Спосіб перемішування суспензії в процесі її бродіння та пристрій для його здійснення

1. Спосіб перемішування суспензії в процесі її бродіння за допомогою лопатевого перемішувача, 42754 Якщо у 1м 3 біологічного реактору у одиницю часу утворюється G кг газу, то найбільша робота, яку можна отримати від цього газу у реакторі, конструкція якого розглядається, з рівнем суспензії Н і площею основи S, дорівнюватиме бульбашки газу, який виділився на глибині h, може бути знайдена шляхом інтегрування архимедової сили, яка діє на цю бульбашку, по глибині, на який вона розташована. Ар химедова сила, яка діє на бульбашку, що розглядається, дорівнює вазі виштовхн утої рідини Fa=v(r p-r г)g, де v - об'єм бульбашки; r р - густина рідини; r г - густина газу; g - прискорення вільного падіння. З урахуванням цього, потенційна енергія бульбашки газу дорівнюватиме h ( h E = òL 0 h ì GS ï íp0 [(h - h 0 )ln(h - h 0 ) - (h - h 0 ) - h ln h 0 ] r0 ï 0 î = - r 0g ) L = ò v r p - r г gdh . 0 = З іншого боку, з урахуванням того, що r p gdh = dP , де Р - тиск газу у бульбашці, яка розглядається, цю формулу можна записати у вигляді L= ph ò p0 ò vr гgdh h 0 = m г gh = v0 r 0gh , де v0 та r 0 - відповідно, об'єм та густина газової бульбашки біля поверхні рідини. Таким чином, цей інтеграл дає витрату енергії на підняття газової бульбашки на висоту h у полі сил тяжіння. Так як r р>>r г, то роботою підняття газової бульбашки у полі сил тяжіння можна знехтувати. Тому потенційна енергія такої бульбашки газу буде практично дорівнювати роботі розширення газу, тобто є тією енергією, яку пропонується використовувати у цьому винаході. Для знаходження величини цієї енергії необхідно також врахувати залежність об'єму газу від його тиску, яка може бути записана у вигляді виразу v0 p0 v= . p 0 + r p gh З урахуванням цього, маємо h h p0 0 0 h = v0 p 0 ò 0 2ü ù ö H ï ÷ - H ú - r0 g ý= ÷ 2 ï ú ø û þ ì ü ï éæ h ö æ h ö ù H2 ï E = vг íp 0 êç 1 - 0 ÷ lnç 1 - 0 ÷ - 1ú - r 0 g ý. ç ÷ ç ÷ Hø è H ø û 2 ï ï ëè î þ Звідси, не важко знайти, що у біологічному реакторі, у 1 м 3 якого утворюється біля 1 м 3 біогазу на добу, рівень суспензії у якому дорівнює Н=10 м та площа основи реактора дорівнює S=100 м 2, за рахунок розширення газу можливо отримати потужність 1× 100 × 10 ì 6 éæ ï 10 ö æ 10 ö ù E= ÷ lnç1 + ÷ - 1ú í10 êç1 + 24 × 3600 ï 10 ø è 10 ø û è ë î 0 ò vdP = ò vrpgdh = ò ì æ H + h0 GS ï é íp0 ê (H - h0 )lnç ç h r0 ï ê 0 è î ë GSH ì é æ ï h ö æ h ö ù H2 ü ï íp 0 ê ç 1- 0 ÷ lnç 1- 0 ÷ - 1ú - r0 g ý. ç ÷ ç ÷ r0 ï ëè H ø è H ø û 2 ï î þ GSH Так як дорівнює об'єму газу, що утворюr0 ється у біологічному реакторі (Vг), то vdP - ò vr г gdh , ph ü H2 ï ý= 2 ï þ = де р0 - тиск на поверхні рідини; рh - тиск на глибині h. Так як добуток об'єму газу та його густини дорівнює масі газової бульбашки, яку ми рахуємо незмінною, можливо одразу знайти значення другого інтегралу в останній формулі h ù æ h + h0 ö G GS é Sdh = ò êp 0 lnç h ÷ - r0gh údh = ç ÷ r0 r0 ê 0 ø ú è ë û 10 ü ý = 440 Вт. 2þ Тут густина суспензії прийнята рівною 103 кг/м 3, а h0=10 м, це означає, що тиск на поверхні суспензії приблизно дорівнює атмосферному тиску. Отримане значення потужності щонайменше на порядок нижче, ніж потужність при гідравлічному перемішуванні суспензії. Нижче буде показано, що у більшості випадків потужності, яка отримується, цілком достатньо для запобігання розшаруванню суспензії, яка бродить, та для запобігання утворенню твердого осаду на дні біологічного реактору. Крім того, використання пристрою, який пропонується, не виключає можливості паралельного використання традиційних засобів перемішування суспензії в тих випадках, коли енергії газів, що виділяються при бродінні, буде недостатньо. Схему пристрою для перемішування суспензії в процесі її бродіння, який працює згідно описаного способу, показано на фіг. 2. Пристрій розташований у біологічному реакторі 1 і складається з горизонтально встановленого на підшипниках 2 корпусу 3 з радіально укріпленими на ньому лопатями 4, одна поверхня яких зроблена увігнутою, а друга - опуклою. Бокові поверхні лопатів закриті двома кільцями 5. - 10 3 × 9,81× v0 p 0 r p gdh = p0 + r p gh é p0 ù ê r g + hú dh ú. =v0 p 0 lnê p p0 ê p0 ú +h ê ú rp g ê rpg ú ë û p0 - полягає у тоrpg му, що він дає висоту стовпа рідини, тиск якого дорівнює тиску на поверхні суспензії, яка бродить у біологічному реакторі. Тому цю величину ми можемо позначити як h0. Фізичний сенс комплексу 2 42754 Пристрій працює таким чином. Газ, який утворюється при бродінні суспензії, піднімається догори. При цьому, він обтікає опуклі поверхні лопатів і накопичується у просторі, який обмежений увігнутими поверхнями лопатів 4 і кільцями 5. За рахунок сили Архимеда, яка діє на газ, що накопичився під увігнутою поверхнею лопатів, увесь пристрій поступово обертається навколо своєї осі. Рухаючись у біологічному реакторі, пристрій перемішує суспензію, руйнує тверду корку, яка утворюється на поверхні суспензії, та запобігає утворенню твердого осаду на дні біологічного реактору. Для зменшення сил, які діють у підшипниках пристрою, корпус 3 пристрою необхідно сконструювати таким чином, щоб сукупна плавучість пристрою під час його роботи була близькою до нуля. Для цього, якщо пристрій виготовлений з металу, його корпус може бути виго товлений порожнистим, а у тому випадку, коли пристрій виготовлений з пластику, у його корпус можуть бути вмонтовані вантажі. Так як швидкість обертання такого пристрою буде відносно малою, то в пристрої можуть бути використані підшипники ковзання з тертям по парі метал-пластик, при цьому суспензія, яка бродить у реакторі, може відігравати роль мастила. Якщо дно біологічного реактору має форму, близьку до циліндричної, то пристрій, що пропонується, здатен запобігати утворенню твердого осаду на дні біологічного реактору. Покажемо, що не дивлячись на те, що потужність пристрою, який пропонується, порівняно невелика, він здатний створити необхідне для цього зусилля. Максимальний об'єм газу, котрий може бути накопичений під увігнутою поверхнею лопатів, можно прийняти рівним 10% від сукупного об'єму біологічного реактору. У випадку раніше розглянутого реактору з робочим об'ємом 1000 м 3 об'єм газу, який може накопичуватися під вогнутою поверхнею лопатів, складатиме біля 100 м 3. Тому максимальне зусилля, що утворюється таким пристроєм, на кінцях лопатів, які руйнують осад, визначається силою Ар хімеда, яка виштовхує цей газ, і може досягати п'ятидесяти тонн. Цього цілком достатньо для того, щоб зруйнува ти осад, який утворився за декілька годин, або корку, яка плаває на поверхні суспензії. Так як перемішування суспензії у процесі її бродіння виконується, головним чином, для запобігання її розшаруванню, то швидкість руху пермішуючого пристрою повинна бути більша за швидкість осідання часток суспензії. Швидкість осідання часток, наприклад, при анаеробному бродінні відходів тваринництва (гною або пташиного посліду), звичайно не перевищує 1 м на годину. Тому, якщо перемішуючий пристрій буде робити навіть один оберт на годину, то і цього буде досить для запобігання розшаруванню такої суспензії. Покажемо, що потужність, яка отримується пристроєм, достатня для його роботи. Дійсно, хай потужність, яку розвиває пристрій для перемішування суспензії, становить 100 Вт. По порядку величин гідравлічний опір пристрою для перемішування суспензії конструкції, що розглядається, можно вважати близьким до гідравлічного опору циліндру довжиною Н та діаметром Н/2. Знайдемо швидкість руху такого циліндру у рідині, якщо на це витрачається потужність біля 100 Вт. Сила, яка впливає на цей циліндр, може бути знайдена по формулі [2] F=z×D×L×r×W2, де z - гідравлічний опір одиниці довжини циліндру, при Re