СПОСОБ И КОМПЛЕКС ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ ОТ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ
METHOD AND COMPLEX FOR LIQUID PURIFICATION FROM FERROMAGNETIC PARTICLES

Изобретение относится к очистке жидкостей на предприятиях металлургии и металлообрабатывающей промышленности.
Известен способ очистки жидкости фильтрованием по заявке 2003123592 RU, опубликованной 27.01.2005. Жидкость смешивают с мелкодисперсными частицами замутнителя и с реагентами, пропускают снизу вверх через слой осадка. Избыток осадка, включающего мелкодисперсные ферромагнитные частицы, удаляют, уплотняют, из него извлекают ферромагнитные частицы и возвращают их на стадию смешения с очищаемой жидкостью. В этом способе ферромагнитные частицы выполняют роль вспомогательного материала для равномерного перемешивания жидкости и создания наносного фильтровального слоя. Для целей очистки роль ферромагнитных частиц аналогична любому зернистому наполнителю. Как вспомогательный материал эти частицы удорожают процесс очистки и недостаточно влияют на производительность и степень очистки жидкости.
Известен способ очистки по патенту РФ №2078617, опубл. 10.05.1997.
Согласно известному способу очистки отходов после обработки ферромагнитных материалов осуществляется многостадийная очистка жидкости с использованием промывочных растворов на каждой стадии, включающая раздельную обработку части отходов, содержащих ферромагнитный шлам. Отходы шлифования перемешивают с промывочным раствором в резервуаре (13) и дополнительно измельчают. В конце процесса перемешивания у стенок резервуара создают магнитное поле и тем самым извлекают из смеси ферромагнитные частицы, а промывочный раствор отводится. Аналогичный процесс выполняется после перекачивания ферромагнитных частиц в резервуарах (21) и (42). Отделение ферромагнитных частиц осуществляют порциями на ленточном фильтре, работающем под давлением.
Способ очистки отходов по патенту 2078617 имеет недостаточную производительность в связи с осуществлением циклического процесса над продуктом, загружаемым частями, порционно, а не на непрерывном потоке. А необходимая степень очистки достигается многостадийностью обработки. Устройство, реализующее способ, включает большое количество единиц оборудования для обеспечения многостадийности обработки, разветвленную сеть трубопроводов, все в целом приводит к большим капитальным и эксплуатационным затратам.
Прототипом в отношении способа очистки является способ очистки посредством магнитного сепаратора по патенту РФ 2207912, В03С 1/00. В режиме сепарации осуществляется очистка потока жидкости. Совокупность вертикальных цилиндрических магнитных патронов, скрепленных с верхней платформой (траверса 8) и поштучно охваченных манжетами шламосъемника, погружают в очищаемую жидкость поперек потока. В этом положении происходит активное осаждение магнитного шлама на патронах. Для удаления шлама осуществляют подъем обеих платформ (траверсы 8 и 9) посредством приводной нижней платформы, с которой скреплен шламосъемник. Затем осуществляют спуск нижней платформы и сброс манжетами шламосъемника ферромагнитного шлама на подводимый конвейер, последовательно взаимодействующий с конвейером стационарным. Для перехода к следующему циклу очистки нижнюю платформу (траверсу 9) поднимают, отводят подводимый приводной конвейер и опускают обе платформы вниз с погружением магнитных патронов в поток жидкости. Однако не исчерпаны все возможности способа в части удешевления процесса очистки путем снижения затрат на изготовление оборудования, участвующего в процессе, на 1 единицу расхода очищенной жидкости.
Наиболее близким заявляемому комплексу по технической сущности является магнитный сепаратор по заявке РФ 2006118434, опубл. 2006.09.10. Сепаратор содержит емкость с подводящим и отводящим патрубками для размещения очищаемой технологической жидкости. Верхняя платформа и нижняя приводная установлены с возможностью вертикального перемещения относительно емкости. Вертикальные цилиндрические магнитные патроны сгруппированы в виде кассет и установлены головной частью с зазором в отверстиях плиты, принадлежащей верхней платформе. С нижней платформой скреплен шламосъемник. Манжеты шламосъемника охватывают каждый магнитный патрон и при опускании шламосъемника сбрасывают шлам с патронов на конвейер. Средство периодической фиксации верхней платформы в верхнем положении выполнено в виде балок платформы, ориентированных на верхние грани подводимого конвейера в режиме очистки патронов. Подводимые приводные конвейеры обеспечивают вывод шлама за пределы емкости в общий конвейер транспортировки ферромагнитного шлама на переработку. Приводы магнитного сепаратора выполнены в виде электродвигателей.
Известный кассетный магнитный сепаратор обеспечивает высокую производительность. Однако не исчерпаны все его возможности повышений степени очистки с одновременным значительным снижением капитальных затрат на изготовление сепаратора и его эксплуатацию в экономном режиме.
Технической задачей изобретения является снижение себестоимости магнитного сепаратора с одновременным увеличением степени и тонкости очистки.
Поставленная задача решена заявляемым изобретением.
Заявляется:
Способ очистки жидкости от ферромагнитных частиц, при котором осуществляют очистку потока жидкости в емкости посредством вертикальных цилиндрических магнитных патронов, скрепленных с верхней платформой и охваченных манжетами шламосъемника, укрепленного на нижней приводной платформе; погружают патроны в очищаемую жидкость поперек потока; периодически осуществляют подъем патронов посредством приводной нижней платформы с обеспечением подъема обеих платформ, осуществляют спуск нижней платформы и сброс манжетами шламосъемника ферромагнитного шлама на подводимый приводной конвейер, посредством которого осуществляют вывод шлама за пределы емкости в общий конвейер транспортировки ферромагнитного шлама; после сброса шлама отводят подводимый приводной конвейер и возобновляют процесс очистки путем погружения магнитных патронов в поток жидкости. В отличие от прототипа после очистки патронов шлам, отводимый в общий конвейер посредством подводимого приводного конвейера, разделяют на две части. Одну часть шлама выводят за пределы комплекса; другую часть шлама направляют в смеситель, снабженный измельчителем, осуществляют измельчение шламовых агрегатов на отдельные частицы и его смешивание с жидкостью с обеспечением возможности перемещения шламового концентрата насосом в зону подачи очищаемой жидкости в емкость. Контроль выхода процесса очистки на рабочий режим осуществляют по достижению заданной концентрации шламовых частиц в очищенной жидкости (например, не более 20 мг/л).
Заявляется комплекс очистки жидкости от ферромагнитных частиц на основе использования кассетного патронного магнитного сепаратора, включающего емкость, с подводящим и отводящим патрубками для размещения очищаемой жидкости; вертикальные цилиндрические магнитные патроны, сгруппированные в виде кассет и установленные головной частью с зазором в отверстиях плиты, принадлежащей верхней платформе; шламосъемник в виде совокупности манжет, совмещенных с патронами, скрепленный с нижней приводной платформой, взаимодействующей с верхней платформой с обеспечением периодического вертикального перемещения относительно емкости; средство периодической фиксации верхней платформы в верхнем положении в виде балок платформы, ориентированных на верхние грани подводимого приводного конвейера в режиме очистки патронов; общий конвейер транспортировки ферромагнитного шлама, взаимодействующий с подводимым приводным конвейером, отличающийся тем, что в секциях емкости, разделенных перегородками, размещают один и более кассетных патронных магнитных сепараторов; подводимый приводной конвейер для одной и более кассет магнитного сепаратора взаимодействует с конвейером транспортировки ферромагнитного шлама с обеспечением вывода одной части шлама за пределы комплекса и с обеспечением вывода другой части шлама в смеситель, снабженный измельчителем и входным патрубком регулируемой подачи жидкости, а выходной патрубок смесителя соединен с насосом подачи шламового концентрата в зону подачи очищаемой жидкости в емкость или секции емкости.
Для обеспечения раздельного вывода двух частей шлама по назначению общий конвейер выполнен с обеспечением разделенного по времени, периодического вывода одной части шлама за пределы комплекса, а затем другой части шлама - в смеситель.
Для обеспечения раздельного вывода двух частей шлама по назначению из емкости, разделенной перегородками, в которой размещены два и более кассетных патронных магнитных сепараторов, конвейер выполнен с обеспечением вывода одной части шлама за пределы комплекса, а дополнительный конвейер выполнен с обеспечением вывода другой части шлама в смеситель, при этом каждый конвейер взаимодействует с подводимыми приводными конвейерами разных патронных магнитных сепараторов.
Приводы магнитного сепаратора выполнены в виде электроприводов.
На фиг.1 представлен кассетный патронный магнитный сепаратор, используемый в комплексе. На фиг.2, 3 показаны схемы комплекса очистки жидкости. На фиг.4-6 представлены графики зависимостей, показывающих возможность осуществления способа с обеспечением заявленного технического результата.
Кассетный патронный магнитный сепаратор (фиг.1) состоит из следующих основных узлов.
Вертикальные цилиндрические магнитные патроны 1 установлены головной частью с зазором в отверстиях плиты, жестко скрепленной с верхней платформой 2 разъемным резьбовым соединением, что позволяет при необходимости производить быструю замену плиты с патронами без заметного влияния на процесс очистки. Шламосъемник в виде совокупности манжет скреплен с нижней приводной платформой 3, имеющей привод 4. Съемную кассету представляет собой плита с патронами в сборе с манжетами, охватывающими каждый патрон. Нижняя приводная платформа 3 обеспечивает перемещение обеих платформ по вертикальным направляющим. Под патронами расположена емкость 5, снабженная подводящими и отводящими патрубками (не показаны). Средство периодической фиксации верхней платформы в верхнем положении выполнено в виде балок 6 платформы 2, ориентированных на верхние грани подводимого приводного конвейера 7 в режиме очистки патронов при верхнем положении платформы 2. Подводимый конвейер 7 посредством привода 8 выводит шлам из зоны сепарации в общий конвейер 9 транспортировки ферромагнитного шлама по назначению.
Структура заявляемого комплекса (фиг.2) включает следующие узлы.
В секциях емкости 5, разделенных перегородками 10, размещают один, два и более патронных магнитных сепараторов. Число секций в емкости определяется количеством используемых магнитных сепараторов, и при использовании одного сепаратора в емкости - одна секция. При этом условии в зону магнитной очистки поступает исходная жидкость с одинаковой концентрацией ферромагнитного шлама. На фигуре 2 показаны четыре магнитных сепаратора 11-14 и подводимые конвейеры для каждого сепаратора 15-18. Конвейер 18 взаимодействует с конвейером 9, который транспортирует шлам за пределы комплекса. Конвейеры 15-17 взаимодействуют с дополнительным конвейером 19, который обеспечивает перемещение и загрузку ферромагнитного шлама в смеситель 20, снабженный измельчителем 21. Входной патрубок смесителя соединен с трубопроводом 22 подачи очищенной жидкости с регулировкой расхода, например с помощью вентиля 23. Жидкость в смеситель подают в таком объеме, чтобы можно было осуществить транспортировку концентрированной смеси насосом. Выходной патрубок смесителя 20 соединен с насосом 24 подачи шламового концентрата в зону подачи очищаемой жидкости в емкость 5 с одной секцией или в каждую секцию емкости на магнитную сепарацию. 25 - трубопроводы подвода неочищенной жидкости, 26 - трубопроводы отвода очищенной жидкости. Приводы конвейеров, смесителя, измельчителя, насоса, платформ шламосъемников выполнены в виде электроприводов (не показаны).
Организация разделения выделенного ферромагнитного шлама на две части и их раздельное транспортирование по своему назначению конструктивно может иметь разное исполнение.
На фиг.2 представлена схема комплекса с использованием двух конвейеров 9 и 19. Такая схема возможна при эксплуатации двух и более патронных магнитных сепараторов, у которых подводимые приводные конвейеры 15-18 обеспечивают разделение снятого с патронов шлама на две и более частей.
На фиг.3 представлена схема комплекса с временным разделением шлама на части. Для обеспечения раздельного вывода двух частей шлама по назначению общий конвейер 9 выполнен с обеспечением периодического вывода одной части шлама в смеситель 20, а затем другой части шлама - за пределы комплекса, например, путем периодической смены направления движения конвейера 9.
Для оперативного перераспределения частей шлама после сепарации на вывоз и для возврата через смеситель к началу процесса конвейер 9 и дополнительный конвейер 19 могут быть установлены с возможностью перемещения вдоль емкости, с тем чтобы конвейеры могли взаимодействовать с определенным числом подводимых конвейеров 15-18. Такая схема на чертежах не представлена, но она может быть осуществлена в соответствии с заявленным комплексом.
Эффективность проектирования и функционирования комплекса основана на практических и научных исследованиях и имеет в своей основе математическое описание.
исх
ост
На фиг.4-6 показаны зависимости как результат исследования кассетных патронных магнитных сепараторов. Показано, что при увеличении концентрации С шламовых частиц в исходной жидкости (на подводящих патрубках в секциях емкости) наблюдается пропорциональное увеличение степени очистки Е или количества извлеченного магнитного шлама, но также увеличение остаточной концентрации шлама в очищенной жидкости С (см. зона А на фиг.5) на 1 единицу производительности или при заданной скорости потока жидкости V в сечении между патронами.
Важнейшими характеристиками магнитного сепаратора являются степень очистки Е, допустима ≥80%, а также его производительность, которые однозначно определяют капитальные вложения К на изготовление патронного магнитного сепаратора. Очевидно, что увеличение производительности до требуемого значения не может быть достигнуто путем увеличения скорости потока на конкретном магнитном сепараторе.
На фиг.6 представлена зависимость степени очистки Е от скорости потока V жидкости, в которой находятся магнитные патроны. При увеличении скорости потока (производительности) степень очистки резко падает. До настоящего времени обеспечение степени очистки 80% и обеспечение необходимой производительности достигалось либо увеличением количества магнитных сепараторов, либо разработкой и созданием установки большей сложности. Любой из этих двух путей решения вопроса приводит к увеличению капитальных вложений приблизительно в таком соотношении: увеличение степени очистки на 5% увеличивает капитальные затраты в 2 и более раз.
ост
исх
исх
исх
ост
ост
4
Исследования кассетных патронных магнитных сепараторов позволили получить новые представления о физике процесса очистки. На фиг.5 показано, что для данного магнитного сепаратора при заданной производительности (V=const) остаточная концентрация шламовых частиц Сизменяется пропорционально исходной концентрации жидкости С, а после некоторого насыщения С зависимость меняет знак, и с увеличением С снижается остаточная концентрация шлама С в жидкости. Причем точка перегиба соответствует остаточной концентрации, превышающей максимально допустимую, например 20 мг/л. Снижение С в пределах 20 мг/л ранее достигалось многостадийностью очистки. Зависимость на фиг.5 показывает, что при использовании конкретного магнитного сепаратора при заданной производительности обеспечивается снижение остаточной концентрации ферромагнитного шлама в очищенной жидкости при условии обеспечения исходной концентрации С и более (до насыщения в нижней точке) - см. зона В на фиг.5. Или как следствие: в пределах допустимой степени очистки с использованием конкретного магнитного сепаратора можно существенно изменить производительность очистки без увеличения капитальных затрат.
исх4
исх3
исх2
исх1
исх
4
3
2
1
80
Вместе с тем, ограничения в выборе скорости потока существуют. На фиг.6 показаны зависимости между степенью очистки и скоростью потока V для разных значений исходной концентрации шлама в жидкости, где С>С>C>С. Соответствующие показателям С V>V>V>V обеспечивают требуемую степень очистки, например E=80% на одном конкретном патронном магнитном сепараторе.
Изложенное является предпосылкой проектирования заявляемого комплекса и техники очистки.
С помощью комплекса, показанного на фиг.2, очистка жидкости от ферромагнитных частиц осуществляется следующим образом.
исх
Первоначально в секции емкости поступает жидкость с исходной концентрацией шлама, например С=100 мг/л. Приводные подводимые конвейеры 15-17 периодически сбрасывают ферромагнитный шлам в конвейер 19 в виде комков осадка. Часть шлама выводится из процесса конвейерами 18 и 9. Конвейером 19 шлам направляют в измельчитель 21. Измельченный шлам смешивают с очищенной жидкостью, частично отводимой из трубопровода 26. Жидкость в смеситель подают в таком объеме, чтобы можно было осуществить транспортировку концентрированной смеси насосом. Регулировку расхода осуществляют, например, с помощью вентиля 23. Насос 24 подает шламовый концентрат в зону подачи очищаемой жидкости в емкость 5 с одной секцией или в каждую секцию емкости на магнитную сепарацию.
исх
ост
исх
При увеличении С вначале возрастает величина остаточной концентрации С шлама в очищенной жидкости от 20 мг/л и более и увеличивается масса извлеченного шлама сепараторами 11-14, принимая, к примеру, неизменной скорость потока жидкости. Через 5-6 циклов возврата шлама С увеличивается примерно в 4 раза до 400 мг/л, но при этом остаточная концентрация в очищенной жидкости снижается до 7-10 мг/л, а степень очистки повышается до 90-93%.
4
исх1
исх
исх4
Аналогичный процесс приближения к требуемому режиму сепарации через несколько циклов выгрузки шлама осуществляется на таком же сепараторе с первоначальным выбором большой скорости потока, соответствующей высокой производительности магнитного сепаратора. Принимая во внимание зависимость на фиг.6, например, при скорости V и С первоначальная степень очистки составит 20-30%. Дальнейшее увеличение С до Сприводит к заданному режиму высокой производительности и степени очистки Е не менее 80%. При этом создается существенная экономия на разработку и эксплуатацию комплекса.
С помощью комплекса, показанного на фиг.3, разделение ферромагнитного шлама на два потока - в смеситель и на переработку за пределы комплекса - осуществляется одним конвейером 9 путем периодической смены направления его движения. Функционирование конвейеров 9 и 19 не требует синхронизации с циклической работой очистки магнитных патронов.
Деление всей массы извлеченного из жидкости шлама на две части а) для возврата к началу процесса и б) для выведения из процесса очистки может быть выполнено опытным путем и на основе математического расчета. В емкости могут быть установлены более 2-х сепараторов. В этом случае более дифференцированный поток извлеченного шлама позволит с большей точностью найти оптимальные приемы выхода на режим работы по требуемым производительности и степени очистки ферромагнитного шлама. Опыт проектирования патронных магнитных сепараторов показал возможность реализации, например, комплексов сепараторов с допустимой степенью очистки Е=80% от частиц размером 1-3 мкм и производительностью 2000 куб.м/ч с экономией капитальных вложений в 4,5 раза.