СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ФАЗ ПОЛИДИСПЕРСНОЙ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SEPARATING POLYDISPERSE SYSTEM PHASES AND DEVICE TO THIS END

Изобретения относятся к области разделения фаз полидисперсных систем (эмульсий, суспензий) с использованием механических фильтров и может найти применение, в частности, при очистке воды от дисперсных загрязнений.
Известны способы и устройства, позволяющие осуществить разделение фаз полидисперсной системы с использованием механической фильтрации.
Так, например, известны способ механической фильтрации и фильтр, описанные в RU 87157, позволяющие осуществить разделение фаз полидисперсной системы.
Рассматриваемый способ механической фильтрации включает прохождение полидисперсной системы, представляющей собой воду, содержащую частицы дисперсных загрязнений, через ряд цилиндрических коаксиально установленных фильтрующих элементов с фильтрационными отверстиями, размеры которых уменьшаются от элемента к элементу по ходу потока жидкости, при этом поток ориентирован нормально к оси устройства. При прохождении очищаемой жидкости через ряд указанных фильтрующих элементов дисперсные частицы задерживаются на их поверхностях, а очищенная жидкость выводится из зоны фильтрации. В результате происходит разделение фаз полидисперсной системы.
Рассматриваемое устройство включает вертикально ориентированный полый цилиндрический корпус, содержащий комплект фильтрующих элементов, выполненных в виде полых цилиндров с фильтрационными отверстиями. Фильтрующие элементы установлены внутри корпуса концентрично с зазором относительно друг друга, образуя ряд последовательно расположенных фильтрующих поверхностей, при этом размер фильтрационных отверстий уменьшается в каждом из последующих фильтрующих элементов по сравнению с предыдущим. Пространство внутри фильтрующего элемента с наименьшим диаметром образует впускную полость, а пространство между наружной цилиндрической поверхностью последнего из фильтрующих элементов и боковой стенкой корпуса образует выпускную полость. В боковой стенке корпуса устройства установлены один или несколько патрубков для отвода жидкой фазы.
Недостатком рассматриваемых способа и устройства является то, что из-за использования фильтрующих элементов с небольшим размером отверстий, которые могут забиваться дисперсными частицами, требуется периодическая замена или промывка фильтрующих элементов.
В качестве ближайших аналогов заявляемых изобретений автором выбраны способ разделения фаз полидисперсной системы и устройство для его осуществления [RU 2277007].
Рассматриваемый способ обеспечивает разделение фаз полидисперсной системы путем ее фильтрования с использованием изогнутой или наклонной фильтровальной перегородки с фильтрационными отверстиями.
Данный способ включает подачу исходной полидисперсной системы в зону ввода, расположенную перед фильтровальной перегородкой и перемещение полидисперсной системы нисходящим потоком по поверхности перегородки и через ее фильтрационные отверстия. При этом используют фильтровальную перегородку, размер фильтрационных отверстий в которой изменяется от мелких к крупным в направлении движения фильтруемой смеси, за счет чего обеспечивается возможность фракционирования дисперсной фазы полидисперсной системы.
Рассматриваемое устройство включает изогнутую или наклонную фильтровальную перегородку с фильтрационными отверстиями, размер которых изменяется от мелких к крупным в направлении сверху вниз, узел ввода исходной полидисперсной смеси, выполненный в виде приемного резервуара, размещенного перед верхней частью фильтровальной перегородки, а также сборники продуктов фильтрации разной дисперсности, выполненные в виде резервуаров, расположенных в зоне выхода потока на разном удалении в направлении движения потока полидисперсной системы от узла ввода, а именно под участками фильтровальной перегородки, имеющими разный размер фильтрационных отверстий.
Рассматриваемые способ и устройство обеспечивают разделение фаз полидисперсной системы.
Однако, из-за наличия в фильтровальной перегородке участков с малыми размерами фильтрационных отверстий, которые могут забиваться дисперсными частицами, требуется периодическая замена или промывка фильтрующих элементов, что усложняет рассматриваемый способ и снижает срок безремонтной эксплуатации рассматриваемого устройства.
Задачами заявляемых изобретений является упрощение способа и увеличение срока эксплуатации устройства.
В отношении заявляемого способа сущность изобретения состоит в том, что в способе разделения фаз полидисперсной системы путем ее фильтрования с использованием, по меньшей мере, одной фильтровальной перегородки, имеющей фильтрационные отверстия, включающем подачу исходной полидисперсной системы в зону ввода, расположенную перед фильтровальной перегородкой, организацию движения полидисперсной системы нисходящим потоком, обтекающим поверхность фильтровальной перегородки и проходящим через ее фильтрационные отверстия, согласно изобретению фильтрование осуществляют с использованием ряда фильтровальных перегородок, установленных с зазором между ними, при этом подают исходную полидисперсную систему в зону ввода, расположенную перед первой по ходу движения потока полидисперсной системы фильтровальной перегородкой, направляют поток наклонно по отношению к поверхности указанной фильтровальной перегородки и пропускают поток через фильтровальные перегородки с обеспечением обтекания поверхностей фильтровальных перегородок и прохождения через их фильтрационные отверстия, при этом используют фильтровальные перегородки, размер фильтрационных отверстий в которых соизмерим или превышает максимальный размер дисперсных частиц, образующих дисперсную фазу полидисперсной системы.
В частном случае реализации способа для каждой фильтровальной перегородки отношение площади ее фильтрационных отверстий к ее общей площади поверхности составляет величину не более 0,5.
В отношении заявляемого устройства сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для разделения фаз полидисперсной системы, включающем узел ввода исходной полидисперсной смеси, по меньшей мере, одну фильтровальную перегородку, имеющую фильтрационные отверстия, а также, по меньшей мере, два помещенных в зоне выхода потока сборника продуктов фильтрации разной дисперсности, расположенные в направлении движения потока на разном удалении от узла ввода, согласно изобретению устройство содержит ряд фильтровальных перегородок, установленных с образованием зазоров между их поверхностями, размер фильтрационных отверстий в фильтровальных перегородках соизмерим или превышает максимальный размер дисперсных частиц, образующих дисперсную фазу полидисперсной системы, узел ввода выполнен с обеспечением подачи исходной полидисперсной системы перед верхней частью первой по направлению движения потока фильтровальной перегородкой, при этом взаимное положение узла ввода и указанной фильтровальной перегородки выбраны такими, что исходный поток полидисперсной системы подается наклонно к поверхности указанной перегородки, сборники продуктов фильтрации разной дисперсности расположены в зоне выхода потока на разном удалении от узла ввода в направлении движения потока полидисперсной системы.
В частном случае реализации устройства для каждой фильтровальной перегородки отношение площади ее фильтрационных отверстий к ее общей площади поверхности составляет величину не более 0,5.
Принципиально важным в заявляемом способе является то, что он осуществляется с использованием фильтровальных перегородок, размер фильтрационных отверстий в которых соизмерим или превышает максимальный размер дисперсных частиц, образующих дисперсную фазу полидисперсной системы. При этом при столь больших размерах фильтрационных отверстий при реализации способа оказалось возможным добиться разделения фаз полидисперсной системы.
Эффект разделения фаз в заявляемом способе достигается за счет особой описанной выше организации движения потока полидисперсной системы через указанные фильтровальные перегородки.
При такой организации движения потока полидисперсной системы на каждой из фильтровальных перегородок в зоне, наиболее близкой к зоне ввода исходной полидисперсной системы, большую вероятность прохождения через фильтрационные отверстия имеют более мелкие дисперсные частицы, а более крупные частицы - меньшую вероятность. В результате на каждой фильтровальной перегородке более мелкие частицы проходят через фильтрационные отверстия, а более крупные частицы задерживаются на фильтровальной перегородке и сносятся потоком в направлении его движения.
В результате происходит разделение фаз полидисперсной системы с получением фазы с наименьшими размерами дисперсных частиц в зоне, менее удаленной от зоны ввода потока, а фазы с большими размерами частиц - в зоне, более удаленной от зоны ввода.
При этом обеспечивается возможность фракционирования дисперсной фазы путем отбора продуктов фильтрации разной дисперсности из зон, находящихся на разном удалении от зоны ввода исходной полидисперсной системы.
В частности, в случае разделения фаз полидисперсной системы, представляющей собой жидкость с распределенными в ней дисперсными частицами, в зоне, наименее удаленной от зоны ввода потока, можно получить практически свободную от дисперсных частиц жидкость, что позволяет использовать предлагаемый способ для очистки воды от дисперсных загрязнений.
Благодаря тому, что размер фильтрационных отверстий соизмерим или превышает максимальный размер дисперсных частиц, образующих дисперсную фазу полидисперсной системы, фильтровальные перегородки практически не забиваются дисперсными частицами, и, соответственно, не требуется частой замены или очистки фильтровальных перегородок.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого способа, является его упрощение.
В случае, когда для каждой фильтровальной перегородки отношение площади ее фильтрационных отверстий к ее общей площади поверхности составляет величину не более 0,5, площадь сплошной поверхности фильтровальной перегородки равна или превышает площадь, занятую фильтрационными отверстиями, что способствует повышению вероятности задержки дисперсных частиц на каждой из фильтровальных перегородок.
Принципиальной особенностью заявляемого устройства является то, что в нем разделение фаз полидисперсной системы достигается при использовании нескольких установленных с зазором друг относительно друга фильтровальных перегородок, размер фильтрационных отверстий в которых соизмерим или превышает максимальный размер дисперсных частиц в полидисперсной системе.
При этом за счет того, что узел ввода исходной полидисперсной системы расположен перед верхней частью первой по направлению движения потока фильтровальной перегородкой, а взаимное положение узла ввода и указанной фильтровальной перегородки выбраны такими, что исходный поток полидисперсной системы подается наклонно к поверхности указанной перегородки, обеспечивается движение разделяемой системы нисходящим потоком через фильтровальные перегородки с обтеканием их поверхностей и прохождением через фильтрационные отверстия.
Наличие в устройстве сформированных в зоне выхода потока сборников, расположенных в направлении движения потока на разном удалении от узла ввода, обеспечивает возможность отбора из устройства.
Благодаря тому, что размер фильтрационных отверстий в фильтровальных перегородках соизмерим или превышает максимальный размер дисперсных частиц дисперсной системы, указанные отверстия практически не забиваются дисперсными частицами. В результате при эксплуатации устройства не требуется частой замены или очистки фильтровальных перегородок.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого устройства, является увеличение срока его эксплуатации.
В случае, когда для каждой фильтровальной перегородки отношение площади ее фильтрационных отверстий к ее общей площади поверхности составляет величину не более 0,5, площадь сплошной поверхности фильтровальной перегородки равна или превышает площадь, занятую фильтрационными отверстиями, что способствует повышению вероятности задержки дисперсных частиц на каждой из фильтровальных перегородок.
Способ осуществляют следующим образом.
Поток полидисперсной системы подают на ряд снабженных фильтрационными отверстиями фильтровальных перегородок, установленных с зазором между ними. Размер фильтрационных отверстий в фильтровальных перегородках соизмерим или превышает предварительно определенный максимальный размер дисперсных частиц, образующих дисперсную фазу полидисперсной системы.
Подачу потока полидисперсной системы осуществляют в зону расположения верхней части фильтровальной перегородки, расположенной первой по ходу движения потока. Направляют поток наклонно по отношению к поверхности указанной фильтровальной перегородки и пропускают полидисперсную систему нисходящим потоком через фильтровальные перегородки с обеспечением обтекания поверхностей фильтровальных перегородок и прохождения через их фильтрационные отверстия.
Отбор продуктов фильтрации разной дисперсности осуществляют в зоне выхода потока, прошедшего через фильтровальные перегородки, из сборников, расположенных в направлении движения потока на разном удалении от узла ввода исходной полидисперсной системы.
Пример реализации способа.
Осуществляли разделение фаз полидисперсной системы, представляющей собой воду с распределенными в ней твердыми частицами загрязнений с размерами от 0,1 до 0,5 мм.
Разделение осуществляли с использованием 20 фильтровальных перегородок, установленных одна под другой с зазором 3 мм наклонно по отношению к горизонту. Фильтровальные перегородки имели фильтрационные отверстия размером 1,5 мм, длина фильтровальных перегородок составляла 500 мм.
Загрязненную воду подавали в зону ввода, расположенную перед первой по ходу движения потока полидисперсной системы фильтровальной перегородкой. Направляли поток воды наклонно по отношению к поверхности указанной фильтровальной перегородки и пропускали воду через фильтровальные перегородки с обеспечением обтекания поверхностей фильтровальных перегородок и прохождения через их фильтрационные отверстия.
Отбор продуктов фильтрации разной дисперсности осуществляют в зоне выхода потока, прошедшего через фильтровальные перегородки, из двух сборников, расположенных под фильтровальными перегородками. Первый по ходу движения потока воды сборник охватывал зону выхода потока, длина которой вдоль проекции продольной оси фильтровальных перегородок на горизонтальную плоскость составляла 50 мм. Второй по ходу движения потока воды сборник охватывал остальную зону выхода потока.
В результате в первом сборнике получили воду, свободную от дисперсных частиц с указанными выше размерами.
На фиг.1 представлен общий вид заявляемого устройства (вид спереди), в котором фильтровальные перегородки расположены в корпусе одна под другой; на фиг.2 представлен общий вид заявляемого устройства (вид спереди), в котором фильтровальные перегородки расположены в корпусе коаксиально и имеют форму сужающихся кверху усеченных конусов.
Устройство содержит полый корпус 1, в котором расположен ряд фильтровальных перегородок 2 (на чертеже позицией обозначена одна фильтровальная перегородка), установленных с зазором 3 (на чертеже позицией обозначен один зазор) между ними. Фильтровальные перегородки 2 снабжены фильтрационными отверстиями (на чертеже позицией не обозначены), размер которых соизмерим или превышает максимальный размер дисперсных частиц, образующих дисперсную фазу полидисперсной системы. При этом, в частности, для каждой фильтровальной перегородки 2 отношение площади ее фильтрационных отверстий к ее общей площади поверхности составляет величину не более 0,5. Фильтровальные перегородки 2 расположены с зазором 4 относительно донной части корпуса 1.
Фильтровальные перегородки 2 имеют, в частности, форму прямоугольных пластин, при этом пластины расположены в корпусе 1 одна под другой, наклонно относительно донной части корпуса 1 (фиг.1). Фильтровальные перегородки 2 имеют, в частности, форму сужающихся кверху усеченных конусов (фиг.2), при этом они расположены в корпусе 1 коаксиально относительно его продольной оси (на чертеже не обозначена).
Устройство содержит узел 5 ввода исходной полидисперсной смеси, расположенный с обеспечением ее подачи перед верхней частью первой по ходу движения указанного потока фильтровальной перегородкой 2. При этом узел 5 ввода и указанной фильтровальной перегородки 2 выбраны такими, что исходный поток полидисперсной системы подается наклонно к поверхности указанной перегородки 2. В частности, узел 5 ввода (фиг.1) выполнен в виде ориентированного горизонтально относительно донной части корпуса 1 приемного резервуара ящичного типа, расположенного над верхней частью первой по ходу движения потока фильтровальной перегородкой 2. В частности, узел 5 ввода (фиг.2) выполнен в виде открытого сверху стакана, расположенного в нижней части полости (на чертеже не обозначена), образованной фильтровальной перегородкой 2, имеющей наименьший диаметральный размер. Узел 5 ввода соединен со средством (на чертеже не показано) для подвода исходной полидисперсной системы. В частности, указанное средство (фиг.1) выполнено с обеспечением заполнения резервуара 5 исходной полидисперсной системы. В частности, указанное средство (фиг.2) выполнено с обеспечением подачи исходной полидисперсной системы в нижнюю часть стакана 5 под напором.
Устройство содержит перегородку 6, разделяющую объем корпуса 1 на полости 7 и 8, расположенные в зоне выхода потока, прошедшего через фильтровальные перегородки 2, на разном удалении от узла 5 ввода в направлении движения потока полидисперсной системы. В частности, перегородка 6 (фиг.1) выполнена в виде сплошной пластины, установленной под нижней фильтровальной перегородкой 2 перпендикулярно дну корпуса 1. В частности, перегородка 6 (фиг.2) выполнена в виде сплошной кольцевой пластины, расположенной между наружной стенкой (на чертеже не обозначена) корпуса 1 и наружной поверхностью фильтровальной перегородки 2, имеющей наибольший диаметральный размер.
Полости 7 и 8 образуют сборники продуктов фильтрации разной дисперсности, и соединены соответственно с патрубками 9 и 10 для отвода указанных продуктов.
Устройство работает следующим образом.
С помощью средства для подвода исходной полидисперсной системы осуществляют подачу указанной системы в узел 5 ввода, откуда поток полидисперсной системы направляется на первую по ходу движения потока фильтровальную перегородку 2 наклонно к ее поверхности. Разделяемая полидисперсная система движется нисходящим потоком через фильтровальные перегородки 2, обтекая их поверхности, проходя через их фильтрационные отверстия и перемещаясь в зазорах 3. В ходе прохождения полидисперсной системы через фильтровальные перегородки 2 происходит ее разделение на фракции разной дисперсности. Отбор продуктов разной дисперсности осуществляется из полостей 7 и 8 через патрубки соответственно 9 и 10. При этом в полости 7 собирается продукт фильтрации с наименьшим размером дисперсных частиц или жидкость, практически свободная от дисперсных частиц, а в полости 8 собирается продукт фильтрации с большим размером дисперсных частиц.