Устройство для очистки жидкости

Сущность предлагаемого  изобретения: в непрерывном процессе работы устройства с производительностью  от 1 м3/час до 2500 м3 /час, при энергетических затратах, не превышающих 0,1 кВт/м 3, может быть достигнут следующий результат - интенсивное отделение из эмульсии (раствора) однокомпонентной жидкости (вода, нефть, различные масла, жидкий газ), очистка промышленных и бытовых сточных вод, обессоливание воды, получение питьевой воды, в том числе из источников с большим содержанием вредных для здоровья бактерий, очистка гальванических растворов с получением ценных элементов.

Предлагаемое изобретение  в составе принципиальной схемы  устройства, показанной на чертеже, состоит  из двух основных частей - механической и источника света.

Устройство для очистки  жидкости, на основе волновых преобразований энергии в вихревом потоке исходной жидкой среды, содержит: корпус - 1 с  внутренней цилиндрической поверхностью, имеющий щель - 2, связанной с патрубком - 3 подачи исходной жидкой среды в  распределительную емкость - 4. Для  осуществления вращения исходной жидкой среды в распределительной емкости - 4 щель - 2 выполнена по касательной  к окружности внутренней цилиндрической поверхности корпуса - 1. Внутри корпуса - 1 находится реакционная камера - 5 цилиндрической формы с входными щелями - 11 для подачи исходной жидкой среды из распределительной емкости - 4 в реакционную емкость - 17 и выходными отверстиями - 7 для отвода из устройства оставшейся после разделения исходной жидкой среды, массы жидкости вместе с примесями через накопительную емкость - 6 и выходной патрубок - 19. Для формирования в реакционной емкости - 17 стабильного вихревого потока с ламинарным режимом течения в его спиралях, исходная жидкая среда из распределительной емкости - 4 попадает одновременно через все щели - 11, равномерно расположенные по окружности реакционной камеры - 5, выполненные по касательной к внутренней окружности цилиндра реакционной камеры - 5 по ходу движения исходной жидкой среды в распределительной емкости - 4. В реакционной камере - 5 цилиндрической формы установлен частотно-волновой энергетический фильтр - 14 с элементом точной настройки - 8 резонансно-модулированного сигнала фильтра, согласованного с частотой вращения исходной жидкой среды и собственной частотой молекулы вещества однородной товарной жидкости, выделяемой из общей массы исходной жидкой среды. Частотно-волновой энергетический фильтр - 14 цилиндрической формы выполнен в виде вертикально натянутых с просветом струн, равномерно расположенных по окружности, или сетки с вертикальной основой, при этом условный цилиндр частотно-волнового энергетического фильтра - 14 разделяет реакционную камеру - 5 на две емкости: реакционная емкость - 17 с внешней стороны цилиндра, а внутри этого цилиндра - емкость товарной жидкости - 18, содержимое которой через отвод - 12 выводится из устройства. Верхняя часть такого образованного цилиндра жестко скреплена с крышкой - 13, а его основание со штангой - 16, установленной по вертикальной оси симметрии устройства с возможностью ее перемещения только в направлении этой оси. Штанга - 16 в своей нижней части имеет элемент точной настройки - 8 резонансно-модулируемого сигнала, достигающего необходимым натяжением струн частотно-волнового энергетического фильтра - 14. Контроль натяжения струн осуществляется с помощью элемента контроля - 9, размещенного на технологической стойке - 10. Корпус - 1 и реакционная камера - 5, жестко скрепленные с основанием - 20 и верхней крышкой - 13, образуют в межцилиндровом зазоре две емкости: распределительную емкость - 4 и под ней, через герметичную перегородку - 21, накопительную емкость - 6. Оптимизация модулированного сигнала частотно-волнового энергетического фильтра осуществляется с помощью элемента точной настройки - 8 и регулятора - 23 режима вихревого движения исходной жидкой среды в реакционной емкости - 17. Стабилизация требуемых выходных параметров товарной жидкости, при выделении ее из общей массы исходной жидкой среды, достигается регуляторами - 22 сбалансированного вывода из устройства товарной жидкости и остальной массы жидкости, оставшейся после разделения. С целью обеспечения надежной и бесшумной работы устройства предусмотрены как магистральные гасители колебаний (ПС), так и ГК под технологической стойкой - 10.

Предлагаемое устройство для очистки жидкости в составе  вышеперечисленных элементов, представляющих его механическую часть, может использоваться для очистки взрывопожароопасных  жидкостей, таких как нефть, масла, природный газ. Кроме этого способно очищать промышленные и бытовые  сточные воды, а также использоваться для обессоливания воды.

С целью получения высокого качества однородной товарной жидкости, например питьевой воды из любых природных  источников или скважин, в том  числе и содержащих вредные для  здоровья вещества и бактерии, устройство содержит источник излучения света - 15, установленный с зазором на штанге - 16 с высокой отражательной  способностью ее цилиндрической поверхности. Источник света -15, например люминесцентная энергосберегающая лампа импульсного  действия с частотой излучения световой энергии, согласованной с частотой вращения вихревого потока исходной жидкости. Источник света - 15 представляет собой две трубки, например, из прозрачного для световых волн лейкосапфира, соединенные по коаксиальному типу «труба в трубе», межтрубное пространство которых заполнено светящимся газом. Эффективность использования световой энергии зависит от взаимного расположения и размеров составляющих элементов реакционной камеры и элементов, окружающих ее, находящихся в объеме, ограниченном корпусом - 1, основанием - 20 и крышкой - 13, при условии высокой отражательной способности всех поверхностей, как образующих этого объема, так и содержащихся в нем элементов.

Теоретическое обоснование  предлагаемого устройства для очистки  жидкости заключается в следующем. При поглощении молекулами вещества дополнительной энергии происходят довольно сложные процессы. Согласно волновой механике в атомных явлениях любые частицы (электроны, атомы, молекулы) ведут себя как волны. Сообщая  энергию молекуле вещества, переводим  ее из нормального (низшего) состояния  в одно из высших энергетических состояний - возбужденное состояние. В возбужденном состоянии молекула движется по орбите как некоторая волна. Причем любой  произвольной точке на орбите соответствует определенная фаза колебания, связанная с волной. Волновое движение молекул в органическом пространстве сводится, как и в других волновых явлениях, к образованию стоячих волн. В данном случае такое явление играет существенную роль. Другой важный фактор, используемый в изобретении, состоит в том, что при поглощении молекулами жидкого вещества дополнительной энергии происходит уменьшение ее удельной массовой плотности. Как известно молекула жидкости обладает гидратной оболочкой, радиус которой в возбужденном состоянии увеличивается. Под действием центробежной силы вихревого потока молекулы исходной жидкой среды начнут перераспределяться по радиусу вращения вихревого потока пропорционально их удельной массовой плотности, при этом вещества с большей удельной массой будут устремляться к цилиндрической стенке реакционной камеры, вытесняя собой более легкие жидкости к цилиндрической стенке частотно-волнового энергетического фильтра. С учетом сил трения по закону Стокса, действующих на молекулы, скорость перераспределения этих молекул весьма мала для организации непрерывного производства, и тем более если из эмульсии требуется выделить жидкость не самой легкой фракции. На увеличение скорости распределения примесей помимо центробежной силы также влияет следующий фактор. При движении жидкой среды в вихре в его центре происходит торможение потока о стенки цилиндра частотно-волнового энергетического фильтра. Давление в этой зоне (пограничный слой) в результате этого возрастает (по закону Бернулли). Наблюдается значительный перепад давления между центральной зоной и переферийной. Частицы будут стремиться попасть в область пониженного давления, т.е. к периферийной зоне. При согласовании круговой частоты вихря с частотой собственных колебаний молекул однородной товарной жидкости возникают явления, близкие к резонансным, а при настройке частотно-волнового энергетического фильтра в резонансный режим с круговой частотой вихревого потока возбужденные молекулы, попадая в резонанс колебания системы (жидкой среды реакционной емкости), легко преодолевают сопротивление жидкой среды и за доли секунды (˜0,03 с) устремляются к источнику генерирования гидроакустических волн, в данном случае к цилиндрической поверхности частотно-волнового энергетического фильтра. Если работа производится с прозрачными жидкостями, например получение питьевой воды из любых природных источников, то дополнительно, в установившемся режиме работы устройства, приведенном выше, включается в работу источник света. Сущность использования световой энергии в предлагаемом устройстве рассмотрим ниже. Учитывая способность света вызывать переход частиц в возбужденное состояние, следует заметить, что не всякий квант сообщает свою энергию отдельному электрону. Значительная часть энергии будет распределена между атомами вещества и поведет лишь к его нагреванию. Известно, что для каждого вещества существует предельная длина волны света, способная перевести его в одно из высших энергетических состояний. Если падающий свет имеет длины волны больше предельной, то такой эффект не возникает. Таким образом, регулируя длину волны светового излучения, можно отделять вполне определенные жидкости из растворов. Взаимосвязь импульсно-периодического режима работы источника света в согласовании с круговой частотой вращения вихря и наличие отражающего покрытия внутренней поверхности повышают эффективность устройства следующим образом. Фотоны света, направление распространения которых перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины энергии, значительно усиливающиеся в среде вследствие многократного отражения. Такая обратная связь в совокупности с импульсно-периодическим режимом при согласовании с частотой световой волны позволяет выделять большой импульс излучения. Полная энергия этого импульса остается приблизительно на том же уровне, но вследствие сокращения в десятки или сотни раз длительности импульса также в десятки и сотни раз возрастает мощность излучения. При модулировании резонансного явления, согласованного с круговой частотой вращения вихря происходит максимальное усиление активной среды равномерно по всему объему жидкости. Такой режим ускоряет течение процессов, описанных выше. Интенсивное выделение необходимой жидкости при минимальных энергозатратах обеспечивается в результате совокупности следующих явлений. Воздействуя на исходную жидкую среду (раствор, эмульсия) путем энергии гидроакустических волн, световой энергии с учетом центробежной силы и перепада давления вихревого потока при согласованных частотах элементов воздействия и вихревого потока с частотой собственных колебаний молекул выделяемой жидкости значительно увеличивается скорость извлечения ее из общей массы исходной жидкой среды, что, в свою очередь, позволяет организовать непрерывный процесс очистки жидкости с высокой производительностью устройства.

Устройство работает следующим  образом. Исходная жидкая среда через  входной патрубок - 3 и щель - 2 подается, например, с помощью насоса, в  распределительную емкость - 4, где  под действием перепада давления закручивается, т.е. приобретает центробежное движение. Далее из распределительной емкости - 4 исходная жидкая среда через щели - 11, равномерно расположенные по окружности реакционной камеры - 5, поступает в реакционную емкость - 17 в виде вихревого потока, где, закручиваясь в спирали, соприкасается с вертикально натянутыми струнами условного цилиндра частотно-волнового энергетического фильтра - 14, вызывая тем самым колебания этих струн с частотой, равной круговой частоте движения вихревого потока вблизи стенки условного цилиндра. В этом случае частотно-волновой энергетический фильтр - 14, обладающий частотой собственных колебаний, может работать в режиме автоколебаний или резонансном режиме с частотой, равной круговой частоте вихревого потока. В свою очередь круговая частота вихревого потока равна частоте собственных колебаний молекулы однородной товарной жидкости, выделяемой из общей массы исходной жидкой среды. Таким образом, частота собственных колебаний молекулы выделяемой однородной жидкости изначально является определяющей для выбора режима вихревого потока. В установившемся режиме работы устройства, под действием гармонически изменяющихся возмущающих сил с круговой частотой вихревого потока, частотно-волновой энергетический фильтр - 14, установленный соосно внутри реакционной камеры - 5, генерирует в реакционной емкости - 17 гидроакустические поперечные круговые волны с частотой, равной частоте собственных колебаний молекулы однородной товарной жидкости, и энергией, пропорциональной амплитуде колебаний струн, работающих, в свою очередь, в условиях гидроакустического резонанса, т.е. в унисон. Под действием модулированного резонансного явления при согласовании частоты гидроакустических поперечных круговых волн, распространяемых на весь объем исходной жидкой среды в реакционной емкости, с частотой собственных колебаний молекулы однородной товарной жидкости, все частицы этой однородной товарной жидкости, находящиеся в объеме реакционной емкости - 17, не испытывая сопротивления среды, устремляются к источнику излучения этих волн, свободно проникая через стенку условного цилиндра частотно-волнового энергетического фильтра - 14, попадают в емкость - 18 товарной жидкости, откуда через отвод - 12 товарная жидкость выводится из устройства. Одновременно оставшаяся часть жидкости, не содержащая частиц товарной жидкости, из реакционной емкости - 17 через отверстия - 7 направляется в накопительную емкость - 6, откуда через выходной патрубок - 19 также выводится из устройства. Выделение товарной жидкости из общей массы исходной жидкой среды идет в условиях непрерывной работы устройства, при этом стабильность требуемых параметров товарной жидкости во многом зависит от надежности работы частотно-волнового энергетического фильтра - 14 и стабильных характеристик вихревого ламинарного потока в реакционной емкости - 17. Вихревое ламинарное движение жидкости, состоящее из нескольких одинаковых по своим характеристикам спиралей с относительной фазой между ними, равной 2   /n, где n - количество спиралей, отличается от просто центробежного движения жидкости тем, что линейная скорость движения жидкости в спирали остается постоянной, а угловая скорость (круговая частота), по мере расширения вихря от внутренней цилиндрической поверхности реакционной камеры - 5 к цилиндрической поверхности частотно-волнового энергетического фильтра - 14, увеличивается. Такой вихревой ламинарный поток, обладающий жесткими характеристиками, позволяет установить необходимый режим его течения с круговой частотой, равной частоте собственных колебаний молекул однородной товарной жидкости в момент его касания условно образованной цилиндрической стенки частотно-волнового энергетического фильтра - 14, а также определить закон изменения возмущающих сил, действующих на струны частотно-волнового энергетического фильтра. Кроме этого стабильность параметров вихревого движения позволяет реализовать наилучшую форму колебаний струн, а именно по первому тону, и в унисон с реализацией гидроакустического резонанса. Под гидроакустическим резонансом здесь следует понимать следующее явление, относящееся непосредственно к частотно-волновому энергетическому фильтру, и, в частности, если частота собственных колебаний двух рядом стоящих с просветом струн, помещенных в жидкую среду, одинакова и одна из этих струн приведена в колебание, то начнет колебаться и другая струна в унисон с первой. В этом случае частотно-волновой энергетический фильтр работает как полосовой фильтр с общей формой колебания в виде выпуклого и вогнутого параболоида. Благодаря такой форме колебаний частотно-волновой энергетический фильтр - 14, наряду с выполнением своих прямых функций, дополнительно работает как насос, при этом выпуклому параболоиду соответствует всасывание, а при вогнутой его форме идет подача, при этом пограничный слой с высоким давлением вокруг условного цилиндра частотно-волнового энергетического фильтра препятствует обратному перетеканию товарной жидкости в реакционную емкость.

Изложенный выше материал относится к работе только первой части предлагаемого устройства для очистки жидкости, в частности  механической. Тем не менее, на основании  этих данных можно сделать заключение, что устройство в составе частотно-волнового  энергетического фильтра может  быть выполнено без источника  света и электропотребляющих элементов. В чисто механическом исполнении может использоваться для очистки взрывопожароопасных жидких веществ, например нефти, а также для очистки промышленных и бытовых сточных вод. Достоинства такого устройства можно показать на примере очистки нефти из диэмульгированной эмульсии нефти обводненностью 95% с содержанием парафина, смол, солей и механических примесей при удельной массе однородной нефти - 0,87 г/см 3. Наличие в эмульсии нефти диэмульгатора усложняет решение задачи получения товарной нефти тем, что шарики соленой воды с примесями находятся внутри оболочки самой нефти. Решение этой проблемы в настоящее время добиваются большими энергетическими затратами с длительными по времени технологическими процессами. Предлагаемое устройство очистки жидкости с этой задачей легко справится. Так, при равенстве частоты собственных колебаний молекулы однородной нефти, содержащейся в эмульсии нефти, круговой частоте вихревого движения эмульсии нефти и частоте собственных колебаний частотно-волнового энергетического фильтра на верхнем отводе - 12 механической модели будет вытекать товарная нефть, а на нижнем выходном патрубке - 19 - вода со всеми примесями исходной эмульсии нефти, но не содержащей нефти. О высокой эффективности работы частотно-волнового энергетического фильтра показателен пример, когда из этой же диэмульгированной эмульсии нефти при перестройке устройства на частоту собственных колебаний молекулы воды на отводе - 12 получается чистая вода без запаха. Последний пример отражает только эффективность работы частотно-волнового энергетического фильтра. Питьевую воду, в случае эмульсии нефти, целесообразнее получать после выделения из нее товарной нефти, а оставшуюся в конце жидкость с высокой удельной массовой плотностью можно использовать снова для закачки в нефтяную скважину. Надежное получение питьевой воды из воды любых природных источников, содержащих вредные для здоровья бактерии, возможно с помощью предлагаемого устройства, показанного на чертеже, когда частотно-волновой энергетический фильтр - 14 работает вместе с источником света - 15. Источник света - 15 включается в работу после полной резонансной настройки механической части устройства на частоту собственных колебаний молекулы воды, при этом частота импусьсов источника света - 15 должна соответствовать круговой частоте вихревого движения в реакционной емкости - 17. С подключением в работу источника света - 15, за счет индуцированной накачки, энергетическое состояние всего объема реакционной камеры - 5 значительно увеличивается и одновременно, работая на частоте собственных колебаний молекулы воды, увеличивает значение энергии, идущей на возбуждение этой молекулы. В этом случае, с учетом частотного воздействия гидроакустической волны, решается проблема подавления содержащихся в исходной воде вредных для здоровья фауны и флоры, которые, к тому же, благодаря частотно-волновому энергетическиму фильтру - 14, в емкость товарной жидкости - 18 (в данном случае питьевой воды) не смогут проникнуть.

Пример одного из возможных  вариантов практического использования  предлагаемого устройства для очистки  жидкости, в частности получения  питьевой воды из морской воды, с  достаточной для света прозрачностью  и содержащей вредные для здоровья флору и фауну. В этом случае используется устройство в полном составе механической части и источника света. Устройство содержит корпус со щелью, связанной  с патрубком подачи морской воды в распределительную емкость. Внутри корпуса находится реакционная  камера со щелями подачи морской воды из распределительной емкости в  реакционную емкость. В реакционной  камере коаксиально установлен частотно-волновой энергетический фильтр. Частотно-волновой энергетический фильтр цилиндрической формы выполнен в виде вертикально натянутых с просветом струн, при этом разделяет реакционную камеру на две емкости: реакционная емкость с морской водой - с внешней стороны цилиндра, а внутри цилиндра - питьевая вода, которая через отвод выводится из устройства. Оставшаяся после опреснения морская вода из реакционной емкости попадает в накопительную емкость, откуда через патрубок также выводится из устройства. По главной оси реакционной камеры имеется штанга с элементом точной настройки модулированного сигнала частотно-волнового энергетического фильтра. Реакционная камера и элементы ее содержащие, изготовленные, например, из нержавеющей стали, пригодной для пищевых продуктов, выполнены с высокой отражательной (зеркальной) способностью. На штанге с зазором установлена лампа световой энергии, представляющая собой коаксиально соединенные две трубки из прозрачного для световых волн, например, лейкосапфира. В итоге, устройство имеет следующие характеристики. Габаритные размеры (без отвода и патрубков): диаметр максимальный - 0,45 м, высота - 0,63 м. Масса устройства в целом с учетом отвода и патрубков - 54 кг. Производительность по морской воде: минимальная - 15,7 м3/час, максимальная - 251 м3/час. Объем получаемой питьевой воды на выходе из устройства составляет 0,85V, где V - объем морской воды. Мощность насоса для подачи морской воды в устройство: при минимальной производительности - 0,61 кВт, при максимальной прозводительности - 9,78 кВт. Лампа световой энергии: мощность - 0,75 кВт, частота излучения световой энергии - 330 Гц. Удельные энергетические затраты получения питьевой воды из морской: при минимальной производительности устройства - 0,087 кВт/м3, при максимальной производительности устройства - 0,042 кВт/м3. Разница по удельным затратам объясняется тем, что лампа световой энергии в устройстве несменная, а поэтому выбрана по максимальной производительности получения питьевой воды из морской.

Техническая эффективность  предлагаемого устройства заключается  в том, что повышается возможность  очистки различных жидкостей  с любой производительностью  в пределах от 1 м3/час до 2500 м3 /час при затратах электроэнергии не более 0,1 кВт/м 3. Кроме этого в непрерывном процессе производства обеспечивается высокое качество выделяемой из раствора (эмульсии) жидкости при выполнении требований санитарии, исключающих выброс токсичных веществ в атмосферу.