СПОСОБ ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C02F1/24 G05D27/00 

Изобретение относится к флотационной очистке жидких сред и может быть использовано для очистки природных вод от взвешенных веществ, бытовых, производственных и дождевых сточных вод от нефтепродуктов, жиров, взвешенных и поверхностно-активных веществ.

Известен способ флотационной обработки природных вод с мутностью до 150 мг/л и цветностью до 200 град. заключающийся в том, что выделение взвесей из воды производится с помощью пузырьков газа, полученных из перенасыщенного водовоздушного раствора [1, с. 199]
Недостатками способа являются низкая эффективность и невысокая экономичность процесса очистки в условиях, когда мутность исходного потока изменяется во времени.

Наиболее близким к изобретению является способ флотационной обработки высококонцентрированной сточной жидкостиа [2] состоящий в том, что общий поток очищаемой воды разделяется на несколько частей пропорционально объему каждой ступени флотации. Это позволяет не только производить доочистку воды предыдущей ступени, но и использовать ее для разбавления исходного высококонцентрированного потока, поступающего в следующую ступень устройства.

Недостатками известного способа флотационной обработки сточной жидкости являются низкая эффективность очистки в условиях, когда мутность исходной воды меняется во времени, сложность процесса регулировки и управления технологическими параметрами, а также низкая экономическая эффективность процесса.

Известно устройство, осуществляющее способ флотационной обработки природных вод с мутностью до 150 мг/л и цветностью до 200 град. [1, с. 199, рис. 11.3 и с. 201, рис. 11.5]
Недостатком известного устройства является то, что оно очищает воду с изменяющейся мутностью во времени не эффективно и с низкой экономичностью.

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее подводящий и отводящий трубопроводы, многоступенчатый флотореактор с флоторазделителями каждой ступени очистки, эжектор, насос, сатуратор, трубопровод с регулировочными элементами для подачи водовоздушной смеси к каждому флотореактору, скребковый механизм и приемник пены [2]
Недостатками известного устройства являются низкая эффективность очистки в условиях, когда мутность исходной воды меняется во времени, сложность процесса регулировки и управления технологическими параметрами, а также низкая экономическая эффективность процесса.

Задача изобретения оптимизация эффективности флотационной очистки жидкости и упрощение процесса регулировки режима работы флотатора при обработке потоков с изменяющимися во времени входными характеристиками.

Известно, что эффективность флотационной очистки жидкости определяется рядом факторов, таких как дисперсность и объем газовой фазы в реакционной зоне флотатора, гидродинамические характеристики обрабатываемого потока, время обработки, рабочая температура, гранулометрические и физико-химические параметры загрязняющей дисперсной фазы и др. [1-5] Наиболее существенными из этих факторов принято считать степень газонаполнения в реакционной зоне флотатора и гидродинамические характеристики очищаемого потока.

Исследованиями [3, табл. 4.1, с. 125-128] например, установлено, что при изменении мутности исходной воды для поддержания постоянного эффекта очистки необходимо изменять степень насыщения обрабатываемого потока газом (фиг. 1). В противном случае это приведет либо к снижению эффекта очистки, либо к перерасходу энергии, затрачиваемой на приготовление водовоздушной смеси.

В известных устройствах оптимизация работы флотаторов осуществляется ручной или автоматической регулировкой каждого параметра или совокупности значимых, по мнению авторов исследований, параметров работы флотатора.

Сущность изобретения заключается в том, что для комплексного многофакторного регулирования процесса изменяют размеры реакционной зоны флотатора, что обеспечивает комплексную оптимизацию уровня всех основных факторов, таких как скорость движения жидкости и время ее обработки, степень газонаполнения и гидродинамические характеристики потока и, как следствие, оптимизацию выходных характеристик очищаемой жидкости.

Нагляднее всего сущность способа на примере обработки водного потока с загрязняющими веществами, создающими повышенную мутность. При этом задают стандартное значение мутности воды М_з, определяющее необходимый уровень очистки водного потока, и сравнивают ее с действительным значением мутности М_д очищенного водного потока. При отклонении величины М_д от М_з изменяют размеры реакционной зоны флотатора до тех пор, пока не будет достигнуто равенство М_д М_з. Так, если заданное значение мутности М_з будет меньше действительного значения М_д, то размеры реакционной зоны флотатора будут уменьшаться и соответственно наоборот. Для повышения быстродействия и точности поддержания заданного значения мутности очищенной воды М_з измеряют мутность очищаемой воды и с учетом скорости изменения мутности очищаемой воды производят корректировку размеров реакционной зоны флотатора в ту или другую сторону. Изменение размеров реакционной зоны флотатора меняет степень газонаполнения обрабатываемого потока, от которой зависит эффективность очистки во флотаторе.

Таким образом, предлагаемый способ характеризуется существенными отличиями от известных, поскольку позволяет без перенастройки сложной системы регулировки факторов, только за счет изменения размеров реакционной зоны флотатора оптимизировать выходные параметры обрабатываемого потока.

Предлагаемое техническое решение заключается в том, что напорный флотатор дополнительно содержит подвижную стенку флотореактора, установленную в направляющих и соединенную со штоком гидроцилиндра, гидрораспределитель с электрическим управлением, конечные выключатели, мутномеры, задающее устройство, сравнивающее устройство, сумматор, регулирующий прибор, компенсирующее устройство, управляемое реле времени, причем выход задающего устройства соединен с суммирующим входом сравнивающего устройства, вычитающий вход которого соединен с выходом мутномера, установленного на отводе очищенной жидкости, выход сравнивающего устройства соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом компенсирующего устройства, вход которого соединен с выходом мутномера, установленного на вводе очищаемой жидкости, выход сумматора соединен с входом регулирующего прибора, два выхода которого соединены соответственно через нормально-замкнутые контакты конечных выключателей с цепями управления гидрораспределителя, выход мутномера, установленного на вводе очищаемой жидкости. Кроме того, соединен с входом управляемого реле времени, а выход его соединен с электрифицированной задвижкой, установленной на трубопроводе для подачи жидкости на гидросмыв пены из флотационного устройства.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что предлагаемое изобретение содержит новые блоки со своими связями, позволяющими оптимизировать эффективность флотационной очистки жидкости и упростить процесс регулировки режима работы флотатора при обработке потоков с изменяющимися во времени входными характеристиками.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию изобретения "новизна".

Пример осуществления способа. Насосная станция первого подъема подает воду на очистные сооружения в количестве Q 80 м³/ч. Мутность воды составляет 100 мг/л. Через ввод 1 неочищенная вода поступает в стакан 2, а из него о трубопроводу 3 во флотореактор 4 (фиг. 2). В стакане 2 установлен погружной электронасос марки ЭЦВ6 10 110. Этот насос подает из стакана 2 воду в количестве Q 8 м³/ч при напоре H 120 м вод. ст. в эжектор 9, который подсасывает воздух из атмосферы в количестве 2,4 м³/ч, смешивает его с водой и подает образовавшуюся смесь в сатуратор 10. В сатураторе 10 воздух под давлением 0,5 МПа растворяется в воде, в результате чего образуется перенасыщенный водовоздушный раствор. Этот раствор через открытый вентиль 11 и трубопровод 12 подается в перфорированный снизу трубопровод 13, а из него со скоростью 20,8 м/с поступает во флотореактор 4. Образовавшиеся при этом пузырьки газа имеют средний диаметр, равный 50 100 мкм. Максимальная площадь поперечного сечения флотореактора 4 на границе верха подвижной стенки 5 ω = 2м²
Вначале определим минимальную скорость барботажа q_min, т. е. объем газа, пропускаемого в единицу времени через единицу площади сечения флотореактора 4
q_min 2,4 2 1,2 м/ч 0,033 см/с.

Затем определим максимальную скорость барботажа, используя формулу [4, с. 61]

где g ускорение силы тяжести;
средний диаметр частиц мутности;
ν кинематическая вязкость среды.

При 200 мкм и ν 10^-2 см²/с получим
q_max 0,078 см/с.

Результаты расчетов показывают, что в диапазоне изменения скорости барботажа от q_min до q_max стационарность режима флотации не нарушается. Площадь поперечного сечения флотореактора 4 на границе верха подвижной стенки 5 при максимальной скорости барботажа составит

Таким образом, в диапазоне изменения площади ω от 2 м² до 1,17 м² можно регулировать режим работы флотатора, добиваясь оптимальной эффективности флотационной очистки жидкости.

На фиг. 1 показаны графики зависимостей эффекта очистки сточной жидкости от исходной ее мутности и степени насыщения флотореактора газом, построенные по результатам исследований [3, табл.4.1] на фиг. 2 схема устройства для флотационной очистки жидких сред.

Предлагаемый способ был реализован с помощью устройства для флотационной очистки жидких сред, содержащего ввод 1 неочищенной жидкости, стакан 2, трубопровод 3, флотореактор 4, подвижную стенку 5, установленную в направляющих 22 и 24 и соединенную со штоком 21 гидроцилиндра 20, гидрораспределитель 19 с электрическим управлением, конечные выключатели 34 и 35 с нормально-замкнутыми контактами, насос 6, напорный трубопровод 7, задвижку 8, эжектор 9, сатуратор 10, вентиль 11, трубопровод 12, перфорированный снизу трубопровод 13, отражатель 14, флоторазделитель 15, мутномер 16, установленный на вводе 1 очищаемой жидкости, мутномер 17, установленный на отводе 18 очищенной жидкости, электрифицированную задвижку 26 на трубопроводе 25, перфорированный сбоку трубопровод 27, задающее устройство 28, сравнивающее устройство 29, сумматор 30, регулирующий прибор 31, компенсирующее устройство 32 и управляемое реле времени 33.

Устройство для флотационной очистки жидких сред работает следующим образом.

Очищаемая жидкость через ввод 1 поступает в стакан 2, а из него по трубопроводу 3 по флотореактор 4. Насос 6 по напорному трубопроводу 7 через открытую задвижку 8 подает жидкость из стакана 2 в эжектор 9. В эжекторе 9 происходит подсасывание воздуха из атмосферы и интенсивное перемешивание его с жидкостью. Из эжектора 9 смесь жидкости и воздуха поступает в сатуратор 10, в котором она сжимается. Под действием давления воздух растворяется в жидкости и насыщает ее. Из сатуратора 10 через открытый вентиль 11 по трубопроводу 12 смесь жидкости и воздуха поступает в перфорированный снизу трубопровод 13, из которого с большой скоростью выходит, соударяется с отражателем и, изменив направление, равномерно распределяется во флотореакторе 4. Попадая в зону меньшего давления, из насыщенной воздухом жидкости выделяются мельчайшие его пузырьки, необходимые для флотации мелкой взвеси. Эта взвесь вместе с пузырьками воздуха в виде пены поднимается на поверхность и сверху над подвижной стенкой 5 поступает во флоторазделитель 15, в котором происходит окончательное отделение очищенной жидкости от воздуха со взвесью. Очищенная жидкость по отводу 18 поступает потребителю, а пена периодически удаляется с помощью гидросмыва. При этом через заданные промежутки времени по сигналу с управляемого реле времени 33 задвижка 26 открывается и жидкость от насоса 6 по трубопроводу 25 поступает в трубопровод 27 с боковой перфорацией. Под действием струй жидкости пена удаляется в лоток (на схеме не показан). Через определенный промежуток времени по сигналу с управляемого реле времени 33 задвижка 26 закрывается. Промежутки времени, через которые открывается задвижка 26, выбираются исходя из мутности очищаемой жидкости по сигналу, поступающему от мутномера 16. Время удаления пены с помощью гидросмыва определяется опытным путем.

С задающего устройства 28 сигнал, соответствующий заданному (стандартному) значению мутности М_з очищенной жидкости, поступает на суммирующий вход сравнивающего устройства 29, а на его вычитающий вход подается сигнал с мутномера 17, установленного на отводе 18 и соответствующий действительному значению мутности М_д очищенной жидкости. В сравнивающем устройстве 29 происходит алгебраическое вычитание и на выходе его образуется сигнал ошибки, пропорциональный отклонению действительного значения мутности от заданного значения (М_з М_д). Этот сигнал ошибки поступает на первый вход сумматора 30 и далее на регулирующий прибор 31, например, типа РПИБ, выходы которого через конечные выключатели 34 и 35 соединены с цепями управления гидрораспределителя 19 так, что гидроцилиндр 20 через шток 21 воздействует на подвижную стенку 5. Габариты флотореактора 4 изменяются. Вместе с этим изменяется степень его газонаполнения и эффект очистки жидкости так, что сигнал ошибки, пропорциональный отклонению действительного значения мутности от заданного значения (М_з М_д), ликвидируется. Так, если заданное значение мутности будет меньше действительного ее значения, регулирующий прибор 31 выдает сигнал на перемещение подвижной стенки 5 слева - направо, и соответственно наоборот. Перемещение подвижной стенки 5 происходит до тех пор, пока действительное значение мутности очищенной жидкости не сравняется с заданным значением, установленным на задающем устройстве 28. Конечные выключатели 34 и 35 служат для блокировки сигналов управления, подаваемых на гидрораспределитель 19, когда подвижная стенка 5 находится в крайних положениях. Конечный выключатель 34 блокирует сигнал управления на перемещение подвижной стенки 5 справа-налево, когда она находится в крайнем левом положении, а конечный выключатель 35 блокирует сигнал управления на перемещение слева-направо, когда подвижная стенка 5 находится в крайнем правом положении.

Для повышения быстродействия и точности поддержания заданного значения мутности очищенной жидкости на второй вход сумматора 30 через компенсирующее устройство 32 подается сигнал с выхода мутномера 16, установленного на вводе 1 очищаемой воды. Компенсирующее устройство 32 представляет собой дифференцирующее звено и выдает через сумматор 30 на регистрирующий прибор 31 сигнал, пропорциональный скорости изменения мутности очищаемой жидкости, вследствие чего регулирующий прибор 31, не дожидаясь появления сигнала ошибки на выходе сравнивающего устройства 29, выдает управляющий сигнал на перемещение подвижной стенки 5 флотореактора 4 согласно скорости изменения мутности очищаемой жидкости. Это позволяет скомпенсировать влияние изменения мутности очищаемой жидкости на эффект очистки и, таким образом, поддерживать на заданном уровне мутность очищенной жидкости (таблица).

Из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ позволяет производить флотационную очистку жидкости с изменяющимися во времени входными характеристиками в оптимальном режиме. Это повышает качество очистки жидкости и снижает энергетические и эксплуатационные затраты.

Источники информации
1. Николадзе Г. И. Технология очистки природных вод. М. Высшая школа, 1987.

2. Авторское свидетельство СССР N 785205, кл. C 02 F 1/24, 1980.

3. Медиоланская М. М. Электрохимическое поведение железо-алюминиевых сплавов в процессах очистки сточных вод. Кандидатская диссертация. Л. 1989.

4. Дерягин Б. В. Духин С. С. Рулев Н. Н. Микрофлотация. М. Химия, 1986.

5. Матов Б. М. Электрофлотационная очистка сточных вод. Кишинев: Катря МОЛДОВЕНЯСКЭ, 1982.

Использование: флотационная очистка жидких сред, в частности очистка природных вод от взвешенных веществ, бытовых, производственных и дождевых сточных вод от нефтепродуктов, жиров, взвешенных и поверхностно-активных веществ. Сущность изобретения: измеряют количественные характеристики входного и выходного потоков, сравнивают их с заданными стандартами и по результатам сравнения производят регулировку размеров реакционной зоны флотатора до тех пор, пока не будет достигнуто равенство количественных характеристик выходного потока с заданными стандартами; устройство для осуществления способа флотационной очистки жидких сред дополнительно содержит подвижную стенку флотатора, установленную в направляющих и соединенную со штоком цилиндра, гидрораспределитель, мутномеры, задающие устройство, сравнивающее устройство, сумматор, регулирующий прибор, компенсирующее устройство, управляемое реле времени. 2 с. п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ флотационной очистки жидких сред, включающий разделение общего потока очищаемой жидкости по ступеням, флотационную обработку жидкости в каждой ступени рециркулятом, предварительно насыщенным газом, и регулировку параметров обработки, отличающийся тем, что измеряют количественные характеристики входного и выходного потоков, сравнивают их с заданными стандартами и по результатам сравнения производят регулировку размеров реакционной зоны флотатора до тех пор, пока не будет достигнуто равенство количественных характеристик выходного потока с заданными стандартами. 2. Устройство для флотационной очистки жидких сред, включающее ввод очищаемой жидкости и отвод очищенной жидкости, флотореактор и флоторазделитель, эжектор, насос, сатуратор, трубопровод для подачи жидкости, насыщенной воздухом, и пеносборник, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит подвижную стенку флотореактора, установленную в направляющих и соединенную со штоком гидроцилиндра, мутномеры, задающее устройство, сравнивающее устройство, сумматор, регулирующий прибор, компенсирующее устройство, управляемое реле времени, причем выход задающего устройства соединен с суммирующим входом сравнивающего устройства, вычитающий вход которого соединен с выходом мутномера, установленного на отводе очищенной жидкости, выход сравнивающего устройства соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом компенсирующего устройства, вход которого соединен с выходом мутномера, установленного на вводе очищаемой жидкости, выход сумматора соединен с входом регулирующего прибора, два выхода которого соединены соответственно через нормально замкнутые контакты конечных выключателей с цепями управления гидрораспределителя, выход мутномера, установленного на вводе очищаемой жидкости, кроме того, соединен с входом управляемого реле времени, а выход его соединен с электрифицированной задвижкой, установленной на трубопроводе для подачи жидкости на гидросмыв пены из флотационного устройства.