ГИДРОЦИКЛОН

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для разделения неоднородных жидкостных систем под действием центробежных сил и может быть использовано в системах водоподготовки, в том числе мелиоративных, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известен гидроциклон, содержащий цилиндроконический корпус, включающий питающий патрубок для тангенциального ввода неоднородной жидкостной системы, песковый и сливной патрубки для отвода продуктов разделения, фильтрующий элемент, выполненный в виде полупроницаемой мембраны и закрепленный в верхней части корпуса, отбойное устройство и направляющий элемент, выполненные в виде полых конусов и жестко закрепленные в нижней части корпуса на подвижном штоке, и сборник шлама [Патент на п.м. №40015 B04G 5/22, опубл. 27.08.2004].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность разделения неоднородной жидкостной системы от мелкодисперсных и токсичных примесей вследствие забивания и повреждения крупнодисперсными частицами микропор мембраны, расположенной в месте тангенциального ввода.
Известен сорбционный фильтр, содержащий цилиндрический корпус, включающий питающий патрубок для осевого ввода неоднородной жидкостной системы и сливной патрубок для отвода осветленной жидкости, в котором между двумя сетками послойно размещен сорбент на основе цеолита с различным фракционным составом и соотношением по объему [Патент на п.м. №15174 B01D 24/00, опубл. 27.09.2000].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность разделения неоднородной жидкостной системы от мелкодисперсных и токсичных примесей вследствие отсутствия дополнительной грубой очистки до сорбционного фильтра и расположения сорбента сплошным слоем, что приводит к забиваемости слоев сорбента и снижению его пропускной способности.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому устройству и принятому за прототип, является гидроциклон, содержащий цилиндроконический корпус, включающий питающий патрубок для тангенциального ввода неоднородной жидкостной системы, песковый и сливной патрубки для отвода продуктов разделения, при этом сливной патрубок в нижней части снабжен фильтрующим элементом различной пористости, наружная поверхность которого образована сплошной ворсистой цилиндрической поверхностью с игольчатыми элементами [Патент №2180272, B04C 5/12, B04C 9/00, опубл. 10.03.2002].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная эффективность разделения неоднородной жидкостной системы от мелкодисперсных и токсичных примесей вследствие закупоривания пор фильтрующего элемента высоковязкими частицами и невозможности удаления токсичных примесей из-за отсутствия в конструкции устройства элементов сорбционной очистки.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности разделения неоднородных жидкостных систем от мелкодисперсных и токсичных примесей.
Поставленный технический результат достигается тем, что гидроциклон, содержащий цилиндроконический корпус, включающий питающий патрубок для тангенциального ввода неоднородной жидкостной системы, песковый и сливной патрубки для отвода продуктов разделения, при этом сливной патрубок в нижней части снабжен фильтрующим элементом, согласно полезной модели фильтрующий элемент выполнен в виде расположенных коаксиально с зазором наружного пористого элемента и внутреннего перфорированного каркаса, а сливной патрубок в верхней части снабжен фильтром с сорбционной загрузкой, ограниченной нижней и верхней сетками, причем нижняя сетка выполнена неподвижной, а верхняя сетка выполнена с возможностью перемещения вдоль сливного патрубка гидроциклона для создания псевдоожиженного слоя, при этом отношение высоты слоя сорбционной загрузки в неподвижном состоянии к высоте сорбционной загрузки в псевдоожиженном состоянии составляет 1:1,5-2.
Наружный пористый элемент фильтрующего элемента выполнен из гладких полимерных мононитей, а перфорированный каркас - из стекловолокон, обработанных эпоксидным компаундом.
Сорбционная загрузка выполнена из природных и (или) синтетических пористых материалов и (или) их композиций, обладающих ионообменными свойствами с фракционным составом 0,05-1,0 мм, например, цеолитов, глауконитов, бентонитов, нефелинов.
Использование фильтрующего элемента, выполненного в виде расположенных коаксиально с зазором наружного пористого элемента и внутреннего перфорированного каркаса, способствует повышению эффективности разделения неоднородных жидкостных систем от мелкодисперсных примесей вследствие процесса многослойного фильтрования. Зазор между наружным пористым элементом и внутренним перфорированным каркасом обеспечивает равномерное распределение жидкости и выравнивание давления по длине фильтрующего элемента. При такой конструкции фильтрующий элемент работает всей своей поверхностью, его собственное сопротивление практически не оказывает влияния на сопротивление системы в целом.
Наружный пористый элемент, выполненный из гладких полимерных мононитей, обладает высокой задерживающей способностью, незначительным гидравлическим сопротивлением и способностью сохранять проницаемость при многократном фильтровании, что в совокупности способствует повышению эффективности разделения неоднородных жидкостных систем от мелкодисперсных примесей.
Выполнение внутреннего перфорированного каркаса из стекловолокон, обработанных эпоксидным компаундом, обеспечивает большую пропускную способность по сравнению с любым типом перфорации и конструкционную упругость, свойственную спиралеобразным структурам; кроме того, такая структура в максимальной степени противодействует налипанию (адгезии) мелкодисперсных примесей на фильтрующий элемент.
Изготовление наружного пористого элемента и внутреннего перфорированного каркаса из рекомендуемых материалов также способствует повышению коррозионной стойкости, эксплуатационного срока и снижению веса фильтрующего элемента.
Оснащение гидроциклона фильтром с сорбционной загрузкой способствует очистке неоднородных жидкостных систем от токсичных примесей (тяжелых металлов, радионуклидов, органических и прочих веществ).
Создание псевдоожиженного слоя сорбционной загрузки при работе гидроциклона способствует увеличению поверхности контакта фаз - жидкости и сорбента, интенсивному перемешиванию и устранению застойных зон, и как следствие повышению эффективности разделения неоднородных жидкостных систем от токсичных примесей. Кроме того, фракционный состав сорбционной загрузки влияет на ее суммарную удельную поверхность, чем меньше фракция, тем больше суммарная удельная поверхность сорбционной загрузки в псевдоожиженном состоянии.
0
Отношение высоты слоя сорбционной загрузки в неподвижном состоянии к высоте сорбционной загрузки в псевдоожиженном состоянии, составляющее 1:1,5-2,0, принято по результатам эксплуатации промышленных установок. С учетом этих данных, диапазон изменения порозности псевдоожиженного слоя сорбционной загрузки составляет ε=0,6-0,7 при начальной порозности неподвижного слоя сорбционной загрузки ε=0,4 [Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т.2. - Калуга, 2003. - С. 562].
Выбор сорбционной загрузки определяется физико-химическими свойствами неоднородной жидкостной системы, а также степенью и типом ее за-
грязнения, при этом нужно учитывать следующее:
- поглотительную способность (обменную емкость) и избирательность (селективность);
- физико-механические свойства - прочность на истирание, термическую и химическую стойкость, насыпную плотность, фракционный состав, удельную поверхность и прочее;
- способность к регенерации;
- технико-экономические показатели - стоимость, доступность, наличие производственных мощностей;
- возможность использования после срока службы;
- безопасность воздействия на человека и окружающую среду.
Объем сорбционной загрузки также определяется ее сорбционной емкостью, насыпной плотностью, содержанием примесей в неоднородной жидкостной системе и необходимой степенью очистки.
В качестве сорбционных загрузок в народном хозяйстве и промышленности используют природные и (или) синтетические пористые материалы и (или) их композиции обладающие ионообменными свойствами.
2
Из природных органических сорбционных загрузок известны, например, активные угли, которые изготавливаются путем карбонизации сырья (уголь, древесина, отходы пищевой, целлюлозно-бумажной и другой промышленности) и активации полупродукта. Удельная поверхность активных углей составляет 500-1500 м/г.
2
Из синтетических органических сорбционных загрузок известны, например, ионообменные смолы. Это высокомолекулярные соединения получаемые полимеризацией, поликонденсацией или химической обработкой полимеров, и классифицируемые на катиониты, аниониты и амфолиты. Удельная поверхность ионообменных смол может достигать 150 м/г.
Синтетические неорганические сорбционные загрузки или пермутиты (высокоселективные иониты) получают синтезом нового материала, либо модификацией природного материала.
Промышленное производство указанных видов сорбционных загрузок включает различные энергоемкие процессы, поэтому их использование должно быть экономически целесообразно.
Природные неорганические сорбционные загрузки на практике могут применяться без предварительной подготовки. Сорбенты этого типа недефицитны, их стоимость в 10-50 раз ниже стоимости синтетических или химически модифицированных сорбентов.
По структуре и физико-химическим свойствам неорганические сорбционные загрузки можно классифицировать на следующие виды:
1) аморфные с гелево-пористой структурой, например, диатомиты, трепелы, опоки;
2) слоистые:
2
- с расширяющейся структурой, например, вермикулит и монтмориллонит-бентониты (удельная поверхность 450-900 м/г);
2
2
- жесткой структурой, например, тальк, каолинит (удельная поверхность 20-800 м/г), гидрослюда (удельная поверхность 400-500 м/г);
2
3) слоисто-ленточные алюможелезомагниевые силикаты, например, палыгорскит, сепиолит (удельная поверхность 800-1000 м/г);
2
2
4) каркасные алюмосиликаты: цеолиты, например, шабазит, модернит, клиноптилолит и другие (удельная поверхность 700-1000 м/г), глаукониты (удельная поверхность 120-220 м/г), нефелины и прочие.
В практике разделения водных суспензий, в том числе в гидроциклонах, высокую эффективность показали сорбционные загрузки на основе цеолитов, глауконитов и бентонитов. Кроме того при водоподготовке в мелиоративных системах допускается использование только экологически чистых материалов; отсутствие токсичности у цеолитов, глауконитов и бентонитовых глин позволяет использовать их без ограничений. Эти природные сорбенты обладают термо- (до 600°C) и кислотоустойчивостью, способностью к ионообмену и регенерации, высокими фильтрующими характеристиками и осветлительной способностью.
В таблице 1 приведены данные по показателям эффективности сорбционной загрузки из цеолита, используемой для водоочистки, в сравнении с традиционными способами [Независимый экологический портал. Цеолиты: свойства и области применения. Режим доступа: http://info-ecology.ru]. В таблице 2 приведены сорбционные свойства глауконитов по отношению к тяжелым металлам.
На чертежах, на фиг. 1 показан общий вид гидроциклона; на фиг. 2 - фильтрующий элемент.
Гидроциклон содержит цилиндроконический корпус 1, включающий питающий патрубок 2 для тангенциального ввода неоднородной жидкостной системы, песковый 3 и сливной 4 патрубки для отвода продуктов разделения, фильтрующий элемент 5, содержащий наружный пористый элемент 6 и внутренний перфорированный каркас 7 расположенные коаксиально с зазором 8, фильтр 9 с сорбционной загрузкой 10, ограниченной неподвижной нижней 11 и подвижной верхней 12 сетками.
Гидроциклон работает следующим образом.
Неоднородная жидкостная система поступает по питающему патрубку 2 тангенциально в цилиндрическую часть корпуса 1 гидроциклона. Поток в гидроциклоне закручивается, тяжелые фракции, ударяясь о стенки, по конической части корпуса 1 опускаются вниз и через песковый патрубок 3 удаляются из устройства. Далее жидкостная система, поочередно проходя через элементы сливного патрубка 4: фильтрующий элемент 5, содержащий наружный пористый элемент 6 и внутренний перфорированный каркас 7, фильтр 9 с сорбционной загрузкой 10, выводится из устройства в емкость целевого продукта (на фиг. не показано).
В фильтрующем элементе 5 происходит удаление из жидкостной системы мелкодисперсных примесей вследствие процесса многослойного фильтрования через наружный пористый элемент 6 и внутренний перфорированный каркас 7, а в фильтре 9 с сорбционной загрузкой 10 - очистка от токсичных примесей: тяжелых металлов, радионуклидов, органических и прочих веществ. Кроме того, при прохождении жидкостной системы через фильтр 9 с сорбционной загрузкой 10 за счет энергии жидкости подвижная верхняя сетка 12, ограничивающая сорбционную загрузку 10, перемещается вверх вдоль сливного патрубка 4, а сорбционная загрузка 10 переходит в псевдоожиженное состояние.
Таким образом, повышение эффективности разделения неоднородных жидкостных систем от мелкодисперсных и токсичных примесей достигается за счет фильтрации через фильтрующий элемент 5, выполненный в виде расположенных коаксиально с зазором 8 наружного пористого элемента 6 и внутреннего перфорированного каркаса 7, и фильтр 9 с сорбционной загрузкой 10, верхняя ограничительная сетка 12 которого выполнена с возможностью перемещения вдоль сливного патрубка 4 корпуса 1 гидроциклона для создания псевдоожиженного слоя.