Насадка для масотеплообмінних та реакційних апаратів

союз СОВЕТСКИХ чи СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИН (19Ї W V (І!) 1540078 (51)5 В 01 J 19/30 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГННТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (46) 30.0U.91. Бюя. № 16 (21) № й б 1 5 / 2 б • (22) 30.03.88 (71) Макеевский инженерно-строительный институт (72) Н.И.Куликов и В.Г.Потоцкий (53) 66.074.513 (088.8) расширение области применения насадки и упрощение ее эксплуатации. Насадка включает волокнистые элементы 1, упорядочено расположенные на каркасе 2. Волокнистые элементы состоят из гибкого сердечника 3 с расходящимися от него в радиальном направлении множеством отрезков волокон * , Гибкий сер* (56) Патент США Г 2-10-з м ) . центрального и периферийных шнуров, ,0 Соотношение количества волокон, %: что приводит к усложнению технологии 5:95; 15:85; 30:70; 60:40; 75:25. изготовления волокнистых элементов Удельная поверхность насадки 700 и ухудшению их прочностных и техноло1800 м 2 /м 3 , гических характеристик. Указанные 4. Волокнистые элементы набраны пределы количества периферийных шнуиз отрезков полиэтилентерефталатных ров позволяют изготавливать сердечник 35 волокон (D, = 14 *10"6 М) И поликапроволокнистых элементов, имея шнуры как амидных волокон (D 2 =0,25-Ю~ 3 м ) . Соодного, так и разных диаметров. отношение количества волокон, %: Варьированием удельной поверхно2:98; 20:80; 45:55; 60:40; 75:25, стью волокон и ее свойствами достига- -fl 99:1. Удельная поверхность насадки ются оптимальные величины скоростей 600 - 1900 м 2/м 3 . процессов тепло- и массообмена и конДиаметр волокнистых элементов центраций прикрепленной микрофлоры 50, 60, 70- мм. при протекании раз'яичных технологи- ^ Элементы с соотношением волокон ческих процессов в биореакторах, хи- -5 малого и большого диаметра от 99:1 мических реакторах, тепло- и массообдо 70:30 предпочтительны для метанменных аппаратах. тенков и других анаэробных биореактоИспользование различных сочетаний ров и фильтров, задерживающих мелковолокон разных диаметров с определендисперсную взвесь; ными свойствами поверхности волокон . - от 70:30 до 45:55 рекомендуются позволяет значительно расширить обдля биофильтров с полностью погруженласть применения насадки и использоной неподвижной насадкой; вать ее в подавляющем большинстве - от 45:55 до 1:99 - для биореакпроизводств биотехнологии, химической торов с вращающейся насадкой и насад» технологии, массо- и теплообменных кой,попеременно контактирующей с жидаппаратах и других областях, где не- • кой и газообразной фазой. обходимо интенсифицировать протекание При различных соотношениях количе* процесса с помощью насадки с опредества волокон различных диаметров и ленными свойствами. смачиваемой и несмачиваемой поверхно 1 1 15^0078 сти волокон, составляющих волокнистые элементы насадки, достигаются различные эффекты извлечения взвешенных веществ из природных вод, из полярной ' и неполярной жидкости, обеспечивается разная степень биологической очистки по ступеням биореактора, изменяется полезный объем, занимаемый волокнис- • тыми элементами. ,При составлении сердечника из двух ветвей (проволок, шнуров), не дающих после скручивания остаточной деформации, волокнистые элементы при эксплуатации быстро выходят из строя за -5 счет высыпания отрезков волокон. Применение проволоки в реакторах с агрессивной средой, что имеет место в подавляющем большинстве случаев, исполь-* зования волокнистой насадки, требует _ либо защиты поверхности проволоки, либо ее изготовления из коррозионностойкого металла, что одинаково проблематично (сложно, дорого)• Более простым является подбор шну- 25 ров из полимерных и/или природных волокон, которые более дешевы и удобны при массовом производстве волокнистых элементов и использовании волокнистой насадки в различных средах, ,Q что сдерживалось отсутствием конструкции сердечника, обеспечивающего надежное защемление отрезков волокон. Конструкция сердечника волокнистых элементов обеспечивает срок их службы, сопоставимый с износостойкостью ** самих шнуров и отрезков волокон. Т.е. предотвращение высыпания отрезков волокон при эксплуатации позволяет эксплуатировать данную насадку в 3- • 5 раз дольше, чем известные аналогичные изделия» Кроме того, как показали исследования работы волокнистой насадки в биореакторах с различными режимами эксплуатации, применение волокнистых элементов, состоящих из набора отрезков волокон одного диаметра, не всеї— да обеспечивает длительною устойчивую работу биореакторов. Составление волокнистых элементов SQ из одних волокон малого диаметра (от 10"6до 10"4м) обеспечивает большую начальную поверхность насадки и большую грязеемкость. Т.е. такая насадка способна в начале извлечь из воды и 55 удерживать на себе значительное количество взвешенных частиц и микроорганизмов. В дальнейшем поверхность на 12 ездки 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.п.) насадках под действием динамических сил происходит обвисе«:ие волокон и уменьшение объема, занимаемого волокнистым элементом, а следо™ вательно - его грязеемкости. Составление волокнистых элементов из одних волокон большого диаметра (от К Г 4 до 10~3 м) обеспечивает значительно меньшую (на один - два порядка) начальную поверхность насадки и малую грязеемкость» Мелкодисперсные 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 порядков 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"6до 1ET4J и большого (от 10*4до Ю " 3 м ) , взятых в 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 • / • 13 15*0078 обновление поверхности в центральной в то время как для клеток с гидрочасти элементов, по сравнению с элефильной поверхностью, характерной ментами, состоящими только из волокон для большинства микроорганизмов, не- ' малого диаметра. обходимо преодолеть и электростатиПри составлении волокнистых элеческий, и гидратный барьеры. Очевидно ментов из волокон двух диаметров (Рд= поэтому микроорганизмы с гидрофобной 5 3 *»10~ м, Г^-10" м) при запуске биореи гидрофильной поверхностями по-разактора вначале в работу вступают воному удерживаются различными видами локна D4, сорбируя на своей поверх^ 10 поверхности. ности взвеси и микроорганизмы, затем Наличие в насадке волокон со сманачинают обрастать волокна Р е , коточиваемой и несмачивае^см поверхностью рые удерживают агломераты нераствообеспечивает создание условий для изренных частиц и сгустки биопленки. бирательного прикрепления на волокнах Пусковой период биореактора сокращатех или иных видов микроорганизмов ется, так как в комбинированных вои различных веществ, обеспечивая видолокнистых элементах волокна Р, быствой состав биопленки, наиболее прирее, чем волокна Г>2 накапливают на . годный для очистки тех или иных сточ- • своей поверхности жизнеспособные асных (природных) вод и аэр"обных или социации микроорганизмов и концентрианаэробных биореакторах. руют необходимые для них питательные В некоторых случаях прикрепление вещества. Кроме того, работа аэробномикроорганизмов на волокнах не обязаго биореактора отличается стабильнотельно, а насадка служит для интенсистью во времени, так как наличие вофикации массообменных процессов в локон П 2 увеличивает в насадке инерт- 25 свободноплавающей культуре микроорганый объем и сокращает часть объема, низмое. занимаемого анаэробной микрофлорой и Смачиваемость поверхности волокон нерастворенными примесями, которые также влияет на степень разделения в анаэробных условиях дают вторичные твердой и жидкой фазы, жидкой и газозагрязнения. образной. Адсорбция каждого из двух 30 Применение волокнистой насадки компонентов зависит от адсорбционной для разделения твердой и жидкой, жидспособности ІА концентрации другого кой и газообразной фаэ„ а также Д Л И компонента * Чем хуже адсорбируется отделения микроорганизмов от воды один компонент» тем легче происходит предъявляет различные требования к адсорбция другого. свойствам поверхности волокон, состав .35 1 Учитывай, что в большинстве случаляющих насадку. На поверхности волоев сточная жидкость имеет сложный соскон в большинстве случаев имеются тав как жидкой фазы, так и нераство-как полярные, так и неполярные группы, ренных примесей, очевидно, что соса также специально нанесенные вещесттавление волокнистых элементов из 40 ва (например, замасливатели) или волокон не только разных диаметров, загрязнения, содержащие разные функно и с различной смачиваемостью поциональные группы. Поэтому большинстверхности обеспечивает не только разво волокон смачивается как полярными, нообразие видового состава биопленки так и неполярными жидкостями. в биореакторах, но и увеличение стеОсновными' факторами агрегативной 45 пени извлечения нерастворенных примеустойчивости коллоидных систем, в сей или разделения несмешивающихся том числе и водных бактериальных сусжидкостей при помощи волокнистой напензий, являются электростатический садки. и гидратный барьеры. 50 Бактерии с гидрофобной поверхноФ о р м у л а и з о б р е т е н и я стью агрегируют при снятии электростатического барьера (в изоэлектри- 1. Насадка для массотеплообменных ческой точке). Бактерии с гидрофильи реакционных аппаратов, выполненная ной поверхностью не агрегируют в этих в виде упорядочение зафиксированных условиях. 55 на каркасе цилиндрических волокнистых Для агрегации бактерий с гидрофобэлементов, включающих гибкий сердечной поверхностью достаточно преодоник, состоящий из скрученных между леть лишь электростатический барьер, собой отдельных шнуров, с расходящи 15^0078 мися от него в радиальном направлении множеством отрезков волокнистых элементов, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью увеличения срока службы волокнистых элементов и упрощения эксплуатации насадки, гибкий сердечник состоит из, по меньшей мере, одного центрального шнура и расположенных вокруг него по периметру и скрученных вместе Ю с ним периферийных шнуров, свободные концы двух рядов отрезков волокон выполнены со смачиваемой и несмачиваемой поверхностью, и различным диаметром, размещены вокруг сердечника по 15 винтовым поверхностям и двумя рядами9 разделенными по середине центральный шнуром, а середина каждого из отрезков волокон прижата периферийными шнурами к центральному шнуру и с двух 2о сторон от него - к соответствующим волокнам другого ряда, с образованием тройного изгиба середины отрезков волокон между шнурами. ^ 2 О Насадка поп.1, о т л и ч а ю - 25 щ а й с я тем, что центральный и пе Фив. 1 16 риферийные шнуры выполнены из не* скольких нитей, скрученных между собой, с образованием профилированной поверхности у шнуров, при этом шнуры соприкасаются между собой. 3. Насадка по п.1, о т л и ч а ю щаяся тем, что волокнистые элементы состоят из набора волокон со смачиваемой и несмачиваемой поверхностью в соотношении от 1:99% до 99:1% от их суммарной поверхности на единицу длины элемента. h. Насадка по п,1, о т л и ч а ю * щ а я с я тем, что волокнистые элементы состоят из набора волокон, по меньшей мере, двух различных диаметров, взятых в интервале-от "К)'* до 3 10~ м, в соотношении от 1:99 до 99:U от общего их числа на единицу длины элемента. 5. Насадка по п.I, о т л и ч а ю щаяся тем, что сердечник волокнистых элементов имеет четное число периферийных шнуров. 15^0078 Фиг.2 Фиг.З 15*0078 Фиг. 7 Редактор Ео3уёйетова Составитель С.Баранова Техред М.Дидык Корректор М.Пожо Заказ 2 U 6 . Тираж 332 ' Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, «-35, Раушская наб., д. Ь/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул.Гагарина, 101