Способ флотационной обработки жидкостей и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к химической технологии, в частности к очистке жидкостей методом флотации, и может найти применение в области хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения для очистки воды с высокой эффективностью. Сущность изобретения заключается в том, что ввод жидкостно-воздушной смеси производят в режиме противотока по отношению к вектору скорости обрабатываемой жидкости, обработку жидкости ведут в поле переменных скоростей ее движения, причем нижнее значение скорости определяется по формуле где V - скорость движения обрабатываемой жидкости во флоторазделителе флотатора, м/с; ν - кинематическая вязкость обрабатываемой жидкости, м²/с; R - гидравлический радиус флоторазделителя, м, а необходимые реагенты вводят в обрабатываемую жидкость в дозированном виде в зону ее максимальной скорости. Устройство для осуществления способа флотационной обработки жидкостей дополнительно содержит флотореактор, плавнорасширяющийся вверх, с центральным отверстием в донной части, шнекообразную лопасть, цилиндрический патрубок, диффузор, коллектор, бачки с трубопроводами и запорными клапанами на них, напорный цилиндрический патрубок с соплом, трубопровод для подачи жидкости, насыщенной воздухом, окна с жалюзи, открытыми внутрь флоторазделителя сверху, соединяющими флоторазделитель с боковым карманом, соединения запорных клапанов с блоком управления. Предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность и экономичность процесса флотационной обработки жидкостей. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области химической технологии, в частности, к очистке жидкостей методом флотации, и может найти применение в области хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения для очистки воды с высокой эффективностью.

Известен способ флотационной очистки воды [1]. Способ состоит в том, что общий поток очищаемой воды разделяется на несколько частей пропорционально объему каждой ступени флотации. Это позволяет не только проводить доочистку воды предыдущей ступени, но и использовать ее для разбавления исходного высококонцентрированного потока, поступающего в следующую ступень устройства.

Недостатком известного способа флотационной очистки воды является низкая эффективность очистки воды из-за отсутствия в технологическом процессе реагентов, позволяющих проводить осветление, обесцвечивание и обеззараживание воды до необходимых норм.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ напорной флотации природных вод, выбранный в качестве прототипа, включающий подачу во флотатор исходной воды с предварительно введенными в нее реагентами (коагулянт, флокулянт, хлор, известковое молоко и т.д.), подачу сюда же водовоздушной смеси, отвод осветленной воды и флотационной пены [2, c. 197-200].

Недостатком известного способа флотационной обработки воды является низкая его эффективность, обусловленная тем, что процесс флотационной обработки воды протекает в поле высоких скоростей движения потока воды во флотаторе. Это приводит к образованию застойных зон, вихрей, интенсификации процессов вторичного загрязнения обрабатываемой жидкости, а также к хаотичному движению флотируемой взвеси и к разрушению хлопьев, сформированных в процессе коагуляции взвеси в воде. Это ведет еще и к увеличению расхода реагентов, что снижает экономичность известного способа.

Известно устройство, осуществляющее способ флотационной очистки воды [1] .

Недостатком известного устройства для флотационной очистки воды является низкая эффективность очистки воды из-за невозможности извлечения из очищаемой воды мелких взвесей без их коагуляции.

Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, содержащее трубопроводы для подачи очищаемой и отвода очищенной воды, камеру хлопьеобразования, боковой карман, флотореактор, флоторазделитель, лотки для сбора пены, сатуратор, трубопровод для подачи водовоздушной смеси, распределительную систему [2, рис. 11.3, с. 199].

Недостатком известного устройства является низкая его эффективность, обусловленная тем, что в устройстве флотационную обработку воды ведут в поле высоких скоростей ее движения во флотаторе. Это приводит к образованию застойных зон во флотаторе, вихрей, интенсификации процессов вторичного загрязнения обрабатываемой жидкости, а также к хаотичному движению флотационной взвеси и к разрушению хлопьев, сформированных в процессе коагуляции взвеси в воде. Это ведет еще и к увеличению расхода реагентов, что снижает экономичность устройства.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в том, чтобы повысить эффективность флотационной обработки жидкостей.

Предлагаемое техническое решение заключается в том, что ввод жидкостно-воздушной смеси производят в режиме противотока по отношению к вектору скорости обрабатываемой жидкости, обработку жидкости ведут в поле переменных скоростей ее движения, причем нижнее значение скорости определяется по формуле где V - скорость движения обрабатываемой жидкости во флоторазделителе флотатора, м/с; ν - - кинематическая вязкость обрабатываемой жидкости, м²/с;
R - гидравлический радиус флоторазделителя, м,
а необходимые реагенты вводят в обрабатываемую жидкость в дозированном виде в зону ее максимальной скорости. Это позволяет сначала быстро и равномерно смешать необходимые реагенты с обрабатываемой жидкостью, а затем, путем уменьшения скорости движения обрабатываемой жидкости до указанного предела, обеспечить оптимальные условия для протекания физико-химических процессов во флотаторе и удаления флотационной пены.

Таким образом, предлагаемый способ характеризуется существенным отличием от известных, поскольку позволяет повысить эффективность обработки жидкости за счет обработки в поле переменных скоростей ее движения, где каждая стадия процесса протекает в оптимальном гидродинамическом режиме.

Предлагаемое техническое решение заключается в следующем: флотореактор напорного флотатора выполнен плавнорасширяющимся вверх с центральным отверстием в донной части, которое с внутренней стороны флотореактора снабжено шнекообразной лопастью, установленной соосно с центральным отверстием, с наружной стороны к центральному отверстию присоединен верхним концом цилиндрический патрубок, нижний конец цилиндрического патрубка с помощью диффузора соединен с коллектором, к которому с помощью трубопроводов с размещенными на них запорными клапанами присоединены бачки с реагентами, внутри коллектора коаксиально установлен напорный цилиндрический патрубок с соплом на верхнем конце, выходной канал трубопровода для подачи жидкости, насыщенной воздухом, соосно направлен на шнекообразную лопасть, в верхней части флоторазделителя выполнены окна с жалюзи, открытыми внутрь флоторазделителя сверху, соединяющими флоторазделитель с боковым карманом, а запорные клапаны соединены с блоком управления.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что оно содержит новые узлы со своими связями, позволяющими повысить эффективность обработки жидкостей.

Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретения "новизна".

На фигуре представлена схема устройства для флотационной обработки жидкостей.

Заявляемый способ был реализован с помощью устройства для флотационной обработки жидкостей, содержащего насос 1, задвижки 2 и 10, напорные трубопроводы 3 и 11, эжектор 4, сатуратор 5, вентиль 6, трубопровод для подачи жидкости, насыщенной воздухом 7, флотореактор 8, шнекообразную лопасть 9, напорный цилиндрический патрубок 12, сопло 13, цилиндрический патрубок 14, центральное отверстие 15, диффузор 16, коллектор 17, запорные клапаны 18, 19, 20 и 21, трубопроводы 22, 23 и 24, бачки 25, 26 и 27, флоторазделитель 28, лотки для сбора пены 29, окно с жалюзи 30, боковой карман 31, отводящий трубопровод 32, блок управления 33.

Устройство для флотационной обработки жидкостей работает следующим образом.

Очищаемая жидкость насосом 1 через открытую задвижку 2 по напорному трубопроводу 3 поступает в эжектор 4. В эжекторе 4 происходит подсасывание воздуха из атмосферы и интенсивное перемешивание его с жидкостью. Из эжектора 4 смесь жидкости и воздуха поступает в сатуратор 5, в котором она сжимается. Под действием давления воздух растворяется в жидкости и насыщает ее. Из сатуратора 5 через открытый вентиль 6 по трубопроводу 7 жидкость, насыщенная воздухом, с большой скоростью выходит из отверстия трубопровода 7 и попадает на шнекообразную лопасть 9. При этом жидкость скользит вдоль граней шнекообразной лопасти 9 и закручивается вокруг ее оси. Попадая в зону меньшего давления, из насыщенной воздухом жидкости выделяются мельчайшие его пузырьки, необходимые для флотационной обработки жидкости. Одновременно с этим очищаемая жидкость через открытую задвижку 10 по напорному трубопроводу 11 поступает в напорный цилиндрический патрубок 12, в сопло 13, в цилиндрический патрубок 14 и далее через центральное отверстие 15 во флотореактор 8. Из сопла 13 жидкость выходит в цилиндрический патрубок 14 с большой скоростью, благодаря чему давление в диффузоре 16 и коллекторе 17 снижается и становится меньше атмосферного. По команде с блока управления 33 открываются запорные клапаны 18, 19 и 20. За счет разности давлений на свободные поверхности растворов реагентов в бачках 25, 26 и 27 и в коллекторе 17 растворы реагентов по трубопроводам 22, 23 и 24 поступают сначала в коллектор 17, а затем через диффузор 16 в цилиндрический патрубок 14, где происходит их смешение с потоком очищаемой жидкости. Смешанный поток проходит через центральное отверстие 15 во флотореактор 8 по касательной к граням шнекообразной лопасти 9 и при этом закручивается в сторону, противоположную движению потока жидкости, насыщенной воздухом. При этом оба потока тщательно перемешиваются, пузырьки воздуха равномерно распределяются по всему объему жидкости, а восходящая скорость движения жидкости уменьшается. Этому способствует и плавнорасширяющаяся вверх форма флотореактора 8. Воздушные пузырьки флотируют взвешенные частицы и продукты химических реакций между очищаемой жидкостью и реагентами. Обработанная жидкость через окно с жалюзи 30 поступает в боковой карман 31 и далее через открытую задвижку 21 по трубопроводу 32 на фильтр (на схеме условно не показан). Жалюзи препятствуют проникновению в боковой карман 31 флотационной пены. Флотационная пена накапливается на свободной поверхности жидкости во флоторазделителе 28. Через определенный промежуток времени по команде с блока управления 33 закрывается задвижка 21. Уровень жидкости во флоторазделителе 28 при это повысится, флотационная пена по лоткам для сбора пены 29 отводится на сторону. По истечении времени сброса флотационной пены по команде с блока управления 33 задвижка 21 открывается и подача обработанной жидкости на фильтр по трубопроводу 32 продолжается.

Предлагаемое техническое решение позволяет получить экономический эффект за счет высокого качества обработанной жидкости в напорном флотаторе, экономии реагентов и обработанной жидкости, расходуемой на промывку фильтра, так как в предлагаемом техническом решении фильтроцикл значительно увеличивается.

Пример осуществления способа
Требуется осуществить флотационную обработку природной воды с запахом и привкусом, с хлорфенольным запахом с суточной производительностью Q_сут. = 1000 м³.

Обработку воды будем проводить в напорном флотаторе, у которого флотореактор имеет конусообразную форму, а флоторазделитель - цилиндрическую.

Определим диаметр флоторазделителя из соотношения

где
D - диаметр флоторазделителя, м;
V - скорость движения обрабатываемой жидкости во флоторазделителе флотатора, м/с;
ν - кинематическая вязкость воды, м²/с, принятая нами равной 0,01·10^-4 м²/с;
R - гидравлический радиус флоторазделителя, м.

Решая уравнение, находим, что D≥6,41 м, а V≅0,000358 м/с. Принимаем окончательно D = 6,41 м; V = 0,358 мм/с.

Марка насоса, характеристика исходной воды, реагенты и основные результаты расчетов приведены в таблице.

В примере осуществлялась непрерывная подача реагентов. Однако, предлагаемое техническое решение позволяет также вводить реагенты в нужной последовательности поочередно. Время ввода реагентов при этом ничтожно мало по сравнению с временем обработки жидкости (см. п. 23 и 24).

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 785205, кл. C 02 F 1/24, 1980.

2. Николадзе Г. И. Технология очистки природных вод.- М.: Высшая школа, 1987, с. 480.

Формула изобретения

\ \ \1 1. Способ флотационной обработки жидкостей, включающий ввод очищаемой жидкости, ввод реагентов и смешение реагентов с обрабатываемой жидкостью, подачу жидкостно-воздушной смеси в реакционную зону флотатора, разделение очищенной жидкости и загрязнений во флоторазделителе, отвод очищенной жидкости и удаление флотационной пены, отличающийся тем, что ввод жидкостно-воздушной смеси производят в режиме противотока по отношению к вектору скорости обрабатываемой жидкости, обработку жидкости ведут в поле переменных скоростей ее движения, причем нижнее значение скорости определяется по формуле \\\6 \\\1 где V - скорость движения обрабатываемой жидкости во флоторазделителе флотатора, м/с; \\\4 кинематическая вязкость обрабатываемой жидкости, м²/с; \\\4 R - гидравлический радиус флоторазделителя, м, \\\1 а необходимые реагенты вводят в обрабатываемую жидкость в дозированном виде в зону ее максимальной скорости. \\\2 2. Устройство для флотационной обработки жидкостей, включающее узел ввода очищаемой жидкости, узел ввода реагентов, флотореактор, флоторазделитель, узел отвода очищенной жидкости, насос, эжектор, сатуратор, трубопровод для подачи жидкостно-воздушной смеси, боковой карман, лотки для сбора пены и блок управления, отличающееся тем, что флотореактор выполнен плавнорасширяющимся вверх с центральным отверстием в донной части, которое с внутренней стороны флотореактора снабжено шнекообразной лопастью, установленной соосно с центральным отверстием, с наружной стороны к центральному отверстию присоединен верхним концом цилиндрический патрубок, нижний конец цилиндрического патрубка с помощью диффузора соединен с коллектором, к которому с помощью трубопроводов с размещенными на них запорными клапанами присоединены бачки с реагентами, внутри коллектора коаксиально установлен напорный цилиндрический патрубок с соплом на верхнем конце, выходной канал трубопровода для подачи жидкости, насыщенной воздухом, соосно направлен на шнекообразную лопасть, в верхней части флоторазделителя выполнены окна с жалюзи, открытыми внутрь флоторазделителя сверху, соединяющими флоторазделитель с боковым карманом, а запорные клапаны соединены с блоком управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3