Delist.ru

Интенсификация работы канализационных очистных сооружений с использованием диспергированных водовоздушных смесей (10.09.2007)

Автор: Андреев Сергей Юрьевич

Так как на большинстве сооружений очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод применяется низконапорное оборудование (насосы, воздуходувки), то для получения водовоздушных смесей требуемой дисперсности и газонасыщения наиболее целесообразным является использование компактных и простых в изготовлении вихревых аппаратов, обеспечивающих наибольшую степень утилизации энергии при турбулизации водовоздушных потоков.

Приведены рекомендуемые значения критериев Фруда и Кемпа при работе вихревых аппаратов для создания диспергированных водовоздушных смесей, а также обоснованы конструктивные решения при проектировании таких устройств.

Рассмотрено влияние электрического потенциала на процесс диспергирования водовоздушных смесей.

Показано, что в ряде случаев при механической и биологической очистке сточных вод воздействие постоянного электрического потенциала на предварительно создаваемую водовоздушную смесь приводит к существенному увеличению эффекта очистки сточных вод.

Во второй главе приводится анализ теоретических основ процессов очистки сточных вод с использованием водовоздушных смесей. На основании полученных уравнений энергетического баланса дается определение условий обеспечения устойчивости и диспергирования водовоздушных пузырьков в водной среде. Использование данных условий на стадиях расчета и проектирования вихревых аппаратов позволяет создавать конструкции, обеспечивающие получение водовоздушных смесей требуемого дисперсного состава и газонасыщения. Рассматриваются режимы всплывания одиночного пузырька в жидкости с учетом изменения его основных геометрических характеристик.

Одним из основных свойств пузырька воздуха является дисперсность (раздробленность) – признак, связанный с его размерами и геометрией. Вводятся следующие понятия, характеризующие степень дисперсности пузырька:

1. Линейный размер пузырька dп. Поскольку поперечный разрез пузырька всегда представляет собой круг, за его линейный размер принимается диаметр поперечного сечения dп, имеющего наибольшую площадь fп.

2. Дисперсный размер пузырька (п – отношение объема пузырька Wп к площади его поверхности Sп.

3. Коэффициент дисперсности Кд – отношение линейного размера пузырька dп к его дисперсному размеру (п.

4. Коэффициент формы пузырька Кф – отношение площади поверхности пузырька Sп к площади его поперечного сечения fп.

Анализ зависимости скорости свободного всплывания vп воздушного пузырька от диаметра (линейного размера) dп позволил выделить следующие режимы.

1. Режим ламинарного всплывания пузырька воздуха. Пузырек воздуха при данном режиме всплывания сохраняет шарообразную форму. Диаметр пузырька воздуха на верхней границе ламинарного режима всплывания имеет значение dп = 0,132(10–3 м, скорость всплывания при этом vп = 0,0082 м/с.

2. Режим ламинарного всплывания пузырька воздуха со скользящим пристеночным слоем. В отличие от твердой сферы в рассматриваемом режиме для пузырька воздуха сохраняется закон Стокса, наблюдается эффект проскальзывания, обусловленный подвижностью наружных слоев поверхности пузырька. Диаметр пузырька воздуха на верхней границе рассматриваемого режима dп = 0,5·10–3 м, скорость всплывания vп = 0,135 м/с (точка 2 рис. 1).

3. Переходный режим всплывания пузырька воздуха со скользящим пристеночным слоем.

Диаметр пузырька воздуха на верхней границе переходного режима всплывания dп = 1,37·10–3 м, скорость всплывания vп = 0,37 м/с. В рассматриваемом режиме скорость всплывания пузырька воздуха может быть определена по уравнению vп = 273,3dп, м/с.

Рис. 1. Зависимость коэффициента дисперсности Kд (А) и коэффициента формы Kф (Б) пузырька воздуха от его диаметра dп

. Диаметр пузырька воздуха на верхней границе турбулентного режима всплывания dп = 5(10–3 м, скорость всплывания vп = 0,21 м/с (точки 4, рис. 1).

Анализ закономерностей изменения скоростей всплывания пузырьков при увеличении их диаметров позволил выдвинуть предположение о взаимосвязи режимов всплывания пузырьков с режимами массопередачи кислорода воздуха в жидкость. В общем виде кинетику массопередачи кислорода воздуха в воду из всплывающего пузырька принято описывать уравнением:

– скорость массопередачи, кг/с; КL – коэффициент массопередачи границы раздела фаз пузырек-жидкость (пленочный коэффициент массопередачи), м/с; А – площадь раздела фаз газ-жидкость, м2; Сн – концентрация насыщения газом жидкости, кг/м3; С – концентрация растворенного газа в жидкости, кг/м3.

, м/с; где Dсд – коэффициент псевдостационарной диффузии, м2/с; y – толщина границы раздела фаз «газ-жидкость», м.

Пленочная теория Хигби (теория «пенетрации»: теория «проницания») рассматривает процесс нестационарной молекулярной диффузии через скользящую «обновляющуюся» в процессе всплывания пузырька границу раздела фаз. Условия, положенные в основу теории Хигби, обеспечиваются при ламинарном режиме всплывания пузырьков воздуха со скользящим пристеночным слоем и переходном режиме всплывания пузырьков воздуха, имеющих диаметры dп = 0,123·10–3…1,37·10–3 м.

, где Dнд – коэффициент нестационарной молекулярной диффузии, значение которого отлично от значения Dсд, м2/с.

, где Dтд – коэффициент турбулентной диффузии, значение которого отлично от значений Dсд и Dнд, используемых Льюисом–Уитменом и Хигби, м2/с; S – фактор обновления, величина, обратная времени полного обновления поверхности пузырька воздуха, с–1.

В своей теории П.В. Данквертс не приводит какого-либо конкретного подхода для определения величины фактора обновления поверхности границы раздела фаз.

Было предложено определять S как отношение секундной работы, совершаемой силами гидродинамического сопротивления Агс, к поверхностной энергии пузырька воздуха Е?(:

, с; (п – коэффициент поверхностного натяжения, Дж/м2.

Поскольку при турбулентном всплывании пузырька воздуха устанавливается режим динамического равновесия действующих на него сил: силы Архимеда FА; силы гидродинамического сопротивления Fго; силы поверхностного натяжения Fпн (FАр = Fгс = Fпн), то по аналогии с выражением (2) фактор S также может быть определен по формулам:

Таким образом, с учетом формулы (4), пленочный коэффициент массопередачи для турбулентных режимов всплывания деформированных пузырьков воздуха может быть определен по формуле:

, описывающей процесс массопередачи в режимах всплывания сферических пузырьков воздуха со скользящим приграничным слоем формула (5) учитывает изменение геометрии поверхности пузырьков воздуха в процессе их деформации (дополнительно учитывается коэффициент дисперсности Кд), вследствие чего ее использование будет более корректно при описании массопередачи в турбулентных режимах всплывания деформированных пузырьков воздуха.

Во второй главе приводится вывод уравнений для определения коэффициента истощения концентрации кислорода в воздухе внутри пузырька в процессе его всплывания Кги и для определения коэффициента использования кислорода Ки:

– объемный коэффициент массопередачи одиночного пузырька воздуха, с–1; ( – абсорбционная константа Бунзена; ?Тп – продолжительность всплывания пузырька воздуха, с; ?Сп – изменение концентрации кислорода в воздухе внутри пузырька за время его всплывания, кг/м3;

Скв – концентрация кислорода в воздухе, кг/м3.

Во второй главе также дается анализ процесса барботирования как способа перемешивания жидкости. Приводится вывод системы уравнений, описывающих работу перемешивающих эрлифтных устройств. Рассматривается положительное влияние, которое оказывает пневматическое перемешивание на различные технологические процессы очистки воды. Достигаемый эффект объясняется одновременным протеканием по крайней мере четырех процессов: 1) специфическим механическим перемешиванием воды всплывающими пузырьками воздуха; 2) образованием границы раздела фаз (газ–жидкость), обладающей избыточной поверхностной энергией и выступающей в роли катализатора происходящих процессов; 3) десорбцией (отдувкой) из воды летучих соединений; 4) насыщением воды кислородом воздуха, приводящим к повышению уровня Еh и снижению электрокинетического потенциала содержащихся в воде примесей.

Специфические процессы, связанные с барботированием жидкости, позволяют получить усреднение ее характеристик не только на макроуровне (процесс макросмешения), но и достичь выравнивания концентраций реагирующих веществ на микроуровне (процесс микросмешения).

Приводится анализ теоретических основ очистки сточных вод методом напорной флотации. Рассматриваются теоретические модели процесса флотации инерционных и безынерционных дисперсных частиц, полученные с использованием термодинамического и кинетического подхода. Выводится критерий флотируемости дисперсной частицы всплывающим пузырьком воздуха, позволяющий предсказать возможность образования флотокомплекса «дисперсная частица – пузырек воздуха» в «дальнем» или «ближнем» энергетическом минимуме.

Анализируется процесс выделения пузырьков из пересыщенной газом жидкости, имеющий две стадии: 1) возникновения зародышей пузырьков газа; 2) роста образовавшихся зародышей. Первая стадия протекает с увеличением энергии Гиббса системы и поэтому термодинамически затруднена. Вторая стадия проходит самопроизвольно со значительным убыванием энергии Гиббса. С ростом величины пересыщения жидкости газом происходит не только увеличение количества зародышей, но и существенное увеличение диаметра образовавшихся пузырьков, вследствие их изотермического расширения за счет диффузии газа из пересыщенного раствора. При увеличении пересыщения жидкости степень дисперсности водовоздушной смеси уменьшается. Уменьшение отношения диаметра флотируемой частицы dч к диаметру образовавшегося пузырька воздуха dп приводит к снижению коэффициента эффективности захвата Е и снижению эффекта очистки методом напорной флотации.

Увеличение степени газонасыщения флотационного объема положительно влияет на процесс флотации, а увеличение среднего радиуса образующихся пузырьков воздуха – отрицательно. Противоположное влияние этих двух факторов приводит к тому, что эффективность процесса напорной флотации будет иметь максимум при некотором определенном значении пересыщения жидкости.

Технология диспергирования водовоздушной смеси в процессе ее обработки в неоднородном электрическом поле позволяет устранить противоречия, присущие методу напорной безреагентной флотации, получить мелкодисперсную водовоздушную смесь при высоком коэффициенте газонасыщения и повысить эффективность флотационной очистки сточных вод.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям технологии получения тонкодиспергированной водовоздушной смеси.

Рассматриваются теоретические основы процесса диспергирования газожидкостной смеси под действием турбулентных пульсаций в трубчатом гидродинамическом устройстве с закрученным потоком.

загрузка...