RU2543013C2 - Устройство для уменьшения турбулентности - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройству для уменьшения момента и/или скорости турбулентной жидкости, например, в осветлителе. Может использоваться при осаждении или отделении суспендированных твердых частиц от жидкости, например, в городских системах водоочистки, очистке сока сахарного тростника или целлюлозно-бумажном производстве. Устройство для уменьшения турбулентности, вызванной потоком первой жидкости из трубы или шланга во вторую жидкость внутри резервуара. Устройство выполнено с возможностью погружения во вторую жидкость, первая и вторая жидкости могут быть одинаковыми или различными, при этом указанное устройство содержит: первую и вторую жесткие пластины, одну или более распорок, каждая из которых прикреплена как к первой пластине, так и ко второй пластине, по меньшей мере, четыре перегородки, жестко прикрепленные ко второй пластине, причем перегородки расположены симметрично относительно оси, которая проходит через центр отверстия в первой пластине и которая также перпендикулярна обеим указанным пластинам, и имеются пространства между соседними перегородками, что позволяет некоторому количеству жидкости проходить между соседними перегородками. Первая и вторая пластины имеют приблизительно одинаковые размеры и форму, за исключением того что первая пластина имеет центральное отверстие, через которое может проходить труба или шланг, так что трубу или шланг устанавливают для вывода первой жидкости в пространство между первой и второй пластинами. Распорки удерживают первую и вторую пластину в неподвижном положении друг относительно друга и параллельно друг другу. Вторая пластина выполнена с возможностью отклонения потока первой жидкости приблизительно на 90 градусов, превращая приблизительно линейный поток, который является приблизительно параллельным оси, в радиальный направленный наружу поток, который является приблизительно параллельным второй пластине, и перегородки дополнительно выполнены с возможностью: рассеивания энергии потока первой жидкости, предотвращения турбулентности на границе раздела между первой и второй жидкостями и предотвращения образования вихрей. Осветлитель для осаждения или отделения суспендированных твердых частиц от жидкости, содержащий резервуар, в котором установлено множество устройств для уменьшения турбулентности. Технический результат - повышение эффективности разделения. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

Description

Настоящее изобретение относится к устройству для уменьшения момента и/или скорости турбулентной жидкости, например, в осветлителе. Изобретение также относится к осветлителю для осаждения или отделения суспендированных твердых частиц от жидкости, содержащему указанное устройство, и способу введения первой жидкости во вторую жидкость.

«Осветление» представляет собой осаждение или отделение суспендированных твердых частиц от жидкости, например, в городских системах водоочистки, очистке сока сахарного тростника или целлюлозно-бумажном производстве. Общий недостаток существующих конструкций осветлителей заключается в том, что создаются большие турбулентные вихри в потоке жидкости в резервуары. Турбулентность приводит к неэффективному использованию площади осаждения, уменьшает качество надосадочной жидкости и, как правило, определяет более продолжительное время выдерживания, чем потребовалось бы в иных условиях. Более продолжительное время выдерживания проводит к существенному снижению эффективности и повышению стоимости, особенно в случае обработки портящихся или разлагающихся продуктов. Например, при осветлении сока сахарного тростника более продолжительное время выдерживания может привести к частичной порче продукта.

Осветление сока сахарного тростника представляет собой важную часть технологического процесса. В стандартной конструкции используют цилиндрический резервуар с наклонным основанием, оборудованный или не оборудованный скребковым механизмом для удаления осадка. Осветленную жидкость удаляют через сливные желоба, обычно расположенные по периметру резервуара. В качестве альтернативы, в прямоугольном устройстве впуск исходного материала находится на стороне, противоположной сливному желобу. Некоторые осветлители включают центральный резервуар для диспергирования флокулянтов. В большинстве традиционных осветлителей жидкость движется наружу по горизонтали и вверх по вертикали, следуя по пути от центрального питающего резервуара до сливных выпусков или желобов (в так называемой конструкции Дорра (Dorr)) или от периметра к центральному выпуску (в так называемой конструкции Гравера (Graver)). Горизонтальное течение снижает эффективность и пропускную способность и создает крупномасштабное круговое течение осветлителя, что снижает качество и эффективность разделения. Разделение, которое занимает всего несколько минут в малом масштабе, может занимать от получаса до нескольких часов в заводских условиях вследствие влияния турбулентности на время осаждения.

Как компьютерное моделирование, так и экспериментальные наблюдения продемонстрировали, что большинство существующих конструкций осветлителей являются неэффективными и подвергаются крупномасштабной турбулентности. Эта неэффективность приводит к увеличению производственных расходов и/или к снижению качества продукции.

В некоторых предшествующих конструкциях осветлителей использовано множество пластин для увеличения площади осаждения и уменьшения вихрей, но эти конструкции, как правило, были чрезмерно дорогостоящими и сложными для широкого применения в промышленности.

В других предшествующих конструкциях входной поток поступает в осветлитель через распределительные лотки или входные желоба, которые создают большую площадь поверхности, чтобы замедлять движение текучей среды. Даже в таких условиях крупномасштабные вихри могут все же создаваться в таких устройствах вследствие большой массы потока, поступающего в осветлитель. Другие альтернативные конструкции не были широко приняты в сахарной промышленности.

Некоторые последние конструкции осветлителей являются более эффективными и имеют сокращенное время выдерживания. Однако эти более поздние конструкции являются более дорогостоящими; их установка требует на большинстве заводов приобретения нового оборудования или оплаты дорогостоящей модернизации. Кроме того, гидродинамические условия в новых конструкциях, несмотря на их некоторое усовершенствование, не очень значительно отличаются от условий в традиционных конструкциях. В них обычно возникают боковые потоки, способные создавать большие вихри, которые препятствуют осаждению.

В осветлителе пластинчатого типа используют комплект параллельных наклонных пластин внутри прямоугольного резервуара, чтобы сократить пути седиментации. Для осаждения имеется значительная дополнительная площадь поверхности и сокращено расстояние движения жидкости. Значительные проблемы для пластинчатого осветлителя создают удаление твердых частиц и очистка пластин. Стоимость пластинчатого осветлителя может быть значительной, особенно если он сооружен из неполимерного материала (Использование полимеров может оказаться затруднительным в растворах сахара при высокой температуре).

В патенте США №2488851 описан осветлитель сока сахарного тростника с множеством перекрывающихся лотков для осаждения.

В патенте США №2470076 описан так называемый осветлитель Дорра, аналогичный тем, которые в настоящее время обычно используют на сахарных заводах.

В патенте США №2611685 описан реакционный резервуар для контакта паров с псевдоожиженными мелкодисперсными частицами. Ряд усеченных концентрических конусов расположен на дне резервуара для достижения равномерного распределения текучей среды по диаметру реактора.

В патенте США №4609010 описана система распределения текучей среды, в которой использован ряд отверстий во входном распределителе текучей среды.

В патенте США №5192465 описана распределительная система, включающая в себя распределительную пластину, приспособленную для горизонтального расположения, и крепление к распределителю жидкости в технологической колонне для симметричного выведения из нее жидкости. Распределительная пластина включает деталь, имеющую боковые стенки, образованные вокруг нее, и множество отверстий, образованных в ней. Распределительная пластина предназначена для сбора жидкости, выходящей из жидкостного распределителя, растекания жидкости по ней и создания медленного равного вытекания жидкости с нее на находящийся внизу уплотняющий слой.

В патенте США №3556736 описано устройство для контакта двух текучих сред в зоне контакта текучих сред и жидкостей.

В патенте США №4479875 описан входной распределитель сепаратора для разделения двух жидкостей, в котором текучая среда проходит через уплотняющее устройство, обеспечивая перепад давления.

В патенте США №4780206 описана система ограничения турбулентности, включающая в себя первую перегородку, неподвижно соединенную по внутренней части внутриканального осветлителя, имеющего боковые стенки между боковыми стенками рядом с точкой входа сточной воды в осветлитель, причем первая перегородка закрывает желательную часть площади поперечного потока внутри осветлителя; и вторую перегородку, неподвижно соединенную по внутренней части осветлителя между боковыми стенками ниже по потоку относительно первой перегородки и закрывающую желательную часть площади поперечного потока, оставшуюся не закрытой первой перегородкой. Система ограничения турбулентности может также включать, по меньшей мере, одну накопительную перегородку, соединенную между боковыми стенками и рядом с дном осветлителя, причем накопительная перегородка поднимается вверх на желательную высоту внутри осветлителя, но не так высоко, чтобы создавать скорость, которая препятствовала бы осаждению осадка в осветлителе.

В патенте США №5378378 описано использование спирального входного потока для уменьшения энергии жидкости и твердых частиц, движущихся в резервуаре по направлению к осветлителю.

В патенте США №5354460 описано понижающее сопло для равномерного распределения текучих сред на границе раздела между фазами в колонне или ячейке, обеспечивая работу в режиме идеального вытеснения, структурированную каналом внутреннего потока рекурсивной конфигурации.

Scott R.P. в статье 1988 г. «Модификация и испытания осветлителей RAPIDORR, включая сахаратную дефекацию в Аматикулу», журнал Proc. S. Afr. Sug. Technol. Assoc. (Материалы Южноафриканской ассоциации технологов сахарной промышленности), т.62, с.32-35, описывает осветлитель типа Дорра, в котором исходный материал вводят через полую вращающуюся трубу в центре осветлителя. Это устройство распределяет исходный материал по нескольким отделениям внутри осветлителя, в каждом из которых поток отклоняется перегородкой.

Steindl R.J., Fitzmaurice A.L. и Alman C.W. в статье 1998 г. «Недавние разработки конструкции осветлителей», журнал Aust. Soc. Sugar Cane Technol. (Австралийское общество технологов сахарного тростника), т.20, с.477-483, описывают использование системы одноточечной подачи для обеспечения постоянной скорости в питающем желобе и равномерное распределение исходного материала по окружности питающего резервуара.

В патенте США №5938333 описана фрактальная конструкция, которая обеспечивает «геометрическое» регулирование потока для уменьшения турбулентности.

В патенте США №5944995 описан осветлитель, в котором диаметр питающего резервуара увеличивается сверху вниз, образуя коническую форму, чтобы уменьшить скорость текучей среды. Он также включает перегородки для дополнительного уменьшения скорости. Основание питающего резервуара включает наклоненную вниз и внутрь кромку для дополнительного уменьшения скорости.

В патенте США №6800209 описано устройство, которое включает разделенные равными промежутками отверстия, расположенные по окружности. Каждое отверстие включает перегородки, которые направляют поток исходного материала по касательной в противоположных направлениях. Энергия рассеивается, когда сталкиваются потоки текучей среды из соседних отверстий.

Предшествующие исследования авторов настоящего изобретения представлены в работе: V. Kochergin, С. Gaudet, Μ. Robert, S. Bergeron, «Испытание новой конструкции осветлителя сока», конференция луизианского отделения ASSCT, Лафайет, штат Луизиана, 2-3 февраля 2010 г.; причем основную часть накопленных данных V. Kochergin и С. Gaudet представили в докладе «Новый подход к распределению текучей среды в промышленных осветлителях» на 40-м годовом совместном собрании флоридского и луизианского отделений ASSCT, Панама Сити Бич, штат Флорида, 16-18 июня 2010 г. См. также работу «Осветлитель сока с устройствами для уменьшения турбулентности», которую представил В. Кочергин на заседании 83-го годового съезда Южноафриканской ассоциации технологов сахарной промышленности 25-27 августа 2010 г. в городе Дурбан, ЮАР.

Согласно настоящему изобретению создано новое устройство для существенного уменьшения момента и/или скорости первой жидкости, которая втекает во вторую жидкость. Данное устройство позволяет существенно уменьшать или даже устранять крупномасштабные турбулентные вихри, которые могли бы в иных условиях создавать жидкость, протекающую внутрь или внутри резервуара. Настоящее изобретение использует простую конструкцию, повышает эффективность разделения и требует лишь короткие сроки выдерживания. Данное оборудование может создавать небольшое воздействие на окружающую среду. Настоящее изобретение является экономичным в применении, и его можно легко модернизировать на существующем оборудовании.

Направление потока испытывает существенные изменения несколько раз после того, как текучая среда выходит из впускной трубы или шланга. Имеющие соответствующие размеры и положения пластины и перегородки вызывают изменения направления потока. К тому моменту, когда текучая среда выходит из внутренней части устройства, очень низкими являются значения как скорости текучей среды, так и момента, и турбулентность почти или полностью устранена. В некоторых случаях авторы уменьшили скорость потока приблизительно в 50 раз. Новое устройство просто изготавливать, эксплуатировать и чистить.

Можно устанавливать одновременно несколько устройств в различных местах в пределах одного осветлителя и, таким образом, дополнительно увеличивать эффективность. Несколько устройств предпочтительно распределять равномерно и их предпочтительно соединять с общим коллектором или впуском.

В одном варианте осуществления устройство включает две параллельные пластины, находящиеся на установленном расстоянии друг от друга, например, соединенные друг с другом посредством распорок. Первая жидкость поступает по трубе или шлангу через отверстие в первой пластине (обычно это верхняя пластина) и ударяет по второй пластине (это отклоняющая пластина, обычно нижняя пластина). Первая и вторая пластины имеют приблизительно одинаковую площадь, и эта площадь существенно превышает поперечное сечение впуска в первой пластине, через который первоначально втекает первая жидкость. Вторая (отклоняющая) пластина отклоняет направление потока первой жидкости приблизительно на 90 градусов. Вторая (отклоняющая) пластина также меняет поток от более или менее линейного, где вся первая жидкость движется приблизительно в одном направлении, на радиальный поток наружу, более или менее перпендикулярный направлению исходного потока и более или менее параллельный во всех направлениях второй пластине.

Рядом установлены предпочтительно прикрепленные ко второй пластине, по меньшей мере, четыре отклоняющие перегородки, каждая из которых расположена более или менее перпендикулярно второй пластине, более или менее параллельно направлению исходного потока и более или менее перпендикулярно местному направлению радиального потока наружу, вызванного второй пластиной. Перегородки могут быть расположены в различных конфигурациях, например в квадратной, шестиугольной или обычно в круглой конфигурации. Перегородки дополнительно отклоняют направленный наружу радиальный поток в направлении от приблизительно 90 градусов до приблизительно 180 градусов (Предпочтительно наличие промежутков между соседними перегородками, поскольку указанные промежутки способствуют подавлению вихреобразования.) Совместный эффект второй (отклоняющей) пластины и перегородок рассеивает значительную часть энергии потока в пространстве между двумя параллельными пластинами. Турбулентные вихри существенно уменьшаются или даже исчезают. Скорость и момент движения текучей среды значительно уменьшаются, в 40, 50 раз или даже больше. Устройство способствует введению текучей среды во вторую жидкость в резервуаре в нетурбулентном режиме при существенно повышенных скоростях, чем было бы возможно в иных условиях (Первая и вторая жидкости могут быть одинаковыми или различными).

Одним применением нового устройства является его установка в осветлителе для отделения суспендированных твердых частиц от жидкости. Осветлители используют, например, в водоочистительных установках и для переработки сока сахарного тростника или сока сахарной свеклы. При использовании нового устройства для уменьшения турбулентности время выдерживания сока сахарного тростника в осветлителях промышленного масштаба может быть сокращено до 30 минут, что существенно ускоряет переработку по сравнению с возможностями предшествующих конструкций. В одном резервуаре можно необязательно установить множество впусков текучей среды, каждый из которых оборудован отдельным устройством для уменьшения турбулентности в соответствии с настоящим изобретением.

Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создано устройство для уменьшения турбулентности, вызванной потоком первой жидкости из трубы или шланга во вторую жидкость внутри резервуара; причем устройство выполнено с возможностью погружения во вторую жидкость; первая и вторая жидкости могут быть одинаковыми или различными; при этом указанное устройство содержит:

первую и вторую жесткие пластины, причем первая и вторая пластины имеют приблизительно одинаковые размеры и форму, за исключением того что первая пластина имеет центральное отверстие, через которое может проходить труба или шланг, так что трубу или шланг устанавливают для вывода первой жидкости в пространство между первой и второй пластинами;

одну или более распорок, каждая из которых прикреплена как к первой пластине, так и ко второй пластине, причем распорки удерживают первую и вторую пластину в неподвижном положении друг относительно друга и параллельно друг другу; и,

по меньшей мере, четыре перегородки, жестко прикрепленные ко второй пластине; причем перегородки расположены симметрично относительно оси, которая проходит через центр отверстия в первой пластине и которая также перпендикулярна обеим указанным пластинам; и имеются пространства между соседними перегородками, что позволяет некоторому количеству жидкости проходить между соседними перегородками;

при этом вторая пластина выполнена с возможностью отклонения потока первой жидкости приблизительно на 90 градусов, превращая приблизительно линейный поток, который является приблизительно параллельным оси, в радиальный направленный наружу поток, который является приблизительно параллельным второй пластине; и перегородки дополнительно выполнены с возможностью: рассеивания энергии потока первой жидкости, предотвращения турбулентности на границе раздела между первой и второй жидкостями и предотвращения образования вихрей.

Предпочтительно, расстояние между противоположными указанными перегородками превышает диаметр центрального отверстия в первой пластине.

Предпочтительно, имеется четыре перегородки, которые расположены в квадратной конфигурации с пространствами между перегородками в каждом из углов квадрата.

Предпочтительно, устройство дополнительно включает в себя, по меньшей мере, четыре дополнительные перегородки, жестко прикрепленные к первой пластине; причем дополнительные перегородки расположены симметрично относительно оси; и имеются пространства между соседними дополнительными перегородками, что позволяет некоторому количеству жидкости проходить между соседними дополнительными перегородками; при этом в процессе использования дополнительные перегородки предназначены для дополнительного рассеивания энергии потока первой жидкости.

Предпочтительно, высота дополнительных перегородок составляет от 10% до 60% расстояния между первой и второй пластинами.

Предпочтительно, высота перегородок составляет от 10% до 60% расстояния между первой и второй пластинами.

Предпочтительно, первая и вторая пластины имеют форму круга, квадрата или квадрата с усеченными углами.

Предпочтительно, устройство дополнительно включает в себя трубу или шланг, которые проходят через центральное отверстие в первой пластине и предназначены для слива первой жидкости в пространство между первой и второй пластинами, причем место слива расположено ближе к первой пластине, чем ко второй пластине.

Предпочтительно, устройство дополнительно включает краевую перегородку по периметру первой пластины и/или второй пластины; причем высота краевой перегородки составляет 20% или менее расстояния между первой и второй пластинами.

Согласно второму объекту изобретения создан осветлитель для осаждения или отделения суспендированных твердых частиц от жидкости, содержащий резервуар, в котором установлено множество вышеописанных устройств для уменьшения турбулентности, предварительный распределитель и трубу или шланг для соединения каждого устройства с предварительным распределителем, предназначенным для равномерного распределения первой жидкости в каждое устройство для уменьшения турбулентности.

Согласно третьему объекту изобретения создан способ введения первой жидкости во вторую жидкость, причем первая жидкость и вторая жидкость могут быть одинаковыми или различными; при этом способ включает введение первой жидкости через трубу или шланг в вышеописанное устройство, которое погружено во вторую жидкость внутри резервуара; причем первую жидкость вводят во вторую жидкость практически без турбулентности.

Предпочтительно, первая жидкость содержит суспендированные твердые частицы; а резервуар представляет собой осветлитель, предназначенный для обеспечения осаждения твердых частиц из суспензии и отделения твердых частиц от жидкостей.

Предпочтительно, устройство располагают на уровне от нижней пятой части до нижней половины второй жидкости в резервуаре.

Предпочтительно, устройство располагают выше уровня накопления твердых частиц на дне резервуара.

Предпочтительно, устройство располагают в пределах накопления твердых частиц на дне резервуара.

Предпочтительно, скорость потока первой жидкости через трубу или шланг является достаточно высокой, чтобы препятствовать закупориванию или покрытию отложениями трубы или шланга и/или чтобы препятствовать закупориванию или покрытию отложениями устройства.

Предпочтительно, способ дополнительно включает сбор осветленной жидкости из множества разделенных равными промежутками выпусков надосадочной жидкости, расположенных в верхней части резервуара.

Предпочтительно, первая жидкость представляет собой сок сахарного тростника, вторая жидкость представляет собой осветленный или частично осветленный сок сахарного тростника, твердые частицы представляют собой грязь, песок или ил, которые ранее прилипли к собранному сахарному тростнику; причем способ применяют для отделения или существенного снижения содержания грязи, песка или ила, суспендированных в соке.

Предпочтительно, первая жидкость представляет собой сок сахарной свеклы, вторая жидкость представляет собой осветленный или частично осветленный сок сахарной свеклы, твердые частицы представляют собой грязь, песок или ил, которые ранее прилипли к собранной сахарной свекле; причем способ применяют для отделения или существенного снижения содержания грязи, песка или ила, суспендированных в соке.

Чертеж, прилагаемый к данному описанию, схематически иллюстрирует прототипный вариант осуществления настоящего изобретения, со ссылкой на который далее будут описаны способы осуществления настоящего изобретения.

Пример 1

Чертеж схематично представляет прототипный вариант осуществления настоящего изобретения, который был успешно изготовлен и испытан. Данный вариант осуществления включал две параллельные горизонтальные пластины 1 и 2 с питающей трубой 3, выходящей вертикально и перпендикулярно через отверстие в верхней пластине 1. Степень турбулентности существенно уменьшалась, поскольку нижняя пластина 2 изменяла направление потока и рассеивала энергию ударяющей струи жидкости. Перегородки 4 дополнительно отклоняли движение текучей среды, продолжая рассеивать энергию. Распорки 5 удерживали пластины 1 и 2 в неподвижном положении друг относительно друга. Распорки 5 могут также в зависимости от своей конфигурации вторично рассеивать дополнительную энергию движения текучей среды, хотя эти эффекты обычно являются минимальными, поскольку значительная часть энергии уже рассеялась, прежде чем поток жидкости достигает распорок.

В качестве альтернативы, питающую трубу можно расположить горизонтально, параллельно горизонтальным пластинам, например, если доступное пространство в процессе модернизации не допускает вертикального входа. Впускная труба должна иметь отверстие, соответствующее отверстию в верхней пластине устройства. Например, участок направляющей трубы, приваренный к впуску, может направлять поток струи, чтобы он входил в пространство между пластинами в направлении, перпендикулярном нижней пластине.

В прототипном варианте осуществления расстояние Η между параллельными первой и второй пластинами составляло 8 дюймов (20 см). Длина L двух пластин составляла 12 дюймов (30 см). Расстояние D между противоположными перегородками составляло 5 дюймов (13 см). Жидкость поступала по трубе, которая проходила через круглое отверстие в центре первой пластины. Отклоняющие перегородки были прикреплены ко второй пластине. Высота отклоняющих перегородок h составляла 1,5 дюйма (4 см). Отклоняющие перегородки были установлены в более или менее квадратной конфигурации с пространствами между соседними перегородками. Диаметр впускной трубы d составлял 3 дюйма (8 см). Измеренные скорости потока составляли от 0 до приблизительно 110 галлонов в минуту (25 м³/ч).

Пример 2

Испытание прототипного варианта осуществления примера 1 с использованием красителя в воде подтвердило нетурбулентное рассеивание поступающей в резервуар жидкости и доказало, в частности, что турбулентность уменьшается в весьма существенной степени по сравнению с наблюдаемой в традиционном потоке из одной трубы в резервуар без применения какого-либо устройства для уменьшения турбулентности. Воду с красителем прокачивали через шланг диаметром 8 см со скоростью 23 м³/ч в резервуар объемом около 1 м³, содержащий воду без красителя. Испытание повторяли с присоединением к концу шланга прототипного устройства и без него. Наблюдение полученной картины потока показало существенную турбулентность при использовании шланга без данного устройства. От этого резко отличалось почти полное отсутствие турбулентности, когда к шлангу присоединяли прототипное устройство. Поверхность воды оставалась спокойной, несмотря на вытекание жидкости со скоростью 23 м³/ч на глубине, составлявшей лишь приблизительно 40 см, ниже поверхности.

Новое устройство практически исключило горизонтальный компонент потока жидкости, который может в иных условиях вызывать большие турбулентные вихри. Новая конструкция заставила поток приблизиться к идеальному режиму, при котором отделение твердых частиц от жидкости определялось просто арифметической разностью между скоростью осаждения частиц и скоростью направленного вверх потока. Были практически устранены крупномасштабные вихри, которые могли бы препятствовать разделению и осветлению.

Пример 3

Новое устройство было успешно изготовлено и испытано для осаждения в промышленных условиях. Существующий осветлитель типа Гравера на сахарном заводе в штате Луизиана модернизировали, установив новые устройства для уменьшения турбулентности в соответствии с настоящим изобретением. Осветлитель имел диаметр 6 м и высоту 7,5 м, включая коническую нижнюю часть. Традиционные лотки были извлечены из осветлителя типа Гравера, и были установлены и тщательно выровнены сборные желоба для слива. Девять устройств для уменьшения турбулентности, каждое из которых было, в общем, аналогично устройству примера 1, располагали равномерно на высоте около 1,5 м над дном резервуара. Система труб предварительного распределителя разделяла поступающую жидкость равномерно между девятью устройствами для уменьшения турбулентности. Мутность надосадочной жидкости измеряли, используя турбидиметр фирмы Hach. Модернизированный осветлитель работал весь сезон переработки урожая, за исключением некоторых остановок на механические работы. Модернизированный осветлитель был одним из трех осветлителей, работающих параллельно для сравнения, причем два других представляли собой немодифицированные осветлители типа Дорра диаметром 10 м. Этот сезон переработки сахарного тростника отличался очень высоким содержанием ила (приблизительно 12-15%), что было обусловлено высоким уровнем осадков. Осветлитель типа Дорра пришлось один раз останавливать на несколько суток, что привело к дополнительной нагрузке на два оставшихся осветлителя. Модернизированный осветлитель работал намного выше ожидаемой производительности и давал сок низкой мутности даже при повышенных нагрузках. Затем модернизированный осветлитель останавливали приблизительно на 10 суток вследствие механических проблем, не связанных с конструкцией нового устройства для уменьшения турбулентности. Модернизированный осветлитель давал сок меньшей мутности, чем осветлитель типа Дорра (приблизительно на 20-25%), несмотря на лишь половинное время выдерживания. По сравнению с традиционным осветлителем типа Гравера мутность осветленного сока была также превосходной, даже при повышенном количестве жидкости. Измерения показали, что сразу же после разделения твердых частиц и жидкости высота, на которой жидкость собирали выше распределителей, оказывалась не особенно значительной при отсутствии турбулентных вихрей. Таким образом, вследствие отсутствия турбулентности высоту осветлителя можно уменьшить без уменьшения качества осветления, вероятно, приблизительно на 1,5 м. При уменьшении высоты осветлителя можно обеспечить дополнительное сокращение времени выдерживания, вероятно, приблизительно на 20-25% с соответствующим уменьшением стоимости. Сокращение времени выдерживания также способствует уменьшению бактериального загрязнения и позволяет уменьшить термическое разложение основных компонентов (например, сахара).

Возможные применения нового устройства включают любые типы процессов разделения твердых и жидких фаз, которые в иных условиях потребовали бы перехода от потока с высокой турбулентностью к практически ламинарному потоку. Примеры включают осветлители в производстве питьевой воды и очистке сточных вод, сахарной промышленности, горнодобывающей промышленности, разделении биомассы, системах биологической очистки и т.д.

Данное устройство можно использовать для уменьшения турбулентности в однофазном потоке или многофазном потоке. В однофазном потоке его можно использовать с различными устройствами для распределения жидкости, например, в ионообменных резервуарах, где желательно быстрое уменьшение турбулентности в объеме жидкости.

В двухфазном потоке (содержащем твердую и жидкую фазы) такое устройство, как осветлитель, при простом увеличении диаметра впускной трубы для уменьшения скорости выходящей из трубы жидкости, может вызывать нежелательное преждевременное разделение двух фаз и может привести к закупориванию или покрытию отложениями впускных труб. При использовании нового устройства можно сохранять относительно высокую скорость в питающей трубе, чтобы предотвратить преждевременное разделение твердой и жидкой фаз и последующее закупоривание. Данное устройство позволяет практически устранять турбулентность прежде, чем жидкость выходит из устройства.

Предпочтительные или необязательные характеристики устройств в соответствии с настоящим изобретением включают следующие:

- Расстояние D между противоположными отклоняющими перегородками, по меньшей мере, равно и предпочтительно превышает диаметр d впускного потока.

- Дополнительный комплект перегородок можно необязательно устанавливать на первой (верхней) пластине, чтобы перенаправлять поток обратно ко второй (нижней) пластине.

- Конфигурация первой и второй пластин может, например, быть круглой, квадратной, квадратной с усеченными углами или иметь другую симметричную форму.

- Высота отклоняющих перегородок на второй (нижней) пластине составляет предпочтительно от приблизительно 10% до приблизительно 60% расстояния между первой и второй пластинами.

- Высота необязательных отклоняющих перегородок на первой (верхней) пластине составляет предпочтительно от приблизительно 10% до приблизительно 60% расстояния между первой и второй пластинами.

- Отверстия между соседними отклоняющими перегородками являются предпочтительными, чтобы обеспечивать слив, препятствовать закупориванию и способствовать в предотвращении вихреобразования.

- Расстояние, на которое впускная труба выступает через первую пластину, должно составлять приблизительно 50% или менее расстояния между первой и второй пластинами. Хотя выпуск трубы можно необязательно скрывать первой пластиной, предпочтительно, чтобы выпуск трубы выходил в пространство между первой и второй пластинами.

- Необязательная краевая перегородка может быть дополнительно установлена по периметру первой (верхней) пластины и/или второй (нижней) пластины, чтобы дополнительно уменьшать турбулентность. Высота такой необязательной краевой перегородки не должна превышать приблизительно 20% расстояния между пластинами.

- Устройство для уменьшения турбулентности должно быть расположено на уровне от нижней пятой части до нижней половины, предпочтительно на уровне приблизительно нижней трети высоты жидкости в осветлителе, чтобы обеспечить пространство для образования и уплотнения осадка.

- В большинстве применений данное устройство должно быть расположено выше уровня осадка (ила) в резервуаре. Однако в некоторых применениях предпочтительно располагать устройство ниже уровня ила (например, в некоторых установках для очистки воды, хотя это не рекомендуется для осветления сока сахарного тростника). Последнее можно осуществлять без угрозы для качества надосадочной воды.

- Скорость текучей среды в питающих каналах должна оставаться достаточно высокой, чтобы сводить к минимуму возможное закупоривание и покрытие отложениями.

- Надосадочную жидкость следует собирать, используя ряд равномерно распределенных выпусков в верхней части осветлителя.

Оптимальные значения для нескольких параметров можно легко определять путем стандартного испытания, и обычно они представляют собой функции скорости впуска, диаметра впуска, вязкости жидкости, распределения частиц по размеру и плотности, а также определенной цели, для которой используют данное устройство.

Необязательные соединительные детали или распорки предпочтительно используют, чтобы параллельные пластины находились в более или менее постоянном положении друг относительно друга. Распорки могут представлять собой, например, плоские листы, круглые трубы, стержни или шпонки.

Первая и вторая пластины должны быть параллельными друг другу и могут иметь квадратную, круглую или другую форму, предпочтительно симметричную; ось впуска должна быть перпендикулярной параллельным пластинам и предпочтительно проходящей через центр их симметрии. Первую и вторую пластины предпочтительно располагать горизонтально, но они могут также находиться в других ориентациях.

В альтернативной конструкции впускные трубы расположены во фрактальном порядке, чтобы обеспечить гидравлически эквивалентные пути от общего коллектора. Фрактальная сеть распределения текучей среды внутри резервуара вводит текучую среду через ряд гидравлически однородных путей, где конечные точки путей распределены равномерно по поперечному сечению резервуара. Каждую конечную точку можно оборудовать новым устройством для уменьшения турбулентности согласно варианту осуществления. Данная конструкция обеспечивает уменьшение турбулентности в резервуаре путем сведения к минимуму момента струй жидкости на впуске в резервуар. Число и расположение конечных точек можно оптимизировать для конкретных применений; в варианте осуществления примера 3 использовали по одной конечной точке для подачи жидкости приблизительно на каждые 4 м² площади поперечного сечения осветлителя.

Claims (19)

1. Устройство для уменьшения турбулентности, вызванной потоком первой жидкости из трубы или шланга во вторую жидкость внутри резервуара, причем устройство выполнено с возможностью погружения во вторую жидкость, первая и вторая жидкости могут быть одинаковыми или различными, при этом указанное устройство содержит:
(a) первую и вторую жесткие пластины, причем первая и вторая пластины имеют приблизительно одинаковые размеры и форму, за исключением того что первая пластина имеет центральное отверстие, через которое может проходить труба или шланг, так что трубу или шланг устанавливают для вывода первой жидкости в пространство между первой и второй пластинами;
(b) одну или более распорок, каждая из которых прикреплена как к первой пластине, так и ко второй пластине, причем распорки удерживают первую и вторую пластину в неподвижном положении друг относительно друга и параллельно друг другу,
(c) по меньшей мере, четыре перегородки, жестко прикрепленные ко второй пластине, причем перегородки расположены симметрично относительно оси, которая проходит через центр отверстия в первой пластине и которая также перпендикулярна обеим указанным пластинам, и имеются пространства между соседними перегородками, что позволяет некоторому количеству жидкости проходить между соседними перегородками,
при этом вторая пластина выполнена с возможностью отклонения потока первой жидкости приблизительно на 90 градусов, превращая приблизительно линейный поток, который является приблизительно параллельным оси, в радиальный направленный наружу поток, который является приблизительно параллельным второй пластине; и перегородки дополнительно выполнены с возможностью: рассеивания энергии потока первой жидкости, предотвращения турбулентности на границе раздела между первой и второй жидкостями и предотвращения образования вихрей.

2. Устройство по п.1, в котором расстояние между противоположными указанными перегородками превышает диаметр центрального отверстия в первой пластине.

3. Устройство по п.1, в котором имеется четыре перегородки, которые расположены в квадратной конфигурации с пространствами между перегородками в каждом из углов квадрата.

4. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя, по меньшей мере, четыре дополнительные перегородки, жестко прикрепленные к первой пластине, причем дополнительные перегородки расположены симметрично относительно оси, и имеются пространства между соседними дополнительными перегородками, что позволяет некоторому количеству жидкости проходить между соседними дополнительными перегородками; при этом в процессе использования дополнительные перегородки предназначены для дополнительного рассеивания энергии потока первой жидкости.

5. Устройство по п.4, в котором высота дополнительных перегородок составляет от 10% до 60% расстояния между первой и второй пластинами.

6. Устройство по п.1, в котором высота перегородок составляет от 10% до 60% расстояния между первой и второй пластинами.

7. Устройство по п.1, в котором первая и вторая пластины имеют форму круга, квадрата или квадрата с усеченными углами.

8. Устройство по п.1, дополнительно включающее в себя трубу или шланг, которые проходят через центральное отверстие в первой пластине и предназначены для слива первой жидкости в пространство между первой и второй пластинами, причем место слива расположено ближе к первой пластине, чем ко второй пластине.

9. Устройство по п.1, дополнительно включающее краевую перегородку по периметру первой пластины и/или второй пластины, причем высота краевой перегородки составляет 20% или менее расстояния между первой и второй пластинами.

10. Осветлитель для осаждения или отделения суспендированных твердых частиц от жидкости, содержащий резервуар, в котором установлено множество устройств для уменьшения турбулентности по п.1, предварительный распределитель и трубу или шланг для соединения каждого устройства с предварительным распределителем, предназначенным для равномерного распределения первой жидкости в каждое устройство для уменьшения турбулентности.

11. Способ введения первой жидкости во вторую жидкость, причем первая жидкость и вторая жидкость могут быть одинаковыми или различными, при этом способ включает введение первой жидкости через трубу или шланг в устройство по п.1, которое погружено во вторую жидкость внутри резервуара, причем первую жидкость вводят во вторую жидкость практически без турбулентности.

12. Способ по п.11, при котором первая жидкость содержит суспендированные твердые частицы, а резервуар представляет собой осветлитель, предназначенный для обеспечения осаждения твердых частиц из суспензии и отделения твердых частиц от жидкостей.

13. Способ по п.12, при котором устройство располагают на уровне от нижней пятой части до нижней половины второй жидкости в резервуаре.

14. Способ по п.12, при котором устройство располагают выше уровня накопления твердых частиц на дне резервуара.

15. Способ по п.12, при котором устройство располагают в пределах накопления твердых частиц на дне резервуара.

16. Способ по п.12, при котором скорость потока первой жидкости через трубу или шланг является достаточно высокой, чтобы препятствовать закупориванию или покрытию отложениями трубы или шланга и/или чтобы препятствовать закупориванию или покрытию отложениями устройства.

17. Способ по п.12, дополнительно включающий сбор осветленной жидкости из множества разделенных равными промежутками выпусков надосадочной жидкости, расположенных в верхней части резервуара.

18. Способ по п.12, при котором первая жидкость представляет собой сок сахарного тростника, вторая жидкость представляет собой осветленный или частично осветленный сок сахарного тростника, твердые частицы представляют собой грязь, песок или ил, которые ранее прилипли к собранному сахарному тростнику, причем способ применяют для отделения или существенного снижения содержания грязи, песка или ила, суспендированных в соке.

19. Способ по п.12, в котором первая жидкость представляет собой сок сахарной свеклы, вторая жидкость представляет собой осветленный или частично осветленный сок сахарной свеклы, твердые частицы представляют собой грязь, песок или ил, которые ранее прилипли к собранной сахарной свекле, причем способ применяют для отделения или существенного снижения содержания грязи, песка или ила, суспендированных в соке.

Images