СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УДАЛЕНИЯ ПЕНЫ ИЗ ФЛОТАТОРА
METHOD AND DEVICE TO REMOVE FOAM FROM FLOTATOR

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для флотации при очистке сточных вод и может быть использовано в отраслях промышленности, использующих флотационное разделение материалов.
Наиболее известен механический способ удаления пены, реализуемый в большинстве случаев (например, патент RU №2088450, МПК 6 C02F 1/461. Электролизер для очистки сточных вод. [Текст] / Кирпичников В.Н., Литвиненко А.Н., Кузора Т.В., Клинков А.Б., заявитель и патентообладатель(и): Ульяновское высшее военно-техническое училище им. Богдана Хмельницкого, заявл. №5020346/26 29.12.1991, опубл. 20.11.1995) с помощью гребков, устанавливаемых на транспортере, которые смещают пену в желоб с поверхности жидкости.
Недостатками этого способа удаления пены являются:
- низкая эффективность очистки стоков в результате разрушения пены и возврата частиц, захваченных пеной, в жидкую среду при погружении гребков в пену, что нарушает целостность пенного слоя и частичное его «гашение»;
- низкая эффективность очистки стоков, которая обусловлена «гашением» остатков пены и образованием суспензии на гребках при их возвратном движении к месту начала зоны сгребания пены. При этом происходит возврат твердых частиц в очищаемую жидкую среду с каплями суспензии, стекающей с гребков, и окунании гребков в очищаемую жидкость;
- сложность конструкционного оформления и большой расход энергии механического привода.
Известен механический способ удаления пены, использованный в узле удаления пены [патент RU №2292954, кл.6 В03D 1/14. Узел удаления пены флотационной машины [Текст] / Л.А.Анастасиева, Р.А.Великолепов, М.В.Грачева, заявитель и патентообладатель ОАО "Производственное объединение Усольмаш", №2005115150/03; заявл. 18.05.2005; опубл. 10.02.2007. - 4 с.: 3 ил.] с применением скребков, выполненных в виде спирали и смещающих пену в желоб с поверхности жидкости при своем вращении. Регулированием угла кривизны витка спирали можно регулировать скорость пеносъема, при которой не происходит "гашения" (разрушения) пенного продукта.
Недостатками этого способа удаления пены являются:
- низкая эффективность очистки стоков в результате разрушения пены и возврата твердых частиц, захваченных пеной, в очищаемую жидкую среду из-за частичного разрушения пены при ее трении о скребки;
- сложность конструкционного оформления и большой расход энергии механического привода.
Известен способ удаления пенного продукта из флотатора или электрофлотатора [патент RU №2309802, кл.6 В03D 1/00. Способ удаления пенного продукта из флотатора или электрофлотатора [Текст] /О.Н.Новиков, Ю.В.Казакова, заявитель и патентообладатель Иркутская городская общественная организация "Экологическая группа", №2006104769/03; заявл. 2006.02.15; опубл. 2007.11.10. - 4 с.: 3 ил.], включающий подачу воздуха и разгрузку пенного продукта, дополнительную периодическую подачу объема пузырьков газа, формируемых путем периодического увеличения интенсивности электролиза, а также растворением газа в жидкости под давлением и последующим пропусканием через ультразвуковой свисток и кавитатор, обеспечивающий не менее чем семикратное увеличение газонасыщенности обрабатываемой жидкости до формирования слоя сжиженной пены с длительностью и периодичностью не реже 1/7 времени обработки жидкости во флотаторе, с последующим сливом жидкой пены из флотатора самотеком.
Недостатками этого способа удаления пены являются:
- сложность конструкционного оформления и большой расход энергии, соизмеримый с расходами на собственно флотацию и оправданный только в случае образования псевдотвердой пены, потерявшей свойство текучести.
Известен способ удаления пенного продукта из флотационной машины [авторское свидетельство СССР №1180076, кл.6 В03D 1/14. Способ удаления пенного продукта из флотационной машины [Текст] / С.А.Конторовский, Э.Я.Перельман и И.Н.Спиваковский, заявитель и патентообладатель Специальный конструкторский отдел Государственного проектно-конструкторского и экспериментального института по обогатительному оборудованию Гипромашобогащение, №3710331/22-03; заявл. 05.01.84; опубл. 23.09.85. бюл. №35 - 4 с.: 3 ил.], включающий периодическую подачу струи воздуха под пенный продукт под углом к направлению его движения и разгрузку пенного продукта через переливной порог, снабженный подвижным затвором, установленным на шарнире.
Недостатками этого способа удаления пены являются:
- низкая эффективность очистки стоков в результате разрушения пены и возврата твердых частиц, захваченных пеной, в очищаемую жидкую среду при срабатывании подвижного затвора;
- сложность конструкционного оформления и большой расход энергии на преодоление гидравлического сопротивления в приспособлении для создания струи воздуха;
- малая скорость перемещения пены по зеркалу жидкости, что ведет к концентрированию пены взвешенными веществами, снижению ее текучести, затруднению ее удаления из флотатора и соответственно к снижению эффективности флотации.
Технической задачей предлагаемого способа является повышение эффективности очистки стоков, снижение расхода энергии и упрощение конструкционного оформления удаления пены из флотатора.
Технический результат достигается тем, что в способе удаления пены из флотатора, включающем подачу струи воздуха, осуществление движения пены и ее разгрузку, подачу воздуха осуществляют непрерывно над всей поверхностью пены со скоростью 0,5-0,8 м/с и параллельно направлению ее движения, а в месте разгрузки пены скорость воздуха составляет 1,5-2,5 м/с.
Известно устройство для удаления пенного продукта [авторское свидетельство СССР №1180076, кл.6 В03D 1/14. Способ удаления пенного продукта из флотационной машины [Текст] / С.А.Конторовский, Э.Я.Перельман и И.Н.Спиваковский, заявитель и патентообладатель Специальный конструкторский отдел Государственного проектно-конструкторского и экспериментального института по обогатительному оборудованию Гипромашобогащение, №3710331/22-03; заявл. 05.01.84; опубл. 23.09.85. бюл. №35 - 4 с.: 3 ил.], содержащее желоб для слива пенного продукта, снабженное кожухом с ограничителем, приспособление для создания струи воздуха, которое закреплено под пенным продуктом, прикреплено к переливному порогу и снабжено подвижным затвором, установленным на шарнире.
Недостатками устройства удаления пенного продукта являются:
- невозможность реализации предлагаемого способа удаления пены.
- низкая эффективность очистки стоков в результате разрушения пены и возврата твердых частиц, захваченных пеной, в очищаемую жидкую среду при срабатывании подвижного затвора;
- сложность конструкции и большой расход энергии на преодоление гидравлического сопротивления в приспособлении для создания струи воздуха.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности очистки стоков, упрощение конструкции, снижение расхода энергии и возможность реализации предлагаемого способа удаления пены из флотатора.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для удаления пены, содержащее кожух, желоб для слива пены, приспособление для создания струи воздуха, подвижный затвор кожух имеет форму параллелепипеда и накрывает всю поверхность зеркала пены, его торец у желоба для слива пены закрыт подвижным затвором, имеющим возможность фиксации положения, а с противоположной стороны он стыкуется с приспособлением для создания горизонтальной струи воздуха над зеркалом пены.
На чертеже изображено устройство для осуществления предлагаемого способа удаления пены из флотатора.
Устройство удаления пены из флотатора содержит кожух 1, установленный над флотационной камерой 2, желоб для слива пены 3, распределитель воздуха 4, подвижный затвор 5, винт-фиксатор 6 и вентилятор 7.
Устройство работает следующим образом.
Воздушный поток, созданный вентилятором 7 и распределителем воздуха 4, движется в горизонтальной плоскости между зеркалом пены и кожухом 1 в ламинарном режиме. Торец кожуха, расположенного у желоба для слива пены, частично закрыт подвижным затвором 5, что создает плоскую воздушную струю с повышенной скоростью в месте разгрузки пены. Слой пены увлекается потоком воздуха в сторону желоба для слива пены 3. Подойдя к кромке флотационной камеры 2, пена ускоряется плоской струей воздуха и переваливается через кромку флотационной камеры 2 в желоб для слива пены 3. Регулировка скорости турбулентной струи в месте разгрузки пены осуществляется поворотом подвижного затвора 5. Винт-фиксатор 6 обеспечивает неподвижность подвижного затвора 5 после установки скорости плоской струи в месте разгрузки пены, достаточной для предотвращения накопления пены у кромки флотационной камеры.
В предлагаемом решении способа удаления пены направленное перемещение пены по зеркалу жидкости происходит под воздействием сил гидравлического трения, возникающих между горизонтальным потоком воздуха и слоем пены. Под воздействием таких же сил осуществляется и разгрузка пены.
Таким образом, в предлагаемом способе удаления пены из флотатора отсутствует механическое воздействие на пену, которое присутствует в известных способах удаления пены. Механическое воздействие на пену является основным источником разрушения пены, возврата твердых частиц, захваченных пеной, в очищаемую жидкую среду и снижения эффективности очистки стоков (разделения смесей). Исключение в предлагаемом способе механического воздействия на пену обеспечивает повышение эффективности очистки стоков.
Непрерывной поток воздуха, имеющий скорость до 0,8 м/с, над зеркалом пены движется ламинарно и не создает условий для интенсификации процесса разрушения воздушных пузырьков, а только обеспечивает движение пены по зеркалу разделяемой (очищаемой) жидкости к месту разгрузки. Уменьшение скорости воздуха ниже 0,3 м/с не обеспечивает достаточную скорость движения пены по зеркалу жидкости, в результате длительного пребывания пены в аппарате происходит ее разрушение и снижение эффективности флотации. Увеличение скорости обдува свыше 0,8 м/с значительно снижает толщину слоя пены, повышает ее влажность, снижает концентрацию твердой фазы в пене и увеличивает массу фракции, требующей последующей утилизации или переработки. Использование скорости воздушного потока в интервале 0,3…0,8 м/с обеспечивает своевременное удаление пены и повышение эффективности очистки стоков.
В месте разгрузки пены подвижный затвор, имеющий возможность фиксации положения, уменьшает сечение воздушного потока, что приводит к образованию плоской воздушной струи, которая предотвращает накопление пены у кромки флотационной камеры 2 и обеспечивает своевременное переваливание пены в желоб для слива пены 3. Интенсификация процесса разрушения воздушных пузырьков под воздействием плоской воздушной струи в месте разгрузки пены не оказывает влияния на эффективность флотации. Это объясняется тем, что возможное гашение пены будет происходить на ее свободной поверхности и в месте ее выгрузки, т.е. твердые частицы не успеют проникнуть через нижние слои пены и возвратиться в очищаемые стоки (разделяемую смесь). Увеличение скорости воздушной струи свыше 2,5 м/с приведет к выбросу пены из желоба для ее сбора, а снижение ниже 1,5 м/с может оказаться недостаточным для преодоления пеной кромки разделяющей стенки.
Снижение расхода энергии достигается уменьшением гидравлического сопротивления воздушного потока.
В аналоге гидравлическое сопротивление воздушному потоку складывается из:
1) гидравлического сопротивления приспособления для создания струи воздуха;
2) гидравлического сопротивления кожуха;
3) давления, необходимого для преодоления силы тяжести подвижного затвора и придания ему ускорения;
4) гидростатического давления столба пены над затвором;
5) давления, необходимого для преодоления силы тяжести столба пены над затвором и придания ему ускорения.
В предложенном способе удаления пены из флотатора гидравлическое сопротивление воздушного потока включает только два первых пункта из списка, указанного для аналога.
Упрощение конструкционного оформления в предложенном способе удаления пены из флотатора достигается заменой использования узла крепления подвижного затвора, вместо шарнира устанавливается винт-фиксатор.
Отказ от использования периодически открывающегося подвижного затвора позволяет также исключить источник шума, возникающего в шарнире и возможном ударе подвижного затвора по ограничителю.
Пример 1 (аналог)
3
В флотаторе, имеющем прямоугольную поверхность камеры отстаивания длиной 0,8 м и шириной 0,6 м, производительностью 2,5 м/ч, проводится очистка напорной флотацией нефтесодержащих стоков.
Переливной порог, приспособление для создания струи воздуха, которое расположено под пеной и прикреплено к переливному порогу, подвижный затвор и желоб для слива пены имеют длину 0,6 м. Подвижный затвор, установленный на шарнире, имеет ширину 0,1 м и массу 0,92 кг.
3
Подача воздуха в приспособление для создания струи воздуха осуществляется периодически в течение 15 с интервалом 50 с. Средний расход воздуха 216 м/ч, давление 350 Па, мощность, потребляемая вентилятором, 53 Вт.
После выхода установки на стационарный режим показатели стоков до и после очистки приведены в таблице 1. Средняя высота слоя пены составила 25 мм, средняя скорость ее перемещения по зеркалу воды - 0,87 мм/с, а максимальное время пребывания пены в камере отстаивания 800/0,87=919 с=15,3 мин.
Таблица 1
Показатели стоков до и после очистки примера 1
Показатели стоков
Единица измерения
До очистки
После очистки
Степень очистки, %
Температура
°С
15
33,4
58,2
Нефтепродукты
мг/л
80
53,6
40,5
Взвешенные вещества
мг/л
90
308,7
11,8
ХПК
мг О<sub>2</sub>/л
350
165,1
8,3
БПК
мг О<sub>2</sub>/л
180
33,4
58,2
Пример 2 (предлагаемый способ)
3
В флотаторе, имеющем прямоугольную поверхность камеры отстаивания длиной 0,8 м и шириной 0,6 м, производительностью 2,5 м/ч, проводится очистка напорной флотацией нефтесодержащих стоков. Показатели очищаемых стоков те же, что и в примере 1.
Кожух, накрывающий всю поверхность камеры отстаивания, желоб для слива пены, с расположенным над ним подвижным затвором, приспособление для создания струи воздуха, приспособление для создания горизонтальной струи воздуха над зеркалом пены имеют длину 0,6 м. Зазор между кожухом и зеркалом жидкости 0,1 м.
Подача воздуха в приспособление для создания струи воздуха осуществляется непрерывно с созданием скорости воздушной струи над зеркалом пены 0,3; 0,5; 0,6; 0,8 и 1 м/с. Параметры работы флотационной установки после ее выхода на стационарный режим для разных скоростей воздушной струи над зеркалом пены приведены в таблице 2.
Таблица 2
Параметры работы установки примера 2
Скорость воздушной струи над зеркалом пены, м/с
0,3
0,5
0,6
0,8
1,0
Скорость воздушной струи в месте выгрузки пены, м/с
0,6
1,5
1,8
2,5
3,0
Расход воздуха, м<sup>3</sup>/ч
63
108
130
173
216
Давление воздуха, Па
101
106
110
114
116
Мощность, затрачиваемая на перемещение воздуха, Вт
2,8
3,2
4
5,5
7
Средняя высота слоя пены, мм
5,8
3,4
2,8
2,1
0,17
Скорость пены, мм/с
30
50
60
80
100
Максимальное время пребывания пены, с
27
16
13
10
8
Степень очистки по нефтепродуктам, %
58,6
59,2
59,4
59,3
58,6
Степень очистки по взвешенным веществам, %
41
42
41,5
42,1
40,5
Степень очистки по ХПК, %
12
12,3
12,3
12,4
12,1
Степень очистки по БПК, %
8,4
8,6
8,5
8,6
8,3
Задержка пены на выгрузке
есть
малая
нет
нет
нет
Выброс пены
нет
нет
нет
нет
есть
Анализ данных таблицы 2 показывает, что при скоростях воздушной струи над зеркалом пены 0,3-0,8 м/с показатели эффективности очистки стоков выше, чем за пределами этого диапазона скоростей, что указывает на оптимальный диапазон скоростей воздушной струи над зеркалом пены, равный 0,5-0,8 м/с. При скорости воздушной струи в месте выгрузки пены 1,5 м/с наблюдается ее задержка, а при скорости 3,0 м/с - выброс пены из желоба для слива пены, что указывает на оптимальный диапазон скоростей воздушной струи в месте выгрузки пены, равный 1,5-2,5 м/с.
Параметры работы флотационной установки по примерам 1 (аналог) и 2 (предлагаемый способ) представлены в таблице 3.
Таблица 3
Параметры работы установки по примерам 1 и 2
Показатели
Пример 1
Пример 2
Скорость воздушной струи над зеркалом пены, м/с
4
0,3-0,8
Расход воздуха, м<sup>3</sup>/ч
216
63-173
Давление воздуха, Па
108
101-114
Мощность, затрачиваемая на перемещение воздуха, Вт
53
2,8-5,5
Средняя высота слоя пены, мм
25
5,8-2,1
Скорость пены, мм/с
0,87
30-80
Максимальное время пребывания пены, с
919
27-10
Степень очистки по нефтепродуктам, %
58,2
58,6-59,3
Степень очистки по взвешенным веществам, %
40,5
41,0-42,1
Степень очистки по ХПК, %
11,8
12,0-12,4
Степень очистки по БПК, %
8,3
8,4-8,6
Анализ таблицы 3 показывает, что степень очистки по предлагаемому способу выше по разным веществам на 0,27-1,37%, а расход энергии на перемещение воздуха, время пребывания пены на поверхности жидкости в отстойнике на порядок ниже.