Флотореактор

Реферат: Флотореактор установки флотаційного очищення забруднених вод, до складу якого входить розподільчий колектор. Флотореактор містить ежектор, з'єднаний з камерою підпору, яка через витратомірну дросельну шайбу сполучена з вихідною трубою, по периметру нижньої частини якої на одному рівні розміщені рівновіддалені отвори. Розподільчий колектор являє собою встановлені у два яруси по периметру верхньої частини вихідної труби перпендикулярно її осі розподільчі труби із загнутими донизу під кутом 45° до горизонталі відводами. Проточна частина ежектора має вхідний конусний отвір, який переходить у циліндричний отвір, за яким співвісно розташована циліндрична камера, котра переходить у вихідний конусний отвір із розширенням конуса 8-10°. В зоні переходу циліндричного отвору в циліндричну камеру розміщений штуцер підсмоктування повітря. UA 77799 U (12) UA 77799 U UA 77799 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до установок для очищення промислових та побутових вод флотацією від нафтопродуктів, жирів, масел, смол, гідроксидів, ПАР, полімерів та тонкодиспергованих завислих речовин і може бути застосована у хімічній, харчовій, гірничопереробній та інших галузях. Найбільш поширеного застосування вона матиме при очищенні важких нафтопродуктів. Флотацію застосовують для видалення зі стічних вод нерозчинних диспергованих домішок, які погано відстоюються. Процес полягає в молекулярному злипанні колоїдних і дисперсних часточок з бульбашками повітря і їх спливанні на поверхню води з утворенням піни. В пінному шарі часточки домішок концентруються, потім піна видаляється з поверхні води. Показники процесу флотації значною мірою визначаються способом аерації. В технології очищення забруднених вод найбільш широке розповсюдження має напірна флотація, в основі якої лежить очищення бульбашками, що виділяються з перенасиченого газом струменя рідини, котрий під тиском подається в товщу забрудненої рідини з розподільчого колектора. На сьогодні показником широкого використання флотації є створення різних конструкцій флотаційних установок з камерами різного розміру і різної продуктивності. Кожна флотаційна установка має флотаційне відділення, у якому встановлений флотореактор. Для досягнення високої якості очищення води установки можуть мати декілька таких відділень (ступенів), розділених перегородками. Коефіцієнт аерації і глибина проникнення в воду факела бульбашок у значній мірі залежить від конструктивних особливостей флотореактора, зокрема, його розподільчого колектора. Як правило, класичним прикладом розподільчого колектора є перфоровані труби або перфоровані пластини (тарілки). Але будь-який варіант конструктивної побудови флотореактора з перфорованим колектором не захищений від небезпеки засмічування отворів в процесі експлуатації. Розміщені вздовж колектора отвори поступово заростають, починаючи з кінця колектора, аж до повного забиття його внутрішнього об'єму. Цей негативний фактор є частою причиною виходу з ладу флотаційної установки і є вкрай важливою проблемою у сфері водоочищення, яка потребує вирішення. У відомому рівні техніки, який охоплює нюанси флотаційного розділення системи вода забруднення, висвітлений широкий ряд флотаційних установок (флотаторів) як одноступеневих, так і багатоступеневих, оснащених різноманітними перфорованими флотореакторами. 6 Так, в патенті України № 31419 (MПК :C02F1/24, опубл. 15.12.2000 p.) описаний флотореактор, виконаний у формі колони, оснащений рядом розташованих одна над одною перфорованих тарілок, через отвори яких диспергується газ, який подається через патрубок в нижній частині колони назустріч потоку рідини, яка прямує донизу. При цьому відбувається відділення забруднюючих домішок, які сорбуються на поверхні бульбашок газу. В процесі роботи флотореактора домішки з піною виносяться до відділення відведення піни, виконаного у вигляді секціонованої перфорованими тарілками прямотечійної колони. Безумовною перевагою цього флотореактора є те, що завдяки послідовному проходженню піни через ряд перфорованих тарілок досягається високий ступінь очищення рідини. Але разом з тим по проходженні певного часу отвори цих тарілок засмічуються забруднюючими домішками, через що установку потрібно зупиняти для очищення або заміни тарілок, причому частота цих операцій напряму залежить від ступеня забрудненості води. Флотореактор, розподільчий колектор якого виконаний у вигляді системи перфорованих труб, входить до складу флотаційної установки, описаної в патенті РФ № 2297978 8 (MПК :C02F1/24, B03D1/14, опубл. 27.04.2007 р.). У цій установці перфоровані труби зв'язані безпосередньо з ежекторами, до яких подається повітря. Установка оснащена механізмом видалення піни та вузлом відведення очищеної води. Ежектори встановлені співвісно перфорованим трубам, за рахунок чого досягається висока швидкість струменів водоповітряної суміші через перфоровані отвори та утворення флотаційних комплексів з бульбашок повітря і закріплених на них часточок забруднень. Водоповітряна суміш витікає з високою швидкістю, що дозволяє насичувати воду бульбашками в корпусі установки на значній відстані від перфорованих трубопроводів. Але в той же час слід зазначити, що на практиці режим флотації в одноступеневій установці з флотореактором описаної конструкції не здатен забезпечити високоякісного очищення забрудненої води, що звужує сферу його застосування. Крім цього, перфоровані отвори розподільчих труб легко засмічуються і потребують очищення. Подібна одноступенева флотаційна (сепараційна) установка представлена в патенті РФ № 7 2209183 (MПК :C02F1/24, B01F 1/04, опубл. 27.07.2003 p.). Флотореактор цієї установки являє собою флотаційну камеру з донним перфорованим колектором, і, як і у вищенаведеній конструкції, має той же недолік - швидке засмічування отворів колектора. 1 UA 77799 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Для ситуацій, котрі потребують вжитку води з високим ступенем очищення, застосовуються багатоступеневі флотаційні установки із кількома флотореакторами, де вода очищується у декілька стадій. Забруднена домішками вода, перетікаючи з однієї флотокамери до іншої і пройшовши через флотореактори, втрачає максимальну частку забруднень, набуваючи потрібної якості. Прикладом такої установки із розділеними перегородками флотаційними камерами може 6 бути установка флотаційного очищення води, описана в патенті РФ № 2114063 (MПК :C02F1/24, B03D1/14, опубл. 27.06.1998 p.). Окрім того, що вона оснащена декількома флотореакторами, особливістю цієї установки є те, що донні перфоровані трубопроводи для підведення водоповітряної суміші розміщені коаксіально всередині перфорованих трубопроводів для підведення очищуваної води (тобто, згадані трубопроводи розміщені один в одному). Таке їх позиціонування передбачає якісне змішування потоків рідини і повітря та рівномірне розподілення бульбашок у воді, в результаті чого суттєво підвищується ефект її очищення. Недоліком цієї установки, як і всіх вищерозглянутих, є засмічування отворів трубопроводів, для усунення якого ці трубопроводи потрібно очищувати. А з урахуванням їх особливого взаєморозташування очевидно, що операція очищення є доволі складною та потребує чималих трудовитрат. Слід також зазначити, що при донному розміщенні розподільчого колектора (або колекторів у багатоступеневих флотаційних установках) ефективний флотаційний режим забезпечується лише при доволі значній висоті водяного стовпа (який називають "режимом підпору") над розподільчим колектором. Цей стовп сягає двох і більше метрів. При його меншій величині (меншому значенні режиму підпору) робота флотореактора буде неефективною і супроводжуватиметься утворенням повітряних бульбашок переважно великих розмірів, що негативно позначиться на ефективності флотаційного процесу. З цієї інформації випливає, що застосування флотореакторів з донним розташуванням розподільчих колекторів є доцільним лише для випадків, коли висота водяного стовпа перевищує два метри (як правило, це висота водяного стовпа у відстійнику). Іншими словами, такі флотореактори можна застосовувати у великовитратних установках з великими відстійниками, в той час як в реальних умовах завжди є потреба у флотаційних установках, розрахованих на очищення порівняно невеликих об'ємів води (наприклад, в готельному чи ресторанному господарстві, у побуті тощо). Ще одним суттєвим недоліком донного розміщення розподільчих перфорованих колекторів є те, що створювані ними ерліфтні потоки, які піднімаються з відстані, близькій до поверхні дна, піднімають з нього значну кількість механічних домішок, в результаті чого відбувається барботування навколишньої води, що призводить до зменшення затриманого у флотаторі бруду. За прототип корисної моделі прийнятий флотореактор установки флотаційного очищення забруднених вод, до складу якого входить розподільчий колектор (патент України № 74519, 8 MПК :C02F1/24, B03D1/14, опубл. 15.12.2005 p.). Флотореактор цієї багатоступеневої установки оснащений розподільчими перфорованими колекторами- двокамерними струменевими аераторами, розміщеними в нижній (донній) частині флотореактора. Як було вказано вище, при такому розташуванні колекторів останні створюють ерліфтні потоки, котрі підіймають з поверхні дна різні домішки та неминуче засмічуються. Послідовне розташування перфорованих отворів вздовж труби розподільчого колектора призводить до заростання брудом внутрішнього об'єму колектора, починаючи з його кінця, особливо при очищенні важких компонентів нафти (наприклад, мазуту марки М-100 зі значним вмістом домішок). Все це суттєво знижує надійність роботи флотаційної установки та якість очищуваної води. Донне розташування колектора у цьому флотореакторі породжує ще один недолік у його роботі: так, дрібні повітряні бульбашки, які, як відомо, потребують досить довгого часу для спливання, піднімаючись з глибини, з'єднуються між собою, укрупнюючись в флотокомплекси. В кінцевому підсумку це призводить до погіршення якості очищення забрудненої води, адже крупні флотокомплекси не здатні виносити на поверхню дрібні часточки бруду через неспроможність їх закріплення на поверхні крупних пухирців. Крім того, великі повітряні бульбашки при швидкому русі активно перемішують воду, викликаючи роз'єднання вже з'єднаних повітряних бульбашок і забруднених частинок. До недоліків відомого флотореактора слід віднести також недоцільність його застосування у неглибоких відстійниках, де рівень водяного стовпа над аеруючим колектором (режим підпору) невисокий. 2 UA 77799 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В установці, оснащеній флотореакторами описаної конструкції, забезпечується насичення води бульбашками, розмір яких коливається у широкому інтервалі величин - від 10 до 100 мкм, що свідчить на користь того, що установка очищує воду від найдрібніших домішок. Але в реальних умовах експлуатації установки це забезпечується лише завдяки тому, що вона оснащена контуром рециркуляції, який при сумісному функціонуванні з флотореакторами і створює такий ефект. Очевидно, що конструктивна побудова цих флотореакторів не є досконалою настільки, щоб споряджена ними установка могла б забезпечувати потрібний ступінь очищення води без наявності рециркуляційного контуру. Тобто, роботи самих лише флотореакторів недостатньо. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення функціональних можливостей та ефективності роботи флотореактора шляхом удосконалення його конструктивного виконання та зв'язків основних функціональних елементів, зокрема, оснащенням його дросельною шайбою, розміщенням її між камерою підпору та вихідною трубою, виконанням розподільчого колектора у вигляді двоярусних труб, закріплених на кінці вихідної труби, та оптимізацією конфігурації проточної частини ежектора, в результаті чого перед розподільчими трубами (розподільчим колектором) при незначній висоті водяного стовпа завдяки дросельній шайбі створюється режим підпору, достатній для утворення на їх виході повітряних бульбашок, розмір яких вкладається в широкий інтервал величин, знижується транспортна швидкість водоповітряного струменю на виході колектора, щонайбільше, до 0,4 м/сек., створюються умови для розміщення розподільчих труб прямо під поверхнею очищуваної води без ризику її барботування та збурень, а також суттєво пришвидшується спливання повітряних бульбашок, зокрема, дрібних. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що флотореактор установки флотаційного очищення забруднених вод, до складу якого входить розподільчий колектор, згідно корисної моделі, містить ежектор, з'єднаний з камерою підпору, яка через витратомірну дросельну шайбу сполучена з вихідною трубою, по периметру нижньої частини якої на одному рівні розміщені рівновіддалені отвори, а розподільчий колектор являє собою встановлені у два яруси по периметру верхньої частини вихідної труби перпендикулярно її осі розподільчі труби із загнутими донизу під кутом 45° до горизонталі відводами, при цьому проточна частина ежектора має вхідний конусний отвір, який переходить у циліндричний отвір, за яким співвісно розташована циліндрична камера, котра переходить у вихідний конусний отвір із розширенням конуса 8-10°, в зоні переходу циліндричного отвору в циліндричну камеру розміщений штуцер підсмоктування повітря. При цьому у кожному ярусі розподільчого колектора розміщено шість розподільчих труб, а діаметр циліндричної камери проточної частини ежектора на 0,5-1,0 мм перевищує діаметр циліндричного отвору. Суттєвою перевагою запропонованого флотореактора єте, що він може однаково успішно функціонувати як в установках високої продуктивності, так і низької: у кожному конкретному випадку режим його роботи залежить від форми та розмірних співвідношень основних конструктивних елементів флотореактора, зокрема, розмірів камер та отворів проточної частини ежектора, дросельної шайби та вихідної труби і визначається експериментально. Проточна частина ежектора має ряд послідовно розміщених співвісних камер та отворів, які плавно переходять один в одний. На самому початку циліндричної камери ежектора, де є вакуумна зона, розміщується штуцер підсмоктування повітря. Розміри елементів проточної камери встановлювались експериментально, виходячи з умов забезпечення формування спектру повітряних бульбашок оптимального розміру (для конкретної флотаційної установки), у сумісності з ефектом підсмоктування повітря, який забезпечується штуцером, при створенні потрібного режиму підпору і дозування об'єму підсмоктуваного повітря. Це дозування забезпечується за допомогою регулятора (на кресленні він не показаний). Для флотореактора запропонованої конструкції оптимальним є режим підпору 0,5-1,5 атм навіть у випадку, коли діаметр вхідного конусного отвору (сопла) ежектора складає десятки міліметрів. Так, наприклад, 3 при продуктивності ежектора на рівні 50 м /год. діаметр цього отвору біля 27 мм, і це не найменший діаметр в конструкції флотореакторів. Очевидно, що вірогідність засмічування такого отвору є мінімальною, що свідчить на користь надійності роботи таких флотореакторів. Режим підпору забезпечується за допомогою витратомірної дросельної шайби, мінімальний діаметр отвору якої також визначається експериментально для конкретного флотореактора і знаходиться у межах 40 мм. Дросельна шайба створює опір потоку водоповітряної суміші, яка, пройшовши ежектор і камеру підпору, проходить через отвір дросельної шайби і розширюється, при цьому його тиск знижується. Для того, щоб водоповітряний вихідний потік, вийшовши назовні, не спричиняв збурень маси води, яка оточує вихідний потік, потрібно загасити його транспортну швидкість. Для цього запропонований флотореактор оснащений вихідною трубою. Для зриву вакууму, який 3 UA 77799 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 утворюється у вихідній трубі за дросельною шайбою і може зруйнувати дрібні повітряні бульбашки, у нижній частині вихідної труби виконані отвори. Довжина вихідної труби та її діаметр визначаються експериментально, з орієнтацією на забезпечення стійкого режиму вихідного водоповітряного потоку. Таким чином, транспортна швидкість потоку водоповітряної суміші, яка пройшла через ланцюг ежектор - камера підпору - дросельна шайба, у вихідній трубі набуває величини, за якої формуються флотаційні повітряні бульбашки оптимального розміру, які виділяються у товщу очищеної води через відводи розподільчих труб. Просторова орієнтація цих відводів під кутом 45° відносно осі труб і їх спрямування донизу дозволяє розміщувати розподільчі труби безпосередньо під поверхнею води (буквально на відстані 15-20 см), а не в донній частині відстійника, як це має місце у відомому винаході. При вертикальному позиціонуванні флотореактора в флотаційній установці встановлені на розподільчих трубах відводи формують кругове розподілення вихідного потоку, направленого донизу, під поверхнею очищуваної води, не вносячи збурень на її поверхні і створюючи сприятливі умови для спливання флотаційних бульбашок - їм не потрібно долати великої відстані, щоб дістатись поверхні (що відбувається при донному розміщенні колекторів). Ця обставина є вкрай важливим фактором, який сприяє підвищенню надійності роботи флотореактора, і, відповідно, якості очищення, тому що час спливання дрібних бульбашок, який зазвичай набагато перевищує час спливання крупних, зводиться до мінімуму, і дрібні бульбашки виходять на поверхню, не встигаючи скупчуватись. Двоярусне встановлення розподільчих труб у безпосередній близькості одна до одної створює сприятливі умови для рівномірного розподілення спектра флотаційних бульбашок у товщі води. Численними експериментами було встановлено, що найбільш рівномірне розподілення досягається тоді, коли у кожному ярусі буде по шість труб. Застосування меншої їх кількості (наприклад, чотирьох) вносить значні збурення на виході, а більша кількість труб ускладнює конструкцію флотореактора. Сумарний прохідний переріз всіх розподільчих труб розрахований на забезпечення швидкості водоповітряного струменя на виході в межах 0,4-0,5 м/сек., яка, як було вказано вище, є найбільш оптимальною для флотореакторів даного виду, та за якої відсутні збурення рідини, яка оточує вихідний потік. Впровадження у виробництво флотореакторів, описаних у представленому технічному рішенні, дозволить виробляти флотаційні установки нового рівня - установки: - які не матимуть перфорованих аераційних колекторів; - які забезпечуватимуть надійне та ефективне очищення різного роду рідин навіть без використання контуру рециркуляції та додаткових камер очищення; - які є однаково ефективними при очищенні великих і малих об'ємів забрудненої рідини. Отже, запропонована конструктивна побудова забезпечує ефективну флотацію забрудненої води без необхідності встановлення традиційних перфорованих розподільчих колекторів. А, значить, вона дозволяє відмовитись від останніх та усунути наявну на сьогодні важливу проблему флотаційної техніки - проблему очищення колекторів. Конструкція флотореактора представлена на кресленні, де показаний загальний вигляд флотореактора та ежектор у розрізі. Флотореактор містить ежектор 1, з'єднаний з камерою підпору 2. В кінці камери підпору 2 між фланцями та відповідними ущільнюючими прокладками (не показані) встановлена витратомірна дросельна шайба 3. Після проходження потоку через дросельну шайбу 3 перед виходом у відкритий простір необхідно загасити його транспортну швидкість. У класичних аераційних пристроях для цих цілей, як правило, використовується вихідний конус, довжина якого в залежності від продуктивності пристрою може бути досить великою (наприклад, для високопродуктивних 3 пристроїв в межах 50 м /год. довжина конуса може складати 900 мм). У запропонованому флотореакторі для спрощення конструкції та відмови від конуса замість останнього за дросельною шайбою 3 встановлена вихідна труба 4 потрібного прохідного діаметра, у верхній частині якої двоярусно закріплені розподільчі труби 5, які закінчуються відводами 6, спрямованими донизу під кутом 45°. Довжина вихідної труби 4 до першого (нижнього) ярусу розподільчих труб 5 встановлювалась експериментально, виходячи з умови, що вона дорівнює довжині уявного конуса, кут розкриття якого знаходиться у межах 8° відносно осі прохідного отвору дросельної шайби 3 та має розмір вихідного діаметра, при якому забезпечується швидкість водоповітряного струменя на виході в межах 0,4-0,5 м/сек., яка, як було вказано вище, є найбільш оптимальною для флотореакторів даного виду. Саме за цих умов забезпечується 4 UA 77799 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 стійкий і рівномірний режим вихідного водоповітряного потоку при різних витратах очищуваної води. У нижній частині вихідної труби 4 виконані отвори зриву вакууму 7, який утворюється за дросельною шайбою 3. На корпусі ежектора 1 закріплений штуцер підсмоктування повітря 8. Проточна частина ежектора 1 має вхідний конусний отвір А, який забезпечує оптимальну витрату очищуваної води через сопловий отвір ежектора заданого розміру. Після нього розташований циліндричний отвір В, за яким співвісно розташована циліндрична камера С, діаметр якої дещо більший діаметра циліндричного отвору В (реально на 0,5-1,0 мм). Експериментально встановлено, що саме при такому інтервалі співвідношення діаметрів циліндричної камери С і циліндричного отвору В створюються оптимальні умови для утворення каверни та підсмоктування і диспергування атмосферного повітря. У разі його недотримання (тобто, при перевищенні діаметра циліндричної камери С більш, ніж на 1,0 мм розміру діаметра циліндричного отвору В, або ж при зменшенні його до розміру, який буде меншим, ніж на 0,5 мм діаметра циліндричного отвору В, згадані умови будуть погіршуватись. Після циліндричної камери С співвісно розташований вихідний конусний отвір Д, кут розкриття якого становить 8-10°. Величина цього кута є оптимальною для режиму розкриття струменяі первинного зниження швидкості потоку перед камерою підпору без руйнування дрібнодисперсної газорідинної емульсії. Флотореактор працює наступним чином: Очищуваний водний потік при прямоточній схемі флотації через вхідний конусний отвір А надходить до входу ежектора 1. В циліндричному отворі В рідина "перетискається" і при попаданні її до циліндричної камери С з більшим отвором тиск в ній різко падає і утворюється каверна, куди через штуцер 8 підсмоктується та диспергується атмосферне повітря. Одержана газорідинна емульсія прямує до вихідного конусного отвору Д (де починається режим розкриття струменя і первинне зниження швидкості потоку), і попадає до камери підпору 2, де завдяки дросельній шайбі створюється необхідний режим підпору і формування дрібнодисперсної газорідинної емульсії. Далі через дросельну шайбу потік потрапляє до вихідної труби 4, де швидкість потоку остаточно зменшується. Зрив вакууму, який утворюється при потраплянні потоку до вихідної труби 4 після дросельної шайби, відбувається за рахунок отворів 7. У місці їх розташування емульсія доповнюється підсмоктуваним через ці отвори водяним потоком і зазнає турбулізації. Це приводить до створення стаціонарного потоку газорідинної емульсії, яка надходить у товщу очищуваної води через відводи 6 розподільчих труб 5. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Флотореактор установки флотаційного очищення забруднених вод, до складу якого входить розподільчий колектор, який відрізняється тим, що флотореактор містить ежектор, з'єднаний з камерою підпору, яка через витратомірну дросельну шайбу сполучена з вихідною трубою, по периметру нижньої частини якої на одному рівні розміщені рівновіддалені отвори, а розподільчий колектор являє собою встановлені у два яруси по периметру верхньої частини вихідної труби перпендикулярно її осі розподільчі труби із загнутими донизу під кутом 45° до горизонталі відводами, при цьому проточна частина ежектора має вхідний конусний отвір, який переходить у циліндричний отвір, за яким співвісно розташована циліндрична камера, котра переходить у вихідний конусний отвір із розширенням конуса 8-10°, в зоні переходу циліндричного отвору в циліндричну камеру розміщений штуцер підсмоктування повітря. 2. Флотореактор за п. 1, який відрізняється тим, що у кожному ярусі розподільчого колектора розміщено шість розподільчих труб. 3. Флотореактор за п. 1, який відрізняється тим, що діаметр циліндричної камери проточної частини ежектора на 0,5-1,0 мм перевищує діаметр циліндричного отвору. 5 UA 77799 U Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6