Устройство для быстрого смешения реагентов (варианты)

Изобретение относится к смесительным устройствам и может использоваться для процессов водоподготовки питьевой воды на насосно-фильтровальных станциях водоканалов и промышленной воды ТЭЦ. Устройство содержит камеру, на входе которой размещены сопла, а на выходе ударная перегородка. В камере вдоль ее боковых стенок размещены вставки в форме полуклина. В центре камеры размещен делитель в форме клина, вершина которого обращена к входу камеры. По обе стороны делителя расположены Г-образные плоские вставки, образующие сужающиеся плоские сопла и ударную стенку, образованную их короткой частью. Ударная перегородка имеет в сечении форму треугольника, его основание расположено параллельно основанию делителя и соосно камере, по обе стороны ударной перегородки расположены направляющие в форме клина. По второму варианту, кроме того, часть камеры, начиная от основания полуклина до основания клина делителя, выполнена фигурной в форме плавно сужающегося кривого профиля. Технический результат состоит в повышении качества очищаемой воды и снижении расхода реагентов, а также снижении потери напора, энергетических затрат и упрощении конструкции устройства. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам, предназначенным для очистки оборотных, природных поверхностных и подземных вод для хозяйственных и питьевых целей. В частности, относится к смесительным устройствам для процессов водоподготовки питьевой воды на насосно-фильтровальных станциях водоканалов и промышленной воды ТЭЦ.

Известна конструкция пневмогидравлического диспергатора (полезная модель РФ №27506, опубл. БИ №4, 10.02.2003 г. [1]), предназначенная для аэрации пульпы в процессах обогащения и очистки сточных вод. Диспергатор состоит из ряда камер, соединяющихся между собой с помощью патрубков, в каждой из которых размещена ударная перегородка, установленная соосно патрубку, кроме того, внутри патрубков установлены инжекторы и цилиндры со штуцерами для подвода воздуха. Принцип работы диспергатора основан на ударе водовоздушной смеси о преграду с определенной скоростью в последовательно расположенных соплах для получения ряда типоразмеров пузырьков. Однако конструкция такого аппарата не может быть использована для эффективного смешения растворов реагентов в больших объемах обрабатываемой воды по ряду конструктивных особенностей, высоких энергозатрат для разгона потока в соплах и высокой потери напора.

Известно устройство для флокулирования (а.с. РФ №740289 [2]), предназначенное для повышения эффективности смешения флокулянта и снижения расхода реагентов. Принцип действия устройства основан на изменении скорости и направления потока в турбулизирующей вставке, выполненной в виде системы плоских лопастных элементов, между которыми расположены патрубки для подачи реагента. Известен также ряд близких по конструкции устройств - трубчатые смесители (Б.Н. Фрог. Водоподготовка. под ред. Пиколадзе Г.И., издат. МГУ, 2001 г., издание 2, стр.123-127 [3]), принцип действия которых также основан на изменении скорости и направления потока. Недостатком выше перечисленных устройств является высокая потеря напора и соответственно энергии, что не позволяет использовать такие устройства при обработке значительных количеств воды.

Известно устройство, описанное в (патенте РФ №2202520, опубл. 20.04.2003 г. [4]), включающее последовательно расположенные диспергатор для ударной активизации коагулянта и смеситель для последующего смешения активированного коагулянта в турбулентном потоке всего объема обрабатываемой воды с ударным воздействием о преграду. Недостатки такого устройства - сложность технологической и аппаратурной схемы из-за необходимости предварительной активизации коагулянта с последующей подачей его в смеситель, а также существенная потеря напора.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, примененное в [4] и описанное в Полезной модели. №166343, опубл. в БИ №36, 27.12 2000 г. [5], содержащее последовательно расположенные камеры, соединенные патрубками, в каждой камере на входе размещено сопло и ударная перегородка. Недостатки такого устройства - низкая производительность и существенная потеря напора из-за последовательного расположения сопел и ударных перегородок.

Технической задачей предлагаемой конструкции является повышение качества очищаемой воды и снижение расхода реагентов за счет повышения скорости смешения реагентов во всем объеме обрабатываемой воды, а также снижение потери напора, энергетических затрат и упрощение конструкции устройства.

Поставленная задача достигается двумя вариантами конструкции.

По первому варианту поставленная задача достигается тем, что в устройстве для быстрого смешения реагентов, содержащем камеру, на входе которой размещены сопла, а на выходе - ударная перегородка, в камере устройства вдоль ее боковых стенок размещены вставки, выполненные в форме полуклина равной длины, в центре камеры размещен делитель, выполненный в форме клина, вершина которого обращена к входу камеры, по обе стороны делителя на равном расстоянии относительно оси камеры расположены, по меньшей мере, по одной Г-образной плоской вставке, образующей параллельно сужающиеся плоские сопла и ударную стенку, образованную их короткой частью, длины Г-образных вставок и делителя равны, ударная перегородка имеет в сечении форму треугольника, и его основание расположено параллельно основанию делителя и соосно камере, по обе стороны ударной перегородки на равном расстоянии расположены направляющие, выполненные в форме клина. Длины Г-образных вставок и делителя больше вставок, выполненных в форме полуклина на величину, не превышающую или равную двойной ширине узкой части сопла, ударная перегородка установлена от делителя на расстоянии, не превышающем или равном двойной ширине узкой части сопла.

По второму варианту поставленная задача достигается тем, что в устройстве для быстрого смешения реагентов, содержащем камеру, на входе которой размещены сопла, а на выходе - ударная перегородка, в камере устройства вдоль ее боковых стенок размещены вставки, выполненные в форме полуклина равной длины, в центре камеры размещен делитель, выполненный в форме клина, вершина которого обращена к входу камеры, при этом часть камеры от основания полуклина до основания клина делителя выполнена фигурной в форме плавно сужающегося кривого профиля, конец сужающейся части камеры совмещен с основанием клина делителя, по обе стороны делителя на равном расстоянии относительно оси камеры расположены, по меньшей мере, две Г-образных плоских вставки, образующих параллельно сужающиеся плоские сопла и ударные стенки, образованные их короткой частью, при этом длины каждой пары Г-образных плоских вставок расположенных на равном расстоянии от оси камеры по обе стороны делителя равны, длины последующей Г-образной пары вставок больше длины предыдущей пары Г-образных вставок на величину, равную двойной ширине узкой части сопла, образованной между последующей и предыдущей Г-образной вставкой, а длина делителя больше длины Г-образной вставки, расположенной со стороны делителя на величину, не превышающую двойной ширины узкой части сопла, образованной между ними, причем ударная перегородка, выполненная в форме пластины, совмещена с основанием делителя, длины Г-образных вставок, расположенных со стороны вставки в форме полуклина, больше его длины на величину, не превышающую или равную двойной ширине узкой части сопла, образованной между ними.

Отличительными признаками изобретения являются: формы выполнения элементов устройства, размеры, расположения, соотношения размеров.

Поставленная задача достигается тем, что весь поток воды в корпусе устройства делится на несколько плоских потоков в параллельно расположенных сужающихся соплах, образованных делителем, рядом Г-образных вставок и вставок в форме полуклина. Расположение и форма вставок, а также их размеры позволяют создать плоские ламинарные потоки и свести к минимуму турбулентные завихрения при разгоне потоков в соплах до необходимой скорости перед ударом об ударные стенки, образованные короткими частями Г-образных вставок. При ударе потоков о преграды (ударные стенки и ударную перегородку) происходит полное смешение реагентов во всем объеме обрабатываемой воды практически мгновенно. Это является особо значимым фактором при смешении коагулянтов, поскольку, как правило, в растворах коагулянтов формируются высокозарядные аквагидроксокомплексы металлов, дестабилизирующие частицы загрязнений. Время пребывания в воде таких комплексов до полного гидролиза металлов чрезвычайно мало.

При работе с предлагаемым устройством для смешения используется энергия потока в трубопроводе, поэтому скорость воды в соплах до удара о преграды в каждом случае рассчитывается индивидуально. При ударном воздействии подобранной скорости потока в соплах о преграды нарушается ближний порядок воды, и равновесие смещается в сторону образования мелких полярных молекул, что также повышает активность реагентов при очистке воды в устройстве и снижает опасность образования местных пересыщений.

Эти условия обеспечиваются расположением и формой делителя, вставок, их размерами и их сужением к основанию ударной перегородки и коротких частей Г-образных вставок, образующих ударные стенки.

После удара об ударные стенки и основание ударной перегородки происходит дальнейшее соударение струй воды под определенным углом, который определяется треугольной формой ударной перегородки и клиновидными направляющими. В этой зоне в турбулентном потоке происходит завершение перемешивания воды и реагентов.

Во втором варианте отвод потоков обработанной воды идет в стороны под углом через отверстия в плавно сужающемся корпусе после соударения потока воды об ударные стенки Г-образных вставок и об ударную перегородку, выполненную в форме пластины. Завершение смешения идет уже в потоке выходящем в боковые стороны.

Сущность технического решения поясняется следующими чертежами и примером.

На фиг.1 показан вид устройства сверху в разрезе по 1 варианту, на фиг.2 - общий вид устройства по 2 варианту.

Устройство для быстрого смешения состоит из камеры 1, например, прямоугольной или цилиндрической формы, а во втором варианте камера 1 выполнена фигурной, вдоль ее боковых стенок размещены вставки 2, имеющие форму полуклина равной длины, в центре камеры размещен делитель 3, имеющий форму клина, вершина которого обращена к входу камеры 1. По обе стороны делителя 3 на равном расстоянии относительно оси камеры 1 расположены, по меньшей мере, по одной или по две (по второму варианту) Г-образных плоских вставки 4, образующие параллельно расположенные плоские сопла и ударные стенки, при этом длины Г-образных плоских вставок 4 и делителя 3 равны, а во втором варианте основание клина делителя 3 совмещено с концом сужающейся части камеры 1. Ударная перегородка 5, имеющая в сечении форму треугольника (по первому варианту), расположена параллельно основанию делителя 3, а по второму варианту ударная перегородка 5 совмещена с основанием делителя 3 и выполнена в форме пластины. По обе стороны ударной перегородки 5 на равном расстоянии расположены направляющие 6, выполненные в форме полуклина. Длины Г-образных плоских вставок 4 и делителя 3 равны и больше вставки 2, выполненной в форме полуклина, на величину, не превышающую или равную двойной ширине узкой части сопла, а ударная перегородка 5 расположена от делителя 3 на расстоянии, не превышающем или равном двойной ширине узкой части сопла. Длины каждой пары Г-образных плоских вставок 4, расположенных на равном расстоянии от оси камеры 1 по обе стороны делителя 3, равны, а длины последующей Г-образной пары вставок 4 больше длины предыдущей пары Г-образных вставок на расстояние, равное двойной ширине узкой части сопла, образованной между последующей и предыдущей Г-образной вставкой. Длина делителя 3 больше длины Г-образной вставки 4, расположенной со стороны делителя, на величину, не превышающую двойной ширины узкой части сопла, образованной между ними. Длины пары Г-образных вставок 4, расположенных со стороны вставок в форме полуклина 2, больше его длины на величину, не превышающую или равную двойной ширине узкой части сопла, образованной между ними.

Устройство для быстрого смешения работает следующим образом.

В поток воды вводят реагент. Далее весь поток, проходя через камеру 1, делится на несколько плоских по форме потоков, образующихся за счет вставок 2, 4 и делителя 3. Потоки разгоняются до заданной скорости, причем вихревые зоны между потоком и вставками, образующими сопла, минимальны. После разгона потоков до заданной скорости происходит соударение каждого плоского потока об ударную стенку Г-образной вставки 4 и ударную перегородку 5, что позволяет производить полное смешение реагентов во всем объеме обрабатываемой воды практически мгновенно, при этом скорость деформации потока многократно возрастает, что ведет к резкому увеличению момента усреднения концентрации и сближению беспорядочно расположенных частиц загрязнений воды. После удара о преграды (ударные стенки и перегородку) происходит соударение струй с заданной скоростью и под определенным углом, который определяется треугольной формой ударной перегородки 5 и клиновидными направляющими 6. В этой зоне в турбулентном потоке происходит завершение перемешивания при невысоких скоростях потока. Подобранные гидродинамические режимы, ламинарные в начале процесса, затем ударное воздействие о перегородку и турбулентный поток, возникающий после соударения, позволяют эффективно и быстро смешивать реагенты во всем объеме обрабатываемой воды.

Во втором варианте поток обрабатываемой воды, проходя через камеру 1, делится на несколько ламинарных потоков в сужающихся соплах, образованных делителем 3, рядом Г-образных вставок 4 и вставок в форме полуклина 2. После соударения об ударные стенки Г-образных вставок 4 и об ударную перегородку 5 происходит отвод потоков обработанной воды в стороны через отверстия в плавно сужающейся камере 1, где в турбулентном потоке происходит завершение перемешивания.

Длительный цикл испытаний предлагаемого устройства, по 1 и 2 варианту (с декабря 2003 г. по декабрь 2004 г.), проведен на насосно-фильтровальной станции №1 (НФС-1) г. Новосибирска. Испытания проводились в сравнении с действующим устройством, описанным в [4-5], в полном цикле реагентной очистки. Расход воды на каждое из устройств составлял 5000 м³/ч. Количество коагулянта и флокулянта рассчитывалось исходя из характеристик очищаемой воды. В качестве коагулянта использовался раствор оксихлорида алюминия, флокулянта раствор полидиметилдиаллиламмоний хлорида.

В результате длительных испытаний установлено, что применение предлагаемых устройств позволяет снизить потерю напора в сравнении с существующим с 1,4-1,7 м до 0,5-0,8 м и соответственно увеличить производительность, снизить количество взвешенных веществ в обрабатываемой воде на 12-15% и расход коагулянта на 5-7%.

С февраля 2005 г. проводятся испытания предлагаемого по 2 варианту устройства. Устройство монтировалось в приемном кармане перегородчатого смесителя коридорного типа на НФС-5 г. Новосибирска. Объем очищаемой на станции воды приблизительно 20000 м³/ч. Испытания проводятся в полном цикле реагентной очистки в сравнении с действующей на станции системой, включающей одну секцию перегородчатого смесителя, 5 отстойников и 5 фильтров.

В результате исследований установлена высокая эффективность предлагаемого устройства. Так, в период с 03.06.05 г. по 13.06.05 г. при повышенной подаче воды около 13% на секцию смесителя со встроенным предлагаемым устройством расход коагулянта при таком режиме был снижен на 36%, при этом снижение взвешенных веществ после отстойников составило 7%.

Таким образом, испытания предлагаемого устройства (варианты) показали высокую эффективность смешивания реагентов, снижение потери напора воды и энергетических затрат, кроме того, уменьшение расхода реагентов.

Предлагаемое устройство смешения реагентов (варианты) может использоваться без применения дополнительного смешения, что позволяет заменить или дополнить применяемую на водоочистительных станциях аппаратную схему смешения, описанную в [4, 5], в зависимости от схемы включения предлагаемого устройств в системе водоподготовки.

1. Устройство для быстрого смешения реагентов, содержащее камеру, на входе которой размещены сопла, а на выходе ударная перегородка, отличающееся тем, что в камере устройства вдоль ее боковых стенок размещены вставки, выполненные в форме полуклина, равной длины, в центре камеры размещен делитель, выполненный в форме клина, вершина которого обращена к входу камеры, по обе стороны делителя на равном расстоянии относительно оси камеры расположены, по меньшей мере, по одной Г-образной плоской вставке, образующей параллельно сужающиеся плоские сопла и ударную стенку, образованную их короткой частью, при этом длины Г-образных вставок и делителя равны, ударная перегородка имеет в сечении форму треугольника и его основание расположено параллельно основанию делителя и соосно камере, по обе стороны ударной перегородки на равном расстоянии расположены направляющие, выполненные в форме клина.

2. Устройство для быстрого смешения реагентов по п.1, отличающееся тем, что длины Г-образных вставок и делителя больше вставок, выполненных в форме полуклина, на величину, не превышающую или равную двойной ширине узкой части сопла, ударная перегородка установлена от делителя на расстоянии, не превышающем или равном двойной ширине узкой части сопла.

3. Устройство для быстрого смешения реагентов, содержащее камеру, на входе которой размещены сопла, а на выходе ударная перегородка, отличающееся тем, что в камере устройства вдоль ее боковых стенок размещены вставки, выполненные в форме полуклина, равной длины, в центре камеры размещен делитель, выполненный в форме клина, вершина которого обращена к входу камеры, при этом часть камеры, начиная от основания полуклина до основания клина делителя, выполнена фигурной в форме плавно сужающегося кривого профиля, конец сужающейся камеры совмещен с основанием клина делителя, по обе стороны делителя на равном расстоянии относительно оси камеры расположены, по меньшей мере, две пары Г-образных плоских вставок, образующих параллельно сужающиеся плоские сопла и ударные стенки, образованные их короткой частью, при этом длины каждой пары Г-образных плоских вставок, расположенных на равном расстоянии от оси камеры по обе стороны делителя, равны, длины последующей Г-образной пары вставок больше длины предыдущей пары Г-образных вставок на величину, равную двойной ширине узкой части сопла, образованной между последующей и предыдущей Г-образной вставкой, а длина делителя больше длины Г-образной вставки, расположенной со стороны делителя, на величину, не превышающую двойной ширины узкой части сопла, образованной между ними, причем ударная перегородка, выполненная в форме пластины, совмещена с основанием делителя.

4. Устройство для быстрого смешения реагентов по п.3, отличающееся тем, что длины Г-образных вставок, расположенных со стороны вставки в форме полуклина, больше его длины на величину, не превышающую или равную двойной ширине узкой части сопла, образованной между ними.