УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ПЫЛИ ИЗ ПОМЕЩЕНИЯ

Полезная модель относится к устройствам мокрой очистки помещений от твердых отходов переработки или поверхностной механической обработки изделий из гидрофобного материала.
Оно может быть использовано для улавливания из помещений, занимающихся переработкой или механической обработкой изделий, например, из углепластика, водонерастворимых полимеров и композиций, обладающих гидрофобными свойствами, на основе полимеров, углеродосодержащих в виде волокон или графитосодержащих в виде частиц графита натурального измельченного, терморасширенного и т.д. Одновременно за один прием от крупных до наноразмера частиц.
Известно устройство (а.с. №171 0094, МПК В01Д 21/02 от 12.04.90 г.) фракционирования частиц по размерам и физико-механическим свойствам. Оно содержит корпус с наклонной стенкой и патрубком ввода исходной суспензии. У стенки корпуса, противоположной наклонной стенке, установлена перфорированная перегородка с образованием сливной камеры, в нижней части которой расположен патрубок отвода осветленной суспензии. В корпусе параллельно наклонной стенке размещен пакет наклонных пластин, разделяющих полость корпуса на наклонные осадительные щелевые отсеки. Перфорированные перегородки и нижние кромки пластин образуют зону фильтрации с увеличивающимися сечениями к патрубку отвода твердой фазы. Наклонная крышка корпуса и верхние кромки пластин образуют разделительный отсек с патрубками отвода нефтепродуктов. Устройство рассчитано на отделение - фракционирование гидрофильных частиц, находящихся в водной среде.
Улавливание же и осаждение по фракциям в воде гидрофобной пыли проблематично из-за плохой смачиваемости частиц любых размеров. Особенно это касается полимерной пыли, содержащей одновременно частицы в виде стружки, волокон, частиц наноразмера (графит, кремнеорганический полимер в качестве связующего, углерод-углеродные композиции и т.д.).
Известно устройство (пат. №42439, МПК В01Д 47/06, от 01.09.2004 г.) для улавливания пыли из воздуха, содержащее гидрофильтр, корпус с полуцилиндрами, образующими воздухопромывной канал, устройство для создания водяной завесы, размещенные в воздухопромывном канале, включающее коллекторы с форсунками, сепаратор, размещенный над устройством для создания водяной завесы, контактную емкость, частично заполненную водой, под воздухопромывным каналом, приточный и вытяжной воздуховоды.
Устройство выбрано в качестве прототипа заявляемой полезной модели как наиболее близкое по назначению и положительному эффекту. Устройство малоэффективно для улавливания пыли из материалов, обладающих гидрофобными свойствами, мал процент улавливания водой пыли, состоящей из частиц графита, углеродных волокон, кремнеорганических полимеров и т.д. Эффект улавливания такой пыли в пределах 50-60% из-за несмачиваемости ее водой. К тому же большой процент неулавливаемых водой в устройстве частиц - это дисперсные частицы размером менее 10 мк. В соответствии с этим возврат в производство таких частиц, полученных в результате, например, механической обработки изделий, обладающих микро- и наннаноразмерами, проблематичен.
Устройство функционирует ограниченно - улавливает водой гидрофильную пыль. Пофракционное отделение отходов, например, полученных от механической обработки, где необходимо уловить отходы гидрофобного материала, включающие как крупные фракции (стружку, крупные волокна и т.д.), а так же миллиметровые волокна, микронных размеров и частиц наноразмера, проблематично из-за несмачиваемости улавливаемого материала и образования путанки в воде в связи с отсутствием пофракционного улавливания пыли крупных частиц отходов, имеющих форму, например, спирали, как у стружки сливной, легко образующую при взаимодействии путанку, так как приточная часть системы вентиляции выполнена в виде проема в гидрофильтре. В этот проем в процессе забора или отсасывания пыли из помещения в воду в контактной емкости погружается почти вся пыль гидрофильная без разделения на фракции, а гидрофобная пыль почти вся концентрируется на поверхности воды. Частицы же наноразмера проскакивают через водяную завесу несмоченными и за счет наличия вытяжной части – вентилятора - подхватываются и уносятся в атмосферу. Засоряется воздух. Ухудшается экологическая обстановка. Одновременно с этим проскакивают несмоченные всепроникающие частицы наноразмера через зазор между потолком контактной емкости и водой, частично заполняющей емкость, а также через водяную завесу в воздухопромывном канале и в атмосферу, нанося вред экологии окружающей среды, человеку и производственной деятельности человека.
В промышленном масштабе - это значительные потери материала и невозможность использования микро- и наночастиц пыли для получения из них изделий или их использования в композициях в сочетании с другими материалами.
Задача устройства - возможность улавливания гидрофобной пыли из помещений с использованием рециркуляции воды в гидрофильтре, расширения функциональной возможности устройства, пофракционного улавливания твердых отходов переработки или механической обработки гидрофобного материала для безотходного производства и экологической безопасности окружающей среды и людей в рабочем помещении.
Технический результат достигается тем, что устройство для улавливания пыли из помещения, как и известное, включающее гидрофильтр, содержащий корпус с полуцилиндрами, образующими воздухопромывной канал, устройство для создания водяной завесы, размещенное в воздухопромываемом канале, состоящем из коллекторов с форсунками, сепаратор, контактную емкость, частично заполненную водой, под воздухопромывным каналом, воздуховоды для приточной и вытяжной вентиляции, согласно изобретению воздуховод приточный выполнен из непрерывно переходящих одна в другую частей: прямоточной, изогнутой вверх и вертикальной, которая соединена с контактной емкостью гидрофильтра, при этом прямоточная часть выполнена в нижней части со сквозными отверстиями и накопителями под каждым отверстием для фракционирования крупных частиц твердых отходов, в виде, например, конусообразного бункера или емкости, в виде сильфона, имеющих заслонку, в контактной емкости в верхней части воды эксцентрично размещен водонагреватель в виде вращающегося элемента, контактная емкость и корпус воздухопромывного канала соединены с полым корпусом-накопителем дисперсных частиц твердых отходов в виде пыли наноразмера, в котором размещены в один или два ряда емкости в виде баков с фильтрами, а относительно друг друга - в виде каскада с возможностью поступления через отвод в верхнюю емкость-бак и последующего заполнения остальных емкостей-баков осевшими в воде контактной емкости фракциями твердых отходов и пыли, находящейся в воде, во взвешенном состоянии контактной емкости полый корпус-накопитель соединен с форсунками коллектором для рециркуляции воды и фракционирования взвешенных частиц отхода - пыли наноразмера в контактной емкости-концентраторе частиц наноразмера; емкости в виде баков выполнены с отводом для воды с осевшей фракцией частиц отхода с возможностью дальнейшего использования этих части; контактная емкость выполнена с отводом для воды с частицами наноразмера для использования частиц по назначению.
На фиг. 1 схематично показано устройство, разрез.
На фиг. 2 схематично показан воздуховод приточно-вытяжной - накопитель для крупной пыли, разрез: 2а - с конусообразной формой бункера; 2б - с формой бункера в виде сильфона.
На фиг. 3 схематично показаны емкости в виде баков для пыли, осевшей в воде, в виде:
3а - однорядного каскада баков, в аксонометрии.
3б - 2-х-рядного каскада баков, в аксонометрии.
На фиг. 4 схематично показан момент пофракционного улавливания гидрофобных отходов устройством, разрез.
Сопоставительный анализ заявлемой полезной модели с прототипом показал, что она существенно отличается наличием новых элементов и их связей.
Устройство улавливает частицы любых размеров и формы твердых отходов из гидрофобного материала и разделяет на фракции, что позволяет не только улавливать пыль из помещения, но и возвращать ее по фракциям в производство, т.е., не подвергая (как в прототипе) химической реакции. Такой подход позволяет иметь безотходное производство при использовании механической обработки или переработке получаемых изделий, например, из полимеров или композиций из них, содержащих графит, обладающих гидрофобными свойствами, т.к. при наличии фильтров при сухом методе улавливания фильтры быстро забиваются, что не позволяет проводить очистку помещений от вредной пыли, особенно наноразмера. А устройство, использующее мокрый способ улавливания гидрофобной пыли, конструктивно не способно к улавливанию по фракциям, не улавливает микронные и особенно важно - всепроникающие наноразмерные частицы пыли в связи с их несмачиваемостью водой. Заявлемая конструкция уже в воздуховоде приточном позволяет 100% уловить частицы сложной формы и крупных размеров, например стружку, за счет наличия сквозных отверстий в его прямоточной нижней части. При этом ускоренно работает закон гравитации и плотные образования в виде стружки или рыхлые частицы, но более тяжелые, чем остальная мелкая составляющая отхода пыль, проваливаются в сквозные отверстия и собираются в виде отдельной фракции, например, в бункерах-накопителях конусообразной формы или емкостях в виде сильфона, как наиболее оптимальной формы элемента улавливания такой фракции. Конусообразная форма позволяет за счет расширенной верхней части беспрепятственно собирать стружку любой формы. Накопитель в форме сильфона позволяет то же самое, что и накопитель конусообразной формы, но дополнительно гибкий сильфон при заполнении частицами отхода, относящимися к гравитационной пыли, деформируется, удлиняется, вибрируя от работы насосов в гидрофильтре, и уплотняет массу, а более легкие и мелкие частицы, поднимаясь, удаляются вверх и в гидрофильтр. Дополняет эффект фракционирования гравитационной части гидрофобного отхода в воздуховоде наличие изгиба конструкции в воздуховоде на границе прямоточной части и части, переходящей в верхнее положение. Что гарантирует отсутствие проскока по воздуховоду этой фракции в контактную емкость гидрофильтра и, следовательно, повышается степень и качество фракционирования при улавливании пыли. Изгиб воздуховода вверх позволяет более тяжелым частицам, в полном объеме, за счет гравитации оказаться в накопителях той или иной заявленной формы. Легкая же и более мелкая составляющая улавливаемой пыли в воздуховоде из приточной части устройства, поднимаясь вверх по изогнутой вверх части, затем сбрасывается в контактную емкость гидрофильтра. Наличие воды в гидрофильтре (как в прототипе) не приводит к разделению на фракции гидрофобной пыли, т.к. такая пыль в плотных слоях воды при комнатной температуре не смачивается. Наличие же эксцентрично размещенного водонагревателя в виде вращающегося элемента, который нагревает верхние слои воды до температуры, при которой с поверхности частицы выходит воздух (исчезает воздушная подушка), а сама вода, имея меньшую плотность, способна ускорять выход воздуха, растворенного в этой воде, что позволяет успешно 100% разделить частицы пыли на фракции, оседающие на дно контактной емкости и остающиеся во взвешенном состоянии.
Устройство рассчитано на непрерывную работу в течение длительного периода времени. Поэтому и наличие у гидрофильтра дополнительного узла отстойника-накопителя для осевшей на дно пыли (фракции миллиметровой пыли и наноразмерной - в виде взвеси) из контактной емкости позволяет отделить эти фракции. Рециркулируется вода из нижней части гидрофильтра, т.е. из контактной емкости в верхнюю часть воздухопромывного канала - в форсунки и вновь в контактную емкость через отвод, по коллектору. При этом более тяжелая, чем нанопыль осевшая фракция в контактной емкости переводится в емкости-баки, где оседает и уплотняется в баках, установленных каскадно, например, в один или два ряда в полом корпусе накопителя, обеспечивая режим непрерывного, находящегося во взвешенном и длительного использования устройства. Вода, содержащая фракцию смоченной пыли, находящейся во звешенном состоянии, за счет установления в накопителе-емкости в виде баков каскадно, т.е. по ниспадающий линии, проходит через фильтры в баках только вместе с частицами наноразмеров, одновременно переливаясь из бака в бак, что обеспечивает четкое фракцинирование пыли по размерам. Осевшая же фракция в баках через отвод в нижней части баков поступает к потребителю.
Наличие замкнутой связи контактной емкости (через отвод в полый корпус накопителя с емкостями в виде баков, через коллектор в воздухопромывной канал к форсункам) позволяет реализовать рециркуляцию воды со взвешенными частицами уловленной фракции отходов. За счет диспергирования полуцилиндрами водяной завесы с этими частицами противопотоком частицам, проходящим вдоль воздушного зазора между потолком контактной емкости и зеркалом воды в ней, задерживают их движение и направляют воду, которая, находясь в нагретом состоянии, быстро смачивает их и удерживает полностью в гидрофильтре в осадке или во взвешенном состоянии. Такое устройство позволяет расширить свои возможности (по сравнению с прототипом) за счет возможности смачивания гидрофобных частиц отходов, рециркулирования воды с частицами наноразмеров в системе гидрофильтра без засорения фильтров, сохранить улавливаемый твердый отход и пофракционно использовать каждую фракцию по их назначению (как наполнитель, как дополнение к вновь создаваемому композиту того же состава и т.д.). При этом фракция, находящаяся в воде во взвешенном состоянии, - частицы отхода, в основном наноразмера, нейтрализованы полностью и, таким образом, устройство позволяет, кроме обеспечения безотходного производства, улавливать и отделять продукт наноразмера, имеющий большую ценность для получения изделий с повышенными свойствами, а также обеспечить защиту персонала от вредного воздействия отходов в помещении, как и окружающей среды вне помещения, а оборудование - от аварий.
Заявляемая полезная модель обладает новизной, промышленно применима.
Устройство выполнено из сухого и мокрого узлов улавливания и фракционирования гидрофобных твердых отходов, насыпная плотность которых менее или равна плотности воды:
узел сухого улавливания и фракционирования крупной фракции - воздуховод приточный 1 (1а, 1б) (фиг. 1, 2а, б). Он выполнен из прямоточной, изогнутой вверх и вертикальной составляющих. Прямоточная составляющая воздуховода 1 в нижней части имеет сквозные отверстия 2 (2а, 2б) (фиг. 1, 2а, б) и накопители 3 под ними (фиг. 1) в виде бункеров конусообразной формы (фиг. 2а) с заслонками 4а (фиг. 1 и 2а) или в виде сильфона 3б (фиг. 2б) с заслонками 4б внизу сильфонов. Изогнутая вверх 5(фиг. 1), 5а и 5б (фиг. 2а, б) составляющая непрерывно плавно соединена с проточной 1 составляющей. Вертикальная составляющая 6 (фиг. 1). 6а и 6б (фиг. 2,а, б), плавно соединена с изогнутой составляющей 5 и с корпусом контактной емкости 7 гидрофильтра.
Корпус контактной емкости гидрофильтра не полностью заполнен водой 8, образуя воздушный зазор 9 между потолком корпуса и зеркалом воды для реализации приточно-вытяжной вентиляции гидрофильтра и выхода воздуха в атмосферу в процессе улавливания и фракционирования гидрофобного твердого отхода в гидрофильтре. В контактной емкости размещен эксцентрично ближе к приточному воздуховоду 1-6 нагревательный элемент 10 с возможностью вращения и нагрева в основном верхних слоев воды, что способствует ускорению смачиваемости улавливаемых частиц, выходу воздуха с поверхности и из пор улавливаемого материала, снижению плотности воды и разделению частиц на фракции, которые - одни оседают на дно контактной емкости (фиг. 3) и другие, всепроникающие и самые проблемные для улавливания, находятся в воде во взвешенном состоянии (в основном - наноразмерные).
Над контактной емкостью размещен и жестко с ней соединен корпус 11, который с отражателями 12 в виде полуцилиндров образует воздухопромывной канал за счет размещения в нем форсунок 13 и сепаратора 14 над форсунками. Форсунки организуют водяную завесу, противотоком идущему потоку загрязненного воздуха из приточного воздуховода 1 по зазору 9 в воздухопромывной канал. Сепаратор конденсирует воду и возвращает улавливаемые частицы гидрофобного твердого отхода в контактную емкость, а воздух чистый уходит в воздуховод вытяжной 15 (фиг. 3). Полноту фракционирования и гарантированную нейтрализацию вредного воздействия улавливаемых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в воде, на окружающую среду в очищаемом помещении от отходов и на атмосферу воздуха обеспечивает узел дополнительного фракционирования, который соединен с контактной емкостью отводом 16 воды с частицами отхода из нее, который состоит из полого корпуса 17 и емкостей в виде баков 18, 19, 20, 21 (фиг. 4а) с фильтрами 26 (фиг. 1, 4) для варианта однорядного размещения их в корпусе 17 или баков 19-25 с фильтрами 26 (фиг. 4б) - для варианта двухрядного размещения. Установлены баки относительно друг друга каскадно, т.е. с возможностью перелива из первого, верхнего бака в последующие через верхнюю часть баков, обеспечивая непрерывность процесса поступления воды с частицами отхода из контактной емкости, более полное осаждение и вывод из системы фракции осаждаемых частиц в контактной емкости через отвод 27 к потребителю и возможность гарантированного 100% удержания частиц наноразмера в системе гидрофильтра. Поскольку из фильтров 26 поступает в полый корпус 17 фракция частиц наноразмера в воде, а далее через коллектор 28 и отводы 29 от него в форсунки 13, обеспечивается рециркуляция воды и, следовательно, непрерывность процесса. За счет наличия в воде мельчайшей фракции (находится во взвешенном состоянии) получаемая водяная завеса обладает более качественным экранирующим эффектом для прохождения частиц отхода по зазору 9 к воздухопромывному каналу. А отражатели диспергируют воду завесы, то в экранировании участвуют, кроме воды, частицы отходов, проходящих свободно через коллектор в форсунки из полого корпуса 17, не засоряя систему. При этом отвод 30 позволяет поставить и последнюю фракцию (наноразмера) потребителю.
Устройство работает следующим образом
После компоновки устройства (1-30, фиг. 1-4) включают приточно-вытяжную вентиляцию. Улавливаемую гидрофобную пыль, представляющую собой твердые отходы, образующиеся в результате переработки или механической обработки изделий, обладающих гидрофобными свойствами, (стружка, короткие волокна, различных размеров и пыль наноразмеров), необходимо полностью собрать, уловить из помещения и разделить на фракции для дальнейшего использования по назначению в качестве добавки к основному составу, в качестве наполнителя в разные по составу композиции и т.д., повышая эффективность использования отходов, делая тем самым улавливаемые материалы безотходными. Приточная вентиляция должна собрать из загрязненного помещения с пола и из воздуха и стружку, которая имеет крупные размеры, сложную конфигурацию и длинные волокна, и короткие волокна, и частицы микронных размеров, и невидимую и самую опасную и сложно улавливаемую пыль - пыль наноразмера через приточную часть воздуховода 1, удерживая в ней стружку и другие частицы отхода, обладающие макрогравитационными свойствами и, следовательно, как самые тяжелые из всего набора частиц, эти частицы сбрасываются по закону гравитации в сквозные отверстия 2 - (фиг. 1), 2а, 2б - (фиг. 2а, 2б) в накопители 3 (фиг. 1), 3а, 3б - (фиг. 2а, 2б) конусообразной формы 3а (фиг. 1, 2а) или в емкости в виде сильфона 3б (фиг. 2б), который выбрирует под действием вентилятора, постоянно увеличивает свою длину под тяжестью накапливаемой пыли. За счет вибрации частицы на дне накопителей уплотняются, составляя тяжелую фракцию 31, выбрасывая одновременно наверх в прямоточную часть воздуховода все частицы отхода в виде пыли, обладающие микрогравитацией - как более легкие. После накопления крупной фракции в накопителях воздуховода открывают заслонки 4 (фиг. 1), 4а, 4б - (фиг., 2а, 2б) и отправляют собранную фракцию пыли по назначению в пыленепроницаемой таре (не показано). Остальная часть пыли 32-33, пройдя по прямоточной части, перемещается вверх по изогнутой части воздуховода 5, что позволяет в воздуховоде фракционировать отходы 31 в сухом состоянии в полном объеме и пропустить улавливаемые остальные частицы, обладающие микрогравитацией (микронные и наночастицы 32-33), в вертикальную составляющую часть 6 воздуховода и в гидрофильтр 7-16. В связи с тем, что улавливаемые частицы 32-33 (фиг. 3) не смачиваются в воде при комнатной температуре, в гидрофильтре повышают их смачиваемость за счет перемешивания верхних слоев воды 8 нагревательным вращающимся элементом 10 в процессе поступления пыли из вертикальной части 6 воздуховода, что достаточно для того, чтобы они гарантированно фракционировались или на дно в виде осадка, или как взвесь в воде, водонагреватель может быть в виде ТЭНа. При этом нагревается вращающийся элемент до Т=50-60°С. За счет эксцентричного размещения в верхних слоях воды в контактной емкости (фиг. 3) (ближе к воздуховоду) он создает условия, оптимизирующие смачивание и процесс отстаивания, осаждения смоченных частиц наноразмера, микро и мм размера в виде коротких волокон или пылевидных частиц микронного размера. В результате исследования причин, ускоряющих повышение смачиваемости, выяснено, что такое конструктивное решение устройства приводит одновременно к исчезновению воздушной подушки на поверхности улавливаемых гидрофобных частиц, ускорению выхода воздуха из пор (а этот материал пористый), способствует уменьшению плотности воды, что увеличивает скорость выхода воздуха из самой воды. Затем полностью смоченная пыль микро и мм размера осаждается и улавливается нижними слоями воды, а частицы наноразмера фракционируются в воде во взвешенном состоянии в верхних слоях воды. Осевшую в воде фракцию пыли из частиц мм и микроразмера фракционируют окончательно, отделяя от частиц наноразмера (наиболее ценного продукта) в воде в полом корпусе отстойника 17, в котором каскадом (на разных уровнях) размещены баки 18-21 в один или два ряда 18-25 фиг. 4а, 4б), в зависимости от необходимости, степени запыленности и соответственно концентрации пыли в помещении. В баки поступает смоченная пыль отхода 32 и осевшая в контактной емкости через отвод 16. При этом фракционирование пыли (осаждение в накопителях и баках) происходит за счет перелива из одного бака в другой и фильтрации воды с наночастицами пыли 33 через фильтры 26 в баках. Осажденную фракцию 32 в баках выбирают через отводы 27 в нижней части и поставляют заказчику на переработку по назначению. В то время как из полого корпуса накопителя 17 вода с частицами пыли наноразмеров 33 поступает через коллектор 28, 29 в часть гидрофильтра 11-13, рециркулируя в форсунки 13, попадая на полуцилиндры 12 с образованием водяной завесы противотоком для части пыли, поступающей из воздушного пространства помещения в воздуховод и между потолком контактной емкости 7 и зеркалом воды 8 в этой емкости. Сепаратор 14 над водяной завесой конденсирует воду, укрупняя капли, и сбрасывает вниз в контактную емкость. Периодическая остановка устройства позволяет фракцию частиц пыли наноразмеров, сосредоточенной в воде в контактной емкости 7 во взвешенном состоянии, через отвод 29 убрать из емкости и использовать по назначению (усиливая композиции, готовят изделия, обладающие повышенными эксплуатационными свойствами) и т.д.
По сравнению с прототипом заявленное устройство имеет следующие преимущества:
устройство расширяет функциональные возможности, улавливая гидрофобную пыль и более крупные частицы отходов из материала, например, углепластика, углерод-углеродных композиций, композиций из водонерастворимого полимера, содержащего или не содержащего в качестве наполнителя гидрофобный материал (сажу, графит и т.д.);
- устройство позволяет повысить степень очистки помещения от подобного материала за один прием, одновременно, пофракционно весь объем пыли в виде твердого отхода, полученного в результате, например, переработки материала или механической обработки поверхности изделий;
- устройство позволяет нейтрализовать вредное воздействие улавливаемой пыли пофракционно за счет сочетания сухого и мокрого способа улавливания (в приточном воздуховоде и гидрофильтре - соответственно);
- устройство позволяет сохранить улавливаемый материал и тем самым обеспечить безотходное производство;
- устройство полностью улавливает самую опасную и вредную фракцию отхода - пыль наноразмера, обеспечивая безопасность труда персонала помещения и чистоту атмосферного воздуха, здоровье людей.