Гидроциклон

Предлагаемое техническое решение относится к комбинированным устройствам для разделения неоднородных жидких сред и может быть использовано в сельскохозяйственной мелиорации при водоочистке или водоподготовке для систем капельного полива, микроорошения и дождевания.
Известен гидроциклон, содержащий корпус, включающий сопряженные цилиндрическую и коническую обечайки, тангенциальный ввод для подачи исходного продукта, песковый патрубок для вывода тяжелого продукта, сливной патрубок для вывода осветленного продукта, фильтрующий элемент и шламовый сборник, причем коническая обечайка снабжена отбойным устройством, жестко закрепленным на подвижном штоке, и направляющим элементом, а фильтрующий элемент выполнен в виде полупроницаемой мембраны, закрепленной в цилиндрической обечайке (Патент № 40015 RU МПК B04C 5/22 от 27.08.2004).
К недостаткам известного гидроциклона относятся невозможность удаления из поливной воды тонкодисперсных всплывающих примесей и микрокапель органических загрязнителей, а также сложность конструктивного оформления и эксплуатации гидроциклона.
Известен гидроциклон, содержащий тангенциальный ввод, сливной патрубок для вывода легкого продукта с фильтрующим элементом и разгрузочный штуцер вывода тяжелого продукта, причем сливной патрубок гидроциклона в верхней части снабжен насыпным сорбционным фильтром с цеолитовой загрузкой, а фильтрующий элемент содержит внутренний и наружный слои сетчатого опорного каркаса, между которым и размещена, по меньшей мере, одна фильтровальная перегородка (Патент №158008 RU МПК B04C 5/22 от 20.12.2015).
К недостаткам известного гидроциклона относятся невозможность удаления из поливной воды тонкодисперсных всплывающих примесей и микрокапель  органических загрязнителей.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому устройству и принятым за прототип является гидроциклон, содержащий корпус, включающий сопряженные цилиндрическую и коническую обечайки, тангенциальный ввод для подачи исходного продукта, песковый патрубок для вывода тяжелого продукта, сливной патрубок для вывода осветленного продукта, снабженный фильтрующим элементом с фильтрующей боковой поверхностью и цилиндрическим сорбционным фильтром, погруженным по верхний край тангенциального ввода, установленным коаксиально со сливным патрубком и размещенным на диске, образующим сверху в цилиндрической обечайке дополнительную камеру для сбора осветленного продукта, снабженную дополнительным сливным патрубком для вывода осветленного продукта (Патент №184122 RU МПК B04C 5/22 от 16.10.2018).
К недостаткам известного гидроциклона относятся недостаточная эффективность удаления тонкодисперсных всплывающих примесей и микрокапель  органических загрязнителей цилиндрическим сорбционным фильтром.
Техническим результатом является повышение эффективности очистки поливной воды от тонкодисперсных всплывающих примесей и микрокапель органических загрязнителей.
Поставленный технический результат достигается тем, что гидроциклон, включающий сопряженные цилиндрическую и коническую обечайки, тангенциальный ввод для подачи исходного продукта, песковый патрубок для вывода тяжелого продукта, сливной патрубок для вывода осветленного продукта, снабженный фильтрующим элементом с фильтрующей боковой поверхностью и сорбционным фильтром, погруженным по верхний край тангенциального ввода, установленным коаксиально со сливным патрубком и размещенным на диске, образующим сверху в цилиндрической обечайке дополнительную камеру для сбора осветленного продукта, снабженную дополнительным сливным патрубком для вывода осветленного продукта, причем сорбционный фильтр образован размещенными на расстоянии 15 мм одно от другого перфорированными кольцами с диаметром перфораций 2 мм, покрытыми снизу и сверху слоем фильтровального сорбирующего материала толщиной 4 мм из синтетических и натуральных волокон.
Фильтровальный сорбирующий материал может быть выполнен из следующих натуральных и синтетических волокон: хлопок, базальтовое волокно, техническая вата, нитрон, углеродные волокнистые полимерные материалы. Предлагаемые материалы обладают высокой фильтрующей способностью относительно тонкодисперсных примесей и микрокапель органических загрязнителей.
Структуру фильтрующей насадки можно варьировать путем изменения числа фильтрующих слоев и расстояния между слоями, получая в результате несколько вариантов структуры фильтра, регулируя степень очистки.
Предлагаемая конструкция сорбционного фильтра, образованного размещенными на расстоянии 15 мм одно от другого перфорированными кольцами с диаметром перфораций 2 мм, покрытыми снизу и сверху слоем фильтровального сорбирующего материала, увеличивает ресурс фильтра в сравнении с фильтром, содержащим сплошную загрузку фильтрующего материала, что позволяет повысить эффективность удаления примесей из воды и сократить время простоя гидроциклона на регенерацию (Дмитриева, З.Т. Высокоэффективная адсорбционная очистка воды от углеводородных примесей с использованием дискового фильтра с переменной скоростью потока //Вода, химия и экология. - 2013.- №6.- С. 31-38).
Уменьшение расстояния между перфорированными кольцами с фильтровальным сорбирующим материалом менее 15 мм нецелесообразно вследствие того, что в этом случае гидродинамика потока будет схожа с расположением сорбционного материала сплошным слоем.
Увеличение расстояния между перфорированными кольцами с фильтровальным сорбирующим материалом более 15 мм нецелесообразно вследствие ограничений по высоте сливного патрубка, на внешней поверхности которого размещен сорбционный фильтр.
Предлагаемый диаметр перфораций колец сорбционного фильтра в интервале 2 мм обеспечивает оптимальные значения скорости потока воды в гидроциклоне и гидравлического сопротивления аппарата, повышая тем самым производительность.
Уменьшение диаметра перфораций меньше 2 мм приведет к росту гидравлического сопротивления потока воды в аппарате и, как следствие,  к снижению его производительности по очищенной воде.
С ростом диаметра перфораций выше 2 мм гидравлическое сопротивление потока воды в аппарате уменьшается, однако при этом значительно возрастет скорость потока воды в сорбционном фильтре, что приведёт к снижению фильтрационной и сорбционной емкости фильтра и ухудшению показателей качества очистки воды.
Толщина слоя фильтровального сорбирующего материала 4 мм обусловлена тем, что слой волокнистого материала имеет наибольшую сорбционную емкость при небольшой толщине, поскольку основное улавливание обеспечивает только верхний тонкий слой сорбента.
Уменьшение толщины слоя фильтровального сорбирующего материала менее 4 мм приведет к уменьшению массы сорбента, размещенной на перфорированном диске и снижению фильтрационной и сорбционной емкости сорбирующего материала.
Увеличение толщины слоя фильтровального сорбирующего материала  более 8 мм нецелесообразно, поскольку не приведет к росту фильтрационной и сорбционной емкости сорбирующего материала, так как при очистке воды  волокнистыми сорбирующими материалами «работает» только верхний тонкий слой сорбента, после насыщения которого происходит так называемое «запирание» фильтра и снижение его пропускной способности.
Повышение эффективности очистки воды от тонкодисперсных всплывающих примесей и микрокапель органических загрязнителей при высокой технологичности устройства достигается за счёт:
1) бóльшей рабочей площади сорбционного фильтра;
2) варьирования структуры сорбционного фильтра путем изменения числа фильтрующих слоев и расстояния между слоями в зависимости от природы органических загрязнителей;
3) увеличения ресурса сорбционного фильтра и сокращения времени простоя гидроциклона на регенерацию при оперативной замене сорбционного фильтра на сменный (Высокоэффективная адсорбционная очистка воды от углеводородных примесей с использованием дискового фильтра с переменной скоростью потока / З.Т. Дмитриева // Вода, химия и экология. 2013. №6. С. 31-38).
На чертеже на фиг.1 изображен общий вид гидроциклона, на фиг. 2 - сорбционный фильтр.
Гидроциклон содержит корпус, включающий сопряженные цилиндрическую 1 и коническую 2 обечайки, тангенциальный ввод 3 для подачи исходного продукта, сливной патрубок 4 для вывода осветленного продукта, снабженный фильтрующим элементом 5 с фильтрующей боковой поверхностью, песковый патрубок 6 для вывода тяжелого продукта, установленный коаксиально со сливным патрубком 4 сорбционный фильтр, образованный размещенными на расстоянии 15 мм один от другого перфорированными кольцами 7 с диаметром перфораций 2 мм, покрытыми снизу и сверху слоем фильтровального сорбирующего материала 8 толщиной 4 мм из синтетических и натуральных волокон. Сорбционный фильтр, размещенный на диске 9, образует сверху в цилиндрической обечайке дополнительную камеру 10 для сбора осветленного продукта, снабженную дополнительным сливным патрубком 11 для вывода осветленного продукта. Нижний край сорбционного фильтра  располагается на уровне верхнего края тангенциального ввода 3.
Гидроциклон работает следующим образом.
Поливная вода, содержащая грубодисперсные и тонкодисперсные механические частицы, а также тонкодисперсные всплывающие примеси и микрокапли органических загрязнителей, поступает по тангенциальному вводу 3 в цилиндрическую обечайку 1 корпуса гидроциклона. Поток воды в гидроциклоне закручивается, при этом тяжелый продукт (грубодисперсные механические частицы), характеризуемый плотностью большей плотности воды, ударяясь о стенки корпуса, по конической обечайке 2 опускается вниз и выводится через песковый патрубок 6 для вывода тяжелого продукта. Тонкодисперсные механические частицы, содержащиеся в потоке воды, осаждаются на фильтрующей боковой поверхности фильтрующего элемента 5, а часть осветленной воды выводится по сливному патрубку 4 для вывода осветленного продукта.
Часть водного потока с тонкодисперсными всплывающими примесями  и микрокаплями органических загрязнителей, с плотностью меньшей плотности осветленного продукта, двигаясь в центробежном поле, направляется от периферии корпуса к боковой фильтрующей поверхности фильтрующего элемента 5, смонтированного на сливном патрубке 4. За счет выталкивающей силы эти примеси всплывают по боковой фильтрующей поверхности фильтрующего элемента 5, упираются в сорбционный фильтр, где, проходя через перфорированные кольца 7, осаждаются на фильтровальном сорбирующем материале 8. Часть потока воды, проходящего через этот сорбционный фильтр, отводится в дополнительную камеру 10 для сбора осветленного продукта, далее выводится через дополнительный сливной патрубок 11 вывода осветленного продукта.
Пример
Произведем расчет площади сорбционных фильтров в прототипе и предлагаемой конструкции, выполненных в форме колец.
Площадь кольца рассчитывается по формуле:
(1)
где R - внешний радиус кольца;
r - внутренний радиус кольца;
Для прототипа и предлагаемой конструкции сорбционного фильтра внешний радиус кольца R составляет:
(2)
где δ - доля площади, занимаемой сорбционным фильтром относительно площади сечения корпуса, принимаем  (см. фиг. 1 в прототипе и предлагаемой конструкции);
к
R - радиус корпуса гидроциклона.
вых
Для прототипа и предлагаемой конструкции сорбционного фильтра внутренний радиус кольца r равен радиусу выходного (сливного патрубка) R:
(3)
Для прототипа площадь сорбционного фильтра составит:
(4)
Для предлагаемой конструкции площадь сорбционного фильтра при количестве фильтрующих слоев n составит:
(5)
То есть при n=4 (см. фиг.2 предлагаемой конструкции), площадь сорбционного фильтра предлагаемой контракции составит:
(4)
(4)
сф2
сф1
сф2
сф1
Таким образом, площадь сорбционного фильтра в предлагаемой конструкции Sбольше площади сорбционного фильтра в прототипе S в 4 раза. Соответственно обменная ёмкость сорбционного фильтра в предлагаемой конструкции E (мг-экв/г) будет превышать обменную ёмкость сорбционного фильтра прототипа E (мг-экв/г) в 4 раза.
Таким образом, конструкция сорбционного фильтра, образованного размещенными на расстоянии 15 мм одно от другого перфорированными кольцами с диаметром перфораций 2 мм, покрытыми снизу и сверху слоем фильтровального сорбирующего материала толщиной 4 мм из синтетических и натуральных волокон, позволит улавливать из поливной воды тонкодисперсные всплывающие примеси и микрокапли органических загрязнителей, обеспечивая высокие показатели эффективности очистки поливной воды. К тому же, предлагаемая конструкция сорбционного фильтра позволит увеличить ресурс фильтра в сравнении с фильтром, содержащим сплошную загрузку фильтрующего материала.