СТРУЙНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ-ОТСТОЙНИК
JET MIXER-SETTLER

Настоящее изобретение относится к системе струйного смесителя-отстойника. В данной области техники известны различные устройства смесителей-отстойников.
Патент США 3126258 описывает одновременное использование отдельных отсеков для смешивания и отстаивания в каждой из множества областей реализации стадий в сложной системе. Струйное смешивание текучих сред происходит после удаления жидкостей из камеры смешивания и их выброса обратно в камеру смешивания несколькими струями. Несмотря на отсутствие подвижных деталей внутри устройства для струйного смешивания, оно незначительно отличается по функциональности от устройства с механическим смешиванием. Резервуар для отстаивания работает непрерывно с расходом, определяемым в соответствии с требованиями к отстаиванию в каждой области реализации стадии, при полном расходе, соответствующем каждому противоточному потоку. Поэтому пропускная способность не регулируется в широком диапазоне, и может быть достигнуто состояние, известное как "затопление", при этом отстаивание является неполным и вместо разделенных текучих сред перемещают смешанные текучие среды. Перемещение текучих сред происходит одновременно через соединительные трубки или каналы и зависит от силы тяжести в сочетании с различиями плотности текучей среды и относительной высоты подъема последовательных областей реализации стадий. Поскольку эта высота постоянна, возможность создания потоков с различной скоростью ограничена.
В патентах США 2646346, 2754179, 2980514, 3089756 и 320688 описаны системы, которые имеют отдельные камеры для смешивания и отстаивания с механическим перемешиванием и которые обычно имеют характеристики, аналогичные описанным в настоящем документе в отношении патента США 3126258. Патент США 3549332 раскрывает три разнесенные во времени подоперации смешивания и перемещения легких и тяжелых текучих сред в противоположных направлениях. Каналы для соединения областей реализации стадий соединяют дно одной области реализации стадии с верхней частью другой области реализации стадии для того, чтобы обеспечить различные перемещения вперед и назад. Каналы не предназначены для смешивания. В этом патенте не предполагается возможность использования нескольких физических областей реализации стадий на каждую рабочую стадию. Перемещение текучей среды всегда происходит с перетеканием одной текучей среды в другую. Таким образом, перемещение объема текучей среды большего, чем нормальный рабочий объем этой текучей среды, в область реализации стадии требует отстоя текучей среды или быстрого поднятия через другую текучую среду. Это может привести к некачественному смешиванию и засасыванию. Данный фактор является очень важным в крупномасштабных системах, где некачественное перемешивание может создать большие проблемы, поскольку площадь поперечного сечения потока в областях реализации стадий увеличивается пропорционально расходу в степени 2/3 при аналогичном времени протекания. В цитируемом документе перемешивание осуществляется с помощью механического перемешивания, и нет предложений устранения механических средств перемешивания с перемещением вместо этого потоков. Описанная в этом источнике методика не применима к операциям с жидкостями/ твердыми материалами, потому что перемещение любой текучей среды подразумевает перемещение снизу из уплотненного слоя, где легко могут возникнуть закупорки.
В данном описании слово "легкий" используется для удобства, чтобы обозначить текучую среду, имеющую меньшую плотность, чем другая текучая среда, которая, в свою очередь, именуется "плотной текучей средой".
На фиг. 1 прилагаемых к патенту чертежей показано устройство 10, названное в описании заявки ЮАР на патент 2012/03142 колонкой смесителя-отстойника и предназначенное для циклического смешивания, отстаивания и перемещения текучей среды противотоком во множестве отдельных режимов. Эти операции осуществляются в различные периоды времени в тех же физических областях вместо использования различных физических областей для различных операций. Устройство содержит вертикально ориентированную колонку. Единая колонка со стандартными пластинами может быть использована для любого из некоторого количества процессов в широком диапазоне рабочих условий. Режимы использования включают в себя контактирование жидкость-жидкость, противоточную декантацию, противоточный ионный обмен, противоточное выщелачивание и сгущение.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для многоблоковых противоточных операций смешивания и отстаивания с горизонтальным расположением блоков. Такие операции также включают в себя контактирование жидкость-жидкость, противоточную декантацию, противоточный ионный обмен, противоточное выщелачивание и сгущение.
Горизонтальное расположение блоков может обеспечить несколько преимуществ в зависимости от практических потребностей и ограничений. В некоторых случаях верхняя часть опорной конструкции при горизонтальном расположении набора блоков (или в горизонтально ориентированном устройстве), как правило, менее сложная и дорогостоящая, чем в случае вертикальной колонки. Набор горизонтально расположенных блоков часто более удобно обслуживать при работе на уровне земли, при осушении, очистке и ремонте отдельных блоков. В тех случаях, когда для процесса требуется много блоков, использования высоких или протяженных последовательностей блоков можно избежать, используя вертикальную колонку, состоящую из вертикально составленных слоев, в каждом из которых размещено некоторое количество расположенных по горизонтали блоков.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к смесителям-отстойникам и включает по меньшей мере первый и второй блоки, расположенные горизонтально относительно друг друга, причем каждый блок содержит соответствующую закрытую камеру и канал для перемещения, первый конец которого выходит к верхней области первого блока, а второй конец выходит к верхней области второго блока, который соединяет верхнюю область первого блока с верхней областью второго блока и который имеет такую форму, что обеспечено увеличение расхода протекающей от первого блока ко второму блоку текучей среды.
Смеситель-отстойник может быть соединен через отверстия для текучей среды к внешнему источнику давления, прикладывающему давление к текучим средам в блоках.
Соответствующая камера в каждом блоке может иметь цилиндрическую форму. Блоки могут быть расположены вдоль общей горизонтальной оси. Блоки могут примыкать друг к другу, между ними могут иметься вертикальные перегородки. Таким образом, соседние блоки могут иметь общие или близко расположенные стенки. В альтернативном варианте блоки могут быть разнесены по горизонтали.
Каждый блок имеет объем с текучей средой, расположенный ниже уровня канала для перемещения и обеспечивающий улавливание плотной текучей среды с предотвращением ее вытекания в соседний блок.
Канал для перемещения может сужаться, то есть площадь его поперечного сечения может уменьшаться в направлении от первого блока ко второму блоку.
Когда текучая среда протекает с относительно высоким расходом от первого конца канала ко второму концу, второй конец может выполнять функцию сопла для выброса текучей среды во второй блок, предпочтительно в направлении области во внутренней части второго блока, которая расположена на максимальном расстоянии от сопла (второй конец канала). В этом случае струи выбрасываемой текучей среды вызывают турбулентное перемешивание текучей среды во втором блоке.
Когда текучая среда протекает с расходом от низкого до умеренного от второго конца канала к первому концу, первый конец может реализовывать функцию выброса текучей среды в первый блок с относительно низкой скоростью таким образом, чтобы не нарушать плотную текучую среду, содержащуюся внутри первого блока. В этом случае легкая текучая среда, находящаяся над плотной текучей средой во втором блоке, перемещается со смешиванием с легкой текучей средой, находящейся над плотной текучей средой в первом блоке, или с ее перемещением.
Канал для перемещения может быть расположен снаружи первого и второго блоков. В альтернативном варианте он может быть расположен внутри первого и второго блоков. В обоих случаях канал может входить на некоторое расстояние в один или оба блока.
В соответствии с требованиями, третий блок может быть соединен со вторым блоком аналогично тому, как второй блок соединен с первым, а четвертый блок может быть аналогично соединен с третьим блоком и так далее.
Возможны и другие конструкции. Например, блоки могут быть расположены в виде колонки, которая включает некоторое количество слоев из блоков, и слои вертикально расположены друг над другом.
Отдельные блоки могут быть различной длины и формы, но их объемы и поперечные сечения каналов, как правило, одинаковы по размерам. В соответствии с требованиями, каждый блок может включать выпускное отверстие или клапан для осмотра и технического обслуживания при необходимости.
Термин "подающий конец для смешивания" используется для обозначения такого конца последовательности блоков устройства, что если текучая среда вводится на этом конце, обеспечено ее течение в смежных каналах устройства от первых концов ко вторым концам соответствующих каналов. И наоборот, термин "подающий конец для перемещения" используется для обозначения такого конца последовательности блоков, что если текучая среда вводится на этом конце, обеспечено ее течение в смежных каналах устройства от вторых концов к первым концам соответствующих каналов.
Смешивание может быть выполнено в течение заданного периода рабочего цикла ("подцикл смешивания") путем введения текучей среды с подходящим высоким расходом в устройство на подающем конце для смешивания или вблизи него, что заставляет поток текучей среды течь к подающему концу для передачи и вызывает смешивание плотных и легких текучих сред в каждом блоке устройства. Объем перемещенной плотной текучей среды за такой период может быть объемом плотной текучей среды, который необходимо обработать с помощью устройства за полный рабочий цикл.
Отстаивание может быть выполнено в течение заданного периода рабочего цикла после смешивания. В этом периоде течение текучей среды из концов и в концы устройства остановлено.
Перемещение легкой текучей среды может быть осуществлено в течение заданного периода рабочего цикла после отстаивания путем введения текучей среды с подходящим расходом от низкого до умеренного в устройство на подающем конце для перемещения или вблизи него, в результате чего поток текучей среды перемещается к подающему концу для смешивания, а легкая текучая среда перемещается только от блока к блоку внутри устройства. Объем передаваемой текучей среды за такой период может включать в себя объем, достаточный для возврата аналогичного объема легкой текучей среды, перемещенной за время предшествующего подцикла смешивания, и дополнительного объема легкой текучей среды с получением полного объема перемещенной легкой текучей среды, который может быть необходимо обработать устройством за полный рабочий цикл.
Противоток легкой и плотной текучей среды требует наличия на подающем конце для перемещения приспособления для разделения плотной и легкой текучей сред в соответствующем блоке. Это разделение может быть сделано снаружи блоков устройства или в концевом блоке устройства. В последнем случае канал для перемещения концевого блока на подающем конце для перемещения предпочтительно не должен сужаться в сопло, и на этом конце может быть два отверстия для текучей среды: верхнее двухстороннее отверстие для легкой текучей среды, расположенное на уровне, аналогичном уровню каналов для перемещения, и нижнее выходное отверстие для плотной текучей среды на уровне ниже верхней части заполненного объема блока.
На подающем конце для смешивания только легкие текучие среды выходят из подающего отверстия для смешивания в течение периода перемещения, а подача плотной текучей среды и некоторых обратно поступающих легких текучих сред производится внешними средствами через то же отверстие в течение периода смешивания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение далее описано на примерах со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематически показан вид сбоку струйного смесителя-отстойника, который включает в себя некоторое количество горизонтально расположенных блоков с внешними межблочными каналами;
на фиг. 2 показана система, аналогичная проиллюстрированной на фиг. 1, но с внутренними межблочными каналами;
на фиг. 3 показана по существу такая же конструкция, как конструкция системы на фиг. 2, но с конечным блоком на подающем конце для перемещения, имеющим два отверстия для текучей среды, и с межблочным каналом, не сужающимся в сопло;
фиг. 4 представляет собой вид сбоку устройства, которое включает в себя уложенные слоями горизонтально расположенные блоки; и
фиг. 5 представляет собой вид в разрезе смесителя-отстойника, изображенного на фиг. 4.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
На фиг. 1 показан вид в разрезе и вид сбоку смесителя-отстойника 10 в соответствии с изобретением. Устройство содержит набор горизонтально расположенных блоков 12, 14 и 16. Показаны три блока. Это количество не является ограничительным, и количество блоков в наборе может быть изменено. Каждый блок содержит соответствующую закрытую камеру. Камеры расположены вдоль общей горизонтальной оси 20. В данном примере камеры расположены близко друг к другу, по существу примыкая друг к другу, или выполнены за одно целое, а между соседними камерами имеются вертикальные перегородки 22.
Каждая камера имеет соответствующий выпускной клапан 26. При необходимости для осмотра и технического обслуживания в верхней части каждого блока могут быть выполнены отверстия, не показанные на чертежах.
Первый блок 12 имеет по меньшей мере одно отверстие 30 для текучей среды, и последний блок в наборе имеет по крайней мере одно отверстие 32 для текучей среды. Между соседними камерами расположены соответствующие каналы 40 и 42 для перемещения. Канал 40 имеет входное отверстие 40А, которое расположено в верхней области 12А блока 12. Канал имеет сужающуюся форму, и площадь его поперечного сечения уменьшается в направлении выходного отверстия 12В в верхней области 14А блока 14. Выпускной канал направлен не вертикально вниз, а под углом, чтобы текучая среда, выходящая из канала, протекала максимальное расстояние внутри блока 14 - это указано пунктирной линией 44, которая проходит от выходного отверстия 12В в направлении размещенного по диагонали нижнего конца 14В блока. Все это направлено на то, чтобы вызвать максимальную турбулентность текучей среды внутри камеры. Канал 42 ориентирован так же. Устройство 10 содержит подающий конец 46 для смешивания и подающий конец 48 для перемещения. Отверстие 32 для текучей среды в последнем блоке 16 является двухсторонним, т.е. отверстием для легкой текучей среды и выходным отверстием для плотной текучей среды.
Каналы 40 и 42 для передачи размещены снаружи блоков.
Источник 50 давления подсоединен к отверстию 30.
На фиг. 2 показана система смесителя-отстойника 10А в соответствии с изобретением, которая по существу является такой же, как показана на фиг. 1, с набором горизонтально расположенных блоков 52, 54 и 56. Однако каналы 60 и 62 для перемещения между соседними блоками расположены внутри соответствующих блоков. Аналогичным образом, отверстие 64 для текучей среды расположено внутри блока 52, а двухстороннее отверстие 66 расположено внутри блока 56.
На обоих чертежах соседние блоки выполнены с общими или близко расположенными стенками. Таким образом, блоки могут быть выполнены за одно целое или состоять из отдельных камер. Также блоки могут быть разнесены и могут соединяться с помощью каналов требуемой сужающейся формы. Блоки необязательно должны быть размещены на одной прямой, и вместо этого могут быть расположены, если смотреть сверху, вдоль кривой или комбинации соединенных прямых и кривых линий.
На фиг. 3 показана по существу такая же конструкция, как конструкция на фиг. 2, и по этой причине конструкция, представленная на фиг. 3, не описывается подробно. Аналогичные компоненты имеют одинаковые номера позиций. Основное отличие между конструкциями, изображенными на фиг. 2 и 3, состоит в том, что в последнем случае канал 62А между соседними блоками 54 и 56 не сужается в сопло и что имеется выходное отверстие 78 для плотной текучей среды, которое расположено вблизи нижней части блока 56. Вместо необходимости использования внешних средств для разделения легких и плотных текучих сред, конструкция в соответствии с фиг. 3 обеспечивает разделение легких и плотных текучих сред внутри блока на подающем конце для перемещения благодаря отсутствию турбулентного перемешивания, обеспечиваемого соплом в конечном блоке.
На фиг. 4 и 5 изображены вид сбоку и вид сверху смесителя-отстойника 80, имеющего цилиндрический корпус 82. Внутри корпуса размещены шесть слоев 84, 86, 88, 90, 92, 94 блоков, а в каждом слое горизонтально расположены четыре соответствующих блока 84А, 84В, 84С и 84D и т.д.
Отдельные блоки имеют разную длину и форму, но их объем и поперечное сечение каналов, как правило, величины одного порядка. Конечные блоки каждого горизонтального слоя соединены с блоками, расположенными выше или ниже с помощью соответствующих каналов Р, Q, R и т.д., причем частью стенки такого канала может быть часть стенки устройства.
Каналы Р, Q, R и т.д. являются внутренними. Аналогично, каналы для перемещения между соседними блоками, отмеченные только в качестве примера как X, Y, Z для слоя 90, являются внутренними и имеют форму, описанную ранее в отношении фиг. 1 и 2.
Смеситель-отстойник 80 имеет отверстие 100 для текучей среды, подсоединенное к блоку 94А в самом верхнем слое 94, и отверстие 102 для текучей среды, подсоединенное к блоку 84А в самом нижнем слое 84.
В смесителе-отстойнике согласно изобретению каждый блок, как уже отмечалось, может содержать герметичную камеру. Таким образом, перемещение текучей среды между соседними блоками может осуществляться только при подаче извне давления и не зависит от действия силы тяжести.
Устройство работает циклично с периодами смешивания, отстаивания и перемещения в каждом рабочем цикле.
Смешивание внутри каждого блока происходит за счет турбулентных завихрений, создаваемых обеспечиваемым источником 50 давления высоким расходом текучей среды, поступающей через подающий конец для смешивания, и одновременно высоким расходом текучей среды при ее перемещении от блока к блоку в направлении подающего конца для перемещения. Каждый канал направляет вниз струю текучей среды через соответствующий соседний расположенный ниже по потоку блок и создает сильную турбулентность текучей среды в этом блоке. Во время фазы смешивания плотные и легкие текучие среды перемещаются от блока к блоку в направлении от подающего конца для смешивания к подающему концу для перемещения. Плотная текучая среда не перемещается между блоками в любой момент, за исключением фазы смешивания.
Отстаивание плотной текучей среды в каждом блоке происходит во время периода отстаивания рабочего цикла, когда входящие и выходящие из устройства потоки останавливаются.
Перемещение легкой текучей среды от блока к блоку в направлении от подающего конца для перемещения к подающему концу для смешивания происходит во время периода перемещения рабочего цикла, так что перемещение легкой текучей среды во время перемешивания является по существу обратным, и перемещается дополнительный объем легкой текучей среды с получением чистого потока легкой текучей среды за рабочий цикл в направлении подающего конца для смешивания. Таким образом, система смесителя-отстойника, представленная в изобретении, имеет по одному отсеку на область реализации стадии, в котором обеспечивают смешивание и отстаивание в разное время на протяжении рабочего цикла. Смешивание осуществляют благодаря струйной подачи текучей среды и обеспечению потока в одном направлении от одной области реализации стадии к другой. Таким образом, смешивание требует только одного источника давления, которое подается извне на один из концов устройства.
В системе, описанной в изобретении, отстаивание происходит не непрерывно, а представляет собой составляющий процесс, являющийся частью полного рабочего цикла. Таким образом, обеспечено то, что рабочие стадии включают в себя несколько физических областей реализации стадий (т.е. необязательно только одну область реализации стадий), что позволяет динамично регулировать область отстаивания на каждой рабочей стадии с учетом количества рабочих стадий в колонке. Кроме того, перемещение потоков текучих сред может быть осуществлено путем подачи давления извне в различные периоды времени, чтобы обеспечить значительную гибкость процесса, не зависящую от силы тяжести.
Каналы, соединяющие верхние концы смежных областей реализации стадий, обеспечивают смешивание и перемещение текучей среды. По каналам перемещаются только легкие текучие среды между смежными областями реализации стадий, и перемещение может быть осуществлено с относительно высокими расходами и большими объемами без смешивания. Это важно в крупномасштабных системах. Смешивание осуществляется, как уже отмечалось, с помощью струйной подачи, обеспечиваемой во время процесса посредством одного внешнего источника давления. Таким образом, перемещение текучей среды по крайней мере между двумя соседними блоками используют для того, чтобы создать смешивание и, таким образом, устранить потребность в отдельном способе смешивания. Кроме этого, система, описанная в изобретении, применима к операциям с жидкими/твердыми веществами и позволяет эффективно обрабатывать уплотненные слои.