СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF TREATING WATER AND AQUEOUS SOLUTIONS AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам обработки воды и водных растворов в процессах для одновременного умягчения, снижения минерализации и опреснения, обеззараживания и может быть использовано в химической, пищевой, фармацевтической, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности, а также в сельском хозяйстве, медицине, пищевым применением воды и различных растворов, жилищно-коммунальном хозяйстве и быту.
Известен способ обработки жидкости в сосуде путем воздействия на нее вращающимся электромагнитным полем, создаваемым с помощью электродвигателя с закрепленным на его валу диском, размещенным над поверхностью жидкости (патент RU 2171232).
Однако данный способ имеет низкие производительность и эффективность процесса активации жидкости.
Известен способ обработки воды или раствора, включающий воздействие на воду физическим фактором (патент RU 2151742).
Недостатками данного способа являются низкие производительность (высота жидкости в сосуде должна равняться 1 см) и эффективность процесса активации вследствие их конструктивных и технологических недостатков, не учитывающих особенности процесса бесконтактной активации.
Известен способ ультразвуковой обработки материалов (а.с. SU 561576), согласно которому в рабочей среде создают зону кавитации, а обработку упругими колебаниями осуществляют на ультразвуковой частоте и ведут ее в течение двух часов. Для реализации способа используют устройство, в котором рабочая камера и источник упругих колебаний выполнены как единое целое и изготовлены на базе кольцевого магнитострикционного преобразователя ЦМС-8, создающего в жидкой рабочей среде зону кавитации и работающего на одной ультразвуковой частоте
Основным недостатком этого устройства является ограниченное его применение в различных технологических процессах из-за незначительной интенсивности создаваемых колебаний. Уровень кавитационного шума недостаточно высок, например, для разложения воды и получения из нее водорода или кислорода, по этой же причине устройство не обеспечивает надежного разрушения высоковязких сред.
Известен гидродинамический кавитационный реактор (патент RU 2091157), содержащий последовательно расположенные конфузор и проточную камеру, в которой на расстоянии друг от друга установлены кавитаторы, отличающийся тем, что полость проточной камеры выполнена в виде участков, последовательно расширяющихся в зоне установки кавитатора в направлении от конфузора, при этом площадь поперечного сечения каждого последующего участка больше площади поперечного сечения предшествующего участка в 1,05-1,45 раза.
К недостаткам данного устройства относится сложность изготовления, большая металлоемкость и недостаточный для реализации кавитационный эффект.
Известно устройство (патент RU 84256), содержащее последовательно соединенные конфузор, проточную камеру, содержащую участок, выполненный в виде первого диффузора с установленными в нем кавитаторами, при этом второй диффузор на выходе, конфузор на входе и первый диффузор в проточной части имеют разные углы конусности, согласно изобретению кавитаторы выполнены в виде цилиндров, расположенных в два ряда, устройство снабжено пластинами, расположенными вдоль корпуса перпендикулярно кавитаторам, и регулирующими стержнями, расположенными на входе проточной части между пластинами. Кроме того, боковая поверхность кавитаторов в пределах устройства может быть выполнена с насечкой на боковой стороне. Кроме того, устройство может быть снабжено дополнительными патрубками на конфузоре и на втором диффузоре.
Известна установка для осуществления способа подготовки нефти и/или нефтепродуктов к переработке (патент RU 2287355), включающая устройство для воздействия на движущийся поток перепадами давления, содержащее входной трубопровод с герметично установленным в его сечении многосопловым блоком, соединенным с цилиндрическим каналом и затем с расширяющимся диффузором, при этом отношение площади сечения цилиндрического канала к сумме площадей отверстий сопел на выходе из многосоплового блока характеризуется величиной от 2,1 до 5,9.
К недостатку приведенного механического устройства относится то, что эффективность качественного и количественного изменения состава жидких сред зависит от количества кавитационных пузырьков на единицу объема. Указанный показатель ограничен тем, что в основе образования пузырьков заложено сужение в поперечном сечении потока жидкости, т.е. гидродинамическое сопротивление, поэтому интенсификация кавитационных процессов имеет предел по экономическим соображениям.
Наиболее близким к заявляемому способу по своей технической сущности является способ обработки воды и водных растворов (патент RU 2240984), выбранный в качестве прототипа, включающий корректировку рН многократным поочередным снижением давления высоконапорной жидкости при ее рециркуляции до величины, при которой происходит ее кавитация, с последующим повышением давления до величины, при которой кавитация прекращается, отличающийся тем, что рециркулируемую жидкость предварительно нагревают, после чего часть высоконапорной жидкости отбирают на фильтрацию, из оставшегося рециркуляционного потока отбирают скавитированную жидкость с повышением давления, охлаждают, выдерживают до схлопывания кавитационных пузырьков и осаждения образовавшихся твердых примесей, после чего возвращают стабилизированную жидкость в рециркуляционный поток низкого давления.
Задачей изобретения является разработка способа обработки воды и водных растворов и установки для его осуществления, позволяющих изменить структуру и свойства веществ, входящих в состав обрабатываемой жидкости, качественно улучшить ее свойства с возможностью образования новых продуктов.
Технический результат - расширение технологических возможностей за счет применения в любых отраслях промышленности и в быту, проводя деминерализацию и опреснение воды и водных растворов.
Благодаря сочетанию применяемых кавитаторов, дополнительных активаторов и сепараторов, заявляемое устройство позволяет не только производить очистку воды от растворенных в нее примесей, но и осуществлять деминерализацию и опреснение воды и водных растворов.
5
2
Указанная задача решается тем, что в способе обработки воды и водных растворов, включающем корректировку рН многократным поочередным снижением давления высоконапорной воды или водного раствора при ее рециркуляции до величины, при которой происходит ее кавитация, с последующим повышением давления до величины, при которой кавитация прекращается, и фильтрацию, обрабатываемая вода или водный раствор поступает от подающего насоса через фильтр в кавитационный реактор, в котором последовательно располагаются не менее двух кавитаторов различного принципа работы, разделенных промежуточными камерами, позволяющими вводить требуемые ингредиенты, катализаторы, поверхностно-активные вещества и проводить дополнительную активацию за счет воздействия импульсными высоковольтными электрогидравлическими разрядами и ультразвуком с частотой ультразвуковых волн не менее 98 кГц и интенсивностью выше 10 Вт/м и предварительную сепарацию обрабатываемой воды или водного раствора, а окончательную сепарацию обрабатываемая вода или водный раствор проходит в кавитаторе вихревого типа, выполненном в виде циклона.
К
Указанная задача решается также благодаря тому, что в установке для обработки воды и водных растворов, содержащей кавитационный реактор с установленными в нем кавитаторами, промежуточными камерами, соединенными со входом и выходом кавитационного реактора, подающий насос и трубопроводы, кавитационный ректор выполнен в виде емкости с крышкой с установленными внутри не менее чем двумя последовательно соединенными кавитаторами различного принципа работы, разделенными промежуточными камерами, в первую из которых, выполненную цилиндрической формы и установленную горизонтально с осевым размещением на донышке эжектора для подвода дополнительных ингредиентов, введены электроды с возможностью осуществления импульсного высоковольтного электрогидравлического разряда с подачей напряжения от 35 кВ до 50 кВ при частоте импульсов от 0,1 Гц до 20 Гц, с объемом V первой промежуточной камеры, определяемым из соотношения:
К
Н
V=(G·1000)/3600f,
Н
где G - производительность насоса;
f - частота импульсов высоковольтного разрядника,
5
2
причем первая промежуточная камера выполнена с возможностью поступления воды или водного раствора от первого кавитатора в первую промежуточную камеру тангенциально и отведение воды или водного раствора через патрубок, установленный по оси донышка, противоположного эжектору, и соединенный со входом во вторую промежуточную камеру с установленным в ней ультразвуковым излучателем, выполненным с возможностью излучения ультразвуковых волн с частотой не менее 98 кГц и интенсивностью выше 10 Вт/м, а кавитатор, подключенный к выходу второй промежуточной камеры, представляет собой кавитатор вихревого типа, установленный вертикально, содержащий входное устройство в виде сопла с суживающейся спиральной улиткой или сопла с тангенциальным подводом жидкости в конфузорный корпус с углом сужения от 0 до 10°, выходное устройство с регулируемым вентилем, соединенное трубопроводом с дренажной трубкой первой промежуточной камеры и выполненное с возможностью подачи воды или водного раствора через самоочищающийся фильтр и запорно-регулирующий клапан на линию всасывания подающего насоса, а выходной патрубок кавитатора вихревого типа, присоединенный к нижнему торцевому донышку по оси корпуса, имеет диаметр, составляющий 0,35-0,40 от среднего диаметра корпуса кавитатора вихревого типа, соединен с трубопроводами и запорно-регулирующими клапанами, выполненными с возможностью осуществлять циркуляцию обрабатываемой воды или водного раствора через подающий насос и кавитационный реактор или через самоочищающийся фильтр, ее прямоточное движение из входной емкости или водоема в приемную емкость потребителя очищенной воды или водного раствора.
На Фиг. 1 представлена схема установки для осуществления заявляемого способа обработки воды и водных растворов, на которой позициями 1-20 обозначены:
1 - первый фильтр;
2 - подающий насос;
3 - кавитационный реактор;
4 - первичный кавитатор;
5 - дозирующее устройство;
6 - эжектор;
7 - первая промежуточная камера;
8 - вторая промежуточная камера;
9 - ультразвуковой излучатель;
10 - входное сопло;
11 - регулируемое выходное устройство;
12 - кавитатор вихревого типа;
13 - первый нижний выходной патрубок;
14 - верхний выходной патрубок;
15 - второй нижний выходной патрубок;
16 - запорно-регулирующий клапан;
17 - самоочищающийся фильтр;
18 - гусек;
19 - второй фильтр.
Установка содержит первый фильтр 1 с запорно-регулирующими клапанами 16 на входе и выходе, подающий насос 2, кавитационный реактор 3, в котором размещены первичный кавитатор 4, первая промежуточная камера 7, выполненная цилиндрической, с размещенными внутри высоковольтными электродами для осуществления импульсного высоковольтного разряда в жидкости и эжектором 6 с дозирующим устройством 5, вторую промежуточную камеру 8 цилиндрической или прямоугольной формы с размещенным внутри ультразвуковым излучателем 9, установленный вертикально кавитатор вихревого типа 12 с входным соплом 10 и регулируемым выходным устройством 11 с регулировочным клапаном ручного привода и первым и вторым нижними выходными патрубками 13 и 15, установленными последовательно через соединительную муфту. Верхний выходной патрубок 14 от регулируемого выходного устройства 11 кавитатора вихревого типа 12 соединяет полость регулируемого выходного устройства с дренажной трубкой первой промежуточной камеры 7, которая установлена ниже корпуса последней, направляя жидкость через самоочищающийся фильтр 17, например «ФИБОС», и запорно-регулирующий клапан 16 или над линией всасывания подающего насоса 2, или потребителю через запорно-регулирующие клапаны 16, расположенные на горизонтальной трубе правее самоочищающегося фильтра 17, и второй фильтр 19. Внутри дренажной трубки первой промежуточной камеры 7, расположенной горизонтально ниже корпуса последней, установлена «методом подбора» стандартная калиброванная шайба регулирования расхода жидкости через дренажную трубку. Первый нижний выходной патрубок 13 кавитатора вихревого типа 12 последовательно соединен со вторым нижним выходным патрубком 15 через соединительную муфту и через запорно-регулирующий клапан 16 и второй фильтр 19 подает обработанную воду или водный раствор потребителю через запорно-регулирующий клапан 16, установленный перед вторым фильтром 19.
Для переключения режимов работы кавитационного реактора служат запорно-регулирующие клапаны 16 и система трубопроводов согласно предлагаемой на Фиг. 1 схеме. Внешняя емкость или водоем обозначен позицией 20.
Установка работает следующим образом.
Подающий насос 2 подает обрабатываемую воду или водный раствор из внешней емкости или водоема 20 через открытый запорно-регулирующий клапан 16, установленный у внешней емкости или водоема 20, через первый фильтр 1 с открытыми запорно-регулирующими клапанами 16 на входе и выходе первого фильтра 1 в кавитационный реактор 3 при открытом запорно-регулирующем клапане 16, расположенном снаружи кавитационного реактора 3 на горизонтальном патрубке правее входа в первичный кавитатор 4. При этом запорно-регулирующий клапана 16 на входе в первичный кавитатор 4 закрыт. Заполнение кавитационного реактора 3 контролируется запорно-регулирующим клапаном 16 с гуськом 18, установленными на крышке кавитационного реактора 3.
После заполнения внутренней полости кавитационного реактора 3 закрывается запорно-регулирующий клапан 16, расположенный снаружи кавитационного реактора 3 на горизонтальном патрубке правее первичного кавитатора 4, и открывается запорно-регулирующий клапан 16 на входе в первичный кавитатор 4.
Подающий насос 2 начинает подавать обрабатываемую воду или водный раствор из внешней емкости или водоема 20 через первый фильтр 1 с открытыми запорно-регулирующими клапанами 16 на входе и выходе первого фильтра 1 в первичный кавитатор 4.
К
Из первичного кавитатора 4 поток воды или водного раствора тангенциально поступает в первую промежуточную камеру 7. Объем данной камеры V согласуется с производительностью насоса по формуле:
К
Н
V=(G×1000)/3600 f,
Н
3
где G - производительность насоса, измеряемая в м/ч;
f - частота импульсов высоковольтного разрядника, измеряемая в Гц,
чтобы в промежутках между высокочастотными импульсами первая промежуточная камера 7 не опустошалась.
Интенсивное вращение потока воды или водного раствора в первой промежуточной камере 7 в сочетании с импульсными высоковольтными электрогидравлическими разрядами, создающими дополнительную кавитационную активацию обрабатываемой воды или водного раствора, способствует разрушению межмолекулярных связей в обрабатываемой воде или водном растворе и обеспечивает эффективное взаимодействие с вводимыми через дозирующее устройство 5 и эжектор 6 дополнительными ингредиентами.
В первичном кавитаторе 4 происходит интенсивная активация обрабатываемой воды или водного раствора с образованием большого количества кавитационных пузырьков.
Для объяснения сути предлагаемого способа обработки (активации) и механизма воздействия на активируемую воду или водный раствор необходимо пояснить такие аспекты, которые включает предлагаемый способ, как активация воды или водного раствора при гидродинамической или ультразвуковой кавитации.
Кавитация - образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении ее скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны во время полупериода разрежения (акустическая кавитация). Кроме того, резкое (внезапное) исчезновение кавитационных пузырьков приводит к образованию гидравлических ударов и, как следствие, к созданию волны сжатия и растяжения в жидкости с ультразвуковой частотой. В настоящее время создан класс методов и аппаратуры для изменения физико-химических свойств жидкофазных систем и, в первую очередь, воды с использованием кавитационных процессов, в том числе в вихревых потоках жидкости (трубки Ранке), генераторов электромагнитных вихрей (продольные электромагнитные волны) и ряда других процессов.
Кавитационное течение в гидродинамических кавитаторах характеризуют безразмерным параметром (числом кавитации):
<mrow><mi>Х</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>Р</mi><mo>−</mo><msub><mi>Р</mi><mi>s</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>ρ</mi><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
,
где Р - гидростатическое давление набегающего потока, Па;
Ps - давление насыщенных паров жидкости при определенной температуре окружающей среды, Па;
3
ρ - плотность среды, кг/м;
V - скорость потока на входе в систему, м/с.
Известно, что кавитация возникает при достижении потоком граничной скорости V=Vc, когда давление в потоке становится равным давлению парообразования (насыщенных паров). Этой скорости соответствует граничное значение критерия кавитации.
В зависимости от величины X можно различать четыре вида потоков: докавитационный - сплошной (однофазный) поток при Х>1, кавитационный - (двухфазный) поток при X~1, пленочный - с устойчивым отделением кавитационной полости от остального сплошного потока (пленочная кавитация) при X<1, суперкавитационный - при X<<1.
Аналогичные виды потоков обеспечивает ультразвуковая кавитация при высокой частоте и интенсивности приложения звуковых волн.
Указанное кавитационное воздействие на обрабатываемую жидкость обеспечивает разрыв внутренних молекулярно-химических связей всех растворенных в воде веществ, включая минеральные соли. При этом достигается очистка воды и водных растворов.
Схлопывание кавитационных пузырьков с образованием кумулятивных ударных волн происходит в первой промежуточной камере 7, где давление выше давления разрежения внутри первичного кавитатора 4. В первой промежуточной камере 7 по ее оси на левом донышке установлен эжектор 6, позволяющий подводить в обрабатываемую жидкость через дозирующее устройство 5 дополнительные ингредиенты, например, катализаторы, поверхностно-активные вещества и другие компоненты. Эти вещества используются при обработке загрязненных стоков и при использовании предлагаемой установки в технологических схемах.
Внутрь первой промежуточной камеры 7 введены электроды для осуществления импульсного высоковольтного электрогидравлического разряда с подачей напряжения от 35 кВ до 50 кВ при частоте импульсов от 0,1 Гц до 20 Гц. Данное жесткое воздействие на обрабатываемую воду или водный раствор способствует разрыву межмолекулярных связей в самой воде или водном растворе, ее деминерализации и очистке. Выпадающие из воды или водного раствора вещества отводятся из первой промежуточной камеры 7 через дренажную трубку, расположенную горизонтально ниже корпуса первой промежуточной камеры 7 с установленной внутри нее стандартной калиброванной шайбой регулирования расхода жидкости через дренажную трубку. Через данную дренажную трубку и верхний выходной патрубок 14 из кавитатора вихревого типа 12 вода или водный раствор поступает на очистку в самоочищающийся фильтр 17 и, при необходимости, во второй фильтр 19.
5
2
Обработанная вышеуказанным образом вода или водный раствор поступает во вторую промежуточную камеру 8 с размещенным внутри ультразвуковым излучателем 9, где обрабатывается ультразвуком с частотой ультразвуковых волн 30-98 кГц и их интенсивностью выше 10 Вт/м. Точная настройка по частоте и интенсивности зависит от количества растворенных в обрабатываемой воде или водном растворе солей или химических веществ. Ультразвуковой излучатель 9 работает в резонансном режиме с веществами, требующими удаления из обрабатываемой жидкости. После интенсивной ультразвуковой обработки поток воды или водного раствора поступает в кавитатор вихревого типа 12, выполненный в виде вихревого циклона (аналог трубки Ранка). В кавитатор вихревого типа 12 обрабатываемая вода или водный раствор поступает через входное сопло 10, выполненное в виде входного сопла и сужающейся улитки или сопла с тангенциальным подводом жидкости. Такой подвод обеспечивает интенсивное вращение потока воды или водного раствора, которая интенсивно закручивается внутри корпуса кавитатора вихревого типа 12. По мере движения вращающегося потока скорость его вращения увеличивается за счет конфузорности корпуса кавитатора вихревого типа 12. При этом происходит разделения вращающегося потока по плотности и температуре. Происходит эффективная сепарация. Более тяжелые частички и разложившиеся включения отбрасываются к периферии и по внутренней стенке корпуса кавитатора вихревого типа 12 поступают через регулируемое выходное устройство 11 в верхний выходной патрубок 14, соединенный с дренажной трубкой первой промежуточной камеры 7, которая установлена ниже корпуса первой промежуточной камеры 7, через самоочищающийся фильтр 17 с запорно-регулирующим клапаном 16 с линией всасывания подающего насоса 2 и линией подачи обработанной воды или водного раствора потребителю.
При повторной или многократной обработке очищенной воды или водного раствора, подаваемой из корпуса кавитационного реактора 3 на линию всасывания насоса 2, запорно-регулирующие клапаны 16, соединенные с входом и сливом внешней емкости или водоема 20, закрыты.
При подаче всей обработанной воды или водного раствора потребителю запорно-регулирующий клапан 16, расположенный на горизонтальной трубе слева от самоочищающегося фильтра 17, закрыт. Запорно-регулирующие клапаны 16, расположенные на горизонтальной трубе правее самоочищающегося фильтра 17, открыты. При этом вся обработанная вода или водный раствор, соединяясь с потоком, поступающим через второй нижний выходной патрубок 15, направляется потребителю через второй фильтр 19.
Преимуществом предлагаемого способа обработки воды и водных растворов в данной установке является высокая степень активации жидкости и возможность ее качественной очистки. Сочетание применяемых в рассматриваемой установке кавитаторов, дополнительных активаторов и сепараторов позволяет не только производить очистку воды от растворенных в ней примесей механической и химической природы, но и осуществлять деминерализацию и опреснение морской воды.