Насадка для массотеплообменных и реакционных аппаратов

 

Изобретение относится к насадкам для биореакторов, химических реакторов , массои теплообменных аппаратов и может быть использовано в биотехнологии , химической технологии и сметных областях для иммобилизации микроорганизмов , ферментов и некоторых других веществ на поверхности волокон и интенсификации массои теплообменных процессов в жидкой и газообразной среде при ферментации, биосинтезе, при разделении и выделении твердой, жидкой и газообразной фаз в процессах фильтрации, экстракции, эвапорации, . дегазации, коалесценции, ректификации, катализа, конденсации и испарения. Целью изобретения является увеличение срока службы волокнистых элементов, расширение области применения насадки и упрощение ее эксплуатации. Насадка включает волокнистые элементы 1, упорядочено расположенные на каркасе 2. Волокнистые элементы состоят из гибко го сердечника 3 с расходящимися от него в радиальном направлении множеством отрезков волокон 4. Гибкий сердечник состоит из центрального шнура 5 и периферийных шнуров 6„ Шнуры состоят из нескольких нитей 7, скрученных между собой с образованием у шнуров профилированной поверхности. Шнуры 6 скручены вокруг и вместе со шнуром 5. Середина каждого из отрезков волокон 4 защемлена между центральным шнуром 5 и периферийными шнурами 6. В поперечном сечении волокг нистых элементов 1 образуется два ряда отрезков, разделенных по середине шнуром 5. Середина каждого из отрезков волокон 4 прижата периферийными .шнурами 6 к центральному шнуру 5 и к отрезкам волокон 4 другого ряда. Свободные концы отрезков волокон 4 выходят за пределы гибкого сердечника 3 и располагаются вокруг него по винтовым поверхностям, придавая волокнистым элементам цилиндрическую форму. 4 з.По ф-лы, 7 ил„ (Л ел -. vj оо

СОЮЗ СОВЕТСКИХ .

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) (51) 5 В 01 J 19/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (56) Патент СИА Р 4229386, кл. В 01 F 3/04, 1982.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (46) 30.04.91. Бюл. NÃ 16 (21) 4444615/26, (22) 30;03.88 (71) Макеевский инженерно-строительный институт (72) Н.И.Куликов и В.Г.Потоцкий (53) 66.074. 513 (088.8) (54)- НАСАДКА ДЛЯ МАССОТЕПЛООБМЕННЫХ

И РЕАКЦИОННЫХ АППАРАТОВ (57) Изобретение относится к насадкам для биореакторов, химических реакторов, массо- и теплообменных аппаратов и может быть использовано в биотехнологии, химической технологии и сме к.ных областях для иммобилизации микро" организмов, ферментов и некоторых других веществ на поверхности волокон и интенсификации массо- и теплообмен" ных процессов в жидкой и газообразной среде при ферментации, биосинтезе, при разделении и выделении твердой, жидкой и газообразной фаэ в процессах фильтрации, экстракции, эвапорации, . дегазации, коалесценции., ректификации, катализа, конденсации и испарения.

Целью изобретения является увеличение срока службы волокнистых элементов, Изобретение относится к насадкам для биореакторов, химических реакто" ров, массо- и теплообменных аппаратов и может. быть использовано в биотехнологии, химической технологии и смежных областях для иммобилизации микро" организмов, ферментов и некоторых

2 расширение области применения насадки и упрощение ее эксплуатации. Насадка включает волокнистые элементы 1, упо" рядочено расположенные на каркасе 2, Волокнистые элементы состоят из гибкого сердечника 3 с расходящимися от него в радиальном направлении множеством отрезков волокон 4. Гибкий сердечник состоит из центрального шнура

5 и периферийных шнуров 6. Шнуры состоят иэ нескольких нитей 7, скрученных между собой с образованием у шнуров профилированной поверхности. Шну" ры 6 скручены вокруг и вместе со шнуром 5. Середина каждого иэ отрезков волокон 4 защемлена между центрэльным инуром р и периферийными шнурами 6. В поперечном сечении волок нистых элементов 1 образуется два ряде отрезков, рвэделенник по середине C шнуром 5. Середина каждого иэ отрезков волокон 4 прижата периферийными эшнурами 6 к центральному шнуру 5 и к отрезкам волокон 4 другого ряда.

Свободные концы отрезков волокон 4 выходят за пределы гибкого сердечника 3 и располагаются вокруг него по винтовым поверхностям, придавая во", локнистым элементам цилиндрическую форму. 4 э.п. ф-лы, 7 ил. других веществ (например, катализаторов) на поверхности волокон и интенсификации массо- и теплообменных про" цессов в жидкой и газообразной среде при ферментации, биосинтеэе, при разделении и выделении твердой, жидкой и газообразной фаз в процессе фильт1540078 р ции, экстракции, эвапорации, дега" зеции, коалесценции, ректификации, катализа, конденсации и испарения.

Целью изобретения является увели5 чение срока службы волокнистых элементов и упрощение эксплуатации насадки, На фиг. 1 схематично изображена на.садка; на фиг,2 - поперечный разрез 10 волокнистого элемента; на фиг.3фиг ° 7 - поперечные сечения волокнистых элементов соответственно с четырьмя, шестью, восемью, десятью, двенадцатью периферийными шнурами.

Насадка состоит из волокнистых элементов 1, упорядоченно расположенных на каркасе 2, Волокнистые элементы состоят из гибкого сердечника 3 с расходящимися от него в радиальном направлении множеством отрезков волокон 4.

Гибкий сердечник 3 состоит из центрального шнура 5 и периферийных шнуров 6. Каждый из шнуров выполнен 25 из нескольких нитей 7, скрученных между собой с образованием у шнуров профилированной поверхности. Шнуры 6 скручены вокруг и вместе со шнуром 5.

Середина каждого из отрезков воло- З0 кон 4 защемлена между центральным шнуром. 5 и периферийными шнурами 6 с одновременным изгибом. по периметру центрального шнура 5 и прилегающих периферийных шнуров 6. При этом в поперечном сечении .волокнистых эле" ментов 1 образуется два ряда отрезков, разделенных по середине центральным шнуром 5. Середина каждого из отрезков волокон 4 прижата пери" ферийными шнурами 6 к центральному шнуру 5 и, кроме того, к соответствующим отрезкам волокон 4 другого ряда. Таким образом центральный шнур 5 расположен внутри "кольца, 45 образованного изогнутыми вокруг центрального шнура и прижатыми с двух сторон от него друг к другу отрезками волокон 4 обоих рядов. Середина каждого из отрезков волокон 4 перегиба" ется три .раза в противоположных нап50 равлениях при помощи защемления между центральным 5 и периферийным 6 шнурами при их скручивании, Количество периферийных шнуров Ь при этом может

55 быть от четырех до двенадцати.

Свободные концы отрезков волокон 4 выходят за 1ред лы гибкого сердечника

3 и располагаются вокруг него по винтовым поверхностям, придавая волокнистым элементам 1 в целом цилиндрическую форму.

Каждый ряд отрезков волокон 4 состоит из одинакового набора отрезков волокон 4 различных диаметров (обычно

-б двух), взятых в интервале от 10 до 10 з м со смачиваемой и несмачиваемой поверхностью в соотношении от

1;993 до 99: 1 от общего числа волокон на единицу длины элемента 1 и от

1:991 до 99:1Ф от их суммарной поверхности на единицу длины элемента.

Диаметры центрального шнура 5 и периферийных шнуров 6 относятся соответственно как диаметры центральной окружности и расположенных вокруг нее по периметру периферийных окружностей, соприкасающихся между собой и с центральной окружностью.

Насадка работает следующим образом.

Потоки жидкости (жидкостей) и/или газа (газов) направляются в насадку и проходят сквозь нее, обтекая поверхности волокон, При этом каркас 2 может быть как подвижным, так и неподвижным, в зависимости от конструкции реактора или аппарата и принятой технологии осуществления массо- и тепло"

06M8Hcl °

Внутри насадки потоки жидкости и/или газа разделяются на множество отдельных струек, проходящих по извилистым каналам, образованным между волокнами 4 элементов 1 насадки. Двигаясь по извилистому пути, слои в струях жидкости. и/или газа постоянно перемешиваются и в той или иной точке траектории движения оказываются в непосредственной близости (в пристенном слое) от волокон или даже соприкаса" ются с последними. Скорости движения жидкости и/или газа в пристенном слое волокон весьма незначительны, а на поверхности самих волокон равны нулю.

Проходя в пристенном слое или сталкиваясь с поверхностью самих волокон, примеси жидкости и/или газа, а также молекулы основной среды потока honaдают в зону действия силовых полей атомов поверхности волокон. В результате взаимодействия частичек примесей (твердых, жидких, газообразных) с поверхностью волокон происходит сорбция отдельнь:х частичек волокнами, слияние и укрупнение частичек в.агломераты, либо растворение их в жидкости при

1540078 сти волокон, составляющих волокнистые элементы насадки, достигаются различные эффекты извлечения взвешенных ве.ществ из природных вод, из полярной и неполярной жидкости, обеспечивается

5 разная степень биологической очистки по ступеням биореактора, изменяется полезный объем, занимаемый волокнистыми элементами.

При составлении сердечника из двух ветвей (проволок, шнуров), не дающих после скручивания остаточной деформа" ции, волокнистые элементы при эксплуатации быстро. выходят из строя за счет высыпания отрезков волокон. Применение проволоки в реакторах с агрессивной средой, что имеет место. в подавляющем большинстве случаев, использования волокнистой насадки, требует либо защиты поверхности проволоки, .либо ее изготовления из коррозионностойкого металла, что одинаково проблематично (сложно, дорого).

Более простым является подбор шну" ров из полимерных и/или природных волокон, которые более дешевы и удобны при массовом производстве волокнистых элементов и использовании волокнистой насадки в различных средах, что сдерживалось отсутствием конструкции сердечника, обеспечивающего на" дежное защемление отрезков волокон.

Конструкция сердечника волокнистых элементов обеспечивает срок их службы,.сопоставимый с износостойкостью самих шнуров и отрезков волокон, Т.е. предотвращение высыпания отрезков во" локон при эксплуатации позволяет эксплуатировать данную насадку в 35 раз дольше, чем известные аналогичные изделия.

Кроме того, как показали исследо" вания работы волокнистой насадки в биореакторах с различными режимами эксплуатации, применение волокнистых

I элементов, состоящих из набора отрезков волокон одного диаметра, не всегда обеспечивает длительнУю устойчирую работу биореакторов..

Составление волокнистых элементов из одних волокон малого диаметра (от

10 до 10 м}: обеспечивает большую начальную поверхность насадки и боль" шую грязеемкость. Т.е. такая насадка способна в начале извлечь из воды и удерживать на себе значительное количество взвешенных частиц и микроорга" низмов. 8 дальнейшем поверхность насадки сокращается за счет слипания отдельных волокон друг с другом при . обрастании биопленкой, и доминирующую роль в биореакторе начинают играть процессы, протекающие в толще обрастаний, а не на поверхности.

Поскольку доступ кислорода в глубинные слои биопленки затруднен, то в биореакторе будут хорошо протекать анаэробные процессы. Кроме того, у волокнистых элементов,. состоящих только из волокон малых диаметров, с течением времени плохо обновляется поверхность волокон в центральной части элемента. На подвижных (вращающихся и т.n.) насадках под действием динамических сил происходи". обвисание волокон и уменьшение объема, занимаемого волокнистым элементом, а следовательно " его грязеемкости.

Составление волокнистых элементов из одних волокон большого диаметра .(от 10 до 10-з- м) обеспечивает значительно меньшую (на один - два порядка) начальную поверхность насадки и малую грязеемкость. Иелкодисперсные частицы такой насадкой задерживаются весьма незначительно. На волокнах насадки образуется слой биопленки. При этом практически не происходит слипания отдельных волокон и поверхность насадки в обросшем состоянии. мало отличается от первоначальной ее поверхности. В аэробных биореакторах объем биопленки, находящейся в анаэробных условиях, на несколько поряд-. ков меньше, чем на насадке, состоящей из элементов с волокнами малых диаметров. Основную роль в биореакторе играют процессы, протекающие в поверхностном слое биопленки. На подвижных насадках волокнистые элементы незначительно теряют в объеме.

Составление волокнистых элементов из волокон, по меньшей мере двух диаметров: малого (от 10 до 10 ) и большого (от t0 до 10-з м), взятых

s различных соотношениях, позволяет получить разную начальную поверхность насадки и грязеемкость и таким образом варьировать соотношением объемов поверхностного и глубинного слоев биопленки в зависимости от назначения биореактора, обеспечивает более полное извлечение взвешенных веществ.

У волокнистых элементов, состоящих из набора волокон малого и большого диаметров, достигается более полное

1540078

Для образования изгиба середины волокон в противоположных направлени" ях необходимо по меньшей мере один центральный и четыре периферийных шнура ° При отсутствии центрального

5 шнура и меньшем числе шнуров получается либо изгиб в одном направлении, либо эащемление без изгиба середины волокна, что не обеспечивает длитель - 0 ной эксплуатации насадки при значи" тельных периодических или постоянных динамических нагрузках.

Поскольку в волокнистом элементе

Защемляется два ряда волокон с одно- 15 временным изгибом середины каждого волокна при помощи центрального и периферийных шнуров, то число периферийных шнуров, защемляющих и изгибающих волокна каждого ряда, может быть и четным и нечетным, но одинако:вое для одного и другого ряда, а общее число периферийных шнуров будет всегда четное. Причем общее число периферийных шнуров может быть четы" 25 ре, шесть, восемь, десять, двенадцать и т.д. Но при числе периферийных шнуров больше двенадцати возникает существенная разница в диаметрах центрального и периферийных шнуров, что приводит к усложнению технологии изготовления волокнистых элементов и ухудшению их прочностных и технологических характеристик. Указанные пределы количества периферийных шнуров позволяют изготавливать сердечник волокнистых элементов, имея шнуры как одного, так и разных диаметров.

Варьированием удельной поверхностью волокон и ее свойствами достига. 40 ются оптимальные величины скоростей процессов тепло- и массообмена и концентраций прикрепленной микрофлоры при протекании различных технологи" ческих процессов в биореакторах, химических реакторах, тепло- и маасооб-. менных аппаратах.

Использование различных сочетаний волокон разных диаметров с определенными свойствами поверхности волокон позволяет значительно расширить область применения насадки и использо" вать ее в подавляющем большинстве. производств биотехнологии, химической технологии, массо- и теплообменных аппаратах и других областях„ где необходимо интенсифицировать протекание процесса с помощью насадки с определенными свойствами.

Повышение надежности защемления волокон увеличивает срок службы на" садки в реакторах с постоянным или кратковременным динамическим воздействием на волокнистые элементы и позволяет выпускать волокнистые элементы любой длины, что облегчает процесс монтажа и демонтажа насадки и упрощает ее эксплуатацию.

Типы выполнения насадок.

1. Волокнистые элементы набраны

-.6 из отрезков стекловолокна (Р =13 10. м) и полиэтилентерефталатного волокна (Р =15 1О с). Соотношение поверхности волокон, ь: 5:95, 25:75, 50:501

70:30; 95:5. Удельная поверхность насадки 1500 - 2000 м /мз, 2. Волокнистые элементы набраны . иэ отрезков поликапроамидных волокон (D, =15 ° 10 м) и полиэтилентерефталатных волокон (D =14 10 м). Соотношение поверхности волокон, : 2:98, 15:85; 35:65; 55:45; 75:25; 99:1.

Удельная поверхность насадки 1400

2000 м /м .

3. Волокнистые элементы набраны из отрезков, поликапроамидных воло" кон (D,=15 10 м, Р =0,2 10 э м).

Соотношение количества волокон, Ф:

5:95; l5:85; 30:70, 60:40; 75:25, Удельная поверхность насадки 7001800 м /мз.

4, Волокнистые элементы набраны иэ отрезков полиэтилентерефталатных волокон (Р,:=14 ° 10 6 и) и поликапроамидных волокон (Р =0,25 ° 10 з м), Соотношение количества волокон, 2:98; 20:80 45:55; 60:40; 75:25, 99:1. удельная поверхность насадки.

600 - 1900 м /мз.

Диаметр волокнистых элементов

50, 60, 70 мм.

Элементы с соотношением волокон малого и большого диаметра от 99: 1 до 70:30 предпочтительны для метан-. тенков и других анаэробных биореакто"

pos и фильтров, задерживающих мелкодисперснуЮ взвесь;

- от 70:30 до 45:55 рекомендуются для биофильтров с полностью погруженной неподвижной насадкой;

- от 45:55 до 1:99 - для биореак" торов с вращающейся насадкой и насадкой,попеременно контактирующей с жид» кой и газообразной Фазой, При различных соотношениях количе ства волокон различных диаметров и смачиваемой и несмачиваемой поверхно

25

30

5

15 длительном контакте посредством на. садки. !

Основной поток жидкости и/или газа, проходя сквозь насадку, диспергируется и перемешивается, что обеспечивает поочередный контакт практически всех слоев потока с насадкой в течение достаточно длительного времени и протекание при этом массообменных и теплообменных процессов на границе раздела двух или даже трех фаз.

Скорости движения жидкости и/или газа в любой точке насадки и волокнистых элементов различны по величине и направлению, так как различна величина гидравлического сопротивления вблизи гибкого сердечника, где плотность заполнения объема отрезками волокон максимальна,. и на периферии элементов 1, где плотность отрезков волокон минимальна. Благодаря значи» тельной. величине слоя насадки от входа к выходу потока и перекрыванию элементов в направлении потока общее гидравлическое сопротивление в направлении от входа к выходу выравни:вается, обеспечивая равномерное вовлечение всего объема насадки в работу. Кроме того, применяются такие способы интенсификации массообмена в насадке, как перемещение каркаса с закрепленными на нем элементами или подача в насадку дополнительного потока жидкости или газа с их рециркуляцией или.без нее.

При массо- и/или теплопереносе с применением насадки жидкость распределяется по поверхности загрузки и проходит вниз через насадку по множеству извилистых каналов, в то время как газ подается снизу вверх через насадку. Гав контактирует с жидкостью на очень большой площади . поверхности в течение продолжительного времени. При этом происходит интенсивный массо- и/или теплоперенос между газом и жидкостью.

При выделении частичек примесей твердой или несмешивающейся жидкой фазы жидкость пропускается через на садку и на поверхности, волокон происходит агломерация или коалесценция примесей.

По мере утолщения на поверхности волоком слоя адсорбированных примесей процесс дальнейшей сорбции может замедлиться, прекратиться или бесконт40078

6 рольно пойти в обратном направлении.

Все три слуцкая обычно отрицательно влияют на качество проходящего ерез насадку потока жидкости или газа. Iloэтому в целях обеспечения требований той или иной технологии производят принудительное обновление поверхности волокон. Для этого последние приводят в колебательное движение путем,соэдания вибрации или других пульсаций в объеме насадки. При этом поток жидкости (газа) может проходить через насадку без изменения и с иэменением.по величине и направлению вплоть до полного прекращения подачи, Для практического применения насадки для интенсификации массо- и теплообменных процессов при выделении из потоков воды (газа) твердой или несме" шивающейся жидкой фазы, иммобилизации микроорганизмов, Ферментов и т.п.. необходимо, чтобы свойства поверхности волокон соответствовали природе выделяемых частиц, а размеры волокон были соизмеримы с размерами этих час" тиц и обеспечивали достаточную сопротивляемость отдельных волокон дейст" вию сил гравитации и движущегося потока. При близких значениях диаметра волокон и размеров частиц обеспечива" ется максимальная поверхность контакта волоксн с частицами примесей при минимальном .инертном объеме волокон и обеспечении взаимного влияния сило" вых полей соседних волокон на адсор" бируемые частицы.

Размеры частиц в коллоидных системах составляют 10 - 10 м, в суспензиях и эмульсиях — tO м и более.

Размеры бактерий и других микроорга" низмов находятся в пределах 10 з

10 м.

Волокна, выпускаемые в промышленном масштабе, имеют диаметр от 10 м и выше. Поэтому целесообразным является применение волокон с диаметром из интервала 10-з - lO м. При.вели" чине диаметра волокон более 10 з м значительно увеличивается инертный объем насадки и уменьшается удельная поверхность волокон на единицу длины волокнистых элементов, а каких-либо полезных свойств насадка в данном случае не приобретает.

В идеальном случае, когда в потоках.жидкости и/или газа присутствуют примеси с частицами одного или близких размеров, можно было бы обойтись

1540078 волокнистыми элементами с волокнами ментов удельная поверхность насадки одного диаметра, Но в реальных жидко" будет варьировать в пределах от 20 стях и газах присутствует обычно ши- до 10 м /мз. рокий спектр частиц различных разме- B потоках реальных жидкостей и ra-

5 м ров. Поэтому при составлении насадки зов присутствуют примеси с различнои из волокон одного диаметра обычно не способностью контактировать со смачиобеспечивается максимально возможное . ваемой и несмачиваемой поверхностью.

: извлечение тех или иных примесей, Это в равной степени относится как

Кроме того, волокна малых диамет" 10 к частичкам органических и минеральров менее 10 4 м дают большую началь" ных примесей твердой, жидкой и газоную суммарную поверхность на единицу образной фаз, так и к различным клетдлины волокнистых элементов, чем во- кам микроорганизмов, которые по-разлокна больших диаметров (10 и и бо" ному сорбируются поверхностью волокон

«ю лее), но части не обладают достаточ" 15 с различными свойс .вами. Насадка, в ной жесткостью для сохранения перво- состав которой входят волокна с раз« начального положения в насадке под личной смачиваемостью поверхности, действием тех или иных факторов (ди- обеспечивает большее видовое разнонамические нагрузки,. действие силы образие биопленки, прикрепленной на тяжести) и сгибаются, слипаясь друг >0 насадке, и выделение на насадке часдругом, При этом уменьшается актив- тиц примесей различной природы. So" ая поверхность насадки и, кроме того, локнистые элементы насадки состоят. увеличиваются пустоты между волокни" из набора волокон со смачиваемой и стыми элементами и образуются сквоз-, несмачиваемой поверхностью в соотно, ные каналы в насадке, незанятые волок-25 шении от 1:993, до 99:13 суммарной понами, что ухудшает массообмен в на- верхности волокон на единице длины садке и, в конечном итоге, качество волокнистого элемента. проходящего сквозь нее потока жидко- Поверхность (смачиваемая или нести или газа.. смачиваемая}, составляющая в насадке

Чтобы избежать проскока частиц Э0 менее 14 от суммарной поверхности во различных размеров и обеспечить сох- локон, не оказывает практически. никаранение формы и поверхности волокнис- кого влияния на протекание процессов тых элементов, последние состоят из. в реакторе или аппарате. Для реальных : набора волокон, по меньшей мере, двух технологических процессов соотношение диаметров, взятых в интервалах от смачиваемой и несмачиваемой поверхно"

1О до 10" и от 10 " до 10 з м. сти в насадке определяется экспериСоотношение между количеством волокон ментально. Приведенные выше соотноше-. выбранных диаметров определяется в ния двух видов поверхности у волокникаждом конкретном случае эксперимен- стых элементов соответствуют основным тально в зависимости от размеров и <0 существующим технологиям в химических количества частиц примесей и условий . реакторах и биореакторах, массо- и эксплуатации. Подавляющему большинст" теплообменных аппаратах. ву известных процессов с насадками При составлении волокнистых элеудовлетворяют волокнистые элементы ментов из волокон различных дйаметров с соотношением волокон двух различных 45 получается насадка с различной надиаметров, взятых в интервалах от чальной сорбционной емкостью и раз10 . до 10 и от 10 "м до 10 з м, личной активной поверхностью при слиьт 1:993 до 99: 1Ф общего количества пании и обрастании волокон в процессе волокон на единицу длины волокнистых эксплуатации. элементов. При этом получается набор .насадок с удельной поверхностью от Центральный и периферийные шнуры

0,1 до 100 м на один погонный метр обеспечивают изгиб середины каждого длины волокнистого элемента диаметром волокна и их защемление между соприка50 мм. Диаметр волокнистых элементов сающимися поверхностями центрального может быть меньше или больше 50 мм, и периферийных шнуров. Это увеличивачто определяется технологией изготов- ет силу защепления волокон между шнуФ 55 ления, монтажа и демонтажа, а также . рами и препятствует выдергиванию воусловиями эксплуатации. При этом не- локон. без нарушения сплошности волозависимо от диаметра волокнистых эле- кон или шнуров.

1540078

14 обновление поверхности в центральной части элементов, по сравн нию с элементами, состоящими только из волокон малого диаметра.

При составлении волокнистых wå5 ментов иэ волокон двух диаметров (01

10 м, D =10 3 м) при запуске биореактора вначале в работу вступают волокна D, сорбируя на своей поверхности взвеси и микроорганизмы, затем начинают обрастать волокна D<, кото рые удерживают агломераты нерастворенных частиц и сгустки биопленки.

Пусковой период биореактора сокращается, так как в комбинированных волокнистых элементах волокна D быстрее, чем волокна D< накапливают на . своей поверхности жизнеспособные ас социации микроорганизмов и концентри" руют необходимые для них питательные вещества. Кроме того, работа аэробного биореактора отличается стабильностью во времени, так как наличие волокон D увеличивает в насадке инерт- р5 ный объем и сокращает часть объема, занимаемого анаэробной микрофлорой и нерастворенными примесями, которые в анаэробных условиях дают вторичные загрязнения, 30

Применение волокнистой насадки для разделения твердой и жидкой, жидкой и газообразной фаэ, а также для отделения микроорганизмов от воды предъявляет. различные требования к свойствам поверхности волокон, составляющих насадку. На поверхности волокон в большинстве случаев имеются как полярные, так и неполярные группы, - а также специально нанесенные вещест- 40 ва (например, замасливатели) или загрязнения, содержащие разные функциональные группы. Поэтому большинство волокон смачивается как полярными, так и неполярными жидкостями.

Основными факторами агрегативной устойчивости коллоидных систем, в том числе и водных бактериальных сус пензий, являются электростатический и гидратный барьеры;

Бактерии с гидрофобной поверхностью агрегируют при снятии электростатического барьера (в изоэлектри-ческой точке). Бактерии с гидрофильной поверхностью не агрегируют в этих. условиях. 55

Для агрегации бактерий с гидрофобной поверхностью достаточно преодолеть лишь электростатический барьер, в то время как для клеток с гидрофильной поверхностью, характерной для большинства микроорганизмов, не" обходимо преодолеть и электростатический, и гидратный барьеры. Очевидно поэтому микроорганизмы с гидрофобной и гидрофильной поверхностями по-разному удерживаются различными видами поверхности.

Наличие в насадке волокон со смачиваемой и несмачиваемой поверхностью обеспечивает создание условий для избирательного прикрепления на волокнах тех или иных видов микроорганизмов и различных веществ, обеспечивая видо вой состав биопленки, наиболее пригодный для очистки тех или иных сточ- ных (природных) вод и аэробных или анаэробных биореакторах.

В некоторых случаях прикрепление микроорганизмов на волокнах не обязательно, а насадка служит для интенсификации массообменных процессов в свободноплавающей культуре микроорганизмов

Смачиваемость поверхности волокон также влияет на степень разделения твердой и жидкой фазы жидкой и газообразной. Адсорбция каждого иэ двух компонентов зависит от адсорбционной способности м концентрации другого компонента . Чем хуже адсорбируется один компонент, тем легче происходит адсорбция другого.

Учитывая, что в большинстве случаев сточная жидкость имеет сложный состав как жидкой фазы, так и нерастворенных примесей, очевидно, что сосI тавление волокнистых элементов из . волокон не только разных диаметров, но и с различной смачиваемостью поверхности обеспечивает не только раз" нообразие видового состава биопленки в биореакторах, но и увеличение степени извлечения нерастворенных примесей или разделения несмешивающихся жидкостей при помощи волокнистой насадки, Формула изобретения

1; Насадка для массотеплообменных и реакционных аппаратов, выполненная в виде упорядоченно зафиксированных на каркасе цилиндрических волокнистых элементов, включающих гибкий сердечник, состоящий из скрученных межДу собой отдельных шнуров, с расходящи1 40078

l6 миСя от него в радиальном направлении множеством отрезков волокнистых weментов, отличающаяся тем, что с целью увеличения срока службы воУ

5 локнистых элементов и упрощения эксплуатации насадки, гибкий сердечник состоит из, по меньшей мере, одного центрального шнура и расположенных вокруг него по периметру и скрученных вместе 10 с ним периферийных шнуров, свободные концы двух рядов отрезков волокон выполнены со смачиваемой и несмачиваемой поверхностью, и различным диаметром, размещены вокруг сердечника по винтовым поверхностям и двумя рядами, разделенными по середине центральным шнуром, а середина каждого из отрез" ков волокон прижата периферийными шйурами к центральному шнуру и с двух 0 с орон от него - к соответствующим вфлокнам другого ряда, с образованием тройного изгиба середины отрезков волокон между шнурами..

2. Насадка по n.l, о т л и ч а ю - 25 щ а я с я тем, что центральный и периферийные шнуры выполнены из нескольких нитей, скрученных между собой, с образованием профилированной поверхности у шнуров, при этом LuHypbl соприкасаются между собой.

3. Насадка по п.l, о т л и ч а ющ а я с я тем, что волокнистые элементы состоят из набора волокон со смачиваемой и несмачиваембй поверхностью в. соотношении от 1:993 до

99: A от их суммарной поверхности на единицу длины элемента.

4. Насадка по п.1, о т л и ч а ющ а я с я тем, что волокнистые weменты состоят из набора волокон, по меньшей мере, двух различных диаметров, взятых в интервале. от 10,до

10- м,,в соотношении от 1:99 до

99:13 от общего их числа на единицу длины элемента.

5. Насадка по п.l, о т л и ч а ющ а я с я тем, что сердечник волок" нистых элементов имеет четное число периферийных шнуров. з Б4оо18

Фиг.2

Фие.З

1540078

Составитель С.Баранова .

Редактор Е.Зубиетова Техред N.Двдь1к корректор И.Пожо а а ааааФвааааааааааа а

Заказ 2146 . Тираж 332 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета ло изобретениям и открмтням при ГКНТ СССР

113035, Москва, N-35, Раувская наб, д. 4/5 а а

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул.Гагарина, 101