УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕСКРЕМНИВАНИЯ ВОДЫ

Полезная модель относится к области очистки воды от кремнекислых соединений и может быть использована для подготовки производственных и хозяйственно-питьевых вод, а также для очистки сточных вод.
Известна установка для обескремнивания воды путем фильтрования через слой магнезиального сорбента, в качестве которого может быть использован каустический магнезит, каустический или декарбонизированный доломит [Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод: Учеб. для вузов. - М.: Высшая школа, 1987, 479 с., с. 438]. Установка состоит из водоподогревателя и фильтра, заполненного сорбентом. Очищаемая вода сначала нагревается до температуры 40÷50°С, а затем фильтруется через слой сорбента. Данная установка позволяет уменьшить содержание кремнекислых соединений в воде. Недостатками установки являются высокоэнергозатратный нагрев воды и необходимость перезагрузки фильтрата при полном заполнении сорбционной емкости сорбента, поскольку сорбент не регенерируется.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является установка для обескремнивания воды магнезиальным сорбентом, позволяющим сорбировать из водного раствора коллоидную и молекулярнодисперсную кремниевую кислоту [Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод: Учеб. для вузов. - М.: Высшая школа, 1987, 479 с., с. 436]. Установка состоит из водоподогревателя, реагентного бака, напорного дозатора, насоса для рециркуляции осадка, осветлителя с каскадным подогревателем и фильтра. Очищаемая вода сначала поступает в водоподогреватель, где нагревается до 35-45°С. Затем в нее вводится при помощи напорного дозатора магнезиальный сорбент из реагентного бака. После чего вода поступает в осветлитель. При помощи насоса для рециркуляции осадок из осветлителя вновь подается к месту ввода магнезиального сорбента и используется повторно до полного заполнения сорбционной емкости сорбента. Вода из осветлителя поступает в фильтр, заполненный магнезиальным сорбентом, где происходит ее доочистка. Установка позволяет уменьшить содержание кремнекислых соединений в воде. Использование в схеме установки осветлителя позволяет организовать непрерывную очистку с рециркуляцией осадка, при которой основное количество кремнекислых соединений улавливается в осветлителе, а на фильтр доочистки поступает предочищенная вода. Важным условием эффективной работы осветлителя является обеспечение постоянства подогрева воды. Колебания температуры обрабатываемой воды вызывают ухудшение результатов обескремнивания вследствие возникновения в осветлителе под действием температуры дополнительного движения воды, снижающего фактическую продолжительность контакта отдельных порций жидкости со взвешенным осадком. Кроме того, образованные температурные потоки резко ухудшают осветление воды и могут вызывать вынос осадка из осветлителя на фильтры. Колебание температуры нежелательно при всех случаях обработки воды методами осаждения. Отрицательное действие его особенно резко сказывается при магнезиальном обескремнивании, когда стремятся поддерживать наибольший слой взвешенного осадка в осветлителях и, следовательно, защитный слой осветленной воды над ним вынужденно оказывается минимальным. Понижение температуры воды при использовании данной установки не является целесообразным, так как это приводит к увеличению расхода обескремнивающего реагента [СО.34.37.513 (РД 34.37.513) Руководящие указания по магнезиальному обескремниванию воды [Электронная версия]/ Утв. Союзглавэнерго; Разраб. ВТИ: В.М. Квятковский, Л.М. Живилова, А.И. Баулина. - М.: Госэнергоиздат, 1961, 100 с., с. 9].
3
Установлено, что при увеличении температуры воды выше 120-130°С эффект обескремнивания повышается, а расход реагентов и время контакта снижаются вдвое. Однако подогрев, в частности, скважинной воды сопряжен с большими затратами электроэнергии. Так, при необходимости ее нагрева от 4 до 40°С требуется затратить электроэнергию более 42 кВт⋅ч (151,2 кДж) на 1 м воды [Николадзе, Г.И. Технология очистки природных вод: Учеб. для вузов. - М.: Высшая школа, 1987, 479 с., с. 438; Перышкин, А.В. Физика. 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. - 13-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010, 191 с., с. 23, 122].
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение энергозатрат, расходуемых на подогрев воды.
Указанный результат достигается тем, что устройство для обескремнивания воды, включающее инжекционный клапан, к входу которого присоединен через регулирующую задвижку и расходомер повышающий насос и через порошковый дозатор, реагентную камеру и насос-дозатор порошковая емкость, а к выходу последовательно присоединены две параллельно установленные и имеющие на входах и выходах регулирующие задвижки камеры хлопьеобразования перекачивающий насос, осветлитель и два параллельно установленные и имеющие на входах и выходах регулирующие задвижки фильтра, при этом выход для шлама осветлителя присоединен через дозирующий клапан, приемную емкость для шлама и второй насос-дозатор к снабженному регулирующей задвижкой входу инжекционного клапана, а также к снабженному регулирующей задвижкой входу блока обезвоживания и переработки шлама, дополнительно содержит между инжекционным клапаном и камерами хлопьеобразования два параллельно установленных и имеющих на входах и выходах регулирующие задвижки кавитационных реактора.
Раскрытие сущности полезной модели.
На фигуре показана схема устройства для обескремнивания воды магнезиальным сорбентом без использования подогрева.
Обескремнивание в предлагаемом техническом решении осуществляют следующим образом. Исходная вода, содержащая кремнекислые соединения, подается в устройство повышающим насосом 1, на выходе которого установлена регулирующая задвижка 2, необходимая для создания требуемого расхода воды, контролируемого установленным после нее расходомером 3, выход которого присоединен к входу инжекционного клапана 4. В исходную воду через инжекционный клапан 4 при помощи насоса-дозатора 34 вводится суспензия магнезиального сорбента, приготавливаемая в реагентной камере 33 из порошкообразного магнезиального сорбента, дозируемого порошковым дозатором 32 из порошковой емкости 31, и воды. Далее поток из инжекционного клапана 4 поступает на один из двух установленных параллельно кавитационных реакторов 7 или 8, обеспечивающих интенсификацию сорбции кремнекислых соединений магнезиальным сорбентом, на входах и выходах которых установлены соответственно регулирующие задвижки 5, 9 и 6, 10. Использование в схеме двух кавитационных реакторов необходимо с технологической точки зрения для обеспечения непрерывности проводимого процесса очистки воды: при механическом износе элементов кавитационного реактора требуется их замена и соответственно отключение данного узла от сети. Выходы кавитационных реакторов присоединены к входу двух параллельно установленных камер хлопьеобразования 15 и 16, имеющих на своих входах и выходах регулирующие задвижки 11, 13 и 12, 14 соответственно. Суспензия после кавитационной обработки поступает в одну из данных камер, необходимых для протекания коагуляционных процессов, сопровождающихся образованием диспергированных в объеме хлопьев, и дегазации воды. После заполнения одной камеры хлопьеобразования при помощи регулирующих задвижек 11-14, управляемых автоматизированной системой, поток перенаправляется в смежную камеру. Автоматизация управления задвижками необходима для стабилизации расхода подаваемой в осветлитель воды. Полученная взвесь из заполненной камеры перекачивающим насосом 17 подается в осветлитель 18, выход для шлама которого присоединен через дозирующий клапан 25, позволяющий отводить заданное количество осадка, к входу приемной емкости для шлама 26, оборудованной мешалкой, а выход для предочищенной воды подсоединен к двум параллельно установленным фильтрам 21 и 22. В осветлителе 18 задерживается около 95% образованного в камерах хлопьеобразования 15 и 16 осадка, который после удаления из осветлителя 18 направляется на повторное использование, переработку или утилизацию. Предлагаемое техническое решение предусматривает многократное использование магнезиального сорбента, накапливающегося в виде суспензии в емкости для шлама 26, из которой в зависимости от назначения он подается насосом-дозатором 27 либо повторно в линию очищаемой воды посредством инжекционного клапана 4, отделенного от насоса-дозатора 27 регулирующей задвижкой 28, либо в блок обезвоживания и переработки шлама 30, отделенного от насоса-дозатора регулирующей задвижкой 29. Кратность рециркуляции шлама определяется экспериментально в процессе работы линии в зависимости от вида используемого магнезиального сорбента. После истощения сорбционной емкости шлама он утилизируется либо реализуется как сырье для приготовления магнийсодержащих удобрений, огнеупорных материалов, магнезиального цемента или как лигатура для получения сплавов в металлургии. Фильтры 21 и 22 заполнены магнезиальным сорбентом и необходимы для доочистки воды от взвешенных примесей. Магнезиальный сорбент в фильтрах после истощения его сорбционной емкости подлежит замене, в связи с чем фильтры 21 и 22 работают поочередно. Режим работы фильтров 21 и 22 задается установленными на их входах и выходах регулирующими задвижками 19, 23 и 20, 24 соответственно.
Осуществление полезной модели.
Заявленное устройство может быть реализовано с использованием следующих приборов:
в качестве запорно-регулирующей арматуры можно применить регулирующие задвижки с электроприводом типа 30ч906бр;
в качестве расходомера может быть использован турбинный счетчик воды типа ВВ;
в роли инжекционного клапана может выступать инжекционный клапан для воды любого типа;
клапан дозирующий мембранного или поршневого типа;
повышающий и перекачивающие насосы могут быть центробежными марки К;
конструкция проточного кавитационного реактора может соответствовать техническому решению, изложенному в патенте РФ 2445272 от 07.10.2010, з. № 2010141209/05, 07.10.2010, МПК C02F 1/36, C02F 1/50, C02F 103/04, C02F 103/42, опубл. в Бюл. № 8 от 20.03.2012;
камеры хлопьеобразования могут быть выполнены в виде емкостей из стали или стеклопластика;
осветлитель вертикальный, соответствующий ТУ 34.42.10544-97;
фильтры в виде емкостного оборудования из стали или стеклопластика, заполненного магнезиальным сорбентом;
насос-дозатор, реагентная камера, порошковый дозатор, производимые в виде дозировочных станций типа Medomat;
порошковая емкость из полипропилена;
емкость для шлама из износостойкого материала;
блок обезвоживания и переработки шлама с использованием фильтр-пресса и системы термической обработки в виде барабанной вальцовой сушилки;
2
В полезной модели предложено использовать проточный кавитационный реактор, который обеспечивает интенсификацию сорбции кремнекислых соединений магнезиальным сорбентом за счет создания в зоне кавитации экстремальных условий: температуры до 2000°С, давления до 1500 МПа, при схлопывании микропузырьков образуются кумулятивные микроструи со скоростями порядка 200÷1000 м/с [Беляев А.Н. Гидродинамическая кавитационная обработка как инструмент интенсификации реагентных процессов в промышленных технологиях / А.Н. Беляев, И.В. Флегентов // Журнал прикладной химии. – 2014, т. 87,. №8, с. 1092-1100; Гидродинамика больших скоростей: межвуз. сб./отв. ред. В.А. Кулагин. - Красноярск: Краснояр. политехн. ин-т, 1989, с. 27-32]. В данных условиях молекулярные соединения металлов оказываются на орбите (на сфере) пузырька и под действием огромных сил схлопывания устремляются в фокус коллапсирующего пузырька и нагреваются до высоких температур. Находящиеся на сфере и в фокусе пузырька молекулы с огромной силой сталкиваются и слипаются, образуя при этом поличастицы сложного состава, формирующие хлопьевидный осадок. Частицы на основе MgO и Mg(OH), образующиеся при гидратации магнезиального Сорбента, представляют собой положительно заряженные мицеллы, окруженные гидроксильными ионами [СО 34.37.513 (РД 34.37.513) Руководящие указания по магнезиальному обескремниванию воды [Электронная версия]/Утв. Союзглавэнерго; Разраб. ВТИ: В.М. Квятковский, Л.М. Живилова, А.И. Баулина. - М.: Госэнергоиздат, 1961, 100 с., с. 3]. Установлено, что в таких экстремальных условиях сферического симметричного схлопывания пузырька погибают споры грибков и бактерий.
3
Предлагаемый проточный кавитатор относится к прибору нулевого порядка, статические характеристики которого не зависят от времени, в то время как водоподогреватель, используемый в прототипе, - прибор первого порядка с зависимыми от времени параметрами процесса [Болтон У. Карманный справочник инженера-метролога. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2002, 384 с., с. 31-34]. В связи с этим при использовании локального кавитационного воздействия удается исключить колебания температуры воды, поступающей в осветлитель, что гарантирует стабильность процесса осветления. Замена общего подогрева воды, осуществляемого водоподогревателем и каскадным подогревателем в осветлителе, на локальное кавитационное воздействие позволяет уменьшить затраты электроэнергии до 0,7 кВт⋅ч (2,5 МДж) на 1 м воды. Электроэнергия расходуется только на работу повышающего насоса.