УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЫСТРОГО СМЕШЕНИЯ РЕАГЕНТОВ
DEVICE FOR FAST MIXING OF REAGENTS

Предлагаемое изобретение относится к устройствам, предназначенным для очистки оборотных, природных поверхностных и подземных вод для хозяйственных и питьевых целей. В частности, относится к смесительным устройствам для процессов водоподготовки питьевой воды на насосно-фильтровальных станциях водоканалов и промышленной воды ТЭЦ.
Известна конструкция пневмогидравлического диспергатора (полезная модель RU №27506, опубл. БИ №4, 10.02.2003 г.), предназначенная для аэрации пульпы в процессах обогащения и очистки сточных вод. Диспергатор состоит из ряда камер, соединяющихся между собой с помощью патрубков, в каждой из которых размещена ударная перегородка, установленная соосно патрубку, кроме того, внутри патрубков установлены инжекторы и цилиндры со штуцерами для подвода воздуха. Принцип работы диспергатора основан на ударе водовоздушной смеси о преграду с определенной скоростью в последовательно расположенных соплах для получения ряда типоразмеров пузырьков. Однако конструкция такого аппарата не может быть использована для эффективного смешения растворов реагентов в больших объемах обрабатываемой воды по ряду конструктивных особенностей, высоких энергозатрат для разгона потока в соплах и высокой потери напора.
Известно устройство для смешивания жидкости, которое может использоваться и в системах водоподготовки, и очистки сточных вод, содержащее трубчатый корпус и смеситель в виде гофрированной полосы, участки которой расположены под углом друг к другу. Смесительный элемент имеет вырезы - сквозные окна для прохода потока (полезная модель RU №75959, опубл. 10.09.2008 г.).
Вставки устройства перекрывают значительную часть потока, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления устройства и соответственно высокой потере напора.
Известно устройство для флокулирования (АС РФ №740289), предназначенное для повышения эффективности смешения флокулянта и снижения расхода реагентов. Принцип действия устройства основан на изменении скорости и направления потока в турбулизирующей вставке, выполненной в виде системы плоских лопастных элементов, между которыми расположены патрубки для подачи реагента. Известен также ряд близких по конструкции устройств - трубчатые смесители (Б.Н.Фрог. Водоподготовка / Под редакцией Николадзе Г.И. Издат. МГУ, 2001 г., издание 2, стр.123-127), принцип действия которых также основан на изменении скорости и направления потока. Недостатком вышеперечисленных устройств является высокая потеря напора и соответственно энергии, что не позволяет использовать такие устройства при обработке значительных количеств воды.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство по патенту RU №2324530, МПК 6 B01F 5/00, содержащее камеру, на входе которой размещены сопла, а на выходе - ударные перегородки, в камере также размещены боковые вставки, делитель и плоские вставки, образующие параллельно сужающиеся плоские сопла, короткая часть вставок образует ударную стенку. Потоки в устройстве разгоняются до заданной скорости, после разгона потоков происходит соударение каждого плоского потока с ударной стенкой Г-образной вставки и ударной перегородкой, после соударения в устройстве происходит завершение перемешивания при невысоких скоростях потока.
Однако клиновидные делитель и вставки устройства имеют пустоты, не участвующие в процессе смешения и перекрывающие часть потока, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления и металлоемкости устройства.
Технической задачей является повышение качества очищаемой воды за счет повышения скорости смешения реагентов во всем объеме обрабатываемой воды, снижение гидравлического сопротивления устройства и уменьшение металлоемкости конструкции.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройстве для быстрого смешения реагентов, содержащем камеру, на входе которой размещены сопла, а на выходе по обе стороны камеры расположены направляющие в форме клина, в камере устройства вдоль ее боковых стенок размещены вставки равной длины, в центре камеры размещен делитель, по обе стороны делителя на равном расстоянии относительно оси камеры расположены плоские вставки, образующие параллельно сужающиеся плоские сопла и ударную стенку, образованную короткой частью плоских вставок, при этом вставки вдоль боковых стенок выполнены плоскими, делитель выполнен плоским и имеет Т-образную форму, короткая часть которого направлена к выходу камеры, по меньшей мере, две плоские вставки по обе стороны делителя на равном расстоянии относительно оси камеры выполнены фигурными, при этом часть вставок, обращенных к входу камеры, выполнены прямыми, расположенными параллельно друг другу и образующими сопла, а другая часть вставок переходит в Г-образную форму, соединенную с прямой частью под углом, при этом ударные стенки плоских фигурных вставок расположены друг от друга на расстоянии, равном 1,5-3,0 ширины сужающейся части сопла, а вставки вдоль боковых стенок установлены параллельно части вставки, имеющей Г-образную форму, и примыкают к боковой стенке так, чтобы образовать сопло с частью фигурных плоских вставок, выполненных прямыми.
Отличительными признаками изобретения являются: формы выполнения элементов устройства, размеры, расположение, соотношение размеров.
Поставленная задача достигается тем, что весь поток воды в корпусе устройства делится на несколько плоских ламинарных потоков в соплах, образованных делителем плоскими и фигурными вставками. В начале сопел идет предварительный разгон ламинарных потоков. Ускоренные в начале сопел потоки попадают в следующую часть сопел, выполненную в виде вставок Г-образной формы и соединенных с прямой частью под углом. В этой части идет сужение потоков и повышение скорости их движения до необходимой. При последующем ударе потоков с необходимой скоростью об ударные стенки на выходе из сопел происходит быстрое и практически полное смешение реагентов во всем объеме обрабатываемой воды. Дальнейшему смешению образовавшихся турбулентных потоков на выходе из камеры также способствует выполненная плоской короткая часть делителя.
Таким образом, идет поэтапное усиление смешения реагентов до выхода из камеры. Это является особо значимым фактором при смешении коагулянтов, поскольку, как правило, в растворах коагулянтов формируются высокозарядные аквагидроксокомплексы металлов, дестабилизирующие частицы загрязнений, а время пребывания в воде таких комплексов до их полного превращения в гидроксиды металлов чрезвычайно мало.
Конструкционные особенности устройства - выполнение делителя, фигурных вставок с изогнутой частью, позволяют повысить интенсивность смешения, снизить потери напора, уменьшить металлоемкость конструкции.
Сущность технического решения поясняется рис.1 и описанием работы устройства.
На рис.1 показан вид устройства сверху в разрезе. Устройство для быстрого смешения состоит из камеры 1, например, прямоугольной или цилиндрической формы, вдоль ее боковых стенок размещены плоские вставки 2 равной длины, в центре камеры размещен делитель 3, имеющий Т-образную форму, короткая часть которого направлена к выходу камеры 1. По обе стороны делителя 3 на равном расстоянии относительно оси камеры расположены, по меньшей мере, две плоские фигурные вставки 4, часть этих вставок выполнены прямыми 4.1, другая часть переходит в Г-образную форму 4.2, соединенную с прямой частью под углом, при этом ударные стенки 5 плоских вставок расположены друг от друга на расстоянии, равном 1,5-3,0 ширины сужающейся части сопла, на выходе по обе стороны камеры расположены направляющие в форме клина 6.
Устройство для быстрого смешения работает следующим образом. В поток воды перед устройством вводят реагенты. Далее весь поток, проходя через камеру 1, делится на несколько плоских по форме потоков, образующихся за счет вставок 2, 4.1 и делителя 3. Потоки разгоняются до заданной скорости, причем вихревые зоны между потоком и вставками, образующими сопла, минимальны. После разгона до заданной скорости потоки направляются в часть фигурных вставок 4.2, где идет их дальнейшее ускорение, при ударе потоков об ударные стенки 5 плоских фигурных вставок происходит полное смешение реагентов во всем объеме обрабатываемой воды практически мгновенно, при этом скорость деформации потока многократно возрастает, что ведет к резкому увеличению момента усреднения концентрации и сближению беспорядочно расположенных частиц загрязнений воды. Затем образовавшиеся турбулентные потоки объединяются и дополнительно смешиваются на выходе из камеры за счет короткой части делителя, выполненной в виде плоской пластины и направляющих в форме клина 6.
3
3
Испытания устройства проводили с апреля 2009 г. по май 2010 г. на производственных водоочистительных сооружениях №1 МУП г. Новосибирска «Горводоканал». Испытания проведены в полном цикле реагентной очистки на всем объеме очищаемой воды (~260000 м/сут), объем очищаемой воды на устройство составлял ~130000 м/сут. Испытания проводились в сравнении с действующим в водоочистительных сооружениях устройством, описанным в патенте RU №2324530, МПК 6 B01F 5/00. В период испытаний использовался коагулянт оксихлорид алюминия (ОХА) в сочетании с флокулянтом на основе полидиаллилдиметиламмонийхлорида - ВПК-402. Расход ОХА в зависимости от сезона и мутности воды менялся в пределах от 4 мг/л до 50 мг/л, флокулянта от 0,05 мг/л до 0,3 мг/л.
В результате длительных испытаний установлено, что использование устройства позволяет повысить эффективность смешения и соответственно снизить расход коагулянта на 15-17%, снизить потери напора в сравнении с существующим устройством с ~1,4 м до ~0,8 м и соответственно увеличить производительность сооружений, при высоком качестве очищаемой воды.
Таким образом, применение устройства в процессах водоподготовки позволяет: повысить интенсивность смешения реагентов во всем объеме обрабатываемой воды, что приводит к уменьшению расхода реагентов; снижению потери напора и энергетических затрат или увеличению производительности сооружений; позволяет упростить изготовление конструкции за счет того, что элементы устройства выполнены в виде плоских несложных элементов.
Компактная конструкция устройства быстрого смешения реагентов позволяет монтировать его непосредственно в подающий водовод или приемный карман смесителя коридорного типа в короткие сроки. Устройство может применяться вместо существующих на станции вертикальных или горизонтальных перегородчатых смесителей либо работать с ними в паре.