УСТРОЙСТВО ДОЗИРОВАНИЯ И СМЕШЕНИЯ РЕАГЕНТОВ

Полезная модель относится к области очистки поверхностных и подземных природных вод, а также сточных вод различного происхождения с применением физико-химических способов обработки воды и может быть использована в качестве устройства для смешения и дозирования реагентов в системах водоочистки и водоподготовки для получения чистой питьевой воды, а также воды требуемого качества для различных технологических и хозяйственно-бытовых целей, а именно, в химической, горнодобывающей, нефтеперерабатывающей, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности для удаления из водных сред нефтепродуктов, коллоидных частиц, органических соединений, в том числе высокомолекулярных и поверхностно-активных веществ, солей щелочных, щелочноземельных, переходных, тяжелых металлов, в том числе и некоторых радиоактивных элементов.
Известен статический струйный смеситель (Патент РФ №75589 B01F 5/06, опубл. 20.08.2008) для смешивания очищаемой воды с растворами реагентов в потоке жидкости, выполненном в виде съемного модуля, помещенного в трубопровод, состоящего из камеры смешения каплевидного сечения и оснащенного эжектором, выполненным в виде перфорированной трубки для подачи реагента с определенной ориентацией входных и выходных отверстий по отношению к потокам обрабатываемой воды.
Недостатком данного смесителя является трудоемкость изготовления перфорированных элементов с определенной ориентацией отверстий и конструктивная сложность производства устройства данного сменного модуля смесителя в целом.
Известно устройство для смешения и дозирования реагирующих жидких компонентов (Патент РФ №87695, C02F 1/58 G01F 11/00, опубл. 20.10.2009), выполненного в цилиндрическом корпусе с патрубками подвода очищаемой воды и реагентов, и патрубком отвода очищенной воды, и содержащего камеры для первого и второго реагентов, и камеру смешения, а на валу, выполненном с возможностью вращения, соответственно камер, друг за другом закреплены шнек подачи первого реагента, лопасти гидротурбины и шнек смешения, представляющий собой перемешивающее устройство, при этом патрубок подачи второго реагента в зоне лопастей гидротурбины выполнен тангенциальным, а патрубок подвода очищаемой воды расположен в зоне образования сорбента камеры смешения. В зоне очистки воды камеры смешения установлены направляющий аппарат и гидродинамический излучатель.
Недостатком данного устройства для смешения и дозирования реагирующих жидких компонентов является сложность конструкции, наличие вращающихся элементов, требующих дополнительных энергозатрат на вращение вала и лопастей гидротурбины.
Известен шаровой смеситель (Патент РФ №122037, B01F 5/06, опубл. 20.11.2012), содержащий цилиндрический корпус с узлом ввода реагента, цилиндрический корпус содержит шаровые краны предварительного вихреобразования, установленные перед узлом ввода реагента, регулировочные и запорные шаровые краны.
Недостатком данного смесителя является металлоемкость и громоздкость конструкции устройства, а также «ручная» настройка режима ввода реагента и управления процессом смешения жидкости, что требует дополнительного обслуживания при работе водоочистительной установки снабженной таким устройством.
Известно устройство для коагуляционной обработки сточных вод (Патент РФ №147134, C01F 1/00, опубл. 27.10.2014), которое содержит трубопровод подачи сточной жидкости, обводной трубопровод для ввода реагента, при этом в трубопровод подачи сточной жидкости установлена диафрагма с входным и выходным проходными отверстиями, соединенными между собой каналом, в котором расположены, по крайней мере, две направляющие и одна задерживающая лопатки.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции, а также снижение скорости движения потока сточной воды, за счет наличия в трубопроводе лопаток, что приводит к снижению эффективности смешения реагента с обрабатываемой водой и снижает скорость процесса водоочистки.
Стоит отметить также, что при использовании всех выше перечисленных устройств для смешения реагента с обрабатываемой водой необходимо для подачи реагента применять дополнительное оборудование, например насос-дозатор, использование которого увеличивает энергопотребление систем водоочистки и повышает затраты на изготовление водоочистных установок, оснащенными такими устройствами. Таким образом, по совокупности признаков наиболее близкого аналога к заявляемой полезной модели устройства для смешения и дозирования реагентов обнаружено не было.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение эффективности и качества очистки вод различного происхождения, уменьшение расхода реагентов и снижение энергозатрат на водоочистку. Технический результат достигается тем, что разработанное устройство дозирования и смешения реагентов, включающее насос, выход которого соединен с напорным трубопроводом, который посредством Т-образного разветвителя разделяется на две линии трубопровода, причем первая линия трубопровода, служащая для ввода реагента через регулировочный кран соединена с напорным входом основного потока водоводяного эжектора, а вход для инжектируемого потока реагента водоводяного эжектора через регулировочный кран соединен с емкостью для реагента, при этом, выход водоводяного эжектора соединен через трубопровод с диффузором, размещенным в реакционной камере флотатора, а вторая линия трубопровода, предназначенная для кавитационной обработки воды через регулировочный кран соединена с напорным входом основного потока водовоздушного эжектора, расположенного в реакционной камере флотатора, а вход для инжекции воздуха водовоздушного эжектора соединен с краном для обеспечения возможности регулировки поступления воздуха из атмосферы в водовоздушный эжектор, при этом выход диффузора первой линии трубопровода и выход водовоздушного эжектора, расположенные в реакционной камере флотатора, направлены навстречу друг другу, таким образом, что оси диффузора и водовоздушного эжектора совпадают.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности очистки сточных и природных вод, снижение расхода реагентов, за счет эффективного перемешивания реагентов и их равномерного распределения в обрабатываемой воде, снижение энергозатрат на водоочистку за счет того, что ввод реагентов в очищаемую воду осуществляется без использования специальных дозирующих устройств. Технический результат заключается в том, что очищаемая вода подвергается реагентной обработке, кавитационному воздействию, аэрации воздухом, с коагуляцией примесей загрязнителей, с последующим их отделением флотацией. Эффективное перемешивание реагента с обрабатываемой водой и его равномерное распределение в объеме воды является одним из главных условий формирования частиц новой фазы. Рациональная организация режима смешения ускоряет коагуляционные процессы и приводит к снижению расхода и экономии реагентов. Ввод реагентов в очищаемую воду в заявляемом устройстве осуществляется без использования специальных дозирующих устройств при помощи струйного аппарата - водоводяного эжектора, работающего в режиме смешения. Зачастую для более полной очистки вод необходимо вводить в обрабатываемую воду несколько реагентов, например неорганический коагулянт и водорастворимый полимерный флокулянт и/или реагенты для корректировки водородного показателя pH, поэтому в заявляемом устройстве предусмотрено последовательное введение в обрабатываемую воду, по меньшей мере, двух реагентов. Технический результат полезной модели заключается также в активизации процессов реагентной очистки путем создания интенсивного гидродинамического поля, при помощи водовоздушного эжектора, работающего в режиме гидродинамической кавитации. Эффективное смешивание очищаемой воды с воздухом при помощи водовоздушного эжектора, приводит к разрушению крупных молекул загрязнителей и более полному окислению растворенных в воде загрязняющих веществ различной природы (аэрация).
В заявляемом устройстве используются два вида эжекторов: водоводяной и водовоздушный. Принцип работы эжектора заключается в следующем: рабочей (эжектирующей) средой служит вода, которая подается под давлением к суживающемуся соплу, на выходе из которого она приобретает большую скорость. Вытекающая из сопла в приемную камеру, в которой создается разряжение, струя воды увлекает за собой поступающий через патрубок поток инжектируемой среды (реагент, воздух) после чего потоки попадают в камеру смешения эжектора, в которой происходит формирование смешанного потока. Поток эжектируемой среды имеет меньшую скорость и называется инжектируемым потоком. Далее смесь попадает в диффузор эжектора. Давление смешанного потока на выходе из диффузора Рс находится в пределах Ри<Рс<Рр, где Рр - давление в рабочем потоке, Ри - давление в инжектируемом потоке.
Водоводяной эжектор используется в качестве дозатора и смесителя жидких реагентов с обрабатываемой водой. Использование водоводяного эжектора позволяет существенно снизить энергозатраты на обработку воды, повысить компактность системы, увеличить производительность за счет увеличения скорости реакции. Водовоздушный эжектор используется для окисления примесей загрязненных вод и создания кавитационного "тумана" - сжатой водовоздушной эмульсии. Кавитационный "туман" подразумевает, что очень мелкие пузырьки пара располагаются в жидкости, то есть имеет место двухфазное состояние. В данном устройстве достигается кавитационный (двухфазный) режим течения жидкости с числом кавитации близким к единице. За счет явления кавитационного "тумана" повышается дисперсность частиц загрязнителей воды и их диспергирование, и как следствие, происходит увеличение числа активных центров, на которых далее осуществляется химические реакции, за счет чего уменьшается время реакции и, следовательно, время процесса водоочистки.
Фигура 1 представляет собой принципиальную схему устройства для смешения и дозирования реагентов. Схема выполнена в виде графических условных обозначений элементов, связанных функционально линиями перемещения обрабатываемой воды, реагентов и воздуха, а также смешанных потоков. Условные обозначения, представленные на схеме (Фиг. 1): насос (поз. 1), Т-образный разветвитель (тройник) (поз. 2), регулировочный кран первой линии трубопровода, регулирующий поток воды для ввода реагентов (поз. 3), водоводяной эжектор для ввода первого реагента (поз. 4), водоводяной эжектор для ввода второго реагента (поз. 5), регулировочный кран, регулирующий расход первого реагента (поз. 6), емкость для первого реагента (поз. 7), регулировочный кран, регулирующий расход второго реагента (поз. 8), емкость для второго реагента (поз. 9), регулировочный кран второй линии трубопровода, регулирующий поток воды для навигационной обработки (поз. 10), водовоздушный эжектор (поз. 11), кран регулировки расхода воздуха (поз. 12), ротаметр для определения объемного расхода воздуха (поз. 13), реакционная камера флотатора (поз. 14), диффузор первой линии трубопровода для вывода смешанного потока воды с реагентами (поз. 15).
В соответствии с принципиальной схемой, представленной на Фиг. 1, устройство дозирования и смешения реагентов с водой работает следующим образом. Обрабатываемая вода поступает в устройство через всасывающий патрубок насоса (поз. 1), при выходе из насоса (поз. 1) поток воды посредством Т-образного разветвителя (тройника) (поз. 2), установленного на напорном трубопроводе разделяется на два потока в объемном соотношении потоков, например 1:4, 1:3, либо 2:3. Линии трубопровода каждого из потоков регулируются кранами (поз. 3 и поз. 10), которые также служат для поддержания оптимального давления в линиях каждого из трубопроводов. Каждая из линий трубопровода может быть снабжена контрольно-измерительными приборами: манометрами и расходомерами.
Расход потока воды меньшего объема, проходяший по трубопроводу ввода реагентов регулируется краном (поз. 3). Линия трубопровода ввода реагентов оснащена двумя струйными гидродинамическими устройствами - водоводяными эжекторами (поз. 4 и поз. 5), работающими в режиме смесителей реагентов с обрабатываемой водой. За счет снижения давления в камере смешения эжектора при прохождении потока воды через эжектор (поз. 4) создается разряжение и происходит приток раствора первого реагента через патрубок ввода реагента водоводяного эжектора (поз. 4) из емкости для реагента (поз. 7), расход реагента регулируется краном (поз. 6). Второй (дополнительный) реагент поступает в трубопровод путем подсоса через патрубок ввода реагента водоводяного эжектора (поз. 5) из емкости для реагента (поз. 9), расход второго (дополнительного) реагента регулируется краном (поз. 8). Затем смешанный поток реагентов с водой направляется в реакционную камеру флотатора (поз. 14), внутри которой он истекает в полость камеры через направленный вертикально вниз коленообразный патрубок, снабженный на выходе диффузором (поз 15).
Поток воды большего объема, при выходе из насоса (поз. 1) через Т-образный разветвитель (тройник) (поз. 2) направляется в линию трубопровода кавитационной обработки воды, расход потока воды регулируется краном (поз. 10). Проходя по трубопроводу ввода воздуха, поток воды поступает в нижнюю входную часть реакционной камеры флотатора (поз. 14), с установленным непосредственно в камере флотатора (поз. 14) водовоздушным эжектором (поз. 11), работающим в кавитационном режиме. В водовоздушном эжекторе (поз. 11) в поток обрабатываемой воды через патрубок ввода воздуха эжектора (поз. 11) из атмосферы инжектируется воздух. Объемный расход воздуха регулируется краном (поз. 12), а его количество определяется при помощи ротаметра (поз. 13). В реакционной камере флотатора (поз. 14) происходит соударение противоположно направленных встречных потоков обоих линий трубопровода. Причем, поступление смешанного потока воды с реагентами в реакционную камеру флотатора (поз. 14) осуществляется через боковой вход камеры флотатора через коленообразный патрубок, снабженный на выходе диффузором (поз 15), с вертикальным истечением потока воды с реагентами сверху вниз и направленным противоположно к потоку сжатой водовоздушной смеси (эмульсии), который, выходя из диффузора водовоздушного эжектора (поз. 11), под большим напором направляется вертикально вверх. При этом выходы диффузора водовоздушного эжектора (поз. 11) и диффузора трубопровода ввода реагентов (поз. 15), направленные друг к другу, расположены на одной оси. Таким образом, в реакционной камере флотатора (поз. 14) происходит эффективное смешивание потоков, благоприятствующее быстрому распределению реагентов во всем объеме обрабатываемой воды и образованию скоагулированных хлопьев, которые удаляются в виде флотошлама в верхней части флотационной камеры, а осветленная вода поступает на дальнейшую фильтрацию для получения чистой воды.
Заявляемое устройство является более эффективным по сравнению с существующими способами ввода, дозирования и смешения реагентов, вследствие использования струйных эжекторов, обладающих повышенной надежностью, благодаря простоте конструкции и не требующих дополнительного обслуживания. Технический результат полезной модели устройства дозирования и смешения реагентов заключается в обеспечении снижения энергопотребления и расхода реагентов без потерь производительности по осветленной воде, а также повышении надежности систем реагентной обработки различных вод и эффективности водоочистки в целом.
Основными преимуществами разрабатываемого устройства являются: отсутствие движущихся частей, низкие энергозатраты, высокая производительность, повышенное качество очистки воды, а также легкозаменяемая оптимальная компоновка, небольшие конструктивные размеры, низкая стоимость и относительная простота изготовления входящего в устройство оборудования.