I - Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу и реактору для обработки флокуляцией неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, пригодному, в частности, в области очистки воды от промышленных процессов, очистки питьевой воды и очистки городских или промышленных сточных вод.
II - Предшествующий уровень техники
Различные типы обработки текучей среды, в частности, в области водоочистки, предполагают смешение неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, со вторичной текучей средой или вторичным потоком, чтобы заставить реагировать вторичный поток с компонентами основной текучей среды; эта вторичная текучая среда на практике содержит флокулянт, чаще всего гранулированный материал, на котором будут образовываться хлопья, получающиеся в результате взаимодействия флокулянта с примесями в неочищенной текучей среде, которую обрабатывают; на практике говорят о физико-химической обработке нагруженных хлопьев; эти смешение и реакции между текучими средами обычно проводятся в открытых реакторах идеального смешения, оборудованных мешалками с вертикальным валом и аксиальным потоком.
Обработка путем физико-химического взаимодействия в принципе включает диспергирование вторичной текучей среды или текучих сред в неочищенной текучей среде, которую нужно обработать, их интенсивное перемешивание, затем реакция в течение некоторого времени (как можно меньшего) при низкой интенсивности смешения (по сравнению с этапом интенсивного перемешивания) - этапы, которые проводятся обычно с использованием нескольких последовательных резервуаров или каскада реакторов.
Существование возможных коротких замыканий ("байпас") между входом и выходом резервуаров, а также неполное использование на практике их объема, легко выявляемое математическим моделированием вкупе с физическими моделями, приводит обычно к увеличению размера этих реакторов и/или к применению дополнительных мощностей перемешивания. Но это вызывает повышение инвестиционной стоимости, а также стоимости эксплуатации. Традиционно стараются, кроме того, расположить вход и выход в заданной ванне как можно дальше друг от друга, например, вход в нижнем положении на одном краю ванны, а выход в верхнем положении на другом краю, но это оказывается затруднительным, когда нужно установить несколько ванн последовательно.
Кроме того, чтобы избежать возникновения вращения жидкой массы, обычно называемого вихрем, считающегося вредным для характеристик перемешивания, уже было предложено размещать вертикальные перегородки (отражатели) напротив боковых стенок (см. книгу "Mixing in the chemical industry", Sterbacek and Tausk, Pergamon Press, 1965, p.278-301). Согласно этому документу добавление вертикальных перегородок позволяет усилить турбулентность (а следовательно, и перемешивание) при условии, чтобы ширина отражателей составляла от 0,056 до 0,12 диаметра мешалки, и предпочтительно, чтобы эти перегородки находились в потоке, а не у стенок. Фактически, в этом документе упоминается также, по историческим причинам, крестовина, образованная двумя вертикальными стенками, установленными внизу, вблизи мешалки, но указано, что в этом случае процессом трудно управлять и что быстро происходит засорение твердыми частицами, циркулирующими в жидкость. Указано также, что эти стенки вызывают повышение энергопотребления.
В случае ванн большой глубины известно располагать в объеме ванны несколько двигателей, вдоль валов смесителя, чтобы увеличить долю объема, захваченного турбулентностью; однако признано, что можно избежать добавления таких дополнительных двигателей, устанавливая вокруг двигателя концентрическую трубу (направляющая течения), причем ее устанавливают на выходе этой трубы (см. цитированную выше книгу 1965 г.). Такая направляющая течения действует как всасывающая труба, которая способствует увеличению доли перемешанного объема, и имеет то преимущество, что делает возможным внутреннюю рециркуляцию. Но это всасывающее действие часто связано с вращательным движением типа вихревого.
В области водоочистки, в частности, что касается этапа флокуляции, уже предлагалось, например, в документе FR-2553082, создать реакционную камеру с центральной зоной, снабженной винтом, с восходящим осевым потоком и периферийную зону вокруг этой центральной зоны. Вода для очистки, в которую при необходимости добавлены необходимые реагенты и с которой смешаны осадки, полученные ранее при обработке, вводится снизу центральной зоны, а добавку, такую как полимер, вводят в эту зону. Создается внутренняя рециркуляция, причем периферийная зона образует зону медленной флокуляции. Эта центральная зона ограничена вертикальной трубой, расположенной в отделении формы параллелепипеда, так что можно сказать, что данная центральная зона является двойной. Затем смесь проходит в промежуточное отделение перед тем, как пройти в зону разделения. Можно отметить, что такая структура предполагает большое число зон.
Кроме того, из документа WO-98/14258 известна установка, в которой центральное отделение внутренней рециркуляции содержит центральную трубу, в которой установлен(ы) одна или несколько винтовых мешалок с осевым восходящим потоком, отверстие для ввода гранулированного материала и ввод для флокулянта. Неочищенная текучая среда для обработки вводится внизу этой трубы, проходит путем перелива в кольцевую зону центральной зоны, затем, в зависимости от размера хлопьев, поднимается в трубе, чтобы рециркулировать, или в периферийную зону осветления. Винт вносит как раз достаточно турбулентности, чтобы удержать твердые частицы в суспензии, не кромсая их, что может привести к медленному перемешиванию и, следовательно, ухудшить характеристики.
III - Технические проблемы и решения согласно изобретению
Задачей изобретения является улучшенная комбинация компактности, эффективности и умеренной стоимости как с точки зрения оборудования, так и с точки зрения эксплуатации.
Таким образом, одним объектом изобретения является реактор флокуляции, в котором, благодаря одной или нескольким мешалкам и разграничению зон с разным уровнем перемешивания, кинетика реакции между неочищенной текучей средой, которую нужно обработать, и флокулянтом (и, возможно, гранулированным материалом, составляющим балласт флокуляции) улучшена, полезная доля объема реактора увеличена, при снижении опасности байпаса (то есть отсутствия циркуляции в различных зонах с разным уровнем перемешивания), при умеренном уровне мощности, потребляемой на перемешивание.
Другим объектом изобретения является способ обработки флокуляцией-разделением неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, объединяющий в объеме единственной ванны две зоны с разными уровнями перемешивания, максимально повышающий турбулентность для заданного уровня энергии и заданного времени контакта.
Другой, дополнительной, задачей изобретения является облегчить последовательное соединение нескольких реакторов, одного или разных типов, имеющих одинаковый или разный размер, в момент сооружения или после.
С этой целью изобретение предлагает в первую очередь способ обработки флокуляцией неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, содержащую коллоидальные или растворенные примеси в суспензии, согласно которому:
- создают циркуляцию неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, вместе с флокулянтом в коагуляционной ванне, чтобы получить флокулированную смесь, в которой примеси образуют хлопья,
- создают циркуляцию флокулированной смеси в зоне разделения, где эту флокулированную смесь разделяют на осветленный поток и осадки, содержащие эти хлопья,
отличающийся тем, что:
- в коагуляционной ванне с помощью полностью затопленной трубы-направляющей течения разграничивают центральную зону, в которой создают, путем перемешивания (8), осевой турбулентный поток смеси обрабатываемой неочищенной текучей среды и флокулянта в осевом направлении этой трубы-направляющей течения,
- распределяют (5) радиально этот поток с помощью статического устройства, противодействующего вращению этого потока и расположенного на выходе этой трубы-направляющей течения,
- дают возможность этой смеси циркулировать в периферийной зоне (3), окружающей центральную зону, в противоположном направлении, до входа центральной зоны, и
- часть этой смеси направляют к зоне разделения.
Можно отметить, что изобретение рекомендует, таким образом, сочетать разграничение центральной зоны с высоким уровнем перемешивания и периферийной зоны с меньшим уровнем перемешивания с радиальным распределением потока, выходящего из центральной зоны, благодаря статическому устройству, противодействующему вращению текучей среды у выхода трубы-направляющей течения, чтобы максимально усилить турбулентность и минимизировать мертвые зоны, в которых отсутствует вынужденная циркуляция, в объеме центральной и периферийной зон. Однако, как было показано выше, от применения статического устройства, препятствующего вращению потока, отказались из-за сложности в управлении, предлагалась только комбинация с мешалкой; таким образом, у специалиста не было причин думать, что такой статический элемент может способствовать разрешению технической проблемы. И ничто не могло заставить думать, что может быть какая-то выгода от применения такого статического устройства в комбинации с направляющей течения, даже руководствуясь известными решениями, применяющими направляющую течения в зоне флокуляции.
Согласно предпочтительным положениям изобретения при необходимости сочетают:
- удержание течения в центральной зоне на уровне, составляющем от 1 до 20 раз от объема поступления неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, что соответствует достаточной рециркуляции, чтобы снизить опасность короткого замыкания (байпаса) и создать достаточную турбулентность, чтобы обеспечить хорошее перемешивание без необходимости слишком высокого потребления энергии,
- разделение периферийной зоны на по меньшей мере одну верхнюю периферийную зону, сообщающуюся с входом неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, в коагуляционную ванну, и одну нижнюю периферийную зону, сообщающуюся с выходом флокулированной смеси, чтобы заставить неочищенную текучую среду для обработки, поступающую в коагуляционную ванну, зайти по меньшей мере один раз в центральную зону перед прохождением к зоне разделения; это, конечно, помогает избежать коротких замыканий без существенного потребления энергии и не включает большого числа циклов рециркуляции,
- создание турбулентного осевого потока смеси в вертикальном направлении; это соответствует классической конфигурации, которая хорошо освоена,
- создание вертикального турбулентного осевого потока путем перемешивания на середине высоты центральной зоны, что способствует получению хорошего засасывающего движения на входе центральной зоны и хорошего отсасывания на выходе из нее, при радиальном распределении у этого выхода, не требуя, однако, более одной мешалки,
- создание турбулентного осевого потока смеси в нисходящем движении и радиальное распределении смеси на высоте, по существу составляющей по меньшей мере две трети от расстояния между уровнем выхода центральной зоны и уровнем дна коагуляционной ванны; следует отметить, что это обратно тому, что применяется в настоящее время, когда в зоне флокуляции имеется внутренняя рециркуляция; но недавние результаты моделирования показали, что абсолютно реально, вопреки тому, что может подумать специалист, предусмотреть нисходящее движение в сочетании со статическим устройством для радиального распределения, не вызывая, тем не менее, нежелательного засорения этого последнего хлопьями на стадии образования или роста; однако благодаря выбору нисходящего направления предотвращается образование небольших волн на поверхности вследствие вынужденной турбулентности, одновременно используется дно ванны, чтобы вызвать быстрое изменение направления потока смеси между центральной зоной и периферийной зоной.
В случае нисходящего движения, предпочтительно:
- распределяют смесь радиально по существу на всей высоте между уровнем центральной зоны и уровнем дна коагуляционной ванны, что гарантирует радиальное распределение всего потока, выходящего из трубы-направляющей течения,
- располагают трубу-направляющую течения, ограничивающую центральную зону, таким образом, что ее нижний конец, образующий выход, расположен относительно дна коагуляционной ванны на расстоянии, составляющем от 1/3 до 2/3 средней ширины этой трубы; это способствует получению изменения направления потока на обратное без большого риска нежелательного замедления этого потока,
- располагают трубу-направляющую течения, ограничивающую центральную зону, таким образом, что ее верхний конец, образующий вход, расположен относительно уровня свободной поверхности содержимого коагуляционной ванны на расстоянии, составляющем от 1/3 до 2/3 средней ширины этой трубы, что способствует обеспечению эффективного питания трубы-направляющей течения, не вызывая нежелательных движений на поверхности,
- разделяют эту периферийную зону в верхней части ее высоты на по меньшей мере одну верхнюю периферийную зону, сообщающуюся с входом неочищенной текучей среды для обработки в коагуляционной ванне, и одну нижнюю периферийную зону, сообщающуюся с выходом флокулированной смеси, чтобы заставить обрабатываемую неочищенную текучую среду, которая входит в коагуляционную ванну, зайти по меньшей мере один раз в центральную зону перед тем, как пройти к зоне разделения, что позволяет особенно просто получить вышеназванные преимущества, как правило, благодаря применению такого разделения,
- такое разделение проводят по существу на верхней половине этой высоты, что соответствует достаточной высоте, чтобы свести к минимуму опасность обхода центральной зоны.
Согласно другим предпочтительным характеристикам способа по изобретению:
- вводят неочищенную текучую среду, которую нужно обработать, и выводят флокулированную смесь по существу на уровне входной зоны трубы-направляющей течения; это способствует тому, чтобы позволить провести монтаж каскада установок для осуществления способа, и участвует в эффективном продвижении обрабатываемой текучей среды к центральной зоне, а также циркулировавшей смеси в периферийную зону,
- флокулянт является натуральным, неорганическим или синтетическим полимером,
- флокулянт, с которым смешивают неочищенную текучую среду, требующую обработки, в коагуляционной ванне, был введен в обрабатываемую текучую среду ранее этой ванны,
- как вариант, флокулянт, с которым смешивают неочищенную текучую среду, которую нужно обработать, вводят в коагуляционную ванну, например, между входом коагуляционной ванны и входом трубы-направляющей течения; но рекомендуется, чтобы флокулянт был введен в центральную зону, предпочтительно на границе этой центральной зоны, что обеспечивает очень быстрое смешение с обрабатываемой текучей средой; этот эффект усиливается, когда по меньшей мере часть флокулянта вводят по кольцу по периметру входа центральной зоны, соосно с трубой-направляющей течения,
- кроме того, неочищенную текучую среду, которую нужно обработать, в коагуляционной ванне смешивают с сыпучим материалом, который предпочтительно является балластом, состоящим из нерастворимого гранулированного материала, более тяжелого, чем неочищенная текучая среда для обработки, чтобы служить утяжелителем для хлопьев во время образования или во время роста; предпочтительно имеется в виду мелкий песок с гранулометрическим составом, составляющим от 20 до 300 микрон, себестоимость которого особенно умеренная,
- обрабатывают осадки, полученные на выходе зоны разделения, извлекают из них балласт, который возвращают в коагуляционную ванну, что позволяет не потерять сыпучий материал в осадках, отправляемых в отходы после выхода из зоны разделения, одновременно снижая объем этих отходов,
- неочищенная текучая среда, которую нужно обработать, была до своего ввода в коагуляционную ванну смешана с коагулянтом, что тем более способствует эффективности конечного разделения, если неочищенная текучая среда, которую нужно обработать, является водой, поступающей на очистку; в этом случае предпочтительно, чтобы вода, которую нужно очистить, была до своего ввода в коагуляционную ванну смешана с коагулянтом, содержащим неорганическую соль, такую как соль железа или алюминия,
- разделение проводят отстаиванием или, согласно одному варианту, флотацией, благоприятно с помощью вспомогательных механизмов разделения, таких, как листы, пластинки или наклонные или вертикальные трубки; абсолютно предпочтительно вводить флокулированную смесь в зону разделения тангенциально, чтобы повысить вихревой эффект, добавляющийся к эффекту отстаивания; разделение оказывается лучше при заданном времени обработки или быстрее при заданной степени разделения.
Согласно другому аспекту изобретения для осуществления способа по одному предпочтительному варианту осуществления предлагается реактор, предназначенный для обработки путем флокуляции неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, содержащей примеси в суспензии, коллоидальные или растворенные, содержащий ванну, оборудованную по меньшей мере одним входом для текучей среды, по меньшей мере одним выходом для текучей среды и по меньшей мере одной зоной флокуляции внутри чана, где текучая среда, которую нужно обработать, смешивается с флокулянтом, чтобы образовать хлопья, содержащий:
- трубу-направляющую течения, открытую с обоих концов и расположенную вертикально, чтобы быть полностью погруженной в чан ванны, оставаясь на некотором расстоянии от дна этой ванны, ограничивающую центральную зону от периферийной зоны, причем эти центральная и периферийная зоны сообщаются друг с другом на двух концах этой трубы, причем периферийная зона сообщается с входом и выходом текучей среды,
- мешалку с вертикальным валом, расположенную в этой трубе, чтобы создавать там турбулентное осевое движение в вертикальном направлении,
- крестовину, образованную несколькими вертикальными стенками, идущими горизонтально из общего ребра, расположенного по существу в продолжении оси мешалки, после нее, чтобы распределять радиально поток, выходящий из трубы, к периферийной зоне.
Такой реактор обладает представленными выше преимуществами при осуществлении способа с нисходящим турбулентным вертикальным движением.
Согласно предпочтительным положениям изобретения иногда аналогичным упомянутым выше в отношении способа по изобретению:
- труба-направляющая течения имеет постоянное поперечное сечение, что способствует обеспечению быстрого течения смеси,
- труба-направляющая течения имеет цилиндрическую форму (в строгом смысле слова, а именно, что сечение является кругом), что соответствует особенно простой конструкции; как вариант, сечение является правильным многоугольником и т.д.,
- мешалка расположена в трубе по существу на середине высоты,
- труба-направляющая течения имеет диаметр, составляющий от 102% до 120% от диаметра мешалки, что обеспечивает хорошее перемешивание во всем сечении трубы-направляющей течения,
- гидравлический диаметр центральной зоны составляет от 40% до 60% от средней ширины зоны флокуляции, образованной центральной зоной и периферийной зоной,
- мешалку располагают и ее движением управляют так, чтобы создать в трубе вертикальное нисходящее движение, причем крестовина расположена между низом направляющей течения и дном ванны,
- нижний конец трубы расположен относительно дна ванны на расстоянии, составляющем от 1/3 до 2/3 от ее диаметра,
- верхний конец трубы расположен относительно уровня поверхности чана содержимого ванны на расстоянии, составляющем от 1/3 до 2/3 ее диаметра,
- расстояние между нижним концом трубы и дном ванны и расстояние между верхним концом трубы и уровнем чана составляет по меньшей мере примерно 50% от диаметра трубы,
- высота крестовины по существу равна по меньшей мере 2/3 расстояния между нижним концом трубы и дном ванны,
- высота крестовины по существу равна расстоянию между нижним концом трубы и дном ванны,
- вертикальные стенки крестовины проходят горизонтально на расстояние, составляющее по существу от 3/4 до 5/4 радиуса трубы, что обеспечивает полное или почти полное радиальное распределение флокулированной смеси; предпочтительно, вертикальные стенки крестовины проходят горизонтально на расстояние, по существу равное радиусу трубы-направляющей течения;
- крестовина содержит четыре стенки, повернутые на 90° вокруг оси трубы-направляющей течения, что соответствует особенно простой конструкции (две пластины пересекаются под прямым углом),
- две стенки расположены поперек направлению, по которому неочищенная текучая среда, которую нужно обработать, поступает в коагуляционную ванну, что способствует хорошему разбиению потока,
- вертикальные стенки разделяют периферийную зону, между зонами входа и выхода, по меньшей мере на части полной высоты, измеренной между дном ванны и уровнем чана, что способствует гарантии того, что неочищенная текучая среда, которую нужно обработать, зайдет по меньшей мере один раз в трубу-направляющую течения,
- эти вертикальные стенки простираются на расстояние, равное от 40% до 60% этой полной высоты, что представляет собой хороший компромисс в отношении высоты, чтобы обеспечить высокую эффективность, не занимая слишком много площади перегородками,
- реактор содержит по меньшей мере две вертикальные перегородки, проходящие по существу на верхней половине ванны, между трубой-направляющей течения и входом и выходом текучей среды, соответственно, чтобы заставить текучую среду, которую нужно обработать, зайти по меньшей мере один раз в центральную зону между входом текучей среды и выходом текучей среды; в действительности эти стенки наиболее эффективны в верхней части, на уровне входа трубы-направляющей течения,
- эти вертикальные стенки простираются на расстояние между уровнем входа основной текучей среды и уровнем мешалки,
- вертикальные стенки идут от периметра периферийной зоны до трубы, что обеспечивает хорошее секционирование периферийной зоны,
- зоны входа и выхода расположены близко от уровня поверхности и каждая снабжена пластинами, расположенными поперек по отношению к входу и выходу, соответственно, чтобы образовать сифон, что способствует обеспечению регулярного поступления текучей среды, которую нужно обработать, и избежанию нежелательных движений поверхности чана,
- кроме того, реактор содержит трубку для введения флокулянта, соединенную с источником флокулянта,
- эта трубка для введения флокулянта расположена между входом неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, и входом трубы-направляющей течения; предпочтительно, реактор содержит кольцевую трубку для введения флокулянта, расположенную на одной оси с входом трубы-направляющей течения,
- кроме того, он содержит трубку для введения сыпучего материала, соединенную с источником сыпучего материала,
- этот источник сыпучего материала является источником мелкого песка,
- ванна содержит единственную зону, содержащую трубу, но изобретение охватывает также случай, когда в одной и той же ванне содержится несколько расположенных рядом зон флокуляции.
Изобретение охватывает также установку для обработки текучей среды, содержащую реактор указанного выше типа и зону разделения, соединенную с выходом из этой реакционной ванны.
Предпочтительно:
- этот реактор содержит трубку для введения сыпучего материала, соединенную с источником сыпучего материала, а зона разделения содержит выход, приспособленный для сбора осадков, содержащих хлопья, соединенный с устройством извлечения сыпучего материала, причем указанный источник сыпучего материала соединен с данным устройством извлечения,
- зона разделения является отстойником, расположенным за ванной,
- зона разделения является отстойником, расположенным вокруг ванны.
Таким образом, согласно одной особенно выгодной комбинации согласно изобретению, труба-направляющая течения расположена выше крестовины, причем оба эти устройства благоприятно имеют одинаковый диаметр, по меньшей мере приблизительно. Рекомендуется нисходящее направление перекачки, чтобы позволить ввести один или несколько вторичных потоков или текучих сред на поверхности, обеспечивая таким образом постоянный контроль за их введением. Большие перепады скорости, образующиеся в нижней части ванны (образование турбулентной кинетической энергии) благодаря крестовине дают преимущество избежать образования зон осаждения, несмотря на то, что специалисты полагали нужным исключить такие горизонтальные стенки внизу, чтобы избежать таких зон осаждения.
Совместное действие этих устройств приводит к превращению большей части радиальной составляющей винта мешалки в осевую составляющую, тем самым существенно увеличивая объем перекачки при той же потребляемой мощности.
Стоит сформулировать несколько замечаний относительно предпочтительных примеров осуществления изобретения:
- наличие двух идеально разграниченных зон, имеющих радикально различные интенсивности перемешивания, позволяет реализовать в одной и той же ванне функции, требующие обычно двух ванн с разной интенсивностью перемешивания.
- Использование единственной ванны, содержащей эти две зоны с разной интенсивностью перемешивания, позволяет реализовать две функции с одной мешалкой вместо двух.
- При одинаковом полезном объеме полный объем единой ванны может быть существенно меньше, чем объем двух соединенных ванн, из-за уменьшения мертвых зон благодаря лучшему регулированию интенсивности перемешивания и его однородности.
- При равной эффективности обработки, для одинакового потребления реагента и одинаковом объеме перекачки, потребление энергии может быть уменьшено из-за превращения большой части радиального потока в осевой поток.
- В ваннах большой глубины, в которых обычно применяются дополнительные двигатели, наличие направляющей течения, связанной со своей крестовиной, позволяет получить тот же гидравлический эффект с одним двигателем и при меньшей электрической мощности как благодаря снижению собственного потребления дополнительными двигателями, так и благодаря повышению эффективности, полученному благодаря новой идее.
- Вертикальные перегородки, которых в простейшем случае может быть две, полностью охватывают пространство между направляющей течения и ванной, и могут располагаться только на верхней половине высоты текучей среды; в этом случае они более широкие и более короткие, чем перегородки, указанные в литературе. В горизонтальной плоскости они параллельны стенкам входа и, следовательно, выхода.
- Диаметр крестовин предпочтительно равен диаметру направляющей течения, а высота соответствует расстоянию от направляющей течения до дна ванны.
- Оптимальное повышение характеристик может быть получено посредством настоящего реактора, на основе выгодного размещения направляющей течения, перегородок поверхности и крестовин, зон питания и выхода, положения мешалки и способа введения вторичных текучих сред.
IV - Описание изобретения
Задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения вытекают из следующего описания, данного в качестве иллюстративного, но не ограничивающего примера, в соответствии с приложенными чертежами, на которых:
- фиг.1 показывает в перспективе принципиальную схему реактора согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения,
- фиг.2 показывает схему этого реактора в виде сверху,
- фиг.3 показывает принципиальную схему установки для очистки воды, использующую реактор согласно фиг.1 и 2,
- фиг.4 показывает в виде сверху принципиальную схему другого реактора согласно одному варианту реактора согласно фиг.1 и 2,
- фиг.5 показывает в виде сверху принципиальную схему еще одного реактора согласно еще одному варианту реактора согласно фиг.1 и 2,
- фиг.6 показывает схематический вид одного примера выполнения установки согласно фиг.3, и
- фиг.7 показывает схематический вид другого примера выполнения установки согласно фиг.3.
Форма реактора
Реактор, показанный на фиг.1 и 2 позицией 10, имеет прямоугольную форму, чтобы облегчить расстановку в каскад нескольких реакторов одного и того же типа. В непоказанном варианте этот реактор может быть квадратным, что может быть благоприятным с учетом симметрии, имеющейся у центральной зоны (см. выше).
Следует отметить, что большинство положений, описанных ниже, применимо также к реакторам круглой формы (см. фиг.5), также охватываемых изобретением, причем полученные результаты будут практически одинаковыми.
В целом реактор 10 содержит, в рассматриваемом здесь предпочтительном примере:
- зону 1 входа текучей среды, через которую поступает, следуя турбулентному течению, неочищенная текучая среда для обработки, в которую может вводиться первый реагент, такой как коагулянт любого известного подходящего типа,
- центральную зону 2 внутри трубы 2A, служащей направляющей течения, с большой рассеянной энергией, созданной мешалкой 8, где происходит диспергирование, а также полное смешение неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, с по меньшей мере одним реакционноспособным флокулянтом; в продолжении этой трубы расположена крестовина 5,
- периферийную зону 3 (снаружи направляющей течения) с малой энергией, где завершается желаемая флокуляция,
- зону 4 выхода текучей среды, благоприятно позволяющую рассеять энергию перемешивания и равномерно распределить смешанную флоккулированную текучую среду, выходящую здесь по всей ширине ванны, чтобы облегчить разделение твердая фаза - жидкость в возможном реакторе после разделения.
- совокупность вертикальных перегородок 6A и 6B, образующих отражатели, уменьшающие байпасы между входом и выходом и повышающие эффективность перемешивания.
Чтобы облегчить последовательность (вначале или позднее) нескольких этапов обработки, основанных на одном и том же принципе, вход и выход каждого реактора расположены по существу на одном уровне, предпочтительно в верхней части, по существу на уровне входа трубы, здесь на поверхности; такое расположение позволяет, кроме того, минимизировать динамический байпас и позволяет вывести возможные всплывшие вещества на следующий этап, например, путем подъема уровня чана выше слива, который включает выход текучей среды, или путем изменения положения этого слива.
Зона 1 подачи
Неочищенную текучую среду, которую нужно обработать, называемую также сточным потоком, вводят в каждый реактор либо на поверхность распределенной по всей ширине (как это показано на фиг.1), через сливную трубу 1A, затопленную или нет, на практике образованную нижним краем щели, ограничивающей вход в боковую стенку реактора), либо (в непоказанном варианте) в сливе, либо точечно (на свободную поверхность или самотеком).
Обычно точечное введение может быть выбрано в случае единственного реактора или в случае первого реактора каскада, причем сообщение между двумя последовательными реакторами осуществляется предпочтительно путем перелива.
Сифонная перегородка 1B (или пластина-насадка, вызывающая сифонный эффект) может отделить зону входа или подачи от остального реактора. Эта сифонная перегородка позволяет рассеивать турбулентную кинетическую энергию вверх, в основном в случае точечного ввода, а также изменить направление потока (на вертикальное вместо горизонтального).
Первый реагент, например коагулянт (например, неорганическая соль, такая как соль железа или алюминия), может быть введен в эту зону сильной турбулентности, чтобы облегчить его рассеивание. Условия введения этого реагента (или, возможно, других реагентов) зависят от способа введения неочищенной текучей среды, которую нужно обработать: точечное введение или во множество точек по всей ширине зоны подачи.
Центральная зона 2
Речь идет о зоне максимальной турбулентности, находящейся внутри направляющей течения, где образуется хорошо перемешанная смесь разных составляющих.
Применение направляющей течения позволяет использовать только одну мешалку 8 с валом, независимо от глубины жидкости.
Труба имеет ось симметрии Z-Z, и предпочтительно постоянное сечение, благоприятно цилиндрическое, здесь в форме круга (то есть цилиндрической в общем смысле термина), но может иметь и другие формы, например, многоугольника.
Эта труба, полностью погруженная в чан, предпочтительно вертикальна (следовательно, Z-Z вертикально), хотя возможны и наклонные направления (или даже горизонтальные), если общая конфигурация всего реактора, в том числе его вход/выход, делают это желательным.
Как показано на фиг.4, в одну ванну, в зависимости от потребности и если это позволяют продольный и поперечный размеры могут быть встроены несколько мешалок, оборудованных направляющей течения. Выбор числа мешалок для размещения в каждом направлении (продольном и поперечном) зависит от соотношения между диаметром двигателя мешалки и соответствующих боковых поверхностей, причем максимальный диаметр сам является функцией высоты жидкости.
Особенно благоприятно, когда эта мешалкой управляют так, чтобы вызвать нисходящий вертикальный поток.
Поток, перекачиваемый совокупностью мешалок, составляющий благоприятно от 1 до 20 раз от поперечного потока (между входом и выходом), всасывается вверху трубы 2A (или трубчатого канала) и оттесняется ко дну реактора, то есть следует по направлению вниз. Такое расположение позволяет ввести реагент или реагенты на поверхности, точечно или через перфорированную кольцевую трубу, находящуюся на одной оси с трубой, расположенной у входа, выше нее, что схематически показано позицией 14. Здесь флокулянт вводится именно через эту перфорированную трубу, но как вариант такое введение может быть проведено на входе, между входом и центральной зоной и даже на входе трубы.
Мешалка 8 преимущественно расположена в трубе на середине высоты, и труба предпочтительно имеет диаметр, составляющий от 102% до 120% диаметра мешалки.
Диаметр составляет благоприятно самое большее 60% и по меньшей мере 40% от наибольшего горизонтального размера периферийной зоны, предпочтительно порядка 50%. Гидравлический диаметр этой центральной зоны составляет от 40% до 60% средней высоты ванны.
Ее нижний конец благоприятно расположен относительно дна на расстоянии, составляющем от 1/3 до 2/3 диаметра трубы, и такое же расстояние имеется между поверхностью и уровнем верхнего конца трубы. Эти расстояния благоприятно составляют порядка 50% диаметра трубы.
Крестовина 5, расположенная под направляющей течения, образована несколькими вертикальными стенками 5A, выходящие из общего ребра 7, расположены по существу в продолжении оси Z-Z мешалки. Она представляет собой статическое устройство, которое противодействует сохранению вращения потока, выходящего из трубы-направляющей течения; она позволяет канализировать поток, распределить его радиально на множество равных частей и препятствует образованию кругового течения внизу устройства. Подавление радиального эффекта, который является причиной этого течения, приводит параллельно к усилению осевого эффекта, а следовательно, перекачиваемого объема, без увеличения потребляемой мощности. Этим избегают также скапливания частиц в углах, образованных крестовиной.
Диаметр крестовины благоприятно составляет от 75% до 125% диаметра трубы. Ее стенки простираются на существенную часть (по меньшей мере 2/3) высоты, измеренной между дном ванны и выходом трубы, предпочтительно по существу на всю высоту.
Здесь крестовина образована четырьмя стенками, соединенными под прямым углом (т.е. 90°), из которых две расположены предпочтительно поперек направлению потока между входом и выходом ванны. В непоказанном варианте эта крестовина может содержать другое число перегородок, всего три или, напротив, пять перегородок и даже больше.
Периферийная зона 3
Расположенная снаружи трубы-направляющей течения она отличается восходящим движением перекачиваемой текучей среды (хорошо перемешанной, но только в ходе флокуляции), малой скоростью и слабой турбулентностью, а также большой однородностью, что позволяет завершить желаемый процесс за минимальное время.
Расположение перегородок 6A и 6B (отражателей или "baffles" по-английски) на поверхности, поперек поперечному течению, ведет к подавлению вращательного движения, образующегося на поверхности, а также к предпочтительному продвижению всей текучей среды, входящей в трубу-направляющую течения, гарантируя, что неочищенная текучая среда, которую нужно обработать, зайдет по меньшей мере один раз в трубу, чтобы перемешаться с рециркулирующим потоком и введенными реагентами.
Эти вертикальные перегородки простираются только на часть высоты центральной зоны, следовательно, высоты чана, предпочтительно на 40-60% нее, благоприятно на верхнюю половину чана (особенно когда, как в показанном случае, вход и выход находятся в верхней части). Они проходят благоприятно между поверхностью и уровнем, на котором расположена мешалка в трубе.
В непоказанном варианте число этих стенок может быть больше, например, три (даже четыре или даже больше) стенки, расположенные между входом и выходом, распределенные по углам регулярным или нерегулярным образом.
Зона 4 выхода
Эта зона расположена напротив зоны входа, предпочтительно на той же высота, и она благоприятно содержит сифонную перегородку 4B и слив 4A, затопленный, охватывающий обычно всю ширину реактора.
Будучи расположенными на оптимальном расстоянии и на соответствующей глубине погружения эти устройства позволяют, путем установки соответствующей скорости восхождения, минимизировать байпас и рассеивать неблагоприятные турбулентности при дальнейшей обработке после реактора (например, когда желательно разделение фаз).
Соответствующее секционирование пространства, заключенного между сифонной перегородкой и задней стенкой (не показано), позволяет обеспечить поток, равномерно распределенный по всей длине сливной трубы.
Особые конфигурации
За реактором на фиг.1 и 2 благоприятно следует зона разделения. Возможны различные конфигурации работы.
На фиг.3 показан реактор 10, за которым следует такая зона разделения, схематически представленная позицией 100.
Следует хорошо понимать, что в зависимости от потребностей можно устанавливать последовательно нескольких таких реакторов, как показанный на фиг.1 и 2.
На фиг.3 вход сделан слева, после возможной проводящей линии 11 введения коагулянта, в зоне, показанной серым, схематически изображающей часть периферийной зоны, где создается восходящий поток, ограниченную по углам перегородками 6A и 6B, и где образуется смесь с поступающей неочищенной текучей средой, которую нужно обработать. В светлой центральной зоне позицией 14 схематически показано введение флокулянта (из источника флокулянта 14A), и позицией 15 - введение возможного сыпучего материала (из источника 15A гранулированного материала). После флокуляции текучая среда, выходящая справа из периферийной зоны, которая изображена серым, выходит и поступает в зону разделения. В этой зоне разделения флокулированная текучая среда разделяется на осветленный поток и осадки, содержащие хлопья, образованные в реакторе 10.
Неочищенная текучая среда, которую нужно обработать, предпочтительно является водой, и эта вода в принципе предварительно коагулирована посредством введения, по линии 11 или в ванну предшествующего этапа, реагента-коагулянта, такого как соль железа или алюминия. Подача в ванну осуществляется через перелив или слив.
Благоприятно вводить сыпучий материал, чтобы способствовать образованию хлопьев из суспендированных примесей, коллоидальных или растворенных, содержащихся в неочищенной текучей среды, которую нужно обработать. Этот материал предпочтительно является балластом, состоящим из гранулированного материала, не растворимого (или очень мало растворимого) в воде и более тяжелого, чем обрабатываемая неочищенная текучая среда. Предпочтительно этот материал является песком с гранулометрическим составом, составляющим благоприятно от 20 до 300 микрон.
На фиг.4 показан другой реактор 10', содержащий, в одной и той же ванне не одну, а три трубы-направляющие течения, комбинированные со статическим устройством, таким как крестовина с фиг.1 и 2. Если назвать зоной флокуляции зону, образованную совместно каждой центральной зоной, ограниченной трубой и окружающей ее периферийной зоной, то можно говорить, что реактор на фиг.4 содержит несколько зон флокуляции, расположенных параллельно между входом (на фиг.4 вверху) и выходом (там же внизу).
На фиг.5 показан другой реактор, 10", похожий на реактор фиг.1 и 2, с тем исключением, что стенка ванны является цилиндрической, и тем, что флокулированная текучая среда выходит из этой ванны через перелив на существенной части своей периферии. Боковые перегородки отражателя, которых здесь 4, отмечены позициями 6"A - 6"D, ограничивают в верхней части периферийной зоны четыре квадранта, из которых один (квадрант, находящийся вверху фиг.5) предназначен для ввода неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, а три остальных позволяют выходить флокулированной текучей среды.
Вообще, хлопья, образованные вследствие интенсивного перемешивания, увеличиваются в размере в периферийной зоне, с меньшим перемешиванием, с частичным возвращением в направляющую течения перед окончательным направлением в зону отстаивания.
В примере осуществления с фиг.6 зона отстаивания является разделительной ванной 100', независимой от реактора флокуляции 10; кроме того, эта ванна содержит вспомогательные механизмы отстаивания, схематически представленные позицией 110, здесь образованные наклонными пластинками (как вариант, эти механизмы опущены); наконец, осадки, отделенные от осветленного потока, выходящие на практике через слив разделительной ванны, перекачиваются здесь насосом 112, соединенным по проводящей линии с элементом 113, на практике гидроциклоном или любой другой системой, способной гарантировать разделение, способной извлечь значительную часть гранулированного материала, содержащегося в этих осадках, в этом случае элемент 113 составляет часть источника сыпучего материала (разумеется, материал, введенный в реактор флокуляции, частично состоит из этого извлеченного материала, а частично из нового материала).
Этот сыпучий материал, образующий балласт, является полностью инертным (как песок, гранат и т.д.), или активным материалом (таким как активированный уголь в порошке или смола), что объясняет, что его иногда упоминают среди "реагентов" обработки воды, даже когда речь идет о песке. Как указано выше, он может вводиться либо на входе вместе с предварительно коагулированной текучей средой, либо в зоне до перемешивающего устройства, предпочтительно на высоте направляющей течения, по одной оси с этим устройством. Введение балласта позволяет осуществить в одной ванне две продуктивные зоны, например, обработку флокуляцией с использованием балласта, рекомендуемую патентами Франции FR 2627704 и FR 2719234, соответствующими способу, называемому иногда "Actiflo", с или без пластин), сокращая таким образом полную стоимость осуществления, одновременно снижая потребность в энергии на перемешивание. Крестовина, рекомендуемая в настоящем изобретении, позволяет также, согласно испытаниям, проведенным заявителем, и противоположно тому, что мог бы предположить специалист, минимизировать, благодаря лучшей эффективности перемешивания, осаждение балластного песка на дне смешивающей ванны.
На фиг.7 показана другая установка для обработки неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, обычно для обработки воды. Эта установка существенно отличается от установки согласно фиг.6 тем, что зона разделения (здесь ванна 100") находится теперь не за, а вокруг коагуляционной ванны 10; конфигурация реактора 10 та же, что и на фиг.6, и для введения сыпучего материала применяется, как на фиг.6, материал, извлеченный из осадков, перекачанных со дна этой ванны 100". В этом примере нет вспомогательных механизмов для отстаивания, таких как пластины, но они могут быть.
В непоказанном варианте в зоне разделения применяется не декантация (отстаивание, где осветленный поток более легкий, чем выбрасываемые осадки), а принцип флотации, где осадки плавают на поверхности осветленного потока; там также можно иметь вспомогательные механизмы для разделения.
Вход флоккулированной текучей среды в зону разделения также благоприятно может быть тангенциальным, чтобы извлечь выгоду от вихревого эффекта, добавляющегося к эффекту отстаивания.
Сравнительный анализ новой конфигурации и классической конфигурации путем моделирования
Оценка преимуществ изобретения была проведена с помощью изучения поля скоростей, градиента турбулентности и распределения по времени пребывания, с помощью пакета программ Fluent (версия 5, Fluent Inc.) для моделирования механики текучих сред.
Были исследованы две конфигурации на основе одинаковых режимов работы, которые различаются как указано ниже:
1 - Демонстрация преимущества входа/выхода на поверхности, применения одного более короткого вала вращения и крестовины
В таблице 1 показаны преимущества, полученные при переходе от классической конфигурации A, со входом и выходом потока через перелив и/или слив, к конфигурации B, соответствующей некоторым аспектам изобретения, а именно с входом и выходом на одной высоте, наличием пластины-насадки, обеспечивающий сифонный эффект, и сифонной перегородки, более короткого вала вращения и крестовины, расположенной внизу ванны; видно, что максимальные и средние значения поля скоростей и градиента турбулентности более высокие и более однородные для новой конфигурации B.
Выгода от новой конфигурации:
- повышение эффективности перемешивания при том же энергопотреблении;
- максимальное использование объема ванны;
- уменьшение байпаса;
- легкость расположения в каскад;
- устранение проблем вибрации вала вращения путем уменьшения его длины;
- уменьшение времени пребывания
- устранение опасности предпочтительного направления в ванне путем создания зоны диссипации кинетической энергии на выходе;
2 - Демонстрация преимуществ соединения крестовины, направляющей течения и перегородок
В таблице 2 показаны преимущества, которые были бы упущены при непрерывном режиме работы классической конфигурации C с простой мешалкой по сравнению с конфигурацией D с ванной, оборудованной мешалкой с двигателем, крестовиной, направляющей течения, стоящей на крестовине, и двумя перегородками, подпирающими направляющую течения.
Анализ поля скоростей и градиента турбулентности с помощью пакета программ Fluent для моделирования механики текучих сред показывает, что при тех же режимах работы:
- максимальные и средние значения поля скоростей и градиента турбулентности более высокие и более однородные для новой конфигурации D;
- образуются две хорошо отличимые зоны: зона интенсивного перемешивания с очень высокими значениями скорости и градиента скорости внутри направляющей течения и на уровне крестовин. И зона более слабого перемешивания снаружи направляющей течения.
Выгода от новой конфигурации:
- повышение эффективности перемешивания при одинаковом потреблении энергии;
- образование двух зон с разным перемешиванием в смысле уровня перемешивания. Это позволяет обеспечить быстрое и эффективное смешение реагента и текучей среды в зоне более сильного перемешивания и оптимальное для действия реагента время циркуляции в зоне с менее интенсивным перемешиванием.
- создание зоне более сильного перемешивания на уровне крестовин. Это позволит возвратить в суспензию осевшие твердые частицы или повысить площадь поверхности раздела в случае потока газ-текучая среда;
- уменьшение байпаса;
- уменьшение времени пребывания.
3 - Демонстрация преимущества добавления реагента путем тороидального введения вокруг направляющей течения (позиция 14 на фиг.3)
Графическое моделирование распределения реагента показывает, что распределение лучше и быстрее при введении по кольцу, чем при точечном введении.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ | 2007 |
|
RU2475457C2 |
| УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ КАМЕРЫ | 2009 |
|
RU2637912C2 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ | 2002 |
|
RU2303000C2 |
| Отстойник | 1983 |
|
SU1101264A1 |
| ПЛАВУЧЕЕ ОСВЕТЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО | 1992 |
|
RU2038326C1 |
| СПОСОБ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ ФЛОТАЦИЕЙ | 2009 |
|
RU2502678C2 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ФЛОТАЦИЕЙ | 2003 |
|
RU2323160C2 |
| Способ регенерации отработанного раствора глушения скважин на основе кальция хлористого | 2019 |
|
RU2734077C2 |
| БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АКРИЛАТА АММОНИЯ | 2006 |
|
RU2323977C2 |
| УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ПОСРЕДСТВОМ ИНТЕГРИРОВАННЫХ БАЛЛАСТИРОВАННОЙ ФЛОКУЛЯЦИИ И ДЕКАНТАЦИИ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ | 2018 |
|
RU2769124C2 |
Изобретение относится к способу и реактору для обработки флокуляцией неочищенной текучей среды, которую нужно обработать, пригодному, в частности, в области очистки воды от промышленных процессов, очистки питьевой воды и очистки городских или промышленных сточных вод. Способ обработки флокуляцией и разделением неочищенной текучей среды включает обработку неочищенной текучей среды, циркуляцию вместе с флокулянтом в коагуляционной ванне, циркуляцию флокулированной смеси в зоне разделения. В коагуляционной ванне, с помощью полностью погруженной трубы-направляющей течения разграничивают центральную зону, в которой создают осевой турбулентный поток смеси обрабатываемой неочищенной текучей среды и флокулянта. Поток распределяют радиально, с помощью статического устройства, противодействующего вращению этого потока. Смеси позволяют циркулировать в периферийной зоне и проводят часть этой смеси к зоне разделения. Способ осуществляют на установке для обработки текучей среды, включающей реактор и зону разделения, соединенную с выходом ванны реактора. Причем реактор включает ванну, трубу-направляющую течения, полностью погруженную в чан ванны, находящуюся на некотором расстоянии от дна ванны, мешалку с вертикальным валом. Технический результат - повышение эффективности очистки воды. 3 н. и 59 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.
крестовину (5), образованную несколькими вертикальными стенками, идущими горизонтально из общего ребра (7), расположенного, по существу, в продолжении оси мешалки, за ней, чтобы распределить радиально поток, выходящий из трубы, к периферийной зоне.
Приоритет по пунктам:
| СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОРОНКОВОЙ ЧАСТИ ЗУБОВ У ПАЦИЕНТОВ С НИЗКИМИ КЛИНИЧЕСКИМИ КОРОНКАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВНУТРИКАНАЛЬНОЙ ШТИФТОВОЙ КОНСТРУКЦИИ С АКТИВНОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ КУЛЬТЕВОЙ ЧАСТЬЮ | 2008 |
|
RU2380056C1 |
| Устройство для двухступенчатой очистки воды в слое взвешенного осадка | 1986 |
|
SU1507210A3 |
| Устройство для отделения твердых частиц от жидкостей | 1986 |
|
SU1632369A3 |
| МЕХАНИЧЕСКАЯ ФЛОТАЦИОННАЯ МАШИНА | 1999 |
|
RU2174050C2 |
| ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЕКЦИОННЫЙ МИКРОСКОП (ВАРИАНТЫ) | 2011 |
|
RU2463634C1 |
| US 6109449 А, 29.08.2000 | |||
| US 4303517 А, 01.12.1981. | |||
