СПОСОБ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ ОТ РАСТВОРЕННЫХ И ДИСПЕРГИРОВАННЫХ ПРИМЕСЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ ОТ РАСТВОРЕННЫХ И ДИСПЕРГИРОВАННЫХ ПРИМЕСЕЙ Российский патент 2012 года по МПК B01D43/00 C02F1/24 B03D1/14 

Изобретение относится к технике выделения из жидкости растворенных и диспергированных в ней примесей с помощью газообразного агента и может быть использовано при обработке воды на тепловых электростанциях для ее декарбонизации, в лакокрасочном производстве, при очистке конденсатов мазутохозяйства, сточных вод и в других отраслях промышленности.

Известен способ очистки жидкости от растворенных и диспергированных примесей, включающий смешение очищаемой жидкости и газа с образованием газожидкостной среды пузырьковой структуры с последующим отделением образовавшейся пены с примесями от очищенной жидкости (а.с. СССР №549164, М. кл. В01D 43/00, 1977).

Эффективность известного способа очистки жидкости от примесей зависит от размера пузырьков газа и их количества, поскольку она определяется площадью поверхности взаимодействия пузырьков с примесями, и чем меньше размер пузырьков при заданном газосодержании в жидкости, тем больше вероятность захвата ими примесей, поскольку величина кривизны пузырька определяет его поверхностную активность.

К недостаткам известного способа очистки необходимо отнести следующее:

Движущим фактором механизма дробления пузырьков газа в жидкостном потоке является возникновение и величина касательных напряжений за счет разности скоростей фаз. При спутных потоках газа и жидкости, что имеет место в эжекторе (в прототипе) при всасывании (эжекции) газа, эта величина не достаточна для обеспечения необходимого масштаба дробления газовой фазы для образования устойчивой высокодисперсной газожидкостной структуры («газировки») и, таким образом, не создает условия для интенсивного захвата и поглощения примесей пузырьками газа. Кроме этого при недостаточности величины касательных напряжений между фазами увеличивается вероятность слияния пузырьков, что ведет к образованию пробок (снарядное течение) и, соответственно, к снижению эффективности очистки.

Кроме того низка эффективность эвакуации пены с примесями из зоны пониженного давления вихря для обеспечения высокой степени отделения жидкости от примесей (предотвращение возврата пены в очищенную жидкость) ввиду недостаточной энергии газа, тем более, что при эвакуации пены движение ее идет против движения отсепарированной жидкости в зоне вихря.

Известно устройство для очистки жидкости от растворенных и диспергированных примесей, содержащее эжектор с патрубками подачи очищаемой жидкости и газа, к выходу камеры смешения которого подсоединен направляющей аппарат подачи смешанного потока на сепарирующую криволинейную поверхность, и патрубки отвода пены и очищенной жидкости (а.с. СССР №549164, М. Кл. В01D 43/00, 1977).

К недостаткам известного устройства относится то, что вследствие выполнения сепарирующей поверхности в виде полого цилиндра и направляющего аппарата смешанного потока в виде нескольких поворотных лопаток, расположенных по окружности полого цилиндра, в полости цилиндра в зоне ввода потока создается неорганизованное течение газожидкостной среды, что связано с наложением друг на друга отдельных струй, сформированных каждой поворотной лопаткой. Это приводит к их разрушению и созданию капельной завесы, препятствующей эффективному отводу образующейся ниже по завихренному потоку пены.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности очистки жидкости от растворенных и диспергированных примесей и надежности отделения очищенной жидкости от пены с примесями.

Это достигается тем, что в известном способе очистки жидкости от растворенных и диспергированных примесей, включающем смешение потоков очищаемой жидкости и газа с образованием газожидкостной среды пузырьковой структуры с последующим отделением образующейся пены с примесями от очищенной жидкости, согласно изобретению газ вводят в поток очищаемой жидкости под давлением в динамическом режиме, который обеспечивают пульсирующей подачей газа ортогонально потоку очищаемой жидкости, а газожидкостную среду пузырьковой структуры получают при значении числа Вебера выше критического.

Это достигается тем, что в устройстве для очистки жидкости от растворенных и диспергированных примесей, содержащем корпус с патрубками подачи жидкости и газа, соединенными с камерой смешения потоков газа и очищаемой жидкости, направляющий аппарат и сепарирующую криволинейную поверхность для отвода пены и очищенной жидкости, согласно изобретению на выходе патрубка подачи газа установлен генератор Гартмана, размещенный на входе в камеру смешения, на выходе из которой установлен с возможностью осевого перемещения раструб, а направляющий аппарат выполнен в виде конуса с криволинейной вогнутой поверхностью, переходящей в основании конуса в восходящую торовую поверхность, образуя сепарирующую поверхность для очищенной жидкости и пены с примесями, вершина которого размещена осесимметрично внутри раструба, причем над восходящей торовой поверхностью установлен наклонный к основанию конуса кольцевой козырек, образующий с ней кольцевую щель, при этом большее основание кольцевого козырька соединено с горловиной приемной емкости для очищенной жидкости, снаружи которой установлена приемная емкость для пены с примесями, причем восходящая торовая поверхность конуса и кольцевой козырек установлены с возможностью изменения высоты щели.

Сущность изобретения заключается в том, что насыщение потока очищаемой жидкости пузырьками газа проводят в динамическом режиме при значениях числа Вебера выше критического для пузырькового режима течения. При этом динамический режим обеспечивают пульсирующей подачей газа под давлением ортогонально потоку жидкости в суженном сечении камеры смешения газа через генератор Гартмана, установленный на выходе патрубка подачи газа. Это позволяет получать заданную мелкодисперсную структуру потока при смешении жидкости и газа.

Кроме этого процессы образования и отделения пены от жидкости в заявляемом устройстве более эффективны, т.к. эти процессы происходят в свободном и не в стесненном пространстве при однонаправленном движении очищенной жидкости и пены, что позволяет последней получать дополнительную энергию движения при ее эвакуации.

На чертеже (фиг.1) изображено устройство, реализующее способ очистки жидкости от растворенных и диспергированных примесей.

Устройство содержит цилиндрический корпус 1 с патрубком подвода очищаемой жидкости 2 и патрубком подвода воздуха 3. Выход корпуса 1 выполнен в виде профилированного сужающегося участка 4, к выходу которого подсоединена камера смешения 5 в виде участка трубы. На выходе из камеры смешения 5 размещен с возможностью осевого перемещения и фиксации положения раструб 6, предназначенный для изменения (установки) площади проходного сечения смешенного потока относительно вершины конуса 8. Патрубок 3 подвода воздуха, корпус 1, сужающийся участок 4, камера смешения 5 и раструб 6 размещены на одной оси. На конце патрубка 3 подвода воздуха, размещенном внутри сужающегося участка 4 корпуса 1, осесимметрично на входе в камеру смешения 5 установлен генератор Гартмана 7. Напротив выхода раструба 6 осесимметрично установлен направляющий аппарат, выполненный в виде конуса 8 с криволинейной вогнутой поверхностью, переходящей в основании конуса 8 в торовую восходящую поверхность 9, образуя отводящую сепарирующую поверхность для очищенной жидкости и пены с примесями. Вершина конуса 8 размещена внутри раструба 6. Для отделения пены с примесями от очищенной жидкости над восходящей торовой поверхностью 9 установлен наклонный к основанию конуса 8 кольцевой козырек 10, образующий с ней кольцевую щель 11, предназначенную для отвода очищенной жидкости. При этом большее основание кольцевого козырька 10 соединено с горловиной приемной емкости 12 для очищенной жидкости. По наружной поверхности кольцевого козырька 10 происходит отвод пены с примесями. Снаружи приемной емкости 12 для очищенной жидкости установлена приемная емкость 13 для пены с примесями. Для обеспечения эффективного отделения пены с примесями высота кольцевой щели 11 должна изменяться. Это может быть реализовано, например, путем осевого перемещения направляющего аппарата (конуса 8) относительно кольцевого козырька 10 емкости 12 или путем перемещения емкости 12 с кольцевым козырьком 10 относительно направляющего аппарата (конуса 8) (приводы осевого перемещения на чертеже условно не показаны).

Устройство работает следующим образом.

В корпус 1 по патрубку 2 и далее в камеру смешения 5 под давлением подают очищаемую жидкость, а по патрубку 3 - газ, например воздух. Подача газа под давлением в высокоскоростной поток очищаемой жидкости в зону пониженного давления суженного участка 4, где высока скорость жидкости, позволяет производить ее газонасыщение в динамическом режиме, что гораздо эффективнее, чем в процессе эжекции воздуха жидкостью в прототипе. Введение же газа ортогонально потоку жидкости в пульсирующем режиме с акустической частотой через генератор Гартмана 7 повышает эффект динамического взаимодействия потоков жидкости и газа, интенсифицируя процессы дробления пузырьков газа и перемешивания их с жидкостью. Пульсация расхода вводимого в жидкость газа приводит к низкочастотным пульсациям жидкости в зоне подачи газа. При этом в первый полупериод пульсации расхода газа фронт волны при расширении газа приводит к повышению давления жидкости до генератора 7 вследствие сужения проходного сечения участка 4, в котором резко возрастает ускорение потока жидкости, в следующий полупериод пульсации расхода газа жидкость, следуя за уходящим фронтом газа, создает поперечную составляющую скорости, встречную фронту расширения газа следующего полупериода, что обеспечивает динамический нестационарный режим смешения. Такая организация процесса смешения газа и жидкости обеспечивает достижение значений числа Вебера выше критического для пузырькового режима течения, при котором максимально интенсифицируется процесс дробления пузырьков газа, развитая поверхность которых в жидкости обеспечивает наибольшую эффективность захвата примесей (Севик, Парк «Дробление капель и пузырьков в турбулентном потоке» Теоретические основы инженерных расчетов, XXIV, 1973, №1, стр.122-129). В процессе движения газожидкостной смеси в камере смешения 5 происходит интенсивное поглощение и прилипание примесей к поверхности пузырьков. При попадании в раструб 6 происходит формирование кольцевого течения потока при набегании его на вершину конуса 8 без выхода возмущений течения наружу. При этом величина площади кольцевого сечения потока определяется положением раструба 6 относительно вершины конуса 8 путем его осевого перемещения с фиксацией в заданном положении. Поток с высокой скоростью вытекает на криволинейную поверхность конуса 8 и затем на торовую поверхность 9. При движении по криволинейной поверхности 9 в газожидкостном потоке возникает поперечный градиент давлений под воздействием центростремительной силы и за счет разности плотностей пузырьков газа с примесями и очищенной жидкости происходит расслоение смеси на жидкость и пену. При этом осветленная жидкость поступает в кольцевую щель 11 между поверхностями 9 и 10 и сливается в приемную емкость 12, а пена с примесями - по наружной стороне поверхности козырька 11 в емкость 13. Причем изменение высоты щели 11 производится по высоте слоя очищенной жидкости, текущей по поверхности 9.

Использование изобретения позволит повысить эффективность очистки жидкостей от диспергированных и растворенных примесей вследствие уменьшения размера пузырьков жидкости при заданном газосодержании и интенсивности их образования, что достигается насыщением жидкости пузырьками воздуха в динамическом режиме при значениях числа Вебера выше критического для пузырькового режима течения.

Изобретение может быть использовано при обработке воды на тепловых электростанциях для ее декарбонизации, при очистке конденсатов, сточных вод. Для осуществления способа проводят смешение потоков очищаемой жидкости и газа с образованием газожидкостной среды пузырьковой структуры и отделением образующейся пены с примесями от очищенной жидкости. Газ вводят под давлением в динамическом режиме, который обеспечивают пульсирующей подачей газа ортогонально потоку очищаемой жидкости. Газожидкостную среду пузырьковой структуры получают при значении числа Вебера выше критического. Устройство содержит корпус (1) с патрубками подачи жидкости (2) и газа (3), соединенными с камерой смешения потоков газа и очищаемой жидкости (5), направляющий аппарат (8), выполненный в виде конуса, сепарирующую криволинейную вогнутую поверхность для отвода пены и очищенной жидкости, переходящую в основании конуса в восходящую торовую поверхность (9), емкость (12) для очищенной жидкости и емкость (13) для пены с примесями. На выходе патрубка подачи газа (3) установлен генератор Гартмана (7). На выходе из камеры смешения (5) установлен с возможностью осевого перемещения раструб (6). Вершина конуса (8) размещена осесимметрично внутри раструба (6). Над восходящей торовой поверхностью установлен наклонный к основанию конуса (8) кольцевой козырек (10), образующий с ней кольцевую щель (11). Изобретения обеспечивают повышение эффективности и надежности очистки жидкости от растворенных и диспергированных примесей. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ очистки жидкости от растворенных и диспергированных примесей, включающий смешение потоков очищаемой жидкости и газа с образованием газожидкостной среды пузырьковой структуры с последующим отделением образующейся пены с примесями от очищенной жидкости, отличающийся тем, что газ вводят в поток очищаемой жидкости под давлением в динамическом режиме, который обеспечивают пульсирующей подачей газа ортогонально потоку очищаемой жидкости, а газожидкостную среду пузырьковой структуры получают при значении числа Вебера выше критического.

2. Устройство для очистки жидкости от растворенных и диспергированных примесей, содержащее корпус с патрубками подачи жидкости и газа, соединенными с камерой смешения потоков газа и очищаемой жидкости, направляющий аппарат и сепарирующую криволинейную поверхность для отвода пены и очищенной жидкости, отличающееся тем, что на выходе патрубка подачи газа установлен генератор Гартмана, размещенный на входе в камеру смешения, на выходе из которой установлен с возможностью осевого перемещения раструб, а направляющий аппарат выполнен в виде конуса с криволинейной вогнутой поверхностью, переходящей в основании конуса в восходящую торовую поверхность, образуя сепарирующую поверхность для очищенной жидкости и пены с примесями, вершина которого размещена осесимметрично внутри раструба, причем над восходящей торовой поверхностью установлен наклоненный к основанию конуса кольцевой козырек, образующий с ней кольцевую щель, при этом большее основание кольцевого козырька соединено с горловиной приемной емкости для очищенной жидкости, снаружи которой установлена приемная емкость для пены с примесями, причем восходящая торовая поверхность конуса и кольцевой козырек установлены с возможностью изменения высоты щели.