МНОГОЗОННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ТОНКОСЛОЙНОЙ ОЧИСТКИ БОЛЬШИХ ОБЪЕМОВ ЖИДКОСТЕЙ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ
MULTI-ZONE PROCESS MODULE FOR THIN-LAYER CLEANING OF MAJOR VOLUMES OF FLUIDS FROM MECHANICAL IMPURITIES

Изобретение относится к области очистки жидкостей, в частности оборотных вод большого объема, а также технологических жидкостей (ТЖ), смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), моющих растворов и может быть использовано на металлообрабатывающих производствах при обработке металлов давлением, резанием и прокатке.
Известно устройство «Интегрированный технологический модуль для тонкослойной очистки больших объемов воды от механических примесей и нефтепродуктов» (см. патент на полезную модель РФ №57269. Кл. C02F 1/40. Опубл. 10.10. 2006. Бюл. №28), содержащее установленные в емкости с обрабатываемой водой пакеты горизонтально ориентированных элементов, подводящие и отводящие патрубки, решетки, соединенные с распределительной и приемной камерами.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что накопившийся на горизонтально ориентированных элементах осадок удаляется с помощью ножей, поворачивающихся вокруг оси с помощью привода. Кроме того, известная конструкция подразумевает изготовление горизонтально ориентированных элементов из прочных стальных листов из нержавеющей стали.
Эти обстоятельства резко повышают стоимость известного устройства очистки, а конструкция открытой емкости не позволяет использовать эти устройства в напорных системах очистки.
Известно «Устройство для очистки жидкости от частиц методом осаждения» (см. патент на изобретение №1058522. Кл. C01N 15/04. Опубл.30.11.1983), содержащее ряд параллельных наклонных пластин, заключенных между боковыми стенками, расположенную под пластинами камеру для сбора осадка. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что одна ступень очистки не обеспечивает необходимое качество очистки жидкости. Для качественной очистки жидкостей необходимо использовать несколько ступеней очистки.
Известно устройство «Технологический модуль тонкослойной очистки больших объемов воды от механических примесей» (см. Патент на изобретение РФ №2372133. Кл. C02F 1/40. Опубл.10.11.2009), содержащее установленные в емкости с обрабатываемой водой горизонтально ориентированные элементы, выполненные в виде эластичной ленты, огибающие опорные и натяжные элементы, установленные по бокам емкости, подводящие и отводящие патрубки, решетки, соединенные с распределительной и приемной камерами. Кроме того, емкость со стороны слива очищаемой жидкости оснащена направляющими штангами, причем вдоль направляющих штанг на поверхности воды плавает платформа, выполненная в виде поплавка. Сама платформа оснащена насосом, а на верхней части платформы установлена гребенка с соплами, направленными в сторону горизонтально ориентированных элементов.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что при высокой степени загрязненности очищаемой жидкости (например, более 10 г/л) резко сокращается время цикла очистки жидкости между промывками, что в конечном итоге снижает эффективность работы технологического модуля (ухудшается качество очистки, снижается производительность устройства). Кроме того, для качественной очистки жидкостей необходимо использовать несколько ступеней очистки.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что устройство дополнительно оснащено наклонно-ориентированными элементами, установленными перед горизонтально-ориентированными элементами, а сами наклонно- и горизонтально-ориентированные элементы выполнены в виде пакетов, набранных из листов сотового пластикового профиля, например поликарбоната. Очищаемая жидкость направляется во внутреннюю часть листа сотового поликарбоната. Количество пакетов m с наклонно- и горизонтально-ориентированными элементами, расположенных друг за другом, а также высота прозора h листов сотового профиля в каждом пакете задаются, а степень очистки определяется по формуле
m
j
j
ж
кi
и
кi
i
д
3
2
3
3
исходя из заданной степени очистки жидкости ε, физико-химического состояния жидкости и загрязнений, где m - количество пакетов с наклонно- и горизонтально-ориентированными элементами, расположенных друг за другом (число ступеней очистки); n - число фракций частиц; L, h - длина и высота прозора листов сотового поликарбоната j-й ступени системы, м; ρ и ρ - плотность очищаемой жидкости и средняя плотность оседающего комплекса «твердая частица - гидратная оболочка» соответственно, кг/м; g=9,8 ускорение свободного падения, м/с; η - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па·с; V - скорость движения жидкости и частицы в технологическом модуле, м/с; С - исходная концентрация шлама в очищаемой жидкости, мг/дм; l - показатель степени, l≈1; d - эквивалентный диаметр i-го комплекса «твердая частица - гидратная оболочка», м; f - частость частиц i-й фракции механических примесей в исходной жидкости, С - граничная концентрация механических примесей при аддитивном осаждении частиц, мг/дм.
Использование предлагаемого изобретения обеспечивает следующий технический результат:
- расширение области применения устройства очистки,
- повышение эффективности работы устройства (качества очистки жидкости).
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что многозонный технологический модуль тонкослойной очистки больших объемов жидкостей от механических примесей содержит установленные в емкости с обрабатываемой жидкостью горизонтально-ориентированные элементы, подводящие и отводящие патрубки, решетки, соединенные с распределительной и приемной камерами, направляющие штанги, плавающую платформу, оснащенную насосом, гребенкой с соплами, направленными в сторону горизонтально-ориентированных элементов.
Особенность заключается в том, что устройство дополнительно оснащено наклонно-ориентированными элементами, установленными перед горизонтально-ориентированными элементами, а сами наклонно- и горизонтально-ориентированные элементы выполнены в виде пакетов, набранных из листов сотового пластикового профиля, например поликарбоната. Очищаемая жидкость направляется во внутреннюю часть листа сотового профиля.
Количество пакетов m с наклонно- и горизонтально-ориентированными элементами, расположенных друг за другом, а также высота прозора h листов сотового профиля в каждом пакете задаются, а степень очистки определяется по формуле
m
исходя из заданной степени очистки жидкости ε, физико-химического состояния жидкости и загрязнений.
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 соответствует условию «новизна».
Конструкция изобретения представлена на чертежах (фиг.1-4).
Фиг.1 - разрез устройства в режиме очистки жидкости.
Фиг.2 - разрез устройства в режиме промывки.
Фиг.3 - фрагмент внутренней части наклонно-ориентированного элемента.
Фиг.4 - фрагмент внутренней части горизонтально-ориентированного элемента.
Устройство очистки жидкостей состоит из корпуса 1 с распределительной 2 и приемной 3 камерами, подводящего 4 и отводящего 5 патрубков, решеток 6 и 7, направляющих штанг 8, платформы 9, насоса 10, гребенки 11, сопел 12, задвижек 13 и 14, переливной трубы 15, пакета 16, набранного из листов из наклонно-ориентированных элементов 17 и образующего первую зону очистки, пакетов 18 и 19, набранных из листов из горизонтально-ориентированных элементов 20 и образующих вторую и третью зоны очистки.
Устройство работает следующим образом.
В режиме очистки. Очищаемая жидкость через задвижку 13 (задвижка 14 закрыта) и подводящий патрубок 4 подается в распределительную камеру 2, а затем через решетку 6 в корпус 1 устройства. Проходя между листами наклонно-ориентированных элементов 17 пакета 16, жидкость за счет гравитации очищается от инородных включений, которые выпадают на поверхность листов 17, накапливаются на них, а затем по мере накопления под собственным весом сползают по поверхности листа в нижнюю часть распределительной камеры 2 корпуса 1. Частично очищенная жидкость из первой зоны перетекает во вторую зону, а затем в третью и так далее (в зависимости от количества расчетных зон), где очищается за счет гравитации. Инородные примеси выпадают на поверхности листов 20. При выходе из последней зоны жидкость перетекает в переливную трубу 15, а затем по патрубку 5 направляется потребителю или дальнейшую очистку. При накоплении на поверхности листов 20 определенного количества осадка автоматически закрывается задвижка 13 и открывается задвижка 14 и устройство переходит в режим промывки.
В режиме промывки. В этом режиме скопившийся в нижней части распределительной камеры 2 осадок с жидкостью самотеком через задвижку 14 начинает сливаться из корпуса 1. В этот момент включается насос 10, установленный на платформе 9, который под давлением подает жидкость в гребенку 11, а затем через сопла 12 направляет ее в прозоры горизонтально-ориентированных элементов, тем самым смывая осевший на поверхности листов 20 слой осадка.
Спускаясь вниз по направляющим 8, плавая на поверхности сливаемой жидкости, платформа 9 с насосом 10 обеспечивают промывку всех прозоров горизонтально-ориентированных элементов 20. Смываемый осадок вместе с жидкостью через задвижку 14 отправляется в устройство дальнейшего сгущения.
После режима промывки закрывается задвижка 14 и открывается задвижка 13 и тем самым устройство переводят в режим очистки жидкости.
Заполняемая корпус 1 через патрубок 4 жидкость поднимает платформу 9 до верхнего положения и тем самым подготавливает ее к режиму промывки.
Закрытая конструкция корпуса 1 расширяет возможности устройства и позволяет использовать его в напорных и безнапорных системах очистки жидкостей.
Отсутствие каких-либо исполнительных механизмов с электрическими приводными элементами упрощает предлагаемую конструкцию устройства и снижает его стоимость.
Применение набора наклонно- и горизонтально-ориентированных элементов и создание нескольких зон для осаждения из жидкости инородных включений позволяет расширить область применения устройства очистки и повысить эффективности его работы (качества очистки жидкости).
m
Расчет конструктивного параметра устройства - прозора h, для различных зон очистки в зависимости от заданной степени очистки жидкости ε, а также физико-химического состояния жидкости и загрязнений также повышает эффективность его работы.
Пример расчета однозонного технологического модуля тонкослойной очистки представлен в таблице 1, а многозонного - в таблице 2.
Таблица 1
Исходные данные и результаты расчета однозонного технологического модуля тонкослойной очистки (ТГО)
№ условия
Условия
Размерность
Значение
1
2
3
4
1
Требуемая концентрация механических примесей в очищенной СОЖ, C<sub>o</sub>
мг/дм<sup>3</sup>
20
2
Концентрация механических примесей в исходной СОЖ, С<sub>и</sub>
мг/дм<sup>3</sup>
100
3
Среднее арифметическое значение размера частиц, <img file="00000003.tif" he="5" wi="3" img-content="undefined" img-format="tif" />
мкм
10
4
Среднее квадратическое отклонение арифметического размера частиц, σ (закон Гаусса)
мкм
3,3
5
Производительность ТГО, Q
м<sup>3</sup>/ч
100
6
Температура СОЖ, Т
°C
20
7
Коэффициент динамической вязкости очищаемой СОЖ, η
Па·с
0,001
8
Плотность очищаемой СОЖ, ρ<sub>ж</sub>
кг/м<sup>3</sup>
1000
9
Содержание металлической компоненты, С<sub>м</sub>
%
100
10
Плотность частиц металлической компоненты, ρ<sub>т</sub>
кг/м<sup>3</sup>
7800
11
Граничная концентрация аддитивного осаждения частиц, С<sub>д</sub>
мг/дм<sup>3</sup>
40
12
Коэффициент толщины гидратной оболочки, k<sub>hг</sub>
-
0,6
13
Рассчитываем допускаемое значение [ε]:
<img file="00000004.tif" he="8" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="11" wi="26" img-content="undefined" img-format="tif" />
14
Из конструктивных сображений принимаем:
м
0,5
- длину осадительной перегородки L;
м
0,03
- величину прозора h;
м/с
0,01
- скорость движения СОЖ в зазоре V
15
Рассчитываем:
- концентрацию частиц механических примесей i-й фракции в исходной СОЖ, С<sub>иi</sub>;
мг/дм<sup>3</sup>
С<sub>иi</sub>=С<sub>и</sub>·f<sub>i</sub>
- обобщенный параметр, R
1/м<sup>2</sup>
R=R<sub>к</sub>·R<sub>p</sub>·R<sub>ф</sub>·R<sub>a</sub>
- степень очистки частиц механических примесей i-й фракции, тонкость очистки по параметру d<sub>50</sub>
<img file="00000006.tif" he="7" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
- концентрацию частиц механических примесей i-й фракции в очищенной СОЖ С<sub>oi</sub>;
мг/дм<sup>3</sup>
C<sub>oi</sub>=(1-ε<sub>i</sub>)·С<sub>иi</sub>
- суммарную концентрацию частиц механических примесей в очищенной СОЖ С<sub>о</sub>;
мг/дм<sup>3</sup>
C<sub>o</sub>=∑C<sub>оi</sub>
- степень очистки ТГО ε
<img file="00000007.tif" he="7" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
16
Сравниваем рассчитанное значение ε с требуемым [ε]
-
0,77<0,9; не соответствует
17
Осуществляем пересчет; принимаем новое значение L
м
1
18
Осуществляем новый расчет (см. п.15), сравниваем новое ε с требуемым значением [ε]
-
0,895≈0,9; удовлетворяет
19
Рассчитываем время непрерывной очистки до регенерации t<sub>н</sub>
ч
80
Таблица 2
Расчет многозонного (четырехзонного) ТГО
№ условия
Условия
Размерность
Значение
1
Исходные условия аналогичны п.1, табл.1: [ε]=0,9; С<sub>и</sub>=100 мг/дм<sup>3</sup>; количество ступеней в системе очистки - 4; <img file="00000008.tif" he="5" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />; σ=3,3 мкм; Q=100 м<sup>3</sup>/ч; Т=20°С; η=0,001 Па·с; ρ<sub>ж</sub>=1000 кг/м<sup>3</sup>; ρ<sub>т</sub>=7800 кг/м<sup>3</sup>; С<sub>д</sub>=40 мг/дм<sup>3</sup>; k<sub>hг</sub>=0,6
2
Принимаем ε<sub>1</sub>=ε<sub>2</sub>=ε<sub>3</sub>=0,5, а для четвертой ступени рассчитываем <img file="00000009.tif" he="10" wi="62" img-content="undefined" img-format="tif" />
-
<img file="00000010.tif" he="11" wi="58" img-content="undefined" img-format="tif" />
3
Для первых трех ступеней подбираем L; h и V=const для всей системы; расчет и проверку всех трех ступеней осуществляем аналогично п.п.10-19 табл.1.
V
м/с
0,01
L<sub>1</sub>
м
0,5
<b>h</b><sub>1</sub>
<b>м</b>
<b>0,063</b>
ε<sub>1</sub>
-
0,502≈0,5; удовлетворяет
t<sub>н1</sub>
ч
91
L<sub>2</sub>
м
0,75
<b>h</b><sub>2</sub>
<b>м</b>
<b>0,029</b>
ε<sub>2</sub>
-
0,504≈0,5; удовлетворяет
t<sub>н2</sub>
ч
2345
L<sub>3</sub>
м
1
<b>h</b><sub>3</sub>
<b>м</b>
<b>0,012</b>
ε<sub>3</sub>
-
0,503≈0,5; удовлетворяет
t<sub>н3</sub>
ч
7312
4
Расчет для 4-ой ступени аналогичен расчету для предыдущих ступеней
L<sub>4</sub>
1
0,5
<b>h</b><sub>4</sub>
<b>м</b>
<b>0,009</b>
ε<sub>4</sub>
-
0,205≈0,2; удовлетворяет
t<sub>н4</sub>
ч
44804
5
Выполняем проверку эффективности работы системы по условию ε<sub>с</sub>≈[ε]
ε<sub>c</sub>=1-(1-0,502)(1-0,504)×(1-0,503)(1-0,205)=0,903≈0,9; ε<sub>с</sub>>[ε]
Из таблицы 2 следует, что величина прозора между осадительными перегородками первой зоны очистки соответствует 0,063 м, второй зоны - 0,029 м, третьей зоны - 0,012 м и четвертой зоны - 0,009 м.
Таким образом, вышеизложенное описание свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение, при его осуществлении предназначено для очистки технологических жидкостей (ТЖ), смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), моющих растворов и может быть использовано на металлообрабатывающих производствах при обработке металлов давлением, резанием и прокатке;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано 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».