УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ

Техническое решение относиться к комплексной обработке текучих сред и может использоваться в составе флотационных установок в качестве смесителей, работающих способом компрессионной флотации по очистке сточных вод, которые загрязнены отходами нефти, продуктами ее переработки, жирами, маслами, продуктами органического синтеза, поверхностно-активными веществами, тонкодиспергированными легкими взвесями, активными илами и т.д., может применяться для очистки нефтесодержащих сточных вод, образующихся на предприятиях нефтеперерабатывающей, энергетической, машиностроительной промышленности, на нефтеперерабатывающих базах портов и железнодорожного транспорта и т.д., а также найти применение по очистке сточных вод и других отраслей промышленности, например химической, металлургической, целлюлозной, легкой, пищевой, в схемах очистных станций коммунального хозяйства, кроме того может применяться при добыче редкоземельных элементов и др., использующих в технологии обработки среды методы обработки мехпримесей, смешивания текучей среды с воздухом или реагентами
7
Известно устройство для обработки текучей среды, содержащее корпус с передней торцевой стенкой и выполненными на ней входными отверстиями в виде сопел, каждое из которых состоит из двух участков, один выполнен конической, другой щелевидной формы с постоянной шириной щели, а также установленную в цилиндрической части корпуса, напротив передней торцевой стенки мембрану с выходными отверстиями, расположенными симметрично относительно горизонтальной оси корпуса, консольно закрепленными в мембране упругими пластинами равной толщины, расположенными своими острыми кромками напротив горизонтальных осей щелевидных участков сопел, при этом расстояние от выходного щелевидного торца каждого сопла (срезом сопла) до фронтальной кромки (острием) соответствующей пластины составляет от 2 до 5 мм (см. чертеж и описание к патенту на изобретение №2225749 от 20.03.2004 г. МПКB 01 F 11/02).
Недостатком такой конструкции является то, что корпус, выполненный цельным с торцевой стенкой в виде диафрагмы и имеющимися на ней соплами, нетехнологичен при изготовлении. Наличие сопел с постоянной шириной щели, конструктивно выполненных в торцевой стенке, не позволяет применять одно устройство для обработки различных сред из-за невозможности регулировки ширины сопла путем их смены в корпусе.
Наличие пластин одинаковой толщины не позволяет возникать колебаниям разностной частоты и улучшить качество обработки текущей среды.
Расположение мембраны в цилиндрической части корпуса уменьшает площадь ее контакта с корпусом и не обеспечивает полную разгрузку крепежных элементов от вибрации упругих пластин.
Расположение в мембране симметрично расположенных относительно оси корпуса выходных отверстий приводит к неравномерной кавитационной эрозии пластин вследствие наложения сил тяжести текущей среды на общую гидродинамическую картину течения потока в устройстве.
Расстояние между срезом сопла и острием фронтальной кромки пластины от 2 до 5мм приводит к уменьшению частоты ее колебаний.
Задачей заявленного технического решения является повышение эффективности работы устройства, увеличение ресурса его работы, снижение его себестоимости, а также упрощения технологии его изготовления, ввиду необходимости качественной водоподготовки и очистки сточных вод, содержащих мехпримеси и микроорганизмы, в том числе в нефтедобыче и добыче редкоземельных элементов.
0
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для обработки текучей среды, содержащем корпус с передней торцевой стенкой и выполненными на ней входными отверстиями в виде сопел, каждое из которых состоит из двух участков - один конический, другой щелевидной формы, а также установленную напротив передней торцевой стенки корпуса мембрану с выходными отверстиями, консольно закрепленными в ней упругими пластинами и расположенными своими острыми кромками напротив горизонтальных осей щелевидных участков сопел, корпус выполнен в виде стакана с входным отверстием, конической частью и опорной плоскостью, с расположенными на опорной плоскости выходными и крепежными резьбовыми отверстиями, торцевая стенка выполнена раздельно с корпусом, расположена в его входном отверстии и имеет посадочные места для установки сопел, сопла выполнены из износостойких материалов и установлены в посадочные места торцевой стенки, входные размеры каждого из щелевидных участков сопел в их вертикальной плоскости составляет от 0,5 до 6мм, а горизонтальная ось каждого из щелевидных участков сопел расположена относительно острой кромки пластины с возможностью смещения относительно друг друга до ±2 мм, в зависимости от плотности обрабатываемой среды, кроме того, конический участок сходящихся кромок сопел находится в пределах 25-30, а прямолинейное расстояние в щелевидной части сопла составляет от 2 до 4 мм., мембрана выполнена в виде усеченного конуса, опирающегося на коническую часть корпуса, и прикреплена к его опорной
плоскости, упругие пластины выполнены разной толщины, выходные отверстия в мембране и опорной плоскости расположены ассиметрично относительно оси корпуса, крепежные резьбовые отверстия в опорной плоскости корпуса для крепления мембраны выполнены по его горизонтальной оси, а расстояние между срезом кромок сопел и острием упругих пластин составляет не более 1,5 мм
Конструктивное исполнение корпуса в виде стакана с входным отверстием, конической частью и опорной плоскостью, с расположенными на опорной плоскости, ассиметрично относительно оси корпуса, выходными отверстиями для выхода обработанной среды и крепежными резьбовыми отверстиями, расположенными по его горизонтальной оси для крепления в его конической части мембраны с упругими пластинами разной толщины, а также торцевой стенки выполненной отдельно от корпуса и имеющей в своих посадочных местах сменные сопла, позволяет упростить технологию изготовления деталей устройства и решить вопросы их изготовления методами прогрессивных заготовок, таких как литье, штамповка, порошковая металлургия и др. Коническая часть корпуса обеспечивает полный контакт конической части мембраны с корпусом и гарантирует разгрузку крепежных элементов от вибрации.
Расположение крепежных резьбовых отверстий в опорной плоскости корпуса по его горизонтальной оси симметрии позволяет с наименьшими затратами выдерживать соосность оси щели сопла и острия оси упругой пластины.
Сменные сопла с разной шириной щели, установленные в торцевую стенку, позволяют применять одну конструкцию корпуса для обработки различных сред и уменьшить их номенклатуру.
Ширина щели от 0,5 до 6 мм определяет скорость набегания потока на пластины в диапазоне от 4 до 16 м/сек и возможность смещения горизонтальной щели сопла относительно острия пластины до ±2 мм в зависимости от плотности обрабатываемой среды. По основному уравнению гидродинамики, неразрывности потока жидкости (формула Бернулли)
c
щ
c
c
c
щ
Q=F/V=const откуда V=Q/F
c
где V - скорость потока среды
c
Q - расход текучей среды подводимой к устройству для обработки,
щ
F - площадь щели
и позволяет увеличить частоту колебания среды в 2...4 раза по следующей формуле, (см. кн. УДК 622.323:622.276.6 РОТОПРИНТ ПермНИПИнефть от 20.03.92 г.,
авторы Неволин В.Г., Поздеев О.В. стр.34, абзац 2 акустическое воздействие в технологических процессах добычи нефти):
c
с
ƒ=0,27·V/l
с
где ƒ - частота колебания среды
c
V - скорость струи
l - расстояние между соплом и пластиной
0,27 - коэффициент пропорциональности, зависящий от формы струи
2
2
Сменные сопла, выполненные в виде двух участков, один из которых выполнен в виде конической формы, сходящейся под углом 25-30° и переходящий в щелевой, позволяют уменьшить гидравлическое сопротивление на входе потока в устройство не более 0,2 МПа (2 кгc/см) до минимального, что особенно важно для систем обработки сточных вод, работающих при малых давлениях рабочей среды (до 0,8 МПа, 8 кгс/см).
Применение пластин разной толщины, различающихся от 0,5 до 1,0 мм друг от друга, приводит к появлению в устройстве звуковых волн разной частоты и позволяет им распространяться дальше по трубопроводу и более длительно не затухать. Так как колебания суммарной частоты затухают быстрее в связи с тем, что затухание звуковой волны пропорционально частоте ее колебания, это позволяет увеличить время обработки среды на 10-15% по следующей формуле, (см. указанный источник стр.34, абзац 1):
n1
n2
2
1/2
2
1/2
ƒ=[0,162(h+Δh)L](E/ρ) ƒ=(0,162h/L](E/ρ)
n1
n2
где ƒ и ƒ - частота колебания пластин
L и h - длина и толщина пластины
Е - модуль упругости материала пластины
ρ - плотность материала пластины
Δh - разность между толщиной резонансных пластин
Расположение отверстий для выхода обработанной среды ассиметрично относительно оси корпуса позволяет выровнять кавитационную эрозию упругих пластин, возникающую вследствие добавления давления от столба жидкости в районе нижних выходных отверстий в зависимости от диаметра трубопровода от 50 до 500 мм в пределах 5% по уравнению гидростатики определения плотности жидкости:
где Y=pg откуда P∂=ρgD
где Y - объемный вес
Р∂ - добавочное давление от столба жидкости
ρ - плотность обрабатываемой жидкости
g - ускорение силы тяжести
D - диаметр трубопровода.
Уменьшение расстояния между срезом сопла и острием упругой пластины позволяет увеличить частоту колебаний обрабатываемой среды и повысить качество ее обработки на 15-20% по следующей формуле указанного источника стр.34 абзац 2.
c
c
ƒ=0,27·V/l
с
где ƒ - частота колебания обрабатываемой среды.
c
V - скорость набегания среды на пластины
0,27 - коэффициент пропорциональности, зависящий от формы струи
l - расстояние между срезом сопла и острием пластины.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 показан общий вид устройства в разрезе, на фиг.2, фрагмент сопла с упругой пластиной, на фиг.3 показан вид справа A опорной плоскости корпуса.
1
1
1
Устройство для обработки текучей среды содержит корпус 1 в виде стакана, имеющего входное отверстие 2, коническую часть 3, опорную плоскость 4 с выходными отверстиями 5 и 5,крепежные резьбовые отверстия 6, торцевую стенку 7 с посадочными местами 7, сменные сопла 8, имеющие коническую 9 и щелевидную 10 форму отверстий для подвода потока, упругие пластины 11 и 12, мембрану 13 с выходными отверстиями 14, и 14.
Предлагаемая полезная модель устройства для обработки текучей среды может быть размещена в трубопроводе или непосредственно входить в состав установок флотации для смешения реагентов с водой, или насыщения подаваемой воды воздухом и других целей.
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом:
- непрерывный поток обрабатываемой среды 15 подается насосом по трубопроводу непосредственно к входному отверстию 2 устройства, размещенного в корпусе 1 и торцевой стенке 7;
- проходя через сменные входные сопла 8, поток формируется в виде N струй, каждая из которых, проходя через них, двукратно изменяет форму на коническом участке 9 под углом 25-30°, на участке щели 10 прямоугольную с шириной щели в зависимости от обрабатываемой среды, при этом сопла устанавливаемые в одну и ту же торцевую стенку, могут иметь ширину щели от 0,5 до 6 мм, а горизонтальная ось каждого из щелевидных участков сопел
расположена относительно острой кромки пластины с возможностью смещения относительно друг друга до ±2 мм, в зависимости от плотности обрабатываемой среды.
- попадает в зону обработки среды 15 в виде струй плоскопараллельной формы с возбуждением в них гидродинамических колебаний;
2
- сформированная струя вводится в зону обработки среды 15 под действием избыточного давления не менее 0,6 МПа (6 кгс/см) и скоростью от 4 до 16 м/сек, которая определяется расходом подаваемой среды к устройству и шириной щели сопла;
- в зоне обработки 15 напротив щелевидного отверстия каждого из сопел 8 установлены консольно закрепленные в мембране 13 гибкие упругие пластины 11 и 12 разной толщины, от 0.5 до 1.0 мм, ориентированные острой фронтальной кромкой на свободном конце оси относительно щели сопла 8;
- струя указанной формы натекает с заданной скоростью (в зависимости от обрабатываемой среды) на гибкие упругие пластины 11,12;
- под действием гидродинамических колебаний струй возникают колебания гибких упругих пластин 11, 12 разной частоты от 5 до 10 и более % из-за разности толщины пластин, в результате чего происходит явление резонанса между колебаниями пластин 11 и 12 и колебаниями обрабатываемой среды, в результате которого возникает акустический эффект обрабатываемой среды. одновременно наряду с генерацией звуковых волн, происходят кавитационные явления, то есть разрыв потока и образование пузырьков, которые образуются, как чисто гидродинамическими эффектами, так и за счет звуковых волн. Эти пузырьки неустойчивы и в зависимости от перепада давления между пузырьком и жидкостью они растут, пульсируют и охлопываются. В результате этого в жидкости возникает ударная волна, которая распространяется по трубопроводу. Длина распространения волны зависит от разности частот колебания пластин и определяется их толщиной. При одинаковой толщине пластин возникают колебания суммарной частоты, которые быстро затухают, так как затухание звуковой волны пропорционально частоте ее колебаний;
1
1
- затем обработанная среда выводится из зоны обработки 15 через асимметрично расположенные выходные отверстия 14 и 14 мембраны 13 и далее через отверстия 5 и 5 опорной плоскости 4 в системы определяемые дальнейшим технологическим процессом подготовки сточных вод, добычи редкоземельных элементов и других.
Использование заявляемого устройства открывает широкие возможности для использования его в различных системах водоподготовки, при очистке сточных вод, добыче редкоземельных элементов, таких как золота, урана и других.
Конструктивное решение по раздельному исполнению корпуса и диафрагмы позволяет упростить технологию изготовления деталей и выполнить их методом прогрессивных заготовок - такими как литье, штамповка, порошковая металлургия и другие.
Применение торцевой стенки с посадочными местами для сменных сопел позволяет использовать одно и тоже устройство для обработки различных сред, а сменные сопла, выполненные из износостойких материалов, например из керамики позволяют сделать устройство ремонтопригодным из-за интенсивного износа щелей сопел и увеличить ресурс его работы в 5...10 раз.
Наличие в корпусе конической части позволяет, гарантировано обеспечить контакт мембраны с упругими пластинами с корпусом и разгрузить крепежные элементы от вибрации.
Разнотолщинность пластин обеспечивает наибольшую эффективность работы устройства из-за более длительного времени распространения звуковой волны.
Ассиметричное размещение выходных отверстий в опорной плоскости корпуса обеспечивает равномерный кавитационный износ пластин, а размещение резьбовых отверстий в горизонтальной плоскости на оси корпуса исключает перекос фронтальной кромки пластин относительно оси щелей сопел и упрощает процесс сборки устройства.
Применение заявляемого устройства позволяет упростить процесс изготовления деталей входящих в устройство, снизить его себестоимость на 25-30%, повысить на 15-20% качество обработки сточных вод реагентами и воздухом, из-за более длительного времени обработки текущей среды, снизить потребление электроэнергии, в связи с обработкой сред непосредственно в потоке, а так же упростить процесс сборки устройства, что особенно важно при производстве серийной продукции.