Вихревой реактор для декарбонизации воды

 

Изобретение относится к области обработки воды, в частности к умягчению воды осаждением солей, осуществляемым кристаллизацией на поверхности кристаллов карбоната кальция. Реактор для декарбонизации воды состоит из размещенных одна над другой трех цилиндрических камер с последовательно увеличивающимся по высоте диаметром, соединенных усеченными конусами, - нижней камеры быстрого смешения с конусным основанием, средней камеры собственно кристаллизации карбоната кальция во взвешенном слое затравочного материала и верхней камеры стабилизации. Реактор оснащен тангенциальным патрубком ввода воды, патрубком ввода щелочного реагента, патрубком ввода затравочного материала в верхней части камеры стабилизации, патрубками вывода декарбонизированной воды из последней и вывода затравочного материала из конусного основания камеры быстрого смешения. Камера быстрого смешения снабжена конгруэнтной вставкой, оснащенной спиралевидной направляющей с увеличивающимся по высоте шагом, углом нарезки направляющей, равным 30-35°. Патрубки ввода исходной воды и щелочного реагента размещены в конусной части камеры смешения. Технический эффект - повышение эффективности кристаллизации карбоната кальция на затравочном материале. 1 ил.

Изобретение относится к области обработки воды, в частности к умягчению воды освящением солей кристаллизацией на поверхности кристаллов карбоната кальция, а более конкретно, к установкам для декарбонизации воды.

Известна установка для декарбонизации воды, состоящая из осветлителя, кондиционера, реактора обработки реагентом, ингибирующим осаждение солей, с последовательно установленным фильтром, концентратором перенасыщенного раствора до концентрации 5-80%, нейтрализатором эффекта ингибирования осаждения и устройством для осаждения кристаллизуемых солей (см. заявку PCT FR 96/01878, кл. C 02 F 1/52, фирмы DEGREMONT, заявл. 27.11.96 г., опубл. 19.06.97 г.).

Недостатком известной установки является сложность ее, обусловленная необходимостью оснащения установки осветлителем, кондиционером и реактором.

Известна установка для декарбонизации воды, состоящая из реактора приготовления щелочного реагента, смесителя для смешения с ним исходной воды, цилиндрической камеры кристаллизации для контактирования образующейся смеси с ранее сформированными гранулами затравочного материала CaCO₃ крупностью от 2-20 до 100 микрон в течение 2-60 секунд, обеспечивающего кристаллизацию карбоната кальция на поверхности частиц затравочного материала; при этом камера кристаллизации оснащена в нижней части специальным устройством для рассредоточенного ввода воды по сечению камеры и патрубком вывода загрузочного материала, а в верхней части - патрубком вывода декарбонизированной воды и патрубком ввода загрузочного материала. Установка дополнительно оснащена микрофильтром для отделения кристаллов карбоната кальция от декарбонизированной воды (см. патент Израиля N 5152904, заявл. 16.01.91 г., опубл. 06.10.92 г.).

Недостатком известной установки является сложность конструкции специального устройства для рассредоточенного ввода воды и смешения ее со щелочным реагентом и обусловленная этим высокая стоимость установки.

Известна установка для декарбонизации воды, состоящая из 3-х ступенчатого вихревого реактора, представляющего собой, размещенные одна над другой, три цилиндрические камеры с увеличивающимся по высоте диаметром, соединенные усеченными конусами: нижнюю камеру быстрого смешения с коническим основанием, оснащенную патрубком ввода воды, патрубками ввода реагента и вывода гранул затравочного материала, среднюю камеру собственно кристаллизации во взвешенном слое затравочного материала и верхнюю камеру стабилизации с патрубком вывода декарбонизированной воды. Установка оснащена последовательно установленными фильтрами для удаления из декарбонизированной воды истершихся частиц затравочного материала и полочным отстойником для окончательной очистки воды от взвеси (см. заявку PCT/EP 95/00956 от 15/03/95 г., патент DE 4408862.0 фирмы Passavant-Werke АО, заявл. 16.03.94 г., опубл. 21.09.95 г.).

Недостатком известной установки является относительно низкая степень кристаллизации карбоната кальция на загрузочном материале.

Известен вихревой реактор для декарбонизации воды, наиболее близкий по назначению и технической сущности к заявляемому, состоящий из размещенных одна над другой 3-х цилиндрических камер с последовательно увеличивающимся по высоте диаметром, соединенных усеченными конусами: нижней камеры быстрого смешения с конусным основанием, оснащенной тангенциальным патрубком ввода воды и щелочного реагента и патрубком вывода затравочного материала из конусного основания, средней камеры собственно кристаллизации во взвешенном слое затравочного материала, снабженной патрубком ввода затравочного материала, и верхней камеры стабилизации с патрубками вывода декарбонизированной воды и ввода затравочного материала (см. "Дегремон", Технические материалы по проблемам воды, Москва, Стройиздат, 1983 г., стр. 157-159).

Недостатком известного реактора является относительно низкая степень кристаллизации карбоната кальция на затравочном материале, обусловленная недостаточной интенсивностью смешения исходной воды со щелочным реагентом, осуществляемого в камере быстрого смешения с конусным основанием. Эффективность кристаллизации карбоната кальция на затравочном материале составляет 75-80%.

Техническим результатом предлагаемого вихревого реактора является повышение эффективности кристаллизации карбоната кальция на затравочном материале.

Технический результат достигается тем, что в вихревом реакторе для декарбонизации воды, состоящем из размещенных одна над другой 3-х цилиндрических камер с последовательно увеличивающимся по высоте диаметром, соединенных усеченными конусами, нижней камеры быстрого смешения с конусным основанием, средней камеры собственно кристаллизации карбоната кальция во взвешенном слое затравочного материала и верхней камеры стабилизации, и оснащенном тангенциальным патрубком ввода воды и патрубками ввода щелочного реагента, ввода затравочного материала в верхней части камеры стабилизации, вывода декарбонизированной воды из последней и вывода затравочного материала из конусного основания камеры быстрого смешения, камера смешения снабжена конгруэнтной вставкой, оснащенной спиралевидной направляющей с увеличивающимся по высоте шагом и углом нарезки, составляющим 30^o, а патрубки ввода исходной воды и щелочного реагента подсоединены к конусному основанию камеры быстрого смешения.

На чертеже представлен вихревой реактор для декарбонизации воды.

Вихревой реактор для декарбонизации воды состоит из 3-х размещенных одна над другой цилиндрических камер 1, 2, 3 с последовательно увеличивающимся диаметром, соединенных усеченными конусами 4 и 5, нижней камеры быстрого смешения 1 с конусным основанием 6, оснащенным тангенциальным патрубком ввода исходной воды 7 и патрубками ввода щелочного реагента 8 и вывода истершихся гранул затравочного материала 9; камера быстрого смешения 1 снабжена конгруэнтной вставкой 10, оснащенной спиралевидной направляющей 11, с увеличивающимся по высоте шагом и углом нарезки 12 - 30-35^o. Конгруэнтная вставка 10 прикреплена к камере быстрого смешения 1 с помощью фланца 13. Средняя камера собственно кристаллизации 2 со слоем затравочного материала и верхняя камера стабилизации 3 снабжена патрубком для ввода гранул затравочного материала 14 и патрубком вывода декарбонизированной воды 15.

Вихревой реактор для декарбонизации воды работает следующим образом.

Исходную воду с содержанием кальциевой карбонатной жесткости 5,0 мг-экв/л подают через тангенциальный патрубок 7 конусного основания 6 нижней камеры быстрого смешения 1 вихревого реактора со скоростью потока на входе 1 м/с, туда же через патрубок 8 подают в необходимом количестве щелочной реагент - известковый раствор, Ca(OH)₂. Расположение патрубков 7 и 8 в конусной части 6 камеры быстрого смешения 1 обеспечивает создание максимальной скорости потока, которая по мере движения воды по спиралевидной направляющей 11, будет уменьшаться. Кроме того, вышеуказанное расположение патрубков 7 и 8 конструктивно оправдано, так как оно не мешает сформированию потока.

Наличие конгруэнтной вставки 10, оснащенной спиралевидной направляющей 11 с увеличивающимся по высоте шагом и углом нарезки 12 - 30-35^o обеспечивает повышенную интенсивность смешения потоков в камере быстрого смешения 1. В результате контактирования образующейся смеси с частицами затравочного материала, подаваемого через патрубок 14 камеры стабилизации 3, и образующими взвешенный слой в камере собственно кристаллизации 2, происходит осаждение ионов кальция в виде их карбонатов и кристаллизация этих соединений на развитой поверхности частиц затравочного материала.

Наиболее интенсивно процесс декарбонизации идет в нижней, первой по ходу движения воды, зоне взвешенного слоя, т.к. частицы взвешенного материала превращаются здесь в гладкие, сферические гранулы, состоящие в основном из карбоната кальция, что свидетельствует о полноте протекания процесса кристаллизации.

Завершение процесса кристаллизации происходит в 3-ей верхней камере стабилизации, где также происходит снижение скорости движения потоков воды до величин, не допускающих выноса затравочного материала из камеры. Декарбонизированная вода с жесткостью 0,6-0,8 мг-экв/л удаляется через патрубок 15 в верхней части камеры стабилизации 3, а часть отработанных (истершихся, устаревших) гранул затравочного материала периодически выводится из реактора через патрубок 9.

Только совокупность таких признаков, как оснащение нижней камеры смешения 1 конгруэнтной вставкой 10, наличие в ней спиралевидной направляющей 11 с увеличивающимся по ее высоте шагом и углом нарезки 12 - 30-35^o обеспечивает интенсивность смешения потоков, характеризующуюся величиной критерия Пекле, равной 2,4, и эффективность кристаллизации карбоната кальция на затравочном материале - песке - 90-95%.

Применение конгруэнтной вставки со спиралевидной направляющей с равным по высоте шагом и углом нарезки 30^o обеспечивает величину критерия Пекле, равную 2,3, что приближает данную камеру смешения к идеальной модели смешения. Однако, при этом эффективность кристаллизации карбоната кальция на частицах затравочного материала в вихревом реакторе снижается до 70-75% в силу высоких скоростей закручивания потоков воды на выходе из нижней камеры смешения и на входе в среднюю камеру собственно кристаллизации карбоната кальция, где высокая интенсивность смешения потоков только ухудшает процесс кристаллизации карбоната кальция.

Применение конгруэнтной вставки со спиралевидной направляющей с увеличивающимся по высоте шагом и углом нарезки больше или меньше 30^o обеспечивает меньшую интенсивность смешения - величина критерия Пекле, равна 3 - 2,5 соответственно.

Эффективность кристаллизации карбоната кальция при этом увеличивается незначительно и составляет 75-85% соответственно. Это объясняется тем, что углы нарезки спиралевидной направляющей (<30) приводит к образованию застойных зон песка на "полках" спиралевидной направляющей. Большие углы нарезки (>35^o) не обеспечивают необходимого закручивания потока и соответственно степени смешения исходной воды со щелочным реагентом.

Приведенные данные свидетельствуют об оптимальности выбранных величин угла нарезки спиралевидной направляющей конгруэнтной вставки и необходимости нарезки спиралевидной направляющей с увеличивающимся по высоте шагом.

Предложенный вихревой реактор по сравнению с известным обеспечивает повышение эффективности кристаллизации карбоната кальция на затравочном материале с 75-80% до 90-95% при интенсивности смешения потоков, характеризующейся величиной критерия Пекле, равным 2,4.

Формула изобретения

Вихревой реактор для декарбонизации воды, состоящий из размещенных одна над другой трех цилиндрических камер с последовательно увеличивающимся по высоте диаметром, соединенных усеченными конусами, - нижней камеры быстрого смешения с конусным основанием, средней камеры собственно кристаллизации карбоната кальция во взвешенном слое затравочного материала и верхней камеры стабилизации, и оснащенный тангенциальным патрубком ввода воды, патрубком ввода щелочного реагента, патрубком ввода затравочного материала в верхней части камеры стабилизации, патрубками вывода декарбонизированной воды из последней и вывода затравочного материала из конусного основания камеры быстрого смешения, отличающийся тем, что камера быстрого смешения снабжена конгруэнтной вставкой, оснащенной спиралевидной направляющей с увеличивающимся по высоте шагом, углом нарезки направляющей, равным 30 - 35^o, при этом патрубки ввода исходной воды и щелочного реагента размещены в конусной части камеры смешения.

РИСУНКИ

Рисунок 1