СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК C02F1/20 B01F3/04 

Изобретение относится к технологии обработки сточных жидкостей на основе воды, предназначено для дегазации жидкости в системах водоснабжения и может быть использовано для процесса насыщения объемов жидких сред гетерофазными средами жидкостью и газами.

Известен способ обработки жидкостей, включающий подачу исходной жидкости под давлением (2-5 кгс/см²) и выброс ее из соплового насадка по профилю канала Вентури, где из истекающей струи высвобождается часть газа, а жидкость подвергают вторичному воздействию газом и паром (парогазовой средой). Используемое для этого способа устройство выполнено в виде камеры обработки с удлиненным каналом, врезанным по касательной (тангенциально) в пневмогидроциклон и патрубки подачи и отвода жидкости, при этом в канал по ходу введен патрубок с паром. Такой способ и используемое устройство более эффективны при обработке сточных вод.

Однако их недостатки заключаются в невозможности управления процессом выделения газа из воды, газа-пара из воды, так как камера обработки не имеет средств активного выделения этих сред, а рассчитана на стахостический, неуправляемый процесс взаимодействия, который не приводит к поставленной цели и резко снижает эффективность обработки сточных вод, вынуждая вести процесс многоциклично, что приводит к повышению энерговремени и трудозатрат и лишает весь способ рентабельности при незначительном КПД используемого устройства и всего технологического оборудования.

Задача изобретения повышение эффективности за счет улучшения кинетических характеристик и гетерофазности жидкости и участия ее в процессе обработки при повышении КПД устройства.

Задача достигается за счет того, что в способе обработки жидкости, включающем подачу жидкости под давлением через сужающиееся сечение и воздействие на истекающую струю по образующей пониженным по отношению к давлению в жидкости, давлением окружающей среды. Жидкость после сужения ее живого сечения разделяют на три объема, каждый из которых подвергают мгновенному расширению по сечению, один из объемов делят на струи, а воздействие пониженным давлением ведут по кольцу при его значении, меньшем, чем давление окружающей струи, создавая это пониженное давление по периферии струи до ее подачи потребителю.

Задача достигается также за счет того, что в устройстве для обработки жидкостей, содержащем камеру обработки и патрубки подачи и отвода жидкости, корпус снабжен кольцевой камерой с герметичной гофрированной мембраной, разделяющей ее на две кольцевые полости, внутренняя из которых снабжена перфорированной мембраной и соединена с камерой обработки посредством тангенциальных каналов, выполненных по одну сторону от гофрированной мембраны, а наружная полость соединена с камерой обработки наклонными к оси каналами, выполненными в корпусе по другую сторону от мембраны, при этом площадь сечения каналов, ориентированных по ходу жидкости, меньше площади сечения каналов, направленных навстречу движению жидкости, а мембраны снабжены винтовыми приспособлениями для регулирования их напряжения и фиксации профиля между полостями кольцевой камеры, при этом патрубок отвода жидкости выполнен в форме усеченного конуса и снабжен кольцевым насадком, имеющим наклонные к оси каналы и установленные с зазором к стенке корпуса и снабжен кольцевым насадком, имеющим наклонные к оси каналы и установлены с зазором в стенке корпуса камеры обработки.

На фиг. 1 показано устройство, разрез по оси; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1 (деталь узла камеры обработки).

Устройство для обработки жидкостей содержит камеру 1 обработки исходной жидкости с патрубками 2 и 3 подачи и отвода жидкости соответственно.

В корпусе, в полости камеры 1 выполнены дополнительная кольцевая камера 4, разделенная герметичной гофрированной мембраной 5 на две кольцевые полости 6 и 7, при этом внутренняя полость 6 имеет перфорированную мембрану, а наружная 7 соединена наклонными к оси каналами 8 с камерой 1, со стороны патрубка 2, а также каналами 9, направленными в сторону патрубка 3, причем, обязательным условием является то, что сумма сечений каналов 8 превосходит сумму сечений каналов 9; камера 7 соединена наклоненными к оси каналами 10 и 11 с входом и выходом жидкости, причем сумма сечений отверстий 10 больше этого показателя суммы сечения каналов 11, т.е. сечение каналов 9 и 11, ориентированных по ходу жидкости, соответственно меньше сечений встречных к жидкости каналов 8 и 10.

При этом каналы 8 и 9 находятся по одну сторону гофрированной мембраны, а каналы 10 и 11 по ее другую сторону (фиг.1), т.е. работают в отдельных кольцевых полостях 6 и 7 кольцевой камеры 4.

Камера 1 выполнена с оригинальным профилем (в сечении) имеет сужающееся плавно по лемнискате сечение 12 и такое же плавно расширяющееся по лемнискате сечение 13 после соединяющего их критического среднего (минимального) криволинейного сечения 14, что в совокупности обеспечивает наложение на протекающую жидкость трехмерных механических колебаний (по трем осям) и вынуждает саму же жидкость участвовать активно в процессе ее же обработки, образуя гетерофазную среду из начального объема жидкости.

Для управления процессом работы мембран, каналов и камеры 4, мембраны оснащены винтовыми приспособлениями 15 для регулирования их напряжения и фиксации профиля между полостями кольцевой камеры, при этом при настройке мембран, как камертона, на определенные колебания, в зависимости от расхода и характера поступающей жидкости, винты 15 отводят от контакта с поверхностью мембран, а натяжение мембран фиксируют винтом "Ф", соединенным с нею струнами, как фиксаторами натяжения мембраны.

Выходной патрубок 16 камеры обработки снабжен кольцевым насадком 17, установленным снаружи с зазором 18 между ними, причем кольцевой зазор 18 соединен посредством штуцера 19 с вакуум-камерой (не показана). Зазор В, а также высота между окончаниями патрубков 16 и 17 Н₁, как и высота Н₂ насадка 17, строго выбраны по отношению к решенной задаче обработки жидкости при выделении из нее газов, парогазов, и других посторонних газообразных и взвешенных механических включений, при получении чистой жидкости после обработки. Эти три параметра (высота и зазор) согласованы с камерой 4 и всем процессом подачи-обработки и отвода жидкости из устройства (данные эксперимента и численной модели, выполненные заказчиком), при этом и углы α и β наклона каналов выбраны согласно данного способа.

Патрубок 16 может использоваться при выходе жидкости без кольцевого насадка 17. Для этого ставится кольцевой затвор 20 между ними и пилоны 21 с винтом 22, на котором закреплен клапан 23. Прилегающая его плоскость и плоскость контакта с ним затвора 20 притерты.

Оснащение насадком 17 и оснащение клапаном 23 устройства позволяет реализовать процесс вторичного мгновенного расширения истекающей жидкости со среза патрубка 16. Кроме того, при использовании клапана 23 обработанной средой может быть не только однофазная среда, предназначенная (например, вода) для непосредственного использования, но и сжиженный газ, парогазожидкостная смесь, предназначенная для подачи через клапан на процесс массообмена и массонасыщения.

Далее устройство раскрывается при изложении процессов осуществления способа, который начинают с тарировки узлов устройства на определенную жидкость (поступающую среду), в которую входят напряжение мембран для задания частоты колебаний жидкости в камере 4, при выполнении кривой входа, сужения и расширения жидкости 12, 11 и 13 по кривой лемнискате для выбора наиболее эффективного режима тока.

Полость 24, образованная выходом сечения 13, является вакуумирующей камерой для газовой фазы истекающего потока из камер обработки К₁, К₂, К₃и К₄ всего устройства (таким образом, в данном устройстве имеется четыре камеры активного воздействия на обрабатываемую жидкость, поступающую по входному патрубку 2 устройства).

Камеры обработки сформированы стенкой корпуса камеры 1 и стеной внутренней камеры 14 (наименьшего сечения) при участии в этом формировании перфорированной мембраны 5 (фиг.1 и 2) и гофрированной мембраны 25. Гофры выполнены также и снаружи стенки сечения 14. Эти гофры (каверны) 26, представляющие собой кольцевые диаметральные выработки в теле стенки сечения 14, являются камерами накопления и срыва газа.

Такую же функцию выполняют гофры 27 мембраны 25 (фиг.2), В них происходит интенсивное накопление газа и срыв его в виде высвобожденных из объема воды пузырьков, которые после срыва уже не растворяются снова в объеме (потоке) жидкости, а уносятся отделенной газовой фазой вдоль стенки сечения 14, из каналов 9, 10 и попадают в газовую вакуумную камеру 24, откуда через газоводный клапан 23 (выполненный в виде свободно закрепленной плоской заслонки) газ поступает в отводящие штуцеры 19 и далее на утилизацию.

Узлы устройства имеют строго взаимосвязанные параметры: углы наклона мембран 5 и 25 относительно осей каналов 8 и 10; углы наклона осей каналов 9 и 11 относительно продольной оси камеры К₄; угол наклона стенки сечения 14 относительно продольной оси устройства; и угол наклона стенки патрубка 16 относительно продольной оси устройства, все эти четыре угла выбраны экспериментально при испытаниях опытной модели устройства на НПО "Фармакон" и НПО "Технолог", являются важными в технологическом эффекте и составляют данные "ноу-хау".

Кроме того, важными являются размеры Н₁, Н₂, В и их взаимоувязка и соотношения в устройстве (все конкретные параметры по размерам и углам в данном описании не приводятся, как составляющие особую значимость в эффективности и показателях работы устройства, но могут быть приведены при соответствующем запросе).

Работа устройства раскрывается при изложении процесса осуществления способа обработки жидкостей, который начинают с выверки напряжений мембраны 5 и 25 штоками 28 и 29 винтов 15 (фиг.2), камертонной их проверки на частоту колебаний, далее по патрубку 2 подают исходную жидкость, которая распределяется по камерам К₁-К₄ узлов устройства, где активно и эффективно разделяется на две фазы: собственно жидкость и газовую фазу, газ из камер К₁-К₃ выходит из отверстий 9 и 11, а газ, накапливающийся в сечении 14, истекает по стенке 13, по лемнискате, середина которой находится в наименьшем сечении 14. Выбор параметров Н₁, Н₂ и В осуществляют для определенного класса жидкости, например воды, масел, сжиженного вместе с водой газа и т.п. Эти тарировочные настройки необходимы для получения максимальной эффективности процесса, который показан на примере.

П р и м е р. Сточную воду завода им.Лепсе (Ленинградское ПО "Трублит") с содержанием растворенных газов: Н₂, СО, FeC и др. с общим содержанием газов 65 мг/л подают через патрубок 2 в камеру 1 устройства, где поток подвергают сужению от 92 мм в диаметре по линии лемнискаты 12 до 28 мм в диаметре, часть сужаемой по сечению жидкости поступает через отверстие 10 и 8 в полости: 7 и 6, струя из канала 8 ударяет и прогибает мембраны 5, в то время, как струя параллельного канала 10 стремится выравнять плоскость мембраны. Это приводит к генерированию механических колебаний мембран и протекающей жидкости по полостям 6 и 7, скорости и давления которых различны. Истекающая из каналов 9 жидкость, имеющая колебания, своим наклоном подвергают активным колебаниям поток, прошедший сужение и начавший мгновенно расширяться в сечении 13 (скорость процесса расширения потока по данным проверки заявителя составляет 0,001-0,007 с), что приводит жидкость и участию в обработке своего же объема. Частота колебаний струй 9 находится в пределах 23-28 тыс. Гц, частота колебаний струй 11 в пределах 18-22 тыс.Гц, что подвергает поток мгновенному вскипанию и образованию гомогенной среды жидкости, не связанной с газом, который отбрасывается к периферии по лемнискате сечения 13 и после среза 16 патрубка попадает в канал 18, из которого по штуцеру 19 отводится в вакуум установку для утилизации и использования в других технологических процессах. Отвод газа активизируется за счет вторичного, после среза 16, мгновенного расширения жидкости, имеющей заданные механические колебания одновременно в трехмерном пространстве (по трем основным осям объема).

При указанных выше параметрах, высота Н₁ составляет 0,2-0,3 Д-16, а высота Н₂ составляет 2,5-4,0 Н₁. при В 0,1-0,15 Д16. Эти параметры и принципиальная реализация способа приводят к улучшению кинетических характеристик потока движения, колебание частиц жидкости и газа, имеющих резко различные массы, по трем осям, что приводит к эффективности процесса по остаточному газу не более 0,01% что более, чем на порядок, превосходит показатель прототипа; достигнуто снижение удельных энергозатрат на 24 кВт/100 м³ при высокой надежности и экологической частоте процесса.

Использование: для обработки жидких сред в процессах дегазации и сатурации жидкостей, используемых в различных процессах (подпитка в тепловых сетях, затворение цементного камня, приготовление поливной жидкости, обработка стоков). Сущность изобретения: установка включает корпус 1, снабженный кольцевой камерой с герметичной гофрированной мембраной 2, разделяющей ее на две кольцевые полости, внутренняя из которых снабжена перфорированной мембраной, что обеспечивает эффективное накопление и выделение растворенных в жидкости газов сбором и сбросом выделенного газа при резком и постоянном расширении жидкости в полости корпуса и отводе газа через эжекционные каналы, выполненные в стенке корпуса 1. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обработки жидкостей, включающий подачу под давлением через сужающееся сечение и воздействие на истекающую струю по образующей пониженным по отношению к давлению в жидкости давлением окружающей среды, отличающийся тем, что жидкость после сужения ее жидкого сечения разделяют на три объема, каждый из которых подвергают мгновенному расширению по сечению, один из объемов делят на струи, а воздействие пониженным давлением ведут по кольцу при его значении меньшем, чем давление окружающей среды, создавая это пониженное давление по периферии струи до ее подачи потребителю. 2. Устройство для обработки жидкости, содержащее корпус камерой обработки и патрубками подачи и отвода жидкости, отличающееся тем, что корпус снабжен кольцевой камерой с герметичной гофрированной мембраной, разделяющей ее на две кольцевые полости, внутренняя из которых снабжена перфорированной мембраной и соединена с камерой обработки посредством тангенциальных каналов, выполненных в корпусе по одну сторону от гофрированной мембраны, а наружная полость соединена с камерой обработки наклонными к оси каналами, выполненными в корпусе по другую сторону от мембраны, при этом площадь сечения каналов, ориентированных по ходу жидкости, меньше площади сечения каналов, направленных навстречу движению жидкости, а мембраны снабжены винтовыми приспособлениями для регулирования их напряжения и фиксации профиля между полостями кольцевой камеры, при этом патрубок отвода жидкости выполнен в форме усеченного конуса и снабжен кольцевым насадком, имеющим наклонные к оси каналы и установленным с зазором к стенке корпуса камеры обработки.