Способ разделения жидкостей и устройство для его осуществления

 

Способ разделения жидкостей и устройство для его осуществления относятся к мембранной технологии очистки, концентрирования и разделения жидких сред и могут использоваться в машиностроительной, пищевой, химической, фармацевтической и других отраслях промышленности. Устройство для разделения включает два аппарата, раму, два соединенных общим валом вибровозбудителя, штоки которых снабжены двумя поршнями, размещенными, соответственно, в приемной и отводящей камерах. Способ разделения включает регенерацию цилиндрических фильтроэлементов низкочастотными акустическими колебаниями, возбуждаемыми с частотой, равной собственной частоте колебаний системы "приемная камера - полости фильтроэлементов - отводящая камера" в двух параллельных потоках с изменением угла сдвига фаз до 180^o. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к мембранной технологии разделения жидкостей и может быть использовано для очистки жидкостей, в том числе питьевых, сточных вод и технических растворов от взвешенных и растворенных примесей.

Известен способ разделения жидкостей, включающий продавливание раствора через полупроницаемые мембраны, отвод очищенной жидкости и концентрированного раствора и регенерацию мембран (1).

Данный способ обладает высокой энергоемкостью, низкой производительностью и имеет ограниченное применение из-за быстрого выхода мембран из строя.

Известен также способ разделения жидкостей, включающий продавливание раствора через цилиндрические фильтроэлементы, отвод очищенной жидкости и концентрированного раствора, регенерацию поверхностей фильтроэлементов низкочастотными акустическими колебаниями (2).

Недостатки известного способа заключаются в высокой энергоемкости процесса вследствие непроизводительных затрат энергии на возбуждение колебаний в среде с большим давлением, низкой эффективности и производительности вследствие слабой регенерации мембран от отложений растворенных и взвешенных примесей.

Известно устройство для разделения жидкостей, содержащее корпус, подводящий и отводящий патрубки, перфорированный конус и вибровозбудитель (3). Известное устройство не обеспечивает отделения жидкостей от растворенных и мелкодисперсных примесей, имеет ограниченное применение только для сгущения концентрированных минеральных пульп.

Известно устройство для разделения жидкостей, содержащее аппарат, включающий корпус, подводящий и отводящий патрубки, трубчатые фильтроэлементы, диафрагмы и вибровозбудитель (2).

Известное устройство обладает низкой эффективностью и малой производительностью из-за невозможности регенерации мембран низкочастотными акустическими колебаниями в среде с большим давлением, необходимым для продавливания раствора через фильтроэлементы. Диафрагмы сильно деформируются и разрываются, вследствие чего устройство часто выходит из строя.

Задачей изобретения являлось увеличение эффективности и производительности процесса разделения жидкостей, снижение энергоемкости, а также расширение областей применения предлагаемого технического решения для очистки питьевой воды, сточных вод, технических растворов и т.д.

Указанная задача в части способа решается тем, что в способе разделения жидкостей, включающем подачу жидкости в приемную камеру, продавливание раствора через цилиндрические фильтроэлементы, отвод концентрированного раствора из отводящей камеры и очищенной жидкости из камеры фильтрата, регенерацию поверхностей фильтроэлементов низкочастотными акустическими колебаниями, жидкость разделяют в двух параллельных потоках, в каждом из которых колебания возбуждают двумя синфазно движущимися поршнями, расположенными соответственно в приемной и отводящей камерах, при этом амплитуду колебаний увеличивают до возникновения виброкипящего состояния жидкости, частоту колебаний устанавливают равной собственной частоте колебаний системы "приемная камера полости трубчатых фильтроэлементов отводящая камера", а угол сдвига фаз колебаний в двух параллельных потоках изменяют до 180 ^o.

Поставленная задача решается также тем, что амплитуду колебаний увеличивают до возникновения в каждый полупериод колебаний противоточного движения жидкости из камеры фильтрата в полости цилиндрических фильтроэлементов.

Задача изобретения в части устройства решается тем, что в устройстве, содержащем аппарат, включающий корпус, приемную камеру, отводящую камеру, камеру фильтрата, трубчатые фильтроэлементы и вибровозбудитель, в приемной и отводящей камерах аппарата размещены жестко связанные центральным штоком поршни, нижний из которых соединен с вибровозбудителем, в отводящей камере установлена конусная перегородка, на боковой поверхности которой выполнены окна с закрепленными в них насадками, при этом устройство снабжено вторым аппаратом аналогичной конструкции, оба аппарата размещены на общей раме, а вибровозбудитель установлены с возможностью изменения угла сдвига фаз возбуждаемых в двух аппаратах колебаний.

Существенным отличием изобретения является то, что впервые осуществляют регенерацию поверхностей цилиндрических фильтроэлементов резонансными низкочастотными акустическими колебаниями, возбуждаемыми в жидкости по механизму резонатора Гельмгольца, при этом в каждый полупериод колебаний организуют противоточное движение жидкости через поверхность трубчатых фильтроэлементов и регулируют угол сдвига фаз колебаний в двух аппаратах, что в совокупности увеличивает эффективность и производительность процесса разделения жидкостей, снижает энергоемкость процесса и расширяет области использования предлагаемого технического решения. Кроме этого, впервые регенерация фильтроэлементов осуществляется двумя жестко связанными и синфазно движущимися поршнями, освобожденными от действия гидростатического давления, необходимого для продавливания жидкости через поверхности фильтроэлементов.

Только предложенная совокупность существенных процессов обеспечивает получение положительного результата.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлено устройство в разрезе.

Устройство содержит два одинаковых аппарата 1 в виде вертикальных колонн, установленных на общей раме 2 и снабженных вибровозбудителями 3, соединенных общим валом 4, и электропривод 5. Каждый аппарат 1 включает приемную камеру 6, ограниченную сверху крышкой 7, а снизу перегородкой 8. На приемной камеру 6 выполнен кольцевой желоб 9 и отверстия 10, при этом кольцевой желоб соединен с подводящим патрубком 11, на котором установлено приспособление 12 для гашения колебаний в подающем трубопроводе. Между верхней перегородкой 8 и нижней перегородкой 13 находится камера фильтрата 14, в которой установлены фильтроэлементы 15 (трубчатые ультрафильтры). Камера фильтрата 14 снабжена отводящим патрубком 16. В отводящей камере 17 установлена конусная перегородка 18, снабженная отводящим патрубком 19 и насадками 20, делающими полость конуса 16 гидравлически связанной с полостью отводящей камеры 17. Камера 17 посредством отверстий 21 соединена с кольцевым желобом 22, на котором установлен отводящий патрубок 23. В нижней части отводящей камеры 17 установлен поршень 24, соединенный штоком 25 с вибровозбудителем 3. Нижний излучающий поршень 24 связан с верхним поршнем 26 центральным штоком 27, при этом герметизация объема корпуса обеспечивается сальниковыми узлами 28, 29, 30.

Работает устройство следующим образом.

Электродвигателем 5 посредством вала 4 приводятся в колебательное движение штоки 25 вибровозбудителей 3. Посредством специального устройства, размещенного на общем валу 4 обеспечивается возможность регулировки угла сдвига фаз колебаний обоих вибровозбудителей 3: от синфазного движения до противофазного, т. е. регулировка угла сдвига фаз от 0 ^o до 180 ^o. При угле сдвига фаз в 90 ^o обеспечивается компенсация реактивной составляющей сопротивления колебанию поршней 24 и снижение затрат энергии на возбуждение колебаний, а при угле сдвига фаз 180 ^o обеспечивается снижение уровня вибраций, передаваемых на раму 2 устройства.

Колебательное движение штока 25 происходит одновременно с колебательным движением нижнего 24 и верхнего 26 поршней, соединенных центральным штоком 27.

Исходная жидкость через приспособление 12 и патрубок 11 поступает в кольцевой желоб 9 и через отверстия 10 подается в приемную камеру 6. Двигаясь по фильтроэлементам 15, жидкость заполняет полость конуса 18 и отводящей камеры 17. В гидравлически непрерывной системе устанавливается давление, необходимое для фильтрации жидкости через боковые поверхности трубчатых ультрафильтров 15. В процессе фильтрации в полость корпуса 1 поступает жидкость, очищенная от примесей, которая отводится по патрубку 16.

Синфазное движение поршней 24 и 25 вызывает в полостях фильтроэлементов интенсивный колебательный процесс. Гидравлически непрерывная система "приемная камера полости цилиндрических фильтроэлементов отводящая камера" представляет собой двухсторонний резонатор Гельмгольца, в котором роль инерционного элемента выполняет масса жидкости в полостях фильтроэлементов 15, а роль упругого элемента упругость (сжимаемость) среды в приемной 6 и отводящий 17 камерах устройства. Наименьшая резонансная частота такой системы определяется по формуле: где: С скорость звука в жидкости, l длина фильтроэлемента.

При возбуждении колебаний с резонансной частотой их амплитуда достигает больших значений при минимальной амплитуде колебаний поршней 24 и 26, что значительно снижает затраты энергии. На резонансной частоте увеличивают амплитуду колебаний поршней 24 и 26 до возникновения характерного виброкипящего состояния жидкости, характеризуемого интенсивным образованием и насыщением жидкости парогазовыми пузырьками. Сжимаемость жидкости резко возрастает, и скорость звука падает до аномально малых значений до 14 20 м/с.

При малой интенсивности колебаний поршней 24 и 26 высокая интенсивность резонансных колебаний жидкости в полостях фильтроэлементов 15 обеспечивает их непрерывную регенерацию от отложений примесей. В каждый отрицательный полупериод колебаний, т. е. когда поршни 24 и 26 движутся вниз, амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения и, в силу закона Бернулли, давление в полостях фильтроэлементов падает. Как только давление становится меньше давления в жидкости, заполняющей корпус 1, возникает давление противотока жидкости, т.е. жидкость начинает двигаться через стенки фильтроэлементов 15 в обратном направлении. Такое движение жидкости способствует выносу из микроотверстий фильтроэлементов частиц примесей, т.е. эффективной регенерации фильтроэлементов.

При общем направлении движения жидкости сверху вниз примеси выносятся в сгустительный конус 18. Конус 18 экранирует поступающий в него осадок от разрушающего действия колебаний, т.к. колебания, возбуждаемые нижним поршнем 24, распространяются только по полостям насадок 20. Оседающий осадок уплотняется и по мере его накопления отводится через патрубок 19.

Поступающая сверху жидкость отводится из камеры 17 через отверстия 21 в кольцевой желоб 22 и по патрубку 23 подается в циркуляционный контур или на дальнейшую обработку.

Приспособления 12 гасят колебания, препятствуя тем самым их распространение в подводящем трубопроводе.

Пример осуществления способа.

Проверка осуществления способа проводилась на лабораторном стенде, конструкция которого аналогична конструкции, представленной на фиг.1.

В качестве фильтроэлементов применялись трубчатые ультрафильтры типа БТУ-05/2. Исследования проводились в диапазоне частот от 5 до 30 Гц на имитате сточной жидкости, загрязненной турбинным маслом до концентрации 50 мг/л.

Введением порошка окиси алюминия фиксировалась длина вибрационных затопленных струй на выходе из трубчатых ультрафильтров. На фиг.2 представлена зависимость длины струй от частоты при амплитуде смещения поршней 1, 2, 3 и 4 мм. Виброкипящее состояние жидкости возникло при амплитуде свыше 1 мм. Как видно из фиг.2, максимальная амплитуда колебаний в полостях фильтроэлементов возникает в диапазоне частот 9 12 Гц, т.е. диапазон 9-12 Гц является диапазоном резонансной частоты системы "приемная камера полости фильтроэлементов отводящая камера".

В этом диапазоне частот воздействия установлено, что при сдвиге фаз колебаний смежных вибровозбудителей 90 ^o затраты энергии на возбуждение колебаний снижаются на 15 25% Это обусловлено тем, что происходит постоянное перетекание энергии от одной колебательной системы к другой. Так, верхнему положению поршней (в верхней мертвой точке) в одной колонне соответствует прохождение поршней с максимальной скоростью через среднее положение в другой колонне и наоборот. При сдвиге фаз 180 ^o происходит динамическое гашение передаваемых на раму колебаний с уменьшением уровня вибрации на 35 40% При общем количестве фильтроэлементов БТУ-05/2 в двух колоннах, равном 28, производительность процесса очистки воды от масла составляла в среднем 7,8 м³/час. Содержание масла в очищенной воде не фиксировалось. В циркуляционном режиме работы концентрация масла в очищаемой воде увеличивалась до 800 мг/л. Отмечена эффективная регенерация фильтрующих поверхностей трубчатых ультрафильтров.

Без виброакустической регенерации производительность процесса очистки не превышала 3,6 4,2 м³/час. Установлено, что в очищенной воде концентрация масла составляла 0,01 0,04 мг/л, что вызвано замасливанием поверхности фильтроэлементов и проскакиванием масла через микроотверстия.

Формула изобретения

1. Способ разделения жидкостей, включающий подачу жидкости в приемную камеру, продавливание через трубчатые фильтроэлементы, отвод концентрированного раствора из отводящей камеры и очищенной жидкости из камеры фильтрата, регенерацию поверхностей фильтроэлементов низкочастотными акустическими колебаниями, отличающийся тем, что разделение жидкости ведут в двух параллельных потоках, в каждом из которых колебания возбуждают двумя синфазно движущимися поршнями, расположенными, соответственно, в приемной и отводящей камерах, при этом амплитуду колебаний увеличивают до возникновения виброкипящего состояния жидкости, частоту колебаний устанавливают равной собственной частоте колебаний системы приемная камера полости трубчатых фильтроэлементов отводящая камера, а угол сдвига фаз колебаний в двух параллельных потоках изменяют до 180^o.

2. Устройство для разделения жидкостей, содержащее аппарат, включающий корпус, приемную камеру, отводящую камеру, камеру фильтрата и трубчатые фильтроэлементы, а также вибровозбудитель, отличающееся тем, что в приемной и отводящей камерах аппарата размещены жестко связанные центральным штоком поршни, нижний из которых соединен с вибровозбудителем, в отводящей камере установлена конусная перегородка, на боковой поверхности которой выполнены окна с закрепленными в них насадками, при этом устройство снабжено вторым аппаратом аналогичной конструкции, оба аппарата размещены на общей раме, а вибровозбудители установлены с возможностью изменения угла сдвига фаз возбуждаемых в двух аппаратах колебаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2