УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ АДСОРБЕНТА

Полезная модель относится к технологическому оборудованию, используемому для извлечения и разделения компонентов из текучих дисперсных или жидких сред на основе адсорбционных и ионообменных процессов. Предлагаемое устройство может использоваться для очистки водостоков, переработки промышленных жидких отходов, содержащих экологически опасные и токсичные вещества, например фенолы. Кроме того, может использоваться в химической, пищевой промышленности и т.п. для приготовления суспензий из порошка и жидкости.
Адсорбционные явления представляют собой сложную совокупность физических, химических и физико-химических процессов на границе поверхностей адсорбентов и удаляемых примесей в виде мелких механических частиц или растворенных веществ. Скорость адсорбционных процессов существенно зависит от условий обеспечения контакта адсорбента и удаляемых примесей.
В серийно выпускаемых адсорбционных фильтрах, например СПП-ФС3 (производитель «Промышленная водоочистка»), очищаемая жидкость подается под расположенный на перфорированной плоскости насыпной адсорбент и, просачиваясь вверх через зазоры между его частицами к сливному патрубку, жидкость очищается. При такой схеме организации очистки значительная доля поверхности частиц адсорбента, касающихся друг друга, оказывается недоступной для контакта с очищаемой жидкостью. Капилляры между частицами адсорбента могут забиваться загрязнениями, что сокращает пути протекания жидкости и также сокращает общую рабочую площадь адсорбционного фильтра.
3
3
3
Для активации процессов адсорбции используют давно известный прием псевдоожиживания, когда потоком жидкости или газа лежащий на перфорированной перегородке адсорбент поднимается и удерживается во взвешенном состоянии [Очистка производственных сточных вод.: Под ред. Ю.И. Турского и И.В. Филиппова. - Издательство «Химия», Ленинградское отделение, 1967 г]. Очевидно, что такой способ приемлем для относительно легких адсорбентов, например активированного угля, насыпной вес которого равен 0,6-0,9 г/см. Такие широко используемые адсорбенты, как глина и цеолиты имеют насыпной вес 1,1-1,2 г/см и 1,3-1,45 г/см, соответственно. Псевдо-ожиживание тяжелых адсорбентов, лежащих на перфорированной перегородке, возможно только при больших потоках жидкости, что требует больших затрат энергии на ее перекачивание. Мелкая сетка, удерживающая частицы адсорбента, создает большое сопротивление проходящему потоку жидкости.
Существенным недостатком данного способа является то, что жидкость может, раздвигая слой адсорбента, образовывать каналы для своего свободного движения. В таком случае перемешивание частиц адсорбента и их участие в процессе очистки практически прекращается.
В патенте РФ №2178333 предлагается взрыхлять адсорбенты, лежащие на перфорированных перегородках, потоком проходящего снизу вверх газа, а жидкость подавать на адсорбенты сверху вниз. Недостатком такой схемы очистки жидкости является необходимость использования двух разных насосов, кроме того, если с газом будут выноситься вредные примеси, то потребуется еще и система очистки газа.
Для смешивания сыпучих веществ с жидкостью широко используют механические мешалки. Например, в патенте РФ №2492920 мешалка содержит расположенный в баке вертикальный вал, вращаемый приводом. Вверху на вал установлены наклоненные к вертикали лопасти, окруженные неподвижным кольцом. Внизу к валу прикреплены вертикальные лопатки. Кольцо имеет определенное отношение высоты к диаметру, а лопатки имеют определенное отношение ширины к высоте. При вращении лопасти направляют суспензию вниз, а лопатки создают радиальное перемещение. В результате происходит интенсивное перемешивание всей массы суспензии.
Очевидно, что вращающиеся в одну строну лопасти и лопатки неизбежно приведут к вращению жидкости, находящейся в цилиндрическом баке. Возникающая при этом центробежная сила будет сдвигать механические частицы к стенкам, по которым они будут сползать к сливному отверстию. Это снижает эффект создания псевдоожиженного слоя при использовании такой мешалки в установке для очистки жидкости адсорбентом. Кроме того установка должна содержать не только насос для перекачивания жидкости, но и механический привод мешалки, что усложняет конструкцию установки.
В патенте РФ №2528843 перемешивающее устройство состоит из двигателя, рабочих органов и исполнительного механизма, который находится в отдельном корпусе. Центральное зубчатое колесо установлено на крышке корпуса смесителя с возможностью вращения и соединено с двигателем через кривошипно-коромысловый механизм, состоящий из кривошипа, шатуна и коромысла, а рабочие органы соединены с валами зубчатых колес. Рабочие органы выполнены в виде лопастей с отверстиями и вращаются с разной скоростью при периодическом изменении направления вращения. Техническим результатом изобретения является увеличение градиента скоростей и повышение интенсивности перемешивания.
Недостатком устройства можно считать сложность конструкции привода. При плоском дне емкости, на котором за счет сил гравитации будет происходить осаждение механических частиц адсорбента и снижение их активности, будет затруднено полное опорожнение емкости по завершении процесса. Все это не позволяет использовать данное устройство для создания псевдоожиженного слоя адсорбента в процессе очистки жидкости.
Наиболее близким к техническому решению предлагаемой полезной модели является патент РФ №2524602. Устройство по указанному патенту содержит привод вращения, вал с лопастями, размещенный внутри трубчатого элемента, жестко соединенного с корпусом привода вращения. На трубчатый элемент в нижней его части установлен с зазором цилиндрическо-конический насадок с круглым соплом. Внутри цилиндрической части насадка на валу размещены винтовые лопасти, причем длина цилиндрической части насадка не менее четырех ее внутренних диаметров, а длина конической части насадка не менее трех внутренних диаметров цилиндрической части насадка. Площадь сопла равна половине площади внутреннего сечения цилиндрической части насадка.
Изобретение обеспечивает перемешивание многокомпонентных дисперсных систем различной вязкости (например, лакокрасочных материалов) при введении устройства в емкость с горловиной малого размера, например в бочку. Размывание струей жидкости осадка на дне емкости производится вручную путем перемещения устройства по объему емкости, что не позволяет эффективно использовать данное устройство в процессе очистки жидкости в псевдоожиженном слое адсорбента.
Техническими задачами, решаемыми предлагаемой полезной моделью является создание простой конструкции устройства, обеспечивающего активный контакт частиц адсорбента с загрязнителями очищаемой жидкости в течение заданного времени, достаточного для их эффективного удаления, при низких затратах энергии, труда и времени на загрузку очищаемой жидкости и адсорбента, их перемешивания и слив обработанной суспензии.
Совокупность существенных признаков, изложенных в формуле полезной модели, позволяет достичь желаемого технического результата.
Устройство для очистки жидкости в псевдоожиженном слое адсорбента содержит емкость цилиндроконической формы с вертикально расположенной осью. Для перемешивания суспензии из механических частиц адсорбента и жидкости предлагается использовать вращающийся шнек, размещенный в трубе как корпусе, по типу водометных движителей моторных лодок и рассмотренного ранее аналога. Шнек и труба расположены соосно емкости.
Скорость перекачивания суспензии зависит от скорости вращения шнека и угла подъема винтовой линии его лопастей. Обычно угол подъема винтовой линии лопастей шнека от диаметральной плоскости шнека при размещении шнека в трубе с гладкими стенками равен 20-25°.
Двухзаходный шнек при симметричном расположении на валу двух лопастей относительно друг друга обеспечивает баланс масс и позволяет ему вращаться с большой скоростью без возникновения вибраций. Большие скорости вращения шнека обеспечивают активную циркуляцию суспензии, что сокращает время ее обработки.
Шнек имеет два участка винтовых лопастей, имеющих противоположное направление винтовой линии. Общая высота винтовых лопастей на нижнем участке вала шнека, обеспечивающем подъем суспензии вверх, в 3-4 раза больше общей высоты винтовых лопастей на верхнем участке вала шнека, направляющим поток вниз. Труба, через которую пропущен шнек, имеет длину меньше общей длины шнека и в 2 раза больше высоты нижнего участка шнека. При этом предусмотрена возможность располагать трубу в двух фиксируемых положениях по высоте.
При указанных соотношениях размеров элементов устройства в нижнем положении трубы нижний торец трубы находится на уровне нижнего конца шнека, а расстояние от верхнего торца трубы, находящейся в нижнем положении, до нижних кромок лопастей верхнего участка шнека составляет 2-3 диаметра трубы. Вращением шнека в режиме перемешивания суспензии в трубе формируется направленный вверх поток суспензии, который после выбрасывания из трубы сталкивается с потоков суспензии, направленным вниз лопастями верхнего участка шнека.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет каждой отдельной частица адсорбента двигаться в потоках жидкости с переменной по величине и направлению скоростью. Поскольку частицы суспензии имеют плотность большую, чем жидкость, частицы постоянно смещаются по отношению к жидкости под действием гравитации, сил инерции и центробежных сил, вступая в контакт с молекулами загрязнений. При этом наиболее полно реализуются физико-химические процессы извлечения адсорбентом загрязняющих веществ из очищаемой жидкости.
При фиксируемом верхнем положении трубы верхний ее торец располагается ниже верхних кромок винтовых лопастей верхнего участка шнека на расстоянии равном зазору между валом шнека и внутренней поверхностью трубы, не контактируя с диском в виде опрокинутой тарелки, прикрепленной к валу шнека и торцам винтовых лопастей. Высота подъема трубы задается из условия, чтобы площадь открытой условной цилиндрической поверхности между периметром трубы и плоскостью диска была не меньше площади условного кольца между диаметрами трубы и вала шнека.
В верхнем положении трубы значительная часть нижнего участка шнека оказывается вне трубы. При этом нижний торец шнека находится от шиберной задвижки на расстоянии 1,0-1,2 диаметра ее пропускного отверстия, а диаметр пропускного отверстия шиберной задвижки принимается равным 1,2-1,4 диаметра трубы. Все это создает хорошие условия для слива суспензии из емкости через открытую задвижку, при вращении шнека в направлении обратном вращению в режиме перемешивания суспензии.
При сливе жидкости (воды) из обычной емкости через донное отверстие по мере снижения уровня жидкости пропорционально уменьшается давление водяного столба и скорость истечения жидкости. В предлагаемой полезной модели вращающиеся лопасти шнека увеличивают скорость протекания суспензии через сливное отверстие и сокращают время опорожнения емкости. Кроме того вращающийся в открытом объеме шнек приводит к движению суспензии относительно стенок емкости, что смывает оседающие на стенки частицы, способствуя их полному удалению из емкости.
Конструкция устройство для очистки жидкости в псевдоожиженном слое адсорбента поясняется рисунками:
- Фиг. 1. Устройство в положении очистки жидкости.
- Фиг. 2. Устройство в положении слива суспензии в отстойник (на рисунке не показан).
Устройство содержит корпус емкости 1 цилиндроконической формы с вертикально расположенной его осью, прикрепленные к корпусу сверху крышку 2 и снизу шиберную задвижку 3. Установленный в корпусе соосно двухзаходный шнек с валом 4 имеет нижний участок двух винтовых лопастей 5 и верхний участок 6, имеющий такие же лопасти, но с противоположным направлением винтовой линии. При этом общая высота винтовых лопастей на нижнем участке вала шнека в 3-4 раза больше общей высоты винтовых лопастей на верхнем участке вала шнека.
Шнек пропущен через не вращающуюся трубу 7, имеющую длину меньше общей длины шнека. Труба может располагаться за счет фиксатора 8 (фиг. 2), например, в виде шпингалета, в нижнем положении, когда нижний торец трубы находится на уровне нижнего конца шнека и в верхнем положении, когда верхний торец трубы располагается вблизи верхних кромок винтовых лопастей верхнего участка шнека. При этом труба не контактирует с диском 9 в виде опрокинутой тарелки, прикрепленной к валу шнека и торцам винтовых лопастей.
Внутренний диаметр трубы больше диаметра шнека на величину минимального зазора, достаточного для исключения задевания лопастей за трубу при вращении шнека. Угол подъема винтовой линии лопастей шнека составляет 20-25° от диаметральной плоскости шнека, длина трубы примерно в 2 раза больше высоты нижнего участка шнека и расстояние от верхнего торца трубы, находящейся в нижнем положении, до нижних кромок лопастей верхнего участка шнека составляет 2-3 диаметра трубы.
Установленная внизу конической части корпуса емкости шиберная задвижка имеет пропускное отверстие равное 1,2-1,4 диаметра трубы, а нижние кромки лопастей шнека располагаются выше шиберной задвижки на расстоянии 1,0-1,2 диаметра ее пропускного отверстия.
На закрепленной к крышке опоре 10 установлен двигатель 11, вал которого через муфту 12 соединен с верхним концом вала шнека, проходящего через подшипниковый узел 13. Также на крышке закреплены две трубчатые направляющие 14, через которые пропущены стержни 15, которые пластинами 16 скреплены с трубой 7. Верхние концы стержней связаны между собой пластиной 17, закрепленной гайками. Сверху к пластине прикреплен фиксатор 8, а снизу прикреплена рукоятка 18, перемещая которую можно поднимать и опускать трубу, совмещая стержень фиксатора с отверстиями в стойке 19, прикрепленной к опоре 10. Там же на крышке имеется воронка 20, через которую в емкость заливается очищаемая жидкость и засыпается соответствующая порция адсорбента.
Используется устройство следующим образом. При закрытой шиберной задвижке 3 и зафиксированной в нижнем положении трубе 7 через воронку 20 в емкость заливается очищаемая жидкость и засыпается адсорбент. После этого включают двигатель 11, задавая ему направление вращения шнека, обеспечивающее перекачивание суспензии снизу вверх.
В таком режиме работы находящаяся между стенкой трубы и лопастями нижнего участка шнека 5 жидкость участвует во вращательном и поступательном движении. Под действием центробежных сил частицы адсорбента отбрасываются к стенке трубы и вместе с жидкостью сдвигаются лопастями шнека вверх, частично проскальзывая относительно поверхности лопастей. При этом разрушаются имеющиеся агрегаты частиц, что способствует активному взаимодействию свободных поверхностей частиц адсорбента с молекулами загрязнителей.
На участке трубы выше лопастей шнека вращательное движение жидкости притормаживается, и жидкость выбрасывается из трубы как из водомета и сталкивается с потоком жидкости, формируемым верхним участком шнека. При этом происходит дополнительная турбулизация потоков, способствующая равномерному распределения частиц адсорбента по всему объему жидкости. Диск 9 в форме опрокинутой тарелки отбивает выбрасываемый из трубы поток суспензии, защищая подшипниковый узел от проникновения в него жидкости и абразивных частиц.
Далее механические частицы опускаются под действием гравитации вниз вместе с потоком, компенсирующим забираемые шнеком объемы жидкости из нижней части емкости, и таким образом циркулируют. Время циркуляции суспензии в емкости назначается из условия полного завершения процесса адсорбционной очистки жидкости.
После завершения очистки отключают вращение шнека, отводят фиксатор 8, и с помощью рукоятки 18 трубу 7 перемещают вверх, фиксируя ее в верхнем положении. При этом значительная часть нижнего участка шнека оказывается вне трубы. Далее открывается шиберная задвижка 3 и включается реверсное вращение шнека, который начинает перегонять суспензию не вверх, а вниз в сторону сливного отверстия.
После завершения слива суспензии из емкости двигатель выключается, шиберная задвижка 3 закрывается, а труба 7 опускается в фиксированное нижнее положения, что приводит устройство в исходное состояние готовности к очистке следующей порции жидкости.
Полезная модель может найти широкое применение в процессах водоочистки, переработки отходов химических и машиностроительных производств, и в других случаях, например в процессах приготовления суспензий, используемых в пищевой, химической промышленности и т.п.
Предлагаемое устройство имеет простую и легко технологически реализуемую конструкцию, обеспечивает при незначительных энергетических затратах активный контакт частиц адсорбента с загрязнителями очищаемой жидкости в течение любого заданного времени, достаточного для их эффективного удаления, позволяет быстро и полно сливать суспензию из емкости.
Таким образом, устройство для очистки жидкости в слое псевдоожиженного адсорбента успешно решает поставленные технические задачи.