СПОСОБ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТЕЙ И АППАРАТ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR LIQUIDS PURIFICATION AND DEVICE THEREOF

Изобретение относится к фильтрованию и может быть использовано для очистки промышленных и бытовых вод от взвешенных частиц, органических веществ, ионов тяжелых металлов на предприятиях электронной, машиностроительной, химической и других отраслей промышленности.
Известен способ очистки жидкостей и устройство (варианты) для его осуществления (см. патент РФ №2075994, кл. В01D 15/00. Опубл. 27.03.1997 г. Бюл. №9), включающий пропускание очищаемой жидкости через слой сорбента, помещенного в поле электрического тока, создаваемое электродами, с последующей регенерацией сорбента, причем регенерирующую жидкость подают в направлении обратном потоку очищаемой жидкости.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что используемый в качестве очистной загрузки сорбент должен быть выполнен из материала, образующего при контакте с материалом электродов химический источник тока. Однако далеко не всегда в качестве сорбента можно использовать материалы образующие при контакте с материалом электродов химический источник тока.
Известен способ очистки жидкостей фильтрацией, реализованный фильтрующим устройством (см. патент РФ №2185874, кл. В01D 24/08. Опубл. 27.07.2002 г. Бюл. №21), включающий пропускание очищаемой жидкости через как минимум один слой сорбента, с последующей регенерацией сорбента, причем регенерирующую жидкость подают в направлении обратном потоку очищаемой жидкости. Слои сорбента комплектуют в виде чередующихся кольцеобразных фильтровальных патронов, причем очищаемая жидкость подается с наружной стороны патрона, а регенерирующая - с внутренней.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа относится то, что наружная площадь кольцеобразных фильтровальных патронов в несколько раз больше, чем внутренняя площадь. Это приводит к увеличению скорости фильтрации при движении очищаемой жидкости от периферии кольцеобразных фильтровальных патронов к его сердцевине, что снижает качество очистки жидкости. Кроме того, процесс регенерации слоев сорбента малоэффективен. Во-первых, скорость регенерирующей жидкости при движении ее от центра патрона к периферии снижается из-за разности площадей внутренней и наружной поверхностей патрона. Во-вторых, невозможно эффективно удалить из слоев сорбента осевшие загрязнения, предварительно не выведя частицы сорбента из статического положения в положение, например, «кипящего» слоя. В-третьих, в процессе регенерации, из-за значительной площади внутренней поверхности патрона, велика вероятность образования «свищей» от центра патрона к периферии, через которые устремится основной поток регенерирующей жидкости, не обеспечивая регенерации остальной площади поверхности патрона.
Сущность заявленного способа заключается в том, что очищаемую жидкость пропускают через заполненную сорбентом сборную конструкцию из решетчатых элементов, выполненную в виде кассеты патронов, причем каждый патрон отделен от соседнего непроницаемой перегородкой и оснащен в нижней своей части патрубком для подачи регенерирующей жидкости и запорным клапаном для удаления сорбента из патрона, а в верхней части - выходным патрубком регенерирующей жидкости и запорным клапаном для периодической подачи свежего сорбента, при этом очищаемую жидкость в ламинарном режиме подают со стороны кассеты патронов, имеющей наибольшую площадь, а регенерирующую жидкость в турбулентном режиме подают со стороны кассеты патронов, имеющей наименьшую площадь.
Кроме того, регенерирующую жидкость подают в направлении перпендикулярном потоку очищаемой жидкости, а скорость потока регенерирующей жидкости обеспечивает движение слоев сорбента в кассеты патронов, создавая псевдокипящий столб. По мере вымывания регенерирующей жидкостью сорбента, последний периодически восполняют.
Устройство для осуществления способа очистки жидкостей содержит заполненную сорбентом сборную решетчатую конструкцию, выполненную в виде кассеты патронов, причем каждый патрон отделен от соседнего непроницаемой перегородкой и оснащен в нижней своей части патрубком для подачи регенерирующей жидкости и запорным клапаном для удаления сорбента из патрона, а в верхней части - выходным патрубком регенерирующей жидкости и запорным клапаном для периодической подачи свежего сорбента.
Использование предлагаемого изобретения обеспечивает следующий технический результат:
- увеличение площади рабочего сечения (перпендикулярно вектору скорости потока) в единице объема;
- повышение производительности устройства очистки;
- упрощение конструкции устройства очистки и снижение его стоимости;
- повышение эффективности промывки.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предложенный способ включает пропускание очищаемой жидкости через как минимум один слой сорбента и последующую регенерацию сорбента.
Особенность заключается в том, что очищаемую жидкость пропускают через заполненную сорбентом сборную конструкцию из решетчатых элементов, выполненную в виде кассеты патронов, причем каждый патрон отделен от соседнего непроницаемой перегородкой и оснащен в нижней своей части патрубком для подачи регенерирующей жидкости и запорным клапаном для удаления сорбента из патрона, а в верхней части - выходным патрубком регенерирующей жидкости и запорным клапаном для периодической подачи свежего сорбента, при этом очищаемую жидкость в ламинарном режиме подают со стороны кассеты патронов, имеющей наибольшую площадь, а регенерирующую жидкость в турбулентном режиме подают со стороны кассеты патронов, имеющей наименьшую площадь.
Кроме того, регенерирующую жидкость подают в направлении перпендикулярном потоку очищаемой жидкости, а скорость потока регенерирующей жидкости обеспечивает движение слоев сорбента в кассеты патронов, создавая псевдокипящий столб. По мере вымывания регенерирующей жидкостью сорбента, последний периодически восполняют.
Устройство для осуществления способа очистки жидкостей содержит корпус, имеющий патрубок очищаемой жидкости, входной и выходной патрубки регенерирующей жидкости, заполненную сорбентом сборную решетчатую конструкцию.
Особенность заключается в том, что устройство дополнительно содержит заполненную сорбентом сборную решетчатую конструкцию, выполненную в виде кассеты патронов, причем каждый патрон отделен от соседнего непроницаемой перегородкой и оснащен в нижней своей части патрубком для подачи регенерирующей жидкости и запорным клапаном для удаления сорбента из патрона, а в верхней части - выходным патрубком регенерирующей жидкости и запорным клапаном для периодической подачи свежего сорбента.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно - техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном изобретении, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение, способ и устройство для его реализации, соответствует условию «новизна».
Конструкция изобретения, реализующая заявленный способ, представлена на чертежах (фиг.1-4).
Фиг.1 - Продольный разрез устройства (работа в режиме фильтрации).
Фиг.2 - Продольный разрез устройства (работа в режиме промывки).
Фиг.3 - Поперечный разрез (Б-Б) устройства (работа в режиме фильтрации).
Фиг.4 - Вариант конструкции патрона (работа в режиме фильтрации).
Устройство очистки жидкостей состоит из корпуса 1, крышки 2, поддона 3. В крышке 2 размещены распределительные камеры 4, 5, 6 и 7 соответственно для подачи сорбента, очищаемой жидкости, сбора регенерирующей жидкости и сбора очищенной жидкости, а также запорный клапан 8. В поддоне 3 размещены камеры 9 и 10 соответственно для сбора сорбента и подачи регенерирующей жидкости, а также запорный клапан 11. В корпусе 1 размещены кассеты 12 из патронов 13, заполненных как минимум одним слоем сорбента.
К крышке 2 подведены патрубки с задвижками 14, 15, 16 и 17, а к поддону 3 - патрубки с задвижками 18 и 19.
Патроны 13 состоят из решетчатых элементов 20 и 21, а также непроницаемой перегородки 22. В корпус патрона 13 загружается сорбент 23 и вспомогательная сорбционная загрузка 24. Устройство работает следующим образом.
В режиме загрузки сорбентов. Необходимое количество сорбента 23 загружается в корпус патрона 13 через задвижку 14 и камеру 4. Причем запорный клапан 8 в этом режиме открыт. Удаление сорбента из патрона 13 осуществляется через камеру 9 и задвижку 19. Причем запорный клапан 11 в этом режиме открыт. Догрузка сорбента 23 в корпус патрона 13 осуществляется периодически через задвижку 14 и камеру 4.
ф
В режиме фильтрования. Очищаемую жидкость через задвижку 15 подают в камеру 5, откуда жидкость равномерно распределяется между кассетами 12 патронов 13. Очистка жидкости осуществляется в ламинарном режиме за счет прохождения последней перпендикулярно пакетам 12. В этом случае площадь фильтрования F составляет
н
где А - высота патрона, В - ширина патрона, Н - количество кассет 12, К - количество патронов 13.
Очищенная в патронах 13 жидкость через камеру 7 и задвижку 17 выводится из устройства. В момент очистки жидкости задвижки 15 и 17 открыты, а задвижки 14, 16, 18 и 19 закрыты. Время работы устройства (от одной промывки до другой) в режиме фильтрования определяется степенью загрязненности очищаемой жидкости.
пр
ф
В режиме промывки адсорбента. В этом режиме открыты задвижки 16 и 18, а задвижки 14, 15, 17 и 19 закрыты. Регенерирующая жидкость через задвижку 18 подается в камеру 10, откуда регенерирующая жидкость распределяется в нижнюю часть каждого патрона 13. Режим промывки осуществляется в турбулентном режиме за счет малой площади F (по сравнению с площадью фильтрования F), которая составляет
H
где L- длина патрона.
1
Вследствие подачи регенерирующей жидкости в турбулентном режиме со стороны нижней части каждого патрона 13 в корпусе патрона образуется псевдокипящий столб из жидкости, адсорбента и задержанных адсорбентом инородных примесей. Такой процесс способствует более эффективному вымыванию инородных частиц из сорбционного слоя. Следует отметить, что псевдокипящий столб создается за счет неполного заполнения адсорбентом 23 патрона 13. Величина заполнения A показана на фиг.1.
2
1
С целью эффективной работы патроны 13 с двух сторон (со стороны фильтрации жидкости) выполнены из решетчатых элементов, а другие две стороны, прилегающие к соседним патронам, имеют непроницаемые перегородки. Причем решетчатые элементы имеют высоту A (см. фиг.1), меньшую чем высота засыпки адсорбента A и меньшую чем высота самого патрона А.
При необходимости применения адсорбента 23 малого гранулометрического состава патроны 13 выполняются с дополнительными решетчатыми элементами 21, которые встроены внутрь патрона 13 (см. фиг.4). Пространство между решетчатыми элементами 20 и 21 заполняется вспомогательной сорбционной загрузкой 24 более крупного гранулометрического состава, чем основной сорбент 23. В этом случае сорбционная загрузка 24 препятствует вымывание основного сорбента 23 в режиме фильтрации и промывки.
Таким образом, вышеизложенное описание свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение, при его осуществлении предназначено для очистки промышленных и бытовых вод от взвешенных частиц, органических веществ, ионов тяжелых металлов;
- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемых заявителем поставленных технических задач. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
Пример расчета протекания жидкости в режиме фильтрации и промывки
Известно, что скорость течения жидкости в ограниченном сечении составляет
3
2
где Q - расход жидкости в м/с, F - площадь сечения жидкости в м.
В период фильтрования жидкости площадь сечения соответствует
ф
н
2
ж
F=В·А·К,
н
2
ж
где В - ширина патрона, А - рабочая высота патрона, К - коэффициент «живого» сечения (перекрытия сечения жидкости фильтровальной загрузкой).
ж
ф-заг.
ф
K=F/F
ф-заг
где F - площадь сечения жидкости, заполненная фильтровальной загрузкой.
ж
В случае загрузки патрона сорбентом величина К=0,1.
В период промывки патрона площадь сечения соответствует
пр
н
н
ж
F=В·L·К,
H
где L - длина патрона.
2
н
Как следует из конструкции устройства (патрона), площадь сечения в процессе фильтрования жидкости в (А/L) раз больше, чем площадь сечения в процессе промывки.
При одинаковом расходе жидкости при фильтрации и промывке (это делается для использования очищаемой жидкости в качестве промывочной без установки дополнительного насосного оборудования и увеличения проходного сечения трубопроводов) уравнение 1 можно записать в следующем виде:
ф
пр
ф
ф
пр
пр
пр
ф
2
н
Принимая, что Q=Q уравнения 2 и 3 запишем как F·V=F·V, а после преобразования как V/V=А/L.
2
н
ф
Конструкция патрона имеет отношение A/L=20. Для эффективной работы устройства принимаем скорость фильтрации жидкости V=0,001 м/с, что соответствует ламинарному режиму течения жидкости.
пр
В режиме промывки скорость жидкости будет равна V=0,02 м/с, что соответствует турбулентному режиму течения жидкости.
кр
кр
Известно, что при числе Рейнольдса Re≥4000 режим является турбулентным. При Re≤2300 режим является ламинарным.
c
н
H
c
н
н
2
-6
2
где L - основной параметр сечения в м (так как патрон в поперечном сечении выполнен в виде прямоугольника В=L, то L может быть представлен параметром В, который в нашей конструкции равен В=0,2 м), υ - кинематическая вязкость фильтровальной жидкости в м/с (для воды υ=1·10м/С).
кp
-6
Тогда Re=0,02·0,2/1·10=4000.
кр
-6
Таким образом промывка патрона осуществляется в турбулентном режиме. Числу Рейнольдса в режиме фильтрования будет соответствовать Rе=0,001·0,2/1·10=200, что подтверждает ламинарность процесса протекания жидкости.