Устройство для флотационной очистки жидких сред
DEVICE FOR FLOTATION TREATMENT OF LIQUID MEDIA

Изобретение относится к устройствам для флотационной очистки промышленных и бытовых жидких сред от органических примесей, преимущественно для очистки пластовых водонефтяных эмульсий, нефтешламов, химических и нефтехимических сточных вод.
Известно устройство для очистки нефтесодержащих и сточных вод (Патент РФ №2394773, МПК C02F 1/40 (2006.01). Устройство для очистки нефтесодержащих и сточных вод. Опубл. 20.07.2010, Бюл. №20). Устройство содержит емкость, разделенную на накопительную и флотационную зоны. Во флотационной зоне размещен кожух, сообщенный с источником сжатого воздуха и хранилищем очищаемой жидкой среды. Накопительная зона сообщена с герметичным вакуумируемым баком, снабженным нагревателем. Емкость и бак снабжены средствами отвода сфлотированного материала и емкостями для его сбора. Кожух емкости выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси, а его конец выполнен конфузорным. Подводящая труба размещена в полости дополнительного кожуха, ее нижний участок заключен в рубашку.
Недостатком известного технического решения является относительно высокое время адсорбции воздухом органических примесей из-за малой площади контакта пузырьков воздуха с очищаемой жидкой средой, обусловленной наличием относительно большой доли крупнодисперсных пузырьков воздуха.
Наиболее близким к заявляемому техническим решением является установка для флотационной очистки воды (Патент РФ №2297978, МПК C02F 1/24 Установка для флотационной очистки воды. Опубл. 27.04.2007). Установка содержит прямоугольный в плане корпус с размещенной внутри распределительной системой перфорированных трубопроводов для ввода водовоздушной смеси, узел вывода очищенной воды с приемным карманом, механизм для удаления пены с пеносборником и патрубком для удаления пены, устройство для насыщения исходной воды пузырьками воздуха, состоящее из насоса и водовоздушных эжекторов. Установка снабжена приемной емкостью для стабилизации расхода поступающей в водовоздушные эжекторы воды, сообщенной с входным патрубком насоса и через обратный клапан - с корпусом установки.
Недостатком известного технического решения является относительно высокое время адсорбции воздухом органических примесей из жидкой среды из-за малой площади контакта пузырьков воздуха с очищаемой жидкой средой, обусловленной наличием относительно большой доли крупнодисперсных пузырьков воздуха (диаметром более 100 мкм), приводящая к увеличению времени очистки жидкой среды.
Задачей заявляемого технического решения является снижение времени адсорбции воздухом органических примесей из жидкой среды.
Сокращение времени адсорбции воздухом органических примесей в жидкой среде непосредственно связано с временем очистки жидкой среды от органических примесей.
Технический результат изобретения - сокращение времени очистки жидкой среды от органических примесей.
Для решения поставленной задачи в устройстве для флотационной очистки жидких сред, включающем корпус, входной трубопровод, приспособление для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду, пеносборник и выходной трубопровод, предлагается:
- на выходе входного трубопровода внутри корпуса ниже уровня жидкой среды разместить генератор пузырьков воздуха, состоящий из форсунки, установленной на выходном конце трубопровода ввода очищаемой жидкой среды соосно с ним, и пластины, расположенной под форсункой и закрепленной перпендикулярно продольной оси форсунки;
- поверхность пластины, ориентированную по направлению к форсунке, выполнить шероховатой;
- на шероховатой поверхности пластины соосно с форсункой установить рассекатель потока в виде осесимметричной геометрической фигуры, вершина которой направлена к форсунке и диаметр поперечного сечения которой увеличивается в направлении от форсунки к пластине;
- диаметр проходного сечения форсунки определять согласно условию с учетом массового расхода жидкой среды, плотности жидкой среды и эмпирического коэффициента.
В частных случаях реализации устройства предлагается:
- шероховатость поверхности пластины обеспечить путем наложения и фиксации сетки с ячейкой от 0,05 до 5 мм на поверхности пластины;
- шероховатость поверхности пластины создать механическим способом, обеспечив высоту выступов от 0,1 до 5,0 мм;
- пластину с шероховатой поверхностью снабдить приспособлением для крепления ее к подающему трубопроводу с возможностью регулируемого перемещения пластины вдоль продольной оси трубопровода и фиксации пластины относительно форсунки;
- боковую поверхность рассекателя потока выполнить вогнутой.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 - продольное осевое сечение устройства для флотационной очистки жидкой среды; на фиг. 2 - продольное осевое сечение генератора пузырьков воздуха.
На чертежах приняты следующие позиционные обозначения: 1 - входной трубопровод; 2 - выходной трубопровод; 3 - корпус; 4 - пеносборник; 5 - пластина; 6 - приспособление для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду; 7 - приспособление для крепления пластины к подающему трубопроводу; 8 - рассекатель потока; 9 - сетка; 10 - форсунка.
Устройство для флотационной очистки жидких сред включает входной трубопровод 1, выходной трубопровод 2, корпус 3, пеносборник 4, пластину 5, приспособление 6 для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду, генератор пузырьков воздуха, состоящий из пластины 5, рассекателя потока 8 и форсунки 10. В частных случаях исполнения генератора пузырьков воздуха используют приспособление 7 для крепления пластины к подающему трубопроводу и сетку 9.
Входной 1 и выходной 2 трубопроводы прикреплены к корпусу 1.
Приспособление 6 для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду размещено на входном трубопроводе 1.
Пеносборник 4 расположен в корпусе 3 на поверхности очищаемой жидкой среды.
В частном случае пеносборник 4 выполнен из гранул спеченного сверхвысокомолекулярного полиэтилена, адсорбирующем всплывшие на поверхность жидкой среды органические примеси.
Выходной трубопровод 2 расположен ниже уровня очищаемой жидкой среды с целью обеспечения гарантированного отвода очищенной жидкой среды без захвата всплывших органических примесей.
На выходе входного трубопровода 1 внутри корпуса 3 размещен генератор пузырьков воздуха.
Форсунка 10 установлена на выходном конце входного трубопровода 1 соосно с ним.
Пластина 5 расположена под форсункой 10 и закреплена перпендикулярно продольной оси форсунки. Поверхность пластины 5, ориентированная по направлению к форсунке 10, выполнена шероховатой.
В частном случае шероховатость поверхности пластины 5 выполняют путем наложения и фиксации сетки 9 с ячейкой от 0,05 до 5,0 мм и толщиной от 0,1 до 10,0 мм на поверхности пластины 5 или механическим способом, обеспечивающим высоту выступов шероховатостей от 0,1 до 5,0 мм.
В частном случае пластина 5 снабжена приспособлением 7 для ее крепления к входному трубопроводу 1 с возможностью регулируемого перемещения вдоль продольной оси входного трубопровода 1 и фиксации положения пластины 5 относительно форсунки 10.
На шероховатой поверхности пластины 5 соосно с форсункой установлен рассекатель потока 8 в виде осесимметричной геометрической фигуры, вершина которой направлена к форсунке и диаметр поперечного сечения которой увеличивается в направлении от форсунки к пластине. Данное решение позволяет обеспечить оптимальное распределение профиля скорости потока жидкой среды вдоль поверхности пластины 5.
В частном случае боковая поверхность рассекателя потока 8 выполнена вогнутой. Диаметр проходного сечения форсунки выбирают из условия:
3
где d - диаметр проходного сечения форсунки, м; G - массовый расход жидкой среды, кг/ч; ρ - плотность жидкой среды, кг/м; 0,55 - эмпирический коэффициент с размерностью, м/ч.
Для определения значения эмпирического коэффициента были проведены испытания на форсунках 10 с входным диаметром, равным диаметру входного трубопровода 1 15 мм, и проходными диаметрами, равными 5, 6, 7, 8 и 9 мм. Для данных форсунок были определены времена адсорбции и удаления органических примесей. По результатам проведенных экспериментов было выявлено, что значение эмпирического коэффициента для определения диаметра проходного диаметра форсунки должно составлять не менее 0,55 м/ч.
Устройство для флотационной очистки жидких сред работает следующим образом.
В процессе флотационной очистки в поток жидкой среды с помощью приспособления 6 для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду вводят воздух, который при движении по входному трубопроводу 1 равномерно перемешивается в объеме очищаемой жидкой среды, образуя смесь воздуха и жидкой среды. Образующаяся водовоздушная смесь через форсунку 10 направляется на рассекатель 8 потока, который перенаправляет его вдоль шероховатой поверхности пластины 5. На выступах шероховатостей пластины 5 за счет высокой продольной скорости происходит турбулизация потока смеси воздуха и жидкой среды и кавитационное дробление большей части крупнодисперсных пузырьков воздуха на мелкодисперсную фракцию. Экспериментально определено, что для выполнения условия турбулизации и кавитационного дробления крупнодисперсных пузырьков воздуха на мелкодисперсную фракцию необходимо выполнение условия (1).
При выполнении условия (1) в системе устанавливается устойчивое равновесие между крупнодисперсными и мелкодисперсными пузырьками воздуха. При этом часть органических примесей адсорбируются на оставшихся крупнодисперсных пузырьках воздуха и всплывают с ними в начальный момент времени. Мелкодисперсные пузырьки воздуха остаются в объеме очищаемой жидкой среды значительное количество времени, в течение которого происходит коагуляция пузырьков воздуха, адсорбция органических примесей на их поверхности и всплытие скоагулированных пузырьков воздуха с адсорбированными органическими примесями к поверхности очищаемой жидкости. При этом в выходном трубопроводе 2 отсутствуют пузырьки воздуха, а органические примеси удалены до требуемых норм. Всплывшие на поверхность органические примеси удаляются с поверхности с помощью пеносборника 4.
Пример конкретного выполнения устройства для флотационной очистки жидких сред.
Входной 1 и выходной 2 трубопроводы, корпус 3, пластина 5, приспособление 7 для крепления пластины к подающему трубопроводу, рассекатель потока 8, сетка 9 и форсунка 10 выполнены из нержавеющей стали.
Входной 1 и выходной 2 трубопроводы изготовлены из трубы с диаметром проходного сечения 15 мм.
Корпус 3 выполнен прямоугольным из листа толщиной 2 мм с габаритными размерами 1,2×0,5×0,3 м.
Для пеносборника 4 использованы гранулы спеченного сверхвысокомолекулярного полиэтилена.
Пластина 5 имеет толщину 3 мм, диаметр 250 мм и отверстие в центре для крепления рассекателя 4 потока. К поверхности пластины 5 точечной сваркой прикреплена сетка 9 с размером ячейки 400 мкм и толщиной 1 мм.
Приспособление 6 для ввода воздуха в очищаемую жидкую среду выполнено в виде эжектора и подключено к системе сжатого воздуха.
Приспособление 7 для крепления пластины к подающему трубопроводу 1 выполнено в виде прутков, один конец которых прикреплен к внешнему периметру пластины 5, а другой - к трубе с внутренней резьбой. Она обеспечивает соединение ее с входным трубопроводом 1, на поверхности которого выполнена внешняя резьба. Для фиксации приспособления 7 используется контргайка.
Рассекатель потока 8 имеет с диаметр основания 35 мм и высоту 17,5 мм. Боковая поверхность рассекателя потока 8 выполнена вогнутой с радиусом 17,5 мм.
Диаметр проходного сечения форсунки 10 с учетом соотношения (1) равен 5 мм.
Проверка работоспособности устройства проведена на модельных жидких средах с содержанием нефтепродуктов до 2000 мг/л.
3
Испытания проводили при заданном массовом расходе очищаемой жидкой среды 95 кг/ч, плотности жидкой среды - 950 кг/м при температуре - 20°C.
Эффективность очистки жидкой среды определялась как отношение массы удаленных нефтепродуктов к массе нефтепродуктов, введенных в очищаемую жидкость. Масса удаленных из жидкой среды нефтепродуктов определялась как разность веса гранул, адсорбировавших нефтепродукты, и чистых гранул.
Время, необходимое для удаления нефтепродуктов, определялось по достижению эффективности очистки не менее 98%. Результаты сравнительных испытаний при одинаковом массовом расходе показали, что при наличии генератора пузырьков воздуха среднее время адсорбции и удаления нефтепродуктов составляет 40 минут, а при отсутствии генератора пузырьков - 65 мин.
Созданная конструкция устройства для флотационной очистки жидких сред обеспечивает непрерывное насыщение очищаемой жидкой среды мелкодисперсными пузырьками воздуха, что приводит к уменьшению времени адсорбции и всплытия нефтепродуктов не менее чем в 1,6 раза.