УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Российский патент 2003 года по МПК C02F1/38 C02F9/00 B01D45/12 

Изобретение относится к устройствам для разделения жидких неоднородных сред под действием центробежных сил и может быть использовано для очистки питьевой воды и технологических процессов обработки природных вод.

Известны конструктивные схемы гидроциклонов [1], где обоснованы размеры диаметров, высота цилиндрической части, форма и размеры входных и выходных отверстий, угол конической части. Однако процесс разделения фаз в этих гидроциклонах не позволяет получить тонкую очистку питьевой воды.

Известен гидроциклон [2] , содержащий цилиндроконический корпус с перфорацией в нижней части конуса, входной и выпускной патрубки уловленных твердых частиц, цилиндроконический кожус, в верхней части которого размещен выпускной патрубок очищенной жидкости и направляющие козырьки, а по образующей верхней части конуса цилиндрического корпуса выполнены щелевые отверстия, к которым примыкают направляющие козырьки, обращенные навстречу направлению движения потока жидкости. Это решение способствует более эффективному отделению тонкодисперсных твердых частиц с размерами менее 50 мкм за счет многократной рециркуляции очищаемой жидкости внутри гидроциклона, а это удлиняет процесс очистки, кроме этого данное устройство является конструктивно сложным и предназначено для использования в газовой, нефтяной промышленности.

Известно устройство для очистки жидкости [3] , содержащее корпус с крышкой, в нижней части которого размещен гидроциклон, а в верхней - фильтрующий элемент, центральную трубу, установленную в средней части корпуса кольцевую разделительную перегородку, подводящий и отводящий патрубки, фильтрующий элемент выполнен цилиндрическим, заглушенным сверху и расположенным коаксиально снаружи верхней части центральной трубы, разделительная перегородка выполнена плоской и имеющей коническую выемку и сквозные отверстия вокруг центральной трубы и в стенках последней на уровне расположения фильтрующего элемента выполнены отверстия для прохода очищаемой жидкости.

Кроме того, фильтрующий элемент заглушен сверху посредством фланца и прижимного болта, а суммарная площадь отверстий в разделительной перегородке выполнена составляющей менее одной четверти площади поперечного сечения центральной трубы.

Это устройство, предназначенное для очистки мазута, обладает простотой, рациональностью и экономичностью размещения узлов, кроме того, оно позволяет извлекать отфильтрованные механические примеси без остановки технологического процесса. Выполнение фильтрующих зазоров между плоскими кольцами не позволяет проводить очистку жидкости от тонкодисперсной фазы, не уменьшая их размеров, что влияет на производительность очистки, кроме того, зазоры могут забиваться инородными частицами.

Задачей изобретения является повышение эффективности очистки питьевой воды от тонкодисперсной фазы при простой технологии процесса.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для очистки питьевой воды, содержащем закрытый корпус, в нижней части которого расположен гидроциклон, а в цилиндрической части - сменный фильтрующий элемент, подводящий и отводящие патрубки, фильтрующий элемент выполнен в виде стеклянного диска со сквозными отверстиями и расположен под защитной сеткой между двумя эластичными кольцами, при этом нижнее кольцо установлено у основания цилиндрической части корпуса, а верхнее - прижато к стеклянному диску упругой пружиной. При этом отверстия в стеклянном диске выполнены под острым углом к горизонтальной плоскости и расположены по окружностям со смещением в шахматном порядке, причем диаметр отверстий выбран в зависимости от допустимых размеров примеси, а суммарная площадь отверстий и толщина стеклянного диска определены в соответствии с заданной производительностью и допустимым пределом прочности диска в отношении статического давления воды на него. Защитная сетка выполнена из электронагревательного материала и закреплена в рамке, а гидроциклон снабжен установленным на уровне подводящего патрубка кольцевым трубопроводом, в боковой части которого и конической части гидроциклона выполнены сквозные тангенциальные отверстия. Верхняя часть корпуса выполнена в виде конуса с заполнением активированным углем или ионнообменой смолой, заканчивающегося верхним отводящим патрубком.

На фиг. 1 представлен продольный разрез устройства для очистки воды; на фиг. 2 - фильтрующий элемент в виде стеклянного диска с расположением отверстий под углом; на фиг.3 - сечение по А-А на фиг.2; на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1.

Устройство для очистки питьевой воды состоит из корпуса 1 с конусообразной верхней частью, в нижней части которого расположен гидроциклон 2. Цилиндрическая часть корпуса 1 состоит из двух частей, соединенных между собой втулкой 3. Фильтрующий элемент 4 выполнен в виде стеклянного диска со сквозными отверстиями. Над диском 4 расположена защитная сетка 5, закрепленная в рамке (на чертеже не показана) и выполненная из электронагревательного материала. Диск 4 с сеткой 5 установлен в цилиндрической части корпуса 1 между двумя эластичными кольцами 6, причем нижнее кольцо установлено у основания цилиндрической части, а верхнее прижато через защитную сетку 5 к стеклянному диску 4 упругой пружиной 7. Гидроциклон 2 снабжен подводящим патрубком 8 и отводящим патрубком 9, а верхняя часть корпуса 1 - отводящим патрубком 10. На гидроциклоне 2 на уровне подводящего патрубка 8 установлен кольцевой трубопровод 11 с кольцевой полостью 12 со сквозными тангенциальными отверстиями 13 в его боковой части и конической части гидроциклона (фиг.4). В верхней части корпуса 1 может быть установлен дополнительный фильтр 14, выполненный из активированного угля или ионнообменной смолы в зависимости от качества исходной воды. Уголь - для удаления органических загрязнений и солей тяжелых металлов, а смола - избыточных солей жесткости и железа. Отверстия 15, выполненные в стеклянном диске 4, расположены по концентрическим окружностям в шахматном порядке. Отверстия 15 могут быть выполнены под острым углом к горизонтальной плоскости, который равен углу наклона образующей конической части гидроциклона 2.

Устройство работает следующим образом. В подводящий патрубок 8 поступает вода с посторонними частицами. Под действием тангенциально расположенных отверстий 13 в кольцевом трубопроводе 11 вода закручивается и за счет центробежных сил частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона 2 и перемещаются по конической поверхности к нижнему отводящему патрубку 10. Тонкодисперсные частицы, не достигшие стенки гидроциклона 2, увлекаются потоком к фильтрующему элементу в виде стеклянного диска 4. Очищенная от частиц вода через отверстия в диске 4 поступает из-за разности давлений в полостях в верхнюю часть корпуса 1 и через дополнительный фильтр 14 в верхний отводящий патрубок 9. Разность давлений регулируется за счет изменения размера отверстия нижнего отводящего патрубка 10. Существующая стекловолоконная технология [4] в НПП ЗАО "Технология, оборудование, стеклянные структуры" позволяет получить фильтрующие диски с отверстиями диаметром 0,2...10 мкм и толщиной более 0,5 мм, которые являются коррозионностойкими, не дают посторонних привкусов и запахов. Стекловолоконный диск обладает очень низкой адгезией к металлам и биологическим примесям. Кроме этого возможно осуществление регенерации фильтра 4 от прилипших органических соединений и микроорганизмов за счет нагрева его от сетки 5 из электронагревательного материала. Сетка 5 при разрушении диска 4 препятствует попаданию частиц стекла в очищенную жидкость. Эластичные кольца 6 предохраняют стеклянный диск 4 от ударов.

В предлагаемом устройстве создается поступательно-вращательное движение потока воды в гидроциклоне 2 между трубопроводом 11, диском 4 и сеткой 5. Свойства вращающихся потоков описываются уравнениями Навье-Стокса в форме Ламба-Громеки, которые позволяют получить величину распределения скоростей и давлений по сечению потока. При перемещении воды вверх по наклонным отверстиям диска 4 создаются дополнительные струезавихренные тонкие потоки. В результате действия дополнительных тангенциальных скоростей и центростремительных ускорений тонкодисперсные частицы отбрасываются к стенке отверстий и за счет скользкой стеклянной поверхности сползают вниз. Разные диаметры отверстий в радиальном направлении диска 4 выполнены для повышения прочности диска и коррекции изменения сил инерции от радиуса.

Производительность гидроциклона определяется по формуле [1].

где Q - объемная производительность, м³/ч,
D_r - диаметр гидроциклона в м,
D_В - диаметр верхнего отводного отверстия в м,
Н - давление на входе в мм вод. ст.,
g - ускорение силы тяжести в м/с²,
k - коэффициент пропорциональности (0,06...0,04).

С другой стороны производительность фильтрующего элемента в виде диска с отверстиями можно оценить по формуле Пуазейля

где - число отверстий,
D_d, d - диаметр диска и отверстий; h - толщина диска; p₁-p₂ - разность давлений; к₃ - коэффициент заполнения; η - динамическая вязкость.

Наибольшее напряжение равномерно нагруженной круглой пластины определяется так [5].

где q - распределенная интенсивная нагрузка,
[σ] - допускаемое напряжение прочности.

Угол расположения отверстий α выбирается равным углу конической части гидроциклонов [1] . Значения общей площади отверстий и толщины диска определяются из условий равенства выражений (1), (2) и соотношения (3). Благодаря комбинации гидроциклона, фильтрующего стеклянного диска 4 и фильтра 14 вода достигает высокой степени очистки. Регулируя соотношение расходов через патрубки за счет их диаметров, толщины диска и диаметра отверстий в нем и давления воды, можно добиться заданной производительности с требуемой степенью очитки от тонкодисперсных частиц с любой их плотностью.

Источники информации
1. Шестов Р.Н. Гидроциклоны. Л.: Изд-во "Машиностроение", 1967 - С.80.

2. А. с. SU 997823, МКИ В 04 С 5/107, БИ 7, 1983 / Салашник М.М, Капитонов Р.В. "Гидроциклон".

3. Пат. RU 2061525, В 01 D 29/44, 36/00, БИ 16, 1996 / Карпенко В.М. и др. "Устройство для очистки жидкости" - прототип.

4. Патент РФ 20885523, С 03 В 37/022 "Способ изготовления микроустройств из пластически деформируемых материалов" /Белоглазов В.И., Суховеев С.П., БИ 21, 1997.

5. Тимошенко С.В. Сопротивление материалов. Т.2, М., Физмат - 1965, с. 86.

Изобретение предназначено для очистки питьевой воды и обработки природных вод. Задачей изобретения является повышение эффективности очистки питьевой воды от тонкодисперсной фазы при простой технологии процесса. Поставленная задача решается следующим образом. В устройстве, содержащем корпус, в нижней части которого расположен гидроциклон с подводящим патрубком, а в цилиндрической - фильтрующий элемент, последний выполнен в виде стеклянного диска со сквозными отверстиями, которые выполнены под острым углом к горизонтальной плоскости и расположены по окружностям со смещением в шахматном порядке, при этом диск снабжен сеткой из электронагревательного материала, установленной над диском, который размещен между двумя эластичными кольцами и упругой пружиной, кроме этого, на гидроциклоне на уровне подводящего патрубка установлен кольцевой трубопровод, который соединен с подводящим патрубком, при этом в боковой части трубопровода и в стенке гидроциклона выполнены тангенциальные отверстия. Для более тонкой очистки в устройстве может быть использован дополнительный фильтр из активного угля или ионообменной смолы, который располагают в верхней части корпуса устройства. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для очистки питьевой воды, содержащее закрытый корпус, в нижней части которого расположен гидроциклон, а в цилиндрической части - сменный фильтрующий элемент, подводящий и отводящие патрубки, отличающееся тем, что фильтрующий элемент выполнен в виде стеклянного диска со сквозными отверстиями и расположен под защитной сеткой между двумя эластичными кольцами, при этом нижнее кольцо установлено у основания цилиндрической части корпуса, а верхнее - прижато к стеклянному диску упругой пружиной. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отверстия в стеклянном диске выполнены под острым углом к горизонтальной плоскости и расположены по окружностям со смещением в шахматном порядке, при этом диаметр отверстий выбран в зависимости от допустимых размеров примесей, а суммарная площадь отверстий и толщина стеклянного диска определены в соответствии с заданной производительностью и допустимым пределом прочности диска в отношении статического давления воды на него. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что защитная сетка выполнена из электронагревательного материала и закреплена в рамке. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что гидроциклон снабжен установленным на уровне подводящего патрубка кольцевым трубопроводом, в боковой части которого и конической части гидроциклона выполнены сквозные тангенциальные отверстия. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхняя часть корпуса выполнена в виде конуса с заполнением активированным углем или ионообменной смолой, заканчивающегося верхним отводящим патрубком.