Способ обработки воды и водных растворов

 

Изобретение относится к способам обработки воды и водных растворов в процессах для одновременного нагрева, умягчения, обеззараживания и очистки от механических примесей в химической, пищевой, фармацевтической, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности, а также в жилищно-коммунальном хозяйстве и быту. Способ обработки воды и водных растворов включает корректировку рН многократным поочередным снижением давления высоконапорной жидкости при ее рециркуляции до величины, при которой происходит ее кавитация, с последующим повышением давления до величины, при которой кавитация прекращается, затем рециркулируемую жидкость предварительно нагревают, после чего часть высоконапорной жидкости отбирают на фильтрацию, из оставшегося рециркуляционного потока отбирают скавитированную жидкость с повышением давления, охлаждают, выдерживают до схлопывания кавитационных пузырьков и осаждения образовавшихся твердых примесей, после чего возвращают стабилизированную жидкость в рециркуляционный поток низкого давления. При этом повышение давления кавитирующей жидкости производят до атмосферного или выше атмосферного, а энергию снимаемого тепла при охлаждении потока используют как теплоноситель на бытовые или технологические нужды. Кавитацию осуществляют гидродинамическим или ультразвуковым способом, а схлопывание пузырьков кавитированной жидкости производят при ее охлаждении подпитываемым и(или) холодным потоком теплоносителя. Потоком жидкости, отбираемым на фильтрацию, осуществляют промывку отфильтрованных примесей. Осуществление способа позволяет снизить энергозатраты на обработку воды и водных растворов и расширить функциональные возможности за счет комплексной подготовки жидкости. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам обработки воды и водных растворов и может быть использовано в процессах для одновременного нагрева, умягчения, обеззараживания и очистки от механических примесей в химической, пищевой, фармацевтической, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности, а также в жилищно-коммунальном хозяйстве и быту, например, для нагрева метанольных растворов, выделения из них солей и примесей, для нагрева, фильтрации и обеззараживания воды в плавательных бассейнах, для нагрева, умягчения, фильтрации воды в быту и др.

Известен способ очистки воды (А.С. СССР №1756276, МКИ⁵ С 02 F 1/00), включающий перемешивание воды в течение 2-5 минут механической мешалкой с последующей корректировкой рН до величины, равной 8,0, путем обработки воды реагентами.

Недостатком этого технического решения является то, что после обработки воды данным способом необходимо дополнительно удалять нейтрализующий агент - известковое молоко, что приводит к дополнительным расходам и не обеспечивает экологичности способа. Кроме того, данный способ не обеспечивает высокой степени очистки воды от карбонатов, железа и марганца.

Наиболее близким к предлагаемому способу обработки является способ по патенту РФ №2104964, МКИ⁷ С 02 F 1/66 (прототип), в котором корректировка рН воды производится путем многократного поочередного снижения давления воды до величины, при которой происходит ее кавитация, с последующим повышением давления, при котором кавитация прекращается.

Преимуществом указанного способа является возможность повышения рН воды от 7 до величин порядка 9,0 без химических реагентов.

Недостатком данного способа являются значительные энергетические затраты на постоянное (многократное) повышение и снижение давления жидкости до начала ее кавитации, а также низкий диапазон функциональных возможностей, т.е. невозможность комплексной подготовки жидкости, например ее нагрев, отделение примесей, обеззараживание.

Изобретением решается задача расширения функциональных возможностей способа и снижения энергетических затрат на обработку воды и водных растворов на многократное поочередное снижение давления высоконапорной жидкости при ее рециркуляции до величины, при которой происходит ее кавитация, с последующим повышением давления до величины, при которой кавитация прекращается, для чего рециркулируемую жидкость предварительно нагревают, отбирают часть высоконапорной жидкости на фильтрацию, из оставшегося рециркуляционного потока отбирают скавитированную жидкость с повышением давления, после чего ее охлаждают и выдерживают до схлопывания кавитационных пузырьков и осаждения образовавшихся твердых примесей и возвращают стабилизированную жидкость в рециркуляционный поток низкого давления, а также тем, что повышение давления производят до атмосферного и выше, а энергию снимаемого тепла при охлаждении потока используют на бытовые или технологические нужды, а потоком, отбираемым на фильтрацию, осуществляют промывку отфильтрованных примесей в систему осаждения.

Отличием предлагаемого способа от прототипа является нагрев основного потока рециркулируемой жидкости и подача на фильтрацию и кавитацию предварительно нагретой жидкости, что значительно снижает энергетические затраты на ее рециркуляцию, фильтрацию и начало кавитации. Нагрев, например, воды от 20 до 90° С снижает ее вязкость в 3,175 раза (вязкость при 90° С равна 0,3165 вместо 1,005 сП при 20° С), при этом поверхностное натяжение снижается в 1,2 раза. Стабилизацию - схлопывание пузырьков скавитированной жидкости, т.е. процесс, обратный процессу кавитации (кипения), производят после или при ее охлаждении, что увеличивает ее вязкость и поверхностное натяжение, а следовательно, и выход тепловой энергии. Изменение вязкости водных растворов гликолей от повышения температуры еще более значительно по сравнению с водой, так вязкость 80% триэтиленгликоля при температуре 150° С составляет 1 сП, а при 10° С - 50 сП. Проведение процесса стабилизации при давлении выше давления кавитации (атмосферном или выше) также повышает эффективность процесса. Деление нагретого жидкостного потока с отбором части потока на фильтрацию позволило способ обработки воды и водных растворов выполнить многофункциональным: для повышения рН - умягчения жидкости, для обеззараживания ее, для нагрева, для отделения солей и примесей с тонкой фильтрацией.

Заявителю не известны способы обработки воды и водных растворов, в которых бы применялись вышеизложенные приемы.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, где изображена схема осуществления предлагаемого способа, которая содержит следующие линии:

- подачи горячего I и вывода охлажденного теплоносителя II,

- отбора тепла III и возврата охлажденной жидкости IV,

- сообщения с источником повышенного давления V (атмосферой или газом),

- подпитки жидкостью VI,

- отбора осадка VII,

- отбора нагретой и отфильтрованной жидкости VIII,

- отбора нагретой рециркуляционной жидкости IX и подачи части ее на фильтрацию и промывку - X,

- отбора кавитированной жидкости XI и стабилизированной жидкости XII,

- отбора жидкости повышенного давления XIII и промывочной жидкости XIV.

Способ осуществляется следующим образом.

Жидкость подают по линии подпитки VI в осадитель-стабилизатор 5, сообщенный по линии V с источником давления, превышающего давление кавитации (например, атмосфера или другая газовая система), заполняя все пространство осадителя-стабилизатора 5, включают насос 1 на рециркуляцию жидкости по линии IX, при этом за счет перепада давления происходит нагрев жидкости; для ускорения процесса нагрева и снижения вязкости, т.е. уменьшения поверхностного натяжения жидкости, ее дополнительно нагревают в теплообменнике 3 горячим теплоносителем - поток I.

После нагрева жидкости производят ее частичный отбор на кавитатор 4 и на фильтр 2. Нагретую и отфильтрованную жидкость подают потребителю по линии VIII, например, для бытовых нужд или для подпитки плавательного бассейна и др. Отфильтрованные примеси смывают горячим потоком XIV и направляют насосом 1 через теплообменник 3, кавитатор 4 в осадитель-стабилизатор 5, где скапливают в нижней части осадителя, а затем периодически удаляют по линии VII. Кавитацию жидкости производят в кавитаторе 4 при пониженном давлении, которое создают гидродинамическим путем в сопле Вентури или в центре закрученного жидкостного потока, после чего скавитированный поток отбирают, снижают его скорость для повышения давления, охлаждают, выдерживают для схлопывания кавитационных пузырьков и осаждения примесей, после чего возвращают на рециркуляцию насосом 1. Охлаждение потока кавитированной жидкости производят холодным потоком подпитки VI и потоком возврата охлажденной жидкости IV, съемом тепла окружающей средой или одним из перечисленных приемов.

Для повышения эффективности процесса кавитации она может быть усилена ультразвуком или электрическим плазменным разрядом. При схлопывании кавитационных пузырьков резко повышаются давление и температура, что одновременно приводит к гибели микроорганизмов, т.е. к обеззараживанию жидкости без применения химических реагентов, что необходимо для подготовки воды при закачке в пласт при добыче нефти, утилизации воды или подготовки воды плавательных бассейнов.

Пример.

Исходную жидкость, например воду с температурой 20° С, рН ≤ 7, подают в осадитель-стабилизатор 5, откуда забирают насосом 1, поднимают давление до 0,5 МПа, нагревают до 90° С путем рециркуляции и(или) подвода тепла от теплоносителя. При отсутствии теплоносителя производительность насоса 1 должна быть максимальной, при наличии теплоносителя производительность насоса 1 уменьшается. Нагретую жидкость подают на кавитатор 4, обеспечивая кавитацию жидкости. Скавитированную жидкость отбирают и подают в осадитель-стабилизатор 5, охлаждают, рН в процессе рециркуляции повышается до 8-8,5. При схлопывании кавитационных пузырьков температура в них поднимается до 10⁴° С, а давление до 10³ МПа, при этом находящиеся в кавитирующем потоке микроорганизмы погибают и выпадают соли, которые после осаждения выводятся с низа осадителя-стабилизатора 5.

Другую часть охлажденной жидкости с температурой 40° С из осадителя-стабилизатора 5 возвращают на прием насоса.

Часть нагретой жидкости высокого давления в 0,5 МПа отбирают для промывки, а оставшуюся часть подают на фильтрацию. Отфильтрованную жидкость направляют потребителю. Промывочную жидкость из фильтра 2 направляют в осадитель-стабилизатор 5, механические примеси с солями периодически дренируют с низа осадителя-стабилизатора 5.

Формула изобретения

1. Способ обработки воды и водных растворов, включающий корректировку рН многократным поочередным снижением давления высоконапорной жидкости при ее рециркуляции до величины, при которой происходит ее кавитация, с последующим повышением давления до величины, при которой кавитация прекращается, отличающийся тем, что рециркулируемую жидкость предварительно нагревают, после чего часть высоконапорной жидкости отбирают на фильтрацию, из оставшегося рециркуляционного потока отбирают скавитированную жидкость с повышением давления, охлаждают, выдерживают до схлопывания кавитационных пузырьков и осаждения образовавшихся твердых примесей, после чего возвращают стабилизированную жидкость в рециркуляционный поток низкого давления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что повышение давления кавитирующей жидкости производят до атмосферного или выше атмосферного, а энергию снимаемого тепла при охлаждении потока используют как теплоноситель на бытовые или технологические нужды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что кавитацию осуществляют гидродинамическим или ультразвуковым способом, а схлопывание пузырьков кавитированной жидкости производят при ее охлаждении подпитываемым и(или) холодным потоком теплоносителя.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что потоком жидкости, отбираемым на фильтрацию осуществляют промывку отфильтрованных примесей.

РИСУНКИ