Способ аэросепарационной очистки жидкости и устройство для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК C02F1/24 C02F1/52 

Изобретения относятся к области очистки питьевых и сточных вод, а также других жидкостей физико-химическими и механическими методами от взвешенных веществ, масел, нефтепродуктов, других веществ и могут быть использованы для повышения эффективности технологических процессов разделения и очистки жидкостей в нефтяной, пищевой, химической промышленности, а также в сельском, коммунальном хозяйстве и на объектах инфраструктуры, включая железнодорожные объекты, аэродромы и другие предприятия.

В качестве устройств для очистки жидкостей, являющихся конкурентами и предшественниками заявляемого технического решения, являются различные конструкции флотаторов, в частности компания KWI International производит установки напорной флотации (например, см. URL: https://kwi.ru/oborudovanie). Флотаторы данного производителя, при всех своих достоинствах, обладают рядом недостатков: не позволяют получать высокоэффективный результат по степени очистки, имеют более высокие капитальные (за счет габаритов) и эксплуатационные (за счет повышенного расхода реагентов) затраты.

В разных странах мира, в том числе и в России, множеством изготовителей производятся, в качестве устройств для очистки жидкостей, гидроциклоны. Однако недостатками таких систем является значительное энергопотребление, возможность очистки только от неорганических веществ, а также частиц, размером свыше 25 мкм.

Известен способ выделения органических примесей из сточных вод флотацией и установка для его осуществления (патент РФ на изобретение № 2077492, опубл. 20.04.1997 г.), включающий в себя пропускание через обрабатываемый объем жидкости перегретой и переохлажденной газовых сред. Причем газовые среды подают в виде коаксиально направленных ионизированных потоков, а обрабатываемую жидкость подают в зазоры между газовыми средами. Недостатком данного метода является необходимость дополнительно нагревать и охлаждать подаваемую газовую среду, а также сложность регулировки устройства по данному способу и значительный расход энергии.

Наиболее близкими к заявляемым техническим решениям являются способ аэрации жидкостей и устройство для очистки сточных вод (патент РФ на изобретение № 2194016, опубл. 10.12.2002 г.). Способ аэрации жидкостей преимущественно для флотационных или окислительных процессов осуществляется с помощью соединенного с напорным технологическим трубопроводом эжектора, содержащего конфузор, приемную камеру, патрубок подачи газообразной среды, камеру смешения и диффузор. Жидкость в конфузоре при ее поступлении в приемную камеру ускоряют, понижают давление в приемной камере, осуществляют подсос в неё через патрубок подачи газообразной среды, образуя в камере смешения сверхзвуковой газожидкостный поток. Затем этот поток тормозят с образованием скачка давления. Расход жидкости через конфузор поддерживают постоянным, а расход газообразной среды через патрубок подачи стабилизируют, благодаря поддержанию на нём критического или сверхкритического перепада давлений. За счет изменения противодавления за эжектором генерируют в пределах его диффузора скачок давления. Установка для очистки сточных вод содержит насос, всасывающий и напорный технологический трубопроводы, эжектор, состоящий из конфузорного патрубка подвода сточных вод, приемной камеры, патрубка подачи атмосферного воздуха, камеры смешения, диффузора, и флотационной камеры. Патрубок подачи атмосферного воздуха выполнен в виде сужающего устройства. Напорный технологический трубопровод снабжен, по крайней мере, одним конфузорным соплом, размещенным за диффузором эжектора в придонной части флотационной камеры. Недостатком вышеуказанного патента является отсутствие возможности применить сепарацию в одном технологическом решении и одном массообменном аппарате, что в данном способе предполагает длительную и затратную предварительную обработку поступающего потока жидкости. Также в данном способе отсутствует возможность управлять газожидкостным потоком, регулируя подачу в устройство, меняя направление, размер отверстий и подачу водовоздушной смеси в аэрационной решетке.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является значительное повышение эффективности очистных сооружений при снижении их общих массогабаритных характеристик, за счет увеличения интенсивности работы аэрационного и сепарационного методов очистки.

Техническим результатом является создание более эффективной и малогабаритной, по сравнению с существующими, технологической схемы очистки жидкостей и массообменного устройства, в котором одновременно будут совмещаться процессы сепарации и интенсивной аэрации с элементами флотации.

Технический результат для способа аэросепарационной очистки жидкости достигается тем, что очищаемую жидкость подают в массообменное устройство, в котором смешивают с атмосферным воздухом, подвергая отделению частиц загрязнений, после чего отводят в резервуар для очищенной жидкости, а загрязнения удаляют с поверхности массообменного аппарата с помощью скребкового механизма. В качестве массообменного устройства используют аэросепаратор, в сепарационном корпусе которого отделяют тяжелые фракции загрязнений, которые затем оседают под действием силы гравитации, после чего их утилизуют из отверстия в сепарационном корпусе аэросепаратора. Под воздействием резкого перепада парциальных давлений кислорода в атмосфере и в жидкости происходит образование пузырьков воздуха, поднимающих восходящий поток с более легкими фракциями загрязнений, который, при попадании в аэрационный корпус аэросепаратора, насыщают дополнительно водовоздушной смесью. Насыщенный поток поднимается на поверхность в корпусе аэросепаратора, образуя флотопену, которую затем удаляют.

Жидкость для производства водовоздушной смеси может быть отобрана рециклингом из зоны аэрации аэросепаратора.

На этапе подачи жидкости в аэросепаратор может быть введен коагулянт и/или флокулянт.

Технический результат для устройства для аэросепарационной очистки жидкости достигается тем, что устройство состоит из трубопровода подачи жидкости, соединенного с массообменным аппаратом, трубопровода отвода очищенной жидкости, соединенного с резервуаром очищенной жидкости. При этом на поверхности корпуса массообменного аппарата установлен скребковый механизм, совмещенный с пеносборником. Массообменный аппарат представляет из себя установленный на раме цилиндрический корпус аэросепаратора, состоящий из аэрационного корпуса и сепарационного корпуса. Сепарационный корпус имеет форму перевернутого конуса с отверстием для отвода загрязнений тяжелых фракций на дне, в которое установлен патрубок, на конце которого находится запорная арматура. Внутри корпуса соосно установлена трубка, верхний конец которой выходит в аэрационный корпус аэросепаратора, а нижний конец выходит в верхнюю часть сепарационного корпуса аэросепаратора. В верхний конец трубки погружен трубопровод подачи очищаемой жидкости. Аэрационный корпус аэросепаратора через циркуляционный трубопровод соединен с источником чистой жидкости. При этом к циркуляционному трубопроводу подключен сатуратор, эжектор и насос, а эжектор через трубопровод подачи воздуха соединен с компрессором.

Трубопровод подачи воздуха может быть снабжен расходомером и регулятором расхода воздуха.

В боковых стенках сепарационного корпуса может быть установлено, по меньшей мере, одно смотровое окно и/или люк для выгрузки шлама.

В боковых стенках аэрационного корпуса может быть установлено, по меньшей мере, одно смотровое окно.

Трубопровод подачи жидкости может быть снабжен расходомером и регулятором расхода жидкости.

Действие заявленных изобретений поясняется чертежами, где на фигуре 1 показана принципиальная схема способа аэросепарационной очистки жидкости, на фигуре 2 показана схема устройства для осуществления способа аэросепарационной очистки жидкости. На вышеуказанных фигурах приняты следующие обозначения:

1 - аэрационный корпус аэросепаратора,

2 - сепарационный корпус аэросепаратора,

3 - рама,

4 - патрубок отвода шлама,

5 - затвор электрифицированный,

6 - трубка центральная,

7 - аэрационная решетка,

8 - трубопровод с исходной жидкостью,

9 - ёмкость накопительная,

10 - погружной насос,

11 - трубопровод циркуляционный,

12 - ёмкость с очищенной жидкостью,

13 - насос циркуляционный,

14 - эжектор,

15 - компрессор,

16 - сатуратор,

17 - скребки скиммера,

18 - перегородка,

19 - окно переточное;

20 - карман чистой жидкости,

21 - труба переливная,

22 - патрубок отвода очищенной жидкости,

23 - трубопровод с очищенной жидкостью.

Устройство, реализующее предложенный способ, состоит из корпуса аэросепаратора, состоящего из верхнего аэрационного корпуса 1 и нижнего сепарационного корпуса 2. Корпус аэросепаратора изготовлен, например, из химически стойкого полипропилена или стали, и смонтирован на жесткой раме 3, вокруг которой устанавливаются площадки обслуживания устройства. Сепарационный корпус аэросепаратора 2 имеет форму перевернутого конуса с отверстием на дне и выполняет функцию накопителя шлама. Диаметр отверстия зависит от объёма оседающего шлама. В это отверстие установлен патрубок отвода шлама, на конце которого находится запорная арматура, например, электрифицированный затвор 5. В боковых стенках сепарционного корпуса аэросепаратора 2 могут быть установлены смотровые окна для контроля необходимости отвода шлама и/или люк для обеспечения ручной выгрузки из аппарата. В аэрационном корпусе аэросепаратора 1 также могут быть установлены смотровые окна для наблюдения и визуального контроля процесса аэрации. Внутри корпуса аэросепаратора соосно установлена трубка 6, верхний конец которой выходит в полость аэрационного корпуса аэросепаратора 1, а нижний конец выходит в верхнюю часть сепарационного корпуса аэросепаратора 2. В аэрационном корпусе аэросепаратора 1 размещена аэрационная решетка 7, внешние края которой зафиксированы на внутренней поверхности стенок аэрационного корпуса аэросепаратора 1. Аэрационная решетка 7 может быть установлена на любом необходимом уровне аэрационного корпуса аэросепаратора 1 в зависимости от параметров очищаемой жидкости и восходящего потока. Количество ячеек аэрационной решетки 7 является расчетной величиной, и подбирается в зависимости от типа очищаемой жидкости и ее состава. В верхний конец трубки 6 погружен трубопровод подачи очищаемой жидкости 8, например, сточной воды. Другой конец трубопровода подачи очищаемой жидкости 8 совмещен с накопительной ёмкостью 9, содержащей жидкость, которая будет подвергнута очистке. Для наилучшего контроля процесса очистки к трубопроводу подачи жидкости 8 может быть подключен расходомер и регулятор расхода жидкости. К трубопроводу 8 подключен погружной насос 10 для подачи жидкости в аэрационный корпус аэросепаратора 1. Для достижения максимальной степени очистки более загрязненных жидкостей конструкция устройства дополнительно содержит средства подачи водовоздушной смеси в аэрационный корпус аэросепаратора 1. Для этого в конструкция устройства содержит трубопровод 11, соединенный с источником чистой жидкости. В качестве источника чистой жидкости может быть использован аэрационный корпус аэросепаратора 1 или резервуар очищенной в аэросепараторе жидкости 12. К трубопроводу 11 подключен циркуляционный насос 13, на конце напорной трубы которого находится эжектор 14. Также к эжектору 14 присоединен компрессор 15, закачивающий по трубопроводу воздух, необходимый для производства водовоздушной смеси. К трубопроводу подачи воздуха, в целях контроля параметров получаемой водовоздушной смеси, могут быть подключены расходомер и регулятор расхода воздуха. Выходная часть эжектора 14 совмещена с сатуратором 16, напорная труба которого зафиксирована на поверхности аэрационного корпуса аэросепаратора 1 или выведена непосредственно в аэрационный корпус 1, либо в резервуар очищенной жидкости 12. На поверхности аэрационного корпуса аэросепаратора 1 установлен скребковый механизм, например, скребки скиммера 17, для отведения образующейся флотационной пены в пеносборник, и перегородка 18, под которой очищенная жидкость перетекает через переточное окно 19 в карман чистой жидкости 20. Карман чистой жидкости 20 через переливную трубу 21 и патрубок отвода очищенной жидкости 22 соединен с трубопроводом отвода 23, выходной конец которого соединен с ёмкостью с очищенной жидкостью 12.

Работа устройства и способ аэросепарационной очистки жидкости осуществляются следующим образом. Исходная жидкость, например, сточная вода, по трубопроводу 8 поступает из накопительной ёмкости 9 в центральную трубку 6 аэросепаратора. В зависимости от состава загрязнений, в поток жидкости, направляемой на очистку, добавляют коагулянт и/или флокулянт в сопоставимых концентрациях для конкретного химического состава исходной жидкости, что резко повышает эффективность предлагаемого способа и устройства. На входе в сепарационный корпус аэросепаратора 2, в момент встречи поступающего под напором потока жидкости с верхней частью сепарационного корпуса 2, возникает перепад парциальных давлений кислорода в атмосфере и в самой жидкости, при этом скорость очищаемой жидкости несколько падает, что способствует выделению из жидкости крупных примесей (до 20 нм) и осаждению их на дне сепарационного корпуса аэросепаратора 2 под воздействием силы гравитации. В следствие перепада парциальных давлений образуются мельчайшие пузырьки воздуха, которые захватывают частицы более легких и растворенных загрязняющих веществ и выносят их восходящим потоком, проходя сквозь аэрационную решетку 7, в аэросепарационный корпус аэросепаратора 1 и далее на поверхность аэросепаратора. Причем, чем выше уровень подъема потока, тем чаще происходит осаждение тяжелых фракций загрязнений. Через смотровые окна персонал очистного сооружения может проверять уровень накопления шлама в сепарационном корпусе аэросепаратора 2. По мере накопления крупных примесей на дне сепарационного корпуса аэросепаратора 2 открывают затвор 5 и осадок отводят через патрубок 4 в приемный лоток. При необходимости шлам может быть отведен вручную через люк в стенке сепарационного корпуса аэросепаратора 2.

Восходящий в аэрационном корпусе 1 поток дополнительно обрабатывают водовоздушной смесью, через аэрационную решетку, причем жидкость для сатурации может быть отобрана как из отдельной ёмкости с чистой жидкостью, так и рециклингом из зоны аэрации аэросепаратора или из ёмкости с очищенной жидкостью 12, что позволяет ускорить процесс насыщения обрабатываемой жидкости газом и увеличить общую интенсивность и эффективность очистки жидкости данным способом. Для приготовления водовоздушной смеси часть жидкости из зоны аэрации или из ёмкости с чистой жидкостью 12 отбирается насосом 13 через всасывающую линию 11, после чего жидкость поступает в эжектор 14. Одновременно от компрессора 15 в эжектор 14 подается сжатый воздух, происходит смешение воздуха с водой под давлением около 0,5-0,6 МПа. Далее жидкость поступает в сатуратор 16, где происходит насыщения её воздухом с образованием водовоздушной смеси, после чего водовоздушная смесь по трубопроводу поступает в аэрационный корпус аэросепаратора 1, где встречается с восходящим потоком очищаемой жидкости с пузырьками воздуха и дополнительно насыщает его, тем самым интенсифицируя процесс аэросепарационной очистки жидкости. Затем насыщенный поток поднимается на поверхность аэрационного корпуса аэросепаратора 1 с образованием флотопены, содержащей частицы загрязнений, которая собирается с определенной периодичностью в пеносборник скребками скиммера 17, откуда в последствии удаляется через трубу в специальную ёмкость. При этом, очищенная жидкость в зоне аэрационного корпуса аэросепаратора 1 подходит под перегородкой 18 и через переточное окно 19 в стенке корпуса аэросепаратора попадает в карман чистой жидкости 20, откуда удаляется посредством переливной трубы 21 через патрубок 22 в резервуар очищенной жидкости 12. Через смотровые окна в стенках аэрационном корпуса аэросепаратора 1персонал очистного сооружения может наблюдать и осуществлять визуальный контроль процесса аэрации.

Данная разработка успешно опробована на железнодорожных предприятиях для очистки нефтесодержащих сточных вод в локомотивных депо. При заборе жидкости для приготовления водовоздушной смеси из ёмкости с очищенной жидкостью рециклингом устройство работает по разгонному принципу: с каждым новым циклом очистки жидкость становится всё чище, выход на планируемые показатели очистки осуществляется в течении 30-40 минут.

Заявляемый способ аэросепарационной очистки жидкости и устройство для его осуществления позволяют:

- значительно повысить эффективность общего аэрационного процесса за счет слияния образующихся вследствие создания резкого перепада парциальных давлений кислорода в атмосфере и в самой жидкости мельчайших пузырьков воздуха с принудительной подачей аэрируемой водовоздушной смеси, которые затем захватывают частицы загрязнений и выносят их на поверхность;

- повысить интенсивность аэрационного метода очистки и образования флотопены, путем возможного использования для сатурации и последующей аэрации воды и жидкости из зоны аэрации насыщенной газом;

- резко сократить габаритные размеры очистных сооружений за счет совмещения элементов методов сепарации, аэрации и флотации в одном массообменном устройстве - вертикальном аэросепараторе, а также исключить предварительную обработку входящего потока жидкости;

- управлять динамикой общего аэросепарационного процесса, позволяя достичь максимальной эффективности прохождения процесса аэрации в водной среде, за счет наличия возможности изменения направления и угла, скорости подачи, размера отверстий аэрационной решетки и размера ячеек, в зависимости от характеристик воды и жидкости, а также степени интенсивности предварительного сепарационного процесса, возникающего на этапе разделения потока;

- расширить сферу применения метода аэросепарации на водную среду.

Изобретения относятся к области очистки питьевых и сточных вод, а также других жидкостей физико-химическими и механическими методами от взвешенных веществ, масел, нефтепродуктов, других веществ. Согласно способу очищаемую жидкость подают в массообменное устройство, в котором смешивают с атмосферным воздухом, подвергая отделению частиц загрязнений, после чего отводят в резервуар для очищенной жидкости, а загрязнения удаляют с поверхности массообменного аппарата с помощью скребкового механизма. В качестве массообменного устройства используют аэросепаратор. Аэросепаратор состоит из аэрационного корпуса и сепарационного корпуса в виде перевернутого конуса с отверстием на дне. В сепарационном корпусе отделяют тяжелые фракции загрязнений, которые затем оседают под действием силы гравитации, после чего их утилизуют. Под воздействием резкого перепада парциальных давлений кислорода в атмосфере и в жидкости происходит образование пузырьков воздуха, поднимающих восходящий поток с более легкими фракциями загрязнений. Поток при попадании в аэрационный корпус аэросепаратора насыщают дополнительно водовоздушной смесью. Затем насыщенный поток поднимается на поверхность в корпусе аэросепаратора, образуя флотопену, которую затем удаляют. Технический результат: создание эффективной и малогабаритной технологической схемы очистки жидкостей и массообменного устройства, в котором одновременно совмещаются процессы сепарации и интенсивной аэрации с элементами флотации. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ аэросепарационной очистки жидкости, заключающийся в том, что очищаемую жидкость подают в массообменное устройство, в котором смешивают с атмосферным воздухом, подвергая отделению частиц загрязнений, после чего отводят в резервуар для очищенной жидкости, а загрязнения удаляют с поверхности массообменного аппарата с помощью скребкового механизма, отличающийся тем, что в качестве массообменного устройства используют аэросепаратор, в сепарационном корпусе которого отделяют тяжелые фракции загрязнений, которые затем оседают под действием силы гравитации, после чего их утилизуют из отверстия в сепарационном корпусе аэросепаратора, при этом под воздействием резкого перепада парциальных давлений кислорода в атмосфере и в жидкости происходит образование пузырьков воздуха, поднимающих восходящий поток с более легкими фракциями загрязнений, который, при попадании в аэрационный корпус аэросепаратора, насыщают дополнительно водовоздушной смесью, после чего насыщенный поток поднимается на поверхность в корпусе аэросепаратора, образуя флотопену, которую затем удаляют.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жидкость для производства водовоздушной смеси отбирают рециклингом из зоны аэрации аэросепаратора.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе подачи жидкости в аэросепаратор вводят коагулянт.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе подачи жидкости в аэросепаратор вводят флокулянт.

5. Устройство для аэросепарационной очистки жидкостей, включающее трубопровод подачи жидкости, соединенный с массообменным аппаратом, трубопровод отвода очищенной жидкости, соединенный с резервуаром очищенной жидкости, при этом на поверхности корпуса массообменного аппарата установлен скребковый механизм, совмещенный с пеносборником, отличающееся тем, что массообменный аппарат представляет из себя установленный на раме цилиндрический корпус аэросепаратора, состоящий из аэрационного корпуса и сепарационного корпуса, сепарационный корпус имеет форму перевернутого конуса с отверстием для отвода загрязнений тяжелых фракций на дне, в которое установлен патрубок, на конце которого находится запорная арматура, внутри корпуса соосно установлена трубка, верхний конец которой выходит в аэрационный корпус аэросепаратора, а нижний конец выходит в верхнюю часть сепарационного корпуса аэросепаратора, причем в верхний конец трубки погружен трубопровод подачи очищаемой жидкости, при этом аэрационный корпус аэросепаратора через циркуляционный трубопровод соединен с источником чистой жидкости, а к циркуляционному трубопроводу подключен сатуратор, эжектор и насос, при этом эжектор через трубопровод подачи воздуха соединен с компрессором.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что трубопровод подачи воздуха снабжен расходомером и регулятором расхода воздуха.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в боковых стенках сепарационного корпуса установлено по меньшей мере одно смотровое окно.

8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в боковых стенках сепарационного корпуса установлен люк для выгрузки шлама.

9. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в боковых стенках аэрационного корпуса установлено по меньшей мере одно смотровое окно.

10. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что трубопровод подачи жидкости снабжен расходомером и регулятором расхода жидкости.