ЦЕНТРОБЕЖНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ ОТ ЖИДКОЙ СРЕДЫ Российский патент 1998 года по МПК B01D21/26 

Изобретение относится к системам для очистки загрязненных жидкостей, например сточных вод, с помощью световой энергии и может найти применение на предприятиях химической, нефтехимической, металлургической и других отраслей промышленности.

Известно устройство [1] для обработки жидких сред оптическим облучением, состоящее из соосно установленных камер, в зазоре между которыми равномерно расположены источники облучения.

Известно устройство [2] для обработки текучей среды, содержащее источник излучения, преобразующий светофильтр и средство для регулирования интенсивности обработки среды, выполненное в виде турбулизатора, например отрезок спирали.

Недостатками приведенных выше устройств являются малая производительность установок в результате неравномерности обработки жидкости и большие удельные энергетические затраты.

Известны также следующие устройства для очистки жидкостей от примесей с использованием центробежных сил.

Устройство [3] для отделения примесей от жидкой среды содержит цилиндрический корпус с патрубком для подачи очищаемой жидкости, установленную в корпусе сетчатую обечайку с приспособлением для очистки с нее примесей, а также расположенный в центре свободно вращающийся вал с жестко закрепленной на нем турбинкой с лопастями.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату при его использовании является устройство [4] для очистки жидкости, содержащее корпус с вводным каналом, вращающийся элемент, выполненный в виде Архимедовой спирали, ограниченной глухими стенками с отверстиями для отвода примесей.

Недостатками известного устройства являются не полный вынос части примесей из растворов и малая производительность устройства.

В настоящее время стоит задача отделения примесей от жидкостей, в частности от промышленных сточных вод, с наибольшей эффективностью за один цикл прохождения через установку с одновременным разделением примесей по фракциям, отличающимся по своим физико-химическим свойствам.

Таким образом, при осуществлении изобретения может быть достигнут следующий технический результат - интенсивное отделение от жидкости различных примесей с разделением по фракциям, значительно отличающимся по своим физическим (плотности, размеру частиц и т.д.) и химическим свойствам (органические примеси, металлы, соли и т.д.) при минимальных энергозатратах.

Сущность изобретения заключается в следующем. Рассмотрим совокупность законов движения частиц вещества в данном случае.

При поглощении молекулами вещества световой энергии происходят довольно сложные процессы.

Согласно квантовой (волновой) механике в атомных явлениях любые частицы (электроны, атомы, молекулы) ведут себя как волны.

Часть энергии кванта света, сообщая энергию атомам вещества, переводит его из нормального (низшего) состояния в одно из высших энергетических состояний - в возбужденное состояние. В возбужденном состоянии электрон движется по орбите как некоторая волна. Причем любой произвольной точке на орбите соответствует определенная фаза колебания, связанная с волной. Волновое движение электронов в органическом пространстве сводится, как и в других волновых явлениях, к образованию стоячих волн. В данном случае такое явление играет существенную роль.

Под действием центробежной силы вихревого потока атомы и молекулы вещества, испытывая вынужденные колебания, устремляются к периферийной зоне потока. Колебания имеют ту же частоту (длину волны), что и падающий свет. При согласовании с частотой движения вихря, т.е. при условии, что частота света больше в целое число раз частоты вращения жидкости в вихревом потоке, возникают явления, близкие к резонансным. Таким образом, частицы, испытывая собственные вынужденные колебания, попадая в резонанс с колебаниями системы, в данном случае вихря, легче преодолевают сопротивление среды (жидкости) и за кратчайший промежуток времени (доли секунды) устремляются в щелевые отверстия сборников.

Учитывая способность света вызывать переход частиц в возбужденное состояние, следует заметить, что не всякий квант сообщает свою энергию отдельному электрону. Значительная часть энергии будет распределена между атомами вещества (например, металла) и поведет лишь к его нагреванию. Известно, что для каждого металла существует предельная длина волны света, способная перевести его в одно из высших энергетических состояний. Если падающий свет имеет длину волны больше предельной, то такой эффект не возникает. Например, для цинка необходимо прибегать к УФ-излучению, так как работа для цинка довольно велика: A_Zn = 6,8•10^-19 Дж, для щелочных металлов (Na, K, Pb, Cs): A_Cs = 3•10^-19 Дж.

Таким образом, регулируя длину волны светового излучения, можно отделять определенные примеси от растворов.

На увеличение скорости отделения примесей помимо центробежной силы также влияет следующий фактор. При движении жидкой среды в вихре в его центре происходит торможение потока о стенки генератора светового излучения. Давление в этой зоне в результате этого возрастает (по закону Бернулли). Наблюдается значительный перепад давления между центральной зоной и периферийной. Частицы будут стремиться попасть в область пониженного давления, т.е. в периферийную зону.

Взаимосвязь импульсно-периодического режима работы источника света в согласовании с частотой вращения вихря и наличие отражающего покрытия внутренней поверхности повышают эффективность установки следующим образом.

Фотоны света, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины энергии, значительно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения. Такая обратная связь в совокупности с импульсно-периодическим режимом при согласовании с частотой световой волны позволяет выделять большой импульс излучения. Полная энергия этого импульса остается приблизительно на том же уровне, но вследствие сокращения в десятки или сотни раз длительности импульса также в десятки и сотни раз возрастает мощность излучения.

При модулировании резонансного явления при совпадении с частотой вращения вихря происходит максимальное усиление активной среды равномерно по всему объему жидкости. Такой режим ускоряет течение процессов, описанных выше.

Многоярусное расположение отсеков со щелевыми отверстиями кольцевой формы позволяет беспрепятственно выводить примеси с одновременным разделением их по физико-химическим свойствам.

Таким образом, достижение технического результата - интенсивное отделение примесей с одновременным распределением их по фракциям при минимальных энергозатратах обеспечивается в результате совокупности следующих явлений. Воздействие на исходную жидкую среду (раствор, суспензию) импульсного облучения, центробежной силы и перепада давления вихревого потока при согласованной частоте вращения с частотой излучения повышает скорость извлечения примесей на атомарном и молекулярном уровне, что в свою очередь позволяет разделить вещества по физико-химическим свойствам и быстро и непрерывно выводить их из системы прежде, чем размеры и количество частиц начнут препятствовать проведению процесса.

На чертеже изображена предлагаемая установка.

Центробежная установка для отделения примесей от жидкой среды содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, в котором установлена соосно реакционная камера 2. Между корпусом 1 и реакционной камерой 2 расположены ярусами радиально отсеки 3 для сбора примесей. Отсеки 3 сообщаются с реакционной камерой 2 через щели 4 кольцевой формы. Ширина щелей 4 соответствует среднему размеру частиц примесей и лежит в пределах 0,2-1,0 мм. Внутренняя поверхность отсеков 3 и реакционной камеры 2 покрыта отражающими интерференционными пленками. При этом выдержана строгая параллельность торцов друг к другу.

В центральной части реакционной камеры 2 по ее оси установлено устройство 5 для подвода световой энергии, представляющее собой две трубки 6 и 7, соединенные коаксиально по типу "труба в трубе". Внешняя поверхность трубки 6 представляет собой зеркальный отражатель света, трубка 7 - полупрозрачное зеркало, например, из лейкосапфира.

В межтрубное пространство помещены световоды 8, которые служат для подвода световой энергии от источника излучения (не показан). Это может быть ксеноновая лампа - вспышка или генератор УФ-излучения со светофильтрами, позволяющими пропускать свет с любой комбинацией длин волн: красный ( λ = 600 нм) или чередоваться с синим светом ( λ = 400 нм). Обычные источники света могут заменяться на лазеры импульсно-периодического действия, например XeC ( λ = 308 нм), сравнительно небольшой мощности - менее 1 кВт.

В нижней части корпуса расположена емкость 9 для приема исходной жидкости, в которой концентрично смонтирован шнек 10 для закручивания потока. Емкость 9 соединена с подающим насосом 11 мощностью около 150 Вт. Каждый отсек 3 содержит мембранный клапан для вывода примесей. В верхней части реакционная камера 2 соединена по трубопроводу 12 с приемной емкостью 9.

Установка работает следующим образом.

Производственные сточные воды подаются насосом 11 в приемную емкость 9 корпуса 1 установки, где освобождаются от крупных частиц твердой фазы. Под действием давления жидкость закручивается при помощи шнека 10 со скоростью 15-120 м/с и частотой вращения 100-800 Гц и заполняет реакционную камеру 2. При этом вихревой поток обтекает трубки 7 и 6 устройства 5 для подвода световой энергии. В качестве источника света используется, например, лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме. Длительность лазерного импульса 10^-3 с, энергия импульса составляет 1 Дж, частота импульсного излучения 100-800 Гц. Свет по световодам 8 попадает в устройство 5, отражается от зеркальной поверхности трубки 6, проходит через полупрозрачную зеркальную поверхность трубки 7 и затем многократно отражается от торцов внутренней зеркальной поверхности камеры 2 и отсеков 3. В этом случае мощность индуцированного излучения значительно возрастает - до 10⁸ Вт.

Под действием модулированного резонансного явления при согласовании частоты импульсного облучения, частоты световой волны и частоты вращения вихревого потока происходит активное воздействие энергии света на весь объем жидкой среды, вызывая физико-химические процессы. Одновременно под действием центробежной силы и перепада давления образованные частицы примесей устремляются в щелевые отверстия 4 и заполняют отсеки 3. Образующиеся при этом твердые и плотные частицы - продукты полимеризации мономеров, отвержденные полиэфирные смолы выводятся через нижние щелевые отверстия 4, а легкие, например ионы металлов и солей металлов, поднимаются с потоком выше и распределяются в верхнем ярусе щелевых отверстий 4. Процесс очистки происходит за короткий промежуток времени - за доли секунды. По мере заполнения примеси выводятся из отсеков 3 при помощи мембранных клапанов в соответствующие накопители.

Остаток неочищенной жидкости при необходимости поступает из верхней части реакционной камеры для вторичной обработки в приемную емкость 9 через трубопровод 12.

Очистка сточных вод в зависимости от состава примесей может производится непрерывно с многократной циркуляцией. Изменяя частоту падающего излучения в широких пределах - от инфракрасного света ( λ = 600 нм) до рентгеновского ( λ = 150 нм) и изменяя частоту импульса и соответственно частоту вращения жидкости, можно очищать промышленные стоки различного химического состава.

Производительность установки составляет от 6 до 35 м³/с. Затраты электроэнергии на один цикл обработки составляет приблизительно 1,0-0,5 кВт•ч/м³. При этом достигается высокая санитарная эффективность, исключающая выброс токсичных веществ в атмосферу.

Использование: в системах для очистки промышленных и бытовых сточных вод с помощью световой энергии на предприятиях химической, нефтехимической и металлургической промышленности. Сущность: центробежная установка для отделения примесей от жидкой среды содержит цилиндрический корпус 1, установленные в нем реакционную камеру 2, устройство для вращения жидкой среды в виде шнека 10, отсеки 3 для сбора примесей, установленные ярусами со щелевыми отверстиями, источник излучения света импульсно-периодического действия, соединенный со световодами 8. При этом частота излучения света и частота импульса равны или больше в целое число раз частоты вращения жидкой среды. Внутренняя поверхность установки выполнена из материала с высокой отражающей способностью. Под действием модулированного резонансного явления при согласовании частоты импульсного облучения, частоты световой волны и частоты вращения вихревого потока происходит активное воздействие энергии света на весь объем жидкой среды. Одновременно под действием центробежной силы и перепада давления образованные частицы примесей устремляются в щелевые отверстия 4 и заполняют отсеки 3 . 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Центробежная установка для отделения примесей от жидкой среды, включающая цилиндрический корпус, установленные в нем соосно реакционную камеру и устройство вращения жидкой среды, отсеки для сбора примесей, установленные ярусами, и устройство для подачи исходной жидкой среды, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена установленным по оси реакционной камеры источником излучения света импульсно-периодического действия с частотой импульса, равной или большей в целое число раз частоты вращения жидкой среды, при этом отсеки соединены с реакционной камерой через щелевые отверстия кольцевой формы. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность реакционной камеры и отсеков выполнена из материала с высокой отражающей способностью. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство вращения жидкой среды выполнено в виде шнека. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена источником излучения света с частотой световой волны большей в целое число раз частоты вращения жидкой среды.