МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ АЭРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА
MULTI-STAGE AERATION INSTALLATION

Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее изобретение относится к аэрационной установке, которая содержит ряд зон введения газа и реакции.
Уровень техники
[0003] Аэрационные системы используются в множестве разных применений, включая обработку сточных вод. Использование аэрационных колонн, соединенных последовательно, неэффективно и занимает много пространства, к тому же трудно уравновешивать противодавление внутри системы. Если используют одну колонну и текучую среду подвергают рециркуляции через емкость, то обработанная текучая среда с микропузырьками, проходя через инжектор и насос, подвергается разложению, и образуются более крупные пузырьки. Это снижает эффективность системы.
Краткая сущность изобретения
[0004] Описана многоступенчатая аэрационная установка, содержащая по меньшей мере два вертикально ориентированных аэрационных блока, причем каждый аэрационный блок образует вертикально удлиненную камеру аэрации, содержащую верхний впуск и нижний выпуск, причем упомянутый нижний выпуск каждого из упомянутых аэрационных блоков подает поток текучей среды, содержащий жидкость и газ, в упомянутый верхний впуск, расположенный ниже одного из упомянутых аэрационных блоков. Каждый аэрационный блок содержит аэрационную головку, соединенную с упомянутым верхним впуском так, что поток текучей среды, проходящий через верхний впуск в камеру аэрации, должен проходить через упомянутую аэрационную головку, причем упомянутая аэрационная головка аэрирует жидкость с газом в потоке текучей среды.
[0005] В соответствии с одним аспектом, упомянутая аэрационная головка расположена в упомянутой камере аэрации. Аэрационная головка может представлять собой вертикально продолжающуюся трубу с закрытым нижним концом и радиальными отверстиями, через которые поток текучей среды выходит из аэрационной головки.
[0006] В соответствии с одним аспектом, газ может подаваться в первый аэрационный блок через трубку Вентури, чтобы создавать поток текучей среды.
[0007] В соответствии с одним аспектом, газ в потоке текучей среды может быть по меньшей мере частично растворенным или захваченным жидкостью.
[0008] В соответствии с одним аспектом, упомянутая многоступенчатая аэрационная установка может дополнительно содержать дополнительные впуски для газа в одном или более аэрационных блоках.
[0009] В соответствии с одним аспектом, упомянутая многоступенчатая аэрационная установка может дополнительно содержать выпускной клапан для управления противодавлением в аэрационных блоках.
[0010] В соответствии с дополнительным аспектом, описан способ аэрации жидкости, включающий этапы: создания установки, содержащей по меньшей мере два вертикально ориентированных аэрационных блока, причем каждый аэрационный блок образует вертикально удлиненную камеру аэрации, содержащую верхний впуск и нижний выпуск, причем нижний выпуск и верхний впуск расположенных рядом аэрационных блоков непосредственно соединены, причем каждый аэрационный блок содержит аэрационную головку, соединенную с упомянутым верхний впуском; и введение потока текучей среды, содержащего жидкость, подлежащую аэрации, и газа в упомянутую установку, при этом упомянутый поток текучей среды проходит через аэрационные головки по меньшей мере двух аэрационных блоков так, что жидкость насыщается упомянутым газом.
[0011] В соответствии с одним аспектом, упомянутый способ может дополнительно включать этап введения дополнительного газа в по меньшей мере один аэрационный блок для добавления газа в поток текучей среды. Упомянутый дополнительный газ может отличаться от газа в потоке текучей среды.
[0012] В соответствии с одним аспектом, упомянутая аэрационная головка может продолжаться в упомянутую камеру аэрации. Упомянутая аэрационная головка может представлять собой вертикально продолжающуюся трубу с закрытым нижним концом и радиальными отверстиями, через которые поток текучей среды выходит из аэрационной головки.
[0013] В соответствии с одним аспектом, введение потока текучей среды может включать использование трубки Вентури.
[0014] В соответствии с одним аспектом, упомянутый газ в потоке текучей среды может быть по меньшей мере частично растворенным или захваченным жидкостью.
[0015] В соответствии с одним аспектом, упомянутый способ может дополнительно включать этап регулирования противодавления в упомянутой установке посредством управления выпускным клапаном, соединенным с нижним выпуском последнего аэрационного блока.
[0016] При использовании вышеописанной многоступенчатой аэрационной установки, жидкость проходит вниз через упомянутые аэрационные блоки до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое насыщение газом. Количество используемых аэрационных блоков зависит от требуемого насыщения газом. Если имеется избыточный газ, то он переносится с жидкостью из одного блока в другой.
[0017] Может быть использовано множество конфигураций аэрационной головки. Ниже будет описана аэрационная головка в виде вертикально продолжающейся трубы с концевой пробкой в нижнем удаленном конце и радиальными отверстиями, через которые жидкость выходит из аэрационной головки.
[0018] Существуют разные способы подачи газа для аэрации в аэрационную головку. Ниже будет описан газ, подаваемый в аэрационную головку через трубку Вентури, которая втягивает газ в жидкости, проходящие через аэрационную головку.
Краткое описание чертежей
[0019] Эти и другие признаки станут более понятными из приведенного ниже описания, в котором сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, причем упомянутые чертежи приведены только для пояснения и не должны рассматриваться как ограничивающие каким бы то ни было образом, причем:
[0020] Фиг. 1 представляет собой вертикальный вид сбоку аэрационной колонны, состоящей из множества аэрационных блоков.
[0021] Фиг. 2 представляет собой вертикальный вид сбоку одного из аэрационных блоков аэрационной колонны, показанной на фиг. 1.
[0022] Фиг. 3 представляет собой вид сверху аэрационной головки из аэрационного блока, показанного на фиг. 2.
[0023] Фиг. 4 представляет собой вертикальный вид сбоку аэрационной колонны, показанной на фиг. 1.
Подробное описание
[0024] Многоступенчатая аэрационная установка, обозначенная в целом ссылочной позицией 10, будет описана ниже со ссылкой на фиг. 1-4.
Структура и взаимоотношение частей
[0025] Ссылаясь на фиг. 1 и 2, многоступенчатая аэрационная установка 10 включает в себя по меньшей мере два вертикально ориентированных аэрационных блока 12. Каждый аэрационный блок 12 образует вертикально удлиненную камеру 14 аэрации, содержащую верхний впуск 16 и нижний выпуск 18. Нижний выпуск 18 каждого из аэрационных блоков 12 подает жидкость в верхний впуск 16 расположенного ниже одного из упомянутых аэрационных блоков. Первый аэрационный блок 12 принимает смесь газа с жидкостью из источника газа и жидкости. Газ может вводиться с использованием, например, находящегося под давлением источника газа или трубки Вентури. Как показано, имеется источник жидкости 34 и источник газа 36, которые смешивают, используя трубку 38 Вентури. Жидкость прогоняют через трубку 38 Вентури и трубопровод 40 для текучей среды при помощи насоса 42. Поток жидкости и газа может называться потоком текучей среды. Когда поток текучей среды проходит через установку 10, часть или весь газ, и любой дополнительный газ, который будет описан ниже, захватывается или растворяется в жидкости. Используемый в данном документе термин «поток текучей среды» относится к жидкости, подлежащей аэрации, и газу, который используется или предназначен для аэрации жидкости. Каждый аэрационный блок 12 содержит аэрационную головку 20, соединенную с верхним впуском 16 так, что все текучие среды, проходящие через верхний впуск 16 в камеру 14 аэрации, должны проходить через аэрационную головку 20. Когда поток текучей среды проходит через аэрационную головку 20, часть газа превращается в микропузырьки, которые захватываются жидкостью, и часть газа превращается в жидкость. На фиг. 3 и 4 показан пример аэрационной головки 20, в которой имеется вертикально продолжающаяся труба 22 с закрытым нижним концом 24, который продолжается в камеру 14 аэрации. Труба 22 содержит радиальные отверстия 26, или прорези, как показано, через которые жидкость выходит из аэрационной головки 20. Радиальные отверстия 26, предпочтительно, расположены под углом по направлению к общей точке, находящейся на некотором расстоянии от трубы 22, так что соответствующие потоки сталкиваются друг с другом, увеличивая сдвигающие усилия, которые вызывают образование микропузырьков. Например, в показанном примере с тремя прорезями 26 верхняя прорезь может быть наклонена вниз примерно на 30 градусов, средняя прорезь может быть расположена горизонтально, а нижняя прорезь может быть наклонена вверх под углом примерно 30 градусов, так что потоки сталкиваются друг с другом. Возможны также другие исполнения аэрационных головок 20.
[0026] Ссылаясь опять на фиг. 1 и 2, могут быть предусмотрены впуски 28 для дополнительного газа в одной или нескольких камерах 14, как показано. Данные впуски могут быть использованы для введения дополнительного газа или другого типа газа. Предпочтительно, если газы, вводимые в этих точках, будут находиться под несколько более высоким давлением по сравнению с давлением в системе, чтобы предотвратить образование нарушения равновесия в системе. В одном примере, при обработке производственных вод из нефтяной скважины может быть предусмотрено от 20 до 30 блоков. Воздух или кислород вводят в первую группу блоков 12 для обработки загрязняющих примесей, которые относительно легче окисляются, таких как железо, загрязнения из группы ВТЕХ (бензол, толуол, этилбензол и ксилолы) и другие. Затем в последние блоки 12 может быть введен озон для обработки оставшихся загрязняющих примесей, которые более трудно окисляются, таких как тяжелые металлы, остаточные углеводороды и другие. Для регулирования рН потока текучей среды может быть введен диоксид углерода, и в конце может быть введен азот или другие инертные газы, для того чтобы выдувать или вытеснять любые оставшиеся газы, которые могут быть захвачены в жидкость, так чтобы она могла быть безопасно утилизирована. Количество блоков и типы газов, а также порядок и объем, в которых они вводятся, будет зависеть от типа обрабатываемой жидкости и требуемой композиции конечного результата.
[0027] Как показано на фиг. 1 и 2, блоки 12 прикреплены друг к другу при помощи фланцев 44. Могут быть также использованы другие типы креплений, как будет понятно. Блоки 12 могут быть прикреплены таким образом, что они удерживаются вертикально совмещенными и уплотненными друг с другом, так что поток текучей среды переходит полностью из одного блока 12 в другой. Ссылаясь на фиг. 3 и 4, аэрационная головка 20 может также содержать фланец 46, который закреплен между фланцами 44. Могут быть также использованы другие варианты закрепления аэрационной головки 20 внутри блоков 12. Блоки 12 могут также содержать контрольное отверстие 46 для извлечения пробы из блоков в целях контроля.
[0028] В известных аэрационных колоннах, которые расположены последовательно, трубки Вентури не могут быть размещены последовательно, и может быть использована аэрация, обеспечиваемая аэрационными головками. Это делает последовательность колонн неэффективной, а противодавление трудно уравновешиваемым. Для того чтобы устранить данный недостаток, установка 10 имеет однопроходную конструкцию, в которой аэрационные блоки 12 могут добавляться последовательно, требуя малого дополнительного пространства. Ссылаясь на фиг. 1, текучая среда перемещается сверху вниз. Аэрационные головки 20 расположены во впусках аэрационных блоков 12 и обеспечивают эффективный перенос газа и жидкости в каждую камеру 14 аэрации. Дополнительный газ может быть введен в камеру 14 аэрации, например, в первом конце каждого аэрационного блока 12, посредством впусков 28 для дополнительного газа.
[0029] Ссылаясь на фиг. 1, камеры 14 аэрации аэрационных блоков 12 расположены в последовательных секциях установки 10.
Противодавление уравновешивается при помощи клапана 32, соединенного с выпуском 18 последнего аэрационного блока 12, чтобы обеспечить максимально эффективный переход газа в жидкость, подлежащую аэрации. Величина противодавления сбалансирована между образованием более стабильной аэрированной жидкости и уменьшением аэрационного потенциала системы. Предпочтительно, камеры 14 аэрации содержат газ, и достаточное количество газа, так что смесь жидкости и газа проходит через следующий аэрационный блок 12. Другими словами, камеры 14 аэрации, предпочтительно, заполнены в основном газом, так что как газ, так и жидкости проходят через прикрепленную аэрационную головку 20 в следующий блок. Это позволяет вводить другие газы в поток посредством введения газа в камеру 14 выше аэрационной головки 20 и позволяет как газу, так и жидкости проходить через аэрационную головку 20. Количество газа и жидкости, проходящее через каждую аэрационную головку 20, можно регулировать посредством регулирования противодавления в системе и давления дополнительного газа, вводимого через впуски 28 для дополнительного газа. При этом, для того чтобы регулировать противодавление, последний блок 12 разрешается по меньшей мере частично заполнить жидкостью и так, что жидкость в первую очередь удаляется из системы.
[0030] Вместо использования для введения больше газа в поток, дополнительные блоки 12 могут быть использованы просто для того, чтобы стабилизировать микропузырьки жидкой смеси и достигать состояния перенасыщения.
2
2
[0031] Для того чтобы сделать перемещение газа более эффективным, перепад давления в системе, предпочтительно, поддерживается на минимальном уровне. При использовании одного насоса, перепад давления в системе должен быть минимальным, поэтому должны быть использованы минимальные колена и изменения направления. В то время как в колоннах последовательной аэрации в каждой аэрационной колонне перепад давления составляет приблизительно 3 фунт/дюйм, в одноходовой установке 10, описанной в данном документе, предпочтительно, падение давления в каждой камере аэрации составляет приблизительно 1 фунт/дюйм. В известных системах, использование трубки Вентури вызывало снижение эффективности всасывания. Установка настоящего изобретения может быть выполнена с минимальными потерями на всасывание при прибавлении каждой дополнительной камеры аэрации.
[0032] Противодавление в аэрационной системе должно быть сбалансировано так, чтобы согласовать условия в каждой секции. Существует эффективное противодавление для одной аэрационной колонны при конкретной скорости потока. Хотя это справедливо для многоступенчатой аэрационной системы, это не то же, что один блок, и это нельзя представлять себе таким же образом. Многоступенчатая аэрационная система предусматривает высокие концентрации и мощные зоны реакции и обеспечивает устранение емкостей в течение времени пребывания.
[0033] Одна аэрационная колонна достаточно эффективна для растворения всего газа, который способна вводить трубка Вентури. Для того чтобы увеличить общий объем газа в системе, могут быть добавлены точки введения другого газа. Сочетание введения через трубку Вентури вначале с последующим введением газа в последовательных камерах аэрации обеспечивает очень высокие концентрации газа, более мощные зоны реакции и возможность заменять газы, чтобы вызывать сложные реакции. Это устраняет необходимость в емкостях для введения дополнительного газа или введения вспомогательного газа, значительно уменьшая площадь основания и капитальные затраты.
Эксплуатация
[0034] При использовании вышеописанной многоступенчатой аэрационной установки, жидкость проходит вниз через аэрационные блоки, чтобы достигнуть требуемого насыщения газом. Количество используемых аэрационных блоков зависит от требуемого насыщения газом. Избыточный газ в одном блоке переносится с жидкостью из одного блока в другой.
[0035] Когда жидкость и газ проходят через каждую ступень упомянутой многоступенчатой аэрационной системы, аэрационные блоки вызывают рассекание смеси воды с газом, уменьшая размеры пузырьков. Увеличенная энергия способствует осуществлению реакций. Каждый раз, когда смесь воды с газом выходит из аэрационной головки камеры аэрации, образуются более мелкие пузырьки. Это позволяет достигнуть более высокой концентрации газа и может продолжаться до тех пор, пока не останется свободного газа. Очень мощные зоны реакции образуются, когда смесь воды с газом выходит из аэрационных головок, которая увеличивает скорости химических реакций.
Преимущества установки настоящего изобретения
[0036] Многоступенчатая диффузионная система может обеспечить ряд преимуществ по сравнению с известными диффузионными системами, таких как:
- достижение более высоких концентраций растворенного газа при использовании одинаковой мощности насосов и объемов газа.
- Большее количество газа может быть растворено в растворе при увеличении скоростей реакции.
- Разные газы могут быть добавлены в упомянутый поток посредством введения разных газов в разных аэрационных блоках.
- Может быть достигнут меньший размер пузырьков, поскольку отсутствует рециркуляция.
- Последовательные зоны реакции устраняют необходимость в емкостях и многократном циклическом повторении в системе.
- Уменьшенная площадь основания систем обработки за счет устранения емкостей, избыточных аэрационных систем и насосов.
- Меньшая стоимость, связанная с сооружением систем обработки.
- УФ-излучение может быть введено в систему, чтобы обеспечить улучшенное окисление в множестве зон реакции.
- Аэрационные блоки можно устанавливать друг на друга, чтобы образовать аэрационную колонну с увеличенным количеством зон реакции без необходимости в дополнительной потребляемой мощности.
[0037] В данном патентном документе, термин «содержащий» используется в неограничивающем смысле, имея ввиду, что элементы, перечисленные за данным термином, включены, а элементы, конкретно не указанные, не исключены. Ссылка на элемент в единственном числе не исключает возможности наличия нескольких таких элементов, если контекст явно не требует, что предусмотрен один и только один из элементов.
[0038] Необходимо понимать, что приведенная ниже формула изобретения включает в себя элементы, конкретно показанные и описанные выше, их принципиально эквивалентные элементы и элементы, которые, очевидно, способны их заменять. Объем формулы изобретения не ограничен предпочтительными вариантами осуществления, показанными выше в примерах, и должен восприниматься в самом широком толковании в соответствии с описанием в целом.