Эрлифтинг: принцип работы и применение¶

Эрлифтинг (от англ. air lift — «воздушный подъём»; также эрлифт, воздушный подъёмник, газлифт для жидкостей) — устройство и способ подъёма жидкости или гидросмеси по вертикальной трубе за счёт энергии сжатого газа (обычно воздуха), подаваемого в нижнюю часть трубы. Относится к струйным аппаратам без движущихся частей: рабочей средой служит смесь газа и жидкости, имеющая меньшую плотность, чем окружающая среда. Применяется в водоснабжении, горном деле, нефтедобыче, химической промышленности и при аварийных работах.

¶Принцип действия

Работа эрлифта основана на законе сообщающихся сосудов и различии плотностей. В опущенную в жидкость вертикальную трубу снизу через форсунку (смеситель) подаётся сжатый газ. Газ образует в трубе пузырьки и газожидкостную смесь, средняя плотность которой меньше плотности чистой жидкости. За счёт разности гидростатических давлений смесь поднимается по трубе и изливается через верхний конец.

Движущая сила определяется выражением, связывающим глубину погружения трубы (H) и высоту подъёма (h): подъём возможен, когда относительное погружение трубы под уровень жидкости достаточно велико. Практически КПД эрлифта невелик — обычно 20–40 %, реже выше, поскольку значительная часть энергии расходуется на сжатие газа, трение и образование пузырьков. Основные преимущества — простота конструкции, отсутствие движущихся частей в зоне перекачивания и возможность работы с загрязнёнными, абразивными и агрессивными средами.

¶История

Идея подъёма воды сжатым воздухом известна с XIX века. В 1797 году немецкий изобретатель Карл Лошер предложил устройство для подъёма воды воздухом (так называемый «воздушный фонтан»), применённое на рудниках. В 1846 году французский инженер Жан-Батист Фурне построил эрлифт для откачки воды на шахте. Термин «air lift» закрепился в англоязычной технической литературе.

Широкое распространение эрлифты получили в конце XIX — начале XX века при проходке шахтных стволов, в кессонных работах и при строительстве тоннелей, где требовалась надёжная откачка воды с большим содержанием взвешенных частиц. В СССР эрлифты активно использовались в горнорудной промышленности и при бурении скважин.

¶Классификация и конструкции

Различают несколько типов эрлифтов:

• По расположению смесителя: с центральной (внутренней) подачей воздуха и с боковой (периферийной) подачей.
• По типу трубы: однотрубные и двухтрубные (воздух подаётся по отдельному каналу).
• По режиму работы: непрерывного и периодического (пульсирующего) действия.
• По назначению: водоподъёмные, шламовые (гидросмеси), нефтяные (газлифт).

Основные элементы: подъёмная труба, воздухоподающая труба или шланг, смеситель (форсунка), компрессор, сепаратор для отделения газа от жидкости на выходе.

¶Применение

¶Водоснабжение и водоотлив

Эрлифты применяются для подъёма воды из скважин, колодцев и шахтных зумпфов, особенно при наличии песка и взвесей. В шахтном водоотливе ценятся за надёжность и способность работать в аварийных условиях, когда насосы засоряются.

¶Горное дело и бурение

Используются для подъёма гидросмеси при добыче полезных ископаемых со дна водоёмов (например, добыча песчано-гравийных смесей, железомарганцевых конкреций), для очистки скважин и при бурении с продувкой. Эрлифт — один из способов подъёма пульпы при разработке россыпей.

¶Нефтегазовая отрасль

Газлифт — разновидность эрлифта — применяется для подъёма нефти из скважин, когда пластового давления недостаточно. В скважину закачивают газ, который снижает плотность столба жидкости и обеспечивает её подъём. Газлифтная добыча эффективна на месторождениях с высоким газовым фактором.

¶Химическая и пищевая промышленность

Эрлифты служат для перемешивания и транспортировки агрессивных и абразивных сред, где насосы быстро изнашиваются. Используются в биореакторах и аэрационных системах для насыщения жидкости газом и перемешивания.

¶Аварийно-спасательные работы

Применяются для откачки воды из затопленных помещений, подъёма затонувших предметов и в кессонных работах.

¶Расчёт и характеристики

Ключевые параметры эрлифта — глубина погружения смесителя, высота подъёма, расход газа и жидкости, диаметр трубы. Оптимальное относительное погружение (отношение глубины погружения к общей высоте подъёма) обычно составляет 0,5–0,7. Расход воздуха зависит от требуемой производительности и глубины; для подъёма воды с глубины 20–30 м он может достигать нескольких кубометров на кубометр поднятой жидкости. КПД повышается с увеличением диаметра трубы и глубины погружения.

¶Достоинства и недостатки

Достоинства: простота и надёжность, отсутствие движущихся частей в перекачиваемой среде, работа с загрязнёнными и агрессивными жидкостями, возможность размещения в искривлённых скважинах, пожаровзрывобезопасность при использовании инертных газов.

Недостатки: низкий КПД, необходимость компрессора и энергозатрат на сжатие газа, ограничение по высоте подъёма (обычно до 100–200 м при экономичной работе), зависимость от глубины погружения, эрозионный износ трубы.

¶См. также

• Газлифт
• Струйный насос
• Гидротранспорт
• Шахтный водоотлив