Редукционное сопло для воды под давлением для генерирования микропузырьков во флотационной установке

Изобретение относится к редукционному соплу для генерирования микропузырьков во флотационной камере и может использоваться для обработки воды. Сопло содержит первую ступень снижения давления, промежуточную переходную камеру, вторую ступень снижения давления и выпускную трубу. Ступени снижения давления выполнены в виде диафрагмы с отверстиями, первая ступень поглощает 5-20% имеющегося давления, вторая ступень обеспечивает снижение давления воды с давления насыщения до выходного давления сопла, промежуточная камера поглощает 5-30% имеющегося давления. Выпускная труба имеет резкое расширение и обеспечивает снижение кавитации. Технический результат состоит в обеспечении режима генерирования микропузырьков, не разрушающего флоккулы при выходе из сопла, при обеспечении большой производительности флотационной установки. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к редукционному соплу для генерирования микропузырьков во флотационной камере.

Известны установки для обработки воды, содержащие флотационную камеру, в которую подается сырьевая вода, предварительно флоккулированная, и затем смешивается с водой под давлением, затем давление снижается для захвата взвешенных в сырьевой воде твердых частиц микропузырьками, возникающими при снижении давления, которые затем удаляются в форме осадка с поверхности жидкости, содержащейся в камере, при этом обработанная вода выводится через дно этой камеры. Такая установка описана, в частности, в ЕР-А-0659690 и в WO 03/064326.

Таким образом, флотация является технологией очистки (сепарация жидкости/твердых частиц), которая является альтернативой отстаиванию, по меньшей мере, для некоторых типов воды.

Согласно этой технологии, после этапа коагуляции/флоккуляции вода смешивается с эмульсией микропузырьков, в основном состоящих из воздуха (имеющих средний размер между 30 до 80 мкм). Эти микропузырьки сцепляются с флоккулами, которые, уменьшая, таким образом, свой вес, стремятся подняться наверх к поверхности флотационной камеры, где они накапливаются, образуя слой или подушку осадка. Как указано выше, осадок извлекается с поверхности флотационной установки, а очищенная вода выводится через дно устройства.

Часть этой очищенной воды (обычно порядка 10% обрабатываемой воды) закачивается при давлении 4 или 6×10⁵ Па в специальный бак (называемый «нагнетательный бак»), где воздух растворяется в большом количестве (до 5-кратной максимальной концентрации воздуха в воде при атмосферном давлении). Во время резкого снижения атмосферного давления вода попадает в условия перенасыщения и образует микропузырьки. Такое снижение давления создается статическими системами, которые называют редукционными соплами. Такие редукционные сопла устанавливаются в особой зоне, где микропузырьки смешиваются с флоккулированной водой.

Физически отделенные от воды в баке осаждения флоккулы должны быть плотными или занимать большой объем.

Однако отделенные посредством флотации такие флоккулы необходимо сформировать. Они могут быть маленькими и очень легкими. Таким образом, флоккуляцию можно упростить благодаря почти полному отсутствию полимера для обработки незначительно загрязненной воды посредством флотации и использованию флоккуляционных реакторов меньшего размера, чем баки для осаждения.

С другой стороны, микропузырьковые генераторы должны производить микропузырьки очень малого диаметра с энергией рассеивания в среде, сравнимой с хрупкостью флоккул.

До настоящего времени флотационные установки проигрывали в конкуренции с баками ускоренного осаждения с блоком тонкослойных элементов со слоем ила или балласта по следующим причинам:

- в основном слишком большой объем зоны флоккуляции,

- относительно малая скорость сепарации,

- стоимость энергии повышения давления.

Однако за последние несколько лет появились установки быстрой флотации, в которых используются прямоточные тонкослойные модули или специальные системы извлечения. Прогнозируются скорости 20-40 м/ч. Более того, время флоккуляции сокращается благодаря использованию целевых флоккул и применению более производительных технологий.

В этих обстоятельствах уменьшения времени флоккуляции и применения высоких скоростей во флотационной установке флотация оказалась весьма конкурентоспособной технологией по сравнению с осаждающими баками. Поэтому такая технология в настоящее время активно возрождается, особенно при очистке незначительно загрязненной воды, благодаря компактности установок и легкости в эксплуатации.

Однако в устройствах, имеющих такие характеристики скорости флоккуляции и сепарации, микропузырьки должны иметь особенно подходящие количество и размер.

Сокращенное время флоккуляции требует очень мелких микропузырьков, хрупкость флоккул требует умеренной энергии перемешивания, а высокая скорость сепарации не допускает дефицита активных микропузырьков.

Эти ограничения означают, что в некоторых случаях промышленного масштаба обычные редукционные сопла не позволяют достичь ожидаемых эксплуатационных параметров.

Например, на экспериментальных установках полупромышленного масштаба небольшие редукционные сопла (от 100 до 500 л/ч) позволяли достичь скорости сепарации во флотационной камере 30 м/ч, тогда как в промышленной установке, оснащенной увеличенными редукционными соплами (1000-1500 л/ч), скорость флотационной установки не смогла превысить 20 м/ч.

Таким образом, возникла необходимость разработать новое сопло, лучше приспособленное к требованиям скоростных флотационных установок промышленного масштаба.

В настоящее время имеется множество типов редукционных сопел для очистки воды. В этой связи можно упомянуть статью E.M.Rykaart and J.Haarhoff (Wat.Sc. Tech. Vol.31, No. 3-4, pp 25-35, 1995), озаглавленную "Behaviour of air injection nozzles in dissolved air flotation", где упомянуты основные виды сопел:

В этой статье обращается особое внимание на сопла, характеризующиеся:

- двойным снижением давления (сопла WRC или DWL) или одинарным снижением давления (NIWR);

- снижением давления после камеры демпфирования скорости (NIWR или DWL);

- снижением давления после участка разведения для уменьшения скорости (далее именуемое «В-сопло»).

Сопло WRC описано, в частности, в FR-P-1 444 026. Оно содержит:

- первую ступень снижения давления, выполняющую основное снижение давления, причем эта ступень выполнена в виде диафрагмы;

- промежуточную камеру переноса и расширения, в которой газ (например, воздух) по существу десорбируется благодаря первой ступени снижения давления и превалирующей турбулентности в этой камере, причем высота этой камеры относительно велика; указывается, что эта высота равна диаметру отверстия второй ступени снижения давления;

- вторую ступень снижения давления, по существу осуществляющую перенос из зоны высокой энергии в зону низкой энергии или малой скорости; эта ступень выполнена в виде диафрагмы, отверстие которой имеет диаметр, всегда больший, чем диаметр отверстия первой ступени снижения давления, и, предпочтительно, в 2 раза больший;

- выпускную и диффузионную трубу, функцией которой является защита флоккул от все еще относительно высоких скоростей на выходе диафрагмы и получение достаточно низкой скорости на выходе из трубы.

Задачей настоящего изобретения является получение наименьшей возможной скорости на выходе сопла так, чтобы не разбивать флоккулы, с которыми сцепляются пузырьки.

Основываясь на этом прототипе (сопло WRC) настоящее изобретение обеспечивает новое сопло для достижения довольно неожиданных гидравлических характеристик в промышленных установках (сопла большой производительности, >500 л/ч) и, особенно, работы при более 30 м/ч вместо 20 м/ч при «В-соплах» по предшествующему уровню техники.

Соответственно, настоящее изобретение относится к редукционному соплу для находящейся под давлением воды для генерирования микропузырьков во флотационной установке, содержащей первую ступень снижения давления, промежуточную переходную камеру, вторую ступень снижения давления и выпускную трубу, при этом

- первая ступень снижения давления обеспечивает предварительное снижение давления путем поглощения от 5% до 20% имеющегося давления;

- вторая ступень снижения давления, в которой происходит основное снижение давления, обеспечивает снижение давления воды под давлением от давления насыщения до выходного давления сопла;

- промежуточная камера является переходной камерой, в которой вода под давлением достигает давления насыщения, поглощая от 5% до 30% имеющегося давления, и

- выходная труба состоит из трубы резкого снижения давления и кавитации, минимальная длина которой по существу соответствует расстоянию, отделяющему конец этой трубы на стороне второй ступени снижения давления от точки соприкосновения струй к стенкам трубы, при этом угол α раскрытия струи до соприкосновения составляет от 3° до 12°, предпочтительно, от 6° до 9°.

Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, первая и вторая ступени снижения давления выполнены в виде диафрагмы, содержащей одно или более отверстий любой формы, при этом гидравлический диаметр отверстия первой ступени или эквивалентного отверстия этой ступени, если эта ступень содержит несколько отверстий, больше, чем гидравлический диаметр отверстия второй ступени или эквивалентного отверстия, если эта ступень содержит несколько отверстий.

Диафрагма, образующая вторую ступень, может содержать одно центральное отверстие.

Диафрагма, образующая вторую ступень, может содержать множество отверстий, расположенных на равном расстоянии от центра диафрагмы.

Предпочтительно, гидравлический диаметр отверстия первой ступени снижения давления или эквивалентного отверстия, если эта ступень имеет несколько отверстий, составляет 1,6-1,1 диаметра отверстия второй ступени снижения давления или эквивалентного отверстия, если эта ступень имеет несколько отверстий.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, снижение давления осуществляется посредством клапана или рассекателя, ограничивающего поток.

Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, промежуточная или переходная камера имеет высоту, т.е. расстояние, разделяющее первую ступень снижения давления от второй ступени, которая меньше, чем диаметр отверстия в первой ступени снижения давления (или эквивалентного отверстия, если эта ступень содержит несколько отверстий), предпочтительно равное половине этого диаметра.

Предпочтительно, вторая ступень снижения давления имеет резкое расширение, выходной угол отверстия или отверстий диафрагмы равен 180° или лежит в диапазоне от 90° до 270°.

Также предпочтительно, чтобы выпускная труба заканчивалась раструбом.

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут понятны из нижеследующего описания со ссылками на приложенные чертежи, иллюстрирующие варианты настоящего изобретения и полученные результаты.

На чертежах:

Фиг.1 - осевое вертикальное сечение сопла согласно настоящему изобретению;

Фиг.2 - относится к лабораторным экспериментам и иллюстрирует результаты, полученные посредством изобретения, и результаты, полученные с помощью сопел согласно предшествующему уровню техники; и

Фиг.3 - показывает промышленные данные, которые иллюстрируют результаты, полученные согласно настоящему изобретению с результатами, полученными с помощью сопел по предшествующему уровню техники.

Как показано на чертежах, сопло согласно настоящему изобретению содержит первую ступень 1 снижения давления, выполненную в данном случае в виде диафрагмы, содержащей отверстие с диаметром d1, промежуточную или переходную камеру 3, вторую ступень 2 снижения давления, содержащую два или более отверстий (эквивалентный гидравлический диаметр этих отверстий равен d2), и выпускную трубу 4.

Таким образом, согласно настоящему изобретению, диафрагма, образующая ступень снижения давления, может содержать одно или более отверстий. Если она содержит несколько отверстий (как в случае второй ступени 2 снижения давления в этом варианте) гидравлический диаметр d (или d2 в этом варианте) является эквивалентным диаметром отверстия, площадь которого равна сумме площадей всех отверстий в этой диафрагме.

Как указано выше, первая ступень 1 снижения давления создает простое предварительное снижение давления, поскольку выше по потоку второй ступени 2 снижения давления давление должно быть близким к давлению насыщения воды под давлением. Гидравлический диаметр d1 отверстия системы ограничения потока, образующей эту первую ступень 1, больше, чем гидравлический диаметр d2 отверстия диафрагмы, образующей вторую ступень 2 (или эквивалентного отверстия, когда диафрагма содержит несколько отверстий, как в случае, показанном на фиг.1). Предпочтительно, d1 равен 1,5 d2. На этой ступени падение давления составляет порядка 5%-20%, предпочтительно, порядка 15%.

В переходной камере 3 газ (в первую очередь, воздух) не должен подвергаться десорбции. Существует своего рода неразрывность с первой ступенью 1 снижения давления и, согласно настоящему изобретению, высота камеры 3 должна быть меньше, чем эквивалентный гидравлический диаметр отверстия системы ограничения потока первой ступени 1 снижения давления, и такая высота е является расстоянием, разделяющим две ступени снижения давления, как показано на фиг.1. Эта промежуточная переходная камера 3 образует переходную камеру для приближения к насыщению. Потеря давления, полученная в этой камере 3, составляет порядка от 5 до 30%.

Вторая ступень 2 снижения давления согласно настоящему изобретению является единственным эффективным средством снижения давления, которое обеспечивает переход давления воды от давления насыщения до выходного давления сопла (высота погружения сопла). Как упомянуто выше, гидравлический диаметр d2 отверстия (или эквивалентного отверстия) диафрагмы, образующей эту ступень 2, всегда меньше диаметра первой ступени и, предпочтительно, в 1,5 раза меньше. Падение давления, полученное благодаря этой второй ступени 2 снижения давления, составляет порядка 60-90%, предпочтительно, 70%. Это сделано для того, чтобы сконцентрировать все снижение давления и для генерирования микропузырьков в одной точке. Эта вторая ступень 2 снижения давления имеет резкое расширение, где выходной угол отверстия или отверстий диафрагмы равен 180° или лежит в диапазоне 90°-270°.

Микропузырьки образуются в выпускной трубе 4, которая обеспечивает создание двух явлений:

- резкое расширение (не дивергентное),

- зону эффективной кавитации (абсолютное давление=0), сохраняющуюся за второй ступенью 2 снижения давления.

Эти явления возникают, если второе снижение давления происходит резко (без дивергенции или с дивергенцией с углом в центре <90° или >270°) и если труба имеет достаточную длину, чтобы в зону отрицательного давления не поступала жидкость снаружи сопла. Согласно настоящему изобретению, эта длина L является функцией диаметра трубы и является в основном расстоянием между внешней стенкой струи или струй и внутренней стенкой трубы. Согласно настоящему изобретению и как четко показано на фиг.1 минимальная длина L трубы 4 по существу соответствует расстоянию, разделяющему конец этой трубы на стороне второй ступени 2 снижения давления и точку соприкосновения струй к стенке трубы, при этом угол α раскрытия струи до соприкосновения составляет от 3° до 12°, предпочтительно, от 6° до 9°.

Согласно настоящему изобретению, для достижения хорошего закрытия этой зоны кавитации необходимо, чтобы диафрагма, образующая вторую ступень 2 снижения давления, содержала либо единственное центральное отверстие любой формы (круглой, квадратной, прямоугольной, эллиптической), либо несколько отверстий, расположенных на одинаковом расстоянии от центра диафрагмы.

Труба может заканчиваться раструбом 5 для улучшения работы и уменьшения выходной скорости. Этот признак обеспечивает два преимущества:

- улучшение соприкосновения потока или потоков жидкости и, следовательно, лучшее закрытие зоны кавитации;

- уменьшение выходных скоростей из сопла, совместимых с механической прочностью флоккул.

Такой вариант позволяет генерировать больше больших пузырьков, чем сопла WRC, но микропузырьки имеют меньший размер.

Эти сопла проверялись в лаборатории, а затем тестировались на промышленных установках в производственных условиях.

Результаты тестов и характеристики

1) Лабораторные тесты

Испытывалось приблизительно 50 сопел. Эти сопла были получены на основе следующих типов:

- Сопла, далее обозначенные «В», содержащие снижение давления после расходящегося участка для замедления скорости;

- Сопла типа WRC, описанные выше; и

- Сопла, являющиеся предметом настоящего изобретения, обозначенные ссылочной позицией DGT.

Их расход составляет приблизительно 1,5 м³/ч. На них подается вода из нагнетательного бака под давлением 5×10⁵ Па. Сопла погружены в прозрачный сосуд емкостью 1 м³, в котором проводился ряд измерений:

- количество больших пузырьков, генерируемых соплом. Это количество определяется в % от эффективного количества воздуха, растворенного в баке,

- качество эмульсии микропузырьков. Использовался специальный замер с помощью турбидиметра для оценки общего качества микропузырьков. Сильное замутнение соответствует более многочисленным и/или более мелким микропузырькам,

- скорость на выходе сопла. Целью являлось получение наименьшей скорости.

Кривые на фиг.2 показывают результаты, полученные для мутности эмульсии микропузырьков в % от больших пузырьков. Наилучшим соплом является сопло, которое генерирует меньше всего больших пузырьков и обеспечивает наиболее плотную эмульсию.

Результаты показывают, что:

- Сопла WRC генерируют мало больших пузырьков, но плотность эмульсии микропузырьков низкая.

- Сопла В и DGT (согласно настоящему изобретению) генерируют больше больших пузырьков и обеспечивают более плотную эмульсию. Чем больше возникает больших пузырьков, тем плотнее эмульсия, поскольку количество доступного воздуха небольшое, увеличение плотности можно объяснить лишь более мелкими микропузырьками. Сопло DGT согласно настоящему изобретению работает лучше, чем сопло В по 2 параметрам.

Цифры, связанные с соплами DGT (25, 35, 56, 90), соответствуют длине L в мм труб 4, оснащенных концевым раструбом 5 (черные квадраты). Подтверждается, что неадекватная длина, составляющая 25 мм, не позволяет создать плотную эмульсию. Длина должна быть минимум 35 мм для того, чтобы потоки жидкости соприкасались со стенками для получения в итоге качественной эмульсии. Ввиду того факта, что диафрагма, образующая вторую ступень 2 снижения давления, содержит 3 отверстия, угол α раскрытия струи до соприкосновения со стенкой в 35 мм составляет от 6° до 9° (12°-18° в центре). Слишком большая длина увеличивает количество больших пузырьков, вероятно, в результате трения. Качество эмульсии стремится к снижению.

Характеристики сопел DTG согласно настоящему изобретению с выпускными трубами 4, не снабженными раструбами, представлены незаштрихованными квадратами. Раструбы увеличивают мутность на 5%-20% и уменьшают выходную скорость сопел на 10-40%.

В заключение, наилучшим соплом оказалось усовершенствованное сопло WRC+ (малое количество больших пузырьков и нужная мутность) и сопла DTG 35 и DTG 65 (высокая плотность эмульсии несмотря на большой уровень крупных пузырьков).

2) Тесты на промышленных флотационных установках

Эти тесты проводились на большой установке по производству питьевой воды, содержащей пять флотационных камер, работающих параллельно, в одинаковых условиях, при этом каждая флотационная камера оснащалась соплами разного типа.

За исключением сопел «В», взятых за эталон, все использованные сопла оснащались выпускными трубами с раструбами и в их число входили:

- Сопло В,

- Сопло WRC+,

- Сопло DTG 35,

- Сопло DTG 65,

- Сопло DTG 100.

При трудной для очистки воде на 2 проверенных скоростях подачи (скорость на площадь поверхности сепарации флотацией в 20 м³/м²/ч и 30 м³/м²/ч) полученные результаты в форме мутности флотированной воды и скорости на флотационной камере показаны на фиг.3.

На Фиг.3 показано, что:

- все сопла обеспечивали более или менее достаточное количество микропузырьков при 20 м/ч (уровень наддува 13%).

- при 30 м/ч и при уровне наддува 8,5% четко проявилась разница между соплами:

- сопла В отстали из-за недостатка микропузырьков, вероятно из-за избытка крупных пузырьков;

- сопла WRC+ потеряли эффективность, несомненно, из-за того, что их микропузырьки были более крупными;

- только сопла DTG 65 и DTG 100 справились с этой скоростью. Поэтому они являются соплами, генерирующими наибольшее количество микропузырьков. Длина сопла DTG 35 с раструбом недостаточна для генерирования микропузырьков в таком же количестве.

В заключение, следует отметить, что оказалось, что сопло, которое генерирует в пять раз больше больших пузырьков (50% против 10%), в итоге оказалось наиболее производительным соплом для флотации. Это, вероятно объясняется тем, что, как уже было отмечено, возникающие микропузырьки имеют меньший размер. Условиями образования этих микропузырьков являются резкое снижение давления с образованием зоны кавитации, которая не заполняется жидкостью благодаря достаточно длинной расходящейся трубе, имеющей форму раструба.

Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается описанными и/или упомянутыми выше примерами реализации, но охватывает все их варианты. Так, в частности, гидравлический диаметр d1 отверстия первой ступени 1 снижения давления или эквивалентного отверстия, если в этой ступени имеется несколько отверстий, может составлять от 1,6 до 1,1 диаметра отверстия второй ступени снижения давления, или эквивалентного отверстия, если в этой ступени имеется несколько отверстий.

1. Редукционное сопло для воды под давлением для генерирования микропузырьков во флотационной установке, содержащее первую ступень (1) снижения давления, промежуточную переходную камеру (3), вторую ступень (2) снижения давления и выпускную трубу (4), отличающееся тем, что первая и вторая ступени снижения давления выполнены в виде диафрагмы, содержащей одно или более отверстий, при этом гидравлический диаметр (d1) отверстия первой ступени (1) или эквивалентного отверстия, если эта ступень имеет несколько отверстий, больше чем диаметр (d2) отверстия второй ступени, или эквивалентного отверстия, если эта ступень имеет несколько отверстий, при этом первая ступень (1) снижения давления обеспечивает предварительное снижение давления, поглощая 5-20% имеющегося давления, вторая ступень (2) снижения давления, на которой происходит большая часть снижения давления, обеспечивает снижение давления воды с давления насыщения до выходного давления сопла, промежуточная камера (3) является переходной камерой, которая обеспечивает приближение давления воды к давлению насыщения за счет поглощения 5-30% имеющегося давления, и выпускная труба (4) состоит из трубы для резкого снижения давления и кавитации, минимальная длина (L) которой по существу соответствует расстоянию, разделяющему конец этой трубы, расположенный на второй ступени снижения давления, и точку соприкосновения струй к стенке трубы, при этом угол (α) раскрытия струи до соприкосновения составляет 3-12°, предпочтительно 6-9°.

2. Сопло по п.1, отличающееся тем, что отверстия в диафрагмах выполнены круглыми.

3. Сопло по п.1, отличающееся тем, что отверстие первой ступени снижения давления включает клапан или барьер.

4. Сопло по п.1, отличающееся тем, что промежуточная или переходная камера (3) имеет высоту (е), т.е. расстояние, разделяющее первую ступень (1) снижения давления от второй ступени (2), которая меньше диаметра (d1) отверстия в диафрагме, образующего первую ступень снижения давления, и предпочтительно равна половине этого диаметра.

5. Сопло по п.1, отличающееся тем, что диафрагма, образующая вторую ступень, содержит одно центральное отверстие.

6. Сопло по п.1, отличающееся тем, что диафрагма, образующая вторую ступень, содержит множество отверстий, расположенных на равном расстоянии от центра диафрагмы.

7. Сопло по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что гидравлический диаметр (d1) отверстия первой ступени (1) снижения давления или эквивалентного отверстия, если эта ступень имеет несколько отверстий, составляет 1,6-1,1 диаметра отверстия второй ступени снижения давления или эквивалентного отверстия, если эта ступень имеет несколько отверстий.

8. Сопло по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что вторая ступень (2) снижения давления имеет резкое расширение, выходной угол отверстия или отверстий диафрагмы равен 180° или лежит в диапазоне 90-270°.

9. Сопло по п.1, отличающееся тем, что выпускная труба (4) заканчивается раструбом (5).