Устройство гравитационной очистки жидкости

Полезная модель относится к технике очистки воды от взвешенных частиц под действием гидродинамических сил и сил тяжести в жидкой среде, которая может применяться при обогащении полезных ископаемых и очистке шахтных вод. Модуль гравитационной очистки (2, рис. 1) предназначен для осаждения мелких фракций, содержащихся в воде, освобожденной от крупнофракционного шлама.
Известно устройство для очистки технологической воды от взвешенных твердых частиц, включающее каркас с плоскими пластинами, расположенными под углом 50-70° к горизонтальной плоскости, емкости для аккумуляции шлама и механизм выгрузки шлама, причем каркас выполнен с поперечным сечением трапециевидной формы и содержит несколько секций, разделенных рамами с боковыми, верхней, нижней и центральной перемычками, первая по течению воды рама выполнена с наклоном верхнего края навстречу потоку воды под углом 40-45° и выполнена с отверстиями в боковых и центральных перемычках, в которые установлены стальные струны, вторая и последующие рамы выполнены с пальцами на верхней и центральной перемычках, а нижняя и боковые перемычки - с пазами для установки пластин, при этом пластины выполнены с загибом на 180° верхнего края, которым способны охватить палец, и загибом на 30° нижнего края, которым свободно проходят в паз нижней или боковой перемычки так, что их плоскости расположены вдоль течения воды под углом 50-70° к горизонтальной плоскости. Пластины выполнены из оцинкованной жести, а верхняя сторона пластин покрыта линолеумом (RU 2329851).
Недостатком известного устройства является быстрое зарастание межпластинных зазоров, не обеспечен удобный доступ для сбора и удаления отфильтрованных загрязнений, не предусмотрено возможности технологически простого и быстрого восстановления работоспособности.
Наиболее близким техническим решением, принятым, является модульное устройство для тонкослойной очистки шахтных вод от взвешенных частиц, включающее каркас с изогнутыми пластинами, расположенными под углом к горизонтальной плоскости, емкость для аккумуляции шлама и механизм выгрузки шлама из емкости, причем каркас устройства выполняют по форме сечения емкости, куда его помещают, борта которого закрыты и имеют на них крепления для удержания устройства в емкости, а сверху - скобы для удобства монтажа устройств, внутри каркаса монтируют параллельно друг другу на расстоянии 40-50 мм пластины, при этом центральные пластины выполняют разновеликими, цельными с углом изгиба 80-90°, в котором с обеих сторон заподлицо с краями жестко крепят втулки шарнирного соединения и покрывают электрически нейтральным материалом, а смещенные от центра пластины имеют втулки на верхних концах, угол наклона пластин с горизонтальной плоскостью составляет 45-50°, при этом между бортами и нижними краями пластин имеются зазоры, равные межпластинчатому расстоянию, которые служат каналами для перепуска осевших частиц в аккумулирующую емкость, закрытыми для прямого потока воды спереди и сзади защитными пластинами, а для предотвращения заиливания перепуска осевших частиц в аккумулирующую емкость предусматривают у бортов скосы под углом 45-50° к горизонтальной плоскости, крепление центральных пластин к каркасу производят с помощью жестко закрепленных на каркасе передней и задней центральных стоек, имеющих отверстия для шарнирного соединения, крепление смещенных пластин производят непосредственно к верхним ребрам каркаса осями со штифтами, колебание пластин обеспечивается установкой упоров на нижних ребрах каркаса и боковых пластинах на расстоянии 3-5 мм между собой для каждой пластины (RU 2597319, прототип).
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции пластин и шарнирных соединений, сложность эксплуатации, обусловленная необходимостью обеспечения вибраций для удаления отфильтрованного осадка, низкая ремонтопригодность.
Технической проблемой, разрешаемой настоящим техническим решением, является создание эффективного, ремонтопригодного устройства гравитационной очистки жидкости и расширение арсенала устройств гравитационной очистки жидкости.
Технический результат, получаемый при использовании настоящего технического решения состоит в том, что достигается упрощение конструкции, повышение срока службы (эксплуатации) и надежности устройства за счет упрощения доступа для сбора и удаления отфильтрованных загрязнений, обеспечения технологически простого и быстрого восстановления работоспособности путем замены и/или промывки кассет.
Сущность полезной модели состоит в том, что устройство гравитационной очистки жидкости содержит установленную на стойках сварную емкость в форме прямоугольного параллелепипеда с последовательно сообщенными одинаковыми отсеками (бункерами) осаждения, в которых расположены многоярусные кассеты, имеющие параллельные наклонные пластины для осаждения загрязнений, каждый из отсеков осаждения снабжен верхней крышкой, установленной над кассетами, под которыми расположено сужающееся книзу днище с визуальным индикатором накопления осадка, с патрубком удаления осадка и с задвижками, причем на входе в первый по направлению движения жидкости отсек осаждения расположен ламинатор для формирования ламинарного режима течения жидкости, поступающей в отсеки осаждения, внутри каждого из последних кассеты установлены торцами пластин в сторону ламинатора, а каждая из кассет выполнена съемной сменной в виде пространственной рамы, в которой закреплены параллельные наклонные пластины, при этом рамы соседних по направлению движения жидкости кассет отделены друг от друга направляющими перемычками.
Предпочтительно, кассеты снабжены рукоятками и установлены в два параллельных ряда по направлению движения жидкости.
Предпочтительно, ламинатор выполнен с кольцевыми щелевыми выходами, сообщенными с общим коллектором.
Предпочтительно, щелевые выходы ламинатора выполнены с высотой и диаметром щели, выбранными из условия обеспечения скорости истечения не более 3 см/сек.
Предпочтительно, направляющие перемычки выполнены с тавровым сечением, расположены поперечно, соединяя противоположные стенки отсеков осаждения в верхней части и снабжены штифтами для фиксации положения кассет.
Предпочтительно, пластины кассет выполнены одинаковыми, из листового материала.
Предпочтительно, днище каждого отсека осаждения выполнено в форме перевернутой усеченной пирамиды прямоугольного сечения.
Предпочтительно, визуальный индикатор в днище каждого отсека осаждения выполнен в виде прозрачного смотрового окна, а патрубок удаления осадка каждого отсека осаждения выполнен с верхней и нижней дисковыми задвижками (краны или вентили), установленными с образованием между ними шлюзовых камер, и фланцами для установки сменных мешков под нижнюю задвижку.
Предпочтительно, крышка на верхней части каждого отсека осаждения выполнена плоской, установлена через уплотнительную прокладку и прижата к нему с помощью болтов.
Предпочтительно, устройство снабжено выполненным заодно со сварной емкостью лабиринтным отсеком (баком) грубой очистки жидкости для ее подачи самотеком в коллектор ламинатора.
Предпочтительно, устройство снабжено выполненным заодно со сварной емкостью компенсационным отсеком (баком) для приема жидкости из емкости с кассетами, выполненным с датчиками температуры, датчиками верхнего и нижнего уровня, и световыми индикаторами указанных контролируемых параметров.
Предпочтительно, устройство снабжено помостом (техническими площадками), закрепленным к упомянутым стойкам вдоль отсеков осаждения с возможностью доступа к их крышкам и кассетам.
На чертеже фиг. 1 изображен общий вид устройства гравитационной очистки жидкости; на фиг. 2 - вид сверху по фиг. 1; на фиг 3 - вид слева по фиг. 1; на фиг. 4 вид на отсеки спереди; на фиг. 5 - кассета в трех ортогональных проекциях; на фиг. 6 - рама кассеты в аксонометрической проекции; на фиг. 7 - схема ламинатора.
Устройство гравитационной очистки жидкости содержит установленную на нескольких вертикальных стойках 11 сварную емкость в форме прямоугольного параллелепипеда с последовательно сообщенными одинаковыми отсеками (бункерами) 1 осаждения, в которых в два ряда расположены многоярусные кассеты 2, имеющие параллельные наклонные пластины 3 для осаждения загрязнений (осадка). Каждый из отсеков 1 осаждения снабжен верхней крышкой 4, установленной над кассетами 2, под которыми расположено сужающееся книзу днище 5 с визуальным индикатором (не изображен) накопления осадка в виде прозрачного смотрового окна, с патрубком удаления осадка с верхней и нижней дисковыми задвижками 6, 7 (идентично - краны или вентили), установленными с образованием между ними шлюзовых камер 8, и фланцами (не обозначены) для установки сменных мешков под нижнюю задвижку 7. Шлюзовая камера 8 представляет собой емкость ромбовидного сечения. На входе в первый по направлению движения жидкости отсек 1 осаждения расположен ламинатор 9 для формирования ламинарного режима течения жидкости, поступающей в отсеки 1 осаждения. Внутри каждого из отсеков 1 осаждения кассеты 2 установлены торцами пластин 3 в сторону ламинатора 9. Каждая из кассет 2 выполнена съемной сменной в виде сваренной аргонодуговой сваркой пространственной рамы, в которой закреплены параллельные наклонные пластины 3, при этом рамы соседних по направлению движения жидкости кассет 2 отделены друг от друга направляющими перемычками 10 со штифтами для фиксации положения кассет 2.
Кассеты 2 снабжены рукоятками 12 и установлены в два параллельных ряда по направлению движения жидкости.
Ламинатор 9 выполнен с кольцевыми щелевыми выходами 13, сообщенными с коллектором 14. Ламинатор 9 может быть выполнен с несколькими коллекторами 14.
Щелевые выходы 13 ламинатора 9 выполнены с высотой и диаметром щели, выбранными из условия обеспечения скорости истечения не более 3 см/сек.
Направляющие перемычки 10 выполнены с тавровым сечением, расположены поперечно, соединяя противоположные стенки отсеков 1 осаждения в верхней части. Над днищем 5 под коллекторами 2 имеются поперечные перегородки (не изображены).
Пластины 3 кассет 2 выполнены одинаковыми, из листового материала.
Днище 5 каждого отсека 1 осаждения выполнено в форме перевернутой усеченной пирамиды прямоугольного сечения.
Крышка 4 на верхней части каждого отсека 1 осаждения выполнена плоской, установлена через уплотнительную прокладку и прижата к нему с помощью болтов (не изображены).
Устройство снабжено выполненным заодно со сварной емкостью лабиринтным отсеком (баком) 15 прямоугольного сечения для грубой очистки жидкости с криволинейными элементами (не изображены) для ее подачи самотеком в коллектор 14 ламинатора 9. Отсек 15 снабжен шлюзовой камерой, аналогичной шлюзовой камере 8.
Устройство снабжено выполненным заодно со сварной емкостью компенсационным отсеком (баком) 16 для приема жидкости из емкости с кассетами 2, выполненным с датчиками температуры, верхнего и нижнего уровня, и световыми индикаторами указанных контролируемых параметров (не изображено).
Устройство снабжено помостом (техническими площадками) 17, закрепленным к стойкам 11 вдоль отсеков 1 осаждения с возможностью доступа по лестнице 18 к их крышкам 4 и кассетам 2.
Все отсеки 1 и отсеки 15, 16 устройства конструктивно выполнены заодно, т.е. в едином сварном корпусе. К отсеку 16 шлангами и арматурой (не обозначены) подключается перекачивающее оборудование 19. Под шлюзами 8 устройства может быть размещен поддон 20. Помост 17 может быть снабжен ограждением 21.
Устройство состоит частей, соединенных между собой сборочными операциями, находящихся в функционально-конструктивном единстве для решения указанной технической проблемы и получения обеспечиваемого полезной моделью технического результата, то есть находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.
Устройство гравитационной очистки жидкости работает следующим образом.
Жидкость подается в устройство нагнетающей магистралью дренажного насоса (не изображен) через лабиринтный отсек 15, в котором происходит грубая очистка жидкости. В криволинейных элементах лабиринтного отсека 15 жидкость многократно меняет направление, что обуславливает оседание наиболее крупных частиц (фракций) загрязнения на дно этого отсека 15 для периодического удаления. Шлам из шлюзовой камеры отсека 15 собирается в мешок, закрепленный к этому отсеку снизу.
При этом оставшаяся жидкость самотеком поступает в коллектор 14 ламинатора 9. Ламинатор 9 обеспечивает истечение жидкости из каждой свое щели со скоростью истечения не более 3 см/сек.
Например, для частиц размером от 1 до 100 мкм справедливы соотношения описанные уравнением Стокса, когда:
2
U=2R(p'-p)g/9η,
где U - скорость оседания частиц;
R - радиус частицы;
Р' - плотность загрязнителя;
Р - плотность жидкости;
g - ускорение свободного падения;
η - коэффициент динамической связности.
Для частиц больших размеров скорость оседания может быть вычислена по уравнению Алена:
3
3
2
U=0.522*sqrt((p'-p)R-g/pη), где
sqrt - обозначение в программировании квадратного корня.
А для частиц крупнее 2 мм по уравнению Риттингера:
U=2*sqrt(Rg(p'-p)/η).
Опытным путем установлено, что скорость течения жидкости из щели ламинатора должна находиться в диапазоне 1-3 см/сек. Если принять высоту h щели ламинатора 3,5 см, а из конструктивных соображений диаметр D ламинатора выбирается 200 мм, то площадь проходного сечения ламинатора 9 составит
2
F=π*Dл*h=3.14*20*3.5≈220 cм.
2
Для четырех ламинаторов F=220*4=880 см.
При скорости истечения 3 см/сек (3*60)/1000, расход Q жидкости через щель составит: Q=FV=(880*3*60)/1000=158.4 л/мин.
Следовательно, при заданном расходе поступающей жидкости Q=44000 л/мин фактическая скорость истечения жидкости через щель ламинаторов составит:
Q/F=158,4/880=0,18 см/сек,
что соответствует оптимальному диапазону значений.
Ламинатор 9 выполняется с разведением щелевых выходов 13 и истекающего из него в отсек 1 потока в двух уровнях по высоте и с одновременным раздвоением потока на каждый ряд кассет 2. Поток направляется к торцам пластин 3, распределяется и далее слоями течет по ним, последовательно вдоль ряда кассет 2.
Благодаря ламинарному истечению жидкости из ламинатора 9 на пластины 3 кассет 2 поступает кинетически и кинематически однородный ламинарный поток жидкости. На пластинах 3 течение жидкости происходит тонкими слоями минимальной скоростью. Перегородки над днищем 5 отсеков 1 осаждения препятствуют протеканию жидкости мимо пластин 3 кассет 2. Этот гидравлический режим течения потока жидкости характеризуется в поперечном сечении каждого слоя параболической эпюрой скоростей, имеющей на пластинах в пограничном (пристеночном) слое минимальную, стремящуюся к нулю скорость. В пограничном слое на поверхности пластин 3 скорость ламинарного (кинетически и кинематически однородного) потока жидкости под действием ее вязкости быстро убывает и стремится к нулю. По этому кинетическая энергия потока в пограничном слое у пластин 3 недостаточна для того, чтобы переместить жидкость с загрязнениями, имеющими удельный вес больший, чем плотность жидкости, и эти загрязнения оседают на всей площади пластин 3, а образованные из загрязнений осадки под действием гравитации перемещаются в днища 5 отсеков 1 осаждения к патрубкам.
По мере продвижения потока жидкости взвешенные частицы (суспензии) под действием сил гравитации в стесненных условиях, выпавшие на пластины 3 сползают по ним в нижнюю часть отсеков 1 - на днища 5 последних. Таким образом устройство осуществляет удаление из потока жидкости твердых частиц с удельным весом большим, чем плотность жидкости В кассетах 2 обеспечивается упорядоченное движение и равномерное распределение жидкости, что способствует увеличению скорости осаждения частиц.
Количество отделенных осадков последовательно увеличивается по направлению движения жидкости на пластинах 3 в кассетах 2 от ламинатора 9 к компенсационному отсеку 15. Соседние поперек направления движения жидкости кассеты 2, установленные в два параллельных ряда с промежутком и с встречным наклоном пластин 3 к зазору между рядами кассет 2, направляют мелкофракционный осадок в сторону шлюзовых камер 8 днища 5.
Сужающееся книзу днище 5 в форме перевернутой усеченной пирамиды прямоугольного сечения обеспечивает равномерный сбор осаждаемых веществ в шлюзовых камерах 8, обеспечивающих сбор и хранение собранных загрязнений. При этом исключается возможность повторного вовлечения выпавших частиц в циркуляцию очищаемой жидкости. Визуальный индикатор в днище 5 каждого отсека 1 осаждения в виде прозрачного окна позволяет своевременно устанавливать заполнение шлюзов 8. На фланцы патрубков (шлюзовых камер 8) под каждую нижнюю задвижку 7 заранее устанавливаются сменные мешки из специальной фильтрующей ткани. При остановленной подаче жидкости из ламинатора 9, закрытой верхней задвижке 6 и открытой нижней задвижке 7 производится удаление (сброс) осадка каждого отсека 1 осаждения. После этого мешки могут быть заменены, верхняя задвижка 6 открывается, а нижняя задвижка 7 закрывается, и установка может оперативно продолжить работу.
Заполнение и состояние очищенной жидкости в компенсационном отсеке 15 (баке) для приема жидкости, принятой из емкости с отсеками 1 кассетами 2, определяется датчиками температуры, датчиками верхнего и нижнего уровня, и визуализируется световыми индикаторами указанных контролируемых параметров. Достижение предельных показаний говорит о необходимости опорожнения компенсационного отсека 16 и/или о необходимости замены или промывки кассет 2. В последнем случае кассеты 2 по направляющим - перемычкам 10 с тавровым сечением - вручную за рукоятки 12 извлекаются персоналом, попадающим по лестнице 18 на помост 17. Помост 17 обеспечивает персоналу доступ в отсеки 1 осаждения для извлечения и/или установки кассет 2. Кассеты 2 могут быть промыты струей воды или заменены, при необходимости, на новые и установлены по направляющим 10 в отсеках 1 осаждения. Штифтами направляющих 10 обеспечивается ориентация и фиксация кассет 2 в рабочем положении.
Установка характеризуется технико-экономическими преимуществами: простота конструкции, высокая надежность, длительный период эксплуатации, простота технического обслуживания, не требует высокой квалификации обслуживающего персонала, не требует больших энергетических затрат. При изготовлении не требует точного технологического оборудования и высокой квалификации рабочих.
Таким образом, при использовании заявляемого технического решения достигается упрощение конструкции, повышение срока службы (эксплуатации) и надежности устройства за счет упрощения доступа для сбора и удаления отфильтрованных загрязнений, обеспечения технологически простой и быстрой восстановления работоспособности путем замены и/или промывки кассет.