CN113683148A - 一种套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置，废水由进水管进入内桶，同时搅拌桨和压缩机开始工作，桶盖外壳废水槽一侧中冷管开始制冷，冷量经由接触柱传递，当内桶废水槽中接触柱上成冰到达一定量时，此时控制电机，滑道锁扣解除桶身锁定，在旋转升降装置的帮助下内桶沿U型滑道旋转180°下降后上升，存冰槽与废水槽的位置互换，该侧冷管停止制冷，电热丝开始工作，使接触柱上经电热丝融化的冰落入存冰槽，与此同时废水槽冷管开始工作，如此重复制冰脱冰流程。可实现自动化的渐进接触式冷冻与冰水分离，同时可根据冰水中溶解性固体的量，调节冷冻的时间温度等因素，实现装置的智能化控制。

Description

一种套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置

技术领域

本发明涉及冷冻分离技术领域，尤其是一种套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置。

背景技术

水资源是人类社会生存和发展不可或缺的重要资源，但随着水污染种类增多，污、废水水量的增大，这使得水处理的难度与日俱增。据统计，目前全国地表水体中Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水质占比分别为31％、30％、21％、6％、9％和3％，其中Ⅳ类及Ⅳ类以下水质水体占比近4成，水质污染问题严重。冷冻分离法作为一种有效的水处理方法，是利用水溶液在温度逐渐降低的冷冻场中，水分子相比于其它物质来说，更容易相变凝结成冰，并在其结晶过程中排斥杂质，形成纯净的冰和浓缩液的原理。冷冻分凝方法的优势在于通过物理的相变过程，将部分溶质和溶剂分离开来，在形成较纯净水的同时，进一步浓缩了废水的体积，并且不需投加药剂，在节省操作流程的同时，也节约了成本。

一般来说，冷冻方法主要是作为基于冰生长模式和最终冰形态的渐进或悬浮过程来应用的。在渐进冷冻过程中，冰从溶液顶部开始分层形成，并沿着冷却表面生长。冰和浓缩废物的分离可以通过从下面排出残余溶液来实现。在悬浮冷冻过程中，冰晶以颗粒形式生长，并保持悬浮状态。从浓缩废物中分离冰需要离心、过滤或重力。而渐进冷冻法产生单一的溶剂(水)冰层，使其易于分离。在其它渐进式的冷冻分离装置中，渐进冷冻法的冷冻过程以及冰水分离过程通常分开进行、间歇操作，例如一种适用于垃圾填埋场渗滤液的冷冻分离装置(CN 210973968 U)，装置在运行一段时间后，需要进行冰水分离过程后再继续处理废水，增加了设备运行的时间和过程成本。在部分冷冻分离装置的构建中，冷能通常被浪费，例如一种双夹层结构的渐进式冷冻浓缩设备(CN 210964869 U)，搅拌机构的冻结问题影响了冷冻过程，并且在冷冻过程中需要对其进行替换使用，提高了装置的运行成本，也限制了设备的运行效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置，将渐进接触式冷冻和冰水分离系统集成，实现了一体式自动化控制，操作简单且高效，极大程度地压缩废水体积，可广泛应用于处理废水处理工艺中。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置，包括外桶、内桶和盖在外桶上的桶盖，桶盖为中空的结构，在桶盖中间设有竖向的隔热板，竖向的隔热板将桶盖内部空间分成独立的左右两个部分，每部分中均平铺有电热丝和外连压缩机的独立冷管，并通过总控制开关控制压缩机和电热丝的工作，桶盖底面为导热材料，桶盖底面外侧交错设置有向下凸出的多个接触柱；

外桶上部侧壁相对两侧分别设置有一根进水管，外桶桶底固定有相互独立的环形冰水收集槽、环形废水出水槽和控制内桶转动的旋转升降装置，在外桶内壁上开有由两个对称镜像设置的U型滑道槽构成的一圈闭合轨道槽，两个U型滑道槽最上端交接处均安装有滑道锁扣；

内桶上部侧壁相对两侧分别设置有一个能插入外桶U型滑道槽的滑道固定柄，使内桶能沿着外桶内壁上的U型滑道槽旋转上升或下降，在内桶中间设有竖向的防水隔层，防水隔层将内桶内部空间分成独立的左右两个部分，一个为存冰槽，另一个为废水槽，在废水槽中设置有搅拌桨，在存冰槽的底部设置有冰水出水管，在废水槽的底部设置有浓废水出水管，冰水出水管和浓废水出水管分别与外桶的环形冰水收集槽和环形废水出水槽位置相对应。

所述内桶沿U型滑道槽整体下降的高度大于接触柱长度，避免在内桶转动时接触柱上的冰阻碍内桶的转动。

所述接触柱为粗糙圆柱体，圆柱体的头部为圆锥形，接触柱采用导热材质。

所述滑道锁扣由电磁开关控制开合。

所述冰水出水管和浓废水出水管分别插入环形冰水收集槽和环形废水出水槽中，环形冰水收集槽与内桶的冰水出水管在旋转过程中的运动轨迹垂直对应，环形废水出水槽与内桶的浓废水出水管在旋转过程中的运动轨迹垂直对应。

所述防水隔层为双层结构，搅拌桨的搅拌桨电机安装在双层结构中。

所述内桶中冰水出水管上方固定有隔冰网。

所述环形冰水收集槽、环形废水出水槽和旋转升降装置位于外桶底外侧。

本发明的有益效果是：

1、本发明是将冷冻过程和冷冻分离过程进行结合的操作装置，这有助于废水处理的智能化操作，设定好相应的程序后，该装置完全可以自主连续完成制冰、脱冰等工艺流程。

2、本发明的装置能量转化率相对较高，装置本身采用隔热材料，防止冷能的过度流失，同时利用产出的冰块对废水进行预冷或者直接对冰块进行存储，能有效的保证冷能的循环利用。

3、本发明的装置在相同时间下的产净水量与其它装置相比也具有一定的优势，在保证效果的前提下，废水进入废水桶中循环一次可压缩一半的体积，多次循环在不断压缩体积的同时，也能大幅度减少时间成本。

4、本发明的装置所产水质较好，整套流程一次后的净水，能有效地降低废水中的COD、无机盐和重金属离子，盐浓度在1g/l以内的水溶液中，经过装置的水处理过程后所产净水中的TDS能保持在100mg/L以下，盐浓度在对于部分实际废水中的可溶性物质的去除率能稳定保持在79％左右。

附图说明

图1为本发明的套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置分解示意图。

图2为本发明的套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置组装示意图。

图3为本发明的桶盖外壳及装置示意图。

图4为本发明的旋转式内桶装置示意图。

图5为本发明的外桶装置示意图。

图6为本发明的装置对于溶液中溶质的处理效果浓度变化图。

图7为本发明的装置对于溶液中溶质的处理去除率图。

图中，1总控制开关，2压缩机，3装置开关，4冷管，5电热丝，6桶盖，7接触柱，8隔热板，9 U型滑道槽，10滑道锁扣，11旋转升降装置，11-1电机，11-2丝杆，11-3固定盘，11-4稳定杆，12环形冰水收集槽，13环形废水出水槽，14外桶，15进水管，16内桶，17存冰槽，18废水槽，19旋转齿轮组件，20搅拌桨电机，21隔冰网，22冰水出水管，23防水隔层，24滑道固定柄，25搅拌桨，26浓废水出水管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-5所示，本发明的套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置，包括外桶14、内桶16和盖在外桶上的桶盖6，桶盖6为中空的结构，在桶盖6中间设有竖向的隔热板8，竖向的隔热板8将桶盖6内部空间分成独立的左右两个部分，每部分中均平铺有电热丝5和外连压缩机2的独立冷管4，并通过总控制开关1控制压缩机2和电热丝5的工作，桶盖6底面为导热材料，桶盖6底面外侧交错设置有向下凸出的多个接触柱7；

外桶14上部侧壁相对两侧分别设置有一根进水管15，外桶14桶底固定有相互独立的环形冰水收集槽12、环形废水出水槽13和控制内桶16转动的旋转升降装置11，在外桶14内壁上开有由两个对称镜像设置的U型滑道槽9构成的一圈闭合轨道槽，两个U型滑道槽9最上端交接处均安装有滑道锁扣10；

内桶16上部侧壁相对两侧分别设置有一个能插入外桶U型滑道槽9的滑道固定柄24，使内桶16能沿着外桶14内壁上的U型滑道槽9旋转上升或下降，在内桶16中间设有竖向的防水隔层23，防水隔层23将内桶16内部空间分成独立的左右两个部分，一个为存冰槽17，另一个为废水槽18，在废水槽18中设置有搅拌桨25，在存冰槽17的底部设置有冰水出水管22，在废水槽18的底部设置有浓废水出水管26，冰水出水管22和浓废水出水管26分别与外桶9的环形冰水收集槽12和环形废水出水槽13位置相对应。

所述内桶16沿U型滑道槽9整体下降的高度大于接触柱7长度，避免在内桶转动时接触柱上的冰阻碍内桶的转动。所述接触柱7为粗糙圆柱体，圆柱体的头部为圆锥形，接触柱7采用导热材质。

所述滑道锁扣10由电磁开关控制开合。

所述冰水出水管22和浓废水出水管26分别插入环形冰水收集槽12和环形废水出水槽13中，环形冰水收集槽12与内桶16的冰水出水管22在旋转过程中的运动轨迹垂直对应，环形废水出水槽13与内桶的浓废水出水管27在旋转过程中的运动轨迹垂直对应。

所述防水隔层23为双层结构，搅拌桨25的搅拌桨电机20安装在双层结构中。

所述内桶16中冰水出水管22上方固定有隔冰网21。

所述环形冰水收集槽12、环形废水出水槽13和旋转升降装置11位于外桶14底外侧。

具体地说，总控制开关1控制压缩机2和电热丝5的开关3，隔热层8两侧的桶盖外壳6底面采用导热性能较好的材料，以减少冷量在传递过程中的散失情况，外桶14两侧有两个进水管15分别在内桶16的存冰槽17与废水槽18侧面，以解决废水槽18因位置改变带来的进水问题，内桶16通过滑道固定柄25与外桶14的U型滑道9槽相连，当附着在接触柱7上的冰达到一定量以后，内桶经由U型滑道9槽滑下，将冰块转移到存冰槽17以开始下一次的结冰过程；实现存冰槽17与废水槽18位置的交换需要在内桶16转动过程中进行，外桶14的U型滑道槽9最上端安装有滑道锁扣10，当内桶16滑动到最上端时，对内桶16桶身进行锁定，冷冻结束后滑道锁扣10释放锁定，滑道固定柄24两端分别进入到两个不同的滑道槽，通过外桶14中旋转升降装置19提供的动力，使内桶16在滑动过程中转动180°，并实现下降上升的动作；装置内桶16沿U型滑道槽9整体下降的高度应大于接触柱7长度，以避免在内桶转动时接触柱上的冰阻碍桶的转动过程，保护装置。

所述接触柱7的柱身材质应为具有较好导热性能的粗糙圆柱，头部设计为圆锥型，一方面能减少冷量在接触柱上传递时的能量散失，保证冷冻速度的同时兼顾冷冻效果；粗糙材质能使冷冻结束后，电热丝5开关刚刚开启时，在内桶16转动的过程中，冰块不易从接触柱上掉落，以保证冰块的产出量和装置的安全性。

旋转升降装置11是由两组电机11-1控制，在固定盘11-3的固定作用下，通过控制一组电机，在丝杆11-2的传导下能帮助内桶16完成升降的动作，同时控制另一组电机，在旋转齿轮组件19的传导下带动内桶16完成旋转动作；两组电机共同工作能使内桶在滑道的约束下旋转180°进行必要的升降，并循环此动作。

滑道锁扣10与滑道固定柄24的连接结构经由电磁开关控制，满足装置正常的锁定放开需求，设计为当冷冻结束后及时解锁，滑道固定柄能带内桶16沿滑道滑下，该不仅能使内桶稳定在最上端进行冷冻过程，并且能防止在冰落入存冰槽17中时，冰块下落带来的冲击力使内桶顺势滑下，保证内桶的稳定性。

环形冰水收集槽与内桶16的冰水出水管22在旋转过程中的运动轨迹垂直对应，环形冰水收集槽的宽度应大于等于内桶冰水出水管半径，环形冰水收集槽12的旋转半径与内桶冰水出水管22到内桶圆心的距离对应；外桶14的环形废水出水槽13与内桶的浓废水出水管26在旋转过程中的运动轨迹垂直对应，环形废水出水槽的宽度同样应大于与内桶浓废水出水管26半径，环形废水收集槽半径与内桶浓废水出水管22到内桶圆心的距离对应。

防水隔层23为导热防水材料，且预留出搅拌桨电机20的位置，一方面导热材料能将冰的冷能传递到废水槽18有利于其中的废水进行预冷，另一方面能有效对长期工作的搅拌桨电机进行降温，还有利于冰融化吸收热量的及时排走。

内桶16中的隔冰网21应固定在冰水出水口22上方，并且高度应在防止体积较小冰块堵塞冰水出水口的同时，还要防止隔冰网高度过高妨碍接触柱7上的冰块正常掉落。

本装置通过总开关1控制，废水由进水管15进入内桶16，同时搅拌桨25和压缩机2开始工作，桶盖外壳6中废水槽18一侧冷管4开始制冷，冷量经由接触柱7传递，当接触柱7上成冰到达一定量时，该侧冷管4停止制冷，电热丝5开始工作，此时控制旋转升降装置11，滑道锁扣10解除对桶身的锁定，使内桶16沿U型滑道槽9旋转下降后上升，存冰槽17与废水槽18的位置互换，接触柱7上经电热丝5融化的冰落入存冰槽17，与此同时废水槽18一侧冷管4开始工作，如此重复制冰脱冰流程。通过温度感知和溶解性固体感知将数据传递给电脑，总控制开关对压缩机、电热丝、滑道锁扣、进水管、旋转电机和搅拌桨进行统一控制，该装置可实现自动化的渐进接触式冷冻与冰水分离，再根据温度计的范围参数，实时进行对冷管4和电热丝5进行控制，来保证净水的出水效果。

装置处理效果如图6、7和表1所示。当原水体积为50L，溶质分别为硫酸钠或乙酸钠时，经过该装置一次循环后，废水体积的减少量能达到25L。当进水离子浓度和TOC分别为353mg/l和64mg/l时，采用离子色谱仪和TOC总有机碳分析仪对出水水质进行检测，净水出水总离子浓度为20mg/L，总有机碳浓度为10mg/L，去除率分别能达到94％和90％。

表1为装置对于溶液中溶质的处理数据

污染物种类	处理前(mg/l)	处理后(mg/l)	去除率(％)
				硫酸根离子	353	18	94.90％
乙酸钠(TOC)	87.7	8	90.88％
				MVR冷凝废水(硫酸根子)	50	10.44	79.12％
MVR冷凝废水(TOC)	40	8.4	79.00％

当对同体积实际废水(MVR冷凝废水)进行处理后，该装置一次循环对于废水中溶质的去除效果能达到79％。同时装置也可对废水进行多次冷冻以提升出水效果，装置产出的冰也可用于废水的预冷以及冷能的储存。

本发明用于自动化处理废水，将冷冻过程和冰水分离结构集合到一套装置中，并将余冷充分利用，在一定程度上增加了能量的利用效率，该装置在冷冻分离过程中可连续处理废水，并可添加温控、水中溶解性固体测量设备，以期完善水处理领域的对自动化、连续化、智能化设备的需求。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置，包括外桶(14)、内桶(16)和盖在外桶上的桶盖(6)，其特征在于，桶盖(6)为中空的结构，在桶盖(6)中间设有竖向的隔热板(8)，竖向的隔热板(8)将桶盖(6)内部空间分成独立的左右两个部分，每部分中均平铺有电热丝(5)和外连压缩机(2)的独立冷管(4)，并通过总控制开关(1)控制压缩机(2)和电热丝(5)的工作，桶盖(6)底面为导热材料，桶盖(6)底面外侧交错设置有向下凸出的多个接触柱(7)；

外桶(14)上部侧壁相对两侧分别设置有一根进水管(15)，外桶(14)桶底固定有相互独立的环形冰水收集槽(12)、环形废水出水槽(13)和控制内桶(16)转动的旋转升降装置(11)，在外桶(14)内壁上开有由两个对称镜像设置的U型滑道槽(9)构成的一圈闭合轨道槽，两个U型滑道槽(9)最上端交接处均安装有滑道锁扣(10)；

内桶(16)上部侧壁相对两侧分别设置有一个能插入外桶U型滑道槽(9)的滑道固定柄(24)，使内桶(16)能沿着外桶(14)内壁上的U型滑道槽(9)旋转上升或下降，在内桶(16)中间设有竖向的防水隔层(23)，防水隔层(23)将内桶(16)内部空间分成独立的左右两个部分，一个为存冰槽(17)，另一个为废水槽(18)，在废水槽(18)中设置有搅拌桨(25)，在存冰槽(17)的底部设置有冰水出水管(22)，在废水槽(18)的底部设置有浓废水出水管(26)，冰水出水管(22)和浓废水出水管(26)分别与外桶(9)的环形冰水收集槽(12)和环形废水出水槽(13)位置相对应。

2.根据权利要求1所述套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置，其特征在于，所述内桶(16)沿U型滑道槽(9)整体下降的高度大于接触柱(7)长度，避免在内桶转动时接触柱上的冰阻碍内桶的转动。

3.根据权利要求1所述套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置，其特征在于，所述接触柱(7)为粗糙圆柱体，圆柱体的头部为圆锥形，接触柱(7)采用导热材质。

4.根据权利要求1所述套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置，其特征在于，所述滑道锁扣(10)由电磁开关控制开合。

5.根据权利要求1所述套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置，其特征在于，所述冰水出水管(22)和浓废水出水管(26)分别插入环形冰水收集槽(12)和环形废水出水槽(13)中，环形冰水收集槽(12)与内桶(16)的冰水出水管(22)在旋转过程中的运动轨迹垂直对应，环形废水出水槽(13)与内桶的浓废水出水管(27)在旋转过程中的运动轨迹垂直对应。

6.根据权利要求1所述套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置，其特征在于，所述防水隔层(23)为双层结构，搅拌桨(25)的搅拌桨电机(20)安装在双层结构中。

7.根据权利要求1所述套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置，其特征在于，所述内桶(16)中冰水出水管(22)上方固定有隔冰网(21)。

8.根据权利要求1所述套桶式连续型处理废水的冷冻分离装置，其特征在于，所述环形冰水收集槽(12)、环形废水出水槽(13)和旋转升降装置(11)位于外桶(14)底外侧。

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