RU2213059C1

RU2213059C1 - Device for purification of potable water

Info

Publication number: RU2213059C1
Application number: RU2002118831/12A
Authority: RU
Inventors: Е.В. Скиданов; А.П. Рамзаев; В.И. Белоглазов
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Лисскон"
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2003-09-27

Abstract

FIELD: purification of potable water; treatment of natural water. SUBSTANCE: proposed device has housing with hydraulic cyclone fitted with supply branch and located in lower part of housing; filter element made in form of glass disk having through hole is located in cylindrical part of housing; said holes are made at acute angle relative to horizontal plane and are located over circumference at shift in staggered order; disk is provided with screen made from electroheating material which is mounted above disk; disk is located between two elastic rings and flexible spring; besides that, hydraulic cyclone is provided with circular pipe line mounted at level of supply branch pipe ; this pipe line is connected with supply branch pipe; tangential holes are made in side part of pipe line and in wall of hydraulic cyclone. Device may be provided with additional filter made from active coal to ion-exchange resin for fine purification of water This filter is arranged in upper part of housing. EFFECT: enhanced efficiency of purification; facilitated procedure. 5 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для разделения жидких неоднородных сред под действием центробежных сил и может быть использовано для очистки питьевой воды и технологических процессов обработки природных вод. The invention relates to a device for the separation of heterogeneous liquid media under the action of centrifugal forces and can be used to purify drinking water and natural water treatment processes.

Известны конструктивные схемы гидроциклонов [1], где обоснованы размеры диаметров, высота цилиндрической части, форма и размеры входных и выходных отверстий, угол конической части. Однако процесс разделения фаз в этих гидроциклонах не позволяет получить тонкую очистку питьевой воды. Known structural schemes of hydrocyclones [1], where the dimensions of the diameters, the height of the cylindrical part, the shape and dimensions of the inlet and outlet openings, the angle of the conical part are justified. However, the phase separation process in these hydrocyclones does not allow for fine purification of drinking water.

Известен гидроциклон [2] , содержащий цилиндроконический корпус с перфорацией в нижней части конуса, входной и выпускной патрубки уловленных твердых частиц, цилиндроконический кожус, в верхней части которого размещен выпускной патрубок очищенной жидкости и направляющие козырьки, а по образующей верхней части конуса цилиндрического корпуса выполнены щелевые отверстия, к которым примыкают направляющие козырьки, обращенные навстречу направлению движения потока жидкости. Это решение способствует более эффективному отделению тонкодисперсных твердых частиц с размерами менее 50 мкм за счет многократной рециркуляции очищаемой жидкости внутри гидроциклона, а это удлиняет процесс очистки, кроме этого данное устройство является конструктивно сложным и предназначено для использования в газовой, нефтяной промышленности. Known hydrocyclone [2], containing a cylindrical conical housing with perforation in the lower part of the cone, an inlet and outlet pipe of trapped solid particles, a cylindrical conical housing, in the upper part of which there is an outlet pipe of purified liquid and guiding visors, and slotted holes are formed along the generatrix of the upper cone of the cylindrical body holes to which the guide visors are adjacent, facing the direction of movement of the fluid flow. This solution contributes to a more efficient separation of finely divided solid particles with sizes less than 50 microns due to repeated recirculation of the liquid being cleaned inside the hydrocyclone, and this lengthens the cleaning process, in addition, this device is structurally complex and is intended for use in the gas, oil industry.

Известно устройство для очистки жидкости [3] , содержащее корпус с крышкой, в нижней части которого размещен гидроциклон, а в верхней - фильтрующий элемент, центральную трубу, установленную в средней части корпуса кольцевую разделительную перегородку, подводящий и отводящий патрубки, фильтрующий элемент выполнен цилиндрическим, заглушенным сверху и расположенным коаксиально снаружи верхней части центральной трубы, разделительная перегородка выполнена плоской и имеющей коническую выемку и сквозные отверстия вокруг центральной трубы и в стенках последней на уровне расположения фильтрующего элемента выполнены отверстия для прохода очищаемой жидкости. A device for cleaning liquid [3] is known, comprising a housing with a cover, a hydrocyclone located in the lower part, and a filter element located in the upper part, a central pipe, an annular dividing partition installed in the middle part of the housing, inlet and outlet pipes, the filter element is made cylindrical, muffled from above and located coaxially outside the upper part of the central pipe, the dividing wall is made flat and having a conical recess and through holes around the central pipe and the walls of the latter at the location of the filter element is provided with holes for the passage of cleaning fluid.

Кроме того, фильтрующий элемент заглушен сверху посредством фланца и прижимного болта, а суммарная площадь отверстий в разделительной перегородке выполнена составляющей менее одной четверти площади поперечного сечения центральной трубы. In addition, the filter element is muffled from above by means of a flange and a clamping bolt, and the total area of the holes in the dividing wall is made up of less than one quarter of the cross-sectional area of the central pipe.

Это устройство, предназначенное для очистки мазута, обладает простотой, рациональностью и экономичностью размещения узлов, кроме того, оно позволяет извлекать отфильтрованные механические примеси без остановки технологического процесса. Выполнение фильтрующих зазоров между плоскими кольцами не позволяет проводить очистку жидкости от тонкодисперсной фазы, не уменьшая их размеров, что влияет на производительность очистки, кроме того, зазоры могут забиваться инородными частицами. This device, designed for cleaning fuel oil, has the simplicity, rationality and cost-effectiveness of the nodes, in addition, it allows you to extract filtered solids without stopping the process. The implementation of filter gaps between the flat rings does not allow cleaning the liquid from the finely dispersed phase without reducing their size, which affects the cleaning performance, in addition, the gaps can become clogged by foreign particles.

Задачей изобретения является повышение эффективности очистки питьевой воды от тонкодисперсной фазы при простой технологии процесса. The objective of the invention is to increase the efficiency of purification of drinking water from the finely divided phase with a simple process technology.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для очистки питьевой воды, содержащем закрытый корпус, в нижней части которого расположен гидроциклон, а в цилиндрической части - сменный фильтрующий элемент, подводящий и отводящие патрубки, фильтрующий элемент выполнен в виде стеклянного диска со сквозными отверстиями и расположен под защитной сеткой между двумя эластичными кольцами, при этом нижнее кольцо установлено у основания цилиндрической части корпуса, а верхнее - прижато к стеклянному диску упругой пружиной. При этом отверстия в стеклянном диске выполнены под острым углом к горизонтальной плоскости и расположены по окружностям со смещением в шахматном порядке, причем диаметр отверстий выбран в зависимости от допустимых размеров примеси, а суммарная площадь отверстий и толщина стеклянного диска определены в соответствии с заданной производительностью и допустимым пределом прочности диска в отношении статического давления воды на него. Защитная сетка выполнена из электронагревательного материала и закреплена в рамке, а гидроциклон снабжен установленным на уровне подводящего патрубка кольцевым трубопроводом, в боковой части которого и конической части гидроциклона выполнены сквозные тангенциальные отверстия. Верхняя часть корпуса выполнена в виде конуса с заполнением активированным углем или ионнообменой смолой, заканчивающегося верхним отводящим патрубком. This object is achieved in that in a device for purifying drinking water containing a closed housing, in the lower part of which there is a hydrocyclone, and in the cylindrical part - a replaceable filter element, inlet and outlet pipes, the filter element is made in the form of a glass disk with through holes and is located under the protective net between two elastic rings, with the lower ring installed at the base of the cylindrical part of the housing, and the upper one pressed against the glass disk by an elastic spring. In this case, the holes in the glass disk are made at an acute angle to the horizontal plane and are arranged in circles staggered in a checkerboard pattern, the diameter of the holes being selected depending on the admissible impurity sizes, and the total area of the holes and the thickness of the glass disk are determined in accordance with a given performance and acceptable the tensile strength of the disk in relation to the static pressure of water on it. The protective mesh is made of electric heating material and fixed in the frame, and the hydrocyclone is equipped with an annular pipe installed at the level of the inlet pipe, through which tangential holes are made in the lateral part and the conical part of the hydrocyclone. The upper part of the body is made in the form of a cone filled with activated carbon or ion-exchange resin, ending with an upper outlet pipe.

На фиг. 1 представлен продольный разрез устройства для очистки воды; на фиг. 2 - фильтрующий элемент в виде стеклянного диска с расположением отверстий под углом; на фиг.3 - сечение по А-А на фиг.2; на фиг.4 - сечение В-В на фиг.1. In FIG. 1 is a longitudinal section through a water purification device; in FIG. 2 - a filter element in the form of a glass disk with the location of the holes at an angle; figure 3 is a section along aa in figure 2; figure 4 - section bb in figure 1.

Устройство для очистки питьевой воды состоит из корпуса 1 с конусообразной верхней частью, в нижней части которого расположен гидроциклон 2. Цилиндрическая часть корпуса 1 состоит из двух частей, соединенных между собой втулкой 3. Фильтрующий элемент 4 выполнен в виде стеклянного диска со сквозными отверстиями. Над диском 4 расположена защитная сетка 5, закрепленная в рамке (на чертеже не показана) и выполненная из электронагревательного материала. Диск 4 с сеткой 5 установлен в цилиндрической части корпуса 1 между двумя эластичными кольцами 6, причем нижнее кольцо установлено у основания цилиндрической части, а верхнее прижато через защитную сетку 5 к стеклянному диску 4 упругой пружиной 7. Гидроциклон 2 снабжен подводящим патрубком 8 и отводящим патрубком 9, а верхняя часть корпуса 1 - отводящим патрубком 10. На гидроциклоне 2 на уровне подводящего патрубка 8 установлен кольцевой трубопровод 11 с кольцевой полостью 12 со сквозными тангенциальными отверстиями 13 в его боковой части и конической части гидроциклона (фиг.4). В верхней части корпуса 1 может быть установлен дополнительный фильтр 14, выполненный из активированного угля или ионнообменной смолы в зависимости от качества исходной воды. Уголь - для удаления органических загрязнений и солей тяжелых металлов, а смола - избыточных солей жесткости и железа. Отверстия 15, выполненные в стеклянном диске 4, расположены по концентрическим окружностям в шахматном порядке. Отверстия 15 могут быть выполнены под острым углом к горизонтальной плоскости, который равен углу наклона образующей конической части гидроциклона 2. A device for drinking water purification consists of a housing 1 with a conical upper part, in the lower part of which a hydrocyclone 2 is located. The cylindrical part of the housing 1 consists of two parts interconnected by a sleeve 3. The filter element 4 is made in the form of a glass disk with through holes. Above the disk 4 is a protective mesh 5, mounted in a frame (not shown in the drawing) and made of electric heating material. A disk 4 with a mesh 5 is installed in the cylindrical part of the housing 1 between two elastic rings 6, the lower ring being installed at the base of the cylindrical part, and the upper one pressed against the glass disk 4 by an elastic spring 7. The hydrocyclone 2 is equipped with a supply pipe 8 and a discharge pipe 9, and the upper part of the housing 1 by the discharge pipe 10. On the hydrocyclone 2 at the level of the supply pipe 8, an annular pipe 11 with an annular cavity 12 with through tangential openings 13 in its lateral part and conical oh part of the hydrocyclone (figure 4). In the upper part of the housing 1 can be installed an additional filter 14 made of activated carbon or ion-exchange resin, depending on the quality of the source water. Coal - to remove organic impurities and salts of heavy metals, and resin - excess salts of hardness and iron. The holes 15 made in the glass disk 4 are arranged in concentric circles in a checkerboard pattern. The holes 15 can be made at an acute angle to the horizontal plane, which is equal to the angle of inclination of the generatrix of the conical part of the hydrocyclone 2.

Устройство работает следующим образом. В подводящий патрубок 8 поступает вода с посторонними частицами. Под действием тангенциально расположенных отверстий 13 в кольцевом трубопроводе 11 вода закручивается и за счет центробежных сил частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона 2 и перемещаются по конической поверхности к нижнему отводящему патрубку 10. Тонкодисперсные частицы, не достигшие стенки гидроциклона 2, увлекаются потоком к фильтрующему элементу в виде стеклянного диска 4. Очищенная от частиц вода через отверстия в диске 4 поступает из-за разности давлений в полостях в верхнюю часть корпуса 1 и через дополнительный фильтр 14 в верхний отводящий патрубок 9. Разность давлений регулируется за счет изменения размера отверстия нижнего отводящего патрубка 10. Существующая стекловолоконная технология [4] в НПП ЗАО "Технология, оборудование, стеклянные структуры" позволяет получить фильтрующие диски с отверстиями диаметром 0,2...10 мкм и толщиной более 0,5 мм, которые являются коррозионностойкими, не дают посторонних привкусов и запахов. Стекловолоконный диск обладает очень низкой адгезией к металлам и биологическим примесям. Кроме этого возможно осуществление регенерации фильтра 4 от прилипших органических соединений и микроорганизмов за счет нагрева его от сетки 5 из электронагревательного материала. Сетка 5 при разрушении диска 4 препятствует попаданию частиц стекла в очищенную жидкость. Эластичные кольца 6 предохраняют стеклянный диск 4 от ударов. The device operates as follows. In the inlet pipe 8 enters water with foreign particles. Under the action of the tangentially located holes 13 in the annular pipe 11, the water is twisted and due to centrifugal forces the particles are discarded to the walls of the hydrocyclone 2 and move along the conical surface to the lower outlet pipe 10. Fine particles that do not reach the wall of the hydrocyclone 2 are entrained by the flow to the filter element in the form glass disk 4. Purified water from particles through holes in the disk 4 comes due to the pressure difference in the cavities in the upper part of the housing 1 and through an additional filter 14 in the upper outlet pipe 9. The pressure difference is regulated by changing the size of the holes of the lower outlet pipe 10. The existing fiberglass technology [4] in the Scientific-Production Enterprise "Technology, Equipment, Glass Structures" allows you to get filter discs with holes with a diameter of 0.2 ... 10 microns and more than 0.5 mm thick, which are corrosion-resistant, do not give extraneous smacks and odors. Fiberglass disk has very low adhesion to metals and biological impurities. In addition, it is possible to regenerate the filter 4 from adhering organic compounds and microorganisms by heating it from the grid 5 of electric heating material. Mesh 5 when the destruction of the disk 4 prevents the ingress of glass particles into the purified liquid. Elastic rings 6 protect the glass disk 4 from impacts.

В предлагаемом устройстве создается поступательно-вращательное движение потока воды в гидроциклоне 2 между трубопроводом 11, диском 4 и сеткой 5. Свойства вращающихся потоков описываются уравнениями Навье-Стокса в форме Ламба-Громеки, которые позволяют получить величину распределения скоростей и давлений по сечению потока. При перемещении воды вверх по наклонным отверстиям диска 4 создаются дополнительные струезавихренные тонкие потоки. В результате действия дополнительных тангенциальных скоростей и центростремительных ускорений тонкодисперсные частицы отбрасываются к стенке отверстий и за счет скользкой стеклянной поверхности сползают вниз. Разные диаметры отверстий в радиальном направлении диска 4 выполнены для повышения прочности диска и коррекции изменения сил инерции от радиуса. The proposed device creates a translational-rotational movement of the water flow in the hydrocyclone 2 between the pipe 11, the disk 4 and the grid 5. The properties of the rotating flows are described by the Navier-Stokes equations in the form of Lamb-Gromeka, which allow us to obtain the distribution of velocities and pressures over the flow cross section. When moving water upward along the inclined holes of the disk 4, additional streamwise vortex thin flows are created. As a result of the action of additional tangential velocities and centripetal accelerations, finely dispersed particles are discarded to the wall of the holes and slide down due to the slippery glass surface. Different diameters of the holes in the radial direction of the disk 4 are made to increase the strength of the disk and correct the change in inertia forces from the radius.

Производительность гидроциклона определяется по формуле [1]. Hydrocyclone productivity is determined by the formula [1].

где Q - объемная производительность, м³/ч,
D_r - диаметр гидроциклона в м,
D_В - диаметр верхнего отводного отверстия в м,
Н - давление на входе в мм вод. ст.,
g - ускорение силы тяжести в м/с²,
k - коэффициент пропорциональности (0,06...0,04).

where Q is the volumetric productivity, m ³ / h,
D _r is the diameter of the hydrocyclone in m,
D _{In the} diameter of the upper outlet in m,
N is the inlet pressure in mm of water. Art.,
g is the acceleration of gravity in m / s ² ,
k is the coefficient of proportionality (0.06 ... 0.04).

С другой стороны производительность фильтрующего элемента в виде диска с отверстиями можно оценить по формуле Пуазейля

где

- число отверстий,
D_d, d - диаметр диска и отверстий; h - толщина диска; p₁-p₂ - разность давлений; к₃ - коэффициент заполнения; η - динамическая вязкость.On the other hand, the performance of the filter element in the form of a disk with holes can be estimated by the Poiseuille formula

Where

- number of holes
D _d , d is the diameter of the disk and holes; h is the thickness of the disk; p ₁ -p ₂ is the pressure difference; to ₃ - fill factor; η is the dynamic viscosity.

Наибольшее напряжение равномерно нагруженной круглой пластины определяется так [5]. The highest stress of a uniformly loaded round plate is determined as follows [5].

где q - распределенная интенсивная нагрузка,
[σ] - допускаемое напряжение прочности.

where q is the distributed intense load,
[σ] is the allowable tensile strength.

Угол расположения отверстий α выбирается равным углу конической части гидроциклонов [1] . Значения общей площади отверстий и толщины диска определяются из условий равенства выражений (1), (2) и соотношения (3). Благодаря комбинации гидроциклона, фильтрующего стеклянного диска 4 и фильтра 14 вода достигает высокой степени очистки. Регулируя соотношение расходов через патрубки за счет их диаметров, толщины диска и диаметра отверстий в нем и давления воды, можно добиться заданной производительности с требуемой степенью очитки от тонкодисперсных частиц с любой их плотностью. The hole angle α is chosen equal to the angle of the conical part of the hydrocyclones [1]. The values of the total area of the holes and the thickness of the disk are determined from the conditions of equality of expressions (1), (2) and relation (3). Thanks to the combination of hydrocyclone, filter glass disk 4 and filter 14, water achieves a high degree of purification. By adjusting the ratio of costs through the nozzles due to their diameters, the thickness of the disk and the diameter of the holes in it and the water pressure, it is possible to achieve a given performance with the required degree of cleaning from fine particles with any density.

Источники информации
1. Шестов Р.Н. Гидроциклоны. Л.: Изд-во "Машиностроение", 1967 - С.80.Sources of information
1. Shestov R.N. Hydrocyclones. L .: Publishing house "Engineering", 1967 - S.80.

2. А. с. SU 997823, МКИ В 04 С 5/107, БИ 7, 1983 / Салашник М.М, Капитонов Р.В. "Гидроциклон". 2. A. p. SU 997823, MKI B 04 C 5/107, BI 7, 1983 / Salashnik M.M., Kapitonov R.V. "Hydrocyclone".

3. Пат. RU 2061525, В 01 D 29/44, 36/00, БИ 16, 1996 / Карпенко В.М. и др. "Устройство для очистки жидкости" - прототип. 3. Pat. RU 2061525, B 01 D 29/44, 36/00, BI 16, 1996 / Karpenko V.M. et al. "Liquid purification device" - prototype.

4. Патент РФ 20885523, С 03 В 37/022 "Способ изготовления микроустройств из пластически деформируемых материалов" /Белоглазов В.И., Суховеев С.П., БИ 21, 1997. 4. RF patent 20885523, С 03 В 37/022 "Method for the manufacture of microdevices from plastically deformable materials" / Beloglazov VI, Sukhoveev SP, BI 21, 1997.

5. Тимошенко С.В. Сопротивление материалов. Т.2, М., Физмат - 1965, с. 86. 5. Timoshenko S.V. Strength of materials. T.2, M., Fizmat - 1965, p. 86.

Claims

1. A device for cleaning drinking water, comprising a closed housing, in the lower part of which is a hydrocyclone, and in the cylindrical part - a replaceable filter element, inlet and outlet pipes, characterized in that the filter element is made in the form of a glass disk with through holes and is located under a protective net between two elastic rings, while the lower ring is installed at the base of the cylindrical part of the housing, and the upper one is pressed against the glass disk by an elastic spring.

2. The device according to claim 1, characterized in that the holes in the glass disk are made at an acute angle to the horizontal plane and are arranged in circles with a staggered offset, the diameter of the holes being selected depending on the admissible sizes of the impurities, and the total area of the holes and the thickness of the glass disk is determined in accordance with a given performance and an acceptable tensile strength of the disk in relation to the static pressure of water on it.

3. The device according to claim 1, characterized in that the protective mesh is made of electric heating material and is fixed in the frame.

4. The device according to claim 1, characterized in that the hydrocyclone is equipped with an annular pipe installed at the level of the inlet pipe, through which tangential holes are made in the side of which and the conical part of the hydrocyclone.

5. The device according to p. 1, characterized in that the upper part of the housing is made in the form of a cone filled with activated carbon or ion-exchange resin, ending with an upper outlet pipe.