Гидроциклон

Полезная модель относится к комбинированным устройствам для разделения неоднородных жидких сред и может быть использована в сельскохозяйственной мелиорации при водоочистке или водоподготовке для систем капельного полива, микроорошения и дождевания.
Известен гидроциклон, содержащий корпус, включающий сопряженные цилиндрическую и коническую обечайки, тангенциальный ввод для подачи исходного продукта, песковый патрубок для вывода тяжелого продукта, сливной патрубок для вывода осветленного продукта, фильтрующий элемент и шламовый сборник, причем коническая обечайка снабжена отбойным устройством, жестко закрепленным на подвижном штоке, и направляющим элементом, а фильтрующий элемент выполнен в виде полупроницаемой мембраны, закрепленной в цилиндрической обечайке (Патент № 40015 RU МПК B04C 5/22 от 27.08.2004).
К недостаткам известного гидроциклона, относятся невозможность удаления из поливной воды всплывающих примесей, а также сложность конструктивного оформления и эксплуатации гидроциклона.
Известен гидроциклон, содержащий тангенциальный ввод, сливной патрубок для вывода легкого продукта с фильтрующим элементом и разгрузочный штуцер вывода тяжелого продукта, причем сливной патрубок гидроциклона в верхней части снабжен насыпным сорбционным фильтром с цеолитовой загрузкой, а фильтрующий элемент содержит внутренний и наружный слои сетчатого опорного каркаса, между которым и размещена, по меньшей мере, одна фильтровальная перегородка (Патент №158008 RU МПК B04C 5/22 от 20.12.2015).
К недостаткам известного гидроциклона относятся невозможность удаления из поливной воды всплывающих примесей и сложность регенерации насыпного сорбционного фильтра с цеолитовой загрузкой, что обусловлено необходимостью использования специальных регенерирующих растворов.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому устройству и принятому за прототип является гидроциклон, содержащий корпус, включающий сопряженные цилиндрическую и коническую обечайки, тангенциальный ввод для подачи исходного продукта, песковый патрубок для вывода тяжелого продукта, сливной патрубок для вывода осветленного продукта, снабженный фильтрующим элементом с фильтрующей боковой поверхностью и цилиндрическим сорбционным фильтром, погруженным по верхний край тангенциального ввода, установленным коаксиально со сливным патрубком и размещенным на диске, образующим сверху в цилиндрической обечайке дополнительную камеру для сбора осветленного продукта, снабженную дополнительным сливным патрубком для вывода осветленного продукта (Патент №184122 RU МПК B04C 5/22 от 16.10.2018).
,
К недостаткам известного гидроциклона относится недостаточная  эффективность удаления из поливной воды всплывающих примесей вследствие избирательного поглощения загрязняющих веществ сорбционным фильтрома также сложность регенерации сорбционного фильтра, что обусловлено необходимостью использования специальных регенерирующих растворов.
Техническим результатом является повышение эффективности очистки поливной воды от всплывающих примесей.
10
25
Поставленный технический результат достигается тем, что гидроциклон, содержащий корпус, включающий сопряженные цилиндрическую и коническую обечайки, тангенциальный ввод для подачи исходного продукта, песковый патрубок для вывода тяжелого продукта, сливной патрубок для вывода осветленного продукта, снабженный фильтрующим элементом с фильтрующей боковой поверхностью, и цилиндрический сорбционный фильтр, нижний край которого находится на уровне верхнего края тангенциального ввода, установленным коаксиально со сливным патрубком на диске, образующем в цилиндрической обечайке дополнительную верхнюю камеру для сбора осветленного продукта с дополнительным сливным патрубком для его вывода, причем цилиндрический сорбционный фильтр выполнен из пористого волокнистого материала, предварительно обработанного гидрофобным реагентом – полипропиленом, полиизопреном, полиизобутиленом, полибутадиеном, масса которого составляет 0,4-1,4 % от массы пористого волокнистого материала сорбционного фильтра, и сорбентом нефтепродуктов – смесью фракций алкилкарбоновых кислот с длиной органической цепи C-C, масса которого составляет 2,4-3,4 % от массы пористого волокнистого материала сорбционного фильтра.
10
25
Цилиндрический сорбционный фильтр, выполненный из пористого волокнистого материала, в качестве которого могут быть использованы различные носители: хлопок, базальтовое волокно, торф, техническая вата, нитрон и иные синтетические и натуральные волокнистые материалы, обработанный гидрофобным реагентом – полипропиленом, полиизопреном, полиизобутиленом, полибутадиеном,  и сорбентом нефтепродуктов – смесью фракций алкилкарбоновых кислот с длиной органической цепи C–C, позволяет эффективно удалять из осветленного продукта такие всплывающие примеси как нефтепродукты и регенерировать сорбционный фильтр путем воздействия центробежных сил или давления, что исключает использование специальных регенерирующих растворов в процессе восстановления его свойств.
Предварительная обработка пористого волокнистого материала сорбционного фильтра полипропиленом, полиизопреном, полиизобутиленом, полибутадиеном,  обеспечивает его гидрофобными свойствами, что позволит дольше сохранять его сорбционную способность, а значит и высокую эффективность очистки поливной воды от всплывающих примесей.
10
25
Предварительная обработка пористого волокнистого материала сорбционного фильтра смесью фракций алкилкарбоновых кислот с длиной органической цепи C–C, обеспечивает цилиндрический сорбционный фильтр свойствами, притягивающими нефтепродукты, что позволяет значительно повысить эффективность очистки поливной воды от всплывающих примесей.
Обработка сорбционного фильтра гидрофобным реагентом в соотношении более 1,4 % от массы пористого волокнистого материала, и сорбентом нефтепродуктов менее 2,4 % от массы пористого волокнистого материала, не обеспечивает достаточную сорбционную емкость фильтра, и, следовательно, снижает эффективность улавливания всплывающих примесей из воды.
Обработка сорбционного фильтра гидрофобным реагентом в соотношении менее 0,4 % от массы пористого волокнистого материала, и сорбентом нефтепродуктов более 3,4 % от массы пористого волокнистого материала, не приводит к значительному росту сорбционной емкости фильтра, при этом гидрофобность материала снижается, что негативно сказывается на эффективности улавливания всплывающих примесей из воды.
Эффективность очистки воды от всплывающих примесей, в том числе нефтепродуктов, характеризуется конечной (остаточной) концентрацией загрязняющих веществ на выходе из гидроциклона.  Чем выше показатель сорбционной емкости фильтра, тем ниже конечная концентрация всплывающих примесей в воде, и, следовательно, выше эффективность процесса очистки.
На чертеже изображен общий вид гидроциклона.
10
25
Гидроциклон содержит корпус, включающий сопряженные цилиндрическую 1 и коническую 2 обечайки, тангенциальный ввод 3 для подачи исходного продукта, сливной патрубок 4 для вывода осветленного продукта, снабженный фильтрующим элементом 5 с фильтрующей боковой поверхностью, песковый патрубок 6 для вывода тяжелого продукта, установленный коаксиально со сливным патрубком 4 сорбционный фильтр 7, выполненный из пористого волокнистого материала, предварительно обработанного гидрофобным реагентом – полипропиленом, полиизопреном, полиизобутиленом, полибутадиеном, масса которого составляет 0,4-1,4 % от массы пористого волокнистого материала сорбционного фильтра 7, и сорбентом нефтепродуктов – смесью фракций алкилкарбоновых кислот с длиной органической цепи C-C, масса которого составляет 2,4-3,4 % от массы пористого волокнистого материала сорбционного фильтра 7, нижний край которого находится на уровне верхнего края тангенциального ввода 3, размещенный на диске 8, образующим сверху в цилиндрической обечайке дополнительную камеру 9 для сбора осветленного продукта, снабженную дополнительным сливным патрубком 10 для вывода осветленного продукта.
Гидроциклон работает следующим образом.
Поливная вода, содержащая грубодисперсные и тонкодисперсные механические частицы, а также примеси нефтепродуктов, поступает по тангенциальному вводу 3 в цилиндрическую обечайку 1 корпуса гидроциклона. Поток воды в гидроциклоне закручивается, при этом тяжелый продукт (грубодисперсные частицы), характеризуемый плотностью большей плотности воды, ударяясь о стенки корпуса, по конической обечайке 2 опускается вниз и выводится через песковый патрубок 6 для вывода тяжелого продукта. Тонкодисперсные частицы, содержащиеся в потоке воды, осаждаются на фильтрующей боковой поверхности фильтрующего элемента 5, а часть осветленной воды выводится по сливному патрубку 4 для вывода осветленного продукта.
10
25
Часть водного потока, преимущественно, содержащая всплывающие примеси, например нефтепродукты, с плотностью меньшей плотности осветленного продукта, двигаясь в центробежном поле, направляются от периферии корпуса к боковой фильтрующей поверхности фильтрующего элемента 5, смонтированного на сливном патрубке 4. За счет выталкивающей силы эти примеси, двигаясь по боковой фильтрующей поверхности фильтрующего элемента 5, упираются в сорбционный фильтр 7, который выполнен из пористого волокнистого материала, предварительно обработанного гидрофобным реагентом – полипропиленом, полиизопреном, полиизобутиленом, полибутадиеном, масса которого составляет 0,4-1,4 % от массы пористого волокнистого материала сорбционного фильтра 7, и сорбентом нефтепродуктов – смесью фракций алкилкарбоновых кислот с длиной органической цепи C-C, масса которого составляет 2,4-3,4 % от массы пористого волокнистого материала сорбционного фильтра 7. Сорбционный фильтр 7, установленный коаксиально со сливным патрубком 4 и размещенный на диске 8, сорбирует на своей поверхности всплывающие примеси, при этом часть потока воды, проходящего через этот фильтр 7, отводится в дополнительную камеру 9 для сбора осветленного продукта, а далее выводится через дополнительный сливной патрубок 10 вывода осветленного продукта.
Пример расчета массы сорбционного фильтра для улавливания из поливной воды нефтепродуктов.
3
Объем поливной воды, соответствующий 1 циклу работы продолжительностью τ = 10 часов гидроциклона ГН-100 производительностью Q = 5 м/ч, составляет:
3
V= Q ∙ τ = 50∙10 л.
Количество нефтепродуктов, поступающее с поливной водой при 1 цикле работы гидроциклона ГН-100 и концентрации нефтепродуктов C = 10 мг/л:
4
n = C∙V = 50∙10 мг.
Для сорбционного фильтра, содержащего 2,8 масс. % сорбента и 1,0 масс. % гидрофобного реагента, емкость E = 53,2 г нефти/на 1 г сорбента (табл.1).
Масса сорбционного фильтра (с учетом запаса работы 10 %):
m = n / E = 10,4 г.
При снижении сорбционной емкости, сорбционный фильтр регенерируется путем воздействии центробежных сил или давления.
Сорбционная емкость фильтра (А, г/г) определяет эффективность извлечения всплывающих примесей, в том числе нефтепродуктов, из воды:
н
к
А= (С – С )*V/ m
н
к
где С и С – начальная и конечная концентрации нефтепродуктов в воде, г/л;
V – объем раствора, л;
m – навеска сорбента, г.
Таким образом, при неизменных массе сорбента и начальной концентрации нефтепродуктов, чем выше показатель сорбционной емкости, тем ниже конечная концентрация нефтепродуктов в воде, и, следовательно,  выше эффективность процесса очистки.
Сорбционная емкость фильтрующего материала, не содержащего сорбент - смесь фракций алкилкарбоновых кислот, варьируется в интервале 5-15 г/г.
10
25
Таблица 1 - Характеристика сорбционного фильтра на основе хлопка, обработанного сорбентом (смесью фракций алкилкарбоновых кислот с длиной органической цепи C-C) и гидрофобным реагентом (полибутадиеном)
Состав смеси, масс. %
Относительная гидрофобность, %
Сорбционная емкость по нефти, г/г
Сорбент
Гидрофобный реагент
3,8
0,0
23
48,6
3,6
0,2
44
42,3
3,5
0,3
45
43,8
3,4
0,4
51
50,4
3,0
0,8
64
51,8
2,8
1,0
88
52,2
2,6
1,2
100
50,1
2,4
1,4
100
45,4
2,2
1,6
100
40,0
Данные, представленные в таблице 1, позволяют сделать вывод, что пористая волокнистая перегородка, гидрофобный реагент и сорбент нефтепродуктов, взятых в соотношении 100:(0,4-1,4):(2,4-3,4) обеспечивают оптимальные значения гидрофобности и емкости сорбционного фильтра.
В конструкции гидроциклона, взятого за прототип, в качестве сорбента предложено использовать различные природные и синтетические сорбенты, в том числе модифицированные цеолиты, сорбционная емкость которых по отношению к нефтепродуктам составляет 0,25-2,8 мг/г, что значительно ниже сорбционной емкость фильтра предлагаемой конструкции (Процессы очистки сточных вод от нефтепродуктов с использованием модифицированных цеолитов: автореферат диссертация кандидата технических наук: 05.17.08  / М.В. Обуздина. - Томск, 2011. -19 с.).
10
25
Таким образом, выполнение цилиндрического сорбционного фильтра из пористого волокнистого материала, предварительно обработанного гидрофобным реагентом – полипропиленом, полиизопреном, полиизобутиленом, полибутадиеном, масса которого составляет 0,4-1,4 % от массы пористого волокнистого материала сорбционного фильтра, и сорбентом нефтепродуктов – смесью фракций алкилкарбоновых кислот с длиной органической цепи C-C, масса которого составляет 2,4-3,4 % от массы пористого волокнистого материала сорбционного фильтра, способствует значительному повышению эффективности очистки поливной воды от всплывающих примесей.