УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ В СЛОЕ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО АДСОРБЕНТА

Полезная модель относится к технологическому оборудованию, используемому для извлечения и разделения компонентов из текучих дисперсных или жидких сред на основе адсорбционных и ионообменных процессов. Предлагаемая установка может использоваться для переработки промышленных жидких отходов, содержащих экологически опасные токсичные вещества, в частности гликоли.
Адсорбционные явления представляют собой сложную совокупность физических, химических и физико-химических процессов на границе поверхностей адсорбентов и удаляемых примесей в виде мелких механических частиц или растворенных веществ. Скорость адсорбционных процессов существенно зависит от условий обеспечения контакта адсорбента и удаляемых примесей.
В серийно выпускаемых адсорбционных фильтрах, например СПП-ФСЗ (производитель «Промышленная водоочистка»), очищаемая жидкость подается под расположенный на перфорированной плоскости насыпной адсорбент и, просачиваясь вверх через зазоры между его частицами к сливному патрубку, жидкость очищается. При такой схеме организации очистки значительная доля поверхности частиц адсорбента, касающихся друг друга, оказывается недоступной для контакта с очищаемой жидкостью. Капилляры между частицами адсорбента могут забиваться загрязнениями, что сокращает пути протекания жидкости и также сокращает общую рабочую площадь адсорбционного фильтра.
3
3
3
Для активации процессов адсорбции используют давно известный прием псевдоожиживания, когда потоком жидкости или газа лежащий на перфорированной перегородке адсорбент поднимается и удерживается во взвешенном состоянии [Очистка производственных сточных вод.: Под ред. Ю.И. Турского и И.В. Филиппова.- Издательство «Химия», Ленинградское отделение, 1967 г]. Очевидно, что такой способ приемлем для относительно легких адсорбентов, например активированного угля, насыпной вес которого равен 0,6-0,9 г/см. Такие широко используемые адсорбенты, как глина и цеолиты имеют насыпной вес 1,1-1,2 г/см и 1,3-1,45 г/см, соответственно. Псевдоожиживание тяжелых адсорбентов, лежащих на перфорированной перегородке, возможно только при больших потоках жидкости, что требует больших затрат энергии на ее перекачивание. Мелкая сетка, удерживающая частицы адсорбента, создает большое сопротивление проходящему потоку жидкости.
Существенным недостатком данного способа является то, что жидкость может, раздвигая слой адсорбента, образовывать каналы для своего свободного движения. В таком случае перемешивание частиц адсорбента и их участие в процессе очистки практически прекращается.
В патенте РФ №2178333 предлагается взрыхлять адсорбенты, лежащие на перфорированных перегородках, потоком проходящего снизу вверх газа, а жидкость подавать на адсорбенты сверху вниз. Недостатком такой схемы очистки жидкости является необходимость использования двух разных насосов, кроме того, если с газом будут выноситься вредные примеси, то потребуется еще и система очистки газа.
Для смешивания сыпучих веществ с жидкостью широко используют механические мешалки. Например, в патенте РФ №2492920 мешалка содержит расположенный в баке вертикальный вал, вращаемый приводом. Вверху на вал установлены наклоненные к вертикали лопасти, окруженные неподвижным кольцом. Внизу к валу прикреплены вертикальные лопатки. Кольцо имеет определенное отношение высоты к диаметру, а лопатки имеют определенное отношение ширины к высоте. При вращении лопасти направляют суспензию вниз, а лопатки создают радиальное перемещение. В результате происходит интенсивное перемешивание всей массы суспензии.
Очевидно, что вращающиеся в одну строну лопасти и лопатки неизбежно приведут к вращению жидкости, находящейся в цилиндрическом баке. Возникающая при этом центробежная сила будет сдвигать механические частицы к стенкам, по которым они будут сползать к сливному отверстию. Это снижает эффект создания псевдоожиженного слоя при использовании такой мешалки в установке для очистки жидкости адсорбентом. Кроме того установка должна содержать не только насос для перекачивания жидкости, но и механический привод мешалки, что усложняет конструкцию установки.
В патенте РФ №2528843 перемешивающее устройство состоит из двигателя, рабочих органов и исполнительного механизма, который находится в отдельном корпусе. Центральное зубчатое колесо установлено на крышке корпуса смесителя с возможностью вращения и соединено с двигателем через кривошипно-коромысловый механизм, состоящий из кривошипа, шатуна и коромысла, а рабочие органы соединены с валами зубчатых колес. Рабочие органы выполнены в виде лопастей с отверстиями и вращаются с разной скоростью при периодическом изменении направления вращения. Техническим результатом изобретения является увеличение градиента скоростей и повышение интенсивности перемешивания.
Недостатком устройства можно считать сложность конструкции привода. При плоском дне емкости, на котором за счет сил гравитации будет происходить осаждение механических частиц адсорбента и снижение их активности, будет затруднено полное опорожнение емкости по завершении процесса. Все это не позволяет использовать данное устройство для создания псевдоожиженного слоя адсорбента в процессе очистки жидкости.
Перемешивание жидкостей может осуществляться струйными смесителями. Устройство по патенту РФ №2314151 содержит насос с всасывающим и напорным трубопроводами и сопловой эжектор, установленный на выходе напорного трубопровода в нижней части резервуара. Эжектор имеет цилиндрическую камеру смешения, на внутренней поверхности которой под углом 30-45° к оси расположены спиральные ребра. Сопло выполнено с диаметром, обеспечивающим скорость истечения жидкости 40-50 м/с. Эжектор установлен в горизонтальной плоскости на отдельной линии подачи жидкости (топлива) в резервуар под углом 60° от перпендикуляра к плоскости монтажного люка и в вертикальной плоскости под углом к горизонтали, обеспечивающим точку попадания струи на 50% рабочей высоты резервуара. Технический результат состоит в обеспечении стабильного качества моторных топлив в резервуарах.
Данное устройство работает только при периодическом заполнении емкости жидкостью и способствует выравниванию состава жидкости, находящейся в емкости и доливаемой жидкости. При плоском дне емкости такое устройство не может быть использовано для создания псевдоожиженного слоя адсорбента в процессе очистки жидкости.
Эжекторные смесители используют в нефтегазодобывающей промышленности при приготовлении буровых промывочных и тампонажных растворов, а также в других областях при смешивании порошкообразных материалов (барита, глинопорошка и химических реагентов) с жидкостью в турбулентном потоке. Такие смесители (СГМ-100 и другие) выпускаются серийно, они содержат бункер с порошком, соединенный через всасывающий патрубок с приемной камерой, через которую под давлением 0,3-0,4 МПа, создаваемым центробежным насосом, проходит струя воды, увлекающая с собой порошок. При прохождении воды через смесительную камеру в виде трубы, имеющий излом под углом порядка 60°, порошок в возникающих турбулентных потоках смешивается с водой.
Поскольку процесс адсорбции не является одномоментым, такие смесители не могут успешно использоваться непосредственно в качестве установки для очистки жидкости в слое псевдоожиженного адсорбента.
Техническими задачами, решаемыми предлагаемой полезной моделью является создание простой конструкции установки, обеспечивающей активный контакт частиц адсорбента с загрязнителями очищаемой жидкости в течение заданного времени, достаточного для их эффективного удаления.
На фиг. 1 схематично показан разрез и вид сверху установки для очистки жидкости в слое псевдоожиженного адсорбента; на фиг. 2 показаны вид установки сбоку (по стрелке В) и устройство эжектора и нижней части сливной трубы.
Корпус установки состоит из установленной на стойках емкости 1, образованной четырьмя прямоугольными стенками, а ее донная часть 2 выполнена по форме опрокинутой пирамиды с основанием квадратной формы и наклоном граней от вертикали на угол 35…40°. В вершине пирамиды (в нижней точке емкости) располагается вертикально эжектор 3. Сопло эжектора в нижней его части выполнено как патрубок 4, соединенный с линией нагнетания фекального насоса 5 (например, НДФ 100-80-200/4), а смесительная камера 6 имеет конусообразную форму и помимо выходного отверстия, соосного с соплом, связана с полостью емкости отверстиями 7, нижние кромки которых находятся на уровне дна емкости.
В емкости имеется выполненный по форме ее стенок поплавок 8 с возможностью его перемещения при изменении уровня жидкости. По центру поплавка пропущена прикрепленная к нему сливная труба 9, верхний конец которой связан трубопроводами с линией всасывания насоса 5, а нижний конец трубы перегорожен закрепленным на соединенных с трубой стойках 10 на расстоянии 0,25…0,50 диаметра трубы от ее торца экраном 11, диаметр которого равен 1,2…1,3 диаметра трубы. При этом плоскость экрана отстоит от нижней плоскости поплавка на расстоянии равном расстоянию от верхней кромки эжектора до плоскости основания пирамиды дна емкости.
Устройство для засыпания в жидкость адсорбента выполнено в виде бункера 12 с поворачивающейся заслонкой 13 на участке перехода конусной части бункера в трубу для высыпания адсорбента, при этом диаметр трубы меньше диаметра отверстия 14 в поплавке. Бункер расположен таким образом, чтобы при верхнем положении поплавка он своим отверстием надвигался на трубу для высыпания адсорбента.
Движущийся вместе с поплавком верхний конец сливной трубы соединен с трубопроводами линии всасывания насоса через гибкий шланг 15, и перед всасывающим патрубком насоса установлен трехходовой кран 16, позволяющий забирать жидкость или из внешнего источника очищаемой жидкости или из емкости установки для очистки жидкости. Напорный патрубок насоса соединен трубой с патрубком эжектора и через кран 17 с трубой для слива обработанной жидкости на отстой.
В конструкцию установки также входит механизм поддерживания гибкого шланга при изменении уровня очищаемой жидкости в емкости и перемещении поплавка. К гибкому шлангу 15 прикреплен трос 18, который проходит по блокам 19 и связан с противовесом 20, уравновешивающим вес шланга, заполненного жидкостью.
Используется установка следующим образом. При закрытой заслонке 13 в бункер 12 засыпается требуемое количество адсорбента. Кран 16 переводится в положение забора очищаемой жидкости из внешней емкости, где эта жидкость хранится. Кран 17 закрывают, и после этого включают насос 5, который через эжектор 3 заполняет емкость жидкостью. После заполнения емкости до предусмотренного верхнего уровня, о чем можно судить по положению поплавка 8, кран 16 переводят в положение циркуляции жидкости через емкость (забор жидкости из внешней емкости отключается). В этом положении жидкость протекает в зазор между экраном и торцом заборной трубы, через которую насос забирает жидкость.
Далее открывают заслонку 13, что приводит к ссыпанию адсорбента из бункера в циркулирующую жидкость. Опускающиеся частицы адсорбента попадают в зону отверстий 7, всасываются в смесительную камеру эжектора и струей жидкости из сопла 6 выбрасываются вверх в сторону сливной трубы. Поскольку торец трубы закрыт экраном прямое попадание частиц адсорбента в сливную трубу невозможно. С учетом того, что труба находится в затопленном состоянии и на достаточно большом расстоянии от эжектора поток частиц расширяется, захватывая весь объем камеры. Растратив кинетическую энергию движения, частицы опускаются вниз и вновь выбрасываются эжектором. Так происходит непрерывное и активное перемешивание частиц адсорбента и очищаемой жидкости.
Благодаря наличию экрана фекальный насос засасывает жидкость с относительно небольшой концентрацией частиц, что создает лучшие условия для его работы.
После завершения установленного по времени этапа активной обработки жидкости адсорбентом кран 17 открывают, и начинается слив жидкости в отстойник. При открытом кране уменьшается подача жидкости в эжектор, ее уровень в емкости снижается, поплавок опускается. В момент опускания экрана и закрытия отверстия смесительной камеры экраном изменяется ре-жим течения жидкости. Жидкость начинает перетекать в емкость непосредственно через отверстия 7, сдвигая со стенок и поднимая частицы адсорбента скапливающиеся в зоне эжектора как самой низшей точки емкости.
После опускания уровня жидкости в емкости до торца сливной трубы процесс опорожнения емкости заканчивается, начинается подсос воздуха, и насос 5 выключается. Далее процесс повторяется по описанной последовательности действий.
Процесс может быть автоматизирован при использовании в конструкции установки концевых выключателей, отслеживающих положение поплавка, датчиков давления жидкости и электроуправляемых клапанов, выполняющих роль кранов 16 и 17.
Предлагаемая установка обеспечивает циркуляцию в течение любого заданного времени каждой отдельной частица адсорбента в потоках жидкости с переменной по величине и направлению скоростью. При этом наиболее полно реализуются физико-химические процессы извлечения загрязняющих элементов из очищаемой жидкости.
Полезная модель может найти широкое применение в процессах водоочистки, переработки отходов, например, при реализации способа утилизации используемых в авиации отработанных противообледенительных жидкостей по патенту РФ №2583259, и в других случаях.
Предлагаемая установка имеет простую и легко технологически реализуемую конструкцию, обеспечивает активный контакт частиц адсорбента с загрязнителями очищаемой жидкости в течение любого заданного времени, достаточного для их эффективного удаления. Таким образом, установка для очистки жидкости в слое псевдоожиженного адсорбента успешно решает поставленные технические задачи.