Трубчатый пневмоаэратор
Изобретение относится к технике аэрации жидкостей, в частности совершенствованию аэрации сточных вод на предприятиях биологической очистки, и может быть использовано при очистке сточных вод, содержащих органические загрязнения. Трубчатый пневмоаэратор выполнен методом пневмоэкструзии в виде цилиндрического корпуса, образованного волокнами термопластичного материала, сплавленными между собой в местах контакта, с заглушкой в конце трубы. Плотность термопластичного материала составляет 0,40-0,50 г/см3, пористость 40-60%, средний размер пор 65-100 мкм. Пневмоаэратор дополнительно содержит рассекатель воздуха, выполненный из термопластичного материала методом литья под давлением, снабженный резьбой для монтажа с воздухоподающим раструбом и имеющий форму, позволяющую фокусировать воздушный поток, направляя его вдоль оси трубы. Технический результат - эффективная мелкопузырчатая аэрация по всем направлениям и создание упрощенной конструкции формоустойчивого пневмоаэратора. 3 ил., 2 табл.
Изобретение относится к технике аэрации жидкостей, в частности совершенствованию аэрации сточных вод на предприятиях биологической очистки, и может быть использовано при очистке сточных вод, содержащих органические загрязнения.
С развитием производства и интенсификацией технологических процессов, связанных с использованием многочисленных высокоактивных химических ингредиентов, нарастает проблема снижения вредного воздействия на природную среду. В частности, это относится к сточным водам предприятий химической, металлургической, металлообрабатывающей промышленности, в которых всегда присутствуют высокие концентрации токсичных химических соединений органической природы. Попадание их в почву крайне отрицательно воздействует на природный баланс и наносит невосполнимый экологический ущерб. Ряд загрязнений (арены и их производные) обладают канцерогенными свойствами. Их попадание в природную среду почти не сопровождается естественным выводом из нее, в связи с чем они накапливаются, а их токсические эффекты аккумулируются. При попадании в водозаборную систему такие соединения могут оказаться в составе воды, используемой человеком для бытовых нужд. В связи с этим усилия материаловедов и специалистов фильтрации давно направлены на поиск оптимального технического решения, позволяющего осуществить эффективную очистку сточных вод от органики.
Одним из перспективных способов достижения этого результата представляется биологическая очистка. Ряд микроорганизмов способен участвовать в цепочке специфических биохимических превращений, которые приводят к деструкции многих органических соединений, содержащих ароматические компоненты (бензольные кольца, системы конденсированных и сопряженных колец и др.). Распространение в последние годы получили системы, в которых реализуется взаимодействие очищаемой среды с биомассой, выполняющей функции адсорбции и (или) биохимической деструкции органических соединений широкой номенклатуры. Для нормального функционирования биомассы в фильтруемой среде необходимо присутствие кислорода. В связи с этим очистные установки имеют в своей схеме аэротенки-осветлители и аэротенки-отстойники, которые содержат так называемый активный ил (растительные формы, содержащие активные вещества и микроорганизмы) и оснащены аэраторами, флотаторами и другими приспособлениями. Принцип работы таких устройств заключается в окислении органических веществ микроорганизмами, использующими их как источники питания и энергии. Часто в системах аэрации вместо воздуха используют технический кислород.
Способы аэрации (насыщения кислородом фильтруемой жидкости) разрабатываются несколько десятилетий. Основу существующих технических решений составляет прием, заключающийся в пропускании кислорода (воздуха) через систему отверстий, что позволяет диспергировать поток на мелкие пузырьки и тем самым обеспечивать эффективное растворение кислорода в воде.
В отечественной технике фильтрации в течение последнего десятилетия появился ряд разработок, в которых применяются разнообразные конструкционные решения с использованием широкого спектра материалов.
Так, известен аэратор, содержащий полый вал, нижний конец которого соединен с ротором, а верхний - с валом привода, продольные отверстия в верхней части полого вала для подачи воздуха, наружный кожух с воздухозаборным каналом, причем набегающие стенки отверстий выполнены в виде лопаток центростремительного вентилятора, а верхний торец полого вала заглушен (патент РФ №2043977, 6 МПК C 02 F 3/16, 1995 (опубл.)).
Известное также устройство для аэрации текучих вод (патент РФ №2058271, 6 МПК C 02 F 7/00, 1996 (опубл.)) выполнено таким образом, что в своем движении поток воды наталкивается на аэраторы, на обратной стороне дисков которых создается пониженное давление или разрежение (суперкаверна), что позволяет засасывать воздух через воздухозаборник основного воздуховода. Через блок ионизации, где воздух ионизируется, он поступает в дополнительные воздуховоды, на которых закреплены аэраторы, проходит по трубке, через центральное отверстие диска и сетчатый распылитель. Ионизированный воздух поступает в воду в виде мелких пузырьков, обезвреживает и аэрирует ее.
В трубчатом аэраторе (патент РФ №2112753, 6 МПК C 02 F 3/20, 1998 (опубл.)), содержащем трубу с радиальными отверстиями и диспергирующее покрытие, внутренний диаметр диспергирующего покрытия составляет 1,3-1,5 наружного диаметра трубы с радиальными отверстиями. Кроме того, аэратор дополнительно содержит кольцевые вставки между трубой с радиальными отверстиями и диспергирующим покрытием. Изделие характеризуется повышением надежности работы при обеспечении высокой диспергирующей способности.
Трубчатый аэратор (патент РФ №2124481, 6 МПК C 02 F 7/00, B 01 F 3/04, 1999 (опубл.)) состоит из корпуса в виде армированной эластичной перфорированной трубы (перфорация выполнена в виде радиальных или сегментных продольных или поперечных отверстий). Между внутренним и внешним слоями корпуса расположен армирующий слой (арматура выполнена в виде мелкоячеистой сетки), во внутреннем и внешнем слоях корпуса на глубину каждого вдоль корпуса выполнены разрезы. Отверстия выполнены сквозными, не пересекают разрезов во внешнем слое корпуса и с внешней стороны корпуса герметично закрыты заглушками. Плоскости разрезов в слоях не совпадают. Между отверстиями соседних последовательных участков корпуса выполнены круговые или дуговые канавки.
Трубчатый аэратор (заявка РФ №98101556, 6 МПК C 02 F 3/20, 1999 (опубл.)) выполнен в четырех вариантах: 1) с трубой с радиальными отверстиями и диспергирующее покрытие, 2) дополнительно содержащий кольцевые вставки между трубой с радиальными отверстиями и диспергирующим покрытием, 3) с варьируемым расстоянием между кольцевыми вставками, 4) с варьируемой суммарной площадью радиальных отверстий в трубе.
Известны также следующие исполнения трубчатого аэратора (заявка РФ №97119100, 6 МПК C 02 F 7/00, B 21 F 3/04, 1999 (опубл.)): 1) с корпусом, выполненным в виде эластичной перфорированной трубы (перфорация реализована в форме радиальных или сегментных продольных или поперечных отверстий) и армированным отдельным слоем мелкоячеистой сетки, 2) в котором отверстия не пересекают разрезов во внешнем слое корпуса и с внешней стороны герметично закрываются, 3) в котором плоскости разрезов во внешнем слое относительно плоскостей разрезов во внутреннем слое не совпадают, 4) в котором между отверстиями, расположенными в соседних последовательных участках корпуса, выполнены круговые или незамкнутые дугообразные канавки, глубина которых равна толщине внешнего слоя корпуса.
Трубчатый аэратор (заявка РФ №99109387, 7 МПК C 02 F 3/20, 2001 (опубл.)) содержит воздухопроницаемый каркас, выполненный из двух коаксиально расположенных слоев сетчатого материала, и диспергирующий слой, расположенный между этими слоями. Его разновидность - выполнение сетчатого материала из стекловолокнистого шнура, пропитанного быстротвердеющей смолой, с толщиной наружного слоя сетчатого материала не менее 1 мм, с толщиной внутреннего слоя сетчатого материала не менее 5 мм.
Аэратор (патент РФ №2187381, 7 МПК C 02 F 7/00, C 02 F 3/18, 2002 (опубл.)) с повышенной эжектирующей способностью при сохранении флотационной крупности пузырьков воздуха за счет оптимизации параметров узлов аэратора включает корпус, расположенные соосно и с зазором друг к другу патрубок для подачи жидкости, размещенный в корпусе, и выпускную насадку, сообщенную с корпусом, патрубок для ввода воздуха.
Во всех перечисленных изобретениях основной результат - эффективная мелкопузырчатая аэрация при достаточной жесткости и оптимальной геометрии воздушного потока - достигается главным образом за счет комплексных конструкционных решений, многие из которых сопряжены с трудностью технического исполнения и высокой материалоемкостью изделия. Анализ имеющейся информации о номенклатуре применяемых материалов не позволяет утверждать об экономичности перечисленных устройств для аэрации. Кроме того, использование ряда дополнительных приспособлений (защитные и арматурные сетки, система перфорации, блоки ионизации воздуха и т.п.) в большинстве известных случаев усложняет монтаж устройств.
Наиболее приемлемым материалом для подобных устройств являются полимеры, что вызвано удобством их обработки, несложностью придания необходимой формы, химической инертностью и небольшой стоимостью.
Известны аэрирующие элементы, выполненные в виде цилиндрических труб, образованных спеканием порошкообразного полиэтилена (Попкович Г.С., Репин Б.Н. Системы аэрации сточных вод. - М.: Стройиздат, 1986. - 136 с).
Их основной недостаток - низкая жесткость на изгиб, что приводит к трудностям при монтаже. Кроме того, отрицательную роль играет эффект краевой коалесценции пузырьков (сливания их в более крупные), что снижает растворение кислорода в воде и тем самым степень его использования по назначению.
С развитием способов обработки полимеров получили распространение волокнисто-пористые материалы на основе термопластов. Такие материалы обладают специфической структурой, в которой пучки волокон образуют поры различных размеров. Так, известен аэрирующий элемент в виде трубы с войлочной укладкой волокон термопластичного материала, причем края трубы пропитаны отверждающимся полимером (патент ФРГ №3227671, 5 МПК C 02 F 3/20, 1984 (опубл.)).
Такие элементы также имеют низкую жесткость на изгиб, что вынуждает усложнять конструкцию очистных сооружений, и демонстрируют значительную степень коалесценции пузырьков.
Перспективным решением данной проблемы представляется использование в качестве материала для аэраторов пневмоэкструзионных (нетканых) волокнисто-пористых полимерных материалов. Они формируются по технологии, описываемой в иностранных источниках термином melt-blowing и заключающейся в раздувании расплава термопластичного полимера потоком сжатого воздуха. Указанным способом расплав может быть вытянут в тонкие волокна, система которых обладает уникальными свойствами - представляет собой систему пор, равномерно распределенных по площади материала. С конца 70-х гг. технология “melt-blowing” используется в СНГ при разработке материалов, предназначенных для воздушных фильтров двигателей, фильтров вентиляционных систем, пневмоаппаратуры, для фильтрования лаков, красок, электролитов и других сред, а также для покрытий. Известен целый ряд отечественных вариантов метода melt-blowing, адаптированных для получения материалов с разнообразными свойствами (а.с. №586628 СССР, 5 МПК B 29 D 7/00, 1975 (опубл.), В.А. Гольдаде, А.В. Макаревич, Л.С. Пинчук, А.В. Сиканевич, А.И. Чернорубашкин. Полимерные волокнистые melt-blown материалы. - Гомель: ИММС НАНБ, 2000. - с.260., патент РБ №1484, 6 МПК В 29 С 41/08, 1996 (опубл.), патент РБ №1810, 6 МПК В 29 С 41/08, 1997 (опубл.), патент РБ №2340, 6 МПК B 01 D 35/06, 1998 (опубл.)).
Технологические возможности процесса melt-blowing таковы, что позволяют в широких пределах варьировать толщину волокон, параметры пористой системы и жесткость конструкции в целом. Таким образом, могут быть получены формоустойчивые melt-blown материалы практически любой геометрической формы.
Известен пневматический аэратор для мелкопузырчатого распределения диспергируемой среды по всей длине устройства (патент РФ №2071955, 6 МПК C 02 F 3/20, 1997 (опубл.), который содержит каркас в виде перфорированной трубы с коническими отверстиями, расположенными рядами со смещением их в соседних рядах, равным половине шага между отверстиями. Промежуточный слой между каркасом и гильзой выполнен в виде объемного полимерного жгута, навитого в двух направлениях на каркас с перехлестом, сверху трубу с навивкой охватывает высокопористая гильза, полученная путем пневмоэкструзии и представляющая собой волокнистый материал с пористостью 500-600 мкм. Высокопористая гильза служит подложкой для диспергирующего слоя, который в свою очередь нанесен на поверхность гильзы также путем пневмоэкструзии и имеет пористость 30-80 мкм. С целью возможности удлинения устройства для обеспечения равномерности аэрации по всему объему резервуара, корпус устройства снабжен с обеих сторон муфтами, имеющими сопрягаемые резьбы, одна - наружную, другая - внутреннюю.
Более близким к заявляемому изобретению является пневматический аэратор (заявка РФ №93027506, 6 МПК C 02 F 3/20, B 01 F 3/04, 1995 (опубл.)), который содержит каркас в виде перфорированной трубы, находящейся внутри сетки, причем полимерная труба выполнена в виде специального профиля, представляющего собой чередование "впадин" и "гребешков", симметрично расположенных относительно оси трубы. Отверстия перфорации расположены только во впадинах. Полимерная сетка надета на каркас "чулком" и снабжена сверху нанесенным путем пневмоэкструзии диспергирующим слоем с переменной пористостью по толщине. Для удлинения устройства с двух сторон к каркасу приварены муфты, имеющие сопрягаемые резьбы, одна - внутреннюю, другая - наружную.
Разновидностью этого технического решения является пневматический аэратор (патент РФ №2070547, 6 МПК C 02 F 3/20, 1996 (опубл.)), который содержит каркас в виде перфорированной полимерной трубы, и высокопористую съемную защитную гильзу, полученную путем пневмоэкструзии и обладающую пористостью 500-600 мкм. Защитная гильза установлена внутри каркаса на специальных выступах резьбовых муфт, которыми снабжен корпус устройства с обеих сторон для обеспечения возможного секционного удлинения устройства. Полимерная труба выполнена с коническими отверстиями, расположенными рядами со смещением их в соседних рядах, равным половине шага между отверстиями. На каркас в двух направлениях навит объемный полимерный жгут, создающий промежуточный слой, поверх которого расположена пористая гильза, полученная путем пневмоэкструзии и служащая подложкой для диспергирующего слоя с пористостью 50-80 мкм.
Основные недостатки аналогов - применение промежуточных элементов и, в целом, сложность конструкционного исполнения (вызванная объективной необходимостью добиться жесткости аэратора и его устойчивости в смонтированном виде), а также применение диспергирующего слоя с переменной по толщине пористостью, что призвано обеспечить диспергирование крупных пузырьков на более мелкие, но значительно усложняет получение такого материала.
Прототипом заявляемого изобретения является аэрирующий элемент (а.с. СССР №1773881, 5 МПК C 02 F 3/20, 1992 (опубл.)), содержащий трубу из волокнисто-пористого полимерного материала, выполненную с упорядоченной стереоскопической структурой из волокон, сплавленных в местах контакта, и имеющую трехгранный в поперечном сечении профиль, причем грани выполнены в виде дуг окружности. Данное техническое решение продиктовано желанием приблизить геометрию аэрирующего воздуха к некоторым расчетным параметрам. Реализация изобретения позволяет упростить конструкцию, достичь требуемой жесткости путем криволинейной укладки волокон, исключить коалесценцию пузырьков воздуха по краям профиля трубы за счет конфигурации профиля и уменьшения пористости выступов по сравнению с гранями. Кроме того, предусматривается трехкратная смена аэрирующих поверхностей, что увеличивает срок службы изделия. Указывается также, что получение трехгранного профиля позволяет сократить расход сырья.
Недостатки прототипа:
1) трудность получения пневмоэкструзионным способом трехгранной трубы с однородной по всем направлениям структурой, что в значительной степени снижает вероятность достижения расчетных параметров по геометрии воздушного потока;
2) не учтены те обстоятельства, что в данном случае равномерность движения воздуха внутри аэратора будет нарушаться из-за профиля, что неизбежно приведет к завихрениям, затруднит проникание воздуха через волокнисто-пористую систему и скажется на однородности пузырьков.
Задача заявляемого изобретения - создать формоустойчивый пневмоаэратор упрощенной конструкции, обеспечивающий эффективную мелкопузырчатую аэрацию по всем направлениям.
Указанный технический результат достигается тем, что трубчатый пневмоаэратор выполнен методом пневмоэкструзии в виде цилиндрического корпуса, образованного волокнами термопластичного полимерного материала, когезионно скрепленными между собой в местах контакта, с заглушкой в конце трубы, при этом плотность волокон цилиндрического корпуса составляет 0,40-0,50 г/см3, пористость 40-60%, средний размер пор 65-100 мкм, причем пневмоаэратор дополнительно содержит рассекатель воздуха, выполненный из термопластичного материала методом литья под давлением, имеющий резьбу для монтажа к воздухоподающему раструбу и обладающий формой, позволяющей фокусировать воздушный поток, направляя его вдоль оси трубы.
Сущность изобретения состоит в том, что высокоэффективная мелкопузырчатая аэрация достигается за счет оптимальной геометрии воздушного потока в совокупности со свойствами волокнисто-пористого материала. Предлагаемое техническое решение позволяет предотвратить рассеивание воздуха, обеспечить равномерное заполнение им внутренней полости аэратора и в полной мере использовать по назначению всю рабочую поверхность аэратора, включая пластину-заглушку. По совокупности своих характеристик аэратор также может применяться в качестве фильтрующего элемента для очистки воды от механических примесей.
Предлагаемый трубчатый аэратор иллюстрируется эскизами, представленными на фиг.1-3.
На фиг.1 показан пневмоаэратор с заглушкой (общий вид);
на фиг.2 - рассекатель воздуха, вид спереди;
на фиг.3 - рассекатель воздуха, вид сбоку в разрезе.
Трубчатый аэратор содержит корпус 1, выполненный из волокнисто-пористого материала методом пневмоэкструзии, представляющий собой полый цилиндр; заглушку 2, выполненную из того же материала, представляющую собой круг с диаметром, равным диаметру цилиндра; рассекатель воздуха 3, выполненный из полимерного материала методом литья под давлением.
Заглушка 2 приваривается к торцу полого цилиндра, а рассекатель воздуха 3 ввинчивается в противоположный торец полого цилиндра.
Пример конкретного выполнения изобретения.
Гранулированный полиэтилен высокого давления марки 10803-020 (ГОСТ 16337-85) подвергали пневмоэкструзионной обработке в одношнековом экструдере с четырехступенчатой системой нагрева. Газополимерный поток направляли на формообразующую оправку, представляющую собой металлический цилиндр длиной 619 мм и диаметром 39 мм или 300 мм и совершающую равномерное возвратно-поступательное движение в направлении, перпендикулярном оси экструдера, и одновременно равномерное вращательное движение в направлении по часовой стрелке. Режимы обработки полимера представлены в таблице 1.
На оправке диаметром 39 мм получали имеющую кольцевой в сечении профиль полую трубу из волокнисто-пористого материала с толщиной стенки 11 мм, на оправке диаметром 300 мм - полотна из того же материала толщиной 11 мм, из которых вырезали круги диаметром 61 мм. Далее круглые элементы прикрепляли к одному из концов трубы методом сварки полимеров. В результате получали изделие, в разрезе представленное на фиг.1. Корпус аэратора после испытаний 20 образцов характеризуется параметрами, представленными в таблице 2.
Далее методом литья под давлением изготавливали рассекатель воздуха, предназначенный для фокусировки воздушного потока и представленный на фиг.2 и 3. Рассекатель, имеющий резьбу 4 для монтажа к воздухоподающему раструбу и отверстие для фокусировки воздуха 5, с использованием шестигранника 6 по винтовой резьбе 7 ввинчивали в конец трубы, противоположный заглушке.
При продувке воздуха через аэратор в диапазоне расхода воздуха 2,5-7,0 м3/ч коалесценция пузырьков не наблюдается.
Из приведенного примера видно, что аэратор обладает высокой жесткостью и оптимальными параметрами пористой структуры, что обеспечивает отсутствие коалесценции. Следовательно, полученное изделие - трубчатый пнвмоаэратор - по своему комплексу характеристик может быть использовано для эффективной мелкопузырчатой аэрации на различной глубине, в том числе в системах биологической очистки сточных вод, содержащих органические загрязнения, а также в качестве фильтрующего элемента для очистки воды от механических примесей.
Формула изобретения
Трубчатый пневмоаэратор, выполненный методом пневмоэкструзии в виде цилиндрического корпуса, образованного волокнами термопластичного материала, сплавленными между собой в местах контакта, с заглушкой в конце трубы, отличающийся тем, что плотность материала составляет 0,40-0,50 г/см3, пористость 40-60%, средний размер пор 65-100 мкм, причем пневмоаэратор дополнительно содержит рассекатель воздуха, выполненный из термопластичного материала методом литья под давлением, снабженный резьбой для монтажа с воздухоподающим раструбом и имеющий форму, позволяющую фокусировать воздушный поток, направляя его вдоль оси трубы.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение
Дата, с которой действие патента восстановлено: 20.03.2007
Извещение опубликовано: 20.03.2007 БИ: 08/2007
