ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИОННЫЙ РЕАКТОР Российский патент 2019 года по МПК C02F1/463 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к очистке воды, и, в частности, к электрокоагуляционному устройству для очистки промышленных сточных вод и сточных вод с прибрежных морских объектов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Электрокоагуляция может быть применена для очистки сточной воды. Электрокоагуляция включает применение электрического тока для удаления загрязняющих веществ сточной воды. Термин "сточная вода" в контексте данного документа включает любой поток воды, из которого необходимо удалить загрязняющее вещество, даже если загрязняющее вещество может необязательно быть вредным для здоровья. Загрязняющее вещество может включать тяжелые металлы, бактерии, объекты, создающие биохимическую потребность в кислороде (BOD), объекты, создающие химическую потребность в кислороде (COD), общие растворенные твердые частицы (TDS), общие суспендированные твердые частицы (TSS), вирус, пестициды, мышьяк, МТВЕ и цианид. Загрязняющие вещества могут быть суспендированы в воде с помощью электрических зарядов. Так как электрокоагуляция не включает применение химических или биологических добавок, она является экологически безопасным процессом очистки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0003] Различные аспекты, признаки и преимущества конкретных, приведенных в качестве примера, вариантов реализации настоящего изобретения станут более очевидными из следующего описания, рассматриваемого в сочетании с приложенными графическими материалами, на которых:

[0004] На фиг. 1А и 1В изображены два вида устройства электрокоагуляционного реактора в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0005] На фиг. 2 изображен схематический вид компонентов устройства электрокоагуляционного реактора в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0006] На фиг. 3 изображен вид в перспективе каркаса для размещения электродов в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0007] На фиг. 4 изображен вид в разрезе торцевых фланцев и электродов в соответствии с вариантом реализации изобретения.

[0008] На фиг. 5 и фиг. 6 изображены виды в перспективе устройства электрокоагуляционного реактора, содержащего каркас для размещения электродов, содержащий множество пластинчатых электродов в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

[0009] На фиг. 7 изображен вид в перспективе устройства электрокоагуляционного реактора, содержащего каркас для размещения электродов в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[00010] Очистка сточных вод включает прохождение загрязненного потока сточных вод через электрокоагуляционное (ЭК) устройство. Традиционные ЭК устройства содержат электролитическую ячейку с одним или более парами токопроводящих металлических пластин, расположенными в вертикальной штабельной конфигурации. Каждая такая пара содержит пластину, выполняющую функцию катода, и другую пластину, выполняющую функцию анода. Электроды погружены в воду, подлежащую очистке. Анод может быть получен в виде основания из железа, стали, нержавеющей стали, алюминия, титана, титанового сплава или другого вентильного металла.

[00011] При приложении электрического тока к электролитической ячейке материал анода начнет электрохимически растворяться/эродировать вследствие окисления на поверхности анода, тогда как поверхность катода будет подвержена пассивации и не будет растворяться. Растворяющийся анод называется "жертвенный электрод". Жертвенный электрод непрерывно высвобождает ионы (железа) в воду. Освобожденные ионы дестабилизируют заряды взвешенных загрязняющих веществ в потоке сточной воды. Это запускает процесс коагуляции за счет создания агрегатов или частиц флокулянта, которые являются центрами нуклеации для загрязняющих веществ, которые затем осаждаются из раствора. Эти частицы флокулянта или флокулянты принимают участие либо во флотации, либо в гравитационном осаждении в камере или в ванне с электролитом.

[00012] Традиционные ЭК устройства содержат резервуар, содержащий определенное количество металлических пластинчатых электродов или электродов, размещенных в вертикальной штабельной конфигурации, при этом электроды могут быть расположены параллельно друг другу. Важной является периодическая замена электродов. Например, в случае, если электроды изготовлены из токопроводящего некаталитического основания, снабженного электрокаталическим покрытием, покрытие может быть подвержено деактивации со временем, вследствие расходования, отделения от основания, пассивации самого основания в области, контактирующей с электрокаталитическим покрытием, или по другим причинам. Традиционные ЭК устройства являются достаточно большими и основаны на методах пневматической флотации, требующих дорогостоящего технического обслуживания. Они также требуют выгрузку сухого остатка/оптимизацию транспортировки, что, как правило, операторы морской нефтегазодобычи не хотят организовывать. Поэтому технология ЭК не нашла широкого применения на платформах морской нефтегазодобычи для очистки сточных вод.

[00013] Соответственно, существует необходимость в ЭК устройстве, которое является надежным и требует минимального технического обслуживания на протяжении его срока службы. Должна быть возможность его реализации на относительно небольшой площади, так чтобы его можно было использовать на борту небольших морских судов. Такое устройство должно быть легко и эффективно произведено и изготовлено из уже существующих компонентов. Выполнение регламентного технического обслуживания должно быть экономически эффективным и безопасным для оператора морской нефтегазодобычи.

[00014] Аспекты настоящего изобретения направлены по меньшей мере на вышеупомянутые проблемы и/или недостатки и обеспечивают предоставление по меньшей мере преимуществ, описанных ниже. Соответственно, аспект настоящего изобретения предусматривает способ и устройство электрокоагуляционного реактора (ЭКР) для очистки потока жидкости.

[00015] В соответствии с вариантом реализации предлагается устройство ЭКР для очистки потока жидкости. Поток жидкости может содержать поток сточной воды или любой другой поток жидкости, такой как поток жидкости с тяжелыми металлами. Устройство ЭКР содержит: (А) цилиндрическую ячейку; и (В) каркас для размещения электродов. Ячейка содержит цилиндрическую или барабанообразную камеру или корпус для приема каркаса для размещения электродов. Каркас для размещения электродов может содержать: (i) пару противоположных вставок, при этом каждая из вставок содержит множество отверстий вставки; и (ii) штабель электродов, содержащий множество пластинчатых электродов. Каждый из пластинчатых электродов размещен горизонтально в штабеле в паре противоположных отверстий вставки, образованных на паре противоположных вставок. Каркас для размещения электродов вставлен в корпус ячейки.

[00016] Наружная боковая стенка каждой из вставок является изогнутой. Отверстия вставки могут быть образованы или сформированы на внутренней боковой стенке каждой из вставок. Каждый пластинчатый электрод или электрод могут быть расположены на заданном расстоянии от соседнего электрода. Кроме того, каждый электрод может быть равноудаленным по отношению к соседнему электроду. Каждая из вставок может по существу иметь серповидную форму или форму полумесяца. Каждая из вставок выполнена с возможностью съема и замены и является нетокопроводящей. Каждая из вставок выполнена с возможностью направления сточной воды только в активные области множества пластинчатых электродов.

[00017] Наружная боковая стенка вставок содержит одну или более прорезей или отверстий вставки. Ячейка содержит цилиндрические боковые стенки, при этом цилиндрические боковые стенки ячейки дополнительно содержат одно или более отверстий. Каждое отверстие на наружной боковой стенке вставок выровнено с соответствующим отверстием на цилиндрических боковых стенках ячейки для формирования сквозного отверстия, когда каркас для размещения электродов вставлен в ячейку. Устройство ЭКР может содержать фиксирующее устройство. Фиксирующее устройство может быть ввинчено в сквозное отверстие для прочного присоединения каркаса для размегцения электродов к корпусу ячейки.

[00018] Пластинчатые электроды содержат пару верхнего и нижнего контактных электродов. Множество биполярных пластинчатых электродов размещены в штабеле между контактными электродами. Каждый пластинчатый электрод размещен в штабеле в горизонтальном выравнивании с соседним пластинчатым электродом. Токопроводящий стержень может быть прикреплен к по меньшей мере одному или обоим из контактных электродов.

[00019] Устройство ЭКР дополнительно содержит первый и второй фланец. Каждый из фланцев выполнен с возможностью герметичного закрытия первого и второго торца цилиндрической ячейки. Каждый из первого и второго торцевых фланцев дополнительно содержит множество внутренних элементов отклонения течения. Элементы отклонения течения выполнены с возможностью обеспечения извилистого течения сточной воды внутрь ячейки.

[00020] В соответствии с другим вариантом реализации раскрывается способ очистки потока жидкости. Способ включает этапы, на которых: осуществляют смешивание потока соленой морской воды под давлением с потоком жидкости для образования технологического потока; осуществляют прохождение технологического потока через устройство ЭКР, описанное в данном документе, для обеспечения образования флокулированной выпавшей фазы путем подвергания технологического потока электролизу с применением электродов, при этом флокулированная выпавшая фаза содержит суспендированные твердые загрязняющие вещества. В другом аспекте способ включает осуществление прохождения потока жидких отходов через устройство ЭКР без смешивания его с потоком соленой морской воды под давлением.

[00021] Способ дополнительно включает осуществление осаждения отстаиванием флокулированной выпавшей фазы и выпуск по существу свободной от загрязняющих веществ надосадочной жидкости из осадителыюго резервуара, функционально присоединенного к устройству ЭКР.

[00022] Способ дополнительно включает осуществление расположения каждой пары противоположных отверстий вставки на заданном и равном расстоянии от соседней пары противоположных отверстий вставки для обеспечения равномерного и равного течения технологического потока между каждым из пластинчатых электродов. В устройстве ЭКР обеспечивается извилистое течение технологического потока.

[00023] Способ дополнительно включает осуществление очистки пластинчатых электродов на месте в условиях высокого давления.

[00024] На фиг. 1А и 1В изображены два вида устройства ЭКР в соответствии с приведенным в качестве примера вариантом реализации. Устройство ЭКР 100 может содержать цилиндрическую или трубчатую ячейку 110. Ячейка 110 может успешно быть герметично закрыта парой первого и второго съемных фланцев или концевых технологических люков 106 и 108. Ячейка 110 выполнена в цилиндрической форме, чтобы выдерживать высокое гидравлическое/гидростатическое давление в отличие от традиционных ЭК устройств, имеющих плоский корпус, который может быть подвержен изгибанию под действием аналогичного давления. Удобно то, что ячейка 110 может быть изготовлена из любой цилиндрической структуры или структуры в форме трубы. Например, ячейка 110 может быть изготовлена из любых компонентов, выполненных по промышленным стандартам, или широкодоступных компонентов, таких как труба. Ячейка 110 содержит впускное отверстие 102 для жидкости и выпускное отверстие 104 для жидкости.

[00025] Ячейка 110 может быть изготовлена из любого подходящего коррозионностойкого и нетокопроводящего материала. Ячейка 110 может быть изготовлена из, например, ПВХ, других пластиков или металла с покрытием. Ячейка 110 может иметь любой подходящий размер/длину/диаметр.

[00026] На фиг. 2 изображены приведенные в качестве примера компоненты 200 устройства ЭКР. Компоненты 200 могут содержать трубчатую/цилиндрическую ячейку 110, как было описано ранее. Ячейка 110 содержит впускное отверстие 102 для жидкости, расположенное на касательной нижнего квадранта к ячейке 110, и выпускное отверстие 104 для жидкости, расположенное на касательной верхнего квадранта к ячейке 110. Ячейка 110 дополнительно содержит каркас 202 для размещения электродов для размещения множества электродов.

[00027] Как показано на фиг. 2 и 3, каркас 202 для размещения электродов может содержать пару токонепроводящих вставок 302А и 302 В. Вставки 302А, 302 В могут быть изготовлены из поливинилхлорида (ПВХ), хлорированного поливинилхлорида (ХПВХ), акрилонитрилбутадиенстирола (АБС) или другого подходящего нетокопроводящего материала.

[00028] Внутренняя боковая стенка вставки 302А расположена так, что она обращена к внутренней боковой стенке вставки 302В. Вставка 302А может находиться на заданном расстоянии от вставки 302В. Внутренние боковые стенки каждой вставки 302А, 302В могут содержать множество пазов или отверстий (не показаны). Вставки 302А, 302В расположены так, что отверстия вставки на вставке 302А по существу выровнены с отверстиями вставки на вставке 302В, тем самым образуя соответствующую пару отверстий вставки. Каждая пара отверстий вставки находится на заданном расстоянии от соседней пары отверстий вставки. Отверстия вставки могут иметь такие размеры, чтобы прочно принимать пластинчатые электроды 204А, 204В (собирательно называемые "электроды"). Заданное расстояние может быть по существу равно ширине одного или более электродов. Вставки 302А, 302В выполнены с возможностью отклонения течения жидкости только в активные области электродов и могут минимизировать нетокопроводящие или мертвые зоны электродов. Так как вставки 302А, 302В могут изнашиваться по мере использования и с течением времени, они спроектированы с возможностью легкого и удобного снятия и замены оператором. Это может также продлевать срок службы устройства ЭКР.

[00029] Наружные боковые стенки вставок 302А, 302В могут иметь геометрию, соответствующую внутреннему диаметру ячейки 110. Например, наружные боковые стенки могут быть изогнутыми. Внутренние боковые стенки вставок 302А, 302В могут быть, по существу, плоскими, так что вставки 302А, 302В, по существу, имеют форму полумесяца. Как показано на фиг.7, вставки 302А, 302В могут содержать множество пазов или отверстий 203 для приема электродов.

[00030] Вставки 302А, 302В могут быть приварены к ячейке 110. Вставки 302А, 302В могут иметь такие размеры, что они могут быть вставлены в ячейку 110 путем приложения определенного усилия. Вставки 302А, 302 В могут содержать одну или более прорезей 208 вставки для приема подходящего фиксирующего или крепежного механизма. Ячейка 110 может также содержать пару отверстий 222 ячейки на противоположных боковых стенках. Вставки 302А, 302В расположены в ячейке 110 так, что прорези 208 вставки выровнены с отверстиями 222 ячейки на каждой боковой стенке ячейки для формирования сквозного отверстия для приема крепежных или фиксирующих устройств 216, 218 вставки. Фиксирующие устройства 216, 218 вставки могут содержать любое подходящее устройство. В одном варианте реализации фиксирующий механизм может содержать узел болта с шестигранной головкой/шайбы/уплотнительного кольца. Эта конструкция обеспечивает периодическую замену вставок 302А, 302В по мере их старения с течением времени.

[00031] Как показано на фиг. 5 и 6, каркас 202 для размещения электродов может быть вставлен внутрь ячейки 110. Каркас 202 для размещения электродов содержит штабель электродов, содержащий множество плоских биполярных металлических пластин 204В и пару контактных электродов 204А. Биполярные металлические пластины 204В действуют как расходуемые электроды. Пластинчатые электроды 204А, 204В могут быть расположены параллельно друг другу. Также электроды 204А, 204В могут быть расположены так, что каждый пластинчатый электрод 204А, 204В может быть отдельно удален из ячейки 110. Это позволяет оператору при необходимости удобным образом заменить или повторно активировать электроды 204А, 204В. Как показано на фиг. 5, пара токопроводящих или токораспределяющих стержней 206 может быть приварена на поверхности, не участвующей в реакции, верхнего и нижнего контактных электродов 204А.

[00032] Снова обратимся к фиг. 3, на которой видно, что множество биполярных пластинчатых электродов 204В размещены между парой верхнего и нижнего контактных пластинчатых электродов 204А. Контактные электроды 204А лежат в той же плоскости, что и промежуточные электроды 204В для образования множества контактных поверхностей для жидкости, подлежащей очистке. Контактные электроды 204А выполнены с возможностью функционирования только как анод или катод на основании стадии в цикле очистки жидкости или сточных вод. Промежуточные электроды 204В, однако, являются биполярными, при этом одна планарная или плоская сторона может представлять собой анод, а другая планарная или плоская сторона одного электрода 204В может представлять собой катод. Электрическая полярность электродов 204В может периодически изменяться на обратную для изменения характера износа гак, чтобы каждый электрод 204В изнашивался равномерно.

[00033] Контактные пластинчатые электроды 204А могут быть более тонкими по сравнению с промежуточными электродами 204В, так как скорость их износа сравнительно ниже. Промежуточные электроды 204В и контактные электроды 204А могут содержать основание из железа, стали, углерода, меди, алюминия, керамики, титана, титанового сплава или другого вентильного металла. Контактные электроды 204А могут быть снабжены поверхностно нанесенным внешним электрокаталитическим покрытием, содержащим смесь оксидов олова, рутения, иридия, палладия, ниобия или другие электрокаталитические материалы, для обеспечения такого же прохождения тока при уменьшении скорости их растворения и увеличении срока их службы. Увеличение их срока службы обеспечивает значительную экономию средств. Электроды 204В и контактные электроды 204А могут быть расположены в заданном координированном пространстве между вставками 302А, 302В.

[00034] Электроды 204А, 204В размещены в штабеле в горизонтальном положении. Это горизонтальное положение обеспечивает то, что сравнительно большая площадь поверхности электродов 204А, 204В доступна для расходования/использования. Это может улучшить рабочие характеристики. Также, в отличие от традиционных ЭК устройств электроды 204А, 204В не надо уплотнять. Преимущественно, может быть использована практически вся площадь поверхности электродов 204А, 204В, то есть, около 95% или более площади поверхности. С другой стороны, в ЭК устройствах с традиционными пластинами и каркасом для расходования доступно менее 70% площади поверхности электрода. Использование большей площади поверхности электродов 204А, 204В может быть потенциально переведено в уменьшение количества стали или другого материала электрода. Например, если необходимо 0,93 квадратного метра (10 кв. футов) активной области (10 пластин по 0,093 квадратного метра (одному кв. футу) каждая), применение вариантов реализации изобретения потребует только 10 пластин по 0,098 квадратного метра (1,05 кв. футов) или 0,98 квадратного метра (10,50 кв. футов) в общем. Это контрастирует с традиционными ЭК устройствами, которые потребовали бы 10 пластин по 0,13 квадратного метра (1,43 кв. фута) каждая или 1,33 квадратного метра (14,30 кв. футов) при использовании 70%.

[00035] В одном, приведенном в качестве примера, варианте реализации пятнадцать пластинчатых электродов (образующие 14 ячеек) могут быть размещены в каркасе 202 для размещения электродов. Каждая пластина может иметь активную площадь поверхности, равную 0,125 квадратного метра (193,5 кв. дюймов) (длина = 45,72 см (18''), ширина = 22,225 см (8 3/4''), и толщина = 0,635 см (1/4'')) при расчетном течении на ячейку в 3600 л/день.

[00036]Токопроводящий или токораспределяющий стержень 206 может быть приварен на внешней стороне или на поверхности, не участвующей в реакции, верхнего и/или нижнего контактных электродов 204А. Токопроводящие стержни 206 могут проходить по длине контактных электродов 204А. Этот токопроводящий стержень 206 может обеспечивать оптимальное распределение тока и простое подключение к источнику питания (не показан). Токопроводящий стержень 206 обеспечивает равное и равномерное распределение тока через электроды 204А, 204В для обеспечения равного расходования по поверхности контактных и промежуточных электродов 204А, 204В.

[00037] Снова обратимся к фиг. 2, из которой видно, что токопроводящий стержень 206 может проходить через первый торцевой фланец 106. Чтобы повысить безопасность, контактные пластинчатые электроды 204А могут оканчиваться отдельными шинными соединениями в первом концевом технологическом люке. Чтобы получать переменный ток от подходящего источника питания, его выпрямления и подачи постоянного тока (DC) на соединения, может быть применен выпрямитель (не показан). Необходимая величина напряжения и тока может зависеть от объема сточной воды, которая подлежит очистке, и типа, а также концентрации известных загрязняющих веществ. Для получения оптимальной производительности и равномерного износа электродов 204А, 204В полярность напряжения от выпрямителя может периодически изменяться на обратную. Преимущественно, изменение полярности постоянного тока на обратную может быть применено для контактных электродов 204А для обеспечения равномерного растворения с любой поверхности электродов 204В в потоке жидкости в целях дезинфекции и флокуляции/агломерации суспендированных твердых частиц без необходимости в каких-либо дополнительных внешних коагулянтах. Также, обратная полярность имеет эффект очистки на месте для удаления нежелательных отложений и металлической окалины с обеспечением более равномерной поверхности для проведения электролиза. Было установлено, что значения плотности тока от 46,5 до 310 ампер на квадратный метр (от 0,03 до 0,20 ампер на квадратный дюйм) могут генерировать пригодные флокулянты для создания хорошей коагуляции и лучшего отделения твердых частиц и жидкости.

[00038] Каждое шинное соединение контактного электрода может содержать защитную крышку 226. Крышки 226 могут защищать оператора от поражения электрическим током и защищать соединение от факторов окружающей среды. Соединительное устройство 228, такое как, пробка, обеспечивающая доступ, для создания электрического соединения между контактными электродами и источником питания может быть предусмотрено в углу концевого технологического люка 226. Пробка 228, обеспечивающая доступ, может содержать изолированный корпус с металлическими штырями, которые входят в отверстия в выпускном отверстии.

[00039] Первый и второй концевые технологические люки или торцевые фланцы 106, 108 представляют собой простые, прикрепляемые болтами, крышки. Обычно ячейка 110 не требует высокого прижимного давления для обеспечения герметичного состояния. Фланцевая конструкция в виде прикрепляемых болтами крышек обеспечивает доступ к штабелю электродов с передней стороны. Кроме того, она облегчает быструю замену промежуточных электродов 204 В и контактных электродов 204А. Пара уплотнений, таких как, уплотнительные кольца 212, может быть использована для герметичного прикрепления первого и второго торцевых фланцев 106, 108 к ячейке 110. Каждый торцевой фланец 106, 108 может удерживаться на месте с помощью подходящих крепежных устройств 214 фланца. Например, торцевые фланцы 106, 108 могут удерживаться на месте с помощью определенного количества болтов (например, 16 болтов), плоских шайб, пластин, стопорных шайб и гаек. Эти крепежные устройства 214 фланца могут быть ввинчены через отверстия 210 на торцевых фланцах 106, 108 и могут быть закреплены с помощью шпилек или стоек (не показаны) на ячейке 110. Прикрепленные болтами торцевые фланцы 106, 108 упрощают сборку и разборку устройства ЭКР. Торцевые фланцы 106, 108 могут быть снабжены монтажными проушинами 230. Монтажные проушины 230 могут иметь отверстия. Понятно, что когда каркас 202 для размещения электродов с электродами 204А, 204В вставлен в ячейку, вес устройства ЭКР 200 существенно возрастает. Поэтому, чтобы обеспечить удобное перемещение и транспортировку, в отверстия монтажных проушин 230 может быть вставлен подходящий крюк, такой как, J-образный крюк (не показан). К этому крюку может быть прикреплена цепь, чтобы впоследствии удобным образом поднимать устройство ЭКР 200.

[00040] Каждый торцевой фланец 106, 108 может быть легко и удобно открыт путем простого удаления крепежных устройств 214 фланца. К каркасу 202 для размещения электродов может быть получен доступ путем открытия только первого торцевого фланца 106. Кроме того, так как оба контактных электрода 204А выполнены в одинаковой ориентации и расположены близко к первому торцевому фланцу 106, только первый торцевой фланец 106 необходимо удалить, чтобы осуществить какое-либо техническое обслуживание. К электродам 204В и контактным электродам 204А легко может быть получен доступ для регламентного технического обслуживания и замены на месте. Также, при необходимости, возможно удалить один электрод 204А, 204В без необходимости в удалении любых других пластинчатых электродов.

[00041] Обратимся теперь к фиг. 4, на которой видно, что контактные токопроводящие стержни 206 могут быть герметично прикреплены к торцевым фланцам с помощью подходящих уплотнительных механизмов, таких как, уплотнительные кольца 404. Торцевые фланцы 106, 108 могут дополнительно содержать внутренние элементы 402 отклонения течения. Элементы 402 отклонения течения могут быть представлять собой выемки или вырезы, выполненные на торцевых фланцах 106, 108 для предоставления ламинарного течения технологического потока. Элементы 402 отклонения течения могут быть выполнены таким образом, что поток жидкости, подлежащий очистке, течет по извилистой траектории между основанием штабеля электродов и верхней частью штабеля электродов. Непрерывное течение жидкости через все электроды может быть обеспечено за счет того, что электроды 204А, 204В расположены в последовательном горизонтальном положении и что ячейка имеет только одно впускное отверстие в нижней части и одно выпускное отверстие в верхней части ячейки. Такое положение обеспечивает беспрепятственное ламинарное течение по всей ширине горизонтально расположенных электродов 204А, 204В.

[00042] В соответствии с другим вариантом реализации в данном документе раскрывается способ очистки потока жидкости. Способ включает этап, на котором предоставляют один вариант реализации устройства ЭКР, описанного ранее, для проведения очистки потока жидкости. Поток жидкости может входить в устройство ЭКР на касательной нижнего квадранта к трубчатой ячейке и выходить из ячейки на касательной верхнего квадранта к ячейке. Устройство ЭКР может дезинфицировать различные формы бактерий посредством электрохимического окисления и агломерации твердых частиц из технологического потока посредством коагуляции суспендированных частиц. Более конкретно, устройство ЭКР может быть применено в промышленном процессе, проходящем под давлением, в противопоставление ванне, находящейся под атмосферным давлением, или статической конфигурации, где необходимо дополнительное оборудование для транспортировки газа или других твердых частиц.

[00043] В одном аспекте соленая морская вода под давлением может быть смешана с потоком жидкости для формирования технологического потока. Поток соленой воды под давлением обеспечивает известную минерализацию для проведения определенных электрохимических реакций и он улучшает проводимость потока сточной воды для уменьшения напряжения и мощности ячейки. Устройство ЭКР может также работать без добавления соленой морской воды при более высоком рабочем напряжении (мощности) и без образования дезинфицирующих соединений на основе хлора. Для обеспечения требуемой дезинфекции могут быть образованы другие окислители, такие как гидроксиды, пероксиды и др.

[00044] Очистка технологического потока может требовать удаления загрязняющих веществ, которые добавляют объекты, создающие биохимическую потребность в кислороде (BOD), и объекты, создающие химическую потребность в кислороде (COD). Очистка может также требовать удаления твердых отходов вместе с удалением и разрушением вредоносных бактерий, таких как фекальные колиформные бактерии. Эти загрязняющие вещества являются растворимыми и нерастворимыми. Те, которые являются растворимыми, химически обрабатывают сильными окислителями, такими как хлор, гипохлорит, озон и пероксиды. Этот начальный этап очистки может быть выполнен перед прохождением потока жидкости через устройство ЭКР. Для этого начального этапа очистки может быть применена система Omnipure™ заявителя.

[00045] Следующий этап очистки может включать удаление твердого вещества из технологического потока, который дополнительно содержит эти загрязняющие вещества (BOD, COD, фекальные колиформные бактерии и т.п.). Устройство ЭКР помогает создавать окружающую среду, способствующую удалению этих твердых веществ. Твердое вещество может представлять собой мелкие коллоидные частицы.

[00046] При прохождении технологического потока через устройство ЭКР постоянный ток проходит между горизонтально расположенным штабелем электродов. Во время процесса электролиза анод будет электрохимически растворяться/эродировать, в то время как катод будет подвержен пассивации, не растворяясь. Анод/жертвенный электрод непрерывно производит ионы в воде. Эти освобожденные ионы обычно представляют собой металлические гидроксиды (и, как правило, гидроксиды железа). Освобожденные ионы дестабилизируют отрицательные заряды мелких суспендированных коллоидных частиц, и суспендированные коллоидные частицы легко притягиваются к металлическим катионам. Эти металлические ионы действуют как ядра для притягивания нагруженных электронами коллоидных частиц вместе в выпавшую фазу флокулянта. Это генерирует более большой и тяжелый флокулянт, который впоследствии может быть осажден отстаиванием за счет гравитации в сборном резервуаре, и очищенная вода готова для выпуска. Очищенная жидкость или надосадочная жидкость представляет собой, по существу, вещество, не содержащее загрязняющих веществ.

[00047] Новым аспектом очистки жидкости с применением устройства ЭКР является формирование агломерированных частиц оптимального размера или флокулянтов с наименьшим расходованием металла/электрода. Это может продлить срок службы расходуемых электродов и это также может минимизировать применение электрической энергии. Также, как только будет образован флокулянт, турбуленция в жидком потоке минимизируется, чтобы агломерированный флокулянт не разваливался и мог легко быть осажден отставанием. Образование флокулянтов оптимального размера может быть обеспечено путем: а) обеспечения того, что электроды в каркасе для размещения электродов размещены в горизонтальной плоскости и разнесены соответствующим образом на заданное расстояние; b) регулирования скорости потока жидкости и с) обеспечения соответствующих изменений для направления извилистого потока сточной воды за счет элементов отклонения течения на торцевых фланцах.

[00048] Газообразный водород является побочным продуктом реакций процесса электрокоагуляции в устройстве ЭКР. Водород, генерируемый в устройстве ЭКР, легче, чем поток жидкости/жидкость технологического потока. Водород перемещается с большей скоростью вследствие своей плотности относительно потока сточной воды. Поэтому добавленный водород действует как эффект тяги или эффект Вентури, и при течении потока сточной воды по извилистой траектории через нижнюю часть устройства ЭКР в верхнюю часть присутствует добавочная скорость, которая может способствовать очистке пластинчатых электродов и также уменьшать сопротивление между пластинчатыми электродами и общее рабочее напряжение.

[00049] Элементы отклонения течения в торцевых фланцах могут позволять направлять непрерывный технологический поток в извилистый поток внутрь ячейки. Последовательное горизонтальное положение электродов и ячейка, содержащая одно впускное отверстие и одно выпускное отверстие, могут позволить непрерывному потоку протекать через все пластинчатые электроды. Замыкание течения может быть предотвращено за счет извилистого течения с последовательным и горизонтальным положением электродов. Кроме того, это может предотвращать образование окалины или отложений, которые могут не позволить обеспечить равное распределение течения через все пластинчатые электроды, так как это происходит, когда пластины ориентированы вертикально, как в традиционных ЭК устройствах. В этом традиционном положении входное течение может равняться выходному течению, но это не гарантирует равномерного и равного течения между каждой парой пластин. В худшем случае течение может быть ограничено или даже остановлено между одной или более парами пластин в штабеле, но оператор может даже не знать об этой ситуации. С другой стороны, подача питания в устройство ЭКР, как описано в данном документе, может регулироваться встроенным ПЛК (программируемым логическим контроллером). Может осуществляться непрерывный контроль над технологическим потоком и напряжением, подаваемым в устройство ЭКР. Поэтому, если течение ограничено или остановлено между любыми двумя пластинчатыми электродами, оператор может быть моментально поставлен в известность с применением обычных методов, таких как повышенное напряжение, перед тем как произойдет перегрев или возможный взрыв водорода в устройстве ЭКР.

[00050] Очищенный поток, который выходит из устройства ЭКР, может быть подан с помощью насоса в дегазационный резервуар. Это позволяет осуществлять удаление водорода. Этап дегазации может дополнительно улучшать способность флокулированных частиц к отделению под действием гравитации. Флокулированные частицы могут быть отделены в осадительном резервуаре под дегазационным резервуаром. Осадительный резервуар может иметь наклонную нижнюю часть для аккумуляции осажденных твердых частиц для удаления и для дальнейшей обработки как дезинфицированных твердых частиц класса В, которые могут подходить для выгрузки на полигоне для захоронения отходов. В верхней части осадительного резервуара надосадочная жидкость может иметь качество, которое удовлетворяет требованиям выпуска и может быть выпущена из системы очистки. Например, процесс очистки может обеспечивать качество надосадочной жидкости, удовлетворяющее требования МЕРС.159(55) и МЕРС 227(64) Международной морской организации (ММО), при этом исключая необходимость удалять твердые отходы из исходных необработанных сточных вод.

[00051] В соответствии с другим вариантом реализации работе устройства ЭКР в режиме высокого давления и высокой скорости способствует трубчатая конструкция ячейки устройства ЭКР. В соответствии с одним вариантом реализации раскрыта новая процедура очистки для штабеля электродов. Процесс включает прохождение воды под высоким давлением из впускного отверстия в нижней части ячейки. Вода имеет возможность течь вверх через электроды в штабель электродов и наружу через выпускное отверстие в верхней части ячейки. Процесс дополнительно включает очистку штабеля электродов с помощью воздуха под высоким давлением. Воздух проходит из выпускного отверстия и может протекать вниз через электроды в штабеле электродов и выходить наружу через впускное отверстие. Процедура очистки выполняется в условиях высокого давления - от около от около 80 фунтов/кв. дюйм до около 120 фунтов/кв. дюйм (551,58 кПа до около 827,37 кПа) - на заданных интервалах времени. В одном, приведенном в качестве примера, варианте реализации давление внутри устройства ЭКР поддерживается около 15 фунтов/кв. дюйм и 35 фунтов/кв. дюйм (103,42 кПа и 241,32 кПа) во время прямой и обратной продувки соответственно, при этом обеспечивается очистка воздухом при давлении 80 фунтов/кв. дюйм (551,58 кПа).

[00052] Устройство ЭКР может выдерживать очистку под по существу высоким давлением на месте, в отличие от сопоставимых традиционных ЭК устройств на основе резервуара, без каких-либо утечек и физической деформации корпуса ячейки. Например, различные компоненты, а именно, контактные и промежуточные электроды, токопроводящий стержень, уплотнения в виде уплотнительных колец, шпильки и др. могут выдерживать промывание обратным потоком под высоким давлением и могут демонстрировать равномерный износ. Изменения размеров и потеря веса электродов могут быть равными по всему штабелю электродов. Электроды не демонстрируют каких-либо видимых признаков гидравлического удара. В соответствии с вариантом реализации полярность электродов должна быть обращена в противоположное направление периодически (один раз по меньшей мере каждые 15 минут) во время работы, чтобы получить оптимальную производительность и равномерный износ электродов.

[00053] Как следствие последовательной очистки обратным промыванием воздухом и водой под высоким давлением между рабочими циклами, образование окалины сводится к минимуму и электроды могут работать более эффективно без ручной очистки на протяжении более длительных периодов времени. Рабочее напряжение может быть увеличено пропорционально времени наработки и накапливанию окалины, и рабочее напряжение может быть уменьшено, когда окалина удалена. В соответствии с вариантом реализации процедура очистки обеспечивает то, что пластинчатые электроды, в требуемых рабочих условиях, могут сохранять работоспособность на протяжении более 1500 часов наработки перед необходимостью замены.

[00054] Очистка может быть автоматизирована с применением различных систем управления, известных в данной области техники. Такой протокол очистки под высоким давлением обеспечивает непрерывное генерирование сильно заряженных частиц и может минимизировать ручную очистку электродов. Это также может минимизировать техническое обслуживание/ручную очистку, производимую оператором, и может существенно уменьшать время простоя устройства. Автоматизированный процесс очистки также может обеспечивать операцию лучшей и более равномерной очистки.

[00055] Устройство ЭКР представляет собой легкую модульную систему, которая характеризуется маленькой занимаемой площадью и является простой в установке и обслуживании. Затраты, включенные в конструкцию устройства ЭКР, по существу, меньше, чем затраты на традиционные ЭК устройства. Это обусловлено тем фактом, что устройство ЭКР содержит стандартные предварительно изготовленные компоненты. Сборка устройства ЭКР требует минимального склеивания и крепежных элементов для удержания компонентов. Благодаря тому, что требуется минимум склеивания, вероятность развития утечек также минимизирована.

[00056] Помимо значительной экономии затрат, устройство ЭКР является более безопасным для операторов в отношении выполнения регламентного технического обслуживания для устранения потенциально опасных мест, смещения штабеля электродов и подъема более тяжелых пластинчатых электродов вручную. Устройство ЭКР может обычно обеспечивать возможность доступа спереди при замене электродов. Устройство ЭКР может обеспечивать защиту операторов благодаря отсутствию открытых электрических соединений или пластинчатых электродов, с которыми может контактировать человек.

[00057] Один или более вариантов реализации устройства ЭКР, описанные в данном документе, могут быть применены в любой системе для очистки сточной воды. Например, устройство ЭКР может быть применено в системе, описанной в патенте США №8465653, содержание которого полностью включено в данный документ, вместо электрокоагуляционного устройства, описанного в нем.

[00058] Устройство ЭКР может быть применено в ряде электрокоагуляционных применений для очистки и повторного использования сточных вод, например обработки обратного течения от гидроразрыва и пластовой воды, удаление металлов и загрязняющих веществ (например фосфатов) из различных потоков отходов.

[00059] Следующее описание со ссылками на прилагаемые графические материалы предоставлено, чтобы помочь в исчерпывающем понимании примерных вариантов реализации изобретения, как определено формулой изобретения и ее эквивалентами. Соответственно, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения и модификации вариантов реализации, описанных в данном документе, могут быть сделаны без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Кроме того, описания хорошо известных функций и конструкций могут быть опущены для ясности и краткости изложения.

[00060] Термины и слова, используемые в последующем описании и формуле изобретения, не ограничиваются библиографическими значениями, но, используются изобретателем, только чтобы можно было получить четкое и последовательное понимание настоящего изобретения. Соответственно, для специалистов в данной области техники должно быть очевидным то, что следующее описание приведенных в качестве примера вариантов реализации настоящего изобретения предоставлено только в целях пояснения, а не в целях ограничения изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.

[00061] Несмотря на то, что устройство ЭКР и способы описаны в терминах "содержащий", "содержит" или "включает", различные компоненты и способы также могут "по существу, состоять из" или "состоять из" различных компонентов и этапов. В частности, каждый диапазон значений (в форме "от около а до около b", или, эквивалентно, "от около а до b"), раскрытый в данном документе, следует понимать как определяющий каждое число и диапазон, заключенный в более широком диапазоне значений. Также, термины формуле изобретения имеют свой ясный простой смысл, если иное явно не определено патентообладателем. Кроме того, форма единственного числа, используемая в данном документе, призвана обозначать один или более чем один элемент, который она обозначает. Если есть какой-либо конфликт в использовании слова или термина в данном описании и одном или нескольких патентах или других документах, которые могут быть включены в настоящее описание с помощью ссылки, должны быть приняты определения, которые согласуются с данным описанием.

[00062] Следует понимать, что формы единственного числа включают в себя формы множественного числа, если из контекста явно не следует иное. В контексте данного документа слова "содержит", "имеет", "включает" и все их грамматические вариации должны иметь открытый не ограничивающий смысл, который не исключает дополнительные элементы или этапы. Следует понимать, что, в контексте данного документа, "внутренний" и "внешний", "первый" и "второй" и т.д., "верхний" и "нижний" и т.д., произвольно назначены и предназначены только для дифференциации между двумя или более поверхностями, электродами, покрытиями и т.д., в зависимости от случая, и не указывают на какую-либо конкретную ориентацию или последовательность. Кроме того, следует понимать, что простое использование термина "первый" не требует того, чтобы был какой-либо "второй", и простое использование термина "второй" не требует того, чтобы был какой-либо "третий " и т.д.

[00063] Соответственно, устройство ЭКР хорошо приспособлено для достижения упомянутых целей и преимуществ, а также тех, которые ему присущи. Конкретные варианты реализации, раскрытые выше, являются только иллюстративными, поскольку настоящее изобретение может быть модифицировано и осуществлено различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, имеющими преимущество изложенных здесь идей. Кроме того, никакие ограничения не предназначены для деталей конструкции или конструкции, показанной в данном документе, кроме тех, которые описаны в нижеследующей формуле изобретения. Поэтому, очевидно, что конкретные иллюстративные варианты реализации, раскрытые выше, могут быть изменены или модифицированы, и все такие вариации рассматриваются в рамках объема и сущности настоящего изобретения.

Изобретение может быть использовано в водоочистке. Устройство электрокоагуляционного реактора (ЭКР) содержит коррозионно-устойчивую цилиндрическую ячейку 110, содержащую множество пластинчатых электродов, размещенных горизонтально в штабеле. Пластинчатые электроды удерживаются в паре нетокопроводящих вставок в форме полумесяца с пазами. Каждый из пластинчатых электродов расположен в плоскости, перпендикулярной впускному 102 и выпускному 104 отверстию для сточной воды. Токопроводящий стержень проходит по длине каждого из горизонтально размещенных в штабеле верхнего и нижнего контактных электродов. Устройство ЭКР дополнительно содержит два торцевых фланца 106, 108, каждый из которых содержит внутренние элементы отклонения течения для обеспечения непрерывного извилистого течения сточной воды в ячейке. Очистка сточной воды обеспечивается в результате непрерывного извилистого течения между каждым из пластинчатых электродов внутри ячейки от впускного отверстия в нижней части до выпускного отверстия в верхней части цилиндрической ячейки. Предложенное изобретение обеспечивает надежное и компактное устройство для электрокоагуляционной очистки сточных вод. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство электрокоагуляционного реактора (ЭКР) для очистки потока сточной воды, содержащее:

(A) каркас для размещения электродов, при этом каркас для размещения электродов содержит:

(i) пару противоположных вставок, при этом каждая из вставок содержит множество отверстий вставки; и

(ii) штабель электродов, причем штабель электродов содержит множество пластинчатых электродов, причем множество пластинчатых электродов содержит верхний и нижний контактный электрод, и при этом каждый из пластинчатых электродов размещен горизонтально в паре противоположных отверстий вставки, образованных на паре противоположных вставок; при этом каждый из пластинчатых электродов расположен в плоскости, перпендикулярной впускному отверстию для сточной воды и выпускному отверстию для сточной воды; и

(B) ячейку, содержащую цилиндрические боковые стенки, при этом каркас для размещения электродов вставлен в цилиндрическую ячейку, и

дополнительно содержащее первый и второй фланец, при этом каждый из первого и второго фланцев дополнительно содержит множество внутренних элементов отклонения течения, обеспечивающих извилистое течение сточной воды внутри ячейки,

при этом токопроводящий стержень проходит по длине каждого из горизонтально размещенных в штабеле верхнего и нижнего контактных электродов.

2. Устройство ЭКР по п. 1, отличающееся тем, что наружная боковая стенка каждой из вставок изогнута, и при этом каждое из отверстий вставки образовано на внутренней боковой стенке вставок.

3. Устройство ЭКР по п. 2, отличающееся тем, что каждый из электродов расположен на заданном расстоянии от соседнего электрода.

4. Устройство ЭКР по п. 1, отличающееся тем, что каждая из вставок выполнена в форме полумесяца.

5. Устройство ЭКР по п. 1, отличающееся тем, что каждая из вставок является нетокопроводящей.

6. Устройство ЭКР по п. 1, отличающееся тем, что каждая из вставок выполнена с возможностью удаления и замены.

7. Устройство ЭКР по п. 1, отличающееся тем, что каждая из вставок выполнена с возможностью отклонения потока сточной воды к одной или более активным областям на множестве пластинчатых электродов.

8. Устройство ЭКР по п. 2, отличающееся тем, что наружная боковая стенка вставок содержит одну или более прорезей вставки.

9. Устройство ЭКР по п. 8, отличающееся тем, что цилиндрические боковые стенки ячейки дополнительно содержат одно или более отверстий, и при этом каждая прорезь вставки выровнена с соответствующим отверстием на цилиндрических боковых стенках ячейки для формирования сквозного отверстия, когда штабель электродов вставлен в ячейку.

10. Устройство ЭКР по п. 9, дополнительно содержащее фиксирующее устройство, и при этом фиксирующее устройство ввинчено в сквозное отверстие для прочного присоединения каркаса для размещения электродов к ячейке.

11. Устройство ЭКР по п. 1, отличающееся тем, что множество биполярных пластинчатых электродов размещены в штабеле между контактными электродами.

12. Устройство ЭКР по п. 1, отличающееся тем, что каждый пластинчатый электрод размещен в горизонтальном выравнивании с соседним пластинчатым электродом.

13. Устройство ЭКР по п. 11, отличающееся тем, что токопроводящие стержни прикреплены к наружной поверхности верхнего и нижнего контактных электродов или выше них.

14. Устройство ЭКР по п. 1, отличающееся тем, что каждый из указанных фланцев выполнен с возможностью герметичного закрытия первого и второго торца цилиндрической ячейки, и при этом токопроводящие стержни проходят через по меньшей мере первый фланец.

15. Способ очистки потока сточной воды, включающий:

осуществление прохождения потока сточной воды через устройство электрокоагуляционного реактора (ЭКР) по п. 1; и

обеспечение извилистого непрерывного течения потока сточной воды между каждым из пластинчатых электродов внутри ячейки от впускного отверстия в нижней части ячейки до выпускного отверстия в верхней части цилиндрической ячейки.

16. Способ по п. 15, дополнительно включающий смешивание потока соленой морской воды под давлением с потоком сточной воды до прохождения ее через устройство ЭКР.

17. Способ по п. 15, дополнительно включающий формирование каждой пары противоположных отверстий вставки на заданном и равном расстоянии от соседней пары противоположных отверстий вставки для обеспечения равномерного и равного течения технологического потока между каждым из пластинчатых электродов.

18. Способ по п. 15, дополнительно включающий предоставление пары торцевых фланцев для цилиндрической ячейки, при этом каждый фланец содержит внутренние элементы отклонения течения.

19. Способ по п. 15, дополнительно включающий очистку штабеля электродов на месте, при этом очистка включает этапы, на которых:

позволяют потоку воды под давлением протекать вверх через штабель электродов, при этом вода проходит из впускного отверстия в основании цилиндрической ячейки в выпускное отверстие в верхней части цилиндрической ячейки; и

обеспечивают прохождение потока воздуха под давлением вниз через штабель электродов, при этом воздух проходит из выпускного отверстия в верхней части цилиндрической ячейки.

20. Способ по п. 19, дополнительно включающий очистку штабеля электродов под давлением от около 80 фунтов/кв. дюйм до около 120 фунтов/кв. дюйм (от около 551,58 кПа до около 827,37 кПа).

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что очистку выполняют с заданными интервалами времени.