Способ и устройство для поддержания твердых частиц во взвешенном состоянии в жидкости

Настоящее изобретеъше относится к способу поддержания твердых частиц во взвешенном состоянии в жидкости и к резервуару для использования в этом способе. Одним из примеров применения настоящего изобретения является его возможное использование в процессах сбраживания суспензий, в которых органические или другие суспензии, например животноводческие или другие стоки, принудительно засгавляются либо им позволяют вступать в реакцию с образованием, например, метана и остатка, который может использоваться в качестве удобрения и больше пригоден для внесения на поля, чем исходный материал.Известно, что ферментация или сбраживание органических отходов осуществляется в анаэробных условиях с помощью анаэробных бактерий в суспензии, поэтому материал в процессе сбраживания должен находиться в закрытых резервуарах. Этот процесс сравнительно ДЛИТСЛЬНЬТЙ И МОЖСТ занимать порядка НССКОЛЬКИХ НСДСЛЬ. В ТСЧСНИС ЭТОГО ВрСМСНИ ТВСРДЬТС ЧЗСТИЦЬТ СТрСМЯТСЯ ВЬТПЗСТЬ ИЗ СУСПСНЗИИ В осадок, если суспензия постоянно не перемешивается. При этом могут возникать различные проблемы, одной из которых является удаление твердых частиц в случае, если они, например,образуют осадок на дне резервуара, либо плавающую массу или корку.В настоящее время известны различные способы поддержания твердых частиц в таких суспензиях во взвешенном состоянии. В некоторых из них применяют механическое воздействие, например перемешивание либо вращение самого резервуара вокруг оси для взбалтывания содержимого. Иногда суспензию для перемешивания барботируют газом.Некоторые из известных способов вклюЧЗЮТ ПОДВСДСНИС К СУСПСНЗИИ ЗНЗЧИТСЛЬНОГО количества энергии, что в сочетании со стоимостью самого оборудования ухудшает рентабельность процесса в целом, в то время как другие не обеспечивают достаточно эффективного поддержания ТВСРДЬТХ частиц ВО ВЗВСШСННОМ СОстоянии. Поэтому метантенки и не распространены настолько широко, как хотелось бы в такой период времени, когда особенно ценится экономия энергии и повторное использование отходов.Целью настоящего изобретения, таким образом, является предоставление способа поддержания ТВСРДЬТХ частиц ВО ВЗВСШСННОМ СОстоянии в суспензии, который может осуществляться с меньшим подводом энергии и, следовательно, с меньшими затратами, по сравнению со способами, используемыми в настоящее время без снижения уровня эффективности, с которой ТВСрДЬТС ЧЗСГИЦЬТ ПОДДСрЯСИВПОТСЯ ВО ВЗВСШСНном состоянии. Дополнительная цель заключается в предоставлении устройства для осуществления такого способа, которое может изготавливаться относительно просто и дешево и эко 000328НОМИЧНО В ЗКСПЛУЗТЗЦРШ. ДОПОЛНИТСЛЬНЗЯ И ВО многих отношениях более важная цель заключается в предоставлении способа и устройства,которое будет надежно работать в течение продолжительных периодов времени для поддерЛИНИЯ ТВСрДЬТХ частиц МНОГИХ рЭЗЛИЧНЪТХ ТИПОВ во взвешенном состоянии.Настоящее изобретение согласно одному из аспектов предоставляет способ поддержания ТВСрДЬТХ частиц ВО ВЗВСШСННОМ СОСТОЯНИИ В ясидкости, включающий перемещение суспензии вдоль невертикальной оси резервуара по циркуляционной траектории с принудительным ДВИЭКСНИСМ потока ПО ЛИНИИ МИНИМЗЛЬНОГО расхода энергии для поддержания твердых частиц во взвешенном состоянии.Согласно другому аспекту изобретение предоставляет способ поддержания твердых частЩ во взвешенном состоянии в жидкости,включающий перемещение суспензии вдоль невертикальной оси резервуара по циркуляционной траектории с обеспечением ограничения потока, вследствие которого поток перемещается по Кривой вниз вдоль, как минимум, части траектории для поддержания твердых часттщ во взвешенном состоянии в жидкости.Согласно следующему аспекту предоставляется резервуар суспензии, снабженный приспособлениями для поддержания твердых часТИЦ ВО ВЗВСШСННОМ СОСТОЯНИИ В ЖИДКОСТИ ПОсредством обеспечения принудительной циркуляции последней при неподвижном резервуаре,части стенки которого (предпочтительно верхней) придана такая форма, которая направляет принудительный поток ясидкости по Криволинейной траектории с вертикальной составляющей для поддержания твердых часттщ во взвешенном состоянии. В альтернативном либо более ПрСДПОЧТИТСЛЬНО В ДОПОЛНИГСЛЬНОМ варианте нижней части стенки резервуара придается такая форма, которая направляет принудительный поток жидкости по криволинейной траектории с вертикальной составляющей для поддержания ТВСрДЬТХ частиц ВО ВЗВСШСННОМ СОСТОЯНИИ.Следует понимать, что способ особо пригоден для поддержания суспензий органических отходов во взвешенном состоянии в процессах сбраживания, и далее ссылка, как правило, будет делаться именно на такое применение, хотя данный способ равно пригоден для других суспензий.Способ и резервуар, соответствующие настоящему изобретению, являются следствием УЯСНСНИЯ ТОГО, ЧТО ТВСрДЬТС ЧЗСГИЦЬТ И ЯСИДКОСГ И различной удельной массы стремятся отделиться в вертикальном направлении, будучи оставЛСННЬПИИ В НСПОДВШКНОМ СОСТОЯНИИ, ОДНЗКО, В случае, если ясидкость и твердые частицы в суспензии принуждатотся К одновременному перемещению по одной траектории, тогда упомянутое передвижение относительного разделенияпредотвращается и поток остается, по существу,однородным, и, по крайней мере, более однородным И гомогенным, чем в случае используеМЬ 1 Х В НЗСТОЯЩСС ВрСМЯ СУСПСНЗИОННЫХ МСТЗНтенков при таком же подводе энергии. Вследствие этого снижается количество энергии, необходимое для достижения требуемой степени однородности.Энергия, необходимая для возбуждения циркуляционного перемещения суспензии, может обычно обеспечиваться посредством введения газа в нижнюю часть резервуара для суспензии, причем газ барботирует через суспензию и вызывает перемещение самой суспензии,находящейся рядом с газовыми пузырьками,вверх. Газ выходит через верхнюю часть резервуара, в то время как суспензия циркулирует в резервуаре, причем потоку придается принудительное направление, как указывалось перед тем, предпочтительно формой верхней части стенки резервуара, которая в предпочтительном варианте выпуклая внутрь резервуара. Скорость потока суспензии и форма стенки резервуара, в ПРСДПОЧТИТСЛЬНОМ ВЗРИЗНТС, ТЗКОВЫ, ЧТО В процессе эксплуатации обеспечивают образование,по существу, ламинарного потока суспензии вдоль стенки.В верхней части своего перемещения суспензия поначалу движется по траектории с направленной вверх составляющей и горизонтальной составляющей, направленной в сторону от восходящего потока пузырьков газа. После этого поток суспензии принудительно направляется по горизонтали и вниз до тех пор, пока, в конечном счете, его траектория не приобретает, по существу, вертикальную направленность. В резервуаре в непосредственной близости от этого участка может также предусматриваться вертикальньцй конструктивный элемент стенки, однако в более предпочтительном варианте стенка непрерывно изгибается таким образом, чтобы поток направлялся вниз и назад в сторону участка введения газа.Участок введения газа не обязательно должен находиться в самой нижней части резервуара; в предпочтительном варианте стенка резервуара изогнута таким образом, что потоку придается направленная вниз и по горизонтали составляющая перемещения к донной части резервуара с последующей направленной вниз и по горизонтали составляющей к участку введения газа, где поток становится, по существу,вертикальным. Таким образом, суспензия почти постоянно принудительно перемещается плавным потоком по криволинейной траектории,благодаря чему предотвращается расход энергии на образование завихрений и процесс оказывается более рациональным с точки зрения расхода энергии, по сравнению с предшествующими известными в данной области процессами.Циркуляционный поток может возбуждаться газом, подаваемым через нижнюю либо среднюю часть резервуара. Резервуар может шиеть круглое горизонтальное сечение, как миНИМУМ, с одним впускным отверстием для подачи газа в основании и куполообразную крышку,однако для упрощения конструкции резервуар в предпочтительном варианте удлинен в горизонтальном направлении в эксплуатационном положении и имеет одинаковое поперечное сечение с расположенными по его длине на определенном расстоянии друг от друга впускными отверстиями для подачи газа. Резервуар может работать периодически, причем в этом случае предусматривается лишь одно впускное/выпускное отверстие для суспензии, однако, в более предпочтительном варианте резервуар эксплуатируется непрерывно, причем подача и отведение суспензии осуществляется через раздельные впускные и выпускные отверстия. В этом случае суспензия прштудительно течет вдоль резервуара с одновременным принудительным образованием циркуляционного потока.Впускные отверстия для подачи газа могут располагаться вдоль либо в непосредственной близости от одной стороны резервуара, однако вновь-таки для упрощения изготовления предпочтение отдается тому, чтобы резервуар был зеркально симметричным относительно продольной плоскости симметрии, причем газ вводится в плоскость симметрии таким образом,чтобы в двух половинах резервуара образовывалось два циркуляционных потока, по одному на каждой стороне плоскости симметрии. В процессе эксплуатации два потока с помощью восходящего потока газа направляются в противоположные стороны. Поток в центре резервуара,направленный вертикально вверх, в верхних слоях жидкости разделяется на две половины,причем каждая из них, следуя форме стенки резервуара, принудительно направляется вдоль наружной части стенки, а затем назад к центру вдоль донной части резервуара. Несмотря на то,что оба потока образуются в противоположных половинах резервуара, между ними в центральной плоскости симметрии в предпочтительном варианте происходит обмен материалом, благодаря чему во время их существования во всем объеме резервуара происходит однородное перемешивание суспензии.Впускное и выпускное отверстия для суспензии в предпочтительном варианте располагаются в противоположных половинах резервуара и, кроме того, предпочтительно, на протиВОПОЛОЯСНЫХ КОНЦЗХ, ХОТЯ ОНИ МОГУТ НЗХОДИТЬСЯ и на одном конце резервуара.Как упоминалось ранее, впускные отверстия для подачи газа необязательно должны находиться в самом нижней части резервуара. В зеркально симметричном резервуаре они в предпочтительном варианте располагаются ме жду двумя изогнутыми участками стенки, обраЗУЪОЩИМИ НИЭКНИС ЧЗСТИ ДВУХ ПОЛОВИНОК. КОНЦЫ ЭТИХ УЧЗСТКОВ СТСНКИ ВЫСТУПЗЮТ ВВСрХ В направлеъши центральной части резервуара, где соединяются вместе с помощью расположенного между ними устройства для подведения газа. Наружные кромки участков стенки в предпочтительном варианте соединяются вместе участком стенки, образующим верхнюю часть резервуара, и образует непрерывные кривые с нижними участками стенки. Самая верхняя часть резервуара в предпочтительном варианте образует коллекторную полость, в которой газ собирается перед тем, как выйти из резервуара через верхнее выпускное отверстие. Участок стенки,образующий эту полость, может иметь любую конфигурацию, однако, в предпочтительном варианте он образует непрерывную кривую с остальными участками верхней стенки, благодаря чему резервуар как целое имеет кардиоидное сечение.В СООТВСТСТВРШ С ДОПОЛНИТСЛЬНЫМ альтернативным аспектом настоящего изобретения,предоставляется резервуар для суспензии либо иной смеси твердых частиц/ясидкости, имеющий вертикальную перегородку, выступающую из его нижней части и доходящую до его середины, причем поверхности верхней стенки контейнера придана плавная непрерывно изогнутая форма, благодаря чему в процессе эксплуатации направленный вверх поток Жидкости в Центральной части резервуара отклоняется наружу вниз по плавной циркуляционной траектории. В случае резервуара предпочтительной продолговатой формы, перегородка проходит по его длине и на противоположных сторонах плоскости,образуемой перегородкой, в двух половинах резервуара образуются течения, направленные в противоположные стороны.В соответствии с еще одним дополнительным аспектом настоящего изобретения предоставляется резервуар для суспензии либо иной СМССИ ТВСрДЫХ частиц/экидкости, ПОВСрХНОСТИ нижней части которого придана форма с образованием промежуточного ребра возврата, что в процессе эксплуатации способствует циркуляЦИИ ЯСИДКОСГ И В ПРОТИВОПОЛОЭКЪПЯХ направлениях в тех частях резервуара, которые расположены на противоположных сторонах ребра возврата.Следует понимать, что резервуар наиболее предпочтительной формы имеет две определенные ранее характерные особенности, а шиенно: гладко изогнутую верхнюю часть и дно с ребром возврата. Такой резервуар может, обычно,изготавливаться из листового материала и дополнительным аспектом изобретения предоставляется способ изготовления резервуара для суспензии, который включает этапы взаимонаправленного отгибания противоположных кромочных участков прямоугольного листа упругого гибкого материала по параллельным линиямотбортовки, захвата кромочных участков и изгибания основной части листа в плоскости, параллельной линиям отбортовки, и в направлении, противоположном направлению отбортовки с Целью сближения двух кромочных участков, причем основная часть листа образует непрерывно изогнутую стенку резервуара, соединяющую между собой кромочные участки, и подгонки торцовых стенок для того, чтобы закрыть открытые концы стенки резервуара.Кромочные участки, в предпочтительном варианте, отбортовываются таким образом, чтобы соприкасаться с одной из лицевых сторон основной части листа, прежде чем последний будет изогнут, и лист, в предпочтительном варианте, изгибается до тех пор, пока кромочные участки не оказываются, по сути, размещенными параллельно и не лежат в общем контуре резервуара.Резервуар, изготовленный подобным образом, имеет в целом кардиоидное сечение, то есть сечение, образуемое двумя половинами,зеркально симметричными относительно плосКОСТИ СИММСТрИИ И ВЗЗШИОСВЯЗЗННЫМИ на прилегающих концах в упомянутой плоскости двумя СОСДИНСННЫМИ КрОМОЧНЫМИ УЧЗСТКЗМИ, ПрИЧСМ ПРОТИВОПОЛОЭКНЫС ВЗЗИМОУДЗЛСННЫС КОНЦЫ ПОловин также взаимно соединены, но, в этом случае, плавно изогнутой стенкой. В процессе эксплуатации резервуар в предпочтительном варианте располагается таким образом, чтобы плоскость симметрии была направлена вертикально,а плавно изогнутая стенка находилась на самом верху. Впускные отверстия для подачи газа,предназначенного для возбуждения циркуляции суспензии в резервуаре, в предпочтительном варианте предусмотрены между взаимосвязанНЪ 1 МИ КрОМОЧНЫМИ УЧЗСТКЗМИ листа.В процессе эксплуатации резервуара, соответствующего настоящему изобретению, суспензию, которой позволяют либо принудительно заставляют вступать в реакцию, подают в резервуар, который заполняется почти доверху. Суспензия может содержать твердые частицы в любой форме либо в виде мелких отдельных частгщ, гранул, волокон, скоплений твердых примесей, смесей твердых частиц различного типа как с точки зрения физического, так и химического состава, либо твердых частиц, которые в большей либо меньшей степени плотнее чем их жидкий носитель. Подобным же образом реакция, которая должна произойти, может протекать в самой суспензии, не подвергаемой воздействию газа, либо же сам газ может вступать в реакцию с суспензией. Если реакция должна проходить в анаэробных условиях, резервуар должен быть герметически закрыт и подобран подходящий газ для возбуждения циркуляции.После заполнения резервуара суспензией,газ вводят с такой скоростью, чтобы суспензия поднималась в центральной части резервуара и поток разделялся, растекаясь наружу в двух по ловинах резервуара. Стенке резервуара придана форма, принуждающая суспензию течь вниз,следуя ее изгибу, причем твердые Частицы осТШОТСЯ В ЯСИДКОСТИ ВО ВЗВСШСННОМ СОСТОЯНИИ. Следует понимать, что резервуар должен быть наполнен до заданного высокого уровня, который позволяет двум потокам следовать изгибу верхних частей резервуара для достижения эффекта усиления потока, предусмотренного способом, соответствующим настоящему изобретению.По мере опускания потоков в двух половинах резервуара, они вынуждены, в силу формы нижних частей половин резервуара, перемещаться по плавно изогнутым траекториям,возвращаясь вверх К центру резервуара, где их вновь увлекает с собой направленное вверх течеъше пузырьков, которое, таким образом, возбуждает циркуляцию в двух половинах резервуара. В центре резервуара два потока смешиваются, чем обеспечивается общая однородность суспензии.Способ использования устройства допускает ряд вариаций. Например, суспензия может оставаться в резервуаре до завершения реакций,после чего замещается свежей порцией, подобно тому, как это делается в применяемых в настоящее время периодических процессах сбраживания. Резервуар, соответствующий настоящему изобретению, однако, имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что ОН МОЖСТ бЫТЬ ИСПОЛЬЗОВЗН В НСПрСрЫВНОМ процессе. С этой целью суспензия может непрерывно подаваться через впускное отверстие на одном конце резервуара и удаляться через отдельное выпускное отверстие. Время пребываНИЯ В МСТЗНТСНКС МОЖСТ бЫТЬ ДОСТЗТОЧНО ДЛИтельным для завершения сбраживания с последующим удалением суспензии, либо частично сброженная суспензия может перемещаться в следующий метантенк либо поочередно в доПОЛНИТСЛЬНЪ 1 С МСТЗНТСНКИ ДЛЯ завершения ПРОцесса.Следует понимать, что особой целью настоящего изобретения является сведение до минимума количества энергии, которая должна быть подведена к суспензии для поддержания ее циркуляции и однородности. Необходимое коЛИЧССТВО ПОДВОДИМОЙ ЗНСрГИИ СВОДИТСЯ ДО МИнимума посредством придания стенке резервуара соответствующей формы, однако, для достижения желаемого преимущества, необходимо свести до минимального уровня расход газа,возбуждающего циркуляцию. Соответствующий расход газа для конкретного резервуара и содержимого может быть вычислен либо определен экспериментальным путем, при этом, в предпочтительном варианте, должны быть предусмотрены регулирующие устройства, обеспечивающие возможность регулирования расхода в соответствии с различными условиями. В более предпочтительном варианте, однако, преду 000328сматриваются средства контроля для контролирования циркуляции в резервуаре и для обеспечения информации, которая позволяет регулировать расход газа вручную либо, в более предПОЧТИГСЛЬНОМ варианте, ЗВТОМЗТИЧССКИ В ПРОцессе работы.Средствами контроля в предпочтительном варианте являются датчики, например один (или более) акустический преобразователь, который контролирует уровень шума в резервуаре и с помощью соответствующих устройств управления изменяет расход для поддержания уровня шума в заданном диапазоне. Таким образом,расход газа увеличивается, если уровень шума падает ниже заданного порогового уровня, свидетельствуя о том, что перемещение суспензии в резервуаре недостаточно для поддержания однородности суспензии, и расход газа снижается, если уровень шума превышает заданный пороговый уровень, свидетельствуя о том, что перемещение суспензии происходит активнее чем необходимо. Расход газа может регулироваться либо изменением скорости потока и/или прерывистой подачей газа в резервуар посредством управления работой насосов и/или клапанов, предназначенных для подачи газа в резервуар.В случае использования резервуара в качестве метантенка для навоза, в состав газа, применяемого для возбуждения циркуляции, не ДОЛЭКСН ВХОДИТЬ КИСЛОрОД, МОЖСТ бЫТЬ ИСПОЛЬзован азот, диоксид углерода или же любой другой газ, инертный в данных условиях применения. Обычно метан этого же самого процесса сбраживания может рециркулироваться в резервуар после начала процесса.В случае использования резервуара и способа, соответствующего настоящему изобретению, для поддержания во взвешенном состоянии других твердых частиц кроме навоза, для возбуждения циркуляции могут использоваться другие газы кроме упомянутых ранее. В частности, для суспензий, в которых должны происходить аэробные реакции либо в которых воздух не оказывает воздействия на составляющие,может использоваться воздух.Резервуар, соответствующий настоящему изобретению, может эксплуатироваться самостоятельно либо в сочетании с другими подобными же резервуарами, соединенными последовательно либо иным способом. В частности,если резервуар используется для процесса,включающего эшотермическую реакцию, тепловая энергия, в предпочтительном варианте,ретенерируется и утилизируется для дальнейшего повышения уровня эффективности расхода энергии в процессе. С этой целью резервуар может быть размещен в наружном резервуаре либо баке, заполненном ясидким теплоносителем, способным поглощать теплоту реакции,протекающей в резервуаре. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобрете