close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Виброфлотационная очистка сточных вод как способ уменьшения экологического ущерба окружающей среде

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Иванов Михаил Витальевич Шифр научной специальности: 03.02.08 - экология Шифр диссертационного совета: Д 212.145.03 Название организации: Московский государственный университет инженерной экологии Адрес организации: 105066, г.Москва,
На правах рукописи
Иванов Михаил Витальевич
Виброфлотационная очистка сточных вод как способ
уменьшения экологического ущерба окружающей среде
Специальность 03.02.08 – Экология (в химии и нефтехимии)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва
2012
Диссертационная работа выполнена на кафедре экологии и промышленной
безопасности федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения
высшего
профессионального
образования
«Московский
государственный технический университет имени Н. Э. Баумана».
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
–
доктор технических наук, профессор
Ксенофонтов Борис Семенович
–
доктор биологических наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ
Денисов Аркадий Алексеевич
кандидат технических наук, доцент
Якушкин Валерий Петрович
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»
Кафедра инженерной защиты окружающей среды
Защита состоится «24» апреля 2012 года в 1600 часов на заседании
диссертационного совета в федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Московский государственный университет инженерной экологии» (ФГБОУ
ВПО «МГУИЭ») по адресу: 105066, Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
профессионального образования «Московский государственный университет
инженерной экологии» (ФГБОУ ВПО «МГУИЭ»).
Автореферат разослан «23» марта 2012 года
Ученый секретарь
диссертационного совета
Гриднева Е. С.
2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
В настоящее время с ростом промышленности, малого и среднего
бизнеса остро стоят вопросы переработки отходов как твердых, так и жидких,
особенно в области очистки сточных вод. Это связано с тем, что большое
количество сточной воды сбрасывается в поверхностные водные объекты
недоочищенными. Согласно государственным докладам о состоянии и об
охране окружающей среды за 2006-2010 гг., их доля в общем объеме
сбрасываемых сточных вод достигает 40%. Актуальна высокоэффективная
очистка нефтесодержащих сточных вод, получаемых от увеличения объемов
добычи и переработки нефти и нефтепродуктов, от все более интенсивной
эксплуатации автотранспортных средств и от прочих источников.
При этом требования к очищенной воде представляются достаточно
строгими, хотя на практике в большинстве случаев не удается достигнуть
нормативного качества очищенных сточных вод. В этой связи важнейшее
значение имеет развитие и разработка новых способов и устройств для очистки
производственных сточных вод.
Широкое распространение в очистке нефтесодержащих сточных вод
получила флотационная техника. Однако ее применение не всегда оказывается
эффективным. К настоящему времени было разработано много способов
интенсификации флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод.
Однако не всегда использование флотационных способов приводит к
получению желаемого результата.
Одним из наименее изученных в области очистки сточных вод и, по
нашему мнению,
перспективных методов является использование
вибрационного воздействия на процесс флотации. Как показали результаты
предварительных исследований, интенсификация флотационной очистки
сточных вод, загрязненных нефтепродуктами и прочими гидрофобными
загрязнениями, методом вибрационного воздействия представляет важную
научно-практическую задачу.
Проведенные исследования базировались на трудах ведущих ученых в
области теоретических и экспериментальных методов исследования процессов
и аппаратов разделения неоднородных систем, в частности, Адельшина А. Б.,
Баранова Д. А., Белоглазова К. Ф., Бирюкова В. В., Блехмана И. И., Ганеева
Р.Ф., Гонопольского А. М., Ксенофонтова Б.С., Классена В.И., Кубенко В.Д.,
Мещерякова Н. Ф., Рубинштейна Ю. Б., Рулева Н. Н., Систера В. Г., Яковлева С.
В. и целого ряда других ученых. При этом изучался не только отечественный,
но и мировой опыт в данной области, и анализировались наработки компаний
Wemco, Bruel & Kjaer и др.
Цель работы:
Исследование
флотационного
процесса
с
учетом
явлений
диспергирования пузырьков воздуха и коалесценции флотокомплексов под
влиянием вибрационного воздействия и разработка методики расчета
виброфлотомашины.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие
задачи:
1. Исследовать многостадийный процесс виброфлотации гидрофобных
загрязнений и разработать модель данного процесса.
3 2. Выбрать и оптимизировать режимы вибровоздействий.
3. Провести экспериментальные исследования по воздействию вибрации на
флотацию.
4. Разработать методику расчета виброфлотомашины.
5. Разработать технические решения для практической реализации
виброфлотационного способа очистки нефтесодержащих сточных вод.
6. Провести оценку предотвращенного экологического ущерба окружающей
среде в результате использования предлагаемых технических решений.
Методы исследования: аналитическое обобщение известных научных и
технических
результатов,
натурные
исследования,
обработка
экспериментальных
данных
методами
математической
статистики,
корреляционного и регрессивного анализа с применением ЭВМ, лабораторные
и опытно-промышленные исследования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
обоснована планированием необходимого объема экспериментов, построением
математической модели эксперимента, удовлетворительной сходимостью
полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в
лабораторных
и
опытно-промышленных
условиях,
использованием
современных аттестованных средств измерений показателей. При этом
экспериментальные данные, полученные на модельных установках,
соответствуют результатам испытания опытной установки.
Научная новизна:
1. впервые комплексно описан процесс многостадийной флотации для
различных видов загрязнений с учетом явлений диспергирования пузырьков
воздуха и коалесценции флотокомплексов, учитывающий основные факторы,
действующие на флотацию и основные процессы, проходящие во время
флотации;
2. впервые разработана виброфлотомашина с диспергированием в
корпусе аппарата;
3. усовершенствована методика определения среднего размера
флотационного пузырька воздуха;
4. разработана
методика
расчета
виброфлотомашины
с
диспергированием в корпусе аппарата.
Основные положения научной новизны защищены патентом на полезную
модель.
Практическое значение работы:
Результаты выполненных исследований использованы для описания
многостадийного процесса вибрационной флотации с учетом явлений
диспергирования пузырьков воздуха и коалесценции флотокомплексов.
Разработана методика расчета многостадийного процесса флотации с
учетом диспергирования и коалесценции, позволяющими значительно
сократить время протекания данного процесса и, как следствие, заметно
уменьшить габариты установок.
Разработана виброфлотомашина с диспергированием в корпусе аппарата,
что позволило создать новый тип высокоэффективной техники с широким
диапазоном необходимой степени очистки сточных вод для различного
использования. Разработанная виброфлотомашина заложена в проект
локальных очистных сооружений автоцентра «Измайлово» (г. Москва).
4 Выданы практические рекомендации по усовершенствованию оборотной
системы водопользования на предприятии Газпромнефть – Московский НПЗ
исполнителю работ ООО «Водные технологии и промышленная безопасность».
Положения, выносимые на защиту:
1. модель многостадийного процесса вибрационной флотации;
2. результаты исследования влияния вибрации на флотационный процесс
очистки нефтесодержащих сточных вод;
3. методика расчета виброфлотомашины;
4. оригинальная виброфлотомашина, защищенная патентом РФ на полезную
модель;
5. технико-экономическая оценка виброфлотационного способа очистки
нефтесодержащих сточных вод и рекомендации для его практического
использования.
Апробация и публикации результатов работы.
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на
общеуниверситетской научно-технической конференции «Студенческая
научная весна - 2011»; «Студенческая научная весна - 2010»; Всероссийской
молодежной научно-инженерной выставки «Политехника» - 2011, на
международной выставке и конгрессе «Вода: экология и технология»
ЭКВАТЭК-2010, а также на заседании круглого стола в рамках «Недели горняка
- 2012», на конференциях в университете г. Генуи, Италия и университете
Миддлсекс, Великобритания.
По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных статей, в том
числе в изданиях, рекомендованных ВАК – 4 работы; получен патент на
полезную модель.
Структура и объем диссертации.
Диссертация изложена на 148 страницах основного текста, включает 11
таблиц, 45 рисунков и состоит из введения, 7 глав, выводов,
библиографического списка, состоящего из 119 наименований и 6 приложений.
В приложении представлены копии документов экспериментальных
исследований, подтверждающие достоверность результатов работы и ее
практическую значимость.
5 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выполненной работы, изложены
научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту,
сформулированы практическая значимость и научная новизна работы.
В первой главе «Состояние вопроса. Цель и задачи исследований»
проведена экологическая оценка сброса недоочищенных нефтесодержащих
сточных вод, которая показала их отрицательное воздействие на окружающую
среду.
Идентифицированы
источники
загрязнения
сточных
вод
нефтепродуктами и обозначены последствия попадания сточных вод в водоемы.
Объем сброса недоочищенных сточных вод в 2010 году увеличился по
сравнению с предыдущим на 0,5 км3. При этом ежегодно недоочищенными
сбрасывается до 40% от всего объема сточных вод. Общее же количество
нефтепродуктов, сброшенных со сточными водами за один только 2010 год,
составляет 2,5 тысячи тонн.
Анализ увеличения объемов сброса выявил
главную задачу –
уменьшение концентрации нефти и нефтепродуктов в сбрасываемой сточной
воде до нормативных значений за счет их более эффективной очистки. Кратко
представлены современные методы и средства очистки сточных вод от
нефтепродуктов, жиров и прочих гидрофобных загрязнений. Дана краткая
характеристика существующих методов очистки, а также перечислены их
основные достоинства и недостатки, кроме того, показаны области, в которых
применение того или иного метода очистки сточных вод от гидрофобных
загрязнений является наиболее применимым.
Описаны применяющиеся модели флотационной очистки сточных вод, а
также перечислены их основные достоинства и недостатки. Особое внимание
уделено многостадийной модели флотации проф. Ксенофонтова, как модели,
дающей наиболее полное описание флотационного процесса, путем разложения
его на несколько стадий.
Показаны наиболее распространенные способы интенсификации
флотационной очистки сточных вод, в том числе методами вибрационной
флотации. Показаны основные преимущества и недостатки их применения.
Отмечено, что существующие работы в области интенсификации флотационной
очистки сточных вод исследуют влияние интенсифицирующего воздействия
лишь на некоторые факторы и процессы, происходящие при флотации. Как
российские, так и зарубежные исследователи основной упор делают либо на
интенсификацию образования флотокомплекса частица загрязнения – пузырек
воздуха, либо на ускорение всплытия флотокомплексов в пенный слой. Однако
требуется комплексный подход в изучении процесса флотации и его
вибрационной интенсификации, который учитывает воздействие всех важных
факторов и рассматривает флотацию как сложный многостадийный процесс, а
именно на стадии образования флотокомплекса и его дальнейшего подъема в
пенный слой.
На основании данного комплексного подхода поставлены цели и задачи
работы.
Во
второй
главе
«Методика
проведения
исследований
виброфлотационной очистки сточных вод» рассмотрены объекты, методы
исследования процесса очистки сточных вод от нефтепродуктов и прочих
гидрофобных загрязнений с применением виброфлотации.
Описаны схемы установок для экспериментального подтверждения
математической модели виброфлотационного процесса.
6 На данных аппаратах были проведены лабораторные эксперименты по
очистке нефтесодержащих сточных вод. Объектами исследования являлись
сточные воды автомоечного комплекса (г. Балашиха, Московская область),
Московского НПЗ (Газпромнефть), лакокрасочного предприятия (г.
Воскресенск, Московская область), а также модельный сток с повышенным
содержанием нефтепродуктов. Отбор проб исходного стока и очищенной воды
производился в соответствии с нормативными документами, допущенными для
целей экоаналитического контроля, обеспечивающих их представительность и
сохранность.
Аппарат для исследования виброфлотации модельного стока состоял из
блока диспергирования и флотационной колонны (рис. 1). В блоке
диспергирования происходит насыщение водой воздухом и подготовка таким
образом насыщенной водовоздушной смеси. Блок весь в сборе подвержен
вибровоздействию, за счет чего вода эффективно насыщается воздухом. Затем
подготовленная
водовоздушная смесь подается
во флотационную колонну,
которая, в свою очередь,
вибрации не подвержена.
Одновременно
с
водовоздушной смесью в нее
подается модельный сток, в
результате чего идет процесс
флотации.
После
этого
очищенный сток отводится.
К плюсам данного
метода
можно
отнести
отсутствие
необходимости
подвергать
вибрационному
воздействию
весь
флотационный аппарат, а Рис. 1. Схема аппарата для исследования
только
готовить виброфлотации модельного стока.
водовоздушную
смесь
в 1 – блок диспергирования, 2 – аэратор, 3 –
постоянном режиме. Причем вода, 4 – флотационная колонна, 5 –
объем
камеры
блока насыщенная водовоздушная смесь, 6 –
модельный сток.
диспергирования
относительно невелик (не А – насыщенная водовоздушная смесь, Б –
больше 50л) и зависит от очищенная вода.
расхода
и
размера
флотационной камеры.
Аппарат для исследования виброфлотации стока лакокрасочного
предприятия состоял из флотационной колонны, закрепленной непосредственно
на вибростенде и подверженной целиком в сборе вибрационным воздействиям.
Данное решение было выбрано в связи с трудностью очистки стока
лакокрасочного предприятия традиционными способами.
Установка для исследования виброфлотации стока автомоечного
комплекса состояла из флотомашины с закрепленными на ней вибростендами.
Ее суть - в диспергировании и коалесценции во флотационных камерах в
корпусе аппарата. Принцип ее работы заключается в том, что исходная вода
подается сначала в камеру диспергирования, где происходит первый этап
7 флотации, а затем в камеру коалесценции, где мелкие флотокомплексы
коалесцируют и всплывают, тем самым повышая эффективность очистки.
Вибростенды в данном случае устанавливались сверху на корпус
флотомашины.
Содержание нефтепродуктов определялось согласно аттестованной
методике выполнения измерений совместно с кафедрой химии ФН-5 МГТУ им.
Н. Э. Баумана с помощью концентратомера КН-2м. Содержание взвешенных
веществ измерялось с помощью турбидиметра фирмы HACH, США типа
2100AN. Мутность измерялась в нефелометрических единицах мутности NTU.
Кроме того, анализы проб проводились в независимой аналитической
лаборатории «Роса» (г. Москва).
Рис. 2. Схема лабораторной установки для исследования процессов,
происходящих во время флотации.
1 – генератор, 2 – предварительный усилитель, 3 – канал отрицательной
обратной связи, 4 –корпус колонны, 5 – свободная поверхность жидкости, 6
– гидрофон, 7 – видеокамера, подключенная к компьютеру, 8 – усилитель
мощности, 9 – акселерометр, 10 – аэратор, 11 – вибростенд, 12 –
компрессор, 13 – предварительный усилитель, 14 – двухканальный
узкополосный анализатор реального времени, 15 – компьютер с принтером.
Для выбора и оптимизации режима вибровоздействия и для изучения
процессов, происходящих во время виброфлотации, таких как истечение
воздуха из аэратора, диспергирование пузырьков воздуха и их коалесценция, а
также всплытие образовавшихся флотокомплексов в пенный слой, была
разработана лабораторная установка (рис. 2, 4), которая состояла из колонны
диаметром 110 или 50 мм, изготовленной из стеклопластика, которая
заполнялась жидкостью. Уровень заполнения
жидкостью составлял 3…5 диаметров колонны.
В колонне закреплялись аэраторы различной
конструкции и типа для подачи пузырьков
воздуха заданного размера (рис. 3). В аэратор с
помощью компрессора через расширительный
бак
подавался
воздух.
Вибрационное
воздействие
на
объект
исследования Рис. 3. Типы используемых
осуществлялось с помощью вибростенда. аэраторов.
8 Сигнал на вибростенд подавался с генератора через усилитель мощности.
Подаваемый сигнал имел синусоидальную форму и мог регулироваться как по
амплитуде, так и по частоте в пределах от 20 Гц до 2000 Гц. На корпусе
колонны в нижней точке закреплялся акселерометр, с помощью которого
осуществлялась отрицательная обратная связь. В заполненную водой колонну
погружался гидрофон, сигнал с которого подавался на узкополосный
анализатор реального времени. Для визуальной регистрации и контроля
процессов в корпусе колонны закреплялась фото- видеокамера высокого
разрешения с макрообъективом с отношением 1:1.
Вибрационное воздействие на объект исследования передавалось
несколькими способами:
• Колонна в сборе с аэратором закреплялась непосредственно на
вибростенде. Вибрационным воздействиям подвергалась вся колонна с
жидкостью и работающим аэратором в ней (схема А).
• Вибрационное воздействие передавалось не на всю колонну, а только на
водовоздушную смесь в данной колонне. Для этого использовался
подвижный поршень, опущенный в воду и соединенный с вибростендом с
помощью тяги. При данном способе колонна и аэратор оставались
неподвижными. Исследовалось
различное
взаимное
расположение
поршня
и
аэратора друг относительно
друга (схемы Б и В).
• Вибрационное
воздействие
передавалось только на аэратор
с помощью тяги, соединяющей
аэратор
с
вибростендом.
Поршень в данной схеме
отсутствовал.
Колонна
оставалась
неподвижной.
(Схема Г).
Рис. 4. Фотография лабораторной
Регистрация
исследуемых установки для исследования процессов,
процессов производилась путем происходящих во время флотации.
фото- и видеосъемки, а также определением виброакустических спектров. При необходимости дальнейший
анализ осуществлялся в графическом редакторе на компьютере.
В третьей главе «Теоретические исследования виброфлотационной
очистки сточных вод» приведены математические модели, используемые для
описания виброфлотации. В частности, приведены математические модели
флотации с вибродиспергированием и флотации с виброкоалесценцией
пузырьков воздуха.
Математическая модель виброфлотации с учетом
диспергирования газовой фазы.
Схема модели представлена на рис. 5. 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.
9 Данная
модель
описывается
системой
дифференциальных уравнений
(1). Для каждого из переходов
имеют
место
свои
соответствующие 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 С в стадиях А, B,
C и D во времени t. Графическое
представление
решения
численными методами данной
системы уравнений показано на
рис. 6.
Рис. 5. 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 частичкапузырек;
D
–
стадия
всплытия
флотокомплексов и образования пенного
слоя. Кi - константы переходов из одного
состояния в другое
(1) % % с Рис. 6. Кинетические зависимости виброфлотационного процесса (CA(t), CB(t),
CC(t), CD(t)). Зависимость CB(t) полностью повторяет CC(t).
10 Математическая модель виброфлотации с учетом
коалесценции микрофлотокомплексов
Схема модели представлена
на рис. 7. 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
соответствующие
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.
Рис. 7. 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.
(2) Решение данной системы уравнений при известных константах
переходов Кi позволяет найти изменение концентраций С в стадиях B, D и Е во
времени t. Графическое представление решения численными методами данной
системы уравнений показано на рисунке 8.
% с Рис.8. Кинетические зависимости виброфлотационного процесса (CB(t), CE(t),
CD(t)).
11 В
четвертой
главе
«Выбор
и
оптимизация
режима
вибровоздействия» приведена разработанная методика выбора режима
вибровоздействия для диспергирования газовой фазы и коалесценции
микрофлотокомплексов.
Описано
экспериментальное
исследование
флотационных процессов как многостадийных, включающих в себя:
диспергирование и коалесценцию пузырьков воздуха, истечение воздуха из
аэратора, образование флотокомплексов и их всплытие в пенный слой.
При изучении воздействия вибрации на скорость всплытия пузырей
воздуха показано, что в зависимости от уровня виброускорения и частоты
колебаний поведение газовой фазы может значительно изменяться. Было
предположено, что частота, на которой имеет место эффект, является
резонансной частотой флотационной колонны. В таком случае, значения частот
и уровней вибровоздействия могут быть выбраны и оптимизированы. Для этого
были определены амплитудно-частотные спектры заданной конфигурации
колонны в сборе с различными типами аэраторов, представленные на рис. 9.
На рис. 9 показан уровень виброускорения задающего канала и отклик,
то есть показания гидрофона. Абсолютные значения не определяются, так как
они будут варьироваться в зависимости от того, какой уровень виброускорения
задан генератором. Для анализа спектров необходимо выделить различия в
показаниях между двумя каналами: задающим и измерительным. Акселерометр
задающего канала закреплялся на дне колонны. Таким образом обеспечивался
синусоидальный сигнал заданного уровня и частоты в нижней точке колонны.
В качестве измерительного канала использовался гидрофон,
погруженный на одну и ту же глубину.
Различия между спектром задающего и измерительного канала (в
форме явно выраженных пиков) характеризуют передаточную характеристику
колонны, как совокупности элементарных колебательных систем пики в канале
гидрофона. Для каждой из этих колебательных систем имеют место свои
резонансные частоты: для корпуса колонны, для аэратора, для пузырьков
воздуха определенного размера и.т.д.
Рис. 9. Амплитудно-частотные спектры колонны в сборе c различными
аэраторами. (1) – аэратор типа 1, (2) – аэратор типа 2, (3) – аэратор типа 3.
На спектрах снизу черным цветом показан заданный сигнал, а сверху серым –
показания гидрофона.
12 Следует отметить средний график на котором основная резонансная
частота близка к 170, а дополнительные - 120 и 55 Гц.
При изучении поведения газовой фазы на резонансных частотах было
отмечено, что эффект влияния вибрации на скорость всплытия пузырька
проявляется наиболее явно на самом острие пика, в то время как у основания
пика обнаруживается эффект диспергирования, который с увеличением
частоты, либо уровня
сменяется
эффектом
замедления
скорости
всплытия, вплоть до
полной остановки и
изменения направления
движения.
Таким образом,
имеют
место
фазы
процесса,
представленные на рис.
10. Если разворачивать
частоту, то в начале
никакого
эффекта Рис. 10. Фазы воздействия вибрации на
проявляться не будет, газовоздушную смесь.
затем
происходит I – Эффекты не проявляются
диспергирование
II – Имеет место диспергирование пузырьков
пузырьков, после чего - воздуха
образование кластеров III – Образуются кластеры и уменьшается
и снижение скорости скорость всплытия
всплытия,
а
затем IV – Потопление кластеров и сбор пузырьков у
потопление кластеров и дна колонны.
сбор пузырьков на дне
колонны. При дальнейшем разворачивании частоты происходят те же процессы,
только в обратном порядке.
Следует отметить, что описанные эффекты зависят не только от частоты,
но и от уровня вибровоздействия, с увеличением которого полоса 4й фазы
становится шире.
В этом случае, при поиске оптимального режима неточность настройки
частоты можно компенсировать повышенным уровнем виброускорения, и,
наоборот, уровень вибровоздействия может быть снижен путем более точного
установления частоты возбуждения.
Таким образом, при оказании вибровоздействия на аэратор на заданных
частотах (определяемых экспериментально) возможно добиться существенного
диспергирования пузырьков воздуха.
Эти же правила применимы и для коалесценции пузырьков. Однако
требуется включение установки по схеме Б, когда вибровоздействие передается
на поршень, установленный над аэратором. Для нее также производится
виброакустический анализ. Например, при проведении экспериментов был
получен пик на амплитудно-частотном спектре в районе 360 Гц. На данной
частоте наблюдался эффект коалесценции.
На основании поставленных опытов предлагается следующий порядок
выбора режима вибровоздействия для диспергирования или коалесценции
пузырей воздуха:
13 1. Выбрать схему включения флотомашины:
a. Для диспергирования пузырьков воздуха осуществлять вибровоздействие по
схеме Г, когда вибрация передается на аэратор. В исключительных случаях
допускается оказывать вибровоздействие на всю флотомашину.
b. Для коалесценции микрофлотокомплексов осуществлять вибровоздействие
по схеме Б, когда вибрация передается на поршень, установленный над
аэратором.
2. Определить амплитудно-частотный спектр флотомашины.
3. Выбрать основную резонансную частоту.
4. Выбрать уровень виброускорения, достаточный для проявления эффектов
диспергирования и коалесценции во флотомашине (уровни виброускорения
не должны превышать 5 и 10 g соответственно).
Такой
порядок
позволит
определять
необходимые
уровни
виброускорения и выбирать режим вибровоздействия для достижения эффектов
диспергирования пузырьков воздуха и коалесценции микрофлотокомплексов в
разрабатываемых виброфлотомашинах.
Важное значение в оценке эффективности флотационного процесса имеет
определение размера пузырьков воздуха, которые участвуют в образовании
флотокомплексов частица-пузырек и их всплытии в пенный слой.
(3) Так, при исследовании истечения воздуха из аэратора было впервые
предложено в качестве критерия, характеризующего размер образующихся
пузырей воздуха, использовать средний диаметр флотационных пузырьков
воздуха, образующихся при вибродиспергировании газовой фазы. Для его
нахождения предлагается использовать формулу (3), где
di – диаметр пузырька воздуха, производимый данным аэратором;
mi – количество пузырьков воздуха данного диаметра.
Данный подход позволяет более точно отображать действительное
распределение пузырьков воздуха, которое имеет место быть при
использовании данных типов аэраторов.
Кроме того, при исследовании истечения воздуха через аэратор при
наложенных вибрационных воздействиях было обнаружено снижение
гидравлического сопротивления аэратора и, соответственно, увеличение
расхода воздуха через аэратор при прочих неизменных параметрах.
При исследовании диспергирования пузырей воздуха было установлено
существенное влияние воздействия вибрации на размер пузырей воздуха.
На рис. 11 представлено распределение пузырей по количеству в
зависимости от их размера и от частоты вибровоздействия. В частности, без
вибрации количество пузырей воздуха размером 0,1 мм составляет 300 единиц,
размером 0,2 мм – 150 единиц и т.д. При наложении вибровоздействия частотой
170 Гц количество пузырей размером 0,1 увеличивается до 1200 единиц, а 0,2 –
до 780 единиц. Аналогично, но в меньшей степени характерно изменение для
частот 120 и 55 Гц. При этом режим работы компрессора не изменялся, равно
как и не изменялись никакие прочие параметры.
14 Рис. 11. Распределение пузырей воздуха по количеству в зависимости от их
размера и частоты вибровоздействия.
Таким образом, в данной главе показано, что для каждого процесса
виброфлотации имеют место основная и дополнительные характерные частоты,
на которых диспергирование пузырьков воздуха происходит наиболее
эффективно.
Однако было замечено, что на некоторых частотах вибрационного
воздействия имеет место коалесценция пузырей воздуха. В частности, это видно
на рис. 12, на котором показано распределение пузырьков воздуха по
количеству в зависимости от их размера и от частоты вибровоздействия.
Рис. 12. Распределение пузырей воздуха по количеству в зависимости от
их размера и частоты вибровоздействия для основных резонансных частот.
На рис. 12 следует обратить внимание на область на оси абсцисс в
интервале от 0,3 до 0,5 мм, на которой кривая 55 Гц находится выше остальных.
15 Это показывает, что на данной частоте происходит коалесценция пузырьков,
особенно сильная и заметная в области крупных пузырьков (от 1 мм и более).
Если для данного случая посчитать средний размер флотационных
пузырьков воздуха, то получится, что при частоте 55 Гц он составляет 0,22 мм,
при частоте 120 Гц – 0,17 мм, а при частоте 170 Гц – 0,16 мм. (средний размер
флотационных пузырьков воздуха без вибрации составлял 0,28мм).
Кроме того, было показано, что коалесценция имеет место при
использовании поршня как источника вибровозмущений в водовоздушной
среде. Так, на частоте 360 Гц диаметр пузырьков воздуха в лабораторной
установке увеличился в 7-10 раз. Данный процесс связан с коалесценцией
пузырьков воздуха именно на вибрирующем с заданной частотой поршня.
В пятой главе «Экспериментальное исследование воздействия
вибрации на флотацию и подтверждение математической модели»
приведены результаты серии экспериментов для подтверждения разработанных
математических моделей.
Для подтверждения разработанной математической модели флотации с
учетом виброкоалесценции и вибродиспергирования пузырьков воздуха был
проведен ряд экспериментов.
Для виброфлотации стока Московского НПЗ были рассчитаны все
необходимые константы переходов Кi и для них решена система уравнений (1).
Расчеты велись совместно с кафедрой вычислительной техники и
математической физики ФН-11 МГТУ им. Н.Э. Баумана. Они осуществлялись
на трех программных продуктах: SciLab, MathLab и MathCAD. В программном
комплексе MathCAD данные системы уравнений (1) с заданными константами
переходов Кi были решены
численно и аналитически.
Во всех случаях решение
было одинаковым.
Графическое решение
системы уравнений (1)
представлено на рис. 13.
Линиями на рис. 13
показаны
теоретические
данные, а точками –
соответствующие
результаты экспериментов.
Исходная
Рис.
13.
Сравнение
теоретических
и
концентрация
экспериментальных
данных
по
виброфлотации
нефтепродуктов в стоке
стока НПЗ.
НПЗ составляла 16.5 мг/л.
<1>
- время, с; Z<2> - концентрация
Очевидно
хорошее Z
<3>
и Z<4>
совпадение теоретических нефтепродуктов в очищаемом стоке; Z <5>
данных с экспериментом. - содержание флотокомплексов; Z
концентрация
нефтепродуктов
в
пенном
слое.
Время флотации при этом
составляет 600 с
(10 Линиями показаны теоретические данные,
минут),
за
которые точками – результаты экспериментов.
концентрация снизилась с
16.5 мг/л до 0,8 мг/л. Виброфлотация стока Московского НПЗ производилась на
установке для флотации модельного стока.
16 Для качественного подтверждения эффективности вибрационной
интенсификации пневматической флотации был поставлен эксперимент на
стоке лакокрасочного предприятия, который был выбран как наиболее трудный
для очистки. Результаты
эксперимента
представлены на рис. 14.
Из рисунка видно, что
мутность исходного стока
составляла
1840
NTU,
мутность
стока
после
очистки - 330 NTU. Таким
образом, очевидно, что
удалось добиться снижения
мутности с 1840 единиц до
330.
Стоит отметить, что
существенного различия в
типе пробы на результате Рис. 14. Результаты виброфлотации стока
не
отмечено,
те лакокрасочного предприятия.
нерастворенные
частицы По оси ординат – нефелометрические единицы
загрязнений,
которые мутности.
попали
в
пробу,
отобранную
после
перемешивания, остались и осадились в стоке и после флотации. Время
флотации с вибрацией составляло 10 минут, после которого количество
производимой пены было незначительно, увеличение времени флотации еще на
5 минут привели лишь к незначительному улучшению результатов.
Время флотации без вибрации составляло 5 минут, по истечении которых
пена также уже практически не производилась, однако флотация проводилась
еще в течение 10 минут. Стоит отметить, что если после завершения флотации в
режиме без вибрации ее добавить в заданном режиме, пена снова начинала
производиться, а сток, соответственно, продолжал флотироваться.
Таким образом показана высокая эффективность применения
виброфлотационной очистки сточных вод.
На основе данных экспериментов была разработана установка с
подготовкой водовоздушной смеси, на которую был получен патент РФ на
полезную модель.
В шестой главе «Методика расчета виброфлотационного аппарата»
приведена разработанная методика расчета аппарата для вибрационной
пневматической очистки сточных вод от нефтепродуктов и прочих
гидрофобных
загрязнений,
а
также
приведен
пример
расчета
виброфлотомашины.
Методика расчета виброфлотомашины заключается в следующем:
изначально задаются исходная концентрация загрязнителя, требуемая степень
очистки и производительность виброфлотомашины. Затем решаются системы
дифференциальных уравнений, описывающих процесс виброфлотации для
диспергирования (1) и коалесценции (2).
Значения констант рассчитываются по следующим формулам:
17 •
K1 = K 3 =
1.5qE
,
k0 Def
где
q
–
скорость
барботирования;
Е
–
эффективность захвата частиц всплывающим пузырьком газа при флотации;
Def - средний диаметр флотационных пузырьков во флотокамере. Для его
определения необходимо воспользоваться разработанной в настоящей работе и
представленной выше методикой. k0 – фактор полидисперсности пузырьков.
•
dM 2
K 2 = K 4 = nρν G
EN
m
P
, где n – концентрация флотокомплексов
частица-пузырек; ρ – плотность жидкости; ν – кинематическая вязкость
суспензии; G – градиент скорости; р, m – коэффициенты (1≤р≤2; m= ⅔); d –
диаметр частицы твердой фазы; М – отношение диаметра частицы к диаметру
пузырька; Е – эффективность захвата частиц всплывающим пузырьком газа; N –
параметр, характеризующий прочность связи между частицей и пузырьком газа.
Однако для данного случая константы К2 и К4 равны нулю.
•
K5 = K7 =
υp
h
, где υp – скорость подъема флотокомплекса; h –
расстояние от зоны аэрации до пенного слоя (глубина флотокамеры).
3
• K 6 = K 8 = F ⋅ G p ⋅ C p ⋅ dav , где: F –коэффициент пропорциональности;
Gр – градиент скоростей в подпенном слое; Ср – концентрация пузырьков в
пене; dav – средний диаметр флотационных пузырьков воздуха в пене. Для
данного случая константы К6 и К8 также равны нулю.
v
• K 9 = oc , где υо.c- скорость осаждения частиц твердой фазы.
h
2
/
)
# ( x + h )2 &,31
∂ 1 1 + #% ( x − h ) &(
(.4
K10 = D 0
exp −
− exp %% −
(.
∂x 12 2 π Dt +* %$ 4Dt ('
4Dt
$
'-15
•
, где t – время, х
– текущее расстояние от границы пенного слоя, D – коэффициент диффузии
частиц твердой фазы в жидкости.
4Gαφ
• K11 =
, где G-эффективный градиент сдвига гидродинамического
3π
поля: G = qg /ν , g – ускорение сил тяжести; ν - кинематическая вязкость
жидкости; q – скорость барботажа; α - эффективность коалесценции; φобъемная доля газовой фазы. Константы К12 и К14 в данном случае также равны
нулю.
of
υ pod
of
• K13 =
, где υpod - скорость подъема объединенного флотокомплекса.
h
На основании полученных решений определяется время флотации (как
сумма времени диспергирования и времени коалесценции) путем подстановки в
решение исходных данных. Для данной установки было получено время
флотации с диспергированием – 7 минут, а время флотации с коалесценцией – 6
минут. То есть, полное время флотации – 13 минут.
18 Значение времени флотации определяется нахождением участка функции
СА(t) графического решения системы уравнений, на котором ее относительное
стандартное отклонение не превышает 5% за промежуток времени ~5 мин.
Затем рассчитывается требуемый объем камер диспергирования и
коалесценции как произведение требуемой производительности и времени
флотации.
Q⋅t
2 ⋅13
W=
=
60 ⋅ (1− α ) 60 ⋅ (1− 0, 2)
3
≅ 0, 54 м , где α = 0, 2 −
коэффициент аэрации.
После этого задается
скорость движения жидкости
в
аппарате.
Согласно
требованиям
нормативной
документации
данная
скорость
не
должна
превышать 5 мм/с. Затем
определяется
площадь
сечения
аппарата
как
отношение
требуемой
производительности
и
скорости движения жидкости.
S=
Q 2 ⋅1000
2
=
= 0, 55 м
u 1⋅ 3600
После этого задается
высота аппарата (Н = 1 м) и,
исходя
из
этого,
определяются
габариты
аппарата.
B=
S 0, 55
=
= 0, 55 м ,
H
1
Рис. 15. 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.
L=
W 0, 54
=
=1м
S 0, 55
Затем выбираются варианты подвода и отвода воды, а также способ
удаления пены, после чего с учетом требований технологичности
разрабатывается конструкция аппарата.
На основании данной методики была разработана флотационная установка
с диспергированием в корпусе аппарата. Схема аппарата представлена на рис.
15.
Принцип ее работы заключается в том, что исходная вода подается
сначала в камеру диспергирования, где происходит первый этап флотации, а
затем в камеру коалесценции, где мелкие флотокомплексы коалесцируют и
всплывают, тем самым повышая эффективность очистки. Вибростенды (или
прочие устройства для создания вибрации) устанавливаются сверху на корпус
флотомашины. Таким образом, могут быть усовершенствованы уже
существующие флотационные аппараты.
19 Для
конструирования
данного
аппарата
была
использована разработанная
математическая модель.
Соответственно, вначале
производился
расчет
для
камеры диспергирования, а
затем
–
для
камеры
коалесценции. При расчете
флотации с диспергированием
использовалась
математическая модель для
16.
Сравнение
теоретических
и
флотации
с Рис.
диспергированием. Для нее экспериментальных данных по виброфлотации
автомоечного
комплекса
в
были
рассчитаны
все стока
флотомашине
в
блоке
необходимые
константы разработанной
диспергирования
переходов К и решена система
<1>
- время, с; Z<2> - концентрация
уравнений.
Решение Z
нефтепродуктов в очищаемом стоке; Z<3> и Z<4>
представлено на рис. 16.
<5>
Теоретические данные - содержание флотокомплексов; Z
концентрация
нефтепродуктов
в
пенном
слое.
были также подтверждены
экспериментально. Для этого Линиями показаны теоретические данные,
использовался
сток точками – результаты экспериментов.
автомоечного комплекса. Как
видно из рис. 16, 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.
Расчет
для
камера
коалесценции производился с
использованием
рассмотренной выше модели
флотационного
процесса.
При этом использовалась Рис.
17.
Сравнение
теоретических
и
математическая модель для экспериментальных данных по виброфлотации
флотации с коалесценцией. стока автомоечного комплекса в разработанной
Для нее были рассчитаны все флотомашине в блоке коалесценции
необходимые
константы Z<1>
- время, с; Z<2> - концентрация
переходов К с учетом нефтепродуктов в очищаемом стоке; Z<3> результатов полученных в концентрация укрупненных флотокомплексов;
ходе
решения
обратной Z<4> - концентрация нефтепродуктов в пенном
задачи, и решена система слое. Линиями показаны теоретические данные,
уравнений.
Решение точками – результаты экспериментов.
20 представлено на рис. 17.
Теоретические данные были также подтверждены экспериментально. Как
видно из рис. 17, имеет место хорошее совпадение теоретических данных с
экспериментальными. Время флотации с коалесценцией составляет 6 минут, по
истечении которых содержание флотокомплексов снизилось до 5го порядка
малости.
Таким образом, общее время очистки составило 13 минут.
Для обоснования режима вибровоздействия для данной флотационной
установки был замерен амплитудно-частотный спектр. Основной пик
приходится на 95 Гц. На данной частоте и осуществлялось вибровоздействие во
флотационном аппарате.
Таким образом, на основании этих данных была разработана и испытана
виброфлото-машина.
В седьмой главе «Оценка предотвращенного экологического ущерба,
технико-экономическое обоснование внедрения виброфлотомашины и
рекомендации для ее внедрения» показано сравнение виброфлотационного
способа очистки с прочими способами (напорной, пневматической,
механической и электрофлотации) по следующим показателям: время
флотации, металлоемкость, примерная стоимость оборудования, потребление
электроэнергии и остаточная концентрация.
Кроме того, приведена оценка предотвращенного экологического ущерба
от сброса недоочищенных нефтесодержащих сточных вод при внедрении
предлагаемого способа виброфлотационной очистки. Она показала, что при
внедрении одной виброфлотомашины производительностью 5 м3/час на
автомоечном комплексе «Измайлово», г. Москва сумма предотвращенного
ущерба составит 140 тыс. руб. в год.
При этом отмечается снижение стоимости виброфлотомашины по
сравнению с аналогами, такими как: пневматическая флотация, механическая
флотация, электрофлотация и напорная флотация. Показано, что при равной
эффективности очистки затраты на виброфлотацию на 27% от общей стоимости
ниже, чем для пневмофлотации.
Виброфлотация Пневматическая Механическая
Напорная
Электрофлотация
флотация
флотация
флотация
1. Время флотации, мин
10...15
20...30
30...40
30…50
40...50
3
2. Металлоемкость флотационных машин, кг/м
150
200
300
200
400
3. Примерная стоимость оборудования (тыс. руб на 1 м куб. очищаемой
воды)
45
60
100
70
80...100
3
4. Потребление электроэнергии, кВт/м (не учитывая прокачки воды)
0,2...0,4
0,2...0,6
1,4...4
0,2…0,4
5…6
4. Остаточная концентрация, мг/л
1…2,5
до 6
10…15
10
1…2
Таблица 1. Сравнение технико-экономических характеристик различных
методов флотационной очистки сточных вод.
21 Сравнение методов флотационной очистки сточных вод представлено в
таблице 1.
Из данных таблицы 1 видно, что время виброфлотации значительно
меньше времени флотации прочими известными методами. Примерная
стоимость оборудования и металлоемкость для виброфлотации также ниже, чем
для прочих способов флотационной очистки. При этом остаточная
концентрация меньше, чем у пневматической, напорной и механической
флотации и сравнима с электрофлотацией.
Таким образом, очевидна экономическая целесообразность применения
виброфлотации для очистки гидрофобных загрязнений.
Выданы практические рекомендации ООО «Водные технологии и
промышленная безопасность» по усовершенствованию систем оборотного
водопользования на Московском НПЗ. Виброфлотомашины заложены в
проектные решения локальных очистных сооружений автоцентра «Измайлово»
(г. Москва).
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
Впервые проведено комплексное исследование влияния вибрации на
флотационный процесс на основе многостадийной модели флотации.
Разработана математическая модель виброфлотационного процесса,
включающего диспергирование газовой фазы и коалесценцию
микрофлотокомплексов.
Определены оптимальные режимы вибровоздействий на процесс
виброфлотационной очистки нефтесодержащих сточных вод. Показано, что
имеют место резонансные эффекты во флотационной колонне.
Экспериментально подтверждена модель виброфлотации на примере
очистки стоков нефтесодержащих сточных вод различных производств.
Установлено, что воздействие вибрации позволяет сократить время
флотации до 10…15 минут, что в 1,5-2 раза меньше времени флотации без
воздействия вибрации.
Разработана научно-обоснованная методика расчета виброфлотомашины.
Разработана и защищена патентом РФ на полезную модель
виброфлотомашина для очистки нефтесодержащих сточных вод.
Выданы практические рекомендации по реконструкции существующей
флотационной техники и проектировании виброфлотомашин оригинальной
конструкции.
Проведена оценка предотвращенного экологического ущерба окружающей
среде
с
учетом
использования
виброфлотационной
очистки
нефтесодержащих сточных вод.
ПУБЛИКАЦИИ
Список публикаций в ведущих рецензируемых
научных журналах, определенных ВАК
1.
Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В., Геворкян Р. Э., Флотационная очистка
сточных
вод
с
использованием
вибровоздействий,
Безопасность
жизнедеятельности, 2011, №9, с. 32-37.
22 2.
Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В. Исследование влияния вибрации на
флотационную обработку сточных вод. // Электронное научно-техническое
издание Наука и Образование, №10, октябрь 2011.
3.
Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В Интенсификация флотационной
очистки в оборотных системах водопользования с использованием
вибровоздействий. // Электронное научно-техническое издание Наука и
Образование, №2, февраль 2012. Издание на англ. языке: Ksenofontov B.S.,
Ivanov M. V. Intensification of Waste Water Flotation Treatment by Vibration
Excitement for Water Recycling // Electronic scientific and technical periodical
Science and Education, №2, February, 2012
4.
Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В., Пути интенсификации флотационного
процесса очистки сточных вод с использованием вибрации. // Экология
промышленного производства межотраслевой научно-практических
журнал, 2012, №1, с. 41-44
Прочие публикации по теме диссертации
5.
Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В. Интенсификация флотационного
процесса очистки сточных вод с использованием вибровоздействий. //
Экология и охрана труда, №1-2 2011, 10-16 стр.
6.
Ксенофонтов Б. С., Иванов М. В. Исследование влияния
вибровоздействия на процессы аэрации и флотации // Водоочистка.
Водоподготовка. Водоснабжение 2011/9 (45) стр. 12-20
7.
Иванов М. В., Байрамова А. Д., Исследование влияния вибрации на
распределение размера аэрируемых пузырьков воздуха при флотации. //
Сборник статей участников Молодежной научно-инженерной выставки
«Политехника» - 2011, стр. 23-25
8.
Иванов М. В., Геворкян Р. Э. Исследование методов изменения скорости
всплытия воздушных пузырьков в воде. // Сборник статей Студенческой
конференции «Научная весна 2011»
9.
Иванов М. В., Исследование методов изменения скорости всплытия
воздушных пузырьков в воде. // Сборник статей Студенческой конференции
«Научная весна 2010»
Патенты
10. Патент на полезную модель № 113519. Флотационная установка
для очистки сточных вод.//Б. С. Ксенофонтов, М. В. Иванов. Заяв. 13.07.2011
№2011129077
23 
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
166
Размер файла
3 575 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа