Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

77-30569/340675 Интенсификация флотационной очистки в оборотных системах водопользования с использованием вибровоздействий

# 02, февраль 2012
Файл статьи: Ксенофонтов_P.pdf (1100.26Кб)
авторы: Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В.

УДК.628.321

МГТУ им. Н.Э. Баумана

kbsflot@mail.ru

mivanov2005@mail.ru

Наиболее рациональное использование воды в промышленности и на транспорте в большой степени связано с ее повторным использованием в специально созданных для таких целей оборотных системах. Достаточно широко оборотные системы водопользования использовались и ранее в СССР [1-2]. По нашему мнению, это было связано, в том числе и с более строгим  контролем за водным хозяйством промышленных предприятий со стороны природоохранных органов, когда инспектор такого органа практически всегда мог осуществлять необходимый надзор. В условиях частного производства инспектор природоохранного органа не всегда в полном объеме может осуществлять  контроль  за качеством отработанных водных потоков. Кроме того, в ряде случаев наблюдается сброс в бытовые стоки промышленных загрязнений, например солей тяжелых металлов, что возможно связано с ведением нелегального бизнеса. Можно допустить, что указанные факты исчезнут со временем и, что в дальнейшем заработает чисто экономический  механизм, когда выгодно будет максимально использовать оборотные системы водопользования, например при мойке различных транспортных средств. В современной России согласно нормативным документам при мойке транспортных средств необходимо использовать оборотные системы водопользования [3-4]. Однако, на практике только в немногих случаях при мойке транспорта используются оборотные системы. Это объясняется несколькими причинами, включая и указанные выше, а также несовершенство разработанных технологических схем очистки воды, в том числе и разработки зарубежных фирм. Последние чаще всего используют фильтрацию с реагентной обработкой, причем с высокими дозами дорогих синтетических флокулянтов. 

Анализ различных технических решений по созданию оборотных систем водопользования и свой многолетний опыт привели к целесообразности более широкого использования в таких системах флотационной техники [5].

При этом было установлено, что в большинстве случаев можно обойтись без применения дорогих флокулянтов и в целом без реагентного хозяйства. При этом достигаются нормативные показатели качества оборотной воды. В дальнейшем нами проводилось совершенствование оборотных систем, направленное на уменьшение рабочих объемов применяемого оборудования и интенсификацию технологических процессов очистки воды и в, первую очередь, флотационных. Для решения подобных задач в последние годы были разработаны различные комбинированные флотационные машины и аппараты, которые в зависимости от целевого назначения могут быть использованы, в том числе и в системах оборотного водопользования.

 

Методы проведения экспериментов

Возможности интенсификации процесса флотации связаны  и в том числе с получением тонкодисперсных газовых  (воздушных) пузырьков в зоне аэрации флотационного аппарата, а также коалесценцией  мелких флотокомплексов, что позволяет их извлекать в рабочей зоне флотокамеры. Последнее предотвращает их унос с очищаемой жидкостью. Одним из вариантов модернизации разработанных ранее пневматических установок и тем самым интенсификации их работы  может быть использование вибровоздействий. В МГТУ им. Баумана на кафедре «Экология и промышленная безопасность» была разработана опытная флотационная установка с использованием вибровоздействий, представленная на рис. 1.

 

Рис. 1. Установка флотационная с диспергированием в корпусе аппарата.
А – подача исходной воды, В – выход очищенной воды.
1 – вибростенды, 2 – флотационная камера диспергирования, 3 – аэратор, с помощью тяги соединенный с вибростендом, 4 – поршень, с помощью тяги соединенный с
вибростендом, 5 – флотационная камера коалесценции, 6 – блок тонкослойного осветления, 7 – корпус аппарата.

 

Принцип работы данного аппарата следующий. Корпус аппарата 7 разделяется перегородками на четыре камер. Исходная вода А сначала подается во флотационную камеру диспергирования 2, в которой аэратор 3 соединен с помощью тяги с вибростендом 1. Вибростенд работает постоянно и передает возвратно-поступательное движение на аэратор. За счет интенсифицирующего воздействия вибрации в данной камере возможно добиться более высокой степени очистки. После этого, очищаемая вода поступает во вторую по ходу камеру коалесценции 5, в которой имеется поршень 4, соединенный с помощью тяги с вибростендом 3. В этой камере за счет действия вибрации происходит коалесценция флотокомплексов, их укрупнение и всплытие. Далее очищаемая вода поступает в четвертую камеру - блок тонкого осветления 6, в которой оставшиеся флотокомплексы задерживаются на пластинах блока. После этого, вода поступает в последнюю накопительную камеру и отводится через патрубок В.

В ходе проведения экспериментов, исследовалось содержание нефтепродуктов в используемом стоке автомоечного комплекса. Концентрации нефтепродуктов определялись независимой аналитической лабораторией ОАО «Роса». Фотографии с испытаний приведены на рисунках 2 – 6.

Режим вибровоздействия выбирался по разработанной методике, которая описана в [6]. Так, для камеры диспергирования частота вибровоздействия составляла 90 Гц, уровень виброускорения - 2g.

Описание: Macintosh HD:Users:Mikhail_Ivanov:Dropbox:диссертация:фотографии:getattach.jpg

Рис. 2. Общий вид установки виброфлотации.

Описание: Macintosh HD:Users:Mikhail_Ivanov:Dropbox:диссертация:фотографии:getattach-1.jpg

Рис. 3. Вид сверху. Исходная сточная вода.

 

Рис. 4. Пенный продукт.                                                  Рис. 5. Очищенная вода

Описание: Macintosh HD:Users:Mikhail_Ivanov:Dropbox:диссертация:фотографии:getattach-3.jpg

Рис. 6. Вид на камеру виброфлотации.

 

Математическая модель

Для расчета процессов флотационной очистки, происходящих в аппарате, использовалась математическая модель, разработанная на основе многостадийной модели проф. Ксенофонтова [5, 7], и подробно описанная в [6].

Суть предлагаемой математической модели заключается в следующем. Оказываемое вибрационное воздействие принципиально различается по роду оказываемого эффекта: в одном случае происходит диспергирование воздушных пузырьков воздуха, а в другом – коалесценция флотокомплексов, в зависимости от режима вибровоздействий. Соответственно и математическая модель подразделялась на модель для диспергирования и модель для коалесценции.

 

Математическая модель флотации с учетом вибродиспергирования пузырьков воздуха.

Схема модели представлена на рис. 7.

Рис. 7. Схема модели флотации с учетом вибродиспергирования пузырьков воздуха.
А – исходное состояние: частица загрязнения и пузырек воздуха отделены друг от друга; В и С – стадия диспергирования пузырей воздуха и образования флотокомплексов частичка-пузырек; D– стадия всплытия флотокомплексов и образования пенного слоя. Кi - константы переходов из одного состояния в другое

 

Суть процессов сводится к тому, что пузырек воздуха (стадия А) под воздействием вибрации диспергируется на два меньших по размеру, образует флотокомплексы с частицами загрязнений (стадии В и С), которые затем всплывают в пенный слой (стадия D). Кроме того, может иметь место непосредственное попадание частиц загрязнения в пенный слой, без образования флотокомплексов или, наоборот их выпадение. Данная модель описывается системой дифференциальных уравнений (1).

Для каждого из переходов имеют место свои соответсnвующие константы, входящие в систему дифференциальных уравнений (1). Каждая константа имеет тот или иной физический смысл, определяющий процессы происходящие при переходе из одной стадии в другую. Решение данной системы уравнений при известных константах переходов Кi позволит найти изменение концентраций в стадиях А, B, C и D во времени t.

 

Математическая модель флотации с учетом виброкоалесценции пузырьков воздуха

Схема модели представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема модели флотации с учетом виброкоалесценции пузырьков воздуха.
В  – стадия наличия невсплывших флотокомплесов частица - пузырек; D– стадия всплытия флотокомплексов и образования пенного слоя. Е – стадия коалесценции флотокомплексов Кi - константы переходов из одного состояния в другое

 

В данном случае флотокомплексы частица - пузырек (стадия В) могут как непосредственно попадать в пенный слой (стадия D), так и через промежуточное состояние – коалесценцию флотокомплексов (стадия Е). Данная модель описывается системой дифференциальных уравнений (2). Для каждого из переходов имеют место свои соответсвующие константы, входящие в систему дифференциальных уравнений (2). Каждая константа имеет тот или иной физический смысл, определяющий процессы происходящие при переходе из одной стадии в другую.

         Решение данной системы уравнений при известных константах переходов Кi позволит найти изменение концентраций С в стадиях B, D и Е во времени t.

 

 

         Расчет констант переходов

            Для расчета систем уравнений (1) и (2) задается исходная концентрация загрязнителя.

Принимаются  следующие начальные условия для решения: СА (t) + СВ (t) + СС (t) + СD(t)= C0; СА (0) = С0; СВ (0) = 0; СС (0) = 0; СD(0) =0.

Значения констант рассчитываются по следующим формулам:

·
где
q – скорость барботирования; Е – эффективность захвата частиц всплывающим пузырьком газа при флотации;  - средне-эффективный диаметр пузырьков во флотационной ячейке. k0 – фактор полидисперсности пузырьков.

В ходе проведения эксперимента, компрессор работал с производительностью 150 литров в минуту, площадь сечения флотационной колонны составляла 0,06 м2 таким образом, скорость барботажа составила  м32с. 

При нормальном распределении пузырьков воздуха коэффициент К0, характеризующий полидисперсность пузырьков воздуха изменяется в пределах 1  K0  1,58. Большой расход воздуха и большая площадь сечения колонны, а также некоторые конструктивные особенности используемого аппарата могут привести к наличию некоторого нормального распределения пузырьков воздуха по размеру. На основании этого, примем К0=1.58.

Эффективность захвата частицы пузырьком Е изменяется в пределах0,005 ≤ E ≤ 0,01, возьмем минимальное значение, равное 0,005, так как в силу конструктивных особенностей используемой флотационной машины может иметь некоторое снижение эффективности захвата.

Средне-эффективный размер пузырьков воздуха составляет 0,1 мм. Следовательно константы К1 и К3 могут быть рассчитаны следующим образом:

·  , где υp – скорость подъема флотокомплекса; h – расстояние от зоны аэрации до пенного слоя (глубина флотокамеры).

Высота флотационной колонны составляла 1 м. Скорость подъема флотокомплексов составлял 0.02 м/с (ввиду наличия ПАВ во очищаемом стоке автомоечного комплекса). Тогда, константы К5 и К7 могут быть рассчитаны следующим образом:

·                

·  , где υо.c- скорость осаждения частиц твердой фазы, h – высота флотокамеры.

Скорость осаждения загрязнений из пенного слоя в исходную воду составляет 0,001 м/с. Таким образом, константа К9 может быть рассчитана следующим образом:

·  , где G-эффективный градиент сдвига гидродинамического поля:, g – ускорение сил тяжести; ν - кинематическая вязкость жидкости; q – скорость барботажа; α  - эффективность коалесценции; φ- объемная доля газовой фазы.

g – ускорение сил тяжести, g=982 см/с2; ν - кинематическая вязкость жидкости, ν=10-6 м2/с; q – скорость барботажа, q=0.006. Тогда

α - эффективность коалесценции, α=10-2; φ- объемная доля газовой фазы, φ=0,02 [8]. Таким образом,

·  , где υpodof - скорость подъема объединенного флотокомплекса, h – высота флотокамеры.

Скорость подъема объединенного флотокомплекса составляет 0,005 м/с, тогда:    

Значения остальных констант равны нулю, так как в данных условиях, при флотации стока автомоечного комплекса, не может происходит разрушение уже образовавшегося флотокомплекса, самостоятельное всплытие загрязнения в пенный слой и выпадение флотокомплекса из пенного слоя.

 

Результаты эксперимента и верификация математической модели

После нахождения всех кинетических констант и решения систем уравнений (1) и (2) с подстановкой значений констант, было получено решение, графическое представление которого показано на рис. 9 и 10.

Рис. 9. Сравнение теоретических и экспериментальных данных по виброфлотации стока автомоечного комплекса в разработанной флотомашине в блоке диспергирования
Z<1>  - время, с; Z<2> - концентрация нефтепродуктов в очищаемом стоке; Z<3> и Z<4> - содержание флотокомплексов; Z<5> - концентрация нефтепродуктов в пенном слое.
Линиями показаны теоретические данные, точками – результаты экспериментов.

 

Рис. 10. Сравнение теоретических и экспериментальных данных по виброфлотации стока автомоечного комплекса в разработанной флотомашине в блоке коалесценции
Z<1>  - время, с; Z<2> - концентрация нефтепродуктов в очищаемом стоке; Z<3> и Z<4> - содержание флотокомплексов; Z<5> - концентрация нефтепродуктов в пенном слое.
Линиями показаны теоретические данные, точками – результаты экспериментов.

 

Теоретические данные были также подтверждены экспериментально. Для этого использовался сток автомоечного комплекса. Как видно из рис. 10, имеет место хорошее совпадение теоретических данных с экспериментальными. Время флотации с диспергированием при этом составляет 7 минут, по истечении которых содержание нефтепродуктов снизилось с 2,5 до 0,8. Содержание не всплывших флотокомплексов при этом составляет еще 0,079 мг/л. Для ускорения их всплытия они коалесцируются, для чего, вода направляется в камеру коалесценции.

         Таким же образом, для камеры коалесценции также производился расчет. При этом, использовалась математическая модель для флотации с коалесценцией. Для нее были рассчитаны все необходимые константы переходов К с учетом результатов полученных в ходе решения обратной задачи, и решена система уравнений. Решение представлено на рис. 10.

         Теоретические данные были также подтверждены экспериментально. Как видно из рис. 10, имеет место хорошее совпадение теоретических данных с экспериментальными. Время флотации с коалесценцией при этом составляет 6 минут по истечении которых содержание флотокомплексов снизилось до 5го порядка малости.

На основании полученных решений определяется время флотации (как сумма времени диспергирования и времени коалесценции) путем подстановки в решение исходных данных. Таким образом, общее время очистки составило 13 минут.

Выводы

Таким образом, в настоящей работе показана возможность применения вибрации для интенсификации флотационной очистки вод для оборотных систем водопользования. В ходе проведения экспериментов было установлено, что эффективность флотационной очистки с применением вибровоздействий может достигать 95 процентов на реальных стоках автомоечного комплекса. При этом, время флотации снижается практически вдвое по сравнению с пневматической флотацией.

Кроме того, показано хорошее согласование данных теоретических расчетов и экспериментальных данных, что свидетельствует о том, что разработанная математическая модель может применяться для расчет аппаратов виброфлотационной очистки.

Следует отметить, что предлагаемая конструкция аппаратов универсальна. Во-первых, она позволяет, в зависимости от требуемой степени очистки использовать камеры диспергирования, коалесценции вместе и по отдельности. Помимо этого, имеется возможность модернизировать существующие пневматические флотационные аппараты, увеличивая таким образом эффективность очистки, либо увеличивая производительность.

 

         Литература

1. Алферова  Л.А., Нечаев  А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов/Под ред. С.В. Яковлева. М.: Стройиздат. 1984. 272 с.

2. Замкнутые системы водообеспечения химических производств. М.: Химия, 1990, 208 с.

3. Общесоюзные нормы технологического проектирования автотранспортных предприятий: ОНТП-01-86/Минавтотранс РСФСР. М., 1986. 128 с.

4. Общесоюзные нормы технологического проектирования авторемонтных предприятий: ОНТП-02-86/Минавтотранс РСФСР. М., 1986.128 с.

5. Ксенофонтов Б.С. Очистка воды и почвы флотацией. М.: Новые технологии. 2004. 224 с.

6. Ксенофонтов, Б. С. Флотационная очистка сточных вод с использованием вибровоздействий / Б. С. Ксенофонтов, М. В. Иванов, P. Э. Геворкян // Безопасность жизнедеятельности. - 2011. - N 9. - С. 32-37 .

7. Ксенофонтов Б.С. Флотационная обработка  воды, отходов и почвы. М.: Новые технологии.- 2010. – 272 с.

8. Рулев Н. Н., Колесников В. А., Карась С. В. Влияние коалесценции на распределение пузырьков по размерам в барботере флотомашины. //Химия и технология воды. 1991.-13, №2. 127-132 с.

 

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2018 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)