УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ

УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ


RU (11) 2299860 (13) C1

(51) МПК
C02F 1/467 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2005133620/15 
(22) Дата подачи заявки: 2005.10.31 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2005.10.31 
(45) Опубликовано: 2007.05.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2141453 C1, 20.11.1999. RU 2051115 C1, 27.12.1995. RU 2169120 C1, 20.06.2001. WO 93/20014 A1, 14.10.1993. EP 0377411 A2, 11.07.1990. 
(72) Автор(ы): Грин Дмитрий Викторович (RU); Куликов Олег Николаевич (RU); Половинкин Игорь Витальевич (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Грин Дмитрий Викторович (RU); Куликов Олег Николаевич (RU); Половинкин Игорь Витальевич (RU) 
Адрес для переписки: 454014, г.Челябинск, а/я 2862, пат. пов. Т.А. Крымской, рег.№631 

(54) УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ
Изобретение относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки воды, и может быть использовано в процессах очистки воды, ее обеззараживания, вплоть до получения питьевой воды. Установка содержит последовательно связанные между собой фильтр грубой очистки, линию подвода обрабатываемой воды, устройство поддержания давления воды в системе, реактор, устройство дегазации, фильтр-отстойник, датчик расхода и устройство управления. В установку входят также накопитель отходов, связанный с выходом фильтра-отстойника, источник питания, соединенный со вторым входом устройства управления, третий вход которого подключен ко второму выходу датчика давления, второй выход устройства управления связан с входом реактора, а третий его выход подключен ко второму входу фильтра-отстойника. Фильтр-отстойник выполнен из нескольких расположенных в параллельных плоскостях, наклоненных под углом к горизонтали, последовательно соединенных между собой трубчатых змеевиков, диаметр труб которых различен в разных плоскостях и увеличивается от нижней плоскости к верхней, и имеющих в местах перехода змеевика одного диаметра в другой уплотнительные кольца. Технический эффект - повышение качества обработки воды при снижении энергозатрат и удешевлении конструкции. 5 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к области химической технологии, в частности к устройствам для электрохимической обработки воды, и может быть использовано в процессах очистки воды, ее обеззараживания, вплоть до получения питьевой воды.

Известно устройство для электрохимической обработки воды, описанное в одноименном п. РФ №2169120 по кл. C02F 1/46, 1/467, з. 27.09.2000, оп. 20.06.2001.

Известное устройство содержит последовательно соединенные между собой через промежуточную емкость первый и второй электрохимические реакторы с анодной и катодной камерами каждый. Все камеры имеют входы в нижней и выходы в верхней частях, линию подачи воды, блок регулирования физико-химических свойств очищенной воды с установленным в нем двухпозиционным переключателем потоков воды, дополнительную линию подачи воды и другую линию отвода очищенной воды.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции.

Известна комплексная установка для очистки загрязненной воды, описанная в одноименном п. РФ №2051115 по кл. C02F 1/46, з. 09.10.92, оп. 27.12.95.

Известная установка содержит цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, отстойник в виде двух последовательно соединенных отсеков, один из которых - пакет мембранных элементов, и снабжен патрубком с регулирующим органом, накопитель с патрубками отвода осадка, электрокоагулятор с системой цилиндрических электродов, установленных коаксиально корпусу; внешний и внутренний цилиндрические электроды последовательно соединены между собой и подключены к отрицательному полюсу источника тока, а средний цилиндрический электрод и сменный стержневой электрод, размещенный коаксиально внутри полости внутреннего цилиндрического электрода, подключены к положительному источнику тока. Мембранный пакет выполнен в виде ультрафильтрационных элементов, стержневой электрод может быть выполнен из анодно-растворимого или анодно-нерастворимого материала, составным из участков с различной анодной растворимостью, составным из участков с разной толщиной.

Недостатком является сложность конструкции реактора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для электрохимической обработки воды, описанное в одноименном п. РФ №2141453 по кл. C02F 1/46, з. 30.06.95, оп. 20.11.99 и выбранное в качестве прототипа.

Известное устройство содержит линии подвода обрабатываемой воды и линии отвода обработанной воды, приспособление для дозирования в обрабатываемую воду раствора хлорида натрия, установленное на линии подвода воды и выполненное в виде водоструйного насоса, соединенного с емкостью солевого раствора, установленное на линии подвода после регулятора расхода и перед подачей раствора в реактор из четырех электрохимических ячеек, выполненных из вертикальных коаксиальных цилиндрического и стержневого электродов и ультрафильтрационной диафрагмы, разделяющей межэлектродное пространство на электродные камеры. Электродные камеры ячеек реактора соединены параллельно, а электрически - попарно соединены параллельно, а две пары - последовательно. Линия подвода обрабатываемой воды соединена с камерами цилиндрических электродов ячеек, линия отвода из них соединена со входами камер стержневых электродов ячеек, линия обработанной воды соединена с выходом камер стержневого электрода, и имеется приспособление для отвода части дегазированного раствора, установленное на линии отвода из камер цилиндрических электродов, а также емкость для накопления обработанной воды. Устройство содержит также блок управления, соединенный с источником питания, и датчик контроля производительности, совмещенный с регулятором расхода, датчик контроля уровня солевого раствора и датчик контроля уровня обработанной воды, размещенной в емкости для накопления обработанной воды, причем датчики соединены с блоком управления.

Недостатком известного устройства является то, что качество очищаемой воды недостаточно хорошее, поскольку, во-первых, очистка производится добавлением хлорида натрия, что изменяет химический состав воды, во-вторых, очистка производится без использования активного коагулянта и не происходит осаждения в осадок загрязняющих воду примесей. При этом установка является неэкономичной, т.к. использует большое количество очень дорогих электродов из титана с платиновым покрытием.

Задачей заявляемой установки является повышение качества обработки воды при снижении энергозатрат и удешевлении конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в установку для электрохимической очистки и обеззараживания воды, содержащую линию подвода обрабатываемой воды, связанную через насос с электрохимическим реактором, снабженным электродами, линию отвода из реактора обработанной воды с установленным на ней устройством дегазации, емкость для обработанной воды, устройство управления, соединенное с источником питания, систему контроля обрабатываемой воды, связанную с емкостью для обработанной воды и соединенную с устройством управления, согласно изобретению система контроля обрабатываемой воды содержит устройство для поддержания рабочего давления воды и датчик расхода, в установку введен дополнительно фильтр грубой очистки на входе линии подвода обрабатываемой воды, на выходе которой установлено устройство для поддержания рабочего давления воды, включающее в себя последовательно соединенные между собой насос с электродвигателем, гидроаккумулятор и датчик давления, и связанное с электрохимическим реактором, к выходу которого через устройство дегазации подсоединен фильтр-отстойник, соединенный одним выходом с накопителем отходов, а вторым выходом через последовательно соединенные датчик расхода воды и аварийный фильтр с емкостью для обработанной воды, при этом реактор содержит алюмо- или железосодержашие и угольные электроды, устройство управления включает в себя формирователь управляющих сигналов, состоящий из интегратора и двухуровневого порогового счетчика, подключенного одним выходом к индикатору состояния электродов и через коммутирующий элемент - к одному из входов первого выпрямителя, а входом - к выходу датчика расхода, соединенному также со входом интегратора, выход которого соединен со входом широтно-импульсного модулятора, включенного между выходом первого выпрямителя тока, связанного с источником питания, и первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка которого подключена ко второму выпрямителю тока, подключенному выходами к электродам реактора, при этом второй выход датчика давления соединен через второй коммутирующий элемент с обмоткой электродвигателя насоса, связанного с источником питания, а фильтр-отстойник выполнен из нескольких расположенных в параллельных плоскостях, наклоненных под углом к горизонтали, последовательно соединенных между собой трубчатых змеевиков, диаметр труб которых различен в разных плоскостях и увеличивается от нижней плоскости к верхней, и имеющих в местах перехода змеевика труб одного диаметра в другой уплотнительные кольца в каждой из плоскостей, причем ввод для воды в фильтр расположен в нижнем змеевике, а вывод для воды из фильтра - в верхнем змеевике и соединен с датчиком расхода, уплотнительные кольца имеют форму конуса, обращенного вершиной к верхнему змеевику, соединены между собой по вертикали и связаны со стороны вершины конуса с блоком управления, а со стороны основания конуса механически соединены через шток с накопителем отходов, при этом шток через электромагнитный клапан соединен со вторым выходом двухуровневого порогового счетчика, а трубы змеевиков фильтра-отстойника изнутри облицованы фторопластом и имеют в нижней их донной части по всей длине длинноворсовые вкладыши из фторопласта.

Выполнение системы контроля обрабатываемой воды из устройства поддержания давления воды в системе на входе в реактор и датчика расхода на выходе обработанной воды позволяет соответственно контролировать напор воды на входе в установку для очистки и объем очищенной воды на выходе установки и в соответствии с этим с помощью предлагаемой функциональной схемы устройства управления изменять в зависимости от объема обрабатываемой воды подаваемый на электроды реактора ток, уменьшая или увеличивая при необходимости расход электроэнергии и снижая тем самым износ электродов реактора. Выполнение электродов реактора алюмо- или железосодержащими и из углерода удешевляет конструкцию.

Наличие фильтра грубой очистки на входе линии подвода обрабатываемой воды обеспечивает грубую очистку ее еще до подачи на реактор, выполнение электродов из алюмо- или железосодержащих металлов позволяет получить коагуляционный эффект выпадения неорганических примесей в осадок в виде хлопьев при электрохимической очистке, а использование в реакторе угольных электродов обеспечивает флотирование органических примесей пузырьками выделяющегося при электрохимической реакции газа, что в совокупности с выполнением фильтра-отстойника в виде расположенного в нескольких параллельных наклонных плоскостях змеевика с увеличивающимся от входа к выходу диаметром трубы, облицованной изнутри фторопластом и имеющей в нижней части длинноворсовые вкладыши, обеспечивающим более высокую скорость потока воды на входе и ее уменьшение к выходу и оседание более крупных частиц грязи в узких трубах, а далее при меньшей скорости в более широких участках змеевика - более мелких частиц на фторопластовых «реснитчатых» вкладышах и возможность периодического сброса накопившихся осадков через уплотнительные кольца с помощью штока в накопитель отходов по сигналу с устройства управления, обеспечивает в совокупности более высокую степень очистки. Этому же способствует наличие аварийного фильтра на входе емкости с обработанной водой, предупреждающего прохождение неочищенной воды в емкость для обработанной воды в случае непредвиденной остановки устройства или другого непредвиденного случая.

Наличие в устройстве управления двухуровневого порогового счетчика позволяет по одному из порогов расхода воды производить периодический сброс отходов из фильтра-отстойника при обработке определенного объема воды и улучшает качество обработки воды, а по второму порогу расхода обработанной воды дает возможность отключить установку для замены электродов в реакторе при обработке установленного техническими условиями объема воды; наличие интегратора в совокупности со схемой изменения напряжения из выпрямителей, широтно-импульсного модулятора и трансформатора в зависимости от объема обрабатываемой воды позволяет изменять напряжение на электродах реактора, уменьшая их износ и снижая энергозатраты.

Технический результат - повышение качества обработки воды при снижении энергозатрат и удешевлении установки.

Заявляемая установка обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как наличие фильтра грубой очистки на входе линии подвода воды и устройства поддержания давления воды в системе на входе воды в реактор, выполнение электродов реактора из алюмо- или железосодержащих материалов и углерода, конструктивное выполнение фильтра-отстойника, построение функциональной схемы устройства управления и его связи с другими узлами схемы, а также наличие аварийного фильтра на входе в емкость с обработанной водой, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающими указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Заявляемая установка может найти широкое применение в технологии очистки воды в металлургии, химической промышленности, коммунальном хозяйстве и потому соответствует критерию «промышленная применимость».

Устройство для электрохимической обработки воды иллюстрируется чертежами, где представлены на:

- фиг.1 - функциональная схема установки для электрохимической очистки и обеззараживания воды;

- фиг.2 - функциональная схема устройства управления;

- фиг.3 - конструкция фильтра-отстойника;

- фиг.4 - выполнение трубы фильтра-отстойника;

- фиг.5 - диаграммы, иллюстрирующие работу устройства управления в части подачи напряжения на электроды реактора.

Установка для электрохимической очистки и обеззараживания воды (фиг.1) содержит последовательно связанные между собой фильтр 1 грубой очистки, линию 2 подвода обрабатываемой воды, устройство 3 поддержания давления воды в системе, включающее в себя последовательно соединенные между собой насос 4, гидроаккумулятор 5 и датчик 6 давления, реактор 7, устройство 8 дегазации, фильтр-отстойник 9, датчик 10 расхода, устройство 11 управления, соединенное выходом с насосом 4. В установку входят также накопитель 12 отходов, связанный с выходом фильтра-отстойника 9, источник 13 питания, соединенный со вторым входом устройства 11 управления, третий вход которого подключен ко второму выходу датчика 6 давления, второй выход устройства 11 связан с входом реактора 7, а третий его выход подключен ко второму входу фильтра-отстойника 9, при этом выход датчика 10 расхода соединен со входом аварийного фильтра 14, установленного на входе в емкость 15 для обработанной воды. Устройство 11 управления (фиг.2) включает в себя формирователь 16 управляющих сигналов из интегратора 17 и двухуровневого порогового счетчика 18, индикатор 19 состояния электродов, последовательно связанные между собой выпрямитель 20 тока, широтно-импульсный модулятор 21, трансформатор 22 и второй выпрямитель тока 23. При этом один выход порогового счетчика 18 соединен с индикатором 19 состояния электродов, а входы счетчика 18 и интегратора 17 соединены с выходом датчика 10 расхода, выход интегратора 17 соединен со входом широтно-импульсного модулятора 21, включенного между выходом первого выпрямителя 20 тока и первичной обмоткой трансформатора 22, вторичная обмотка которого подключена ко второму выпрямителю 23 тока, подключенного выходами к электродам реактора 7. Один из входов выпрямителя 20 соединен с одним из выходов источника 13 питания через коммутирующий элемент 24, связанный с выходом порогового счетчика 18, и одновременно через коммутирующий элемент 25 - с обмоткой 26 электродвигателя (не показан и не обозначен) насоса 4. Коммутирующие элементы 24 и 25 представляют собой, в частности, электромагнитные реле.

Фильтр-отстойник 9 (фиг.3, 4) выполнен из нескольких расположенных в параллельных плоскостях, наклоненных под углом к горизонтали, последовательно соединенных между собой трубчатых змеевиков 27, диаметр труб которых различен в разных плоскостях и увеличивается от нижней плоскости к верхней, и имеющих в местах перехода змеевика одного диаметра в другой уплотнительные кольца 28 в каждой из плоскостей, причем ввод для воды в фильтр 9 расположен в нижнем змеевике 27, а вывод для воды из фильтра 9 - в верхнем змеевике 27 и соединен с датчиком 10 расхода. Уплотнительные кольца 28 имеют форму конуса, обращенного вершиной к верхнему змеевику 27, соединены между собой по вертикали и связаны со стороны вершины конуса с устройством 11 управления, а со стороны основания конуса механически соединены через шток 29 с накопителем 12 отходов, при этом трубы змеевиков 27 фильтра-отстойника 9 изнутри облицованы фторопластом и имеют в нижней их донной части по всей длине длинноворсовые («реснитчатые») вкладыши 30 из фторопласта. Шток 29 фильтра-отстойника 9 соединен со вторым выходом двухуровневого порогового счетчика 18 через электромагнитный клапан 31.

В целом установка для электрохимической очистки и обеззараживания работает следующим образом.

Из источника воды насос 4 через фильтр 1 грубой очистки и линию 2 подвода воды и через устройство 3 поддержания давления воды в системе воды начинает подавать на реактор 7 воду для очистки. В реакторе 7 при подаче напряжения с источника 13 питания происходит электрохимическая реакция растворения электродов и выделение газа, который отводится из реактора 7 через устройство 8 дегазации, представляющее собой клапан. При этом во время электрохимической реакции за счет выполнения электродов алюмо- или железосодержащими неорганические примеси коагулируют с частицами Al или Fe и выпадают в виде хлопьев. За счет наличия угольных электродов органические примеси флотируются выделившимися при реакции пузырьками газа, и из реактора 7 вода с примесями в ней в виде хлопьев и пузырьков поступает далее на фильтр-отстойник 9, причем подача воды в него производится снизу через специальную врезку 32 (фиг.4) в трубы змеевика 27 с наименьшим диаметром, где происходит осаждение частиц примесей на «реснитчатые» фторопластовые вкладыши 30 в днищах труб. По мере прохождения воды из труб 27 нижних змеевиков в трубы верхних змеевиков 27, имеющие больший диаметр, скорость воды снижается, и оставшиеся в ней частицы успевают опуститься на длинноворсовые («реснитчатые») вкладыши 30. При прохождении через фильтр-отстойник 9 объема воды порядка 1000 л с датчика 10 расхода поступает сигнал на двухуровневый пороговый счетчик 18 устройства 11 управления, и с одного из его выходов через электромагнитный клапан 31 на фильтр 9 поступает сигнал, по которому происходит сброс накопившихся в изгибах труб 27 змеевика отходов проталкиванием их через уплотнительные кольца 28 с помощью штока 29 в накопитель 12 отходов. В процессе работы с помощью насоса 4, гидроаккумулятора 5 и датчика 6 давления поддерживается рабочее давление в магистрали, а с помощью датчика 10 расхода учитывается объем воды, прошедшей через электроды реактора 7.

В процессе эксплуатации установки устройство 11 управления работает следующим образом. Устройство 3 поддерживает в линии необходимое давление воды порядка 2-3 атмосфер, включая или отключая с помощью коммутирующих элементов 24 и 25 обмотку электродвигателя насоса 4. С помощью интегратора 17 задается напряжение, необходимое для поддержания постоянным отношения силы тока к объему воды (I/V) и для обеспечения оптимального режима работы реактора 7, независимо от объема обработанной воды. В устройстве 11 управления с помощью последовательной цепочки из выпрямителя 20, широтно-импульсного модулятора 21, трансформатора 22 и второго выпрямителя 23 из условия постоянного отношения силы тока к объему воды производится при необходимости (при уменьшении объема обрабатываемой воды) уменьшение величины тока на электродах, что позволяет продлить срок их службы, уменьшая тем самым их износ и снижая потребление электроэнергии. Работа этой цепочки иллюстрируется диаграммой, представленной на фиг.5. Импульсные сигналы скважностью 2 с выхода датчика 10 расхода поступают на интегратор 17, где интегрируются, а затем поступают далее на широтно-импульсный модулятор 21, куда подается также выпрямленное напряжение с источника 13 питания и где осуществляется широтно-импульсная модуляция сигналов с постоянным периодом повторения. Сигналы с выхода ШИМ 21, модулированные в зависимости от объема обработанной воды, поступают на трансформатор 22, что приводит к изменению напряжения на выходе трансформатора 22, поступающего затем через выпрямитель 23 на электроды реактора 7.

При объеме прошедшей обработку воды порядка 1000 л по сигналу с одного выхода порогового счетчика 18 через электромагнитный клапан 31 с помощью штока 29 в фильтре-отстойнике 9 осуществляется сброс накопившихся в изгибах труб 27 отходов в накопитель 12 отходов. Объем прошедшей обработку воды индицируется на индикаторе 19. При достижении объема прошедшей обработку воды порядка 200 куб. м по сигналу с другого выхода двухуровневого счетчика 18 через коммутирующие элементы - электромагнитные реле 24 и 25 - происходит отключение источника 13 питания от всей системы и от насоса 4 для обеспечения возможности замены износившихся за период эксплуатации электродов.

В сравнении с прототипом заявляемое устройство для электрохимической обработки и обеззараживания воды обеспечивает более высокую степень очистки и является более экономичным.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Установка для электрохимической очистки и обеззараживания воды, содержащая линию подвода обрабатываемой воды, связанную через насос с электрохимическим реактором, снабженным электродами, линию отвода из реактора обработанной воды с установленным на ней устройством дегазации, емкость для обработанной воды, устройство управления, соединенное с источником питания, систему контроля обработанной воды, связанную с емкостью для обработанной воды и соединенную с устройством управления, отличающаяся тем, что система контроля обрабатываемой воды содержит устройство для поддержания рабочего давления воды и датчик расхода, в установку введен дополнительно фильтр грубой очистки на входе линии подвода обрабатываемой воды, на выходе которой установлено устройство для поддержания рабочего давления воды, включающее в себя последовательно соединенные между собой насос с электродвигателем, гидроаккумулятор и датчик давления, и связанное с электрохимическим реактором, к выходу которого через устройство дегазации подсоединен фильтр-отстойник, соединенный одним выходом с накопителем отходов, а вторым выходом через последовательно соединенные датчик расхода воды и аварийный фильтр с емкостью для обработанной воды, при этом реактор содержит алюмо- или железосодержащие и угольные электроды, устройство управления включает в себя формирователь управляющих сигналов, состоящий из интегратора и двухуровневого порогового счетчика, подключенного выходом к индикатору состояния электродов и через коммутирующий элемент - к одному из входов первого выпрямителя, а входом - к выходу датчика расхода, соединенному также со входом интегратора, выход которого соединен со входом широтно-импульсного модулятора, включенного между выходом первого выпрямителя тока, связанного с источником питания, и первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка которого подключена ко второму выпрямителю тока, подключенному выходами к электродам реактора, при этом выход датчика давления соединен через второй коммутирующий элемент с обмоткой электродвигателя насоса, связанного с источником питания, а фильтр-отстойник выполнен из нескольких расположенных в параллельных плоскостях, наклоненных под углом к горизонтали, последовательно соединенных между собой трубчатых змеевиков, диаметр труб которых различен в разных плоскостях и увеличивается от нижней плоскости к верхней, и имеющих в местах перехода труб змеевика одного диаметра в другой уплотнительные кольца в каждой из плоскостей, причем ввод для воды в фильтр расположен в нижнем змеевике, а вывод для воды из фильтра - в верхнем змеевике и соединен с датчиком расхода, уплотнительные кольца имеют форму конуса, обращенного вершиной к верхнему змеевику, соединены между собой по вертикали штоком, связанным со стороны вершины конуса через электромагнитный клапан со вторым выходом двухуровневого порогового счетчика устройства управления, а со стороны основания конуса механически соединены через шток с накопителем отходов, при этом трубы спиралей фильтра-отстойника изнутри облицованы фторопластом и имеют в нижней их донной части по всей длине длинноворсовые вкладыши из фторопласта.