УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR PURIFYING LIQUID

Предложенное устройство может быть использовано в системах очистки промышленных и бытовых сточных вод, очистки гальванических растворов с получением ценных элементов в виде порошка, получении нефти из эмульсии нефти любой обводненности, в системах очистки масел, получаемых из нефтепродуктов, а также масел растительного и животного происхождения; в системах очистки жидкого газа, в системах очистки и переработки бишофита.
Известное устройство [1] для отделения примесей от жидкой среды содержит цилиндрический корпус с патрубком для подачи очищаемой жидкости, установленную в корпусе сетчатую обечайку с приспособлением для очистки с нее примесей, а также расположенный в центре свободно вращающийся вал с жестко закрепленной на нем турбинкой с лопостями.
Недостатками известного устройства [1] являются неполный вынос части примесей из растворов и малая производительность устройства.
Известное устройство [2] для разделения примесей в составе жидкой среды содержит корпус с установленной в нем реакционной камерой, элемент для вращения жидкой среды в виде шнека, отсека для сбора разделенных примесей, установленные ярусами со щелевыми отверстиями, источник излучения световой энергии импульсно-периодического действия. Внутренняя поверхность устройства выполнена из материала с высокой отражающей способностью.
Однако надежность его работы зависит от размера механических примесей; экономически нецелесообразно его применение, если требуется выделить из состава эмульсии всего до трех, четырех компонентов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство [3] для получения однородной жидкой фракции из состава эмульсии, содержащее цилиндрический корпус, по касательной к окружности внутренней цилиндрической поверхности которого выполнена щель для подачи исходной жидкости с образованием между цилиндрами корпуса и реакционной камеры распределительной емкости и накопительной емкости, расположенной под распределительной емкостью и отделенной от нее герметичной перегородкой. Реакционная камера выполнена со щелями, расположенными равномерно по окружности по касательной к внутренней цилиндрической поверхности камеры по ходу движения исходной жидкости. Внутри реакционной камеры коаксиально установлен частотно-волновой фильтр цилиндрической формы в виде вертикально натянутых с просветом струн, равномерно расположенных по окружности цилиндра, или в виде сетки с вертикальной основой. При этом фильтр разделяет реакционную камеру на две емкости - реакционную с внешней стороны фильтра и емкость товарной жидкости с внутренней стороны фильтра; причем фильтр снабжен элементом точной настройки резонансно-модулированного сигнала, достигающего необходимым натяжением струн фильтра.
Тем не менее, известное устройство [3] позволяет выделить из состава эмульсии только одну однородную жидкую фракцию.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в том, что расширяются возможности очистки жидкостей с обеспечением безотходного экологически чистого производства получения товарной продукции со значительным снижением ее себестоимости.
Для достижения технического результата в предлагаемом устройстве для очистки жидкости, содержащем цилиндрический корпус, в котором по касательной к окружности внутренней цилиндрической поверхности корпуса выполнена щель для подачи исходной жидкости с образованием между цилиндрами корпуса и коаксиально расположенной реакционной камерой распределительной емкости, ограниченной сверху и снизу герметичными перегородками, при этом реакционная камера выполнена со щелями, равномерно расположенными по касательной к внутренней цилиндрической поверхности реакционной камеры по ходу движения исходной жидкости в распределительной емкости, согласно изобретению на цилиндрической поверхности вертикально расположенной центральной реакционной камеры имеются два кольцевых отвода для подачи вращающейся в вихре жидкости в периферийные горизонтальные реакционные камеры, располагающиеся между внутренними коаксиальными цилиндрическими поверхностями корпуса и центральной реакционной камеры в плоскопараллельных сечениях их диаметров выше и ниже герметичных перегородок распределительной емкости, а по вертикальной оси центральной реакционной камеры установлен резонатор в виде обратного усеченного конуса с равномерно расположенными по его образующей поверхности продольными канавками с профилем равностороннего треугольника с изменяемым углублением по высоте резонатора, в вершине центральной реакционной камеры имеется патрубок выхода легчайшей по удельной массе фракции очищенной однородной жидкости; кроме этого горизонтальные реакционные камеры, идентичные между собой по форме, представляют горизонтальную отшлифованную плоскую поверхность, над которой с зазором располагается наклонная поверхность в виде усеченного конуса правильной формы, причем образующая ее внутренняя поверхность, обращенная через зазор к горизонтальной плоскости, выполнена в виде закрепленной на ребрах образующей поверхности струны, закрученной с просветом по архимедовой спирали от меньшего входного основания до периферийного выходного основания против хода вращающейся в центральной реакционной камере жидкости; при этом параметры струны и шаг закрутки спирали согласованы с частотно-волновыми характеристиками получаемой в результате очистки однородной товарной жидкости, которая через просветы спирали поступает в накопительную емкость над спиралью, а зазор между горизонтальной и наклонной поверхностями выполнен с условием постоянства проходного сечения от входа очищаемой жидкости из центральной реакционной камеры до выхода из горизонтальной реакционной камеры остатка после очистки жидкости в торовую емкость.
Теоретическое обоснование предлагаемого устройства для очистки жидкости заключается в следующем. При поглощении молекулами вещества дополнительной энергии происходят довольно сложные процессы. Согласно волновой механике в атомных явлениях любые частицы (электроны, атомы, молекулы) ведут себя как волны. Сообщая энергию молекуле вещества, переводим ее из нормального (низшего) состояния в одно из высших энергетических состояний - возбужденное состояние. В возбужденном состоянии молекула движется по орбите как некоторая волна. Причем любой произвольной точке на орбите соответствует определенная фаза колебания, связанная с волной. Волновое движение молекул в органическом пространстве сводится, как и в других волновых явлениях, к образованию стоячих волн. В данном случае такое явление играет существенную роль. Другой важный фактор, используемый в изобретении, состоит в том, что при поглощении молекулами жидкого вещества дополнительной энергии происходит уменьшение ее удельной массовой плотности. Как известно, молекула жидкости обладает гидратной оболочкой, радиус которой в возбужденном состоянии увеличивается. Под действием центробежной силы вихревого потока молекулы исходной жидкой среды начнут перераспределяться по радиусу вращения вихревого потока пропорционально их удельной массовой плотности, при этом вещества с большей удельной массой будут устремляться к цилиндрической стенке центральной реакционной камеры, вытесняя собой более легкие жидкости к образующей поверхности конусного резонатора. С учетом сил трения по закону Стокса, действующих на молекулы, скорость перераспределения этих молекул весьма мала для организации непрерывного производства и тем более, если из эмульсии требуется выделить жидкость не самой легкой фракции. На увеличение скорости распределения примесей помимо центробежной силы также влияет следующий фактор. При движении жидкой среды в вихре по вертикальной оси центральной реакционной камеры происходит эффективное торможение потока о стенки образующей поверхности конусного резонатора. Давление в пристеночном - пограничном слое образующей конуса - по закону Бернули возрастает. Создается значительный перепад давления между центральной зоной и периферийной. В этом случае частицы с меньшей удельной плотностью будут стремиться к резонатору, а с большей - к цилиндрической поверхности центральной реакционной камеры. С целью значительного на два-три порядка увеличения скорости перераспределения молекул различных жидких фракций исходной жидкой среды не только по радиусу, но и по высоте цилиндра центральной реакционной камеры, резонатор генерирует отраженные гидроакустические волны с частотой, изменяемой по высоте конусного резонатора, перекрывая весь диапазон собственных частот молекул однородных жидких фракций, содержащихся в исходной эмульсии. Совокупные действия центробежных сил вихря, перепада давления от пограничного слоя резонатора к периферии и энергии генерируемой резонатором с изменяемой частотой по высоте конусного резонатора позволяют за сотые доли секунды создать стабильные энергетические уровни по высоте цилиндрической емкости центральной реакционной камеры и прижать к цилиндрической поверхности все примеси, содержащиеся в исходной жидкости. В этом случае каждому энергетическому уровню соответствует слой вполне определенной однородной фракции жидкости.
На чертеже показана принципиальная схема устройства, где 1 - корпус, 2 - щель корпуса, 3 - емкость распределительная, 4 - перегородка нижняя, 5 - перегородка верхняя, 6 - щель центральной реакционной камеры, 7 - центральная реакционная камера, 8 - резонатор, 9 - патрубок верхний, 10 - горизонтальная реакционная камера нижняя, 11 - горизонтальная реакционная камера верхняя, 12 - плоскость горизонтальная верхней реакционной камеры, 13 - резонатор спиральный верхней реакционной камеры, 14 - емкость накопительная верхней реакционной камеры, 15 - емкость торовая верхней реакционной камеры, 16 - емкость накопительная нижней реакционной камеры, 17 - резонатор спиральный нижней реакционной камеры, 18 - плоскость горизонтальная нижней реакционной камеры, 19 - емкость торовая нижней реакционной камеры.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Интенсивное разделение эмульсии (раствора) на составляющие ее жидкие фракции с возможностью выделения из эмульсии до трех товарных однокомпонентных жидкостей и в остатке еще две жидкие фракции с высокой и низкой удельными массами позволяет организовать непрерывное, безотходное, экологически чистое производство со значительным снижением себестоимости получения товарной продукции.
Предлагаемое устройство для очистки жидкости содержит корпус - 1 с внутренней цилиндрической поверхностью, имеющий щель - 2 подачи исходной жидкой среды в распределительную емкость - 3. Для осуществления вращения исходной жидкой среды в распределительной емкости - 3 щель - 2 выполнена по касательной к окружности внутренней цилиндрической поверхности корпуса - 1. Внутри корпуса - 1 находится центральная реакционная камера - 7 цилиндрической формы с входными щелями - 6 для приема исходной жидкой среды из распределительной емкости - 3. Для формирования в центральной реакционной камере - 7 стабильного вихревого потока с ламинарным режимом течения в его спиралях исходная жидкая среда из распределительной емкости - 3 поступает одновременно через все щели - 6, равномерно расположенные по окружности центральной реакционной камеры - 7, выполненные по касательной к внутренней окружности цилиндра центральной реакционной камеры - 7 по ходу движения исходной жидкой среды в распределительной емкости - 3. Распределительная емкости - 3 находится между коаксиально расположенными цилиндрами корпуса - 1 и центральной реакционной камеры - 7, ограниченной снизу герметичной нижней перегородкой - 4, а сверху герметичной верхней перегородкой - 5. По вертикальной оси центральной реакционной камеры - 7 установлен резонатор - 8. С целью упорядочивания энергетических уровней вращающейся исходной жидкости по высоте цилиндра центральной реакционной камеры - 7, не нарушая стабильности вихревого потока с ламинарным режимом течения в его спиралях, резонатор - 8 выполнен в виде обратного усеченного конуса с равномерно расположенными по его образующей поверхности продольными канавками с профилем равностороннего треугольника с изменяемым углублением. В вершине центральной реакционной камеры - 7 имеется патрубок - 9 выхода легчайшей по удельной массе фракции очищенной однородной жидкости. На цилиндрической поверхности вертикально расположенной центральной реакционной камеры - 7 имеются два кольцевых отвода для подачи вращающейся в вихре, упорядоченной по энергетическим уровням жидкости в щелевые емкости нижней горизонтальной реакционной камеры - 10 и верхней горизонтальной реакционной камеры - 11. Горизонтальные реакционные камеры - 10 и 11 располагаются между внутренними коаксиальными цилиндрическими поверхностями корпуса - 1 и центральной реакционной камеры - 7 в плоскопараллельных сечениях их диаметров. При этом нижняя горизонтальная реакционная камера - 10 находится под герметичной перегородкой - 4, а верхняя горизонтальная реакционная камера - 11 располагается над герметичной перегородкой - 5. Нижняя горизонтальная реакционная камера - 10 и верхняя горизонтальная реакционная камера - 11, идентичные между собой по форме, представляют горизонтальные отшлифованные плоские поверхности - 12, 18, над которыми с условием постоянства проходного сечения от входа очищаемой жидкости из центральной реакционной камеры - 7 до выхода остатка после очистки жидкости в торовые емкости - 15, 19, с зазором располагаются наклонные поверхности - 13, 17 в виде усеченного конуса правильной формы. Образующая внутренняя поверхность усеченного конуса, обращенная через зазор к горизонтальной плоскости, выполнена в виде закрепленной на ребрах струны, закрученной с просветом по архимедовой спирали от меньшего входного основания до периферийного выходного основания против хода вращающейся в центральной реакционной камере - 7 жидкости. При этом в верхней горизонтальной реакционной камере - 11 и нижней горизонтальной реакционной камере - 10 параметры струны и шаг закрутки спирали определяются частотно-волновыми характеристиками получаемой в результате очистки однородной товарной жидкости, которая через просветы спирали поступает в накопительные емкости - 14, 17, расположенные над спиралью. Содержимое накопительных емкостей - 14, 17, а также торовых емкостей - 15, 19 выводится за пределы устройства с помощью стандартных патрубков (на фиг.1 не показаны), связанных с этими емкостями.
3
Предлагаемое устройство для очистки жидкости в составе выше перечисленных элементов может использоваться для очистки взрывопожароопасных жидкостей, таких как нефть, масла, природный газ. Кроме этого, учитывая возможность создания устройства с высокой производительностью при низких удельных энергетических затратах, порядка 0,05 кВт/м, данное устройство также может быть использовано при очистке промышленных и бытовых сточных вод, загрязненных рек, озер и других водоемов.
Предлагаемое устройство для очистки жидкости работает следующим образом. Исходная жидкая среда через щель - 2 подается, например, с помощью насоса в распределительную емкость - 3, где под действием перепада давления приобретает вращательное движение. Далее из распределительной емкости - 3 исходная жидкая среда через щели - 6, равномерно расположенные по окружности центральной реакционной камеры - 7, поступает в ее реакционную емкость в виде вихревого потока с ламинарным режимом течения в его составляющих спиралях. Такие спирали не перемешиваются между собой, а линейная скорость движения жидкости на всей длине спирали остается постоянной. Поэтому по мере приближения вихревого потока к вертикальной оси центральной реакционной камеры - 7 угловая скорость ω (частота) движения исходной жидкости увеличивается по закону ω=V/R, где V - линейная скорость, R - радиус вращения. Одновременно с увеличением угловой скорости по закону Бернули происходит уменьшение давления в спиралях, приближающихся к оси вихря, и как следствие, понижение температуры исходной жидкости. Закручиваясь в спирали, вихревой поток соприкасается со стенкой резонатора - 8, где происходит резкое торможение вращающейся в вихре исходной жидкости. В результате такого торможения в пристеночном объеме создается пограничный слой с высоким давлением и повышенной температурой. Таким образом, помимо центробежных сил создается значительный перепад давления от стенки резонатора - 8 к цилиндрической поверхности центральной реакционной камеры - 7. Все это, дополненное температурной конвекцией создает благоприятные условия для разделения исходной эмульсии на ее составляющие компоненты в соответствии их удельных масс в направлении радиуса центральной реакционной камеры - 7. Несмотря на такое обилие совокупности положительных физических процессов, скорость упорядочивания молекул различных жидкостей из-за большого сопротивления среды слишком мала. Более того, задача центральной реакционной камеры - 7 заключается в том, что содержащиеся в исходной жидкости однородные жидкие фракции должны быть разбиты по энергетическим уровням, расположенным не по радиусу, а по высоте цилиндра центральной реакционной камеры - 7. Каждому энергетическому уровню соответствует вполне определенная однородная жидкость. В данном случае энергетический уровень, соответствующий однородной жидкости с наибольшей удельной массой, располагается в нижней части центральной реакционной камеры - 7, а с наименьшей - в ее верхней части. С целью образования таких энергетических уровней по вертикальной оси центральной реакционной камеры - 7 установлен резонатор - 8 в виде обратного усеченного конуса с равномерно расположенными по его образующей поверхности продольными канавками с профилем равностороннего треугольника с изменяемым углублением. Конструктивные параметры конусной поверхности резонатора - 8, например, для очистки эмульсии, состоящей из трех однородных жидкостей с механическими и другими примесями, должны отвечать следующему условию. При омывании вихревым потоком конусной поверхности необходимо, чтобы ее конструктивные параметры одновременно отвечали основным условиям создания быстропротекающих процессов для всех трех однородных жидкостей с получением энергетических уровней для первой жидкости с большей удельной массой в объеме цилиндрической емкости центральной реакционной камеры - 7, расположенной ниже щелей - 6, второй энергетический уровень - жидкости средней удельной массы - определен объемом выше щелей - 6 до верхней границы кольцевого отвода подачи содержимого данного энергетического уровня в горизонтальную реакционную камеру - 11, а третий энергетический уровень - самой легкой однородной жидкой фракции - располагается над вторым энергетическим уровнем с условной границей между ними. Следует отметить, что незримые границы разделения энергетических уровней в силу больших родственных связей возбужденных молекул являются достаточно жесткими, то есть без наличия переходного слоя между энергетическими уровнями. Именно благодаря последнему свойству энергетические уровни можно перемещать в любом направлении по высоте цилиндра центральной реакционной камеры - 7, что позволяет с помощью запорно-регулировочной арматуры, установленной на выходных отводах устройства, получать однородные жидкие фракции с требуемыми характеристиками. Таким образом, в процессе работы предлагаемого устройства в результате совокупных действий центробежных сил, температурной конвекции, перепада давления от пограничного слоя конусного резонатора - 8 к периферии и частотно-волновых преобразований энергии в центральной реакционной камере - 7 осуществляется разделение исходной жидкости на составляющие ее однородные жидкие фракции. При этом фракция наименьшей удельной массы получается в чистом виде без примесей, которая через отвод - 9 выводится через устройство. Жидкая фракция с наибольшей удельной массой вместе с основной массой примесей через кольцевой отвод в основании центральной реакционной камеры - 7 подается в щелевой зазор горизонтальной реакционной камеры - 10, где под действием перепада давления от пограничного слоя верхней наклонной поверхности спирального резонатора - 17 к отшлифованной горизонтальной плоскости - 18 и частотно-волновых преобразований энергии самого спирального резонатора - 17, согласованных с собственной частотой молекул, находящейся в щелевом зазоре, однородной жидкости, осуществляется отделение от примесей этой жидкости, которая через просветы спирального резонатора - 17 поступает в накопительную емкость - 16, а оставшиеся в результате очистки примеси через периферийный кольцевой отвод горизонтальной реакционной камеры - 10 направляются в торовую емкость - 19. Третья однородная жидкая фракция с незначительными примесями, соответствующая энергетическому уровню в объеме центральной реакционной камеры - 7 выше щелей - 6, через кольцевой отвод поступает в щелевой зазор горизонтальной реакционной камеры - 11, содержащей отшлифованную горизонтальную плоскость - 12 и спиральный резонатор - 13 с параметрами, согласованными с собственной частотой однородной жидкости данного энергетического уровня. Работа горизонтальной реакционной камеры - 11 осуществляется по аналогии с горизонтальной реакционной камерой - 10. Только в горизонтальной реакционной камере - 10 очищенная от примесей однородная фракция жидкости через просветы спирального резонатора - 13 поступает в накопительную емкость - 14, а примеси - в торовую емкость - 15. Вывод содержимой продукции накопительных емкостей - 14, 16, как и торовых емкостей - 15, 19, из устройства осуществляется через стандартные патрубки (не показаны), связанные с этими емкостями.
3
3
Техническая эффективность предлагаемого устройства заключается в том, что повышается возможность очистки различных жидкостей с производительностью до 3000 м/час с удельными энергетическими затратами порядка 0,05 кВт/м. При этом для эмульсий до пяти составляющих компонентов появляется возможность создания безотходного, непрерывного, экологически чистого, пожаровзрывобезопасного производства, исключающего выброс токсичных веществ в атмосферу, и соблюдением требований санитарии. При использовании данного устройства очистки жидкости достигается необходимое качество товарной продукции при значительном снижении ее себестоимости.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1346189, МПК В01D 21/26.
2. Патент РФ №2112578, МПК В01D 21/26.
3. Заявка №2005130996/15(034751) от 07.10.2005, МПК В01D 17/00.