RU2041170C1

RU2041170C1 - Device for pulsating aeration of liquid

Info

Publication number: RU2041170C1
Application number: SU925058941A
Authority: RU
Inventors: В.А. Алексашкин; А.Н. Ковальчук; В.И. Осипов; М.Н. Сыровец
Original assignee: Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева
Priority date: 1992-08-18
Filing date: 1992-08-18
Publication date: 1995-08-09

Abstract

FIELD: processes of pulsating aeration of liquid. SUBSTANCE: device comprises a horizontal plate with a central hole, a tray disposed underneath with a flexible membrane secured thereto, and two vertical concentric shells installed with a circular gap. The upper part of the outer shell is secured along the plate perimeter while the upper part of the inner shell, along the perimeter of the tray. The plate and membrane form a gas cavity connected to a compressed gas source and communicating with the circular gap while the tray forms, together with the membrane, a sealed space communicating with a liquid pressure pulsator. Pulses of liquid pressure created by the pulsator cause periodical vibrations of the flexible membrane and periodical changes in volume of the gas cavity which brings about pulsating throughout of gas through the circular gap into the liquid. A high degree of gas dispersion and turbulization of liquid ensure intensive gas-to-liquid mass transfer. To intensify the process of aeration, the outer shell may be provided with longitudinal corrugations which break the circular gap into a plurality of parallel channels. EFFECT: improved design. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для смешения жидкости и газа, в частности к устройствам для аэрации бытовых и сточных вод с использованием пульсаций давления. The invention relates to devices for mixing liquid and gas, in particular to devices for aeration of domestic and wastewater using pressure pulsations.

Известно устройство для импульсной аэрации жидкости, включающее установленный в жидкостной части емкости вертикальный патрубок с диффузором, размещенным над днищем емкости, и трубопровод подачи и выброса воздуха с запорно-регулирующей и переключающей арматурой, нижний открытый конец которого размещен внутри вертикального патрубка с образованием кольцевого зазора. При работе устройства производится циклическая, с большой скоростью, импульсная подача воздуха в жидкость через диффузор патрубка и последующее отключение подачи и сброс остаточного воздуха в верхнюю часть трубопровода. Основной процесс аэрации жидкости происходит при частичном смешении воздуха с жидкостью в диффузоре и в нижней части патрубка (аэраторе) и барботаже воздуха через жидкость. Последующий период сброса воздуха и заполнения жидкостью аэратора является подготовительным к предыдущему и не оказывает существенного влияния на процесс аэрации. Недостатком известного устройства является низкая интенсивность процесса вследствие низкой интенсивности массообмена между газом и жидкостью. A device for pulsed aeration of a liquid is known, including a vertical nozzle installed in the liquid part of the tank with a diffuser located above the bottom of the tank, and an air supply and exhaust pipe with shutoff-regulating and switching valves, the lower open end of which is placed inside the vertical pipe with the formation of an annular gap. During the operation of the device, a cyclic, with high speed, pulsed air supply to the liquid through the nozzle diffuser and subsequent shutdown of the supply and discharge of residual air to the upper part of the pipeline are performed. The main process of aeration of the liquid occurs when the air is partially mixed with the liquid in the diffuser and in the lower part of the nozzle (aerator) and air is bubbled through the liquid. The subsequent period of air discharge and filling the aerator with liquid is preparatory to the previous one and does not significantly affect the aeration process. A disadvantage of the known device is the low intensity of the process due to the low intensity of mass transfer between gas and liquid.

Необходимость импульсного, с большой скоростью, ввода в аэратор воздуха при последующем резком прерывании подачи и поддержание заданного уровня жидкости в трубопроводе при обратном заполнении аэратора обуславливает сложность регулирования процесса и повышенные требования к запорно-регулировочной арматуре. Сброс части вводимого в аппарат воздуха при обратном заполнении аэратора жидкостью, осуществляемом за счет гидростатического давления жидкости, снижает степень использования воздуха в аппарате, а также обуславливает повышенную инерционность процесса и низкую частоту пульсаций (40-200 раз в минуту или 0,7-3,5 Гц), что существенно ограничивает производительность и качество процесса аэрации. The need for a pulsed, with high speed, introduction of air into the aerator with a subsequent sharp interruption in the supply and maintaining a predetermined liquid level in the pipeline during backfill of the aerator causes the complexity of process control and increased requirements for shut-off and control valves. The discharge of part of the air introduced into the apparatus during the reverse filling of the aerator with liquid, carried out due to the hydrostatic pressure of the liquid, reduces the degree of air use in the apparatus, and also leads to an increased inertia of the process and a low pulsation frequency (40-200 times per minute or 0.7-3, 5 Hz), which significantly limits the performance and quality of the aeration process.

Наиболее близким предложенному решению является устройство для импульсной аэрации жидкости, включающее размещенные в жидкостной части емкости горизонтальную плиту с отверстиями и поддон, между которыми расположена упругая мембрана, разделяющая две изолированные полости, нижняя из которых заполнена жидкостью и через патрубок подключена к пульсатору давления, а верхняя через кольцевой коллектор соединена с источником сжатого газа, при этом мембрана снабжена выступами, размещенными против каждого отверстия и имеющими форму, ответную форме входа отверстий, а на наружной поверхности плиты концентрично отверстиям выполнены кольцевые буртики. В данном устройстве пульсатор, создавая возвратно-поступательное движение рабочей жидкости, заставляет вибрировать упругую мембрану, в полость над которой поступает газ из коллектора. Колебания мембраны обеспечивают импульсный выброс газа через отверстия в плите в аэрируемую жидкость. При этом выступы мембраны, размещенные против отверстий плиты, периодически перекрывают их, частично входя в полость отверстий. Данное устройство по сравнению с аналогом позволяет повысить интенсивность процесса аэрации за счет наличия большого количества отверстий для выхода газа в жидкость и за счет более высокой (до 50 Гц) частоты пульсаций. The closest solution to the proposed solution is a device for pulsed aeration of a liquid, including a horizontal plate with holes and a tray located in the liquid part of the tank, between which there is an elastic membrane separating two isolated cavities, the lower of which is filled with liquid and connected to a pressure pulsator through the nozzle and the upper through an annular collector connected to a source of compressed gas, while the membrane is equipped with protrusions placed against each hole and having a shape corresponding to the shape of the entrance of the holes, and on the outer surface of the plate concentric holes made annular flanges. In this device, the pulsator, creating a reciprocating movement of the working fluid, vibrates the elastic membrane, into the cavity above which the gas from the collector. Oscillations of the membrane provide a pulsed gas ejection through openings in the plate into the aerated liquid. In this case, the protrusions of the membrane placed against the holes of the plate periodically overlap them, partially entering the cavity of the holes. This device in comparison with the analogue allows you to increase the intensity of the aeration process due to the presence of a large number of openings for the exit of gas into the liquid and due to a higher (up to 50 Hz) pulsation frequency.

Однако, данное устройство характеризуется большой сложностью изготовления ввиду наличия плиты со множеством отверстий с буртиками, взаимодействующей с плитой эластичной мембраны с выступами специальной формы, соосными с отверстиями плиты. При этом мембрана с выступами обладает большой жесткостью (низкими упругими свойствами), что обуславливает малую амплитуду и скорость ее колебаний и, следовательно, малую скорость выброса газа в жидкость через отверстия плиты, малую степень диспергирования газа в жидкости и низкую интенсивность массообмена между ними. Это существенно ограничивает возможности интенсификации процесса аэрации. Кроме того, данное устройство обеспечивает малое время нахождения газа в жидкости, так как газ вводится в жидкость в направлении снизу вверх, причем в нижней части емкости (под поддоном) процесс аэрации практически не происходит. However, this device is characterized by great manufacturing complexity due to the presence of a plate with many holes with flanges, interacting with a plate of an elastic membrane with protrusions of a special shape, coaxial with the holes of the plate. At the same time, a membrane with protrusions has high rigidity (low elastic properties), which leads to a small amplitude and speed of its oscillations and, therefore, a low rate of gas ejection into the liquid through the plate openings, a low degree of dispersion of gas in the liquid, and a low intensity of mass transfer between them. This significantly limits the possibilities of intensification of the aeration process. In addition, this device provides a short residence time of the gas in the liquid, since the gas is introduced into the liquid in the direction from the bottom up, and in the lower part of the tank (under the pallet) the aeration process practically does not occur.

Технической задачей изобретения является интенсификация процесса аэрации и упрощение конструкции устройства. An object of the invention is to intensify the aeration process and simplify the design of the device.

Поставленная задача достигается за счет того, что устройство для импульсной аэрации жидкости, содержащее горизонтальную плиту с установленным под ней поддоном, образующими между собой полость, верхняя часть которой сообщена с источником сжатого газа, и размещенную в этой полости упругую мембрану, герметично закрепленную на периферийной части поддона, центральная часть которого соединена с пульсатором давления, снабжено двумя установленными концентрично с кольцевым зазором вертикальными обечайками, при этом верхняя часть наружной обечайки герметично закреплена по периметру плиты, верхняя часть внутренней закреплена по периметру поддона, а плита выполнена в виде жесткой пластины с центральным отверстием, к которому подсоединен трубопровод подачи сжатого газа. Наружная обечайка может быть выполнена с продольными гофрами, разделяющими кольцевой зазор на множество параллельных каналов. При таком выполнении устройства концентричные обечайки образуют кольцевую полость (зазор), нижняя часть которой открыта, а верхняя сообщена с газовой полостью, образованной плитой и мембраной. Поэтому вводимый в надмембранную полость газ выходит из менее через кольцевой зазор в направлении днища емкости, что увеличивает время нахождения газа в жидкости (время контакта фаз) и повышает интенсивность аэрации нижнего слоя жидкости. Отсутствие перфорации в плите позволяет выполнить мембрану без выступа гладкой и тонкостенной, что намного улучшает ее упругие и эластичные свойства. В результате резко увеличивается амплитуда колебаний мембраны и повышается количество газа, поступающего в надмембранное пространство. Увеличивается скорость импульсного выброса газа через кольцевой зазор в жидкость, повышается степень диспергирования газа в жидкости и интенсивность процесса аэрации. Наличие продольных гофр на наружной обечайке, разбивая кольцевой зазор на множество параллельных каналов, дополнительно улучшает диспергирование газа и эффективность аэрации жидкости. The problem is achieved due to the fact that the device for pulsed aeration of the liquid, containing a horizontal plate with a pallet installed under it, forming a cavity between itself, the upper part of which is connected to a source of compressed gas, and an elastic membrane placed in this cavity, hermetically fixed to the peripheral part the pallet, the central part of which is connected to the pressure pulsator, is equipped with two vertical shells mounted concentrically with an annular gap, while the upper part of the outer gull sealingly fixed along the perimeter of the plate, the upper part of the inner circumference is fixed on the pallet, and the plate is formed as a rigid plate with a central hole to which is connected a compressed gas conduit. The outer shell can be made with longitudinal corrugations dividing the annular gap into many parallel channels. With this embodiment of the device, the concentric shells form an annular cavity (gap), the lower part of which is open, and the upper one is in communication with the gas cavity formed by the plate and the membrane. Therefore, the gas introduced into the supmembrane cavity exits less through the annular gap in the direction of the bottom of the tank, which increases the time spent in the liquid (contact time of the phases) and increases the intensity of aeration of the lower liquid layer. The absence of perforation in the plate allows the membrane to be made without a protrusion of smooth and thin-walled, which greatly improves its elastic and elastic properties. As a result, the amplitude of the membrane oscillations sharply increases and the amount of gas entering the supramembrane space increases. The speed of pulsed gas ejection through the annular gap into the liquid increases, the degree of dispersion of gas in the liquid and the intensity of the aeration process increase. The presence of longitudinal corrugations on the outer shell, breaking the annular gap into many parallel channels, further improves the dispersion of the gas and the efficiency of aeration of the liquid.

На фиг.1 изображено устройство, общий вид; на фиг.2 разрез А-А на фиг. 1 при выполнении наружной обечайки гладкостенной; на фиг.3 то же, при выполнении наружной обечайки с продольными гофрами. Figure 1 shows the device, a General view; in Fig.2 a section aa in Fig. 1 when performing the outer shell smooth wall; figure 3 the same, when performing the outer shell with longitudinal corrugations.

Устройство включает жидкостную емкость 1, в нижней части которой помещен вертикальный патрубок 2, проходящий через днище 3 емкости. На верхнем конце патрубка 2 герметично закреплен поддон 4 с упругой мембраной 5, образующей с поддоном замкнутую полость 6, сообщенную с полостью патрубка 2. Над поддоном 4 с зазором размещена жесткая пластина (плита) 7 с центральным отверстием, к которому подключен наружный трубопровод 8, соединенный с источником подачи сжатого газа. Снаружи поддона 4 размещена вертикальная цилиндрическая обечайка 9, верхняя часть которой герметично закреплена на поддоне по его периметру, а нижняя расположена вблизи днища 3 емкости 1. Обечайка 9 размещена внутри концентричной ей обечайки 10, верхняя часть которой герметично закреплена по периметру пластины 7. Обечайки 9 и 10 образуют между собой кольцевой зазор 11, нижняя часть которого открыта в сторону днища 3 емкости, а верхняя сообщена с газовой полостью 12, расположенной между пластиной 7 и упругой мембраной 5. Обечайки 9 и 10 жестко соединены между собой, например с помощью пластинчатых ребер 13 (фиг.2), установленных в кольцевом зазоре 11. Наружная обечайка 10 может быть выполнена гофрированной с продольными гофрами (фиг.3), разделяющими кольцевой зазор 11 на продольные каналы 14. В этом случае закрепление обечайки 10 с пластиной 7 на обечайке 9 может осуществляться за счет самих гофр, своей внутренней поверхностью контактирующих с поверхностью обечайки 9. Полость между поддоном 4 и мембраной 5 и патрубок 2, связанный с пульсатором, заполнены жидкостью. The device includes a liquid tank 1, in the lower part of which is placed a vertical pipe 2 passing through the bottom 3 of the tank. On the upper end of the pipe 2, a pallet 4 is tightly fixed with an elastic membrane 5 forming a closed cavity 6 connected to the cavity of the pipe 2 with the pallet. A rigid plate (plate) 7 with a central hole, to which the outer pipe 8 is connected, is placed above the pallet 4 with a gap connected to a compressed gas supply source. Outside of the pallet 4, a vertical cylindrical shell 9 is placed, the upper part of which is hermetically mounted on the pallet along its perimeter, and the lower one is located near the bottom 3 of the tank 1. The shell 9 is placed inside the concentric shell 10, the upper part of which is hermetically fixed around the perimeter of the plate 7. Shell 9 and 10 form an annular gap 11 between themselves, the lower part of which is open towards the bottom of the tank 3, and the upper is in communication with the gas cavity 12 located between the plate 7 and the elastic membrane 5. The shells 9 and 10 are rigidly connected They are interconnected, for example, by means of plate ribs 13 (Fig. 2) installed in the annular gap 11. The outer shell 10 can be made corrugated with longitudinal corrugations (Fig. 3) dividing the annular gap 11 into longitudinal channels 14. In this case the shell 10 can be fixed with the plate 7 on the shell 9 due to the corrugations themselves, with their inner surface in contact with the surface of the shell 9. The cavity between the tray 4 and the membrane 5 and the pipe 2 connected with the pulsator are filled with liquid.

Устройство работает следующим образом. Емкость 1 заполняют обрабатываемой жидкостью, после чего производят подачу сжатого газа через трубопровод 8 в полость 12 и включают пульсатор, возбуждающий периодические пульсации давления жидкости в подмембранной полости устройства. Пульсации давления жидкости вызывают периодические колебания упругой мембраны 5 и периодическое изменение объема газовой полости 12 устройства. При движении мембраны 5 вниз полость 12 заполняется газом, поступающим по трубопроводу 8, а при движении мембраны вверх происходит импульсный выброс газа из полости в жидкость через кольцевой зазор 11, образованный обечайками 9 и 10. Газ выбрасывается вниз и движется в сторону днища 3 емкости, насыщая придонную часть жидкости, после чего поднимается вверх, насыщая верхние слои жидкости. Гладкая тонкостенная мембрана 5, обладая хорошими эластичными свойствами, под действием пульсатора совершает интенсивные высокоамплитудные колебания в газовой полости 12, что обеспечивает большую скорость импульсного выброса газа через кольцевой зазор 12, значительно превышающую скорость выброса газа в прототипе. Увеличение скорости выброса газа в жидкость, причем выброс в направлении днища емкости повышает турбулизацию жидкости за счет увеличения дальнобойности импульсных струй газа и степень диспергирования газа в жидкости, что интенсифицирует массообмен между взаимодействующими фазами. В результате этого повышается интенсивность процесса аэрации, увеличивается производительность процесса. Наличие двух концентричных обечаек, образующих кольцевую полость для импульсного выброса газа, сообщенную с газовой полостью устройства, позволяет выполнить плиту в виде сплошной пластины (без перфорации и кольцевых буртиков), а мембрану гладкой, без выступов. Это значительно упрощает изготовление предложенного устройства. Увеличение производительности и повышение интенсивности процесса аэрации позволяет также значительно снизить удельные энергозатраты при аэрации жидкости. The device operates as follows. The container 1 is filled with the liquid to be treated, after which compressed gas is supplied through the pipe 8 to the cavity 12 and a pulsator is excited, which excites periodic pulsations of the liquid pressure in the submembrane cavity of the device. The pulsations of the fluid pressure cause periodic oscillations of the elastic membrane 5 and a periodic change in the volume of the gas cavity 12 of the device. When the membrane 5 moves downward, the cavity 12 is filled with gas flowing through the pipe 8, and when the membrane moves upward, the gas is pulsed out of the cavity into the liquid through the annular gap 11 formed by the shells 9 and 10. The gas is ejected downward and moves towards the bottom of the tank 3, saturating the bottom of the liquid, after which it rises, saturating the upper layers of the liquid. A smooth thin-walled membrane 5, having good elastic properties, under the action of a pulsator performs intense high-amplitude oscillations in the gas cavity 12, which provides a high speed of pulsed gas ejection through the annular gap 12, significantly exceeding the gas ejection velocity in the prototype. An increase in the rate of gas ejection into the liquid, the ejection in the direction of the bottom of the tank increases the turbulization of the liquid by increasing the range of the pulsed gas jets and the degree of dispersion of the gas in the liquid, which intensifies the mass transfer between the interacting phases. As a result of this, the intensity of the aeration process increases, and the productivity of the process increases. The presence of two concentric shells forming an annular cavity for pulsed gas ejection, in communication with the gas cavity of the device, allows you to make a plate in the form of a continuous plate (without perforation and annular beads), and the membrane is smooth, without protrusions. This greatly simplifies the manufacture of the proposed device. Increasing the productivity and increasing the intensity of the aeration process can also significantly reduce the specific energy consumption during aeration of the liquid.

Выполнение одной из обечаек гофрированной (наружной обечайки, так как это технологически проще) улучшает процесс аэрации за счет усиления массообмена между газом и жидкостью. В этом случае кольцевой зазор 12 разбивается на множество продольных каналов, формирующих параллельные импульсные струи газа при выбросе его в жидкость. При этом повышается динамическая активность газа, повышается степень диспергирования его и турбулизация жидкости и интенсифицируется процесс аэрации. The implementation of one of the corrugated shells (the outer shell, as it is technologically simpler) improves the aeration process by enhancing the mass transfer between gas and liquid. In this case, the annular gap 12 is divided into many longitudinal channels forming parallel pulsed jets of gas when it is ejected into the liquid. At the same time, the dynamic activity of the gas increases, the degree of dispersion of it and the turbulization of the liquid increase, and the aeration process is intensified.

Claims

1. DEVICE FOR PULSED AERATION OF LIQUID, containing a horizontal plate with a pallet installed underneath, forming a cavity between itself, the upper part of which is connected to a source of compressed gas, and an elastic membrane placed in this cavity, tightly fixed to the peripheral part of the pallet, the central part of which is connected with a pressure pulsator, characterized in that it is equipped with two vertical shells mounted concentrically with an annular gap, while the upper part of the outer shell is hermetically closed It is insulated around the perimeter of the plate, the upper part of the inside is fixed around the perimeter of the pallet, and the plate is made in the form of a rigid plate with a central hole to which a compressed gas supply pipe is connected.

2. The device according to claim 1, characterized in that the outer shell is made with longitudinal corrugations.