ОПТИМИЗИРОВАННАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ НАГНЕТАНИЯ ВОДЫ ПОД ДАВЛЕНИЕМ, СОДЕРЖАЩЕЙ РАСТВОРЕННЫЙ ГАЗ

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области способов и устройств для флотационной обработки жидких отходов.

2. Уровень техники

Многочисленные способы обработки жидких отходов содержат этап флотации, который, как правило, следует за этапами коагуляции или флокуляции.

Флотация является технологией, предназначенной для отделения частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидких отходах.

Для этого нагнетают воду под давлением, содержащую растворенный газ, такой как воздух, через форсунки 1 в основании флотационной зоны 2 флотационного реактора, внутрь которой предназначенные для обработки жидкие отходы поступают по входному трубопроводу 3. Под действием расширения газа, растворенного в этой воде, в обрабатываемых жидких отходах образуются микропузырьки газа. Эти микропузырьки поднимаются на поверхность обрабатываемых жидких отходов, пристают к взвешенным частицам, которые в основном имеют вид хлопьев, и увлекают их за собой. Эти частицы с приставшими к ним микропузырьками называются агломератами из хлопьев и пузырьков. Смесь жидких отходов и агломератов переходит из флотационной зоны 2 в сепарационную зону 4 реактора, которые отделены друг от друга вертикальной стенкой 7. В сепарационной зоне 4 происходит отделение взвешенных частиц. Обработанные жидкие отходы удаляются в нижней части сепарационной зоны 4 через предусмотренный для этой цели трубопровод 5. Отделенные от жидких отходов частицы удаляются в верхней части реактора через предусмотренный для этого желоб 6.

Для нагнетания воды под давлением, содержащей растворенный газ, в предназначенные для обработки жидкие отходы применяют нагнетательные форсунки. Они равномерно распределены в нижней части флотационной зоны флотационного реактора.

Как показано на фиг. 2, где представлена нагнетательная форсунка, разработанная заявителем, такая нагнетательная форсунка содержит:

- цилиндрическую входную камеру 10 для подачи воды под давлением, содержащую вход 100 и выход 101;

- цилиндрическую расширительную камеру 11, содержащую вход 110, сообщающийся с входной камерой 10 через отверстие 12;

- диффузионную камеру 13, сечение которой содержит один или несколько круглых усеченных конусов, расположенных в продолжении друг друга и расширяющихся от расширительной камеры к выходу форсунки, и которая сообщается с расширительной камерой 11 через отверстия 14, равномерно распределенные вокруг оси вращения форсунки.

В области промышленной обработки жидких отходов постоянно делаются попытки повысить производительность обрабатывающих установок. Для этого повышают скорость прохождения обрабатываемых жидких отходов внутри обрабатывающих установок, чтобы добиться значений скорости фронта жидких отходов, превышающей 30-40 м/ч в сепарационной зоне флотационного реактора. В частности, скорость фронта жидких отходов является скоростью жидких отходов в зоне, находящейся над вертикальной стенкой 7, которая отделяет флотационную зону 2 от сепарационной зоны 4.

Максимальная допустимая скорость обрабатываемых жидких отходов в флотационном реакторе зависит от плавучести отделяемых взвешенных частиц и прилипающих к ним микропузырьков, то есть агломератов.

Чтобы способствовать прилипанию микропузырьков газа к взвешенным частицам, специалист в данной области обычно старается получать как можно меньшие микропузырьки, то есть микропузырьки, имеющие эквивалентный диаметр менее 100 микрометров.

Однако этот подход приводит к уменьшению плавучести агломератов по причине максимального количества прилипающих микропузырьков на единицу хлопьев и, следовательно, к снижению скорости обработки.

С другой стороны, использование крупных микропузырьков, эквивалентный диаметр которых превышает 200 микрометров, позволяет улучшить плавучесть агломератов, что могло бы позволить повысить скорость обработки. Однако это влечет за собой риск разрыва хлопьев удаляемого вещества, а также к слишком большому расходу.

Закон Стокса позволяет установить связь между скоростью обработки жидких отходов внутри флотационного реактора и размером микропузырьков, что показано в виде кривой на фиг. 3. Как видно из этой кривой, для обеспечения эффективной флотации без риска уноса микропузырьков вместе с обрабатываемыми жидкими отходами и разрыва хлопьев при скорости прохождения обрабатываемых жидких отходов в реакторе около 30 м/ч оптимальный диаметр микропузырьков составляет около 140 микрометров. Как видно также из этой кривой, для обеспечения эффективной флотации без риска уноса микропузырьков вместе с обрабатываемыми жидкими отходами и разрыва хлопьев при скорости прохождения обрабатываемых жидких отходов в реакторе около 50 м/ч оптимальный диаметр микропузырьков составляет около 190 микрометров.

Таким образом, чтобы обеспечить эффективную и быструю флотацию, размер микропузырьков должен находиться в пределах от 100 до 200 микрометров.

Однако в настоящее время не существует нагнетательной форсунки, позволяющей максимизировать получение не слишком мелких и не слишком крупных микропузырьков, то есть позволяющей увеличить количество производимых микропузырьков, диаметр которых составляет от 100 до 200 микрометров, что позволило бы обеспечивать быструю и эффективную флотацию.

3. Задачи изобретения

Задачей изобретения является эффективное решение по меньшей мере некоторых из этих различных проблем.

В частности, согласно по меньшей мере одному варианту осуществления изобретение призвано предложить способ, который позволяет оптимизировать флотационную обработку.

В частности, по меньшей мере в одном варианте осуществления изобретение призвано предложить способ, который позволяет повысить скорость флотационной обработки и одновременно избегать уноса микропузырьков газа в обрабатываемых жидких отходах.

По меньшей мере в одном варианте осуществления изобретение призвано также предложить способ, который способствует получению микропузырьков, диаметр которых составляет от 100 до 200 микрометров.

По меньшей мере в одном варианте осуществления изобретение призвано также предложить способ, который является простым и/или эффективным, и/или надежным, и/или экономичным.

4. Раскрытие сущности изобретения

Для этого изобретением предложена форсунка для нагнетания воды под давлением, содержащей растворенный газ, при этом указанная форсунка содержит:

- цилиндрическую входную камеру для подачи указанной воды;

- цилиндрическую расширительную камеру, содержащую вход, сообщающийся с указанной входной камерой через отверстие, и выход;

- диффузионную камеру с усеченным конусным сечением, сообщающуюся с выходом указанной расширительной камеры и расширяющуюся, начиная от указанной расширительной камеры;

при этом указанная форсунка содержит средства приведения во вращение потока воды, выходящего из указанной расширительной камеры.

Таким образом, поток, выходящий из расширительной камеры, приводится во вращение вокруг оси расширительной камеры, то есть вокруг оси форсунки. Это позволяет рассеивать его энергию и улучшать последующее сцепление микропузырьков с хлопьями, избегая слишком завихренного нагнетания чистой воды внутрь обрабатываемого потока и, следовательно, разрушения хлопьев. Это позволяет также перенаправлять и рассеивать поток внутри диффузионной камеры или диффузионных камер для лучшего контакта с диффузионной стенкой и для непрерывности рассеяния энергии.

Это способствует образованию микропузырьков, диаметр которых составляет от 100 до 200 микрометров.

В частном варианте осуществления изобретения указанный выход указанной расширительной камеры содержит по меньшей мере два отверстия, равномерно распределенных вокруг оси вращения указанной расширительной камеры, при этом каждое из указанных отверстий расположено вдоль оси:

- находящейся в плоскости, параллельной оси вращения указанной расширительной камеры, и

- наклоненной относительно оси вращения указанной расширительной камеры,

при этом оси указанных отверстий наклонены в одном направлении, чтобы приводить во вращение в указанном направлении поток воды, выходящий из указанной расширительной камеры.

Этот вариант осуществления изобретения способствует простой и эффективной максимизации образования микропузырьков, диаметр которых составляет от 100 до 200 микрометров.

Согласно частному варианту осуществления изобретения угол γ указанной усеченной конусной диффузионной камеры относительно ее оси вращения и угол α наклона указанных отверстий выбирают таким образом, чтобы поддерживать размер пузырьков в основном в пределах от 100 до 200 микрометров на выходе диффузионной камеры.

Выбор этих значений углов тоже способствует простой и эффективной максимизации образования микропузырьков, диаметр которых составляет от 100 до 200 микрометров.

Согласно одному отличительному признаку изобретения указанная форсунка содержит иглу, расположенную в указанной расширительной камере напротив указанного отверстия и ориентированную в направлении этого отверстия.

Таким образом, согласно этому признаку изобретения игла расположена по оси и ориентирована к отверстию, соединяющему входную камеру и расширительную камеру форсунки для нагнетания воды под давлением, содержащей растворенный газ.

Присутствие иглы позволяет:

- равномерно распределять воду под давлением внутри расширительной камеры;

- увеличить поверхность образования пузырьков и таким образом улучшить однородность размера микропузырьков.

Согласно одному отличительному признаку изобретения форсунка может содержать средства поддержания вращения указанного потока, при этом указанные средства поддержания расположены в указанной диффузионной камере.

Это позволяет потоку, проходящему в форсунке, сохранять свое вращательное движение. Это улучшает последующее сцепление микропузырьков с хлопьями и одновременно способствует продолжению рассеяния энергии нагнетаемого потока; поток стабилизируется, ограничивая завихрения.

В этом случае средства поддержания могут содержать по меньшей мере две лопатки, проходящие от оси вращения указанной диффузионной камеры до ее периферического контура и равномерно распределенные вокруг этой оси, при этом каждая из указанных лопаток расположена в плоскости, проходящей через ось, перпендикулярную к оси вращения указанной диффузионной камеры, и наклонена в указанном направлении.

Согласно одному отличительному признаку изобретения форсунка может содержать по меньшей мере одну усеченную конусную промежуточную диффузионную камеру, которая расположена между указанной расширительной камерой и указанной диффузионной камерой и сечение которой расширяется в направлении диффузионной камеры.

Применение промежуточной диффузионной камеры позволяет избегать азимутальных завихрений, называемых также рециркуляциями.

Конус, имеющий слишком большой раскрыв, может не удерживать поток и вызывать рециркуляцию на уровне стенок, так как нагнетаемая жидкость с большой разницей скоростей в спокойной среде (по сравнению с нагнетаемой жидкостью) будет производить вихревое движение. Эта промежуточная диффузионная камера позволяет направлять текучую среду и избегать этих вихревых «рециркуляций», которые присутствуют особенно в случае так называемого кольцевого нагнетания (что происходит в данном случае, так как поток распределяется вокруг оси отверстий).

Согласно одному отличительному признаку изобретения форсунка может содержать боковые входы для воды, находящиеся между указанной диффузионной камерой и указанной промежуточной диффузионной камерой.

Обрабатываемые жидкие отходы содержат взвешенные частицы, которые образуют внутри форсунки места образования агломератов, являющиеся местом образования микропузырьков. Это позволяет увеличить образование микропузырьков воздуха.

В этом случае диаметр входа указанной диффузионной камеры может превышать диаметр выхода указанной промежуточной диффузионной камеры, при этом вход указанной диффузионной камеры перекрывает выход указанной промежуточной диффузионной камеры, оставляя между ними пространства, образующие указанные боковые входы для воды.

Согласно одному отличительному признаку изобретения угол γ указанной усеченной конусной диффузионной камеры относительно ее оси вращения и угол β указанной промежуточной диффузионной камеры относительно ее оси вращения являются идентичными.

Согласно одному отличительному признаку изобретения угол γ указанной усеченной конусной диффузионной камеры относительно ее оси вращения превышает угол β указанной промежуточной диффузионной камеры относительно ее оси вращения.

Согласно одному отличительному признаку изобретения значение углов γ и β составляет от 0° до 30°.

Согласно одному отличительному признаку изобретения угол α наклона указанных отверстий составляет от 20° до 60°.

Согласно одному отличительному признаку изобретения угол ϕ наклона указанных лопаток составляет от 20° до 60°.

5. Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания частных вариантов осуществления, представленных в качестве иллюстративных и не ограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показана схема флотационного реактора;

на фиг. 2 – вид в продольном разрезе известной нагнетательной форсунки;

на фиг. 3 – связь между диаметром микропузырьков и скоростью прохождения обрабатываемых жидких отходов в флотационном реакторе в соответствии с законом Стокса;

на фиг. 4 – вид в перспективе форсунки согласно первому варианту осуществления изобретения;

на фиг. 5 – вид в продольном разрезе форсунки, показанной на фиг. 4;

на фиг. 6 и 7 – два детальных вида форсунки, показанной на фиг. 5;

на фиг. 8 – вид сверху форсунки, показанной на фиг. 4 и 5;

на фиг. 9 – вид в продольном разрезе форсунки согласно второму варианту осуществления изобретения;

на фиг. 10 – вид в поперечном разрезе форсунки, показанной на фиг. 9, по плоскости, проходящей через боковые входы для воды;

на фиг. 11 – кривые, показывающие размер микропузырьков, получаемых при помощи известной форсунки и заявленной форсунки.

6. Осуществление изобретения

6.1. Конструкция

Низ, основание или вход форсунки обозначает конец, через который вода под давлением поступает в форсунку. Верх или выход форсунки обозначает конец, через который расширенная вода под давлением выходит из форсунки.

6.1.1. Первый тип

Далее со ссылками на фиг. 4-8 следует описание первого варианта выполнения заявленной нагнетательной форсунки.

Как показано на этих фигурах, такая форсунка содержит входную камеру 20, через которую в форсунку может поступать вода под давлением, содержащая растворенный газ. Эта входная камера 20 содержит вход 200 и выход 201. Она имеет цилиндрическое сечение тела вращения. В этом варианте осуществления изобретения высота входной камеры 20 равна 3/2 ее диаметра D.

Предпочтительно диаметр D составляет от 10 до 50 мм.

Предпочтительно диаметр d отверстия 401 составляет от 2 до 6 мм.

Форсунка содержит также расширительную камеру 30.

Расширительная камера 30 расположена в продолжении входной камеры 20 и вдоль одной и той же оси. Она имеет цилиндрическое сечение тела вращения. Она отделена от входной камеры 20 стенкой 40. Она содержит вход 301, который сообщается с выходом 201 входной камеры 20 через отверстие 401, выполненное в стенке 40 вдоль продольной оси расширительной камеры 30. В этом варианте осуществления изобретения толщина стенки 40 равна диаметру d отверстия 401, толщина расширительной камеры 30 равна диаметру d отверстия 401, и диаметр расширительной камеры 30 равен диаметру входной камеры 20.

Форсунка содержит промежуточную диффузионную камеру 50, которая расположена в продолжении и вдоль оси расширительной камеры 30. В одном из вариантов могут быть применены несколько промежуточных диффузионных камер, расположенных в продолжении друг друга. Диффузионная камера имеет форму усеченного конуса. Она отделена от расширительной камеры 30 стенкой 90, через которую проходят отверстия 901, образующие выход расширительной камеры 30 и вход промежуточной диффузионной камеры 50. Таким образом, расширительная камера 30 и промежуточная диффузионная камера 50 сообщаются между собой через отверстия 901. В этом варианте осуществления изобретения толщина стенки 90 равна диаметру d отверстия 401, расстояние между осью вращения промежуточной диффузионной камеры 50 и обращенным к этой оси концом каждого отверстия 901 равно четверти диаметра D входной камеры 20. В этом же варианте осуществления изобретения отверстия 901 имеют квадратное сечение, сторона которого равна диаметру d отверстия 401. Каждое отверстие 901 расположено вдоль оси:

- находящейся в плоскости, параллельной оси вращения расширительной камеры, и

- наклоненной относительно оси вращения расширительной камеры.

Оси отверстий 901 наклонены в одном направлении таким образом, чтобы приводить во вращение в этом направлении поток воды, проходящий на выходе расширительной камеры, что будет подробно описано ниже.

В этом варианте осуществления изобретения значение угла α наклона отверстий 901 относительно верхней поверхности стенки 90 равно 45°. В данном случае отверстия 901 выполнены в количестве четырех. Они равномерно распределены вокруг оси вращения расширительной камеры 30.

Диаметр основания промежуточной диффузионной камеры 50 равен диаметру расширительной камеры 30. В данном варианте осуществления изобретения угол β этого усеченного конуса относительно его оси вращения равен 7°. Этот усеченный конус расширяется от расширительной камеры 30 к выходу промежуточной диффузионной камеры 50. В данном варианте осуществления изобретения высота промежуточной диффузионной камеры 50 равна 3/2 диаметра D входной камеры 20.

В расширительной камере 30 расположена игла 80. Она образует выступ на поверхности стенки 90, расположена напротив отверстия 401 и направлена к нему. Высота иглы 80 равна высоте расширительной камеры. Диаметр основания иглы примерно равен 6/10 диаметра отверстия 401.

Форсунка содержит диффузионную камеру 60, которая расположена в продолжении промежуточной диффузионной камеры 50 и вокруг одной и той же оси. Она имеет форму усеченного конуса тела вращения, угол γ которого относительно его оси вращения в этом варианте осуществления изобретения равен 15°. Этот усеченный конус расширяется от промежуточной диффузионной камеры 50 в сторону выхода диффузионной камеры 60. Диаметр его основания равен конечному диаметру промежуточной диффузионной камеры 50. В этом варианте осуществления изобретения высота диффузионной камеры 60 равна 2-кратному диаметру D входной камеры 20.

В диффузионной камере расположены лопатки 70. Эти лопатки 70 равномерно распределены вокруг оси вращения диффузионной камеры 60. Каждая из них проходит от этой оси до периферической стенки диффузионной камеры 60. В этом варианте осуществления изобретения они выполнены в количестве четырех. Каждая лопатка 70 расположена в плоскости, проходящей через ось, перпендикулярную к оси вращения диффузионной камеры 60, и наклонена в направлении вращения потока воды на выходе расширительной камеры. Угол ϕ наклона лопаток 70 в этом варианте осуществления изобретения равен 45° относительно горизонтали или плоскости, перпендикулярной к оси форсунки.

В этом варианте осуществления изобретения:

- ширина лопаток 70 в горизонтальной проекции равна четверти диаметра D входной камеры 20;

- высота лопаток 70 в вертикальной проекции равна четверти диаметра D входной камеры 20;

- высота их продольной оси относительно основания диффузионной камеры 60 равна диаметру входной камеры 20.

В этом варианте осуществления изобретения диаметр D входной камеры 20 равен 27 мм, а диаметр d отверстия 401 равен 3,5 мм.

Предпочтительно диапазоны работы указанной форсунки составляют от 3-10 бар давления и от 0,3 до 3 м³/ч расхода.

6.1.2. Второй тип

Далее со ссылками на фиг. 9 и 10 следует описание второго варианта выполнения заявленной форсунки. Детально будут рассмотрены только различия между форсункой согласно первому варианту осуществления изобретения и форсункой согласно этому второму варианту осуществления изобретения.

Согласно этому варианту осуществления изобретения форсунка содержит боковые входы 100 для воды, находящиеся между диффузионной камерой 60 и промежуточной диффузионной камерой 50.

Для этого входной диаметр диффузионной камеры 60 превышает выходной диаметр промежуточной диффузионной камеры 50, и основание диффузионной камеры 60 перекрывает выход промежуточной диффузионной камеры 50, оставляя между ними пространства, образующие боковые входы 100 для воды. Таким образом, пространство, оставленное между диффузионной камерой 60 и промежуточной диффузионной камерой 50, образует боковые входы 100 для воды. Между диффузионной камерой 60 и промежуточной диффузионной камерой 50 выполнены опоры 101 для их соединения через равномерные промежутки.

Высота перекрывания диффузионной камеры 60 и промежуточной диффузионной камеры 50 в этом варианте осуществления изобретения равна четверти диаметра D входной камеры 20, тогда как расстояние, разделяющее стенки диффузионной камеры 60 и промежуточной диффузионной камеры 50 в зоне перекрывания, равно одной шестнадцатой диаметра D входной камеры 20.

В этом варианте осуществления изобретения углы усеченных конусов диффузионной камеры 60 и промежуточной диффузионной камеры 50 являются идентичными и равны 7°.

6.2. Работа

6.2.1. Форсунка первого типа

Заявленные форсунки предназначены для установки в основании флотационного реактора с целью обеспечения обработки жидких отходов методом флотации.

В ходе такой обработки вода под давлением, содержащая растворенный газ, такой как воздух, поступает в каждую форсунку через входную камеру 20.

Затем вода под давлением проходит через отверстие 401 и попадает в расширительную камеру 30, внутри которой она претерпевает сильную потерю напора и расширяется, что приводит к образованию микропузырьков. Присутствие иглы 80 позволяет:

- равномерно распределять воду под давлением внутри расширительной камеры;

- увеличить поверхность образования агломератов и таким образом улучшить однородность размера микропузырьков.

Вода продолжает перемещаться внутри форсунки, проходя через отверстия 901 внутрь промежуточной диффузионной камеры 50.

С учетом наклона отверстий 901, которые образуют скошенные края, поток, выходящий из расширительной камеры, приводится во вращение. Это позволяет рассеивать его энергию и улучшить последующее сцепление микропузырьков с хлопьями. Это позволяет также перенаправлять и рассеивать поток внутри диффузионной и промежуточной диффузионной камер.

Поток продолжает перемещаться в форсунке, проходя через промежуточную диффузионную камеру 50, которая позволяет избегать образования азимутальных завихрений, заставляя поток прижиматься к стенке.

После этого поток попадает в диффузионную камеру 60, которая позволяет замедлить поток, рассеивая его энергию, и одновременно обеспечить контакт со стенкой форсунки. Рассеяние энергии улучшает сцепление между хлопьями и пузырьками на выходе форсунки и позволяет избегать разрушения хлопьев. Поток проходит вдоль лопаток 70, которые обеспечивают поддержание его вращательного движения. Это еще больше улучшает последующее сцепление микропузырьков с хлопьями.

Смесь воды и микропузырьков, называемая также чистой водой, выходит из форсунки через конец диффузионной камеры 60.

Применение наклонных отверстий обеспечивает образование микропузырьков, диаметр которых составляет от 100 до 200 микрометров. Отверстия должны быть наклонены таким образом, чтобы взвешенные частицы неизбежно встречали верхнюю поверхность их контура. Таким образом, идеальный угол наклона должен быть меньше 45°, но может составлять от 20 до 60°. Вращение, сообщаемое наклонными отверстиями, обеспечивает также менее сильное столкновение между микропузырьками и частицами, чем в вихревом потоке, и позволяет, таким образом, получать более крупные микропузырьки.

Наличие иглы не является обязательным, но она позволяет обеспечивать однородность микропузырьков за счет увеличения числа мест образования агломератов.

Это позволяет избегать образования слишком мелких или слишком крупных микропузырьков, которые не позволили бы обеспечивать быструю и эффективную флотацию.

6.2.2. Форсунка второго типа

Работа форсунки согласно второму варианту осуществления изобретения идентична работе форсунки согласно первому варианту осуществления изобретения, если не считать того, что под действием перемещения воды под давлением внутри форсунки окружающие обрабатываемые жидкие отходы, в которые погружена форсунка, всасываются за счет разрежения внутрь форсунки на уровне боковых входов 100 для воды.

Обрабатываемые жидкие отходы содержат взвешенные частицы, которые образуют внутри форсунки место образования агломератов, которое является местом образования микропузырьков.

Это позволяет увеличить образование воздушных микропузырьков.

6.3. Результаты

С целью сравнения были проведены испытания, с одной стороны, с известными форсунками и, с другой стороны, с форсунками согласно первому варианту осуществления изобретения.

Во время этих испытаний диаметр входной камеры форсунок был равен 27 миллиметров, диаметр отверстия был равен 3,5 миллиметра, и диаметр иглы 80 был равен 2 мм. Давление воды под давлением на ее входе во входную камеру было равно 5 бар, а ее расход был равен 0,74 м³/ч.

Кривая на фиг. 11, показывающая полученные результаты, позволяет отметить, что заявленные форсунки обеспечили образование большинства микропузырьков достаточно большого размера, чтобы эффективно обеспечивать флотацию со скоростью прохождения обрабатываемых жидких отходов в реакторе, превышающей 50 м/ч. Действительно, большинство микропузырьков, полученных при помощи заявленной форсунки, имеют размер, близкий к оптимальному размеру при скорости 50 м/ч, вычисленной при помощи закона Стокса; микропузырьки, полученные при помощи известных форсунок, частично имеют размер ниже этого порога и, следовательно, не обладают достаточной плавучестью, чтобы увеличить скорость прохождения в флотационных установках.