струйный конический гидроциклон

Формула изобретения

Струйный гидроциклон для разделения суспензий, эмульсий и очистки сточных вод от мелкодисперсных примесей твердой и жидкой фаз, содержащий корпус с тангенциальным наклонным относительно оси устройства входным патрубком, верхний сливной патрубок, камеру-сборник сгущенной фракции с выводным патрубком и вытеснитель, в корпусе размещена вставка с винтовым прямоугольным каналом, выполненным от верхнего входного патрубка до камеры-сборника сгущенной фракции, вытеснитель выполнен цилиндроконическим, выходное сечение сгущенной фракции регулируется винтовым перемещением вытеснителя, на цилиндрической части которого размещен винтовой конический элемент, находящийся в зацеплении с винтовым каналом вставки, отличающийся тем, что корпус выполнен коническим, угол наклона входного патрубка 95-97° относительно оси устройства, в верхнем сливном патрубке размещена втулка с внутренним коническим элементом, образующим внешний конический кольцевой сливной канал и внутренний конический осевой сливной канал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для разделения суспензий, эмульсий и очистки сточных вод в поле центробежных сил и позволяет повысить эффективность сгущения мелкодисперсной твердой фазы в суспензиях и увеличить четкость разделения эмульсий. Устройство может использоваться на суспензиях и эмульсиях, не разделяющихся в поле центробежных сил в гидроциклонах известных типов.

Известно устройство для разделения мелкодисперсных суспензий SU 1287947 А2, 07.02.1987, содержащее цилиндрический корпус с тангенциальным входным патрубком и сливными патрубками. В нижней части корпуса установлен подвижный конический вытеснитель с кольцевыми отражателями и винтовым каналом. На внутренней стенке корпуса размещена винтовая направляющая с шагом (2,25-2,40) внутреннего диаметра корпуса.

В известном устройстве суспензия под давлением через тангенциальный входной патрубок поступает в цилиндрический корпус, где под действием поля центробежных сил происходит процесс разделения фаз. В пристенной зоне формируется сгущенная фракция, которая, вращаясь, перемещается в нижнюю часть корпуса к песковому выводу. Винтовая направляющая спираль снижает взмучивание в пристенной зоне. Конический вытеснитель с отражательными кольцами служит для уменьшения уноса твердой фазы в центральный восходящий поток. Вывод сгущенной фракции из периферийной зоны осуществляется через винтовой канал, выполненный на коническом вытеснителе.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность работы на суспензиях и эмульсиях трудно разделяемых в поле центробежных сил.

Известно устройство для разделения мелкодисперсных суспензий (RU патент №2203741, опубл. 10.05.2003), содержащее цилиндрический корпус с тангенциальным наклонным относительно оси устройства входным патрубком, верхний сливной патрубок, камеру-сборник сгущенной фракции с выводным патрубком, вытеснитель с отражательными кольцами. В цилиндрическом корпусе размещена вставка с винтовым прямоугольным каналом, выполненным от верхнего входного патрубка до камеры-сборника сгущенной фракции, ширина винтового канала равна высоте входного патрубка, а глубина составляет около 1/3 ширины входного патрубка, шаг винтового канала - около 1/2 внутреннего диаметра цилиндрического корпуса, вытеснитель выполнен цилиндроконическим, выходное сечение сгущенной фракции регулируется винтовым перемещением вытеснителя, на цилиндрической части которого размещен винтовой конический элемент, находящийся в зацеплении с винтовым каналом вставки. Это устройство является наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату и выбрано в качестве прототипа.

В известном устройстве исходная суспензия с избыточным давлением через тангенциальный входной патрубок под острым углом относительно оси устройства (75-80)° направляется в винтовой канал вставки. На высокоскоростную закрученную струю суспензии действует центробежная сила, обеспечивающая условия процесса разделения. У стенки винтового канала концентрируется твердая фаза. Винтовой канал обеспечивает гидродинамические условия для сохранения профиля исходной струи суспензии по всей высоте аппарата, исключает взаимодействие сгущенной фракции в межструйном пространстве с элементами потока, формирующими приосевой восходящий поток. Сгущенная фракция по винтовому каналу перемещается к винтовому выходному сечению, образуемому коническим элементом вытеснителя и винтовым каналом внутренней вставки, проходя через это регулируемое сечение, сгущенная фракция поступает в камеру-сборник и затем через патрубок выводится из струйного гидроциклона. Осветленная фракция (легкая фракция) формируется в приосевой зоне, поднимается в виде восходящего потока к сливному патрубку и через него выводится из аппарата.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность работы на эмульсиях, трудно разделяемых в поле центробежных сил, и суспензиях, содержащих твердую фазу с удельным весом меньше удельного веса жидкой фазы.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона использования устройства по технологическим и физико-химическим исходным параметрам разделяемых смесей и очищаемых стоков.

Этот результат достигается тем, что в устройстве для разделения суспензий, эмульсий и очистки сточных вод от мелкодисперсных примесей твердой и жидкой фаз, содержащем корпус с тангенциальным наклонным относительно оси устройства входным патрубком, верхний сливной патрубок, камеру-сборник сгущенной фракции с выводным патрубком, вытеснитель, в корпусе размещена вставка с винтовым прямоугольным каналом, выполненным от верхнего входного патрубка до камеры-сборника сгущенной фракции, вытеснитель выполнен цилиндроконическим, выходное сечение сгущенной фракции регулируется винтовым перемещением вытеснителя, на цилиндрической части которого размещен винтовой конический элемент, находящийся в зацеплении с винтовым каналом вставки, согласно изобретению корпус выполнен коническим с тангенциальным наклонным относительно оси устройства входным патрубком, тупой угол наклона входного патрубка составляет (95-97) градусов относительно оси устройства, а в верхнем сливном патрубке размещена втулка с внутренним коническим элементом, образующим внешний конический кольцевой сливной канал и внутренний конический сливной канал.

Такая конструкция устройства обеспечивает расширение диапазона применения и повышения эффективности разделения суспензий и эмульсий.

На фиг.1 показана схема предлагаемого устройства, на фиг.2 показана втулка сливного патрубка, на фиг.3 - вариант исполнения винтового конического вытеснителя, на фиг.4 показан вариант исполнения струйного конического гидроциклона как элемента батарейного гидроциклона.

Устройство для разделения суспензий, эмульсий и очистки сточных вод содержит корпус 1 с входным наклонным патрубком 2, камеру-сборник сгущенной фракции 3 с выходным патрубком 5, патрубок выхода осветленной фракции 4, конический вытеснитель 6 с винтовым элементом 7 и регулировочной гайкой 10 для механического перемещения вытеснителя 6, винтовую направляющую вставку 8, втулку 9 с внутренним коническим элементом 11.

Устройство работает следующим образом.

Исходная суспензия с избыточным давлением через тангенциальный входной патрубок 2 под углом относительно оси устройства (95-97)° направляется в канал винтовой вставки 8. На высокоскоростную закрученную струю суспензии действует центробежная сила, обеспечивающая условия процесса разделения. У стенки винтового канала концентрируется тяжелая твердая фаза (в эмульсии разделение жидких компонентов происходит по удельному весу, тяжелые компоненты концентрируются у стенки винтового канала). У суспензий, содержащих твердую фазу с удельным весом меньше чем удельный вес жидкой фазы, твердые частицы концентрируются в осевой области устройства. Винтовой канал обеспечивает гидродинамические условия для сохранения профиля исходной струи суспензии и эмульсии по всей высоте аппарата, исключает взаимодействие сгущенной фракции в межструйном пространстве с элементами потока, формирующими приосевой восходящий поток. Сгущенная фракция по винтовому каналу вставки 8 перемещается к винтовому выходному сечению, образуемого винтовой вставкой 8 и коническим вытеснителем 6 с винтовым элементом 7 (см. фиг.3). Проходя через это регулируемое сечение, сгущенная фракция поступает в камеру-сборник 3 и затем через патрубок 5, выводится из аппарата.

Осветленная фракция (легкая твердая фракция) формируется в приосевой зоне, поднимается в виде восходящего потока к патрубку 4 и через внешний кольцевой канал втулки 9, подсасывая газовую фазу через внутренний осевой канал, выводится из аппарата.

В зависимости от вида разделяемой смеси, ее физико-химических свойств и технологических требований к сгущенной фракции (тяжелой фракции) с помощью гайки 10 регулируется проходное сечение ее вывода. Поворотом вытеснителя 6 против часовой стрелки он перемещается вверх, тем самым уменьшая площадь проходного сечения выходного канала и, наоборот, поворотом по часовой стрелке площадь проходного сечения увеличивается, гайкой 10 фиксирует новое положение вытеснителя 6. Диапазон регулирования по расходу сгущенной фракции от 0 до 85% от общего расхода поступающей на разделение суспензии или эмульсии.

В случае забивки проходного сечения сгущенной фракции возможна ручная или автоматическая прочистка. Ослабляется гайка 10, поворачивается вытеснитель 6 до вывода конического элемента 7 из винтового канала и затем рычагом или магнитным приводом вытеснитель 6 перемещается вниз, в камеру 4, до контакта упора 12 с днищем камеры 3, что обеспечивает максимальное открытие кольцевого сечение аппарата.

При использовании батарейного гидроциклона, оснащенного коническими струйными элементами (см. фиг.4), перемещение вытеснителя 6 осуществляется гайкой 10 с фиксацией в новом положении вытеснителя 6. Диапазон регулирования по расходу сгущенной фракции от 60 до 90% от общего расхода поступающей на разделение суспензии или эмульсии.

Известно, что конический корпус гидроциклона создает оптимальные условия для сохранения поля скоростей по всей длине аппарата (Терновский И.Г., Кутепов А.М. “Гидроциклонирование”, М.: Наука, 1994, 350 с.). Сочетание тангенциального ввода струи под тупым углом относительно оси аппарата и конического исполнения корпуса гидроциклона стабилизирует гидродинамику процесса разделения, снижая явление взмучивания.

Оптимизирующие параметры устройства получены на основе выполненных экспериментальных исследований. Исследования проведены на прозрачной модели аппарата, что позволило установить взаимосвязь шага течения вводимой струи жидкой фазы с его геометрическими параметрами. Известно, что оптимальная высота конического гидроциклона составляет (3-5) его максимального диаметра в сопловом сечении, на этой длине сохраняется устойчивое струйное течение исходной суспензии или эмульсии. Исходная струя закручивает весь объем жидкости в аппарате, но при замере поля скоростей по радиусу и высоте гидроциклона четко просматривается высокая степень неоднородности радиальной, аксиальной и тангенциальной составляющих скорости. Исходная струя “охватывает” весь объем жидкости, вращает его и подпитывает энергией, обменивается с ним дискретными объемами массы. Изменение гидродинамических условий процесса этого взаимодействия в периферийной области путем изоляции части вводимой струи, дало положительный результат по разделению суспензий и эмульсий.

Тангенциальный ввод струи суспензии под тупым углом (95-97)° при наличии внутренней винтовой направляющей вставки обеспечил уменьшение циркуляционной зоны, повысилась эффективность процесса разделения в этой области и в аппарате в целом на (3-9)%. Особенно показательны результаты работы струйного конического гидроциклона на эмульсии (вода + масло).

Диапазон угла наклона определен экспериментально. При углах наклона вводного патрубка более 90° эффективность процесса разделения начинает возрастать, например на суспензии с гидроокисью бария его содержание в сгущенной фракции увеличивается на (1,2-3,1)%, в расчете на каждый градус, в зависимости от исходного фракционного состава твердой фазы. Максимум концентрации твердой фазы в сгущенной фракции достигается при углах ввода струи суспензии под тупым углом (95-97)°, но при дальнейшем увеличении угла ввода, более (98-100)°, эффективность процесса разделения падает, причем при углах более 103° содержание твердой фазы в сгущенной фракции меньше, чем при обычном тангенциальном вводе (90)°. Это явление объясняется натеканием закрученной струи, сделавшей полный оборот, на исходную струю в сечении ее ввода, возникает резкая турбулизация, что отрицательно сказывается на процессе разделения. При низких давлениях суспензии или эмульсии выбирается большее значение угла наклона вводного патрубка, а при высоких - меньшее.

Промышленные суспензии и эмульсии содержат растворенный газ (воздух), который в процессе снижения давления в гидроциклоне выделяется, происходит явление дегазации и устремляется в приосевую зону. В этой зоне по всей высоте гидроциклона образуется воздушный столб. Установка специальной втулки в верхнем сливном канале создает условия для инжектирования жидкой фазой газовую фазу. Это обеспечивает уменьшение объема воздушного столба и улучшает гидродинамику всего процесса разделения.

Защищаемая конструкция испытывалась на эффективность разделения на суспензии, состоящей из воды и мелкодисперсной фракции гидроокиси бария, не осаждаемой в поле центробежных сил в обычных конструкциях гидроциклонов. На конструкции, взятой за прототип, было получено: при отборе сгущенной фракции в объеме 10% содержание гидроокиси бария в ней составляло 92%, а при отборе 25% - 96% гидроокиси бария. На защищаемой конструкции конического струйного гидроциклона было получено: при отборе сгущенной фракции в объеме 10% содержание гидроокиси бария в ней составляло 95%, а при отборе 25% - 98% гидроокиси бария. При работе на эмульсии (вода + моторное масло) заявляемое устройство, по сравнению с прототипом в диапазоне исходного давления (0,3-0,8) МПа, дает эффективность разделения на (12-15)% выше.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить эффективность процесса разделения суспензий, эмульсий и очистки сточных вод, а также расширить диапазон его применения.