Флокулятор
Владельцы патента RU 2320424:
Украинский государственный научно-технический центр по технологии и оборудованию, обработке металлов, защите окружающей среды и использованию вторичных ресурсов для металлургии и машиностроения "Энергосталь" (УкрГНТЦ "Энергосталь") (UA)
Изобретение относится к устройствам для очистки воды и может быть использовано при очистке сточных вод в металлургической, горнорудной, машиностроительной отраслях промышленности. Флокулятор содержит вертикальный цилиндрический корпус, внутреннюю цилиндрическую перфорированную перегородку, размещенную коаксиально корпусу, расположенные горизонтально патрубки для подвода воды, диафрагму и лоток для сбора осветленной воды в верхней части, патрубок для отвода осадка в нижней части и скребковый механизм с приводом. Патрубки для подвода воды установлены так, что ось каждого патрубка пересекает перпендикулярную к ней радиальную плоскость на расстоянии от стенки корпуса, которое определяется по формуле: l=0,5(R-R1), где l - расстояние от стенки корпуса флокулятора до точки пересечения оси каждого патрубка с перпендикулярной к ней радиальной плоскостью, R - радиус флокулятора, R1 - радиус внутренней цилиндрической перфорированной перегородки. Срез патрубка касается внутренней стенки корпуса. Технический результат состоит в повышении эффективности очистки воды, надежности работы и снижении себестоимости устройства. 7 ил.
Изобретение относится к устройствам для очистки воды и может быть использовано при очистке сточных вод в металлургической, горнорудной, машиностроительной и других отраслях промышленности.
Известен флокулятор (Защита водоемов от загрязнения сточными водами предприятий черной металлургии/ Левин Г.М., Пантелят Г.С., Вайнштейн И.А., Супрун Ю.М. - М.: Металлургия, 1978. - С.26), в состав которого входит цилиндрический корпус с тангенциальными патрубками для подвода воды, коническая диафрагма, лоток для сбора осветленной воды и скребковый механизм для удаления осадка.
Недостатком такого флокулятора является то, что зона флокуляции в нем не отделена от зоны отстаивания, вследствие чего турбулентные пульсации проникают в зону отстаивания, что, в свою очередь, ухудшает эффективность осветления воды.
Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является гидроциклон-флокулятор (Авт.св. СССР №912288, МПК3 В04С 3/06, опубл. 15.03.82, бюл. №10), в состав которого входит вертикальный цилиндрический корпус, внутренняя цилиндрическая перфорированная перегородка, размещенная коаксиально корпусу, расположенные горизонтально тангенциальные патрубки для подвода воды, диафрагма и лоток для сбора осветленной воды в верхней части, патрубок для отвода осадка в нижней части и скребковый механизм с приводом. Пространство между стенкой корпуса и перфорированной перегородкой образует кольцевую камеру флокуляции. Кроме того, такой гидроциклон-флокулятор оборудован устройством корректировки направления скорости потока подводимой воды.
Недостатком описанного выше гидроциклона-флокулятора является низкая эффективность осветления воды, которая обуславливается невозможностью осуществления достаточно полного процесса укрупнения частиц взвеси при небольшой зоне флокуляции в таком устройстве.
Струя входящей воды, попадая в такой гидроциклон-флокулятор (см. фиг.6) по касательной, следует за изгибом стенки его корпуса и распластывается в вертикальном направлении, уменьшаясь по толщине в радиальном направлении. При этом струя из круглой превращается в плоскую пристенную, состоящую из двух пограничных слоев: пристенного и свободного турбулентного (Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. - М.: Физматгиз, 1960. - С.516). Согласно схеме распространения струи при тангенциальном подводе воды (см. фиг.7) область между стенкой цилиндрического корпуса 1 и линией a представляет собой пристенный пограничный слой, а между линиями a и б - свободный турбулентный слой. Толщина пристенного слоя примерно в 10 раз меньше, чем толщина свободного турбулентного слоя (Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. - М.: Физматгиз, 1960. - С.521). Поэтому в пристенном пограничном слое наблюдаются большие величины градиентов скорости, значительно превосходящие оптимальные значения, при которых происходит флокуляция взвешенных веществ (Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. - М.: Наука, 1977. - С.150), т.е. в нем процессы флокуляции не происходят.
Наиболее благоприятные условия для флокуляции создаются в свободной турбулентной струе (Филиппов Ю.М. Исследование процесса агрегации дисперсных частиц в жидких и газообразных средах: Дис... канд. тех. наук: 1970. - М., 1971. - С.67). А в гидроциклоне-флокляторе по прототипу (Авт. св. СССР №912288) входящая струя образует свободный турбулентный слой только с одной стороны, т.е. объем зоны, в которой создаются благоприятные условия для флокуляции, уменьшается.
В основу заявленного изобретения поставлена задача создать такой флокулятор, в котором увеличение объема зоны флокуляции позволит повысить эффективность очистки воды, надежность работы и обеспечит снижение себестоимости изготовления устройства.
Поставленная задача решается за счет того, что в флокуляторе, содержащем вертикальный цилиндрический корпус, внутреннюю цилиндрическую перфорированную перегородку, размещенную коаксиально корпусу, расположенные горизонтально патрубки для подвода воды, диафрагму и лоток для сбора осветленной воды в верхней части, патрубок для отвода осадка в нижней части и скребковый механизм с приводом, согласно изобретению патрубки для подвода воды установлены так, что ось каждого патрубка пересекает перпендикулярную к ней радиальную плоскость на расстоянии от стенки корпуса, которое определяется по формуле
где l - расстояние от стенки корпуса флокулятора до точки пересечения оси каждого патрубка с перпендикулярной к ней радиальной плоскостью, мм,
R - радиус флокулятора, мм,
R1 - радиус внутренней цилиндрической перфорированной перегородки, мм, а срез патрубка касается внутренней стенки корпуса.
Установка патрубков для подвода воды так, что ось каждого патрубка пересекает перпендикулярную к ней радиальную плоскость на расстоянии от стенки корпуса, которое определяется по формуле l=0,5(R-R1), где l - расстояние от стенки корпуса флокулятора до точки пересечения оси каждого патрубка с перпендикулярной к ней радиальной плоскостью, мм, R - радиус флокулятора, мм, R1 - радиус внутренней цилиндрической перфорированной перегородки, мм, а срез патрубка касается внутренней стенки корпуса, позволяет получить в камере флокуляции входящую струю со свободным турбулентным слоем (т.е. такую струю можно считать свободной). Это обеспечивает наиболее благоприятные условия для флокуляции во всем объеме камеры флокуляции, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение объема зоны флокуляции и способствует повышению эффективности очистки воды, надежности работы и обеспечению снижения себестоимости изготовления устройства.
Для обоснования отличительных признаков заявленного изобретения рассмотрим затопленную турбулентную струю (см. фиг.5), истекающую из патрубка диаметром d=2r0 в неподвижную жидкость (Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. - М.: Физматгиз, 1960. - С.10). Скорость истечения в плоскости α среза патрубка можно принять постоянной и равной ν0. Диаметр ядра струи, т.е. области постоянных скоростей, уменьшается по мере удалением от плоскости α среза патрубка. Длина области (xнач-x0), где на оси сохраняется скорость ν0, равна 8r0=4d. Это начальный участок. Радиус струи в конце начального участка (rнач) равняется rнач=2,16r0 (вытекает из зависимостей, описанных в работе: Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. - М.: Физматгиз, 1960. - С.191, 198).
За начальным участком следует переходной участок (xпер-xнач), длиной 0,5xнач≈4r0=2d, а затем основной участок, на котором диаметр струи d=2rосн описывается зависимостью rосн=0,22x, где x - расстояние от плоскости α среза патрубка для подвода воды к плоскости рассматриваемого сечения (фиг.4).
В начале основного участка (т.е. в конце переходного) при х=6d=12r0 радиус струи равен 1,32d=2,64r0=0,22×12r0.
На начальном, переходном и основном участках происходит турбулентное смешивание струи с окружающей жидкостью, что обуславливает флокуляцию взвешенных частиц.
Любой участок струи, заключенной между сечениями x0 и x1 (или x0 и x2, или x0 и x3 (см. фиг.5), x0 и x (см. фиг.4), является зоной флокуляции. Чем больше объем зоны флокуляции, тем более полно идет процесс укрупнения частиц.
Задача заключается в том, чтобы разместить патрубки для подвода воды так, чтобы входящая струя была свободной, а объем зоны флокуляции от начала струи до ее пересечения со стенками был как можно большим.
В флокуляторе радиусом R с цилиндрической перфорированной перегородкой радиусом R1, которая образует кольцевую камеру флокуляции, целесообразно, чтобы объем кольцевой камеры флокуляции составлял 0,25÷0,30 общего объема (Эпштейн С.И. Определение оптимального объема камеры флокуляции// Журнал прикладной химии, №4, 1986. - С.812-816). Этому соответствует R1=(0,866÷0,837)R, ширина камеры флокуляции R-R1=(0,134÷0,163)R.
Радиус патрубков для подвода воды (r0), обычно, находится в пределах (0,02÷0,03)R. При таких соотношений R, R1, r0 оказывается, что, если патрубок врезан в корпус таким образом, что его ось пересекает перпендикулярную оси радиальную плоскость p на расстоянии l от стенки корпуса, которое определяется по формуле l=0,5(R-R1), а срез патрубка, представляющий собою кольцо, касается стенки корпуса, то диаметр свободной струи входящей жидкости в плоскости p равен (R-R1), т.е. граница струи в плоскости р касается стенки корпуса флокулятора и цилиндрической перфорированной перегородки (см. фиг.4).
Эту область от начала струи до плоскости р, в которой она касается ограждающих конструкций (стенки флокулятора и перегородки), можно считать зоной флокуляции.
Если патрубок для подвода воды ввести внутрь флокулятора так, чтобы его срез не касался корпуса (приблизить к плоскости р), то расстояние (по оси патрубка) от среза до проекции на ось патрубка точки пересечения струи со стенкой корпуса уменьшится, т.е. уменьшится объем зоны флокуляции.
То же самое произойдет, если уменьшить расстояние от точки пересечения оси патрубка с плоскостью p до стенки флокулятора (на фиг.4 это означает сместить патрубок влево). Если же это расстояние увеличить, то точка пересечения границы струи с перегородкой приблизится к патрубку, т.е. снова зона флокуляции уменьшится. Таким образом, предложенное расположение патрубка для подвода воды является оптимальным.
Учитывая изложенное выше и с учетом раскрытой причинно-следственной связи между совокупностью признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом, можно утверждать, что задача, поставленная в основу создания нового флокулятора, целиком решена, так как использование изобретения за счет увеличения объема зоны флокуляции позволяет повысить эффективность очистки воды, надежность работы и обеспечивает снижение себестоимости изготовления устройства.
На чертежах изображено:
- фиг.1 - флокулятор, вид сбоку;
- фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
- фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2;
- фиг.4 - схема распространения струи в камере флокуляции заявленного изобретения (варианты);
- фиг.5 - схема образования свободной турбулентной струи;
- фиг.6 - гидроциклон-флокулятор по прототипу в плане;
- фиг.7 - схема распространения струи в камере флокуляции гидроциклона-флокулятора по прототипу.
В состав флокулятора входит вертикальный цилиндрический корпус 1 с коническим или плоским днищем, внутренняя цилиндрическая перфорированная перегородка 2, размещенная коаксиально корпусу 1 на определенном расстоянии от днища, расположенные горизонтально патрубки 3 для подвода воды. В верхней части корпуса 1 размещена диафрагма 4 и лоток 5 для сбора осветленной воды. В нижней части корпуса 1 размещен патрубок 6 для отвода осадка. Внутри корпуса 1 размещен вал 7 скребкового механизма с приводом. При этом патрубки 3 для подвода воды установлены так, что ось каждого патрубка 3 пересекает перпендикулярную к ней радиальную плоскость p на расстоянии от стенки корпуса 1, которое определяется по формуле: l=0,5(R-R1), где l - расстояние от стенки корпуса флокулятора до точки пересечения оси каждого патрубка с перпендикулярной к ней радиальной плоскостью, мм, R - радиус флокулятора, мм, R1 - радиус внутренней цилиндрической перфорированной перегородки 2, мм. Кроме того, кольцевой срез каждого патрубка 3 касается внутренней стенки корпуса 1.
Флокулятор работает следующим образом.
Загрязненная вода поступает в корпус 1 по патрубкам 3. В камере флокуляции, образованной внутренней стенкой корпуса 1 и внутренней цилиндрической перфорированной перегородкой 2, происходит укрупнение частиц взвеси, причем основная часть этого процесса происходит в зоне смешивания струи, входящей через патрубки 3, с водой, находящейся в камере флокуляции. Затем вода с образовавшимися флокулами через отверстия во внутренний цилиндрической перфорированной перегородке 2 поступает в центральную зону, ограниченную перегородкой 2, где взвешенные вещества выпадают в осадок. Осветленная вода через отверстие в диафрагме 4 поступает в лоток 5 для сбора осветленной воды и отводится из флокулятора. Образовавшийся осадок удаляется через патрубок 6 при вращении вала 7 скребкового механизма с приводом.
Указанное выше размещение патрубков 3 для подвода воды приводит к тому, что объем зоны смешивания входящей струи с жидкостью, находящейся в камере флокуляции, имеет оптимальное значение. Это приводит к тому, что эффективность флокуляции и соответственно осветление воды в заявленном флокуляторе повышается, по сравнению с аппаратами, в которых патрубки для подвода воды расположены тангенциально (т.е. внешняя образующая цилиндрической стенки патрубка является касательной к цилиндрической стенке корпуса).
Флокулятор, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, внутреннюю цилиндрическую перфорированную перегородку, размещенную коаксиально корпусу, расположенные горизонтально патрубки для подвода воды, диафрагму и лоток для сбора осветленной воды в верхней части, патрубок для отвода осадка в нижней части и скребковый механизм с приводом, отличающийся тем, что патрубки для подвода воды установлены так, что ось каждого патрубка пересекает перпендикулярную к ней радиальную плоскость на расстоянии от стенки корпуса, которое определяется по формуле
l=0,5(R-R1),
где l - расстояние от стенки корпуса флокулятора до точки пересечения оси каждого патрубка с перпендикулярной ей радиальной плоскостью, мм; R - радиус флокулятора, мм; R1 - радиус внутренней цилиндрической перфорированной перегородки, мм, а срез патрубка касается внутренней стенки корпуса.
