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 В04С 5/22 от 27.08.2004).
К недостаткам известного гидроциклона относятся невозможность удаления из поливной воды тонкодисперсных 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 В04С 5/22 от 20.12.2015).
К недостаткам известного гидроциклона относятся невысокая эффективность удаления тонкодисперсных примесей и микрокапель органических загрязнителей фильтрующим элементом, высокое гидравлическое сопротивление насыпного сорбционного фильтра с цеолитовой загрузкой и сложность его регенерации, что обусловлено необходимостью использования специальных регенерирующих растворов.
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 В04С 5/22 от 16.10.2018).
К недостаткам известного гидроциклона относятся невысокая эффективность удаления тонкодисперсных примесей фильтрующим элементом с фильтрующей боковой поверхностью, а также сложность регенерации сорбционного фильтра, что обусловлено необходимостью использования специальных регенерирующих растворов.
Техническим результатом является повышение эффективности очистки поливной воды от тонкодисперсных 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 установленным коаксиально с ним сорбционным фильтром, причем сорбционный фильтр образован стержнем и закрепленными на нем на расстоянии (15÷20) мм один от другого перфорированными дисками с диаметром перфораций (1,0÷2,5) мм, снабженными снизу и сверху слоем сорбирующего материала толщиной (4÷8) 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.
Стержень и закрепленные на нем на расстоянии (15÷20) мм один от другого перфорированные диски, снабженные снизу и сверху слоем сорбирующего материала, образуют съемный сорбционный фильтр, что облегчает замену фильтра и делает процесс водоочистки технологичным. 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 стержнем и закрепленными на нем на расстоянии (15÷20) мм один от другого перфорированными дисками, снабженными 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 дисками 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 дисками с фильтровальным сорбирующим материалом более 20 мм нецелесообразно вследствие ограничений по высоте сливного патрубка, внутри которого размещен сорбционный фильтр.
Предлагаемый диаметр перфораций дисков сорбционного фильтра в интервале (1,0÷2,5) мм обеспечивает оптимальные значения скорости потока воды в гидроциклоне и гидравлического сопротивления аппарата.
Уменьшение диаметра перфораций меньше 1,0 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 2,5 мм гидравлическое сопротивление потока воды в аппарате уменьшается, однако при этом значительно возрастет скорость потока воды в сорбционном фильтре, что приведет к снижению фильтрационной и сорбционной емкости фильтра и ухудшению показателей качества очистки воды.
Толщина слоя фильтровального сорбирующего материала (4÷8) 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 примесей и микрокапель органических загрязнителей при высокой технологичности устройства достигается за счет:
1)  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, песковый патрубок 4 для вывода тяжелого продукта, сливной патрубок 5 для вывода осветленного продукта, снабженный установленным коаксиально с ним сорбционным фильтром, который образован стержнем 6 и закрепленными на нем на расстоянии (15…20) мм один от другого перфорированными дисками 7 с диаметром перфораций (1,0÷2,5) мм, снабженными снизу и сверху слоем сорбирующего материала 8 толщиной (4÷8) мм из синтетических и натуральных волокон.
Гидроциклон работает следующим образом.
Поливная вода, содержащая грубодисперсные и тонкодисперсные механические частицы, поступает по тангенциальному вводу 3 в цилиндрическую обечайку 1 корпуса гидроциклона. Поток воды в гидроциклоне закручивается, при этом грубодисперсные частицы движутся от центра аппарата к периферии, ударяются о стенки корпуса, и далее по конической обечайке 2 опускаются вниз и выводятся через песковый патрубок 4 для вывода тяжелого продукта. Тонкодисперсные частицы и микрокапли органических загрязнителей вместе с потоком воды поднимаются вверх к сливному патрубку 5, где, проходя через перфорированные диски 7 сорбционного фильтра, осаждаются на фильтровальном сорбирующем материале 8. Осветленная вода выводится по сливному патрубку 5 из верхней части гидроциклона.
Пример
Произведем расчет площади сорбционных фильтров в прототипе и предлагаемой конструкции, выполненных в форме дисков.
вх
вых
к
Геометрические размеры входного (питающего) R и выходного (сливного) R патрубков с радиусом цилиндрической части гидроциклона R связаны соотношениями (Справочное пособие к СНиП 2.04.03-85 «Проектирование сооружений для очистки сточных вод». М.: Стройиздат, 1990. 65 с.):
вх
вых
Выразив из формулы (1) R и подставив его в формулу (2), получим зависимость для R:
вых
к
или R=0,24R - минимальное значение размера;
вых
к
R=0,4R - максимальное значение размера.
Учитывая, что площадь диска (окружности) с радиусом R рассчитывается по формуле:
то для прототипа площадь сорбционного фильтра составит:
к
вых
где δ - доля площади, занимаемой сорбционным фильтром в кольцевом зазоре (R - R), принимаем δ=0,2÷0,4 (см. фиг.1 в прототипе).
Принимая максимальное значение размера радиуса выходного патрубка по формуле (3) и подставив его в формулу (5) получим:
Для предлагаемой конструкции площадь сорбционного фильтра при количестве фильтрующих слоев n составит:
вых
к
или при R=0,4R и n=4 (см. фиг.2 заявки), получим:
сф2
сф2
сф1
Таким образом, площадь сорбционного фильтра в предлагаемой конструкции S больше площади сорбционного фильтра в прототипе в 3,8 раза при δ=0,2 и 1,9 раза при δ=0,4. Соответственно обменная емкость сорбционного фильтра в предлагаемой конструкции Е (мг-экв/г) будет превышать обменную емкость сорбционного фильтра прототипа Е (мг-экв/г) в 1,9÷3,8 раза.
Таким образом, конструкция сорбционного фильтра, образованного стержнем и закрепленными на нем на расстоянии (15÷20) мм один от другого перфорированными дисками с диаметром перфораций (1,0÷2,5) мм, снабженными снизу и сверху слоем сорбирующего материала толщиной (4÷8) мм из синтетических и натуральных волокон, позволит улавливать из поливной воды тонкодисперсные примеси и микрокапли органических загрязнителей, повышая эффективности очистки поливной воды. К тому же, предлагаемая конструкция сорбционного фильтра позволит увеличить ресурс фильтра в сравнении с фильтром, содержащим сплошную загрузку фильтрующего материала.
Дополнительным результатом можно считать то, что снабжение гидроциклона съемной сорбционным фильтром, образованным стержнем и закрепленными на нем на расстоянии (15÷20) мм один от другого перфорированными дисками с диаметром перфораций (1,0÷2,5) мм, снабженными снизу и сверху слоем сорбирующего материала толщиной (4÷8) мм из синтетических и натуральных волокон, облегчает замену фильтра и делает процесс водоочистки технологичным.