Гальванохимический конус
Владельцы патента RU 2258041:
Институт проблем комплексного освоения недр Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области очистки промышленных сточных вод, в частности сточных вод гальванических производств и предприятий цветной металлургии. Корпус устройства выполнен в виде усеченного конуса, обращенного большим основанием вверх. Конус снабжен ограничительной решеткой, размещенной на верхнем торце конуса, диспергаторами воздуха, разгрузочным днищем, подающей трубой, упорами, выполненными в виде ребер жесткости, виброприводом для придания корпусу вертикальных колебаний. Подающая труба выполнена либо в виде трубы с коническим раструбом, либо в виде тангенциальной направляющей. Отверстия диспергатора воздуха расположены на боковой стенке конуса с наклоном к горизонтальной плоскости основания корпуса под углом не менее 30° и не более 40°. Диспергаторы могут быть выполнены в виде перфорированного ложного дна с отверстиями в шахматном порядке, которые наклонены от середины параллельно плоскости наклона стенок конуса. Угол наклона образующей конуса выбран равным величине золотого сечения для коэффициентов К=2,618 и К=4,236. Вибрационное устройство выполнено в виде камеры со штоком, внутри которой над дебалансом расположен сухарь, передающий вертикальное колебательное движение конусу. Технический эффект - снижение затрат и повышение эффективности сточных вод от катионов тяжелых металлов и анионов. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к устройствам для обработки промышленных сточных вод и может быть использовано для обезвреживания стоков гальванических, металлургических, химических и других производств от различных загрязнений, например примесей: цветных и тяжелых металлов, галогенидов, цианидов, а также масляных и нефтяных примесей.
Известно устройство в виде вертикальной цилиндрической колонны с наполнителем, патрубками ввода и вывода стоков и воздуха. Корпус колонны жестко закреплен на платформе, установленной на опорах с возможностью совершения колебательных движений, платформа снабжена электродвигателем, на валу электродвигателя перпендикулярно его оси жестко закреплена штанга с размещенным на ней грузом [1].
Как известно, для гальванохимической очистки промышленных сточных вод от вышеуказанных примесей применяется коагулятор, который содержит вращающийся корпус под углом, одна из стенок коагулятора выполнена съемной и перфорированной, загрузку в виде гальванического элемента, загрузочное устройство в виде распределительной трубы, нижняя часть которой установлена на расстоянии от стенки, противоположной съемной стенке, и снабжена ребрами, а верхняя часть закреплена на съемной стенке, разгрузочное устройство, привод, опоры, основание [2].
Гальванокоагулятор [2] является наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и принимается в качестве прототипа заявляемого устройства.
Необходимым условием для эффективного проведения процесса очистки сточных вод при использовании метода гальванохимической обработки является фактор перемешивания элементов гальванопары. В процессе перемешивания компонентов гальванопары, различающихся по своим физико-механическим параметрам, будет происходить расслоение компонентов гальванопары, что приведет к снижению очистки, т.к. эффект короткозамкнутой гальванопары наблюдается только в условиях непосредственного контакта элементов между собой. Этим обусловлено стремление не допустить расслоения компонентов наполнителя.
Для оптимизации условий аэрации, обрабатываемого стока, необходимо стремиться к снижению диаметра пузырьков воздуха.
Процесс очистки сточных вод методом гальванохимической обработки является массообменным, к существенным факторам, влияющим на его интенсивность (эффективность), относится характер гидродинамической обстановки на границе раздела фаз: гальванопары (твердая фаза)-обратываемый раствор (жидкая фаза).
Одним из наиболее радикальных методов, позволяющих преодолевать лимитирующее воздействие диффузионного барьера, является создание нестационарной гидродинамической обстановки на границе раздела фаз, например, при помощи гидровзвешивания (псевдоожижения) гальванопары.
Целью изобретения является снижение затрат и повышение эффективности очистки сточных вод от катионов тяжелых металлов и анионов.
Технический результат в устройстве для очистки промышленных сточных вод достигается тем, что сточные воды взаимодействуют с компонентами гальванопары в поле гидровзвешивания, при вертикальных ее колебательных движениях, на пристенный боковой слой гальванопары накладываются боковые потоки воздуха, а на слой гальванопары в основании конуса - вертикальные потоки воздуха.
Отличительные от прототипа признаки заявляемого устройства: предлагается устройство идеального вытеснения, очистка практически не лимитирована; корпус устройства выполнен в виде усеченного конуса, обращенного большим основанием вверх; ограничительной решеткой, размещенной на верхнем торце конуса; диспергаторами воздуха в виде боковых диспергаторов, перфорированного ложного дна; разгрузочным днищем; подающей трубой с коническим раструбом, закрепленной в виде ребер жесткости, с тангенциальными направляющими; конус опирается на пружины и приводится в вертикальное движение виброприводом, выполненным в виде камеры со штоком, внутри которой над дебалансом расположены сухари, передающие только вертикальное колебательное движение конусу, направляющие, перемещающиеся внутри камеры, редуктора и мотора.
Недостатком известного устройства являются:
1. Большая энергоемкость на вращение корпуса с гальванопарой, сложность привода для вращения корпуса под углом к горизонтальной плоскости, высокая трудоемкость при эксплуатации аппарата. В процессе работы этого устройства возникает нежелательная вибрация составных частей (редуктора), а также сильный шум, что осложняет процесс работы на устройстве.
2. Установка имеет малую долю рабочего пространства в общем объеме аппарата, что снижает удельную производительность аппарата. Устройство сконструировано таким образом, что становится возможным агломерация гальванической пары и проскок очищаемой жидкости без контакта с дисперсионной насадкой, что существенно снижает эффективность массообменных и электрохимических процессов, протекаемых в устройстве. При максимальном заполнении наклонного барабана загрузкой снижается трение, контакт, так как отсутствуют условия для обрушения массы. Возможно заклинивание движения гальванопары и вообще прекращение процесса за счет гидравлического сопротивления.
3. Недостаточная эффективность очистки вследствие постепенной пассивации поверхности частиц наполнителя между моментами вращения последнего и образования отдельных струй потока очищаемых сточных вод в слое наполнителя за счет создания избыточного давления потока в распределительной трубе и разрыхления наполнителя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где показан на фиг.1 гальванохимический конус с центральной подающей трубой с коническим раструбом и на фиг.2 гальванохимический конус с виброприводом.
Гальванохимический конус для очистки сточной воды, изображенный на фиг.1, состоит из конуса 1, центральной подающей трубы 2 с коническим раструбом 3, патрубка вывода стоков 4 с ограничительной решеткой 5, боковых диспергаторов воздуха 6, гальванопары из дисперсного материала 7, разгрузочного днища 8 для разгрузки гальванопары и ребер жесткости 9.
Гальванохимический конус для очистки сточной воды, изображенный на фиг.2, состоит из конуса 1, тангенциальной направляющей 10, патрубка вывода стоков 4 с ограничительной решеткой 5, гальванопары из дисперсного материала 7, разгрузочного днища 8 для разгрузки гальванопары, перфорированного ложного дна 11, опорных пружин 12, дебаланса (эксцентрика) 13, сухаря 14 с направляющим штоком 15, редуктора 16, мотора 17.
Устройство работает следующим образом.
Раствор очищаемой жидкости подается в конус 1 под давлением через питающую трубу 2 с раструбом 3 (фиг.1), тангенциальной направляющей 10 (фиг.2), заполняя внутренний объем устройства для гальванохимической обработки, и взаимодействует с гальванопарой 7.
Через боковые диспергаторы воздуха 6 (фиг.1), под перфорированное ложное дно 11 (фиг.2), в систему подается воздух, благодаря чему усиливается эффект гальванохимической очистки раствора от содержащихся в нем примесей.
Под действием динамических воздействий потока сточной воды из подающей трубы с раструбом на гальванопару достигается ее разрыхление, гидровзвешивание, псевдоожижение и транспортировка вверх.
Необходимый расход воды для гидровзвешивания (псевдоожижения) тяжелого компонента гальванопары определяли по уравнению [3, 4]:
Qож=ωэкв·υст,
где Qож - расход жидкости, истекающей из трубы, м3/с,
υст - гидравлическая крупность при стесненном падении,
ωэкв - эквивалентная площадь псевдоожижения в плоскости выхода жидкости из раструба с диаметром d1 и нижним основанием конуса dо и равна
ωэкв=π.d2экв/4=π/4(dо+2ho/tg α/2)
hо - расстояние плоскости раструба от дна аппарата (для беспрепятственного, без забутовки, выхода твердого из-под раструба),
tg α/2 - угол наклона конуса,
υсв - гидравлическая крупность при свободном падении для железа (ρм=ρFe=6000 кг/м3, dт=30 мм),
υсв=2,07 м/с, с учетом стесненности потока при порозности ε=0,25
υст=ε2,39·υсв.
Расстояние между дном аппарата и плоскостью конического раструба h должно быть больше величины
h>(4-6)(dx)мак,
где (dx)мак - максимальный диаметр частиц компонент гальванопары, м.
Гидравлическое сопротивление слоя гальванопары в конусе определяется уравнением ΔР=(ρм-ρо).(1-ε)gH,
где ρм - плотность компоненты гальванопары (железа, алюминия),
ρ0 - плотность среды, равная, 1000 кг/м3,
ε - порозность, равная 0,25,
g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2,
Н - высота аппарата, м.
В расширяющейся части конуса скорость потока снижается и частицы гальванопары осаждаются на боковые стенки конуса, перемещаются вниз, контактируя друг с другом, при этом обновляется их поверхность.
Угол наклона конуса выбран равным величине золотого сечения с коэффициентом К=2,618 и К=4,236, т.е. составляет угол 54° и 76° соответственно.
Для исключения возможного скопления гальванопары на стенках через боковые диспергаторы подается воздух, который оттесняет пристеночную гальванопару, взрыхляет (выдавливает) гальванопару 7, перемещая ее книзу, вызывая разрушение возможных агломератов частиц насадки, одновременно также насыщает растворы мелкими пузырьками диспергированного воздуха и ускоряет электрохимические процессы.
Диспергатор 6 воздуха выполнен в виде перфорации в боковой стенке корпуса конуса, отверстия диспергатора воздуха выполнены с наклоном к горизонтальной плоскости основания корпуса под углом не менее 30° и не более 40° (фиг.1).
Диспергатор 11 (фиг.2) выполнен в виде перфорированного ложного дна с отверстиями в шахматном порядке, которые наклонены от середины параллельно плоскости наклона стенок конуса.
Под действием движущего потока по тангенциальной направляющей 11 гальванопара отклоняется к внутренней стенке конуса, который опирается на опорные пружины 12, а внизу расположено вибрационное устройство в виде камеры со штоком, внутри которой над дебалансом расположен сухарь, передающий вертикальное колебательное движение, направляющие, перемещающиеся внутри камеры и не передающие колебательное движение системе, редуктора и мотора.
Под действием вибрационного устройства, закрепленного на крышке разгрузочного днища, представленного дебалансом 13, сухарем 14, направляющими со штоком 15, редуктором 16, мотором 17 конус приводится в вертикальное колебательное движение, которое передается массе гальванопары 7 и способствует контактированию компонентов гальванопары. За счет сухаря и направляющих со штоком, дебаланса (эксцентрика) конусу придается только вертикальное движение (вверх или вниз), при других положениях дебаланса перемещается только сухарь, который не может передать движение конусу. Вертикальное перемещение конуса гасится опорными пружинами 12.
В результате таких перемещений и столкновений частиц гальванопары 7 происходит непрерывное обновление диффузионного пограничного слоя на поверхности частиц компонент гальванопары, благодаря чему увеличивается эффективность массообменных процессов между твердой и жидкой фазами и, следовательно, возрастает эффективность очистки.
Очищенная вода вместе с гидроксидами металлов выводится из устройства через внутренний сливной патрубок 4 с ограничительной решеткой 5.
Главной действующей в устройстве силой является динамическое воздействие потока воды, возникающее при подаче раствора. Под действием потока гальванопара отбрасывается к стенке корпуса устройства, частицы контактируют между собой, раствор проходит гальванопары 7 и выносится со сливом. Подающая труба управляет движением гальванопары и тем самым обеспечивает высокую циркуляцию и препятствует отложению наносов в конусе. Такое сочетание эффективного распределения воздуха и его диспергирования, поддержание во взвешенном состоянии твердых частиц способствует эффективному удалению примесей.
Загрузка гальванопары осуществляется сверху, после снятия решетки 5, а выгрузка через люк 8 с рукояткой после предварительного удаления перфорированного ложного дна 11 по специальным направляющим (на фиг.2 не показано).
Использование диспергаторов воздуха позволяет повысить эффективность процесса очистки, т.к. обеспечивает возможность проведения массообменных процессов гальванохимической очистки в присутствии кислорода.
Ввиду того что в заявленном устройстве подвижные механические элементы имеются в ограниченном количестве, энергозатраты при его эксплуатации минимальны. Предлагаемое техническое решение соответствует критериям промышленной применимости, новизны и изобретательского уровня.
Источники информации
1. Патент РФ 2130433 C1 6 C 02 F 9/00, 1/463. Опуб. 20.05.99 Бюл. №14.
2. Патент РФ 2074124 C1 6 С 02 F1/463. Коагулятор. Опуб. 27.02.97 Бюл. №6 (прототип).
3. Патент РФ 2057080 C1 6 С 02 F 1/463.Способ очистки сточных вод и устройство для его осуществления Опуб. 20.03.96 Бюл. №14.
4. Кизевальтер Б.В. Теоретические основы гравитационных процессов обогащения. М.: Недра, 1979.
1. Устройство для гальванохимической очистки сточных вод, включающее емкость, заполненную гальваномассой, с патрубками подвода сточной воды и отвода обработанной воды, подачи гальванопары и удаления шламов, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде усеченного конуса, обращенного большим основанием вверх, снабжен ограничительной решеткой, размещенной на верхнем торце конуса, диспергаторами воздуха, разгрузочным днищем, подающей трубой, упорами, выполненными в виде ребер жесткости, виброприводом для придания корпусу вертикальных колебаний.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что труба для подачи сточных вод выполнена в виде центральной подающей трубы с коническим раструбом.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что труба для подачи сточных вод выполнена в виде тангенциальной направляющей сверху над перфорированным диспергатором.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между дном аппарата и плоскостью конического раструба должно быть больше величины h>(4-6)(dх)мак, где (dх)мак - максимальный диаметр частиц гальванопары, м.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диспергаторы воздуха размещены в боковой стенке корпуса конуса, отверстия диспергатора воздуха выполнены с наклоном к горизонтальной плоскости основания корпуса под углом не менее 30° и не более 40°.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диспергаторы выполнены в виде перфорированного ложного дна с отверстиями в шахматном порядке, которые наклонены от середины параллельно плоскости наклона стенок конуса.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол наклона образующей конуса выбран равным величине золотого сечения для коэффициентов К=2,618 и К=4,236.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вибрационное устройство выполнено в виде камеры со штоком, внутри которой над дебалансом расположен сухарь, передающий вертикальное колебательное движение конусу, редуктора и мотора.
