Устройство для флотационной очистки жидких сред Российский патент 2018 года по МПК C02F1/24 

Изобретение относится к устройствам для флотационной очистки промышленных и бытовых жидких сред от органических примесей, преимущественно для очистки пластовых водонефтяных эмульсий, нефтешламов, химических и нефтехимических сточных вод.

Известно устройство для очистки нефтесодержащих и сточных вод (Патент РФ №2394773, МПК C02F 1/40 (2006.01). Устройство для очистки нефтесодержащих и сточных вод. Опубл. 20.07.2010, Бюл. №20). Устройство содержит емкость, разделенную на накопительную и флотационную зоны. Во флотационной зоне размещен кожух, сообщенный с источником сжатого воздуха и хранилищем очищаемой жидкой среды. Накопительная зона сообщена с герметичным вакуумируемым баком, снабженным нагревателем. Емкость и бак снабжены средствами отвода сфлотированного материала и емкостями для его сбора. Кожух емкости выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси, а его конец выполнен конфузорным. Подводящая труба размещена в полости дополнительного кожуха, ее нижний участок заключен в рубашку.

Недостатком известного технического решения является относительно высокое время адсорбции воздухом органических примесей из-за малой площади контакта пузырьков воздуха с очищаемой жидкой средой, обусловленной наличием относительно большой доли крупнодисперсных пузырьков воздуха.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является установка для флотационной очистки воды (Патент РФ №2297978, МПК C02F 1/24 Установка для флотационной очистки воды. Опубл. 27.04.2007). Установка содержит прямоугольный в плане корпус с размещенной внутри распределительной системой перфорированных трубопроводов для ввода водовоздушной смеси, узел вывода очищенной воды с приемным карманом, механизм для удаления пены с пеносборником и патрубком для удаления пены, устройство для насыщения исходной воды пузырьками воздуха, состоящее из насоса и водовоздушных эжекторов. Установка снабжена приемной емкостью для стабилизации расхода поступающей в водовоздушные эжекторы воды, сообщенной с входным патрубком насоса и через обратный клапан - с корпусом установки.

Недостатком известного технического решения является относительно высокое время адсорбции воздухом органических примесей из жидкой среды из-за малой площади контакта пузырьков воздуха с очищаемой жидкой средой, обусловленной наличием относительно большой доли крупнодисперсных пузырьков воздуха (диаметром более 100 мкм), приводящая к увеличению времени очистки жидкой среды.

Задачей заявляемого технического решения является снижение времени адсорбции воздухом органических примесей из жидкой среды.

Сокращение времени адсорбции воздухом органических примесей в жидкой среде непосредственно связано с временем очистки жидкой среды от органических примесей.

Технический результат изобретения - сокращение времени очистки жидкой среды от органических примесей.

Для решения поставленной задачи в устройстве для флотационной очистки жидких сред, включающем корпус, входной трубопровод, приспособление для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду, пеносборник и выходной трубопровод, предлагается:

- на выходе входного трубопровода внутри корпуса ниже уровня жидкой среды разместить генератор пузырьков воздуха, состоящий из форсунки, установленной на выходном конце трубопровода ввода очищаемой жидкой среды соосно с ним, и пластины, расположенной под форсункой и закрепленной перпендикулярно продольной оси форсунки;

- поверхность пластины, ориентированную по направлению к форсунке, выполнить шероховатой;

- на шероховатой поверхности пластины соосно с форсункой установить рассекатель потока в виде осесимметричной геометрической фигуры, вершина которой направлена к форсунке и диаметр поперечного сечения которой увеличивается в направлении от форсунки к пластине;

- диаметр проходного сечения форсунки определять согласно условию с учетом массового расхода жидкой среды, плотности жидкой среды и эмпирического коэффициента.

В частных случаях реализации устройства предлагается:

- шероховатость поверхности пластины обеспечить путем наложения и фиксации сетки с ячейкой от 0,05 до 5 мм на поверхности пластины;

- шероховатость поверхности пластины создать механическим способом, обеспечив высоту выступов от 0,1 до 5,0 мм;

- пластину с шероховатой поверхностью снабдить приспособлением для крепления ее к подающему трубопроводу с возможностью регулируемого перемещения пластины вдоль продольной оси трубопровода и фиксации пластины относительно форсунки;

- боковую поверхность рассекателя потока выполнить вогнутой.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - продольное осевое сечение устройства для флотационной очистки жидкой среды; на фиг. 2 - продольное осевое сечение генератора пузырьков воздуха.

На чертежах приняты следующие позиционные обозначения: 1 - входной трубопровод; 2 - выходной трубопровод; 3 - корпус; 4 - пеносборник; 5 - пластина; 6 - приспособление для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду; 7 - приспособление для крепления пластины к подающему трубопроводу; 8 - рассекатель потока; 9 - сетка; 10 - форсунка.

Устройство для флотационной очистки жидких сред включает входной трубопровод 1, выходной трубопровод 2, корпус 3, пеносборник 4, пластину 5, приспособление 6 для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду, генератор пузырьков воздуха, состоящий из пластины 5, рассекателя потока 8 и форсунки 10. В частных случаях исполнения генератора пузырьков воздуха используют приспособление 7 для крепления пластины к подающему трубопроводу и сетку 9.

Входной 1 и выходной 2 трубопроводы прикреплены к корпусу 1.

Приспособление 6 для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду размещено на входном трубопроводе 1.

Пеносборник 4 расположен в корпусе 3 на поверхности очищаемой жидкой среды.

В частном случае пеносборник 4 выполнен из гранул спеченного сверхвысокомолекулярного полиэтилена, адсорбирующем всплывшие на поверхность жидкой среды органические примеси.

Выходной трубопровод 2 расположен ниже уровня очищаемой жидкой среды с целью обеспечения гарантированного отвода очищенной жидкой среды без захвата всплывших органических примесей.

На выходе входного трубопровода 1 внутри корпуса 3 размещен генератор пузырьков воздуха.

Форсунка 10 установлена на выходном конце входного трубопровода 1 соосно с ним.

Пластина 5 расположена под форсункой 10 и закреплена перпендикулярно продольной оси форсунки. Поверхность пластины 5, ориентированная по направлению к форсунке 10, выполнена шероховатой.

В частном случае шероховатость поверхности пластины 5 выполняют путем наложения и фиксации сетки 9 с ячейкой от 0,05 до 5,0 мм и толщиной от 0,1 до 10,0 мм на поверхности пластины 5 или механическим способом, обеспечивающим высоту выступов шероховатостей от 0,1 до 5,0 мм.

В частном случае пластина 5 снабжена приспособлением 7 для ее крепления к входному трубопроводу 1 с возможностью регулируемого перемещения вдоль продольной оси входного трубопровода 1 и фиксации положения пластины 5 относительно форсунки 10.

На шероховатой поверхности пластины 5 соосно с форсункой установлен рассекатель потока 8 в виде осесимметричной геометрической фигуры, вершина которой направлена к форсунке и диаметр поперечного сечения которой увеличивается в направлении от форсунки к пластине. Данное решение позволяет обеспечить оптимальное распределение профиля скорости потока жидкой среды вдоль поверхности пластины 5.

В частном случае боковая поверхность рассекателя потока 8 выполнена вогнутой. Диаметр проходного сечения форсунки выбирают из условия:

где d - диаметр проходного сечения форсунки, м; G - массовый расход жидкой среды, кг/ч; ρ - плотность жидкой среды, кг/м³; 0,55 - эмпирический коэффициент с размерностью, м/ч.

Для определения значения эмпирического коэффициента были проведены испытания на форсунках 10 с входным диаметром, равным диаметру входного трубопровода 1 15 мм, и проходными диаметрами, равными 5, 6, 7, 8 и 9 мм. Для данных форсунок были определены времена адсорбции и удаления органических примесей. По результатам проведенных экспериментов было выявлено, что значение эмпирического коэффициента для определения диаметра проходного диаметра форсунки должно составлять не менее 0,55 м/ч.

Устройство для флотационной очистки жидких сред работает следующим образом.

В процессе флотационной очистки в поток жидкой среды с помощью приспособления 6 для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду вводят воздух, который при движении по входному трубопроводу 1 равномерно перемешивается в объеме очищаемой жидкой среды, образуя смесь воздуха и жидкой среды. Образующаяся водовоздушная смесь через форсунку 10 направляется на рассекатель 8 потока, который перенаправляет его вдоль шероховатой поверхности пластины 5. На выступах шероховатостей пластины 5 за счет высокой продольной скорости происходит турбулизация потока смеси воздуха и жидкой среды и кавитационное дробление большей части крупнодисперсных пузырьков воздуха на мелкодисперсную фракцию. Экспериментально определено, что для выполнения условия турбулизации и кавитационного дробления крупнодисперсных пузырьков воздуха на мелкодисперсную фракцию необходимо выполнение условия (1).

При выполнении условия (1) в системе устанавливается устойчивое равновесие между крупнодисперсными и мелкодисперсными пузырьками воздуха. При этом часть органических примесей адсорбируются на оставшихся крупнодисперсных пузырьках воздуха и всплывают с ними в начальный момент времени. Мелкодисперсные пузырьки воздуха остаются в объеме очищаемой жидкой среды значительное количество времени, в течение которого происходит коагуляция пузырьков воздуха, адсорбция органических примесей на их поверхности и всплытие скоагулированных пузырьков воздуха с адсорбированными органическими примесями к поверхности очищаемой жидкости. При этом в выходном трубопроводе 2 отсутствуют пузырьки воздуха, а органические примеси удалены до требуемых норм. Всплывшие на поверхность органические примеси удаляются с поверхности с помощью пеносборника 4.

Пример конкретного выполнения устройства для флотационной очистки жидких сред.

Входной 1 и выходной 2 трубопроводы, корпус 3, пластина 5, приспособление 7 для крепления пластины к подающему трубопроводу, рассекатель потока 8, сетка 9 и форсунка 10 выполнены из нержавеющей стали.

Входной 1 и выходной 2 трубопроводы изготовлены из трубы с диаметром проходного сечения 15 мм.

Корпус 3 выполнен прямоугольным из листа толщиной 2 мм с габаритными размерами 1,2×0,5×0,3 м.

Для пеносборника 4 использованы гранулы спеченного сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

Пластина 5 имеет толщину 3 мм, диаметр 250 мм и отверстие в центре для крепления рассекателя 4 потока. К поверхности пластины 5 точечной сваркой прикреплена сетка 9 с размером ячейки 400 мкм и толщиной 1 мм.

Приспособление 6 для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду выполнено в виде эжектора и подключено к системе сжатого воздуха.

Приспособление 7 для крепления пластины к подающему трубопроводу 1 выполнено в виде прутков, один конец которых прикреплен к внешнему периметру пластины 5, а другой - к трубе с внутренней резьбой. Она обеспечивает соединение ее с входным трубопроводом 1, на поверхности которого выполнена внешняя резьба. Для фиксации приспособления 7 используется контргайка.

Рассекатель потока 8 имеет с диаметр основания 35 мм и высоту 17,5 мм. Боковая поверхность рассекателя потока 8 выполнена вогнутой с радиусом 17,5 мм.

Диаметр проходного сечения форсунки 10 с учетом соотношения (1) равен 5 мм.

Проверка работоспособности устройства проведена на модельных жидких средах с содержанием нефтепродуктов до 2000 мг/л.

Испытания проводили при заданном массовом расходе очищаемой жидкой среды 95 кг/ч, плотности жидкой среды - 950 кг/м³ при температуре - 20°C.

Эффективность очистки жидкой среды определялась как отношение массы удаленных нефтепродуктов к массе нефтепродуктов, введенных в очищаемую жидкость. Масса удаленных из жидкой среды нефтепродуктов определялась как разность веса гранул, адсорбировавших нефтепродукты, и чистых гранул.

Время, необходимое для удаления нефтепродуктов, определялось по достижению эффективности очистки не менее 98%. Результаты сравнительных испытаний при одинаковом массовом расходе показали, что при наличии генератора пузырьков воздуха среднее время адсорбции и удаления нефтепродуктов составляет 40 минут, а при отсутствии генератора пузырьков - 65 мин.

Созданная конструкция устройства для флотационной очистки жидких сред обеспечивает непрерывное насыщение очищаемой жидкой среды мелкодисперсными пузырьками воздуха, что приводит к уменьшению времени адсорбции и всплытия нефтепродуктов не менее чем в 1,6 раза.

Изобретение относится к устройствам для флотационной очистки промышленных и бытовых жидких сред от органических примесей. Устройство для флотационной очистки жидких сред включает входной (1) и выходной (2) трубопроводы, корпус (3), пеносборник (4), пластину (5), приспособление (6) для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду, генератор пузырьков воздуха, состоящий из пластины (5), рассекателя потока (8) и форсунки (10). В частных случаях в генераторе пузырьков воздуха используют приспособление (7) для крепления пластины к подающему трубопроводу и сетку. Входной (1) и выходной (2) трубопроводы присоединены к корпусу (3). Приспособление для ввода воздуха (6) в очищаемую жидкую среду размещено на входном трубопроводе (1). Пеносборник (4) расположен в корпусе (3) на поверхности очищаемой жидкой среды. Выходной трубопровод (2) расположен ниже уровня очищаемой жидкой среды. Форсунка 10 установлена на выходном конце входного трубопровода (1) соосно с ним. Пластина (5) расположена под форсункой (10) и закреплена перпендикулярно ее продольной оси. Поверхность пластины (5), ориентированная по направлению к форсунке (10), выполнена шероховатой. На шероховатой поверхности пластины соосно с форсункой (10) установлен рассекатель потока (8) в виде осесимметричной геометрической фигуры, вершина которой направлена к форсунке (10) и диаметр поперечного сечения которой увеличивается в направлении от форсунки к пластине (5). Диаметр проходного сечения форсунки (10) определяют согласно условию с учетом массового расхода жидкой среды, плотности жидкой среды и эмпирического коэффициента. Технический результат - сокращение времени очистки жидкой среды от органических примесей. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для флотационной очистки жидких сред, включающее корпус, присоединенные к нему входной и выходной трубопроводы, приспособление для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду, размещенное на входном трубопроводе, пеносборник, расположенный в корпусе на поверхности очищаемой жидкой среды, причем выходной трубопровод расположен ниже уровня очищаемой жидкой среды, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено генератором пузырьков воздуха, состоящим из форсунки, установленной на выходном конце входного трубопровода соосно с ним, и пластины, расположенной под форсункой и закрепленной перпендикулярно продольной оси форсунки, причем поверхность пластины, ориентированная по направлению к форсунке, выполнена шероховатой, на шероховатой поверхности пластины соосно с форсункой установлен рассекатель потока в виде осесимметричной геометрической фигуры, вершина которой направлена к форсунке и диаметр поперечного сечения которой возрастает в направлении от форсунки к пластине, при этом диаметр проходного сечения форсунки выбран исходя из условия

где d - диаметр проходного сечения форсунки, м;

G - массовый расход жидкой среды, кг/ч;

ρ - плотность жидкой среды, кг/м³;

0,55 - эмпирический коэффициент, м/ч.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шероховатость поверхности пластины выполнена путем наложения сетки с ячейкой от 0,05 мм до 5,0 мм и толщиной от 0,1 мм до 10,0 мм на поверхность пластины и фиксации сетки и пластины между собой.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что шероховатость поверхности пластины выполнена механическим способом, обеспечивающим высоту выступов от 0,1 мм до 5,0 мм.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пластина снабжена приспособлением для крепления ее к подающему трубопроводу с возможностью регулируемого перемещения пластины вдоль продольной оси трубопровода и фиксации ее положения относительно форсунки.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что боковая поверхность рассекателя потока выполнена вогнутой.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пеносборник выполнен из гранул спеченного сверхвысокомолекулярного полиэтилена.