значение рН не содержащего газа окислителя ниже 7;
- значение рН не содержащего газа окислителя находится в диапазоне от 2 до 6,95;
- значение рН не содержащего газа окислителя находится в диапазоне от 4 до 6;
- значение рН не содержащего газа окислителя составляет примерно 5;
- значение рН не содержащего газа окислителя составляет примерно 4;
- предопределенный диапазон давления колонны растворения составляет от 2 до 7 бар изб.;
- предопределенный диапазон давления колонны растворения составляет от 3 до 6 бар изб.;
- предопределенный диапазон давления колонны растворения составляет примерно 5 бар изб.;
- давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, находится в диапазоне от 2 до 7 бар изб.;
- давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, находится в диапазоне от 3 до 6 бар изб.;
- давление воды, содержащей озон в высокой концентрации, составляет примерно 5 бар изб.;
- давление жидкости с растворенным озоном находится в диапазоне от 2 до 7 бар изб.;
- давление жидкости с растворенным озоном находится в диапазоне от 3 до 6 бар изб.;
- давление жидкость с растворенным озоном составляет примерно 5 бар изб.;
- давление не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, находится в диапазоне от 2 до 7 бар изб.;
- давление не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, находится в диапазоне от 3 до 6 бар изб.;
- давление не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, составляет примерно 5 бар изб.;
- давление не содержащего газа жидкого окислителя находится в диапазоне от 2 до 7 бар изб.;
- давление не содержащего газа жидкого окислителя находится в диапазоне от 3 до 6 бар изб.;
- давление не содержащего газа жидкого окислителя составляет примерно 5 бар изб.;
- давление жидкого окислителя находится в диапазоне от 2 до 7 бар изб.;
- давление жидкого окислителя находится в диапазоне от 3 до 6 бар изб.;
- давление жидкого окислителя составляет примерно 5 бар изб.;
- давление не содержащего газа окислителя находится в диапазоне от 2 до 7 бар изб.;
- давление не содержащего газа окислителя находится в диапазоне от 3 до 6 бар изб.;
- давление не содержащего газа окислителя составляет примерно 5 бар изб.;
- температура колонны растворения находится в диапазоне от 10°С до 30°С;
- температура колонны растворения находится в диапазоне от 15°С до 25°С;
- температура колонны растворения находится на уровне примерно 20°С;
- температура колонны растворения находится приблизительно на уровне температуры окружающей среды;
- температура большого количества кислой жидкости под давлением находится в диапазоне от 10°С до 30°С;
- температура большого количества кислой жидкости под давлением находится в диапазоне от 15°С до 25°С;
- температура большого количества кислой жидкости под давлением находится на уровне примерно 20°С;
- температура большого количества кислой жидкости под давлением находится приблизительно на уровне температуры окружающей среды;
- температура большого количества кислой воды под давлением находится в диапазоне от 10°С до 30°С;
- температура большого количества кислой воды под давлением находится в диапазоне от 15°С до 25°С;
- температура большого количества кислой воды под давлением находится на уровне примерно 20°С;
- температура большого количества кислой воды под давлением находится приблизительно на уровне температуры окружающей среды;
- температура воды, содержащей озон в высокой концентрации, находится в диапазоне от 10°С до 30°С;
- температура воды, содержащей озон в высокой концентрации, находится в диапазоне от 15°С до 25°С;
- температура воды, содержащей озон в высокой концентрации, составляет примерно 20°С;
- температура воды, содержащей озон в высокой концентрации, находится приблизительно на уровне температуры окружающей среды;
- температура не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, находится в диапазоне от 10°С до 30°С;
- температура не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, находится в диапазоне от 15°С до 25°С;
- температура не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, составляет примерно 20°С;
- температура не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, находится приблизительно на уровне температуры окружающей среды;
- температура не содержащего газа жидкого окислителя находится в диапазоне от 10°С до 30°С;
- температура не содержащего газа жидкого окислителя находится в диапазоне от 15°С до 25°С;
- температура не содержащего газа жидкого окислителя составляет примерно 20°С;
- температура не содержащего газа жидкого окислителя находится приблизительно на уровне температуры окружающей среды;
- температура жидкого окислителя находится в диапазоне от 10°С до 30°С;
- температура жидкого окислителя находится в диапазоне от 15°С до 25°С;
- температура жидкого окислителя составляет примерно 20°С;
- температура жидкого окислителя находится приблизительно на уровне температуры окружающей среды;
- температура не содержащего газа окислителя находится в диапазоне от 10°С до 30°С;
- температура не содержащего газа окислителя находится в диапазоне от 15°С до 25°С;
- температура не содержащего газа окислителя составляет примерно 20°С;
- температура не содержащего газа окислителя находится приблизительно на уровне температуры окружающей среды;
- струя подаваемой жидкости под давлением представляет собой струю пресной воды, водопроводной воды, технической воды, отработавшей воды, городской и промышленной сточной воды, сточной воды, уже очищенной посредством процесса вторичной очистки, водных растворов, органических растворителей или т.п., находящихся под давлением;
- струя подаваемой воды под давлением представляет собой струю пресной воды, водопроводной воды, технической воды, отработавшей воды, городской и промышленной сточной воды, сточной воды, уже очищенной посредством процесса вторичной очистки, или т.п., находящихся под давлением;
- струя подаваемой жидкости представляет собой струю пресной воды, водопроводной воды, технической воды, отработавшей воды, городской и промышленной сточной воды, сточной воды, уже очищенной посредством процесса вторичной очистки, водных растворов, органических растворителей или т.п.;
- струя подаваемой воды представляет собой струю пресной воды, водопроводной воды, технической воды, отработавшей воды, городской и промышленной сточной воды, сточной воды, уже очищенной посредством процесса вторичной очистки, или т.п.;
- подаваемая жидкость состоит из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, техническая вода, отработавшая вода, городская и промышленная сточная вода, сточная вода, уже очищенная посредством процесса вторичной очистки, или т.п.;
- подаваемая жидкость состоит из водных растворов, органических растворителей или т.п.;
- подаваемая жидкость представляет собой кислую подаваемую жидкость, такую как кислые промышленные сточные воды от производства фосфатов, горнодобывающей промышленности, сталелитейных заводов или т.п.;
- рабочая жидкость состоит из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, техническая вода, отработавшая вода, городская и промышленная сточная вода, сточная вода, уже очищенная посредством процесса вторичной очистки, водных растворов, органических растворителей или т.п.;
- рабочая жидкость состоит из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, техническая вода, отработавшая вода, городская и промышленная сточная вода, сточная вода, уже очищенная посредством процесса вторичной очистки, или т.п.;
- рабочая жидкость состоит из водных растворов, органических растворителей или т.п.;
- рабочая жидкость представляет собой кислую подаваемую жидкость, такую как кислые промышленные сточные воды от производства фосфатов, горнодобывающей промышленности, сталелитейных заводов или т.п.;
- рабочая жидкость включает тот же тип воды или жидкости, что и подаваемая жидкость, которая несет в себе компоненты, которые должны быть окислены;
- подаваемая жидкость и рабочая жидкость поступают из одного и того же источника;
- не содержащая газа жидкость, содержащая растворенный озон, представляет собой воду, содержащую озон в высокой концентрации;
- жидкость, содержащая растворенный озон, не содержит газа;
- не содержащий газа жидкий окислитель представляет собой воду, содержащую озон в высокой концентрации;
- жидкий окислитель не содержит газа;
- не содержащий газа окислитель представляет собой воду, содержащую озон в высокой концентрации;
- окислитель не содержит газа;
- вода, содержащая озон в высокой концентрации, не содержит газа;
- 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;
- струя отходящего газа из колонны растворения содержит нерастворенный озон;
- струя отходящего газа из колонны растворения содержит кислород;
2
- струя отходящего газа из колонны растворения содержит нерастворенный СО;
- этап b) включает подэтапы b1) подачи струи подаваемой воды под давлением в колонну растворения для предварительной очистки после впрыскивания подкисляющего агента для образования большого количества кислой воды под давлением, подлежащей предварительной очистке, тем самым получая в ней предварительно очищенную озонированную воду, b2) нагнетания полученной предварительно очищенной озонированной воды в колонну растворения, b3) впрыскивания струи отходящего газа, высвобождаемой из колонны растворения, в большое количество кислой воды под давлением, подлежащей предварительной очистке, для получения предварительно очищенной озонированной воды в колонне растворения для предварительной очистки и b4) поддержания давления колонны растворения для предварительной очистки ниже давления колонны растворения посредством высвобождения струи отходящего газа из колонны растворения для предварительной очистки;
- этап ii) включает подэтапы iil) подачи струи подаваемой жидкости под давлением в колонну растворения для предварительной очистки после впрыскивания подкисляющего агента для образования большого количества кислой жидкости под давлением, подлежащей предварительной очистке, тем самым получая в ней предварительно очищенную озонированную жидкость, ii2) нагнетания полученной предварительно очищенной озонированной жидкости в колонну растворения, ii3) впрыскивания струи отходящего газа, которая содержит озон, высвобождаемой из колонны растворения, в большое количество кислой жидкости под давлением, подлежащей предварительной очистке, для получения предварительно очищенной озонированной жидкости в колонне растворения для предварительной очистки и ii4) поддержания давления колонны растворения для предварительной очистки ниже давления колонны растворения посредством высвобождения струи отходящего газа из колонны растворения для предварительной очистки;
- струя отходящего газа из главной колонны растворения содержит нерастворенный озон;
- струя отходящего газа из главной колонны растворения содержит кислород;
2
- струя отходящего газа из главной колонны растворения содержит нерастворенный CO;
- струя отходящего газа предварительной очистки из колонны растворения для предварительной очистки практически не содержит озона;
- струя отходящего газа предварительной очистки из колонны растворения для предварительной очистки содержит кислород;
2
- струя отходящего газа предварительной очистки из колонны растворения для предварительной очистки содержит нерастворенный СО;
- значение рН кислой предварительно очищенной жидкости под давлением в колонне растворения для предварительной очистки поддерживается приблизительно таким же, как и у кислой жидкости под давлением в главной колонне растворения;
- значение рН кислой предварительно очищенной воды под давлением в колонне растворения для предварительной очистки поддерживается выше значения рН кислой воды под давлением в главной колонне растворения;
- значение рН кислой предварительно очищенной жидкости под давлением ниже 7;
- значение рН кислой предварительно очищенной жидкости под давлением находится в диапазоне от 2 до 6,95;
- значение рН кислой предварительно очищенной жидкости под давлением находится в диапазоне от 4 до 6;
- значение рН кислой предварительно очищенной жидкости под давлением составляет примерно 5;
- значение рН кислой предварительно очищенной жидкости под давлением составляет примерно 4;
- значение рН кислой предварительно очищенной воды под давлением ниже 7;
- значение рН кислой предварительно очищенной воды под давлением находится в диапазоне от 2 до 6,95;
- значение рН кислой предварительно очищенной воды под давлением находится в диапазоне от 4 до 6;
- значение рН кислой предварительно очищенной воды под давлением составляет примерно 5;
- значение рН кислой предварительно очищенной воды под давлением составляет примерно 4;
- значение рН предварительно очищенной озонированной жидкости ниже 7;
- значение рН предварительно очищенной озонированной жидкости находится в диапазоне от 2 до 6,95;
- значение рН предварительно очищенной озонированной жидкости находится в диапазоне от 4 до 6;
- значение рН предварительно очищенной озонированной жидкости составляет примерно 5;
- значение рН предварительно очищенной озонированной жидкости составляет примерно 4;
- значение рН предварительно очищенной озонированной воды ниже 7;
- значение рН предварительно очищенной озонированной воды находится в диапазоне от 2 до 6,95;
- значение рН предварительно очищенной озонированной воды находится в диапазоне от 4 до 6;
- значение рН предварительно очищенной озонированной воды составляет примерно 5;
- значение рН предварительно очищенной озонированной воды составляет примерно 4;
- температура кислой предварительно очищенной жидкости под давлением поддерживается приблизительно такой же, как и у колонны растворения;
- температура кислой предварительно очищенной жидкости под давлением находится в диапазоне от 10°С до 30°С;
- температура кислой предварительно очищенной жидкости под давлением находится в диапазоне от 15°С до 25°С;
- температура кислой предварительно очищенной жидкости под давлением находится приблизительно на уровне температуры окружающей среды;
- температура кислой предварительно очищенной жидкости под давлением составляет приблизительно 20°С;
- температура кислой предварительно очищенной воды под давлением поддерживается приблизительно такой же, как и у колонны растворения;
- температура кислой предварительно очищенной воды под давлением находится в диапазоне от 10°С до 30°С;
- температура кислой предварительно очищенной воды под давлением находится в диапазоне от 15°С до 25°С;
- температура кислой предварительно очищенной воды под давлением находится приблизительно на уровне температуры окружающей среды;
- температура кислой предварительно очищенной воды под давлением составляет приблизительно 20°С;
- давление колонны растворения для предварительной очистки находится в диапазоне от 1 до 5 бар изб.;
- давление колонны растворения для предварительной очистки находится в диапазоне от 2 до 4 бар изб.;
- давление колонны растворения для предварительной очистки составляет примерно 3 бар изб.;
- давление предварительно очищенной озонированной жидкости находится в диапазоне от 1 до 5 бар изб.;
- давление предварительно очищенной озонированной жидкости находится в диапазоне от 2 до 4 бар изб.;
- давление предварительно очищенной озонированной жидкости составляет примерно 3 бар изб.;
- давление предварительно очищенной озонированной воды находится в диапазоне от 1 до 5 бар изб.;
- давление предварительно очищенной озонированной воды находится в диапазоне от 2 до 4 бар изб.;
- давление предварительно очищенной озонированной воды составляет примерно 3 бар изб.;
- температура предварительно очищенной озонированной жидкости находится в диапазоне от 10°С до 30°С;
- температура предварительно очищенной озонированной жидкости находится в диапазоне от 15°С до 25°С;
- температура предварительно очищенной озонированной жидкости находится приблизительно на уровне температуры окружающей среды;
- температура предварительно очищенной озонированной жидкости составляет приблизительно 20°С;
- температура предварительно очищенной озонированной воды находится в диапазоне от 10°С до 30°С;
- температура предварительно очищенной озонированной воды находится в диапазоне от 15°С до 25°С;
- температура предварительно очищенной озонированной воды находится приблизительно на уровне температуры окружающей среды;
- температура предварительно очищенной озонированной воды составляет приблизительно 20°С;
3
- фаза устойчивого состояния представляет период времени, во время которого крутизна кривой концентрации растворенного озона от времени остается ниже 0,10 г dO/мин в режиме периодической работы, т.е. нет существенного повышения концентрации растворенного озона при добавлении озона;
- фаза устойчивого состояния характеризуется высокой концентрацией растворенного озона;
- фаза пуска представляет период времени, в пределах которого концентрация растворенного озона постепенно нарастает от t=0 до момента времени, в котором система достигает устойчивого состояния в режиме периодической работы;
- фаза пуска характеризуется высокой эффективностью переноса массы озона;
- фаза затухания представляет период времени, во время которого происходит разложение растворенного озона на кислород без добавления озона в режиме периодической работы;
- режим пуска используется в режиме непрерывной работы и относится к условиям, которые имеют место в большом количестве кислой жидкости под давлением во время фазы пуска в режиме периодической работы, как описано выше;
- режим пуска имеет нулевую или низкую концентрацию растворенного озона в кислой жидкости под давлением;
- режим пуска имеет высокую степень изменения растворенного озона в кислой жидкости под давлением;
- режим пуска имеет высокую эффективность переноса массы озона из газовой в жидкую фазу в кислой жидкости под давлением;
- характеристики, связанные с режимом пуска, имеют место вблизи свободного пространства колонны растворения при режиме непрерывной работы;
- характеристики, связанные с режимом пуска, имеют место в верхней части большого количества кислой жидкости под давлением при режиме непрерывной работы;
- режим пуска способствует высокой эффективности переноса массы озона в кислую воду под давлением;
- режим пуска способствует высокой эффективности переноса массы озона в кислую жидкость под давлением;
- режим пуска при режиме непрерывной работы характеризуется высокой эффективностью переноса массы озона;
- характеристики, связанные с режимом пуска, имеют место вблизи свободного пространства колонны растворения при режиме непрерывной работы;
- характеристики, связанные с режимом пуска, имеют место в верхней части большого количества кислой воды под давлением при режиме непрерывной работы;
- режим устойчивого состояния используется в режиме непрерывной работы, который способствует высокой концентрации растворенного озона в кислой жидкости под давлением;
- режим устойчивого состояния используется в режиме непрерывной работы и относится к условиям, которые имеют место в большом количестве кислой жидкости под давлением во время фазы устойчивого состояния в режиме периодической работы, как описано выше;
- режим устойчивого состояния имеет высокую концентрацию или насыщенную или почти насыщенную концентрацию растворенного озона в кислой жидкости под давлением;
- режим устойчивого состояния имеет нулевую или низкую эффективность переноса массы озона из газовой в жидкую фазу в кислой жидкости под давлением;
- режим устойчивого состояния способствует высокой концентрации растворенного озона в кислой воде под давлением;
- режим устойчивого состояния относится к условиям, которые имеют место в большом количестве кислой жидкости под давлением, характеризующимся фазой устойчивого состояния в режиме периодической работы, как описано выше;
- характеристики, связанные с режимом устойчивого состояния, имеют место вблизи дна колонны растворения при режиме непрерывной работы;
- характеристики, связанные с режимом устойчивого состояния, имеют место вблизи выпускного отверстия колонны растворения при режиме непрерывной работы;
- характеристики, связанные с режимом устойчивого состояния, имеют место в нижней части большого количества кислой жидкости под давлением при режиме непрерывной работы;
- режим пуска и режим устойчивого состояния одновременно имеют место в большом количестве кислой жидкости под давлением в пределах колонны растворения при режиме непрерывной работы;
- режим пуска и режим устойчивого состояния одновременно имеют место в большом количестве кислой воды под давлением в пределах колонны растворения при режиме непрерывной работы;
- режим пуска в верхней части колонны растворения, который способствует высокой эффективности переноса массы озона в кислую жидкость под давлением, и режим устойчивого состояния в нижней части колонны растворения, который способствует высокой концентрации растворенного озона в кислой жидкости под давлением, одновременно имеют место в большом количестве кислой жидкости под давлением;
- режим пуска в верхней части колонны растворения, который способствует высокой эффективности переноса массы озона в кислую воду под давлением, и режим устойчивого состояния в нижней части колонны растворения, который способствует высокой концентрации растворенного озона в кислой воде под давлением, одновременно имеют место в большом количестве кислой воды под давлением;
- градиент концентрации озона образуется в большом количестве кислой жидкости под давлением в пределах колонны растворения при режиме непрерывной работы вдоль высоты большого количества кислой жидкости под давлением;
- градиент концентрации озона образуется в большом количестве кислой воды под давлением в пределах колонны растворения при режиме непрерывной работы вдоль высоты большого количества кислой воды под давлением;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в воде, содержащей озон в высокой концентрации, близка к концентрации насыщения растворенного озона;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в воде, содержащей озон в высокой концентрации, превышает приблизительно 150 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в воде, содержащей озон в высокой концентрации, находится в диапазоне от приблизительно 150 мг/л до приблизительно 300 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в воде, содержащей озон в высокой концентрации, составляет вплоть до приблизительно 200 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в воде, содержащей озон в высокой концентрации, составляет вплоть до приблизительно 300 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, превышает приблизительно 150 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, находится в диапазоне от приблизительно 150 мг/л до приблизительно 300 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, составляет вплоть до приблизительно 200 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, составляет вплоть до приблизительно 300 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в не содержащем газа жидком окислителе находится в диапазоне от приблизительно 150 мг/л до приблизительно 300 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в не содержащем газа жидком окислителе составляет вплоть до приблизительно 200 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в не содержащем газа жидком окислителе составляет вплоть до приблизительно 300 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в не содержащем газа жидком окислителе находится в диапазоне от приблизительно 150 мг/л до приблизительно 300 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в жидком окислителе составляет вплоть до приблизительно 200 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в жидком окислителе составляет вплоть до приблизительно 300 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в не содержащем газа окислителе превышает приблизительно 150 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в не содержащем газа окислителе находится в диапазоне от приблизительно 150 мг/л до приблизительно 300 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в не содержащем газа окислителе составляет вплоть до приблизительно 200 мг/л;
- концентрация в устойчивом состоянии растворенного озона в не содержащем газа окислителе составляет вплоть до приблизительно 300 мг/л;
- устройство в виде распылителя представляет собой устройство в виде распылителя в форме кольца с S-образной структурой или устройство в виде распылителя в форме кольца с зазором;
- распылитель в форме кольца с S-образной структурой содержит канал в форме S-образной структуры;
- каждый конец канала в форме S-образной структуры представляет собой сопло;
- распылитель в форме кольца с S-образной структурой содержит полый штырь;
- один конец полого штыря сообщается по текучей среде с отверстием в поперечном центре канала в форме S-образной структуры, а другой конец полого штыря сообщается по текучей среде с контуром рециркуляции текучей среды;
- устройство в виде распылителя в форме кольца с зазором содержит нижнюю круглую пластину, имеющую сквозное отверстие в центре;
- устройство в виде распылителя в форме кольца с зазором содержит верхнюю круглую пластину, параллельную нижней круглой пластине, поддерживаемую регулируемыми штырями между верхней круглой пластиной и нижней круглой пластиной и имеющую конус в центре, причем конус частично вставлен в центр сквозного отверстия нижней круглой пластины;
- устройство в виде распылителя в форме кольца с зазором содержит полый штырь, сообщающийся по текучей среде со сквозным отверстием нижней круглой пластины и с контуром рециркуляции текучей среды;
- промежуток между верхней круглой пластиной и нижней круглой пластиной находится в диапазоне от приблизительно 2 мм до приблизительно 6 мм;
- промежуток между верхней круглой пластиной и нижней круглой пластиной составляет приблизительно 4 мм;
- контур рециркуляции текучей среды содержит генератор озона, выполненный с возможностью и приспособленный для генерирования газообразного озона с использованием газообразного кислорода, чтобы образовывать смесь газообразных озона и кислорода;
- контур рециркуляции текучей среды содержит инжектор Вентури для газа, выполненный с возможностью и приспособленный для впрыскивания смеси газообразных озона и кислорода в струю жидкости под давлением, циркулирующую через устройство в виде распылителя, для образования смеси газа и жидкости;
- контур рециркуляции текучей среды содержит рециркуляционный насос, сообщающийся по текучей среде с инжектором Вентури для газа, выполненный с возможностью и приспособленный для повышения давления струи жидкости под давлением так, чтобы оно немного превышало давление в емкости под давлением, чтобы гарантировать непрерывное впрыскивание смеси газа и жидкости через устройство в виде распылителя в колонну растворения;
- контур рециркуляции текучей среды содержит генератор озона, выполненный с возможностью и приспособленный для генерирования газообразного озона с использованием газообразного кислорода, чтобы образовывать смесь газообразных озона и кислорода;
- контур рециркуляции текучей среды содержит инжектор Вентури для газа, выполненный с возможностью и приспособленный для впрыскивания смеси газообразных озона и кислорода в струю воды под давлением, циркулирующую из устройства в виде распылителя, для образования смеси газа и воды;
- контур рециркуляции текучей среды содержит рециркуляционный насос, сообщающийся по текучей среде с инжектором Вентури для газа, выполненный с возможностью и приспособленный для повышения давления струи воды под давлением так, чтобы оно немного превышало давление в емкости под давлением, чтобы гарантировать непрерывное впрыскивание смеси газа и воды в устройство в виде распылителя;
- двухфазная смесь газообразных кислорода и озона и рециркуляционной воды образуется с помощью контура рециркуляции текучей среды, соединенного по текучей среде с устройством в виде распылителя;
- давление двухфазной смеси газообразных кислорода и озона и рециркуляционной воды немного превышает давление большого количества кислой жидкости под давлением;
- двухфазная смесь газообразных кислорода и озона и рециркуляционной воды образуется с помощью контура рециркуляции текучей среды, соединенного по текучей среде с устройством в виде распылителя;
- давление двухфазной смеси газообразных кислорода и озона и рециркуляционной воды немного превышает давление большого количества кислой воды под давлением;
- рециркуляционная жидкость представляет собой струю кислой жидкости под давлением из колонны растворения;
- рециркуляционная вода представляет собой струю кислой воды под давлением из колонны растворения;
- устройство для впрыскивания газа представляет собой инжектор для газа;
- устройство для впрыскивания газа представляет собой инжектор Вентури для газа;
- устройство для впрыскивания газа представляет собой распылитель газа;
- устройство для впрыскивания газа содержит сопло Вентури для газа, выполненное с возможностью и приспособленное для впрыскивания подкисляющего агента в струю подаваемой жидкости под давлением;
- устройство для впрыскивания газа содержит сопло Вентури для газа, выполненное с возможностью и приспособленное для впрыскивания подкисляющего агента в струю подаваемой воды под давлением;
- устройство для впрыскивания газа содержит насос, выполненный с возможностью и приспособленный для получения струи подаваемой жидкости под давлением;
- устройство для впрыскивания газа содержит насос, выполненный с возможностью и приспособленный для получения струи подаваемой воды под давлением;
- устройство для впрыскивания газа соединено по текучей среде с впускным отверстием для жидкости в непосредственной близости от свободного пространства колонны растворения в одностадийной системе растворения;
- устройство для впрыскивания газа соединено по текучей среде с впускным отверстием для жидкости в непосредственной близости от свободного пространства главной колонны растворения в двухстадийной системе растворения;
- устройство для впрыскивания газа соединено по текучей среде с впускным отверстием для жидкости в непосредственной близости от свободного пространства колонны растворения для предварительной очистки в двухстадийной системе растворения;
- устройство для впрыскивания газа соединено по текучей среде с впускным отверстием для жидкости на дне главной колонны растворения в двухстадийной системе растворения;
- контроллер выполнен с возможностью и приспособлен для регулировки расхода струи кислой подаваемой воды под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения, чтобы получить приток струи кислой подаваемой воды под давлением, который обеспечивает возможность непрерывного получения воды, содержащей озон в высокой концентрации;
- контроллер выполнен с возможностью и приспособлен для регулировки расхода струи кислой подаваемой жидкости под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения, чтобы получить приток струи кислой подаваемой жидкости под давлением, который обеспечивает возможность непрерывного получения не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон;
- контроллер выполнен с возможностью и приспособлен для регулировки расхода струи кислой подаваемой жидкости под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения, чтобы получить приток струи кислой подаваемой жидкости под давлением, который обеспечивает возможность непрерывного получения не содержащего газа окислителя;
- множество впрыскивающих сопел, каждое из которых соединено по текучей среде с выпускным отверстием колонны растворения, выполнены с возможностью и приспособлены для регулировки расхода полученной не содержащей газа жидкости, содержащей растворенный озон, выпускаемой из выпускного отверстия резервуара растворения, так, чтобы он соответствовал расходу струи кислой подаваемой жидкости под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения;
- множество впрыскивающих сопел, каждое из которых соединено по текучей среде с выпускным отверстием колонны растворения, выполнены с возможностью и приспособлены для регулировки расхода полученной воды, содержащей озон в высокой концентрации, выпускаемой из выпускного отверстия резервуара растворения, так, чтобы он соответствовал расходу струи кислой подаваемой воды под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения;
- множество впрыскивающих сопел, каждое из которых соединено по текучей среде с выпускным отверстием колонны растворения, выполнены с возможностью и приспособлены для регулировки расхода полученного не содержащего газа окислителя, выпускаемого из выпускного отверстия колонны растворения, так, чтобы он соответствовал расходу струи кислой подаваемой жидкости под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения;
- соотношение высота/диаметр большого количества кислой жидкости под давлением в емкости под давлением превышает 5:1;
- соотношение высота/диаметр большого количества кислой жидкости под давлением в емкости под давлением составляет предпочтительно от 5:1 до 20:1;
- соотношение высота/диаметр большого количества кислой жидкости под давлением в емкости под давлением составляет предпочтительно от 5:1 до 10:1;
- соотношение высота/диаметр большого количества кислой воды под давлением в емкости под давлением превышает 5:1;
- соотношение высота/диаметр большого количества кислой воды под давлением в емкости под давлением составляет предпочтительно от 5:1 до 20:1;
- соотношение высота/диаметр большого количества кислой воды под давлением в емкости под давлением составляет предпочтительно от 5:1 до 10:1;
- время пребывания кислой жидкости под давлением в колонне растворения находится в диапазоне от приблизительно 5 минут до приблизительно 150 минут;
- время пребывания кислой жидкости под давлением в колонне растворения находится в диапазоне от приблизительно 5 минут до приблизительно 120 минут;
- время пребывания кислой жидкости под давлением в колонне растворения находится в диапазоне от приблизительно 5 минут до приблизительно 100 минут;
- время пребывания кислой воды под давлением в колонне растворения находится в диапазоне от приблизительно 5 минут до приблизительно 150 минут;
- время пребывания кислой воды под давлением в колонне растворения находится в диапазоне от приблизительно 5 минут до приблизительно 120 минут;
- время пребывания кислой воды под давлением в колонне растворения находится в диапазоне от приблизительно 5 минут до приблизительно 100 минут;
- время пребывания озона в кислой жидкости под давлением в колонне растворения варьируется в зависимости от высоты большого количества кислой жидкости под давлением, давления в свободном пространстве и выбора распылителя в колонне растворения;
- время пребывания озона в кислой воде под давлением в колонне растворения варьируется в зависимости от высоты большого количества кислой воды под давлением, давления в свободном пространстве и выбора распылителя в колонне растворения;
- распыление двухфазной смеси газообразных кислорода и озона и рециркуляционной жидкости в большое количество кислой жидкости под давлением в колонне растворения;
- газообразный окислитель представляет собой окисляющее вещество;
- газообразный окислитель представляет собой кислородсодержащий газ;
- газообразный окислитель представляет собой озон; и
2
2
- газообразный окислитель представляет собой кислород, NO, NO или т.п.;
- первое устройство для впрыскивания газа выполнено с возможностью и приспособлено для впрыскивания подкисляющего агента в струю подаваемой жидкости под давлением для поддержания значения рН струи подаваемой воды под давлением ниже 7;
- колонна растворения содержит:
(i) емкость под давлением, выполненную с возможностью и приспособленную для содержания большого количества кислой жидкости под давлением и отходящего газа в свободном пространстве над большим количеством кислой жидкости под давлением;
(ii) впускное отверстие, выполненное с возможностью и приспособленное для обеспечения прохождения струи подаваемой жидкости под давлением в емкость под давлением через свободное пространство после впрыскивания подкисляющего агента;
(iii) вентиляционное отверстие для отходящего газа, выполненное с возможностью и приспособленное для высвобождения отходящего газа, содержащегося в свободном пространстве емкости под давлением, чтобы поддерживать давление емкости под давлением в пределах предопределенного диапазона давления; и
(iv) выпускное отверстие, выполненное с возможностью и приспособленное для выпускания не содержащей газа жидкости, содержащей озон, из емкости под давлением;
- контур рециркуляции текучей среды имеет
впускное отверстие для текучей среды, соединенное по текучей среде с колонной растворения, выполненное с возможностью и приспособленное для приема текучей среды из колонны растворения;
второе устройство для впрыскивания газа, выполненное с возможностью и приспособленное для впрыскивания озона в текучую среду, рециркуляция которой осуществляется посредством контура рециркуляции текучей среды; и
устройство для впрыскивания текучей среды, находящееся в пределах емкости под давлением, установленное на дне емкости под давлением, выполненное с возможностью и приспособленное для распыления текучей среды, после впрыскивания озона, в большое количество кислой жидкости под давлением в емкости под давлением, тем самым впрыскивая в нее озон;
- контроллер выполнен с возможностью и приспособлен для регулировки расхода струи кислой подаваемой жидкости под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения, чтобы получить приток струи кислой подаваемой жидкости под давлением, который обеспечивает возможность непрерывного получения не содержащей газа жидкости, содержащей озон;
- каждое по меньшей мере одно из впрыскивающих сопел контролируется клапаном, соединено по текучей среде с выпускным отверстием колонны растворения, выполнено с возможностью и приспособлено для регулировки расхода полученной не содержащей газа жидкости, содержащей озон, выпускаемой из выпускного отверстия колонны растворения, так, чтобы он соответствовал расходу струи кислой подаваемой жидкости под давлением, подаваемой во впускное отверстие колонны растворения, чтобы поддерживать режим пуска в верхней части емкости под давлением, который способствует высокой эффективности переноса массы озона в кислую жидкость под давлением, и режим устойчивого состояния в нижней части емкости под давлением, который способствует высокой концентрации растворенного озона в кислой жидкости под давлением, которые одновременно имеют место в большом количестве кислой жидкости под давлением в емкости под давлением, при этом градиент концентрации растворенного озона образуется вдоль высоты большого количества кислой жидкости под давлением;
- контур рециркуляции жидкости дополнительно содержит генератор озона, выполненный с возможностью и приспособленный для генерирования газообразного озона с использованием газообразного кислорода, и рециркуляционный насос, сообщающийся по текучей среде с впускным отверстием для текучей среды и вторым инжектором Вентури для газа, выполненный с возможностью и приспособленный для повышения давления текучей среды так, чтобы оно немного превышало давление в емкости под давлением, чтобы гарантировать распыление текучей среды в большое количество кислой жидкости под давлением в емкости под давлением через устройство для впрыскивания текучей среды после впрыскивания озона;
- колонна растворения для предварительной очистки содержит:
(i) емкость под давлением для предварительной очистки, выполненную с возможностью и приспособленную для содержания большого количества кислой жидкости под давлением, подлежащей предварительной очистке, и отходящего газа предварительной очистки в свободном пространстве для предварительной очистки над большим количеством кислой жидкости под давлением, подлежащей предварительной очистке;
(ii) впускное отверстие для предварительной очистки, выполненное с возможностью и приспособленное для обеспечения прохождения струи подаваемой жидкости под давлением в емкость под давлением для предварительной очистки через свободное пространство для предварительной очистки после впрыскивания подкисляющего агента;
(iii) впускное отверстие для газа на дне колонны растворения для предварительной очистки, выполненное с возможностью и приспособленное для впрыскивания струи газа, высвобождаемой из емкости под давлением, в большое количество кислой жидкости под давлением, подлежащей предварительной очистке, в емкости под давлением для предварительной очистки для получения в ней предварительно очищенной озонированной жидкости;
(iv) вентиляционное отверстие для отходящего газа предварительной очистки, выполненное с возможностью и приспособленное для высвобождения отходящего газа предварительной очистки в свободном пространстве для предварительной очистки, чтобы поддерживать давление в емкости под давлением для предварительной очистки в пределах предопределенного диапазона давления ниже давления емкости под давлением; и
(v) выпускное отверстие для предварительной очистки, выполненное с возможностью и приспособленное для выпускания предварительно очищенной озонированной жидкости из емкости под давлением для предварительной очистки; и
- насос для текучей среды выполнен с возможностью и приспособлен для нагнетания предварительно очищенной озонированной жидкости в емкость под давлением через впускное отверстие колонны растворения.
Примечания и номенклатура
Следующее подробное описание и формула изобретения используют ряд аббревиатур, символов и терминов, которые, в целом, являются широко известными в данной области техники и включают следующее.
В контексте данного документа формы единственного числа в тексте или в пункте формулы изобретения должны, в целом, подразумевать «один или несколько», если не указано иное или из контекста не очевидно указание на форму единственного числа.
В контексте данного документа «примерно» или «около» или «приблизительно» в тексте или в пункте формулы изобретения означает ±15% от указанного значения.
В контексте данного документа «почти» или «близкий к» в тексте или в пункте формулы изобретения означает значение в пределах 10% от указанного термина. Например, «почти насыщенная концентрация» относится к значению в пределах 10% от насыщенной концентрации.
В контексте данного документа термин «перенос массы озона» должно относиться к озону, переносимому из газовой фазы в воду через поверхность раздела газ-жидкость.
Термин «растворение озона» относится к растворению газообразного озона в воде, что является термином, альтернативным переносу массы озона в данном документе.
Термин «жидкость под давлением» или «вода под давлением» относится к любому возможному сценарию, в котором манометр при вставке в линию или емкость, содержащий большое количество жидкости, дает показание давления выше, чем давление окружающей среды. Термин «жидкость под давлением» или «вода под давлением» использовали для описания двух наборов состояний. В первом, когда «жидкость под давлением» выводят из колонны или емкости, это означает, что свободное пространство колонны или емкости в контакте с непрерывной жидкой фазой находится под повышенным давлением. Во втором, когда «жидкость под давлением» подают в колонну, это относится к напору выпускания, с которым нагнетают жидкость.
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. В контексте данного документа «вода, содержащая озон в высокой концентрации» представляет собой озонированную воду.
Термин «подаваемая жидкость» относится к жидкости, состоящей главным образом из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, рабочая жидкость, отработавшая вода, городская и промышленная сточная вода, сточная вода, уже очищенная посредством процесса вторичной очистки, или т.п., или состоящей из водных растворов, органических растворителей или т.п.
Термин «подаваемая вода» относится к жидкости, состоящей главным образом из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, рабочая жидкость, отработавшая вода, городская и промышленная сточная вода, сточная вода, уже очищенная посредством процесса вторичной очистки, или т.п.
Термин «рабочая жидкость» относится к жидкости, состоящей главным образом из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, рабочая жидкость, отработавшая вода, городская и промышленная сточная вода, сточная вода, уже очищенная посредством процесса вторичной очистки, водных растворов, органических растворителей или т.п.
Термин «техническая вода» относится к жидкости, состоящей главным образом из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, рабочая жидкость, отработавшая вода, городская и промышленная сточная вода, сточная вода, уже очищенная посредством процесса вторичной очистки, или т.п.
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, который уничтожает микроорганизмы и вызывает распад органических и неорганических загрязняющих веществ путем использования озона в качестве окислителя. 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 реакционноспособные формы кислорода, которые могут воздействовать на широкий диапазон органических и неорганических соединений и все микроорганизмы.
Термин «озонированная вода» относится к продукту барботажа озона через воду, которая содержит уровни растворенного озона в воде. В контексте данного документа «озонированная вода» может представлять собой воду, содержащую озон в высокой концентрации.
3
3
Термин «доза озона» определен как количество озона в газовой фазе смеси газообразных озона и кислорода, подаваемой в воду (грамм/минута). Доза озона математически получена из концентрации озона в смеси газообразных озона и кислорода (г/м) и расхода подаваемого газа смеси газообразных озона и кислорода (м/ч).
Термин «перенасыщенный» относится к растворению газа в жидкости, который является нестабильным при атмосферных условиях и будет подвержен дегазированию.
Термин «однородный» относится к смеси текучих сред с качеством перемешивания более 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, равный 0) относится к наилучшим условиям перемешивания, которое, однако, является практически недостижимым. Качество перемешивания более 95% описано как технически однородное.
Термин «не содержащий газа» относится к жидкости без видимых отдельных пузырьков и/или без выявляемой мутности, обусловленной микропузырьками. Например, вода, содержащая озон в высокой концентрации, не содержит газа, поскольку озон из подаваемого газа полностью растворяется в воде для создания воды с растворенным озоном. Следовательно, вода, содержащая озон в высокой концентрации, представляет собой однородную жидкую фазу и не содержит газа, поскольку концентрация растворенного озона меньше, чем концентрация насыщения для условий эксплуатации.
3
Термин «фаза устойчивого состояния» относится к периоду времени, во время которого наклон кривой концентрации растворенного озона от времени остается ниже 0,10 г dO/мин в режиме периодической работы, т.е. нет существенного повышения концентрации растворенного озона при добавлении озона.
Термин «фаза пуска» относится к периоду времени, в пределах которого концентрация растворенного озона постепенно нарастает от t=0 до момента времени, в котором система достигает устойчивого состояния в режиме периодической работы.
Термин «фаза затухания» относится к периоду времени, во время которого происходит разложение растворенного озона на кислород без добавления озона в режиме периодической работы.
Термин «режим пуска» является терминологией, используемой в режиме непрерывной работы раскрытых способов и систем. Термин «режим пуска» относится к условиям, которые имеют место в большом количестве кислой жидкости под давлением во время фазы пуска в режиме периодической работы, как описано выше. Эти условия включают, но без ограничения, нулевую или низкую концентрацию растворенного озона в кислой жидкости под давлением, высокую степень изменения растворенного озона в кислой жидкости под давлением со временем и высокую степень переноса массы озона из газовой фазы в жидкую фазу.
Термин «режим устойчивого состояния» является терминологией, используемой в режиме непрерывной работы раскрытых способов и систем. Термин «режим устойчивого состояния» относится к условиям, которые имеют место в большом количестве кислой жидкости под давлением во время фазы устойчивого состояния в режиме периодической работы, как описано выше. Эти условия включают, но без ограничения, высокую концентрация растворенного озона в кислой жидкости под давлением, низкую степень изменения растворенного озона в кислой жидкости под давлением со временем и низкую степень переноса массы озона из газовой фазы в жидкую фазу.
Термин «условие устойчивого состояния» относится к условию, в котором свойства системы растворения остаются приблизительно одинаковыми с течением времени. Эти свойства включают, но без ограничения, концентрацию растворенного озона, концентрацию озона в отходящем газе, рН жидкости и т.д. Когда система растворения достигает «условия устойчивого состояния» в режиме непрерывной работы, большое количество жидкости может иметь разные концентрации растворенного озона вдоль высоты большого количества жидкости. Однако эти значения концентрации будет оставаться приблизительно постоянной с добавлением озона с течением времени.
Термин «высокая эффективность переноса массы озона» относится к эффективности переноса озона из газовой фазы в жидкую фазу приблизительно 60% или более, в период времени пребывания подаваемого газа в большом количестве кислой жидкости под давлением в системах растворения.
Термин «высокая концентрация озона» или «высокая концентрация растворенного озона» относится к значению концентрации растворенного озона, которое соответствует насыщенной или почти насыщенной (например, в пределах 10% концентрации насыщения, например 5% или 1% или 0,1%) жидкости с растворенным озоном.
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 не очевидно из контекста, «X использует А или В» предназначено обозначать любое из естественных всеобщих перестановок. То есть, если X использует А; X использует В; или X использует, как А, так и В, тогда «X использует А или В» 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 диапазона.
Краткое описание графических материалов
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. 1а представлена структурная схема системы разделения для деления процесса окисления озона в жидких средах на три отдельные операции для процесса оптимизации;
на фиг. 1b представлен пример работы системы разделения, показанной на фиг. 1а;
на фиг. 2а представлена структурная схема иллюстративной одностадийной системы растворения озона, работающей в режиме непрерывной работы;
на фиг. 2b представлена структурная схема иллюстративной одностадийной системы растворения озона, работающей в режиме периодической работы;
на фиг. 3а представлена структурная схема распылителя в виде кольца с S-образной структурой;
на фиг. 3b представлена структурная схема распылителя в виде кольца с зазором;
на фиг. 3с представлена структурная схема цилиндрического устройства подачи текучей среды в качестве распылителя;
на фиг. 4 представлен иллюстративный профиль изменения концентрации растворенного озона в воде с течением времени, полученный в системе, показанной на фиг. 2b, при давлении, равном 3 бар изб., работающей в периодическом режиме относительно потока жидкости;
на фиг. 5а представлена структурная схема иллюстративной двухстадийной системы растворения озона;
на фиг. 5b представлена структурная схема другой иллюстративной двухстадийной системы растворения озона;
на фиг. 5с представлена структурная схема другой иллюстративной двухстадийной системы растворения озона;
на фиг. 5d представлена структурная схема другой иллюстративной двухстадийной системы растворения озона;
на фиг. 6а представлено сравнение профилей концентрации в относительных единицах при давлении, равном 3 бар изб., в системе, показанной на фиг. 2b, для четырех распылителей и одного цилиндрического устройства подачи текучей среды в сравнении с идеальной производительностью;
на фиг. 6b представлены сравнительные графики ключевых показателей производительности (KPI), построенные для четырех распылителей и одного цилиндрического устройства подачи текучей среды в системе, показанной на фиг. 2b, при давлении, равном 3 бар изб.;
на фиг. 7 представлена производительность колонны растворения для различных рН в сравнении с идеальной производительностью идеальной производительностью при постоянной температуре 20°С и давлении 3 бар изб. в системе, показанной на фиг. 2b и использующей цилиндрическое устройство подачи текучей среды;
на фиг. 8а представлена производительность колонны растворения для различных температур в сравнении с идеальной производительностью при постоянном рН в системе, показанной на фиг. 2b, с цилиндрическим устройством подачи текучей среды;
на фиг. 8b представлены различные KPI с различными рН и различными Т в системе, показанной на фиг. 2b и использующей цилиндрическое устройство подачи текучей среды, при давлении, равном 3 бар изб.;
на фиг. 9а представлена производительность колонны растворения для различных давлений в сравнении с идеальной производительностью при постоянном рН и постоянной температуре в системе, показанной на фиг. 2b, с цилиндрическим устройством подачи текучей среды;
на фиг. 9b представлена производительность колонны растворения для различных давлений по сравнению с идеальным потоком переноса массы при постоянном рН и постоянной температуре в системе, показанной на фиг. 2b, с цилиндрическим устройством подачи текучей среды;
на фиг. 9 с представлены изменения KPI колонны растворения для воды, содержащей озон в высокой концентрации, для изменений рабочего давления в системе, показанной на фиг. 2b, с цилиндрическим устройством подачи текучей среды;
3
на фиг. 10 представлен профиль растворенного озона при осуществлении озонирования на одной стадии при давлении, равном 5 бар изб., с концентрацией подаваемым газообразным озоном 160 г/м и распылителем в виде кольца с S-образной структурой;
на фиг. 11 представлен иллюстративный профиль изменения концентраций растворенного озона в воде с течением времени, полученный на стадии 1 и стадии 2 двухстадийной системы растворения озона, использующей распылитель в виде кольца с S-образной структурой, в системе, показанной на фиг. 2b;
на фиг. 12 представлено сравнение значений растворенного озона при различных рН отработавшей воды с профилем водопроводной воды в качестве эталона, в системе, показанной на фиг. 2b, с использованием распылителя в виде кольца с зазором (4 мм), при температуре 20°С и давлении 5 бар изб.;
на фиг. 13 представлено сравнение данных периодической работы с несколькими результатами непрерывной работы, первые из которых получены в системе, показанной на фиг. 2b, а последние получены в системе, показанной на фиг. 2а;
на фиг. 14 представлено сравнение эффективности переноса массы, полученной после того, как система достигает условия устойчивого состояния, для различных расходов жидкости через колонну растворения в режиме непрерывной работы в системе, показанной на фиг. 2а;
на фиг. 15 представлена структурная схема иллюстративной колонны высокого давления из нержавеющей стали, используемой в качестве колонны растворения для озонирования при непрерывной работе;
на фиг. 16 представлен график градиента концентрации озона как функции высоты колонны растворения после того, как система достигает условия устойчивого состояния, с различными расходами в режиме непрерывной работы в системе, показанной на фиг. 2а; и
на фиг. 17 представлена структурная схема обычной системы колонны растворения озона, предназначенной для выполнения всех трех процессов растворения (переноса массы) и реакции в единственном реакторе.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
3
Раскрыты способы и системы для растворения газообразного озона в требуемой жидкой среде, например в воде. Цель раскрытых способов и систем состоит в увеличении концентрации растворенного озона (dO) в требуемой жидкой среде и/или в увеличении скорости переноса массы озона для использования в качестве жидкого окислителя для процессов жидкого окисления, таких как обеспечение дезинфицирующих средств и удаление загрязняющих микровеществ из сточной воды.
2
3
3
2
3
В раскрытых способах и системах достаточно высокая концентрация растворенного озона (например, вплоть до приблизительно 300 мг/л) в водной текучей среде может быть достигнута путем распыления в большом количестве кислой жидкости под давлением текучей среды, имеющей двухфазную смесь газообразных О/О и рециркуляционной жидкой фазы. С этой целью большое количество кислой жидкости под давлением предпочтительно подготавливают со значением рН менее 7 при постоянном повышенном давлении и постоянной температуре в колонне растворения; текучую среду, имеющую в себе растворенный озон, подготавливают с оптимизированной дозой газообразного озона (например, приблизительно 1,6 г О в минуту); и распылитель, в частности, выполнен для оптимизированного переноса массы из газовой в жидкую фазу. Контур рециркуляции текучей среды содержит сопло Вентури, встроенное в напорную линию рециркуляционного насоса, который генерирует требуемое падение давления в результате протекания жидкости через сужающееся поперечное сечение сопла Вентури, тем самым обеспечивая устойчивое впрыскивание смеси газообразных О/О в жидкость под давлением в контуре рециркуляции текучей среды. Перенос массы озона в большом количестве кислой жидкости под давлением улучшен посредством использования подходящих распылителей (например, распылители в виде кольца с зазором или кольца с S-образной структурой в данном документе, подробно описанные ниже), установленное на дне внутри колонны растворения. Выбор и конструкции распылителей определяют динамику переноса массы озона и диаметры пузырьков газа, когда пузырьки газа поднимаются в колонне растворения, а также схемы потока газа, генерируемые внутри колонны растворения. Соответственно, перенос массы озона из газовой фазы в большое количество кислой жидкости под давлением, имеющей высокую концентрацию растворенного озона в жидкости, достигается с раскрытыми способами и системами. Высокая концентрация растворенного озона в жидкости при повышенных давлениях может соответствовать концентрации насыщения или почти насыщения растворенного озона в жидкости. При падении давления концентрация растворенного озона в жидкости может быть перенасыщенной. Следует отметить, что, если жидкая среда является водой, достигаемая высокая концентрация растворенного озона в воде может быть определена как вода, содержащая озон в высокой концентрации, далее в данном документе. 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 ее в качестве жидкого окислителя. Раскрытые способы и системы могут обеспечить возможность генерирования воды, содержащей озон в высокой концентрации.
Раскрытые системы представляют собой установку переноса массы или систему растворения или колонну растворения, содержащиеся в разделенной системе, которая делит процесс окисления на основе озона в жидких средах на три отдельных операции для оптимизации процесса. Во многих процессах использования озона для процесса жидкого окисления очистка включает одновременное растворение, смешивание (если оно имеет место) и реакцию озона, осуществляемые в единственной реакционной установке или единственной колонне (например, как показано на фиг. 17). Раскрытая установка 1 для переноса массы отделена от смесительной установки и реакционной установки. Как показано на фиг. 1а, показан вариант осуществления разделенной системы, содержащей установку 1 для переноса массы, генерирующую жидкий окислитель, например, воду, содержащую озон в высокой концентрации, смесительную установку 2, которая впрыскивает жидкий окислитель в поток рабочей жидкости с конкретными шаблонами впрыскивания для получения однородной и не содержащей газа смеси жидкого окислителя и рабочей жидкости, и реакционную установку 3, в которой происходит процесс жидкого окисления путем использования однородной и не содержащей газа смеси жидкого окислителя и рабочей жидкости, так что рабочая жидкость преобразуется в окисленную жидкость. Как правило, процесс переноса массы озона в установке 1 для переноса массы занимает приблизительно несколько минут, например приблизительно 20 мин; смешивание воды, содержащей озон в высокой концентрации, с рабочей жидкостью в смесительной установке 2 занимает менее чем несколько секунд, например менее приблизительно 2 секунд; и процесс реакции занимает от нескольких миллисекунд до нескольких минут, например до приблизительно 5 мин. Смесь воды, содержащей озон в высокой концентрации, и рабочей жидкости образует жидкий окислитель в смесительной установке 2, который не содержит газа, поскольку при повышенном давлении получают жидкий окислитель, который не является перенасыщенным. Смесительная установка 2 содержит несколько специально спроектированных впрыскивающих сопел и статический смеситель, при этом установка предназначена для создания однородной смеси жидкого окислителя и рабочей жидкости с качеством перемешивания более 95%. Смесь жидкого окислителя и рабочей жидкости, полученная с помощью смесительной установки 2, также не содержит газа, поскольку не наблюдаются видимые пузырьки газа и/или мутность, вызванная микропузырьками.
Установка 1 для переноса массы подробно описана в данном документе. Скорость перенос массы озона улучшена, когда выполняют растворение газа при повышенных давлениях в колонне растворения (т.е., повышенное давление поддерживают в свободном пространстве колонны растворения). Таким образом, наличие отдельного этапа для растворения озона или переноса массы озона с последующим i) смешиванием не содержащего газа жидкого окислителя (например, воды, содержащей озон в высокой концентрации) с рабочей жидкостью и ii) с последующим затем отдельным этапом реакции/окисления, раскрытым в данном документе, приводит к гибкости процесса и позволяет системе очистки выполнять процесс очистки при оптимизированных экономических и эксплуатационных условиях. Этот процесс имеет преимущества потенциального уменьшения эксплуатационных затрат и требуемых капиталовложений для системы очистки на основе озона.
Раскрытые системы переноса массы содержат устройство, которое может дополнительно содержать колонну растворения для предварительной очистки, которая обеспечивает возможность рекуперации нерастворенного газообразного озона в струе отходящего газа, выделяемой из колонны растворения высокого давления. В этом случае перенос массы озона из газа в жидкость достигается посредством двухэтапного процесса растворения, сводящего к минимуму потерю озона из-за выпускаемого отходящего газа, по сравнению с одним этапом растворения с использованием одной колонны растворения.
Таким образом, существует оптимальный способ растворения озона в воде для получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, который основан на нескольких рабочих параметрах, таких как значение рН воды, уровни давления в колонне растворения, температура воды, доза озона, конструкции распылителя и количество стадий растворения озона. Раскрытые способы и устройство с оптимизированными рН, давлением, температурой, распылителем и т.д. могут повысить концентрацию растворенного озона в воде до более приблизительно 150 мг/л, предпочтительно вплоть до приблизительно 200 мг/л, более предпочтительно вплоть до приблизительно 300 мг/л.
Как наилучшим образом проиллюстрировано на фиг. 2а, предпочтительный вариант осуществления раскрытой системы растворения газа или переноса массы представляет собой проиллюстрированную систему 100а воды, содержащей озон в высокой концентрации, для непрерывного получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, содержащую колонну 102 растворения и контур 103 рециркуляции текучей среды в сообщении по текучей среде с колонной 102 растворения. Система 100а дополнительно содержит линии жидкости, обозначенные сплошными линиями, линии газа, обозначенные пунктирными линиями, линию газожидкостной смеси, обозначенную штрихпунктирной линией, и пузырьки газа, обозначенные эллиптическими точками.
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Колонна 102 растворения может представлять собой емкость из нержавеющей стали, или камеру/резервуар растворения озона, или емкость под давлением, которые имеют значение давления, подходящее для работы, и может поддерживаться на постоянных уровнях температуры с использованием охлаждающих змеевиков, встроенных в нее (не показаны). Колонна 102 растворения может быть цилиндрической формы с боковой стенкой, верхней крышкой и нижней крышкой. По сравнению с доступной в настоящее время технологией озонирования, которая предусматривает один резервуар/колонну для осуществления процесса переноса массы и реакции при атмосферном давлении (показано на фиг. 17), колонна 102 растворения может быть в 10-20 раз меньше, чем один резервуар/колонна согласно настоящей процедуре озонирования для достижения озонирования воды. Например, озонирование 1000 м/ч воды в системе с одним резервуаром со временем пребывания, составляющим 20 мин, требует резервуара объемом 333 м при атмосферном давлении для всего процесса окисления, включающего процессы растворения и реакции. Для сравнения, как показано на фиг. 1b, при расходе 50 м/ч подаваемой жидкости в установку 1 для переноса массы, времени пребывания, составляющем 20 минут, давлении 5 бар изб. и рН 5, достигают приблизительно 200 мг/л воды, содержащей озон в высокой концентрации, с резервуаром объемом 16,7 м установки 1 для переноса массы, что составляет около 1/20 по сравнению с объемом резервуара 333 м. 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 пребывания, составляющем 5 мин, давлении 1 бар, объем резервуара 83,3 м требуется для расхода 1000 м/ч окисленной жидкости. Общий требуемый объем раскрытой разделенной системы переноса массы составляет 16,7 м+83,3 м=100 м, который значительно меньше, чем объем резервуара 333 м системы с одним резервуаром.
Колонна 102 растворения может представлять собой резервуар для очистки жидкости, который является закрытым, за исключением впускных отверстий и/или выпускных отверстий для управления текучей средой. Здесь все впускные отверстия и/или выпускные отверстия для управления текучей средой сопровождаются клапанами (не показаны) которые могут управляться посредством подходящих контрольно-измерительных приборов. Колонна 102 растворения содержит впускное отверстие 104 для жидкости, которое обеспечивает возможность прохождения подаваемой жидкости в колонну растворения посредством действия насоса 106. Впускное отверстие 104 для жидкости может представлять собой цилиндрическую трубу. Насос 106 представляет собой насос для жидкости высокого давления, предусмотренный для впрыскивания подаваемой жидкости в колонну растворения под давлением. Для обеспечения надлежащего давления в резервуаре и равномерного уровня воды в колонне 102 растворения во время всего периода работы потоком текучей среды в колонну растворения от насоса 106 высокого давления управляют посредством обратной связи от датчиков, указывающих уровни воды внутри колонны 102 растворения.
2
2
3
2
4
3
Подаваемая жидкость может состоять из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, техническая вода, отработавшая вода, городская и промышленная сточная вода, сточная вода, уже очищенная посредством процесса вторичной очистки, или т.п. Подаваемая жидкость также может состоять из водных растворов, органических растворителей или т.п. В одном варианте осуществления повышают давление подаваемой жидкости посредством насоса 106, а затем она проходит через инжектор 108 для газообразного СО, в котором газообразный СО впрыскивают в подаваемую жидкость под давлением для достижения кислого рН подаваемой жидкости под давлением. Было экспериментально доказано, что это подавляет образование свободных радикалов ОН в воде путем диссоциации растворенного озона, тем самым увеличивая концентрацию растворенного О в воде. Специалистам в данной области техники будет понятно, что минеральные кислоты, такие как HCl, HSO, HNO, или другие кислоты также могут использоваться для генерирования кислого рН подаваемой жидкости под давлением.
2
2
2
2
2
2
2
Альтернативно подаваемая жидкость может представлять собой кислую подаваемую жидкость, такую как кислые промышленные сточные воды от производства фосфатов, горнодобывающей промышленности, сталелитейных заводов или т.п. В таком случае, в зависимости от рН промышленной сточной воды, повышают давление подаваемой жидкости посредством насоса, а затем ее могут подавать в колонну 102 растворения непосредственно, а инжектор 108 для газообразного CO может быть опущен. Если требуется регулировать рН кислой промышленной сточной воды, инжектор 108 для газообразного СО не может быть опущен. Инжектор 108 для газообразного СО может представлять собой газожидкостное сопло Вентури, которое втягивает газообразный CO в струю подаваемой жидкости под давлением, если доступное давление газообразного СО ниже, чем давление струи подаваемой жидкости под давлением. Если доступное давление газообразного СО выше, чем давление струи подаваемой жидкости под давлением, здесь инжектор 108 для газообразного СО может представлять собой инжектор для газа или керамический распылитель газа, а не газожидкостное сопло Вентури.
2
3
2
3
2
3
2
3
Колонна 102 растворения содержит большое количество кислой жидкости 110 под давлением и свободного пространства 112 для газа над большим количеством кислой жидкости под давлением при повышенном давлении. Отношение объема жидкости к объему свободного пространства для газа в колонне 102 растворения поддерживают предпочтительно назначении приблизительно 12:1. Отношение объема жидкости к объему газа в свободном пространстве 112 для газа может находиться в диапазоне от 1,7:1 до 12:1. Колонна 102 растворения также содержит выпускное отверстие 116 для рециркуляционной жидкости и впускное отверстие 118 для подачи текучей среды на дне, которые составляют контур 103 рециркуляции текучей среды вместе с устройством 114 в виде распылителя текучей среды, генератором 124 озона, соплом 126 Вентури и рециркуляционным насосом 128. Устройство 114 в виде распылителя текучей среды может быть установлено внутри колонны растворения в центре дна и соединено по текучей среде с впускным отверстием 118 для подачи текучей среды, образованным на дне колонны растворения. Выпускное отверстие 116 для рециркуляционной жидкости предоставляет небольшую часть кислой воды под давлением в рециркуляционный насос 128 и давление небольшой части кислой воды под давлением повышено до значения больше, чем давление кислой воды под давлением в колонне 102 растворения. Смесь газа и жидкости О/О, полученную генератором 124 озона, затем смешивают с небольшой частью кислой воды под давлением с образованием смеси газообразного О/О и кислой воды под давлением, которая имеет газообразную и жидкую фазы и имеет давление, более высокое, чем давление кислой воды под давлением, в колонне 102 растворения. В результате смесь газообразного О/О и кислой воды под давлением протекает в колонну 102 растворения через впускное отверстие 118 для подачи текучей среды посредством действия контура 103 рециркуляции текучей среды, при этом смесь газообразного О/О и жидкости подают в колонну 102 растворения путем прохождения через устройство 114 в виде распылителя текучей среды, которое соединено по текучей среде с впускным отверстием 118 для подачи текучей среды.
2
3
2
3
Система 100а содержит снабжение кислородом (не показано), которое предоставляет газообразный кислород в генератор 124 озона, который преобразует кислород в озон. Из-за его относительно короткого периода полураспада озон генерируют на месте генератором озона. Генератор озона производит озон в смешанной форме газа, содержащего О/О. Концентрация газообразного озона зависит от концентрации озона в смеси О/О и, таким образом, зависит от ее частичного давления. На концентрацию растворенного озона, получаемая в процессе, влияет несколько факторов, таких как температура, давление, рН, доза озона, время пребывания газа, тип распылителя и т.д. Высокая концентрация растворенного озона или воды, содержащей озон в высокой концентрации, в предложенном способе являлась результатом оптимизации нескольких факторов, включая, но без ограничения, рН, конструкция типа распылителя и рабочие условия. Среди перечисленных факторов важными факторами, влияющими на концентрацию растворенного озона, являются рН и конструкция распылителя.
Обобщая, концентрация растворенного озона в колонне 102 растворения может быть увеличена посредством:
- уменьшения рН воды до рН менее 7;
- увеличения рабочего давления;
- уменьшения температуры воды;
- оптимальной конструкции распылителя, способного поддерживать требуемое время пребывания газообразного озона в воде путем контроля диаметров пузырьков озона и профиля потока пузырьков озона через конкретные устройства в виде распылителя в колонне растворения; то есть контроля области контакта и времени контакта между газовой фазой (т.е. смесью газообразных озона и кислорода) и жидкой фазой (т.е. водой в колонне растворения);
- увеличения дозы озона.
3
2
3
Снабжение кислородом может представлять собой резервуар или цилиндр с низкотемпературным жидким кислородом. Система 100а может использовать коммерчески доступный генератор озона, например генератор озона Ozonia CFS-2, способный стабильно генерировать газообразный озон с требуемой скоростью, с более холодной установкой для контроля температуры генератора. Требуемая скорость генерируемого газообразного озона зависит от требований фактического применения. В одном варианте осуществления скорость приблизительно 180 г/м с концентрацией вплоть до 12 вес. % может быть необходима для работы системы 100а. Озон получают путем подачи коммерческого кислорода в генератор 124 озона. Перенос массы озона из газообразной фазы в воду в колонне 102 растворения может быть достигнут посредством комбинации впрыскивания на основе сопла Вентури и подходящим образом сконструированного распылителя. Впрыскивание на основе сопла Вентури предусматривает сопло 126 Вентури, встроенное в напорную линию рециркуляционного насоса 128, который генерирует требуемое падение давления в результате потока воды через сужающееся поперечное сечение сопла 126 Вентури, тем самым обеспечивая устойчивое впрыскивание генерируемого газообразного озона (смешанного с О) в струю рециркуляционной жидкости. Газообразный озон, который входит в колонну 102 растворения через контур 103 рециркуляции текучей среды, растворяют в жидкой фазе колонны 102 растворения путем использования подходящих распылителей (например, распылителя в виде кольца с зазором или кольца с S-образной структурой) 114 внутри колонны растворения. Сопло 126 Вентури и рециркуляционный насос 128 контура 103 рециркуляции текучей среды соединены по текучей среде с впускным отверстием 118 для подачи текучей среды и выпускным отверстием 116 для рециркуляционной жидкости, связанными с колонной 102 растворения. Рециркуляционный насос 128 представляет собой насос для жидкости. Небольшая струя кислой воды под давлением в колонне 102 растворения, вытекающая из выпускного отверстия 116 для рециркуляционной жидкости, нагнетают в сопло 126 Вентури посредством действия рециркуляционного насоса 128. После генерирования озона количество смеси газообразных озона и кислорода, выходящей из генератора 124 озона, вводят в сопло 126 Вентури. Количество смеси газообразных озона и кислорода затем втягивают в струю воды под давлением посредством сопла 126 Вентури, образуя смесь газообразных озона и кислорода и воды. Таким образом, смесь газообразных озона и кислорода переносится кислой водой под давлением и протекает обратно в колонну 102 растворения через впускное отверстие 118 для подачи текучей среды. Рециркуляционный насос 128 нагнетает кислую воду под давлением, выходящую из выпускного отверстия 116 для рециркуляционной жидкости, до давления, намного более высокого, чем давление колонны 102 растворения, чтобы обеспечить падение давления кислой воды под давлением после прохождения через инжектор 126 для газообразного О на основе эффекта Вентури. Давление смеси газообразных озона и кислорода и воды, вытекающей из сопла 126 Вентури, уменьшено по сравнению с давлением воды, вытекающей из рециркуляционного насоса 128, но все еще выше, чем давление колонны 102 растворения, обеспечивая смесь газообразных озона и кислорода и воды для протекания обратно в колонну растворения. Устройство 114 в виде распылителя текучей среды, соединенное по текучей среде с впускным отверстием 118 для подачи текучей среды, затем распыляет смесь газообразных озона и кислорода и воды в кислую воду под давлением в колонне растворения.
3
2
После установки контура 103 рециркуляции текучей среды в положение начала генерирование озона в генераторе 124 озона инициируют с помощью кислорода, протекающего через генератор 124 озона с требуемым расходом для генерирования озона в нем. Концентрацию и давление генерируемой смеси газообразного О/О регулируют до требуемых рабочих условий и доставляют в контур 103 рециркуляции текучей среды. Расход смеси газообразных озона и кислорода и воды, подаваемой в устройство 114 в виде распылителя текучей среды, регулируют путем изменения входной мощности рециркуляционного насоса 128. Таким образом, выпуск из рециркуляционного насоса 128 можно контролировать. Альтернативно с использованием клапана управления дальше по потоку относительно рециркуляционного насоса 128 также можно контролировать расход смеси газообразных озона и кислорода и воды, подаваемой в устройство 114 в виде распылителя текучей среды. В ходе работы концентрации растворенного озона в жидкости колонны 102 растворения, значение рН жидкости в колонне растворения и колебания температуры колонны растворения непрерывно отслеживают и записывают.
3
2
Когда смесь газообразных озона и кислорода и воды протекает через устройство 114 в виде распылителя текучей среды в кислую воду под давлением, содержащуюся внутри колонны 102 растворения, пузырьки газа в рециркуляционной струе разбиваются на небольшие пузырьки, которые затем поднимаются в колонне растворения. Кислая вода под давлением в колонне 102 растворения вступает в контакт с пузырьками газа, содержащими озон, в результате чего процесс переноса массы обеспечивает растворенный озон в кислой воде под давлением, тем самым получая воду, содержащую озон в высокой концентрации, в колонне 102 растворения. Одновременно с этим газообразный кислород также поднимается вверх к свободному пространству 112 колонны 102 растворения из-за его ограниченной растворимости в воде. Нерастворенный газообразный О и нерастворенный газообразный О затем накапливаются в свободном пространстве 112 колонны растворения, образуя отходящий газ. Воду, содержащую озон в высокой концентрации, таким образом, получают в колонне 102 растворения. Получаемую воду, содержащая озон в высокой концентрации, затем направляют во внешнюю смесительную установку (не показана) посредством выпускное отверстие 122 для текучей среды для процесса жидкого окисления, в котором воду, содержащую озон в высокой концентрации, могут смешивать с рабочей жидкостью для окисления загрязняющих микровеществ, или любого подобного процесса окисления. Более конкретно, выпускное отверстие 122 для текучей среды может быть соединено по текучей среде с множеством впрыскивающих сопел. Каждое из множества впрыскивающих сопел может иметь клапан и может регулироваться для контроля расхода воды, содержащей озон в высокой концентрации, выпускаемой из выпускного отверстия 122 для текучей среды колонны 102 растворения, для соответствия расходу струи кислой подаваемой воды под давлением, подаваемой во впускное отверстие 104 для жидкости колонны 102 растворения.
Рабочая жидкость может, как правило, состоять из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, техническая вода, отработавшая вода, городская и промышленная сточная вода, сточная вода, уже очищенная посредством процесса вторичной очистки и т.д. Рабочая жидкость также может состоять из водных растворов, органических растворителей или т.п. Рабочая жидкость может включать тот же тип воды, что и подаваемая жидкость, которая несет в себе компоненты, которые должны быть окислены. Дополнительно в некоторых случаях подаваемая жидкость и рабочая жидкость могут поступать из одного и того же источника.
2
3
2
Колонна 102 растворения также содержит вентиляционное отверстие 120 для отходящего газа в своей верхней части, которое обеспечивает возможность высвобождения отходящего газа для поддержания давления колонны растворения на требуемом уровне. Отходящий газ содержит О, нерастворенный О и нерастворенный газообразный СО.
2
2
4
3
2
2
2
4
3
2
Значение рН подаваемой жидкости в колонну 102 растворения может регулироваться посредством впрыскивания газообразного СО или минеральной кислоты, такой как HCl, HSO, HNO, или другого подкисляющего агента для соответствующей регулировки рН до кислого рН. С целью получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, значение рН воды в колонне 102 растворения предпочтительно поддерживают ниже 7 посредством добавления газообразного СО (или минеральной кислоты или другой кислоты) в подаваемую жидкость. Это выполняют путем установки инжектора 108 для газообразного СО (или инжектора для другого подкисляющего химического вещества, такого как HCl, HSO, или HNO, или других минеральных кислот) между насосом 106 и впускным отверстием 104 для подаваемой жидкости для получения подаваемой жидкости под давлением, имеющей кислое значение рН, как описано выше. Количество подкисляющего химического вещества, впрыскиваемого в инжектор 108, и расход подаваемой жидкости можно непрерывно отслеживать и регулировать посредством подходящих контрольно-измерительных приборов. С целью получения максимального переноса массы озона значение рН воды в колонне 102 растворения поддерживают предпочтительно в диапазоне от 2 до незначительно менее 7. Например, значение рН воды в колонне 102 растворения поддерживают предпочтительно в диапазоне от 2 до 6,95. Более предпочтительно значение рН воды в колонне 102 растворения поддерживают в диапазоне приблизительно от 3 до 6. Даже более предпочтительно значение рН воды в колонне 102 растворения поддерживают на значении приблизительно 5. Даже более предпочтительно значение рН воды в колонне 102 растворения поддерживают на значении приблизительно 4. Специалисту в данной области техники будет понятно, что значение рН можно регулировать путем управления чистым потоком газообразного СО или чистым потоком других подкисляющих химических веществ в подаваемую жидкость под давлением через инжектор 108.
Охлаждающие змеевики (не показаны), встроенные в колонну 102 растворения, можно регулировать для поддержания температуры воды в колонне 102 растворения на требуемом постоянном уровне для получения воды, содержащей озон в высокой концентрации. Предпочтительно температура колонны 102 растворения находится в диапазоне от 10°С до 30°С. Более предпочтительно температура колонны растворения находится в диапазоне от 15°С до 25°С. Даже более предпочтительно температуру колонны растворения поддерживают равной температуре окружающей среды, например приблизительно 20°С, для достижения целевой операции при оптимизированных эксплуатационных затратах.
В начальном ходе работы колонну 102 растворения сначала заполняют водой, имеющей кислый рН, до требуемого уровня жидкости, а затем в ней повышают давление. Этот процесс можно непрерывно отслеживать и регулировать с помощью датчиков давления. На основе фактических требований колонна 102 растворения может быть заполнена различными объемами воды. Отношение объема воды к объему газа в свободном пространстве 112 для газа может находиться в диапазоне от 1,7:1 до 12:1. Когда заполнение водой колонны 102 растворения достигло требуемого уровня жидкости и уровни температуры и рН воды в колонне растворения подходящим образом отрегулированы, в колонне 102 растворения повышают давление путем впрыскивания газообразного кислорода в колонну растворения через впускное отверстие для впрыскивания газообразного кислорода (не показано). Повышение давления может быть достигнуто либо путем впрыскивания газообразного кислорода непосредственно в свободное пространство колонны растворения, либо путем впрыскивания через сопло Вентури в струю рециркуляционной воды. Оба способа повышения давления обеспечивают идентичные результаты. Предпочтительно давление свободного пространства 112 для газа колонны 102 растворения поддерживают в диапазоне от приблизительно 2 до 7 бар изб. Более предпочтительно давление свободного пространства 112 для газа колонны растворения поддерживают в диапазоне от приблизительно 3 до 6 бар изб. Даже более предпочтительно давление свободного пространства 112 для газа колонны растворения поддерживают на значении приблизительно 5 бар изб. Соответственно, во время непрерывной работы раскрытой системы давление подачи воды в колонну 102 растворения, нагнетаемой насосом 106, может быть незначительно больше, чем давление воды в колонне 102 растворения, с целью подачи воды в колонну растворения. Во время непрерывной работы раскрытой системы переноса массы давление свободного пространства 112 для газа колонны растворения также поддерживают в диапазоне от приблизительно 2 до 7 бар изб. Более предпочтительно давление свободного пространства 112 для газа колонны растворения поддерживают в диапазоне от приблизительно 3 до 6 бар изб. Даже более предпочтительно давление свободного пространства 112 для газа колонны растворения поддерживают на значении приблизительно 5 бар изб.
С целью постоянного получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, раскрытая система переноса массы работает в непрерывном режиме для непрерывного получения воды, содержащей озон в высокой концентрации. После повышения давления воды в колонне 102 растворения может быть начат режим непрерывной работы с выполнением последующих операций одновременно:
i) подачи подаваемой жидкости в насос 106 с образованием подаваемой жидкости под давлением;
2
2
ii) подачи СО в инжектор 108 для газообразного СО (или других подкисляющих химических веществ) с регулировкой значения рН подаваемой жидкости под давлением до требуемого уровня, то есть ниже 7;
iii) подачи кислорода в генератор 124 озона с генерированием газообразного озона;
iv) открытия выпускного отверстия 122 для текучей среды в виде воды, содержащей озон в высокой концентрации, для выпускания воды, содержащей озон в высокой концентрации, во внешнюю смесительную установку; и
v) открытия вентиляционного отверстия 120 для отходящего газа для поддержания внутреннего давления колонны 102 растворения в пределах предопределенного диапазона давления путем управляемого высвобождения струи отходящего газа из колонны растворения.
vi) Вышеописанные операции могут быть выполнены одновременно и/или в различных последовательностях. При непрерывной работе расход воды, содержащей озон в высокой концентрации, из колонны 102 растворения из выпускного отверстия 122 для текучей среды регулируют так, чтобы быть приблизительно таким же, как у подаваемой жидкости, протекающей в колонну растворения через впускное отверстие 106 для подаваемой жидкости, тем самым поддерживая в пределах определенного диапазона постоянное давление и постоянный объем жидкости в колонне 102 растворения при постоянных условиях потока. Таким образом, при работе системы 100а генерируют непрерывную жидкую струю воды, содержащей озон в высокой концентрации.
vii) Специалист в данной области техники поймет, что раскрытая система переноса массы также может быть применена для получения жидкости с растворенным озоном путем растворения озона в кислой подаваемой жидкости под давлением. В одном варианте осуществления получаемая жидкость с растворенным озоном может представлять собой воду, содержащую озон в высокой концентрации.
2
2
viii) Специалист в данной области техники также поймет, что раскрытая система переноса массы также может быть применена для получения жидкого окислителя для процессов жидкого окисления путем растворения газообразного окислителя в кислой подаваемой жидкости под давлением. Газообразный окислитель может представлять собой содержащий кислород газ, такой как озон, кислород, NO, NO или т.п.
ix) Может требоваться непрерывное отслеживание концентраций подаваемого газообразного озона и отходящего газа, связанных с колонной 102 растворения, обе из которых отслеживают с использованием отдельных анализаторов газообразного озона. Кроме того, подходящие контрольно-измерительные приборы также встроены для записи температуры, рН воды в колонне растворения, давления в свободном пространстве колонны растворения, объемного расхода кислорода, подаваемого в генератор озона, и уровней растворенного озона в колонне растворения и т.д. Давление свободного пространства в колонне растворения может быть установлено на требуемые значения посредством надлежащей регулировки игольчатого клапана в линии отходящего газа колонны растворения (не показана).
x) Одной из главных трудностей в процессах газожидкостного контакта, нацеленных на высокое поглощение газа в жидкой фазе, состоит в конструкции распылителей, которые могут обеспечивать оптимальный диаметр пузырьков газа, а также требуемое распределение времени пребывания газовой фазы в пределах объема жидкости. Конструкция распылителя на основе оптимизации вышеописанных параметров вместе с экономическим анализом связанных эксплуатационных затрат является важной для извлечения оптимизированной производительности для любого заданного сценария рабочих условий. Известно, что сдвигающая сила разлагает растворенный озон в воде, вызывая ухудшение наблюдаемых значений для растворенного озона. Раскрытые системы переноса массы используют распылитель в виде кольца с S-образной структурой и кольца с зазором для уменьшения сдвигающей силы, тем самым ограничивая разложение растворенного озона. При сравнении кольца с S-образной структурой и кольца с зазором кольцо с зазором получает лучшие результаты.
xi) В дополнение газожидкостный перенос массы может быть достигнут либо посредством барботажа газа через объем жидкой фазы, либо же посредством рассеивания жидкости в виде микропузырьков или мелких капель в объеме газовой фазы, оба способа требуют оптимальной конструкции распылителя, способного достичь требуемых характеристик рассеивания либо газовой, либо жидкой фазы. Типы распылителей, используемые в данном документе, включают, но без ограничения, распылители на основе суммарного объема жидкости, которые содержат распылитель 10 в виде кольца с S-образной структурой и распылитель 20 в виде кольца с зазором, показанные на фиг. 3а и фиг. 3b соответственно. Распылитель 10 в виде кольца с S-образной структурой или распылитель 20 в виде кольца с зазором может быть установлен на дне колонны 102 растворения с достаточным промежутком, поддерживаемым от дна, чтобы избежать попадания газа в контур рециркуляции текучей среды. Специалист в данной области техники поймет, что в данном документе могут быть использованы любые типы распылителей текучей среды, способные генерировать требуемые характеристики рассеивания либо газовой, либо жидкой фазы.
xii) На фиг. 3а представлена структурная схема распылителя в виде кольца с S-образной структурой, используемого в раскрытой системе растворения газа. Верхнее изображение представляет собой вид сверху распылителя 10 в виде кольца с S-образной структурой, а нижнее изображение представляет собой вид в разрезе распылителя 10 в виде кольца с S-образной структурой вдоль линии А-А'. Линия В-В' показывает ось распылителя в виде кольца с S-образной структурой. Как показано, распылитель 10 в виде кольца с S-образной структурой содержит верхний канал 12 в форме S-образной структуры, имеющий сопло 14 на каждом конце в противоположных направлениях для впрыскивания смеси газа/воды в жидкость в колонне растворения. Распылитель 10 в виде кольца с S-образной структурой также может иметь основание 18 для крепления распылителя в виде кольца с S-образной структурой на дне колонны растворения посредством резьбовых отверстий 18А. Промежуток между верхним каналом в форме S-образной структуры и дном образован разделительным каналом 16, один конец которого соединен по текучей среде с центром дна верхнего канала 12 в форме S-образной структуры, а другой конец соединен по текучей среде с впускным отверстием 118 для подачи текучей среды, образованным на дне колонны растворения.
xiii) На фиг. 3b представлена структурная схема распылителя в виде кольца с зазором, используемого в раскрытой системе растворения газа. Как показано, распылитель 20 в виде кольца с зазором содержит круглую верхнюю пластину 22А, имеющую конус 22С в центре, и круглую нижнюю пластину 22В, имеющую сквозное отверстие в центре. Две пластины 22А и 22В разнесены посредством нескольких штырей 24 (показан только один), расположенных между ними. Конус 22С частично вставлен в сквозное отверстие круглой нижней пластины 22В, образуя кольцо с зазором. Штыри 24 могут представлять собой несколько винтов, проходящих через две пластины, делая зазор регулируемым. Штыри 24 могут иметь несколько шайб между двумя пластинами 22А и 22В, в которых одна или несколько шайб могут быть удалены или добавлены для регулировки расстояния зазора. Промежуток между распылителем 20 в виде кольца с зазором и нижней крышкой колонны растворения образован каналом 26, один конец которого соединен по текучей среде с центром дна нижней пластины 22В, а другой конец соединен по текучей среде с впускным отверстием 118 для подачи текучей среды на дне колонны растворения. Распылитель 20 в виде кольца с зазором закреплен на нижней крышке посредством пластины 28 основания с резьбовыми отверстиями 28А.
На фиг. 3с показано иллюстративное цилиндрическое устройство подачи текучей среды в качестве распылителя. Верхнее изображение представляет собой вид сверху устройства 30 подачи текучей среды с каналом, а нижнее изображение представляет собой вид в разрезе устройства 30 подачи текучей среды с каналом вдоль линии А-А'. Линия В-В' показывает ось устройства подачи текучей среды с каналом. Как показано, устройство 30 подачи текучей среды с каналом содержит канал 32. Верхний конец канала 32 является отверстием 34 для впрыскивания смеси газа/воды в жидкость в колонне растворения. Нижний конец канала 32 прикреплен и соединен по текучей среде с впускным отверстием для подачи текучей среды, образованным в нижней крышке колонны растворения. Основание 36 закрепляет устройство подачи текучей среды с каналом на дне колонны растворения посредством резьбовых отверстий 38.
3
Распылитель 10 в виде кольца с S-образной структурой или распылитель 20 в виде кольца с зазором может рассеивать подаваемый газообразный озон в виде пузырьков, которые затем постепенно поднимаются к свободному пространству вверху с характерной направленностью, связанной с восходящим движением пузырьков, что поддерживает требуемое время пребывания. Диаметр пузырьков газообразного озона, выходящих из распылителя в виде кольца с S-образной структурой, может не быть регулируемым. Вместо этого диаметр пузырьков газообразного озона, выходящих из распылителя в виде кольца с зазором, можно регулировать посредством изменения расстояния зазора. Каждый из типов распылителей 10 и 20 имеет свои уникальные схемы потока газа. Например, расстояние зазора в распылителе 20 в виде кольца с зазором может варьироваться между 2 мм, 4 мм и 6 мм посредством регулирования количества шайб, составляющих расстояние зазора. Фактически, в следующих примерах видно, что распылитель 20 в виде кольца с зазором с расстоянием 4 мм показывает лучшую производительность, чем распылитель 10 в виде кольца с S-образной структурой, в отношении значений концентрации растворенного озона (dO), полученных после определенного периода озонирования, а также долей подаваемого газообразного озона, который растворен в жидкой фазе.
На фиг. 2b представлена структурная схема для периодической работы системы, изображенной на фиг. 2а. На фиг. 2b те же ссылочные позиции, что и на фиг. 2а, обозначают одинаковые или соответствующие части, которые не будут описаны далее. При периодической работе колонну растворения сначала заполняют водой, рН регулируют до 5, давление свободного пространства повышают до 5 бар изб., после чего осуществляют непрерывное впрыскивание смеси газообразных озона и кислорода в колонну растворения с использованием сопла 126 Вентури в контуре 103 рециркуляции текучей среды. Фактически, уровень растворенного озона или концентрация растворенного озона в колонне 102 растворения нарастают с течением времени озонирования, и по прошествии определенного периода времени концентрация растворенного озона достигает устойчивого состояния, характеризующегося незначительным увеличением концентрации растворенного озона при дальнейшем впрыскивании смеси газообразных озона и кислорода. В устойчивом состоянии дальнейшее озонирование воды не приводит к какому-либо увеличению уровня растворенного озона, но наблюдается небольшое уменьшение из-за разложения растворенного озона до кислорода. На фиг. 4 видно, что профиль изменения концентрации растворенного озона в вода с течением времени (т.е. время пребывания), полученный в системе, показанной на фиг. 2b, при давлении 3 бар изб., работающей в периодическом режиме, где пунктирная линия обозначает теоретическое значение концентрации насыщения растворенного озона для указанных рабочих условий. Профиль изменения включает два различных режима, имеющих фазу пуска и фазу устойчивого состояния. Также была исследована дополнительная фаза затухания, во время которой не было впрыскивания нового озона в жидкость. Цель исследования дополнительного затухания состоит в оценке разложения растворенного озона до кислорода во время процесса озонирования.
3
Как проиллюстрировано на фиг. 4, изображен типовой профиль концентрации растворенного озона, полученный при давлении 3 бар изб., температуре 20°С, рН 5 во время периодического экспериментального озонирования водопроводной воды с одностадийной колонной растворения озона, показанной на фиг. 2b. На фигуре представлено три различных режима с течением времени: i) фаза пуска, представляющая нарастание концентрации dO от t=0 до времени, в котором система достигает устойчивого состояния; ii) фаза устойчивого состояния, которая характеризует поведение системы после ее достижения устойчивого состояния; и iii) фаза затухания, которая исследует разложение растворенного озона до кислорода без впрыскивания нового озона в жидкость во время работы в периодическом режиме. Общая длительность этого эксперимента, выполняемого при давлении 3 бар изб., температуре 20°С, рН 5, составляла приблизительно 3 часа. Альтернативно такой профиль концентрации растворенного озона также может быть получен при давлении 5 бар изб., температуре 20°С, рН 5. Концентрация растворенного озона при давлении 5 бар изб. выше, чем концентрация растворенного озона при давлении 3 бар изб., как описано ниже в следующих примерах.
3
3
3
Более конкретно, после регулировки параметров системы, таких как объем воды и значение рН воды, температура, давление колонны растворения и т.д., до требуемых уровней устойчивый поток газообразного озона вводят в колонну растворения, пока колонна растворения не достигнет устойчивого состояния. Этот режим времени называется «фаза пуска» на фиг. 4 и характеризуется постепенным уменьшением скорости, с которой концентрация растворенного озона увеличивается в жидкой фазе. Скорость увеличения dO является наибольшей в начале озонирования (в t=0), постепенно уменьшается с дальнейшим озонированием и наконец становится близкой к нулю, когда система достигает устойчивого состояния. Это называется наклоном кривой с единицами г dO/мин. Время, в которое этот наклон падает ниже 0,10 г dO/мин, определено как начало «фазы устойчивого состояния». В фазе устойчивого состояния достигается относительно неизменная концентрация растворенного озона (т.е. концентрация устойчивого состояния), которая немного меньше, чем концентрация насыщения растворенного озона (или равновесная концентрация), или является близкой к концентрации насыщения растворенного озона, как показано на фиг. 4. Концентрация растворенного озона устойчивого состояния может быть максимальной концентрацией в системе при конкретном наборе рабочих условий, как показано на фиг. 2b. Работа системы может продолжаться дальше в режиме устойчивого состояния в течение приблизительно 60 минут, после которых прекращается подача подаваемого газообразного озона в систему. Периодическая работа затем переходит в «фазу затухания». Цель фазы затухания состоит в анализе постоянной затухания системы, которая относится к скорости разложения растворенного озона до кислорода для заданной конфигурации системы. Для имитации фактического режима непрерывной работы эксперимент фазы затухания требует условий давления и температуры, сравнимых по величине с фазой пуска, и достигался посредством введения отходящего потока газа из колонны растворения и использования змеевиков для контроля температуры.
Работа в периодическом режиме показывает растворение озона, которое способствует условию низкого рН, низкой температуры и высокого давления. При давлении, равном 3 бар изб., и рН, равном 5, и температуре, равной 20°С, может быть достигнута концентрация растворенного озона приблизительно 250 мг/л, как показано на фиг. 4. При давлении, равном 5 бар изб., и рН, равном 5, и температуре, равной 20°С, может быть достигнута концентрация растворенного озона приблизительно 300 мг/л, как видно ниже в следующих примерах (например, на фиг. 10). Таким образом, оптимизированные рабочие условия для генерирования воды, содержащей озон в высокой концентрации, могут быть следующими: давление составляет приблизительно 5 бар изб., рН составляет приблизительно 5, температура составляет приблизительно 20°С при 4 мм распылителе в виде кольца с зазором.
Когда система непрерывно работает для генерирования воды, содержащей озон в высокой концентрации, необходимо выбрать время пребывания подаваемой воды в колонне растворения, которое может относиться к рабочей точке, согласно профилям концентрации озона, показанным в режиме периодической работы (например, на фиг. 4, фиг. 10 или фиг. 11) для работы системы в фазе пуска или фазе устойчивого состояния. Преимущество такого выбора рабочей точки состоит в том, что скорость переноса массы озона из газовой фазы в жидкую фазу является высокой в фазе пуска. При сравнении, в фазе устойчивого состояния, концентрация растворенного озона близка к концентрации насыщения растворенного озона, в результате чего озон в подаваемом газе не может дальше растворяться, приводя к потере подаваемого газообразного озона. В частности, для конкретного набора рабочих условий (т.е. температуры, рН, давления, дозы озона, времени пребывания, типа распылителя и т.д.) концентрация растворенного озона, полученная из колонны растворения, зависит от рабочей точки, выбранной в пределах фазы пуска или фазы устойчивого состояния, что, в свою очередь, определяет время пребывания подаваемой воды в колонне растворения. Чем дольше время пребывания подаваемой воды в колонне растворения, тем выше будет концентрация растворенного озона, однако эффективность использования подаваемого газообразного озона или скорость переноса массы из газа в жидкость будет снижена для такого сценария.
Например, на фиг. 4 непрерывный расход подаваемой воды 10 литров в минуту, соответствующий времени пребывания примерно 23 минуты для объема колонны растворения 230 литров, обеспечит концентрацию приблизительно 140 мг/л растворенного озона из колонны растворения при условиях давления, равного 3 бар изб., температуры, равной 20°С, рН, равного 5. Эта рабочая точка связана с высокой эффективностью перенос массы озона и очень небольшой потерей озона. При сравнении, расход подаваемой воды 3 литра в минуту, соответствующий времени пребывания примерно 77 минут для объема колонны растворения 230 литров, обеспечит концентрацию растворенного озона приблизительно 230 мг/л при давлении 3 бар изб., температуре 20°С, рН 5. Эта рабочая точка, однако, связана с более низкой эффективностью использования подаваемого озона или более низкой эффективностью переноса массы из-за ее близости к устойчивому состоянию. К этому моменту раскрытые способы и системы могут быть использованы для конкретных применений, таких как конкретная концентрация растворенного озона и конкретное использование подаваемого газообразного озона или эффективность переноса массы. Таким образом, рабочая точка для раскрытых систем может быть выбрана на основе конкретных применений, причем каждый режим связан с их характерной концентрацией растворенного озона и использованием подаваемого газообразного озона или эффективностью переноса массы. Таким образом, концентрация полученной воды или жидкости с растворенным озоном варьируется в зависимости от рабочих режимов, которые могут быть полезными в разных применениях. Здесь рабочая точка относится к конкретному выбору времени пребывания, при котором система работает в фазе пуска или фазе устойчивого состояния.
При реальной работе для непрерывного получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, система может работать так, что режим пуска, который способствует высокой скорости переноса массы, и режим устойчивого состояния, который способствует высокой концентрации растворенного озона, могут одновременно иметь место в большом количестве кислой воды под давлением в колонне растворения. Это происходит из-за градиента концентрации растворенного озона, образованного вдоль высоты кислой воды под давлением, содержащейся в колонне растворения, в которой концентрация растворенного озона составляет примерно ноль в верхней части большого количества кислой воды под давлением, содержащейся в колонне растворения (например, точка добавления пресной подаваемой воды), и самая высокая концентрация растворенного озона наблюдается на дне колонны растворения (например, точка удаления воды, содержащей озон в высокой концентрации). Здесь режим пуска представляет собой терминологию, используемую в режиме непрерывной работы раскрытых способов и систем, и относится к условиям, которые имеют место в большом количестве кислой жидкости под давлением во время фазы пуска, как описано в режиме периодической работы; режим устойчивого состояния представляет собой терминологию, используемую в режиме непрерывной работы раскрытых способов и систем, и относится к условиям, которые имеют место в большом количестве кислой жидкости под давлением во время фазы устойчивого состояния, как описано в режиме периодической работы. Следовательно, непрерывная работа раскрытых систем приводит к одновременному поддержанию условий в верхней части колонны растворения, которые способствуют высокой эффективности переноса массы озона в кислую воду под давлением, и условий в нижней части колонны растворения, которые способствуют высокой концентрации растворенного озона в кислой воде под давлением, в которой градиент концентрации озона образуется вдоль высоты большого количества кислой воды под давлением. То есть непрерывная работа раскрытых систем приводит к режиму пуска, способствующему высокой эффективности переноса массы озона из газа в жидкость, и режиму устойчивого состояния, способствующему высокой концентрации растворенного озона, которые одновременно имеют место в большом количестве кислой воды под давлением, и причем градиент концентрации растворенного озона образуется вдоль высоты большого количества кислой воды под давлением в колонне растворения.
При работе в периодическом режиме, как описано ниже в следующих примерах, концентрация растворенного озона является однородной во всем большом количестве кислой воды под давлением в колонне растворения в любой момент времени в процессе озонирования. Напротив, при работе в непрерывном режиме, как показано на фиг. 15, градиент концентрации воды с растворенным озоном может быть получен вдоль высоты большого количества кислой воды под давлением в колонне растворения. Более конкретно, кислая пресная вода под давлением непрерывно подается в колонну растворения из впускного отверстия в верхней части колонны растворения через свободное пространство колонны растворения, образуя большое количество кислой воды под давлением в колонне растворения. В то же время смесь газа и жидкости, содержащая озон, получаемая с помощью контура рециркуляции текучей среды (не показан), непрерывно распыляется в большое количество кислой воды под давлением в колонне растворения через устройство в виде распылителя, установленное на дне колонны растворения в пределах колонны растворения, за счет чего получают воду с растворенным озоном или воду, содержащую озон в высокой концентрации, в колонне растворения. Кроме того, в то же время вода, содержащая озон в высокой концентрации, получаемая в колонне растворения, выпускается из выпускного отверстия колонны растворения в целевую смесительную установку (не показана). Непрерывное добавление кислой пресной воды под давлением в колонну растворения с ее верхней стороны и непрерывное удаление получаемой воды, содержащей озон в высокой концентрации, со дна колонны растворения приводят к развитию градиента концентрации растворенного озона вдоль высоты колонны растворения или высоты большого количества кислой воды под давлением в колонне растворения. В этом случае условия, присутствующие в режиме пуска (т.е. высокая скорость переноса массы озона и низкая концентрация воды с растворенным озоном), образуются в верхней части большого количества кислой воды под давлением в колонне растворения, и условия, присутствующие в режиме устойчивого состояния (т.е. высокая концентрация воды с растворенным озоном и низкая скорость переноса массы озона), образуются в нижней части большого количества кислой воды под давлением в колонне растворения. Таким образом, режим пуска и режим устойчивого состояния одновременно имеют место в большом количестве кислой воды под давлением в колонне растворения, что эквивалентно работе в режиме периодической работы в фазе пуска с высокой скоростью переноса массы озона, но получению воды, содержащей озон в высокой концентрации, имеющей высокую концентрацию растворенного озона (например, почти насыщенную концентрацию), в фазе устойчивого состояния.
1
6
Градиент концентрации растворенного озона в большом количестве кислой воды под давлением в колонне растворения может быть измерен путем взятия нескольких точек отбора проб (например, С-С на фиг. 15) вдоль высоты колонны растворения. Концентрация растворенного озона в каждой точке отбора проб измеряется после того, как вода с растворенным озоном достигнет устойчивого состояния в колонне растворения. Градиент концентрации растворенного озона вдоль высоты колонны растворения зависит от различных факторов, включая расход притока подаваемой жидкости. В этом случае градиент концентрации растворенного озона вдоль высоты колонны растворения зависит от расхода кислой воды под давлением и соотношения высота/диаметр большого количества кислой воды под давлением в колонне растворения. Расход притока подаваемой жидкости может контролироваться датчиком уровня, соединенным с ПИД-регулятором. Расход оттока получаемой воды, содержащей озон в высокой концентрации, регулируется так, чтобы быть приблизительно таким же, как расход притока подаваемой жидкости. Расход оттока получаемой воды, содержащей озон в высокой концентрации, можно регулировать вручную с помощью множества впрыскивающих сопел, каждое из которых связано с клапаном регулировки потока. Впрыскивающие сопла могут быть частично включены в целевую смесительную установку для пропускания получаемой воды, содержащей озон в высокой концентрации, в целевую смесительную установку, например, смесительную установку 2, показанную на фиг. 1а, где вода, содержащая озон в высокой концентрации, смешивается с рабочей жидкостью для получения гомогенной и не содержащей газа жидкой окислительной смеси воды, содержащей озон в высокой концентрации, и рабочей жидкости, предназначенной для процесса жидкого окисления. Соотношение высота/диаметр большого количества кислой воды под давлением в колонне растворения может составлять более 5:1, предпочтительно от 5:1 до 20:1, более предпочтительно от 5:1 до 10:1.
Из следующих примеров можно увидеть, что при достаточной высоте большого количества кислой воды под давлением в колонне растворения в режиме непрерывной работы с желаемым расходом подаваемой жидкости концентрация воды, содержащей озон в высокой концентрации, в выпускном отверстии колонны растворения при непрерывной работе может достигать аналогичной концентрации воды, содержащей озон в высокой концентрации, при работе в периодическом режиме. Желаемый расход подаваемой жидкости может гарантировать желаемое время пребывания кислой воды под давлением в колонне растворения, через которую барботируют газообразный озон. В раскрытых способах и системах желаемое время пребывания кислой воды под давлением находится в диапазоне от приблизительно 5 минут до приблизительно 150 минут, предпочтительно от приблизительно 5 минут до приблизительно 120 минут, более предпочтительно от приблизительно 5 минут до приблизительно 100 минут. Кроме того, время пребывания озона в кислой воде под давлением в колонне растворения варьируется в зависимости от высоты большого количества кислой воды под давлением, давления в свободном пространстве и выбора распылителя в колонне растворения. Кроме того, в режиме непрерывной работы скорость переноса массы озона увеличивается линейно с увеличением расхода притока подаваемой жидкости в устойчивом состоянии. Например, скорость переноса массы озона может достигать 80% при 5,7 гал/мин подаваемой жидкости из следующих примеров (например, со ссылкой на фиг. 14). Это приводит к усиленному растворению сгенерированного газообразного озона в большом количестве кислой воды под давлением в колонне растворения.
Раскрытые системы генерирования воды, содержащей озон в высокой концентрации, могут также включать двухстадийную систему растворения озона, как проиллюстрировано на фиг. 5а. Система 200а получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, которая содержит колонну 230 растворения для предварительной очистки, находящуюся в сообщении по текучей среде с главной колонной 202 растворения, повышает эффективность использования газообразного озона. Колонна 230 растворения для предварительной очистки позволяет извлекать нерастворенный газообразный озон из главной колонны растворения. Система 200а дополнительно содержит линии жидкости, обозначенные сплошными линиями, линии газа, обозначенные пунктирными линиями, линию газожидкостной смеси, обозначенную штрихпунктирной линией, и пузырьки газа, обозначенные эллиптическими точками. Основное различие между системой 100а и системой 200а относится к колонне 230 растворения для предварительной очистки, добавляемой в систему 200а, где озон, содержащийся в отходящем газе, выходящем через вентиляционное отверстие из главной колонны 202 растворения, впрыскивается в колонну 230 растворения для предварительной очистки и растворяется в ней. Озон, который растворяется в воде, содержащейся в колонне 230 растворения для предварительной очистки, образует предварительно очищенную озонированную воду, которую затем можно подавать в главную колонну 202 растворения в качестве подаваемой жидкости для главной колонны растворения с целью дальнейшего получения высококонцентрированной озонированной воды, то есть воды, содержащей озон в высокой концентрации. Таким образом, генерирование воды, содержащей озон в высокой концентрации, в системе 200а включает двухстадийный процесс растворения озона. На первой стадии растворения озона газообразный озон, генерируемый генератором 222 озона, вводится в главную колонну 202 растворения для получения воды, содержащей озон в высокой концентрации, и отходящего газа в свободном пространстве 206, который содержит нерастворенный озон, как описано на фиг. 2а. На второй стадии растворения озона струя отходящего газа, содержащая нерастворенный озон из главной колонны 202 растворения, используется колонной 230 растворения для предварительной очистки для получения предварительно очищенной озонированной воды, которая имеет более низкую концентрацию растворенного озона, чем вода, содержащая озон в высокой концентрации, полученная главной колонной растворения, и может использоваться в качестве подаваемой жидкости, которая нагнетается в главную колонну растворения. На этой стадии любой остаточный или нерастворенный озон из струи отходящего газа главной колонны растворения улавливается и используется, и отходящий газ из колонны 230 растворения для предварительной очистки может содержать только кислород. Отходящий газ с кислородом, обедненным озоном, из колонны 230 растворения для предварительной очистки может использоваться в отдельном процессе, например, процессе вторичной очистки сточной воды с использованием газообразного кислорода. Такой двухстадийный процесс растворения озона характеризуется противотоком струи отходящего газа из главной колонны 202 растворения по отношению к струе воды в колонне 230 растворения для предварительной очистки.
Более конкретно, главная колонна 202 растворения и колонна 230 растворения для предварительной очистки представляют собой резервуары или реакторы того же типа, что и используемые в системе 100а или системе 100b. Главная колонна 202 растворения в основном такая же, как колонна 102 растворения, проиллюстрированная на фиг. 2а и фиг. 2b. Главная колонна 202 растворения содержит большое количество жидкости 204, которая находится под давлением и поддерживается на значении рН ниже 7, и свободное пространство 206 для газа, которое содержит нерастворенный газообразный озон, образующий струю отходящего газа. В главной колонне 202 растворения установлено устройство 208 в виде распылителя для впрыскивания подаваемого газообразного озона. Здесь устройство 208 в виде распылителя может представлять собой распылитель в виде кольца с S-образной структурой, как показано на фиг. 3а, или распылитель в виде кольца с зазором, как показано на фиг. 3b. Устройство 208 в виде распылителя может быть установлено во внутреннем центре дна колонны растворения, соединенного по текучей среде с впускным отверстием 212 для подачи текучей среды, образованным на дне главной колонны растворения. Вентиляционное отверстие 214 для отходящего газа образовано в верхней части главной колонны растворения для высвобождения струи отходящего газа в свободном пространстве для газа в колонну 230 растворения для предварительной очистки. Выпускное отверстие 216 для воды, содержащей озон в высокой концентрации, образовано в нижней части главной колонны 202 растворения для пропускания воды, содержащей озон в высокой концентрации, в смесительную установку (не показана) для смешивания воды, содержащей озон в высокой концентрации, с большим количеством рабочей жидкости для получения в ней окисленной жидкости через процесс жидкого окисления. В данном документе рабочая жидкость, как правило, состоит из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, техническая вода, отработавшая вода, городская и промышленная сточная вода, сточная вода, уже очищенная посредством процесса вторичной очистки, водных растворов, органических растворителей и т.д., которые несут в себе компоненты, которые должны быть окислены. Выпускное отверстие 210 для рециркуляционной жидкости образовано в нижней крышке главной колонны 202 растворения для доставки небольшой части воды под давлением из главной колонны растворения в контур 203 рециркуляции текучей среды, который будет описан ниже. Впускное отверстие 218 для подаваемой жидкости образовано в верхней части главной колонны растворения для впрыскивания подаваемой жидкости в главную колонну 202 растворения. В данном документе подаваемая жидкость представляет собой предварительно очищенную озонированную воду, полученную в колонне 230 растворения для предварительной очистки.
В колонне 230 растворения для предварительной очистки не требуется устанавливать устройство в виде распылителя. Вместо этого впускное отверстие 232 для газа образовано на дне колонны 230 растворения для предварительной очистки для впрыскивания отходящего газа из главной колонны растворения в колонну растворения для предварительной очистки. Впускное отверстие 232 для газа может представлять собой керамический мелко пузырьковый распылитель любых форм, например, цилиндрической формы, в форме диска или т.п. Колонна 230 растворения для предварительной очистки также содержит большое количество жидкости 234, которая находится под давлением и поддерживается на значении рН ниже 7, и свободное пространство 236 для газа, которое содержит отходящий газ предварительной очистки, практически не содержащий нерастворенного озона (например, содержащий приблизительно 0,5% озона). Впускное отверстие 232 для газа может быть образовано в центре дна колонны растворения для предварительной очистки. Впускное отверстие 232 для газа может быть образовано в любом другом месте на дне колонны растворения для предварительной очистки, при условии, что отходящий газ из колонны 202 растворения может эффективно впрыскиваться в колонну растворения для предварительной очистки. Выпускное отверстие 238 для предварительно очищенной озонированной воды образовано в нижней части колонны 230 растворения для предварительной очистки для подачи предварительно очищенной озонированной воды, полученной в колонне растворения для предварительной очистки, в главную колонну 202 растворения для дальнейшего растворения под действием насоса 220.
2
2
2
2
4
3
2
2
2
2
2
2
Впускное отверстие 240 для подаваемой жидкости образовано в верхней части колонны 230 растворения для предварительной очистки для впрыскивания подаваемой жидкости в колонну растворения для предварительной очистки под действием насоса 244. Подаваемая жидкость в данном документе может состоять из воды, такой как пресная вода, водопроводная вода, техническая вода, отработавшая вода, городская и промышленная сточная вода, сточная вода, уже очищенная посредством процесса вторичной очистки, или т.п. Подаваемая жидкость может состоять из водных растворов, органических растворителей или т.п. Подаваемая жидкость может также представлять собой кислую подаваемую жидкость, такую как кислые промышленные сточные воды от производства фосфатов, горнодобывающей промышленности, сталелитейных заводов или т.п. Дополнительно в некоторых случаях подаваемая жидкость и рабочая жидкость могут быть из одного и того же источника. В подаваемой жидкости повышается давление с помощью насоса 244, а затем подаваемая жидкость под давлением направляется в инжектор 242 для газообразного СО, где СО растворяется в подаваемой жидкости под давлением или воде под давлением, образуя воду с кислым рН вместе с высоким давлением и, следовательно, увеличением концентрации растворенного озона в воде и подавлением образования свободных радикалов. Здесь специалисты в данной области техники поймут, что газообразный CO можно заменить подходящей минеральной кислотой, такой как HCl, HSO, HNO, которую впрыскивают в подаваемую жидкость для образования воды с кислым рН. Однако газообразный СО является предпочтительным подкисляющим химическим веществом. Инжектор 242 для газообразного СО может быть обычным инжектором для газа или газожидкостным соплом Вентури, которое всасывает газообразный CO в струю подаваемой жидкости под давлением. С целью получения здесь воды, содержащей озон в высокой концентрации, значение рН воды в колонне 230 растворения предварительной очистки и главной колонне 202 растворения предпочтительно поддерживают ниже 7 путем добавления газообразного СО в подаваемую жидкость. Количество СО, впрыскиваемого в инжектор для газообразного СО, и расход подаваемой жидкости можно непрерывно отслеживать и регулировать с помощью подходящих контрольно-измерительных приборов. В одном варианте осуществления значение рН воды в колонне 230 растворения для предварительной очистки поддерживается таким же, как и в главной колонне 202 растворения. В этом случае предпочтительно значение рН воды в обеих двух колоннах растворения поддерживается в диапазоне от 2 до чуть менее 7. Например, значение рН воды в обеих двух колоннах растворения поддерживается в диапазоне от 2 до 6,95. Более предпочтительно значение рН воды в двух колоннах растворения поддерживается в диапазоне от 3 до 6. Еще более предпочтительно значение рН воды в двух колоннах растворения поддерживается на уровне приблизительно 4-5. Еще более предпочтительно значение рН воды в двух колоннах растворения поддерживается на уровне приблизительно 5. Еще более предпочтительно значение рН воды в двух колоннах растворения поддерживается на уровне приблизительно 4. Эти диапазоны рН обеспечивают возможность получения максимальной концентрации растворенного озона в воде.
3
Вентиляционное отверстие 246 для отходящего газа образовано в верхней крышке колонны 230 растворения для предварительной очистки для высвобождения отходящего газа предварительной очистки, который в основном содержит кислород и практически не содержит озона (например, содержит приблизительно 0,5% озона) из колонны растворения для предварительной очистки, потому что на этой стадии почти весь озон может быть растворен в воде. Путем выпускания через вентиляционное отверстие отходящего газа предварительной очистки из свободного пространства 236 для газа давление свободного пространства для газа поддерживается на желаемом уровне. Поскольку струя отходящего газа предварительной очистки, высвобождаемая из колонны растворения для предварительной очистки, в основном содержит кислород, струя отходящего газа предварительной очистки может быть отправлена на процесс вторичной очистки сточной воды для эффективного использования газообразного кислорода. Предпочтительно давление свободного пространства 236 для газа в колонне 230 растворения для предварительной очистки поддерживается ниже, чем давление свободного пространства 206 для газа в главной колонне 202 растворения для впрыскивания отходящего газа из главной колонны 202 растворения в колонну 230 растворения для предварительной очистки. Предварительно очищенная озонированная вода, полученная в колонне 230 растворения для предварительной очистки, имеет концентрацию растворенного озона, которая ниже, чем у воды, содержащей озон в высокой концентрации, полученной в главной колонне 202 растворения. Это связано с тем, что концентрация озона в струе подаваемого газа, подаваемой в колонну 230 растворения для предварительной очистки, значительно ниже, чем концентрация озона в подаваемом газе, подаваемом в главную колонну 202 растворения. Контур 203 рециркуляции текучей среды содержит генератор 222 озона, инжектор 224 Вентури для газообразного О, рециркуляционный насос 226, впускное отверстие 212 для подачи текучей среды, выпускное отверстие 210 для рециркуляционной жидкости и устройство 208 в виде распылителя, связанное с главной колонной 202 растворения. Компоненты и работа контура рециркуляции текучей среды такие же, как и у контура 103 рециркуляции текучей среды, показанного на фиг. 2а и фиг. 2b.
2
2
Когда система 200а находится в работе, колонна 230 растворения для предварительной очистки и главная колонна 202 растворения сначала заполняются подаваемой жидкостью или водой под действием насосов 244 и 220 через впускное отверстие 240 и 218 для подаваемой жидкости соответственно до желаемых уровней, которые можно непрерывно отслеживать и регулировать с помощью измерителей уровня на основе гидростатического давления. Одновременно с этим газообразный СО подается в инжектор 242 для газообразного СО для регулировки рН подаваемой жидкости под давлением до значения ниже 7. В зависимости от фактических требований колонна 230 растворения для предварительной очистки и главная колонна 202 растворения могут быть заполнены различными объемами воды. Свободные пространства 236 и 206 для газа образуются в колонне растворения для предварительной очистки и главной колонне растворения соответственно после заполнения желаемых уровней воды. Соотношение объема жидкости к объему газа в двух колоннах растворения может находиться в диапазоне от 1,7:1 до 12:1.
Охлаждающие змеевики, встроенные в две колонны растворения, могут использоваться для регулировки и поддержания температуры воды на желаемых уровнях после заполнения водой двух колонн растворения. Предпочтительно температура воды в двух колоннах растворения находится в диапазоне от 10°С до 30°С. Более предпочтительно температура воды в двух колоннах растворения находится в диапазоне от 15°С до 25°С. Еще более предпочтительно температура воды в двух колоннах растворения находится на уровне температуры окружающей среды, такой как приблизительно 20°С.
После того как уровни температуры и рН воды в двух колоннах растворения подходящим образом отрегулированы, в двух колоннах растворения соответственно повышается давление путем впрыскивания газообразного кислорода в две колонны растворения через впускное отверстие для газообразного кислорода (не показано) в каждой колонне растворения. Повышение давления может быть достигнуто путем впрыскивания газообразного кислорода непосредственно в свободные пространства двух колонн растворения. Уровни давления поддерживались на уровне желаемого значения во время работы за счет контроля расходов отходящего газа через вентиляционные отверстия для отходящего газа в обеих колоннах 202 и 230 растворения. В одном варианте осуществления давление в колонне 230 растворения для предварительной очистки ниже, чем давление в главной колонне 202 растворения. В этом случае давление свободного пространства 236 колонны 230 растворения для предварительной очистки предпочтительно поддерживается приблизительно от 1 до 5 бар изб.; более предпочтительно давление свободного пространства 236 колонны 230 растворения для предварительной очистки поддерживается приблизительно от 2 до 4 бар изб.; еще более предпочтительно давление свободного пространства 236 колонны 230 растворения для предварительной очистки поддерживается на уровне приблизительно 3 бар изб. Соответственно давление свободного пространства 206 главной колонны 202 растворения предпочтительно поддерживается приблизительно от 2 до 7 бар изб.; более предпочтительно давление свободного пространства 206 главной колонны 202 растворения поддерживается приблизительно от 3 до 6 бар изб.; еще более предпочтительно давление свободного пространства 206 главной колонны 202 растворения поддерживается на уровне приблизительно 5 бар изб.
После повышения давления воды в двух колоннах растворения может быть начата непрерывная работа с одновременным выполнением следующих операций:
i) подачи подаваемой жидкости под давлением в колонну 230 растворения для предварительной очистки;
2
2
ii) подачи СО в инжектор 242 для газообразного СО для регулировки значения рН подаваемой жидкости;
iii) подачи кислорода в генератор 222 озона с генерированием газообразного озона;
iv) открытия выпускного отверстия 238 для воды с растворенным озоном для подачи предварительно обработанной озонированной воды в главную колонну 202 растворения;
v) открытия выпускного отверстия 216 для текучей среды в виде воды, содержащей озон в высокой концентрации, для выпускания воды, содержащей озон в высокой концентрации, во внешнюю смесительную установку; и
vi) открытия вентиляционных отверстий 214 и 246 для отходящего газа для высвобождения струи отходящего газа и струи отходящего газа предварительной очистки для поддержания внутренних давлений главной колонны растворения и колонны растворения для предварительной очистки в пределах предопределенных диапазонов давления соответственно.
Таким образом, система 200а обеспечивает непрерывное получение воды, содержащей озон в высокой концентрации. Поскольку давление в колонне растворения для предварительной очистки ниже, чем давление в главной колонне растворения, насос 220, соединенный по текучей среде с выпускным отверстием 238 для воды с растворенным озоном в колонне растворения для предварительной очистки и впускным отверстием 218 для текучей среды в главной колонне растворения, установлен для нагнетания предварительно очищенной озонированной воды из колонны 230 растворения для предварительной очистки в главную колонну 202 растворения.
Требуется непрерывное отслеживание концентраций подаваемого газа и отходящего газа, связанных с колонной растворения для предварительной очистки и главной колонной растворения, обе из которых отслеживаются с использованием отдельных анализаторов газообразного озона. Кроме того, подходящие контрольно-измерительные приборы электронного управления или компьютерного управления также предусмотрены для записи температуры, значения рН, давления и уровней растворенного озона в двух колоннах растворения, каждое из которых требует периодического отслеживания и контроля для оптимальной работы двух колонн растворения.
3
После инициирования генерирования озона в генераторе 222 О и запуска контура рециркуляции текучей среды, когда кислород протекает через генератор 222 озона с желаемым расходом, концентрация генерируемого озона и уровни давления, доставляемые в контур рециркуляции текучей среды, регулируются до желаемых рабочих условий. В ходе работы непрерывно отслеживаются и сводятся в таблицу концентрации растворенного озона в воде, значение рН воды и колебания температуры главной колонны 202 растворения и колонны 230 растворения для предварительной очистки. Фактически, из следующих примеров можно увидеть, что концентрация растворенного озона в главной колонне 202 растворения нарастает с течением времени, и по прошествии определенного периода времени концентрация растворенного озона достигает устойчивого состояния, характеризующегося незначительным увеличением уровней растворенного озона при впрыскивании газообразного озона.
Здесь, чтобы поддерживать постоянную высоту воды в двух колоннах растворения, расход притока подаваемой жидкости на впускном отверстии 240 для подаваемой жидкости поддерживается приблизительно таким же, как расход оттока воды, содержащей озон в высокой концентрации, через выпускное отверстие 216 для жидкости. Кроме того, давление подаваемой жидкости следует поддерживать немного выше, чем давление колонны растворения для предварительной очистки, для плавной подачи подаваемой жидкости в колонну растворения для предварительной очистки. Аналогичным образом, в контуре 203 рециркуляции текучей среды насос 226 нагнетает воду под давлением, выходящую из выпускного отверстия 210 для рециркуляционной жидкости, до давления, намного превышающего давление главной колонны 202 растворения. Это обеспечивает падение давления для работы инжектора 224 Вентури. Выходящая жидкость подается обратно в главную колонну 204 растворения через впускное отверстие 212 для жидкости. Кроме того, как описано выше, поскольку свободное пространство 206 для газа имеет более высокое давление, чем свободное пространство 236 для газа, струя отходящего газа из вентиляционного отверстия 214 для отходящего газа может непосредственно впрыскиваться во впускное отверстие 232 для газа. В конечном итоге, как описано ниже в примерах, которые следуют, в случае двухстадийной системы растворения озона эффективность переноса массы растворенного озона может достигать приблизительно 85% (например, со ссылкой на фиг. 6b). Это способствует использованию в значительной степени генерируемого газообразного озона.
2
2
2
2
Раскрытые системы и способы растворения газа предусматривают несколько вариантов осуществления впрыскивания подкисляющего агента, такого как СО или минеральная кислота, в подаваемую воду для получения кислой подаваемой воды. На фиг. 5а представлен один вариант осуществления, в котором подкисляющий агент впрыскивают в подаваемую воду под давлением в колонне для предварительной очистки с использованием инжектора 242. Например, что касается впрыскивания СО, то впрыскивание подкисляющего агента в виде СО происходит после насоса 244. В этом варианте осуществления давление колонны 230 растворения для предварительной очистки ниже, чем давление главной колонны 202 растворения. Например, давление колонны 230 растворения для предварительной очистки может составлять 3 бар изб., и давление главной колонны 202 растворения может составлять 5 бар изб. Таким образом, подаваемая вода под давлением после впрыскивания СО впрыскивается в колонну 230 растворения для предварительной очистки под давлением 3 бар изб. Преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что как колонна (230) для предварительной очистки, так и главная колонна (202) имеют большое количество кислой воды под давлением с аналогичным рН, что способствует максимальному растворению озона в воде.
2
2
2
2
2
2
2
Другой вариант осуществления для впрыскивания СО или минеральной кислоты в систему 200b показан на фиг. 5b. На фиг. 5b те же ссылочные позиции, что и на фиг. 5а, обозначают одинаковые или соответствующие части, которые не будут описаны далее. Разница между фиг. 5b и фиг. 5а в том, что на фиг. 5b распылитель 242 газа соединен по текучей среде с впускным отверстием 218 для жидкости главной колонны 202 растворения. В этом варианте осуществления инжектор 242 расположен между насосом 220 и впускным отверстием 218 для подаваемой жидкости, так что CO или минеральная кислота впрыскиваются в главную колонну 202 после насоса 220. В этом варианте осуществления давление колонны 230 растворения для предварительной очистки ниже, чем давление главной колонны 202 растворения. Например, давление колонны 230 растворения для предварительной очистки может составлять 3 бар изб., и давление главной колонны 202 растворения может составлять 5 бар изб. В этом случае любой нерастворенный СО, смешанный с газообразным озоном в свободном пространстве 206, впрыскивается обратно в колонну 230 для предварительной очистки. Преимущества этого варианта осуществления включают сниженный рН, который может быть достигнут в системе, поскольку кислая подаваемая вода под давлением подается в главную колонну 202 растворения, которая имеет более высокое давление, чем давление колонны 230 растворения для предварительной очистки. Впрыскивание СО при более высоком давлении приводит к более высокому растворению CO и большей гидратации растворенного CO в угольную кислоту, что приводит к более низкому рН. Другим преимуществом является возможность повторно использовать неиспользованный СО, накопленный в свободном пространстве 206, который впрыскивается в колонну 230 растворения для предварительной очистки.
2
2
2
2
Третий вариант осуществления для впрыскивания СО или минеральной кислоты показан на фиг. 5с, на которой те же ссылочные позиции, что и на фиг. 5а, обозначают одинаковые или соответствующие части, которые не будут описаны далее. Разница между фиг. 5с и фиг. 5а в том, что на фиг. 5с распылитель 242 газа соединен по текучей среде с дном главной колонны 202 растворения через дополнительное впускное отверстие для жидкости (не показано) для распыления газообразного СО в большое количество воды под давлением в главной колонне 202 растворения. Таким образом, система 200с предусматривает прямое впрыскивание подкисляющего агента в нижнюю часть главной колонны 202 растворения с использованием распылителя 242 газа. Распылитель 242 газа может представлять собой любой тип керамического распылителя. Этот вариант осуществления обеспечит лучшее растворение газообразного CO в дополнение к возможности повторного использования любого нерастворенного CO в отходящем газе, который впрыскивается в колонну 230 растворения для предварительной очистки.
2
2
2
Во всех трех вариантах осуществления, перечисленных выше, позиция 242 может представлять инжектор газа/минеральной кислоты, если доступное давление СО выше, чем соответствующее давление жидкости, инжектор Вентури, если доступное давление СО ниже, чем соответствующее давление жидкости, или распылитель газа, если CO непосредственно распыляется в жидкость.
2
3
2
3
2
3
Множество вариантов осуществления могут быть реализованы для впрыскивания смеси газообразных кислорода и озона, генерируемой генератором 222 озона. Один из таких вариантов показан на фиг. 5d, в котором используется операция 248 сжатия газа, которая сжимает смесь газообразных О и О до давления, немного превышающего давление главной колонны 202 растворения, с контролируемой температурой газообразных О и О. На фиг. 5d те же ссылочные позиции, что и на фиг. 5а, обозначают одинаковые или соответствующие части и далее не описываются. Разница между фиг. 5d и фиг. 5а в том, что на фиг. 5d газовый компрессор 248 соединен по текучей среде с генератором 222 озона, и смесь газообразных кислорода и озона, генерируемая генератором 222 озона, проходит через газовый компрессор 248 перед отправкой в контур 203 рециркуляции текучей среды. Затем сжатая смесь газообразных кислорода и озон впрыскивается в контур рециркуляционной жидкости без использования инжектора Вентури. В этом случае позиция 224 может представлять собой инжектор для газа или керамический распылитель газа. Преимущество этого подхода заключается в возможности достижения снижения эксплуатационных расходов за счет снижения давления на выходе насоса, требуемого от насоса 226, с использованием газового компрессора 248 для повышения давления подаваемых газообразных О и О до необходимого давления.
Раскрытая двухстадийная система растворения озона может быть эквивалентна одностадийной системе растворения озона, в которой высота колонны растворения увеличена. Способ работы в непрерывном режиме для одностадийной системы 100а растворения озона также применяется к двухстадийной системе 200а растворения озона, в которой режим пуска и режим устойчивого состояния могут одновременно иметь место в пределах главной колонны растворения и колонны растворения для предварительной очистки благодаря градиенту концентрации вдоль высоты любой из колонн. В конце концов, через выпускное отверстие для воды, содержащей озон в высокой концентрации, главной колонны 204 растворения можно получить вплоть до приблизительно 300 мг/л не содержащей газа воды с растворенным озоном или не содержащей газа жидкости, содержащей воду с растворенным озоном или воду, содержащую озон в высокой концентрации, что можно увидеть в следующих примерах.
Возвращаясь к фиг. 1а, полученная вода, содержащая озон в высокой концентрации, выходящая из установки 1 для переноса массы (из выпускного отверстия 122 для воды, содержащей озон в высокой концентрации, на фиг. 2а или выпускного отверстия 216 для воды, содержащей озон в высокой концентрации, на фиг. 5а), направляется в смесительную установку 2, где вода, содержащая озон в высокой концентрации, смешивается с рабочей жидкостью для получения в ней гомогенной и не содержащей газа жидкой окислительной смеси воды, содержащей озон в высокой концентрации, и рабочей жидкости, предназначенной для процесса жидкого окисления, для преобразования рабочей жидкости в окисленную жидкость в реакционной установке 3 с использованием гомогенной и не содержащей газа жидкой окислительной смеси. Более конкретно, выпускное отверстие 216 для воды, содержащей озон в высокой концентрации, может быть соединено по текучей среде с множеством впрыскивающих сопел в смесительной установке 2. Каждое из множества впрыскивающих сопел может иметь клапан и может регулироваться для контроля расхода воды, содержащей озон в высокой концентрации, выпускаемой из выпускного отверстия 216 для воды, содержащей озон в высокой концентрации, колонны 202 растворения, так, чтобы он соответствовал расходу предварительно очищенной озонированной воды, подаваемой во впускное отверстие 218 для жидкости главной колонны 202 растворения. Насос 220 может быть отрегулирован так, чтобы расход предварительно очищенной озонированной воды, из колонны 230 растворения для предварительной очистки соответствовал расходу кислой подаваемой воды под давлением, подаваемой во впускное отверстие 240 для подаваемой жидкости. Таким образом, при непрерывном получении воды, содержащей озон в высокой концентрации, объемы жидкости в колонне растворения для предварительной очистки и главной колонне растворения соответственно поддерживаются постоянными.
Специалист в данной области техники поймет, что, если главная колонна растворения достаточно высока, чтобы обеспечить достаточное время пребывания и достаточное растворение газообразного озона в воде, газообразный озон может полностью раствориться в воде, и практически не останется озона в струе отходящего газа. Таким образом, колонна растворения для предварительной обработки не требуется.
Раскрытая двухстадийная система переноса массы озона имеет следующие преимущества над раскрытой одностадийной системой переноса массы озона. Двухстадийная система переноса массы озона способна лучше использовать генерируемый озон практически без потери озона в отходящем газе. Нерастворенный озон в отходящем газе из главной колонны растворения подается в колонну растворения для предварительной очистки для получения предварительно очищенной озонированной воды с определенной концентрацией растворенного озона. Например, приведенный ниже пример показывает, что было получено приблизительно 50 мг/л растворенного озона (см., например, фиг. 11). Используя эту предварительно очищенную озонированную воду в качестве подаваемой жидкости, подаваемой в главную колонну растворения, можно повысить концентрацию воды, содержащей озон в высокой концентрации. Например, приведенный ниже пример показывает, что концентрация воды, содержащей озон в высокой концентрации, была увеличена до приблизительно 300 мг/л (см., например, фиг. 11). Таким образом, двухстадийный процесс растворения озона позволяет улавливать любой остаточный озон из струи отходящего газа, увеличивать концентрацию воды, содержащей озон в высокой концентрации, и осуществлять полное использование газообразного озона. Затем чистый кислород, полученный в виде струи отходящего газа из колонны растворения для предварительной очистки, может быть использован в других процессах, таких как вторичная очистка сточной воды. Кроме того, более быстрое растворение озона в воде при двухстадийной процедуре растворения обеспечивает более высокую пропускную способность воды, содержащей озон в высокой концентрации, что можно увидеть в следующих примерах, таким образом повышая экономическую жизнеспособность системы для реальных применений очистки отработавшей воды.
Примеры
Следующие неограничивающие примеры предоставлены для дополнительной иллюстрации вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако примеры не предназначены для того, чтобы быть всеобъемлющими, и не предназначены для ограничения объема описанных здесь изобретений.
В следующих примерах все испытания выполняют с использованием колонны растворения, заполненной до одинаковых уровней воды.
Пример 1: конструкция распылителя
Типы распылителей, используемые в раскрытых системах переноса массы газа, включая распылители в виде кольца с S-образной структурой и кольца с зазором и цилиндрическое устройство подачи текучей среды, были установлены на нижней крышке колонны растворения с достаточным промежутком, поддерживаемым от нижней крышки, чтобы избежать попадания газа в контур рециркуляционного насоса. Здесь цилиндрическое устройство подачи текучей среды представляет собой прямой вертикальный канал, имеющий приблизительно такую же высоту и такой же диаметр канала, как и у распылителя в виде кольца с S-образной структурой или кольца с зазором, и установлено в нижней крышке колонны растворения, соединенной по текучей среде с впускным отверстием для подачи текучей среды. Цилиндрическое устройство подачи текучей среды не имеет распылителя.
Работа распылителей в виде кольца с S-образной структурой и кольца с зазором включает рассеивание подаваемого газообразного озона в виде пузырьков газа миллиметрового размера, которые затем постепенно поднимаются вверх с характерной направленностью, связанной с восходящим движением пузырьков газа. Диаметр пузырьков газа, выходящих из распылителей этих типов, можно регулировать путем изменения диаметров их отверстий. Например, испытания выполнялись с диаметром отверстия или зазором между двумя круглыми пластинами распылителя в виде кольца с зазором, который изменялся между 2 мм, 4 мм и 6 мм с помощью регулировочных винтов или ряда шайб, составляющих отверстие или зазор. Кроме того, каждый из типов распылителей имеет свои уникальные схемы потока газа, которые были изучены с помощью вычислений, а также сняты на видео в реальном времени с помощью погружной камеры, причем колонна растворения не находилась под давлением и была открыта относительно окружающей среды. Экспериментальный анализ конфигураций распылителя выполнялся при изменяющихся условиях давления (Р=2 бар изб., 3 бар изб., 5 бар изб.) и разных уровнях воды в колонне растворения.
char
3
На фиг. 6а и фиг. 6b представлены кривые производительности безразмерных профилей концентрации и сравнительные графики ключевых показателей производительности (KPI), построенные для четырех разных типов распылителей: в виде кольца с S-образной структурой, в виде кольца с зазором с отверстиями 2 мм, 4 мм и 6 мм и одного цилиндрического устройства подачи текучей среды; при давлении, равном 3 бар изб. Условия экспериментов следующие. Р=3 бар изб., рН=5, Т=20°С, объем воды = 230 л, подача озона = 1,6 г/мин. Здесь С* представляет собой равновесную концентрацию растворенного озона в рабочих условиях. Характерное время t вычисляет время, необходимое для увеличения уровней растворенного озона в жидкости от 0 до С*, предполагая 100% эффективность переноса массы из газа в жидкость. Видно, что кольцо с зазором, имеющее зазор 4 мм, имело лучшую производительность из пяти, характеризующуюся значениями концентрации dO, полученными после определенного периода озонирования, а также долей подаваемого газообразного озона, который был растворен в жидкой фазе. Кроме того, наблюдалась незначительная разница в производительности даже при изменении расстояния зазора между 2, 4 и 6 мм в распылителе в виде кольца с зазором, что, возможно, означает аналогичные диаметр пузырьков и время пребывания при различных расстояниях кольца с зазором.
Пример 2: эффект рН и температуры
Основанная на температуре (Т) и рН производительность колонны растворения, оснащенной цилиндрической конфигурацией устройства подачи текучей среды, показанной на фиг. 3с, была проанализирована для следующего набора условий:
(i) T=10°С, рН=5, 7,9;
(ii) Т=20°С, рН=5, 7, 9;
(iii) Т=30°С, рН=5, 7.
2
2
3
3
В колонну растворения заливали водопроводную воду с начальным рН -7,5, а затем регулировали до 5 путем барботажа газообразного СО. Все испытания проводились с одной и той же средой (т.е. водопроводной водой), заполненной до тех же уровней в колонне растворения, что и в примере 1, то есть объем воды составляет 230 л. Кроме того, испытания включали аналогичные дозировки озона, то есть ~ 0,55 м/час потока О с концентрацией озона 180 г/м, что соответствует дозировке озона ~ 1,65 г/мин. На фиг. 7 представлена производительность системы для различных рН по сравнению с идеальной производительностью при постоянной температуре. Эксперимент выполнялся с использованием цилиндрического устройства подачи текучей среды при Р=3 бар изб. при 20°С. Используемый в эксперименте рН находится в диапазоне от 5 до 9. На фиг. 8а представлена производительность системы для различных Т по сравнению с идеальной производительностью при постоянном рН=5 при Р=3 бар изб. Как показано, оптимизированная работа колонны растворения на основе идеальной кривой производительности требует снижения значений рН и Т. Здесь температура, использованная в эксперименте, находится в диапазоне от 10 до 30°С.
3
3
3
3
3
3
3
3
На фиг. 8b представлены изменения KPI с рН (рН=5, 7, 9) и Т (Т=10, 20, 30°С) с цилиндрическим устройством подачи текучей среды, давлением, равным 3 бар изб., и объемом воды, равным 230 л. Как показано, оптимизированная работа колонны растворения требует понижения значений рН и Т, со следующими выводами, сделанными из кривых производительности: (i) при постоянной температуре максимальное значение dO (рН 5) больше, чем максимальное значение dO (рН 7), которое больше, чем максимальное значение dO (рН 9). Хотя это указывает на концентрацию растворенного вещества в устойчивом состоянии, достижимую в среде, отношение максимального значения dO к равновесной концентрации представляет степень, в которой условия равновесия могут быть настроены во время реакции. Аналогичная тенденция с рН наблюдалась для обоих параметров, причем отклонение с увеличением рН становилось более выраженным при более высоких температурах для рН=5 и 7; (ii) при постоянном рН: максимальное значение dO (Т=10°С) больше, чем максимальное значение dO (Т=20°С), которое больше, чем максимальное значение dO (Т=30°С), при этом тенденция отношения максимального значения dO к равновесной концентрации следует аналогичной схеме.
-
-
-
Ухудшение производительности системы с увеличением рН и Т может быть связано с повышенным восстановлением растворенного озона до кислорода в этих условиях. Известно, что ионы ОН, присутствующие в воде, способны реагировать с растворенным озоном с образованием радикалов ОН, которые в конечном итоге превращают его в кислород. При повышенных уровнях рН концентрация ионов ОН в воде постоянно увеличивается, что приводит к большему разложению озона, что отражается в снижении значений концентрации растворенного озона, как видно на верхней левой фигуры по фиг. 8b. К этому моменту подкисление подаваемой воды под давлением подавляет образование радикалов ОН, тем самым увеличивая концентрацию растворенного озона. Кроме того, скорость реакции (k) значительно увеличивается при более высоких температурах. Обе тенденции можно наблюдать на нижней правой фигуре по фиг. 8b, где показано изменение постоянной скорости разложения, представляющей разложение растворенного озона до кислорода в результате реакции с ионами ОН и радикалами ОН, следовательно, значение k увеличивается с увеличением рН и Т.
Пример 3: эффект давления
3
3
3
3
Эффект давления колонны растворения на процесс озонирования исследуют для давлений в диапазоне от 0 бар изб. до 5 бар изб., и эксперименты выполняют при постоянных рН=5, Т=20°С. Для экспериментов использовалась водопроводная вода. Изменение концентраций растворенного озона и относительные масштабы времени для соответствующих сценариев приведены на фиг.9а со следующими наблюдениями: (i) система достигает значений концентрации в устойчивом состоянии, близких к равновесным при более низких давлениях, то есть максимальное dO/С* (Р=0 бар изб.) больше, чем максимальное dO/С* (Р=1 бар изб.), которое больше, чем максимальное dO/С* (Р=3 бар изб.), которое больше, чем максимальное dO/С* (Р=5 бар изб.); и (ii) скорость переноса массы из газовой в жидкую фазу увеличивалась при более высоких давлениях. Это можно было наблюдать на безразмерных кривых концентрации, приближающихся к линейному режиму идеальной кривой производительности на фиг. 9а. Этот вывод может быть дополнительно подтвержден путем сравнения соответствующих кривых с кривой идеального потока переноса массы на фиг. 9b, причем наклон каждой кривой представляет поток переноса массы для соответствующих конфигураций. Соответственно, можно было наблюдать, что поток переноса выше при Р=3 бар изб. по сравнению с потоком переноса при 0 бар изб.
3
Количественная оценка показателей производительности для различных значений давления показана на фиг. 9с, на которой сравниваются максимальные уровни растворенного озона. Линейная тенденция четко прослеживается для значений dO в устойчивом состоянии с увеличением давления, при этом концентрация в устойчивом состоянии увеличивается с 50 мг/л для Р=0 бар изб. до 220 мг/л для Р=5 бар изб. (см. верхнюю левую фигуру). Эта наблюдаемая линейная тенденция находится в прямом соответствии с той, которая предполагается на основании закона Генри, который предсказывает линейное увеличение концентрации растворенного озона в жидкости с увеличением давления.
-1
Ожидается, что кинетика затухания системы, которая исследует скорость разложения растворенного озона на кислород, останется приблизительно неизменной даже при изменении давления колонны растворения, поскольку кинетика затухания зависит в первую очередь от состава жидкости, который останется неизменным даже при изменении давления. Эта оценка может быть дополнительно подтверждена с помощью почти постоянного значения для постоянной затухания (k) около 0,005 мин, наблюдаемого для экспериментов (см. нижнюю правую фигуру). Незначительное уменьшение значений, наблюдаемых на графике, можно отнести к расходам рециркуляции при увеличении давления колонны растворения.
Пример 4: одностадийный процесс растворения озона
3
3
В одностадийном процессе растворения озона с использованием водопроводной воды, выполняемом при давлении, равном 5 бар изб., рН=5, 20°С, как показано на фиг. 10, с периодической работой с использованием распылителя в виде кольца с S-образной структурой и концентрации подаваемого газообразного озона 160 г/м, было замечено, что концентрация газообразного озона в отходящем газе в устойчивом состоянии составляет приблизительно 120 г/м, а концентрация растворенного озона в воде получается со значением в устойчивом состоянии приблизительно 280 мг/л. Кроме того, когда тот же эксперимент был выполнен с использованием распылителя в виде кольца с зазором (4 мм) с использованием водопроводной воды, как показано на фиг. 12, было достигнуто значение в устойчивом состоянии приблизительно 300 мг/л.
Пример 5: двухстадийный процесс растворения озона
3
3
3
3
3
Ссылаясь на фиг. 11, развитие профилей dO в колонне растворения для предварительной очистки (стадия 1) и главной колонне растворения (стадия 2) двухстадийного процесса растворения озона в системе, показанной на фиг. 2b, показано для работы в периодическом режиме с использованием водопроводной воды. Главная стадия (стадия 2) выполнялась при 5 бар изб., рН=5, 20°С, с концентрацией подаваемого газообразного озона 160 г/м. Стадия предварительной очистки (стадия 1) выполнялась при 3 бар изб., рН=5, 20°С, с концентрацией подаваемого газообразного озона 120 г/м. Это соответствует отходящему газу в устойчивом состоянии с главной стадии, предусматривающей концентрацию озона 120 г/м при работе под давлением 5 бар изб. (см. пример 4). В ходе работы непрерывно отслеживали концентрацию озона в отходящем газе предварительной очистки, вентиляция которого осуществлялась из колонны растворения для предварительной очистки. Подача газообразного озона в колонну растворения для предварительной очистки прекращалась, когда концентрация отходящего газа предварительной очистки достигала значения 0,5 г/м, что свидетельствует о работе колонны растворения для предварительной очистки с меньшей потерей озона вследствие отходящего газа или вовсе без его потери. Концентрация растворенного озона в воде, полученной в колонне растворения для предварительной очистки, в конце озонирования составляла приблизительно 50 мг/л, как показано пунктирной линией на фиг. 11.
3
Главная стадия двухстадийного процесса растворения озона с использованием водопроводной воды была выполнена при 5 бар изб., рН=5, 20°С, с использованием распылителя в виде кольца с S-образной структурой с концентрацией подаваемого газообразного озона 160 г/м. Кислород впрыскивали в свободное пространство колонны растворения для достижения давления 5 бар изб. без какого-либо удаления растворенного озона из жидкости. Озонирование на главной стадии продолжали до достижения устойчивого состояния. Концентрация воды, содержащей озон в высокой концентрации, получаемой в главной колонне растворения, достигала приблизительно 280 мг/л, как показано сплошной линией на фиг. 11.
3
3
3
Соответствующие давления в колонне растворения на каждой стадии работы также показаны на фиг.11, т.е. давление на стадии 1 составляет 3 бар изб.; давление на стадии 2 составляет 5 бар изб. Озонирование на стадии 1 привело к уровню dO приблизительно 50 мг/л. Повторный запуск озонирования на стадии 2 дал профиль dO со значением в устойчивом состоянии приблизительно 280 мг/л с концентрацией подаваемого газообразного озона 160 г/м.
Пример 6: сравнение одностадийной и двухстадийной операций
3
top
3
3
3
3
3
На фиг. 10 представлено развитие профилей dO при одной стадии при давлении (P) 5 бар изб., при которых концентрация растворенного озона 280 мг/л в устойчивом состоянии достигается при периодической работе. На фиг. 11 представлено развитие профилей dO на стадии предварительной очистки (стадия 1) и главной стадии (стадия 2), на которых концентрация растворенного озона приблизительно 280 мг/л в устойчивом состоянии достигается при периодической работе. Результаты, показанные на фиг. 10 и фиг. 11, представляют собой комбинацию смоделированных и тестовых данных с использованием лабораторной периодической работы. Вода, подаваемая при одной стадии и двух стадиях, представляла собой водопроводную воду. Из сравнения профилей dO на фиг. 10 и фиг. 11 аналогичное значение в устойчивом состоянии концентраций dO было получено в одностадийном, а также двухстадийном процессе озонирования с одной и той же концентрацией подаваемого газообразного озона 160 г/м, но с более эффективным использованием подаваемого газообразного О при двух стадиях.
Пример 7: генерирование воды, содержащей озон в высокой концентрации, с помощью отработавшей воды
3
2
3
-
Отработавшая вода содержит растворимые компоненты, такие как COD, NH, нитриты и т.д., которые потребляют растворенный озон и могут окисляться растворенным озоном до СО и NO соответственно в процессе озонирования.
3
3
Потери озона при рН=5 намного ниже, чем при рН=7, во время озонирования подаваемой жидкости в колонне растворения. Сравнение результатов, полученных для отработавшей воды с использованием распылителя в виде кольца с зазором при 3 бар изб., Т=20°С, дает совокупную потерю озона 10 г О при рН=5 по сравнению с 16 г О при рН=7 за 20 минут озонирования.
2
2
3
2
На фиг. 12 сравниваются значения растворенного озона при варьирующемся рН отработавшей воды с профилем водопроводной воды в качестве эталона. Периодические эксперименты для водопроводной воды были выполнены с использованием кольца с зазором (4 мм) в качестве распылителя при рН = приблизительно 5, Р=5 бар изб., Т=20°С. Впрыскивание СО в отработавшую воду при высоком давлении (например, Р=5 бар изб.) дает рН=4,5, тогда как рН=5,5 был получен при впрыскивании СО при атмосферном давлении. После того как рН отработавшей воды был подходящим образом отрегулирован, были выполнены периодические эксперименты с использованием распылителя в виде кольца с зазором при Р=5 бар изб. и Т=20°С. В первые 20 минут озонирования можно было наблюдать, что профиль dO в отработавшей воде при рН=4,5 близко соответствует профилю водопроводной воды при Р=5 бар изб., рН=5 и Т=20°С. Заштрихованная представляющая интерес область, выделенная на фиг. 12, представляет нормальный режим работы системы. В непрерывных экспериментах время пребывания выбирается так, чтобы обеспечить высокий поток переноса массы из газа в жидкость, чтобы оно обычно составляло порядка 15-20 мин. В пределах этой затененной области фактической работы можно было наблюдать, что озонирование отработавшей воды с пониженным рН=4,5 может дать такую же производительность, как и озонирование водопроводной воды. Таким образом, рН ниже 5, предпочтительно 4, полученный путем впрыскивания CO под высоким давлением, например, 5 бар изб., является полезным для генерирования воды, содержащей озон в высокой концентрации, с использованием отработавшей воды в качестве источника воды.
Пример 8: непрерывное генерирование воды, содержащей озон в высокой концентрации, с помощью водопроводной воды
3
3
2
Все эксперименты в непрерывном режиме проводили с помощью водопроводной воды в отношении системы растворения, как показано на фиг. 2а, одностадийной системы растворения озона, использующей распылитель в виде кольца с зазором (4 мм) в качестве устройства в виде распылителя. Кроме того, объем колонны растворения составлял 230 литров; давление в колонне растворения поддерживалось приблизительно 5 бар изб. на протяжении всего эксперимента; рН поддерживалось на уровне приблизительно 5, и температура поддерживалась приблизительно на уровне 20°С. Расход 0,55 м/ч газообразного О, подаваемого в генератор озона, и концентрация подаваемого озона 180 г/м в смеси газообразных кислорода и озона применялись к контуру рециркуляции текучей среды в системе.
2
3
3
3
В случае работы в непрерывном режиме работа системы включала непрерывный отток воды с растворенным озоном (т.е. воды, содержащей озон в высокой концентрации) из колонны 100а растворения, как показано на фиг. 2а, наряду с непрерывным притоком пресной водопроводной воды (т.е. подаваемой жидкости) в колонну 100а растворения. Расход пресной водопроводной воды в колонну варьировался от 1 гал/мин до 5,7 гал/мин. Отток воды, содержащей озон в высокой концентрации, регулировали вручную путем изменения количества впрыскивающих сопел в смесительной установке (например, всего 5) и использования клапанов регулировки потока. Приток пресной водопроводной воды регулировали с использованием датчика уровня, соединенного с ПИД-регулятором, который, в свою очередь, модулировал частоту насоса, чтобы получить соответствующий приток подаваемой воды под давлением в колонну растворения. Одновременно с этим в приток подаваемой воды под давлением вводили газообразный СО для регулировки рН. Для впрыскивания газообразного О в систему использовался инжектор 126 Вентури в контуре 103 рециркуляции текучей среды с расходом 0,55 м/час и концентрацией озона 180 г/м в смеси кислорода и озона. Было продолжено озонирование системы с непрерывным притоком водопроводной воды и непрерывным оттоком воды, содержащей озон в высокой концентрации.
Система работала в непрерывном режиме до тех пор, пока измерение концентрации растворенного озона в контуре 103 рециркуляции текучей среды не показало незначительное изменение со временем. Предполагалось, что система со временем достигла концентрации в устойчивом состоянии.
На фиг. 13 сравниваются данные периодического режима с использованием водопроводной воды, в котором работала система, как показано на фиг. 2b, с несколькими результатами непрерывной работы, как работала система, как показано на фиг. 2а. Профиль, показанный для периодического эксперимента, представляет собой график зависимости концентрации растворенного озона в колонне растворения от времени периодического озонирования. Периодический эксперимент проводился при Р=5 бар изб., Т=20°С, рН=5 с использованием распылителя в виде кольца с зазором (4 мм). Профиль, показанный для непрерывных экспериментов, представляет собой график зависимости концентрации растворенного озона в контуре рециркуляции текучей среды после достижения устойчивого состояния от времени пребывания подаваемой воды в колонне растворения в соответствии с конкретным расходом. Как показано, производительность системы в непрерывном режиме лучше, чем производительность, предполагаемая на основе периодических экспериментов, для расходов более 3 гал/мин, что соответствует времени пребывания менее 30 минут. Это можно объяснить более высокими скоростями переноса массы из газовой в жидкую фазу из-за непрерывного добавления пресной водопроводной воды в систему. Из-за более высокой скорости переноса массы жидкость может достигать более высокой концентрации растворенного озона, чем при работе в периодическом режиме, к тому времени, когда она достигает дна колонны растворения. Однако наблюдается противоположное поведение при расходах менее 3 гал/мин (время пребывания более 30 минут). Это может быть связано с тем, что сегменты текучей среды проводят в колонне растворения значительно больше времени, а разложение растворенного озона на кислород становится все более заметным со временем.
3
На фиг. 14 представлено сравнение эффективности переноса массы, полученной после того, как система достигла условия устойчивого состояния, для различных расходов жидкости через колонну растворения, в системе, показанной на фиг. 2а, с использованием распылителя в виде кольца с зазором (4 мм), и при рН приблизительно 5, при температуре приблизительно 20 С и при давлении приблизительно 5 бар изб., поддерживаемых в ходе работы. В этом случае система работала с непрерывным потоком водопроводной воды, как показано на фиг. 2а. Как показано на фиг. 14, эффективность переноса массы линейно увеличивается с увеличением расходов жидкости. Основываясь на принципах переноса массы, когда газ растворяется в жидкости, скорость переноса массы прямо пропорциональна (С*-С), где С* концентрация насыщения, а С измеренная концентрация. Таким образом, скорость переноса массы является наивысшей, когда (С*-С) максимальна, т.е. с пресной подаваемой водой с dO=0 мг/л. При более высоком расходе воды 5,7 гал/мин газообразный озон, добавляемый в колонну растворения, вступает в контакт с жидкой фазой с более высокой (С*-С) в верхней части колонны, тем самым приводя к более высокой эффективности переноса массы при более высоком расходе.
Пример 9: измерение градиента концентрации растворенного озона при непрерывном генерировании воды, содержащей озон в высокой концентрации, с помощью водопроводной воды
1
6
На фиг. 15 показана схема колонны из нержавеющей стали высокого давления, которая использовалась в качестве колонны растворения, на которой пунктирные линии обозначают плоскости поперечного сечения, в которых измерялись концентрации (например, C-С) растворенного озона, и эллиптические точки обозначают пузырьки газа. Объем воды в колонне растворения имеет общую высоту 1,86 м с шестью фланцами, предусмотренными вдоль высоты колонны растворения, что позволяет собирать пробы и анализировать концентрацию растворенного озона для анализа профилей растворенного озона вдоль высоты колонны растворения. Точки отбора проб в колонне располагались на расстоянии 0,3 м друг от друга. При внутреннем диаметре колонны 0,39 м это соответствует объему ~ 40 литров между каждой точкой отбора проб. Соотношение высота/диаметр объема воды составляет приблизительно 5:1. Концентрация растворенного озона в верхней части объема воды была принята равной 0 мг/л.
3
6
На фиг. 16 представлен график градиента концентрации озона как функции высоты колонны растворения после того, как система достигает условия устойчивого состояния, с различными расходами в режиме непрерывной работы в системе, показанной на фиг. 2а, с использованием распылителя в виде кольца с зазором (4 мм), при рН приблизительно 5, при температуре приблизительно 20°С и при давлении приблизительно 5 бар изб., поддерживаемых в ходе работы. Как видно на графике, градиенты концентрации растворенного озона для различных расходов пресной подаваемой воды образуются вдоль высоты колонны растворения, начиная со второй точки отбора проб. Пресная подаваемая вода поступает в колонну растворения при dO=0 мг/л. Однако, по мере того как пресная подаваемая вода поступает к следующей точке отбора проб, она значительно смешивается с уже присутствующей озонированной водой, тем самым повышая концентрацию до 170 мг/л, как это наблюдается для 1,0 гал/мин. Общая разница в концентрации растворенного озона между верхней и нижней точками отбора проб в этом случае составляет 10 мг/л. Для сравнения, в случае расхода 5,7 гал/мин разница в концентрации растворенного озона увеличивается вдвое до 20 мг/л, но концентрации растворенного озона на дне низкие. Напротив, расход 3 гал/мин обеспечивает разницу почти 20 мг/л концентрации растворенного озона и умеренных концентраций растворенного озона. Специалист в данной области техники поймет, что, если высота колонны растворения увеличена в достаточной степени, подаваемая вода имеет достаточное время пребывания в пределах колонны и, следовательно, способна достичь концентрации, близкой к концентрации насыщения, как показано на фиг. 4 и фиг. 10. В этом случае для расхода 3 гал/мин, если высота колонны растворения достаточно увеличена, концентрация растворенного озона в самой низкой точке отбора проб (например, С на фиг. 15) для рН=5, Т=20°С и Р=5 бар изб. будет больше 280 мг/л, как можно видеть на фиг. 10, при периодической работе. Таким образом, при достаточной высоте колонны растворения и достаточной высоте большого количества кислой воды под давлением концентрация растворенного озона в самой низкой точке отбора проб в непрерывном режиме должна быть в состоянии достичь концентрации растворенного озона в устойчивом состоянии в периодическом режиме.
Следует принимать во внимание, что, насколько нам известно, типовая концентрация растворенного озона в альтернативных системах предшествующего уровня техники в настоящее время составляет около 50 мг/л (например, US 9248415). Раскрытые способы растворения озона в воде подкисляют воду под давлением, так что может быть реализована концентрация растворенного озона, достигающая насыщенной или почти насыщенной концентрации.
3
Кроме того, размер раскрытой системы растворения или установки переноса массы, включенной в разделенную систему, которая делит процесс окисления озона в жидких средах на три отдельные операции для оптимизации процесса, предусматривает уменьшенный объем по сравнению с текущими методологиями для растворения озона. Это значительно снизило бы стоимость доставки озона в воду для дезинфекции и окисления химикатов с очень малым количеством воды (например, около 1/20 по сравнению с объемом резервуара 333 м). Это сокращение использования воды напрямую ведет к более низким энергопотреблению и затратам.
Будет понятно, что множество дополнительных изменений деталей, материалов, этапов и компоновки частей, которые были описаны и проиллюстрированы в данном документе с целью объяснения природы настоящего изобретения, могут быть сделаны специалистами 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 графических материалах.
Хотя были показаны и описаны варианты осуществления данного изобретения, его модификации могут быть сделаны специалистом в данной области техники без отступления 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.