[1]Предлагаемое техническое решение относится к комбинированным устройствам для разделения неоднородных жидких сред и может быть использовано в сельскохозяйственной мелиорации при водоочистке или водоподготовке для систем капельного полива, микроорошения и дождевания.
[2]Известен гидроциклон, содержащий корпус, включающий сопряженные цилиндрическую и коническую обечайки, тангенциальный ввод для подачи исходного продукта, песковый патрубок для вывода тяжелого продукта, сливной патрубок для вывода осветленного продукта, фильтрующий элемент и шламовый сборник, причем коническая обечайка снабжена отбойным устройством, жестко закрепленным на подвижном штоке, и направляющим элементом, а фильтрующий элемент выполнен в виде полупроницаемой мембраны, закрепленной в цилиндрической обечайке (Патент № 40015 RU МПК B04C 5/22 от 27.08.2004).
[3]К недостаткам известного гидроциклона относятся невозможность удаления из поливной воды тонкодисперсных всплывающих примесей и микрокапель органических загрязнителей, а также сложность конструктивного оформления и эксплуатации гидроциклона.
[4]Известен гидроциклон, содержащий тангенциальный ввод, сливной патрубок для вывода легкого продукта с фильтрующим элементом и разгрузочный штуцер вывода тяжелого продукта, причем сливной патрубок гидроциклона в верхней части снабжен насыпным сорбционным фильтром с цеолитовой загрузкой, а фильтрующий элемент содержит внутренний и наружный слои сетчатого опорного каркаса, между которым и размещена, по меньшей мере, одна фильтровальная перегородка (Патент №158008 RU МПК B04C 5/22 от 20.12.2015).
[5]К недостаткам известного гидроциклона относятся невозможность удаления из поливной воды тонкодисперсных всплывающих примесей и микрокапель органических загрязнителей.
[6]Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому устройству и принятым за прототип является гидроциклон, содержащий корпус, включающий сопряженные цилиндрическую и коническую обечайки, тангенциальный ввод для подачи исходного продукта, песковый патрубок для вывода тяжелого продукта, сливной патрубок для вывода осветленного продукта, снабженный фильтрующим элементом с фильтрующей боковой поверхностью и цилиндрическим сорбционным фильтром, погруженным по верхний край тангенциального ввода, установленным коаксиально со сливным патрубком и размещенным на диске, образующим сверху в цилиндрической обечайке дополнительную камеру для сбора осветленного продукта, снабженную дополнительным сливным патрубком для вывода осветленного продукта (Патент №184122 RU МПК B04C 5/22 от 16.10.2018).
[7]К недостаткам известного гидроциклона относятся недостаточная эффективность удаления тонкодисперсных всплывающих примесей и микрокапель органических загрязнителей цилиндрическим сорбционным фильтром.
[8]Техническим результатом является повышение эффективности очистки поливной воды от тонкодисперсных всплывающих примесей и микрокапель органических загрязнителей.
[9]Поставленный технический результат достигается тем, что гидроциклон, включающий сопряженные цилиндрическую и коническую обечайки, тангенциальный ввод для подачи исходного продукта, песковый патрубок для вывода тяжелого продукта, сливной патрубок для вывода осветленного продукта, снабженный фильтрующим элементом с фильтрующей боковой поверхностью и сорбционным фильтром, погруженным по верхний край тангенциального ввода, установленным коаксиально со сливным патрубком и размещенным на диске, образующим сверху в цилиндрической обечайке дополнительную камеру для сбора осветленного продукта, снабженную дополнительным сливным патрубком для вывода осветленного продукта, причем сорбционный фильтр образован размещенными на расстоянии 15 мм одно от другого перфорированными кольцами с диаметром перфораций 2 мм, покрытыми снизу и сверху слоем фильтровального сорбирующего материала толщиной 4 мм из синтетических и натуральных волокон.
[10]Фильтровальный сорбирующий материал может быть выполнен из следующих натуральных и синтетических волокон: хлопок, базальтовое волокно, техническая вата, нитрон, углеродные волокнистые полимерные материалы. Предлагаемые материалы обладают высокой фильтрующей способностью относительно тонкодисперсных примесей и микрокапель органических загрязнителей.
[11]Структуру фильтрующей насадки можно варьировать путем изменения числа фильтрующих слоев и расстояния между слоями, получая в результате несколько вариантов структуры фильтра, регулируя степень очистки.
[12]Предлагаемая конструкция сорбционного фильтра, образованного размещенными на расстоянии 15 мм одно от другого перфорированными кольцами с диаметром перфораций 2 мм, покрытыми снизу и сверху слоем фильтровального сорбирующего материала, увеличивает ресурс фильтра в сравнении с фильтром, содержащим сплошную загрузку фильтрующего материала, что позволяет повысить эффективность удаления примесей из воды и сократить время простоя гидроциклона на регенерацию (Дмитриева, З.Т. Высокоэффективная адсорбционная очистка воды от углеводородных примесей с использованием дискового фильтра с переменной скоростью потока //Вода, химия и экология. - 2013.- №6.- С. 31-38).
[13]Уменьшение расстояния между перфорированными кольцами с фильтровальным сорбирующим материалом менее 15 мм нецелесообразно вследствие того, что в этом случае гидродинамика потока будет схожа с расположением сорбционного материала сплошным слоем.
[14]Увеличение расстояния между перфорированными кольцами с фильтровальным сорбирующим материалом более 15 мм нецелесообразно вследствие ограничений по высоте сливного патрубка, на внешней поверхности которого размещен сорбционный фильтр.
[15]Предлагаемый диаметр перфораций колец сорбционного фильтра в интервале 2 мм обеспечивает оптимальные значения скорости потока воды в гидроциклоне и гидравлического сопротивления аппарата, повышая тем самым производительность.
[16]Уменьшение диаметра перфораций меньше 2 мм приведет к росту гидравлического сопротивления потока воды в аппарате и, как следствие, к снижению его производительности по очищенной воде.
[17]С ростом диаметра перфораций выше 2 мм гидравлическое сопротивление потока воды в аппарате уменьшается, однако при этом значительно возрастет скорость потока воды в сорбционном фильтре, что приведёт к снижению фильтрационной и сорбционной емкости фильтра и ухудшению показателей качества очистки воды.
[18]Толщина слоя фильтровального сорбирующего материала 4 мм обусловлена тем, что слой волокнистого материала имеет наибольшую сорбционную емкость при небольшой толщине, поскольку основное улавливание обеспечивает только верхний тонкий слой сорбента.
[19]Уменьшение толщины слоя фильтровального сорбирующего материала менее 4 мм приведет к уменьшению массы сорбента, размещенной на перфорированном диске и снижению фильтрационной и сорбционной емкости сорбирующего материала.
[20]Увеличение толщины слоя фильтровального сорбирующего материала более 8 мм нецелесообразно, поскольку не приведет к росту фильтрационной и сорбционной емкости сорбирующего материала, так как при очистке воды волокнистыми сорбирующими материалами «работает» только верхний тонкий слой сорбента, после насыщения которого происходит так называемое «запирание» фильтра и снижение его пропускной способности.
[21]Повышение эффективности очистки воды от тонкодисперсных всплывающих примесей и микрокапель органических загрязнителей при высокой технологичности устройства достигается за счёт:
[22]1) бóльшей рабочей площади сорбционного фильтра;
[23]2) варьирования структуры сорбционного фильтра путем изменения числа фильтрующих слоев и расстояния между слоями в зависимости от природы органических загрязнителей;
[24]3) увеличения ресурса сорбционного фильтра и сокращения времени простоя гидроциклона на регенерацию при оперативной замене сорбционного фильтра на сменный (Высокоэффективная адсорбционная очистка воды от углеводородных примесей с использованием дискового фильтра с переменной скоростью потока / З.Т. Дмитриева // Вода, химия и экология. 2013. №6. С. 31-38).
[25]На чертеже на фиг.1 изображен общий вид гидроциклона, на фиг. 2 - сорбционный фильтр.
[26]Гидроциклон содержит корпус, включающий сопряженные цилиндрическую 1 и коническую 2 обечайки, тангенциальный ввод 3 для подачи исходного продукта, сливной патрубок 4 для вывода осветленного продукта, снабженный фильтрующим элементом 5 с фильтрующей боковой поверхностью, песковый патрубок 6 для вывода тяжелого продукта, установленный коаксиально со сливным патрубком 4 сорбционный фильтр, образованный размещенными на расстоянии 15 мм один от другого перфорированными кольцами 7 с диаметром перфораций 2 мм, покрытыми снизу и сверху слоем фильтровального сорбирующего материала 8 толщиной 4 мм из синтетических и натуральных волокон. Сорбционный фильтр, размещенный на диске 9, образует сверху в цилиндрической обечайке дополнительную камеру 10 для сбора осветленного продукта, снабженную дополнительным сливным патрубком 11 для вывода осветленного продукта. Нижний край сорбционного фильтра располагается на уровне верхнего края тангенциального ввода 3.
[27]Гидроциклон работает следующим образом.
[28]Поливная вода, содержащая грубодисперсные и тонкодисперсные механические частицы, а также тонкодисперсные всплывающие примеси и микрокапли органических загрязнителей, поступает по тангенциальному вводу 3 в цилиндрическую обечайку 1 корпуса гидроциклона. Поток воды в гидроциклоне закручивается, при этом тяжелый продукт (грубодисперсные механические частицы), характеризуемый плотностью большей плотности воды, ударяясь о стенки корпуса, по конической обечайке 2 опускается вниз и выводится через песковый патрубок 6 для вывода тяжелого продукта. Тонкодисперсные механические частицы, содержащиеся в потоке воды, осаждаются на фильтрующей боковой поверхности фильтрующего элемента 5, а часть осветленной воды выводится по сливному патрубку 4 для вывода осветленного продукта.
[29]Часть водного потока с тонкодисперсными всплывающими примесями и микрокаплями органических загрязнителей, с плотностью меньшей плотности осветленного продукта, двигаясь в центробежном поле, направляется от периферии корпуса к боковой фильтрующей поверхности фильтрующего элемента 5, смонтированного на сливном патрубке 4. За счет выталкивающей силы эти примеси всплывают по боковой фильтрующей поверхности фильтрующего элемента 5, упираются в сорбционный фильтр, где, проходя через перфорированные кольца 7, осаждаются на фильтровальном сорбирующем материале 8. Часть потока воды, проходящего через этот сорбционный фильтр, отводится в дополнительную камеру 10 для сбора осветленного продукта, далее выводится через дополнительный сливной патрубок 11 вывода осветленного продукта.
[31]Произведем расчет площади сорбционных фильтров в прототипе и предлагаемой конструкции, выполненных в форме колец.
[32]Площадь кольца рассчитывается по формуле:
[33]
(1)
[34]где R - внешний радиус кольца;
[35]r - внутренний радиус кольца;
[36]Для прототипа и предлагаемой конструкции сорбционного фильтра внешний радиус кольца R составляет:
[37]
(2)
[38]где δ - доля площади, занимаемой сорбционным фильтром относительно площади сечения корпуса, принимаем 
(см. фиг. 1 в прототипе и предлагаемой конструкции);
[39]Rк - радиус корпуса гидроциклона.
[40]Для прототипа и предлагаемой конструкции сорбционного фильтра внутренний радиус кольца r равен радиусу выходного (сливного патрубка) Rвых:
[41]
(3)
[42]Для прототипа площадь сорбционного фильтра составит:
[43]
(4)
[44]Для предлагаемой конструкции площадь сорбционного фильтра при количестве фильтрующих слоев n составит:
[45]
(5)
[46]То есть при n=4 (см. фиг.2 предлагаемой конструкции), площадь сорбционного фильтра предлагаемой контракции составит:
[47]
(4)
[48]
(4)
[49]Таким образом, площадь сорбционного фильтра в предлагаемой конструкции Sсф2больше площади сорбционного фильтра в прототипе Sсф1 в 4 раза. Соответственно обменная ёмкость сорбционного фильтра в предлагаемой конструкции Eсф2 (мг-экв/г) будет превышать обменную ёмкость сорбционного фильтра прототипа Eсф1 (мг-экв/г) в 4 раза.
[50]Таким образом, конструкция сорбционного фильтра, образованного размещенными на расстоянии 15 мм одно от другого перфорированными кольцами с диаметром перфораций 2 мм, покрытыми снизу и сверху слоем фильтровального сорбирующего материала толщиной 4 мм из синтетических и натуральных волокон, позволит улавливать из поливной воды тонкодисперсные всплывающие примеси и микрокапли органических загрязнителей, обеспечивая высокие показатели эффективности очистки поливной воды. К тому же, предлагаемая конструкция сорбционного фильтра позволит увеличить ресурс фильтра в сравнении с фильтром, содержащим сплошную загрузку фильтрующего материала.
