СПОСОБ АЭРАЦИИ ЖИДКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2002 года по МПК C02F1/24 C02F3/00 C02F1/24 C02F101/00 C02F103/02 

Изобретения относятся к устройствам и методам для аэрации жидкостей при очистке природных и сточных вод, а также могут найти применение в химической и других отраслях промышленности при проведении технологических процессов, требующих образования тонкодиспергированных пузырьков газа в жидкости.

Известны способы аэрации жидкостей с помощью струйных аппаратов (авт. свид. СССР 1381079, МПК С 02 F 3/20, от 1986 г.), в которых за счет увеличения поверхности контакта газа и жидкости обеспечивается интенсификация процесса массообмена. Однако достигаемое здесь двух-трехкратное увеличение контакта жидкости и газа не исчерпывает полностью всех возможностей струйных аппаратов.

Известны струйные аппараты, реализующие способ смешения сред в сверхзвуковом газожидкостном потоке (авт. свид. СССР 966326, МПК F 04 F 5/14, от 1980 г. ). Однако и в этом случае не используются полностью все возможности струйной техники. Известное устройство реализует способ, который имеет наибольшее количество общих признаков с предлагаемым способом, что дает основания для выбора его в качестве прототипа.

Известна также очистная установка, в которой образование мелких пузырьков воздуха во флотационной камере, необходимое для эффективной очистки, осуществляется с помощью водовоздушных эжекторов (авт. свид. 1286526, МПК С 02 F 1/24, от 1985 г.). Обогащенный в эжекторе воздухом поток воды подается в придонную область флотационной камеры под распределительную сетку, через ячейки которой поступает в объем флотационной камеры. Недостатком такой установки является невозможность получения мелких, до 10-50 мкм, пузырьков воздуха, так как отрывающиеся от сетки пузырьки намного превышают размер ячеек сетки, кроме того, велика вероятность засорения ячеек сетки и затруднено удаление осадка из нижней части камеры.

Известно также устройство для очистки сточных вод, содержащее насос, всасывающий и напорный трубопроводы, водовоздушный эжектор, состоящий из приемной камеры с патрубками подачи воды и подсоса атмосферного воздуха, камеры смешения, диффузора, и флотационную камеру (авт. свид. 1321691, МПК С 02 F 1/24, от 1985 г.).

Данное устройство позволяет получать более мелкие пузырьки воздуха во флотационной камере, а придонная часть ее не имеет вспомогательных конструкций, усложняющих ее эксплуатацию. Однако возможности данного устройства не использованы полностью, поскольку не оптимизирован процесс течения газожидкостной смеси в струйном аппарате, а также и ее поступление во флотационную камеру. Указанное устройство для очистки сточных вод имеет наибольшее количество общих существенных признаков, совпадающих с признаками предлагаемого устройства, и по этой причине выбрано в качестве прототипа.

В основу первого изобретения (способа) положена задача получения минимально возможных размеров пузырьков воздуха с целью получения мелкодисперсной газожидкостной среды и предельного упрощения аппаратурной реализации способа.

В основу второго изобретения (устройства) положена задача интенсификации флотационно-аэрационной обработки загрязненной воды при устойчивой работе устройства, простоте эксплуатации и минимизации эксплуатационных расходов.

Указанная задача в первом случае решается благодаря тому, что в способе аэрации жидкостей, преимущественно для флотационных или окислительных процессов, при помощи соединенного с напорным технологическим трубопроводом эжектора, содержащего конфузор, приемную камеру, патрубок подачи газообразной среды, камеру смешения и диффузор, путем ускорения жидкости в конфузоре при ее поступлении в приемную камеру, понижения давления в приемной камере, подсоса в нее через патрубок подачи газообразной среды, образования в камере смешения сверхзвукового газожидкостного потока и последующего его торможения с образованием скачка давления расход жидкости через конфузор поддерживают постоянным, а расход газообразной среды через патрубок подачи стабилизируют благодаря поддержанию на нем критического или сверхкритического отношения давлений, причем за счет изменения противодавления за эжектором генерируют в пределах его диффузора скачок давления.

Целесообразно для расширения функциональных возможностей и упрощения аппаратурной реализации в качестве газообразной среды использовать атмосферный воздух, а критическое или сверхкритическое отношение давлений на патрубке подачи газообразной среды поддерживать за счет понижения давления в приемной камере эжектора.

Целесообразно для повышения интенсивности скачка давления и достижения максимально возможной степени дробления газовых пузырьков, за счет изменения противодавления за эжектором, скачок давления генерировать на входе в его диффузор.

Указанная задача во втором изобретении решатся благодаря тому, что в установке для очистки сточных вод, содержащей насос, всасывающий и напорный технологический трубопроводы, эжектор, состоящий из конфузорного патрубка подвода сточных вод, приемной камеры, патрубка подачи атмосферного воздуха, камеры смешения, диффузора, и флотационную камеру, патрубок подачи атмосферного воздуха выполнен в виде сужающего устройства, а напорный технологический трубопровод снабжен по крайней мере одним конфузорным соплом, размещенным за диффузором эжектора в придонной части флотационной камеры.

Целесообразно для упрощения конструкции сужающее устройство выполнить в виде диафрагмы.

Целесообразно для повышения эффективности работы флотационной камеры за счет равномерного распределения газовых пузырьков по ее объему снабдить напорный технологический трубопровод горизонтальной гребенкой из конфузорных сопел, которые размещены в придонной части флотационной камеры.

Целесообразно для упрощения эксплуатации и простоты настройки по крайней мере одно из конфузорных сопел напорного технологического трубопровода выполнить с регулируемым проходным сечением.

Особенностью предложенного способа является то, что расход жидкости через конфузор поддерживают постоянным, а расход газообразной среды через патрубок подачи стабилизируют благодаря поддержанию на нем критического или сверхкритического отношения давлении, причем за счет изменения противодавления за эжектором генерируют в пределах его диффузора скачок давления.

Особенностью предложенного способа является также то, что в качестве газообразной среды используют атмосферный воздух, а критическое или сверхкритическое отношение давлений на патрубке подачи газообразной среды поддерживают за счет понижения давления в приемной камере эжектора.

Особенностью предложенного способа является также то, что за счет противодавления на выходе за эжектором скачок давления генерируют на входе в его диффузор.

Особенностью предложенной установки является то, что патрубок подачи атмосферного воздуха выполнен в виде сужающего устройства, а напорный технологический трубопровод снабжен по крайней мере одним конфузорным соплом, размещенным за диффузором эжектора в придонной части флотационной камеры.

Особенностью предложенной установки является также то, что сужающее устройство выполнено в виде диафрагмы.

Особенностью предложенной установки является также то, что напорный технологический трубопровод снабжен горизонтальной гребенкой из конфузорных сопел, которые размещены за диффузором эжектора в придонной части флотационной камеры.

Особенностью предложенной установки является также то, что по крайней мере одно из конфузорных сопел напорного технологического трубопровода выполнено с регулируемым проходным сечением.

На фиг. 1 схематически изображена установка для очистки сточных вод, имеющая флотационную камеру с регулируемым соплом. На фиг.2 схематически изображена установка для очистки сточных вод с несколькими соплами во флотационной камере.

Обозначение позиций на чертежах:
1 - насос;
2 - жидкость, вода (сточные воды, загрязненная вода);
3 - накопительная емкость;
4 - всасывающий трубопровод;
5 - напорный технологический трубопровод;
6 - эжектор;
7 - приемная камера;
8 - конфузор;
9 - патрубок подачи газообразной среды, (воздух);
10 - камера смешения;
11 - диффузор;
12 - конфузорное сопло;
13 - флотационноя камера;
14 - пеносборник;
15 - трубопровод отвода чистой воды;
16 - регулировочная игла конфузорного сопла;
17 - механизм перемещения регулировочной иглы;
18 - гребенка из конфузорных сопел.

Установка, реализующая предложенный способ, содержит (см. фиг.1) насос 1 подачи жидкости, (загрязненной воды) 2 из накопительной емкости 3, всасывающий 4 и напорный 5 технологический трубопроводы, эжектор 6, состоящий из приемной камеры 7, конфузора 8 подачи жидкости 2 (сточные воды, загрязненная вода), патрубка подачи 9 газообразной среды (воздух), который выполнен в виде сужающего устройства, камеры смешения 10 и диффузора 11. Напорный технологический трубопровод 5 снабжен конфузорным соплом 12, создающим противодавление (гидравлическое сопротивление), установленным на выходе напорного трубопровода 5 и размещенным в придонной части флотационной камеры 13, которая оборудована пеносборником 14 и трубопроводом 15 отвода чистой жидкости (воды). Конфузорное сопло 12 может быть выполнено с регулировочной иглой 16, которая имеет механизм перемещения 17.

Установка для очистки сточных вод с гребенкой 18 из нескольких конфузорных сопел 12, которые размещены в придонной части флотационной камеры 13, имеющей по крайней мере одно из сопел с регулировочной иглой 16 и механизмом перемещения 17 иглы, изображена на фиг.2.

Предложенный способ может быть реализован при использовании в качестве газообразной среды хлора, кислорода, воздуха и других газов, которые подаются через патрубок 9 подачи газообразной среды (сужающее устройство) в приемную камеру 7 эжектора 6 при давлении, превышающем атмосферное, так и с давлением, равным или меньшим атмосферного. В качестве жидкости в предложенном способе может использоваться загрязненная вода 2, статическое давление в потоке которой создает разрежение в приемной камере 7 эжектора 6 порядка 0,2-0,5 атмосферы, чем и обеспечивается критическое или сверхкритическое отношение давлений на патрубке 9 подачи газообразной среды (воздуха). Потоки жидкости (воды) и газообразной среды (воздуха) смешиваются в приемной камере 7 эжектора, образуя в камере смешения 10 сверхзвуковой пузырьковый двухфазный поток. Благодаря критическому или сверхкритическому отношению давлений на патрубке 9 (сужающем устройстве), через него в камеру смешения 10 эжектора 6 поступает постоянный расход газообразной среды (воздуха), зависящий только от площади выходного отверстия патрубка 9 (сужающего устройства), что в сочетании с постоянным расходом жидкости (воды) и определенным противодавлением за эжектором 6 обеспечивает условия для образования в его диффузоре 11 скачка давления, переводящего с резким возрастанием давления сверхзвуковой пузырьковый двухфазный поток в дозвуковой. Большие осевые градиенты давлений в скачке давления и разности скоростей фаз в зоне диффузора 11 обеспечивают вторичное дробление пузырьков, образовавшихся в камере смешения 10, при этом их минимальные размеры составляют 10-50 мкм, что повышает площадь их межфазной поверхности во флотационной камере и увеличивает интенсивность протекания флотационно-аэрационных процессов.

В итоге существенно повышается качество очистки воды (см. "Вопросы газотермодинамики энергоустановок", Харьков, 1975 г. , вып. 2, стр. 53-59, "Расчет течения газожидкостного пузырькового потока в диффузоре заданной геометрии", К.И. Сопленков и др.)
Предложенная установка работает следующим образом. Загрязненная, сточная вода 2 из накопительной емкости 3 по всасывающему трубопроводу 4, при постоянном расходе, подается насосом 1 в конфузорный патрубок 8 эжектора 6, ускоряется в нем с уменьшением статического давления в потоке, которое и создает разрежение в приемной камере 7 эжектора 6. Одновременно через патрубок 9 подачи газообразной среды (воздуха), в виде сужающего устройства, в приемную камеру 7 эжектора 6 подсасывается и атмосферный воздух. Так как перепад давлений на патрубке 9 поддерживается критическим или сверхкритическим, то величина расхода поступающего через патрубок 9 атмосферного воздуха остается постоянной и определяется только площадью выходного сечения патрубка 9 и не зависит от случайных изменений давления в приемной камере 7. Далее, в камере смешения 10 потоки воды и воздуха смешиваются и образуют сверхзвуковой пузырьковый двухфазный поток. Из-за противодавления за эжектором 6, вызванного гидравлическим сопротивлением напорного технологического трубопровода 5 и перепадом давления на конфузорном сопле 12, в диффузоре 11 эжектора 6 возникает скачок давления, переводящий поток в дозвуковой с резким возрастанием статического давления в потоке. Далее поток из эжектора 6 по напорному технологическому трубопроводу 5 через конфузорное сопло 12 поступает во флотационную камеру 13, снабженную пеносборником 14 и трубопроводом 15 отвода чистой воды. Большие осевые градиенты давления в скачке давления и разности скоростей фаз обеспечивают вторичное дробление пузырьков, образовавшихся в камере смешения 10, и получение их минимальных размеров, что существенно повышает площадь межфазной поверхности во флотационной камере 13, интенсивность протекания флотационно-аэрационных процессов, а следовательно, улучшает и качество очистки воды.

Эксплуатация установки не требует каких-либо дополнительных средств регулирования параметров, так как после запуска путем включения насоса 1 устойчиво поддерживается оптимальный режим ее работы.

Определение геометрических размеров проточной части эжектора 6, потребных напоров для реализации сверхзвукового режима работы в камере смешения осуществляется по известным методикам расчетов водовоздушных эжекторов и их элементов (см. , например, "Лопаточные машины и струйные аппараты", вып. 5, Москва, Машиностроение, 1971 г., стр. 175-261, Ю.Н. Васильев "Теория двухфазного газожидкостного эжектора с цилиндрической камерой смешения."). Что же касается определения необходимой площади поперечного сечения конфузорного сопла 12, размещенного во флотационной камере 13, то ее можно получить путем последовательного подбора сопел разного диаметра и измерения давления перед диффузором 11 до появления максимально достижимого давления во фронте скачка давления. Такая работа выполняется при пусконаладочных работах. Чтобы упростить такие работы, конфузорное сопло 12 может быть выполнено с регулировочной иглой 16, которая имеет механизм перемещения 17 вдоль оси конфузора.

Улучшить пусконаладочные работы и оптимизировать протекание процесса очистки можно путем использования гребенки 18 из нескольких конфузорных сопел 12, которые размещены в придонной части флотационной камеры 13 (см. фиг.2). Сопла гребенки обеспечивают более равномерное насыщение воды во флотационной камере 13 мелкодисперсными пузырьками воздуха. Именно эти мелкодисперсные пузырьки, равномерно распределенные по объему флотационной камеры 13, благодаря расположению конфузорных сопел 12 совершают восходящее круговое движение, которое выносит в пеносборник 14 примеси, взвешенные в воде, а очищенную воду направляют в трубопровод 15, причем по крайней мере одно из этих сопел может быть выполнено с регулировочной иглой 16, что расширяет возможности процесса пусконаладочных работ.

Изобретения относятся к устройствам и методам для аэрации жидкостей при очистке природных, сточных и промышленных вод. В способе аэрации жидкостей преимущественно для флотационных и окислительных процессов при помощи соединенного с напорным технологическим трубопроводом эжектора с конфузором, приемной камерой, патрубком подачи газообразной среды, камерой смешения и диффузором расход жидкости через конфузор поддерживают постоянным, а газообразной среды - стабилизируют поддержанием критического или сверхкритического перепада давлений. За счет изменения противодавления за эжектором генерируют в пределах его диффузора скачок давления. Максимальное дробление газовых пузырьков достигается за счет изменения противодавления за эжектором. В установке для очистки сточных вод патрубок подачи атмосферного воздуха выполнен в виде сужающего устройства, а напорный технологический трубопровод снабжен по крайней мере одним конфузорным соплом, сужающее устройство выполнено в виде диафрагмы. В придонной части флотационной камеры размещена гребенка из конфузорных сопел, одно из которых выполнено с регулируемым проходным сечением. Технический результат - получение мелкодисперсной газожидкостной среды и упрощение реализации способа, а также интенсификация процесса флотационно-аэрационной обработки. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ аэрации жидкостей преимущественно для флотационных или окислительных процессов при помощи соединенного с напорным технологическим трубопроводом эжектора, содержащего конфузор, приемную камеру, патрубок подачи газообразной среды, камеру смешения и диффузор, путем ускорения жидкости в конфузоре при ее поступлении в приемную камеру, понижения давления в приемной камере, подсоса в нее через патрубок подачи газообразной среды, образования в камере смешения сверхзвукового газожидкостного потока и последующего его торможения с образованием скачка давления, отличающийся тем, что расход жидкости через конфузор поддерживают постоянным, а расход газообразной среды через патрубок подачи стабилизируют благодаря поддержанию на нем критического или сверхкритического перепада давлений, причем за счет изменения противодавления за эжектором генерируют в пределах его диффузора скачок давления. 2. Способ аэрации жидкостей по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газообразной среды используют атмосферный воздух, а критический или сверхкритический перепад давлений на патрубке подачи газообразной среды поддерживают за счет понижения давления в приемной камере эжектора. 3. Способ аэрации жидкостей по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что за счет изменения противодавления за эжектором скачок давления генерируют на входе в его диффузор. 4. Установка для очистки сточных вод, содержащая насос, всасывающий и напорный технологический трубопроводы, эжектор, состоящий из конфузорного патрубка подвода сточных вод, приемной камеры, патрубка подачи атмосферного воздуха, камеры смешения, диффузора, и флотационную камеру, отличающаяся тем, что патрубок подачи атмосферного воздуха выполнен в виде сужающего устройства, а напорный технологический трубопровод снабжен по крайней мере одним конфузорным соплом, размещенным за диффузором эжектора в придонной части флотационной камеры. 5. Установка для очистки сточных вод по п. 4, отличающаяся тем, что сужающее устройство выполнено в виде диафрагмы. 6. Установка для очистки сточных вод по пп. 4 и 5, отличающаяся тем, что напорный технологический трубопровод снабжен горизонтальной гребенкой из конфузорных сопел, которые размещены за диффузором эжектора в придонной части флотационной камеры. 7. Установка для очистки сточных вод по пп. 4-6, отличающаяся тем, что по крайней мере одно из конфузорных сопел напорного технологического трубопровода выполнено с регулируемым проходным сечением.